Дієтичні «відбитки пальців» ЯМР 1Н можуть допомогти боротися з хронічними захворюваннями
Які проблеми зі здоров’ям ви досліджуєте?
Однією з найбільших проблем, з якою сьогодні стикається світ, є збільшення неінфекційних захворювань. Ця серія хвороб пов’язана з тим, як ми вирішили жити своїм життям, і одним з найважливіших факторів є те, що ми вирішили їсти. Неякісний раціон, як було показано, є основною проблемою для більшості цих захворювань, таких як ожиріння, рак, серцево-судинні захворювання та діабет 2 типу.
За підрахунками, до 2045 р. Буде 629 мільйонів дорослих з діабетом. Переважна більшість діабету - це діабет типу 2. Це проблема способу життя; воно збільшується, коли ожиріння зростає серед базової популяції. І найбільше занепокоєння викликає зростання діабету в країнах з низьким та середнім рівнем доходу. У світі існує величезна проблема щодо того, як ми обираємо своє життя і як ми обираємо їжу, яку їмо.
Ці захворювання не мають ознак уповільнення. Жодна країна світу не змогла змінити зростання ожиріння. За дуже кілька років спостерігається масове збільшення захворювань, пов’язаних із способом життя. Отже, це не генетична проблема; це екологічна проблема. Це пов’язано з величезними змінами в нашому способі життя та збільшенням високоенергетичної їжі, яку ми вирішили їсти. Сьогодні 30% населення світу страждає від надмірної ваги та ожиріння, і, як очікується, ця кількість збільшиться.
Кредит зображення: Shutterstock/Наталія Лісовська
Які перешкоди вирішують ці проблеми?
Людська раса зробила багато великих відкриттів, але єдине, що ми не зламали, - це розуміння того, що люди їдять у своєму домашньому середовищі. На даний момент загальною загадкою є те, що люди вирішили їсти щодня у своєму домашньому середовищі. Це принципово важливо, оскільки, якщо ми не можемо отримати це розуміння, дуже важко пов’язати рівень захворюваності з дієтою. Також дуже важко зрозуміти успіх політики, тому що ви не знаєте, що люди їдять щодня.
Однією з найбільших проблем харчування є вирішення цієї проблеми. Ми хочемо відповісти на запитання: «Що ми насправді їмо? Наші сучасні інструменти, якими ми намагаємось відповісти на них, є архаїчними. Це інструменти, які існують вже більше століття. Люди записують, що їм їсти, і це потім обробляється за допомогою програмного забезпечення. Проблема в тому, що на шляху є деякі помилки. Одне з найважливіших - те, що люди вирішили повідомити, що вони їдять. У деяких великих наборах даних, які ми маємо, уряди використовують для прийняття рішень щодо політики в галузі охорони здоров'я десь від 33% до 80% помилок у звітності про продукти харчування.
Те, що ми робили протягом останніх шести-семи років, це перевірити, чи можемо ми використати 1H ЯМР-метаболізм метаболіту в сечі, щоб дати нам деяке розуміння дієти.
Як ви розробили цю 1-ЯМР-техніку метаболічного профілювання?
Ми розпочали з клінічного випробування, під час якого ми ставили людей під нагляд, щоб переконатися, що вони на 100% дотримуються нашої дієти. Ми попросили 19 здорових учасників дотримуватись у довільному порядку чотирьох різних дієт з різним рівнем дотримання дієтичних рекомендацій ВООЗ. Підводячи підсумок, ми мали дієту з дотриманням 25% вказівок ВООЗ та дієтою зі 100% дотриманням, а також двома проміжними продуктами із дотриманням 50% та 75% відповідно.
Усі учасники дотримувались усіх дієт, але протягом тривалості кожної дієти учасникам не дозволялося залишати клінічну клініку, а вся їжа та напої, які ми їм надавали, контролювались. Усі учасники щодня отримували однакові три основні страви та дві закуски. Хоча, звичайно, ці страви різні у кожному з різних режимів харчування.
