Мікробіота кишечника, запорука кращого харчуваннянаук
Патрік Вейга, Жульєн Тап і Мюріель Деррієн *
Danone Nutricia Research, Avenue de la Vauve, 91120 Palaiseau, Франція
Сучасне життя пов’язане зі змінами мікробіоти кишечника, із підозрою на участь у розвитку хронічних (незаразних) захворювань. Хоча наукове співтовариство дедалі більше намагається розробити методи лікування, спрямовані на мікробіоти або відновити її у хворих пацієнтів, бракує підходів для запобігання порушенню симбіозу між людьми та їх мікробіоти. У цьому огляді ми обговорюємо, як нові технології, інструменти та моделі допоможуть визначити мікробні метаболіти, отримані з їжі, можливі цілі для індивідуальних дієтичних