Учасників просили взяти проби сечі на початку та в кінці кожної дієти. Ми аналізуємо зразки сечі за допомогою ядерно-магнітного резонансу, і це займає п’ять хвилин, щоб сформувати метаболічний профіль або метаболічний відбиток пальця. Метаболічний профіль може виявити тисячі хімічних сполук. Спектр містить багато різних піків, і деякі з них пов'язані зі споживанням конкретних продуктів харчування. Наприклад, якщо людина вживає виноград, ви побачите винну кислоту в сечі. Якщо вони з’їдять шматок червоного м’яса, ви побачите O-ацетилкарнітин.
Ми відібрали всі зразки сечі у учасників після дотримання кожної з дієт. Потім ми взяли всі метаболічні профілі та помістили їх у нашу модель за допомогою PCA (аналіз основних компонентів).
Якими були ваші перші відкриття?
Ми виявили, що хоча модель не знає, хто є хто або хто їв яку дієту, наші зразки оцінюються на основі безпеки дієти.
В основному, ми виявили, що метаболічний профіль учасника постійно модулювався під час зміни дієти з 25% до 100% здорової дієти і навпаки. Іншим важливим фактором метаболізму є те, що це дозволяє нам швидко відстежувати зміни в харчових звичках людей. Ми змогли спостерігати зміни в метаболічних профілях з 1 по 2 день на 3 день.
Ми побудували графік результатів людей із найбільшою і найменш здоровою дієтою, причому кожна проба була представлена крапкою. Це показало чітке розділення зразків сечі після того, як люди їли здорову дієту та після того, як люди їли нездорову дієту.
Потім ми хотіли перевірити, чи можемо ми використовувати цю модель для прогнозування метаболічних профілів людей, які харчуються проміжним харчуванням. Це справді було можливо, проміжні режими перегрупувалися між двома крайніми режимами.
Кредит зображення: Shutterstock/Антоніна Власова
Як ви перевірили модель поза клінічними випробуваннями?
Ми взяли групу вільноживучих людей, яких дієтолог класифікував як здорових їдачів. Дієтологи вивчають, що люди кажуть, що вони їдять, і оцінюють їх, використовуючи оцінку дієтичних підходів до зупинки гіпертонії (DASH). Ми побудували ці бали DASH на основі наших балів, отриманих в результаті метаболічного профілювання. Ми виявили, що хоча оцінки корелювали для багатьох учасників, існувала значна частка, метаболічний профіль якої вказував на «нездорову» дієту, незважаючи на хороший показник DASH.
Ще однією перевагою нашого підходу є те, що ми можемо перейти до метаболічного профілю і зрозуміти, чому оцінка DASH не відповідає нашій оцінці. Наприклад, один суб'єкт повідомив, що споживає багато апельсинового соку та апельсинів, але ми ніколи не бачили пролін бетаїну, маркера споживання цитрусових, у сечі. Отже, це був випадок, коли хтось неправильно повідомляв або недооцінював свої харчові звички.
Які компоненти ви шукаєте конкретно в метаболічному профілі?
Ми не обов'язково шукаємо конкретну сполуку самостійно. Що ми робимо, це беремо всю діаграму, метаболічний відбиток сечі. Звідти ми порівнюємо його з базою даних дуже ретельно контрольованих досліджень дієтичного втручання.
Тим не менш, є деякі сполуки в сечі, які ми спеціально розглядаємо, оскільки знаємо, що вони представляють інтерес. Деякі з них включатимуть такі речі, як енергетичні метаболіти, що беруть участь у циклі Кребса. Інша група цікавих для нас сполук - це мікробні метаболіти в кишечнику, оскільки вони стосуються, зокрема, збирання калорій бактеріями. Сюди входять такі метаболіти, як паракрезолсульфат, глюкуронід паракрезолу, фенілацетилглютамін, гіппурат, а також інші метаболіти, що отримуються безпосередньо з самої їжі. Наприклад, якщо ви приймаєте пролін-бетаїн, це конкретно стосується цитрусових. Отже, ми збираємось прочитати конкретні хімічні речовини, але вся передумова тесту полягає в загальній цілісній схемі сечі, яку ми використовуємо для прогнозування.
Які основні переваги тесту?
З клінічної точки зору, цей тест пропонує дієтологам можливість з’ясувати, що людина їла, не запитуючи. Ми знаємо, що зазвичай це має величезну похибку, оскільки твердження помилкові або недооцінені. Ми віримо, що ми можемо надати дієтологам можливість персоналізувати дієту, знаючи, що людина їла, але вони також знатимуть, яка дієта найкраще відповідає метаболізму людини. Тож ми можемо побачити, як вони реагують на дієту.
З наукової точки зору, цей підхід дозволяє дослідникам по-різному вимірювати, що люди їли, а не лише на основі опитувальників про їжу або харчового щоденника.
Кредит зображення: Shutterstock/Prostock-studio
Як можна використовувати метод для відстеження харчових звичок людей у реальному житті?
Ми провели ще одне клінічне випробування, в якому 28 добровольців попросили взяти щотижневу пробу сечі протягом шести місяців. Ще раз ми проаналізували зразки за допомогою ядерно-магнітного резонансу, створили метаболічний профіль і застосували математичну модель, щоб мати змогу оцінити прихильність кожного з учасників з часом до вказівок ВООЗ.
Для кожного учасника ми створили різний графік, щоб ми могли відстежувати їх дієтичні зміни з часом. На осі х ми побудували графік дня відбору проби сечі, а на осі у - відсоток відповідності вимогам ВООЗ для кожної проби. Те, що ми хочемо бачити, в ідеалі - це приблизно 100% дотримання правил ВООЗ, але насправді це не завжди відбувається. Ми бачили, що деякі люди починають з дуже здорової дієти, а потім з часом втрачають прихильність.
Нарешті, ми застосували нашу модель для вивчення харчових звичок людей у їхньому домашньому середовищі. Ми відібрали групу пацієнтів із ожирінням, яким було призначено баріатричну операцію. Цього разу ми побудували графік відсотка дотримання керівних принципів ВООЗ проти оцінки DASH. Ми виявили, що у багатьох випадках оцінка DASH не узгоджується з нашою оцінкою членства.
Були люди, які, згідно з нашою моделлю, мали кращі харчові звички. Однак менше 50% випробовуваних продемонстрували належне дотримання здорових харчових звичок.
Як ця інформація може пристосувати дієти до окремих людей?
Деякі люди вважають, що якщо всі дотримуються однакової дієти, всі втратять приблизно однакову кількість ваги, і результати пов’язані з дотриманням. Якщо ви запитаєте інших дослідників, вони скажуть вам, що це не так, і дієта повинна відповідати вашому індивідуальному метаболізму.
Ми досліджували це вже понад 20 років і провели багато досліджень, де годували людей простими та змішаними дієтами. Наприклад, якщо ми беремо здорову когорту, яка не отримувала винограду у своєму раціоні, коли ми аналізуємо зразок сечі, кожен починає з нульового тартрату, нашого біомаркера споживання винограду.
Потім ми попросили людей їсти однакову кількість винограду на день, і ми побачили, що кожен виділяє різну кількість цього конкретного біомаркера. Деякі люди виділяють удвічі більше, ніж інші. Отже, ми виявили, що, хоча людям дається однакова кількість однієї і тієї ж їжі, існують відмінності в способі метаболізму та/або виведення їжі з організму. Ви можете поширити цю концепцію на різні продукти. Ми спостерігали однаковий ефект з різними сполуками, пов’язаними з червоним м’ясом, фруктами та овочами, рибою та брокколі, наприклад. Для кожного виду їжі ми бачимо поширення у відповідь. Отже, люди по-різному метаболізують різну їжу.
Як приклад, ми можемо розглянути конкретний біомаркер, пролін бетаїн, який є біомаркером для цитрусових. Для нас це дуже хороший біомаркер, оскільки він надходить у малонаселену область спектру ЯМР 1 Н, тому ми можемо легко його виявити. І він не широко метаболізується в інші хімічні речовини; більша частина того, що ви їсте, виводиться у вигляді проліну бетаїну.
Ми дали деяким добровольцям стільки ж апельсинового соку, а потім сформували їх сечу через дві, чотири, шість годин тощо, до 24 годин після вживання апельсинового соку. Ми виявили, що для пролін-бетаїну більшість людей виділяє більшість протягом перших двох годин, але ви все ще можете виявити його до 24 годин пізніше. Безперечно одне, це те, що ми можемо вивчити гострі харчові реакції. Коли ми розглянули ці гострі дієтичні реакції та застосували їх до населення, що живе вільно, і подивились дані про дієту, ми змогли передбачити людей, які пили апельсиновий сік.
Кредит зображення: Shutterstock/AtSkwongPhoto
Чи дозволяє цей метод поглянути на дієту в більш довгостроковому сенсі?
Ми взяли дані нашого внутрішнього дослідження, де ми ретельно продемонстрували різноманітність 19 людей. Ми виявили метаболіти, які відрізняються між хорошим і поганим раціоном, і для кожного з метаболітів, які змінилися за ці два режими харчування, ми інтегрували їх у метаболічну мережу і прагнули з’ясувати, як ці метаболіти пов’язані між різними людьми. Ми візуалізуємо їх на карті мережі метаболічних реакцій.
Це дозволяє побачити, дотримуючись певної дієти, як метаболізм людини висвітлюється кількома шляхами. Якщо людина не реагує, це вказує на те, що вона не така метаболічно активна після цієї дієти.
Що визначає, чи стає людина більш метаболічно активною після певної дієти?
Він відрізняється між особами, але принаймні деякі з цих відмінностей пов’язані з мікробіомом кишечника. Багато з того, що ми їмо, перетворюється нашими кишковими бактеріями в хімічні речовини, і вони виводяться з організму. Отже, деякі відмінності, які ми спостерігаємо в сечових структурах, пов’язані з тим, що кожен із нас має приблизно 1,5–2 кілограми кишкових бактерій, і всі ми унікальні. У нас різні бактерії. Це робить нас усіх дещо іншими, метаболічно. Кишкові бактерії сприяють індивідуальним відмінностям у нашому профілі.
Тепер, якщо ми хочемо думати про людину протягом усього її життя, в ідеалі ми хочемо залишатися здоровими якомога довше, а дієта - це велика частина цього. Для кожної популяції та кожної людини необхідна можливість визначити, яка дієта найкраща для вас.?
Про доктора Ізабель Гарсія-Перес
Доктор Гарсія-Перес є викладачем прецизійної та системної медицини у відділі інтегративної системної медицини та захворювань органів травлення. Завдяки зростаючим дослідженням, його мета полягає у використанні нової дослідницької ніші, яка привносить аналітичну хімію в дослідження здоров’я. Її відданість роботі, яку вона робить, справді ставить її на перший план як роль жінок у науці.
Про професора Гері Фроста
В даний час професор Фрост є керівником Секції з питань харчування та очолює Імперську мережу з питань харчування та харчування. Він закінчив дієтолога в 1982 році і протягом своєї кар'єри завжди підтримував клінічний внесок. У січні 2008 року він був призначений професором з питань харчування та дієтології в Імперському коледжі. До цього Гері 18 років працював у лікарні Хаммерсміт. Під час перебування в Хаммерсміті він здобув докторську ступінь з питань харчування та був призначений почесним викладачем з питань харчування в Імперському коледжі, а потім вступив до Суррейського університету на посаду професора з питань харчування та дієтології в 2005 році.
Професор Ілейн Холмс
Професор Холмс є керівником відділу обчислювальної медицини та систем та професором хімічної біології у відділі хірургії та раку Імперського коледжу, Лондон, Великобританія. Вона має понад 20-річний досвід роботи в метабономічних технологіях та їх застосуванні. Вона зосереджується на відкритті та розробці метаболічних біомаркерів хвороби в персоналізованих медичних дослідженнях та популяційних дослідженнях, що робить важливий внесок у серцево-судинні, нейронаукові та інфекційні дослідження.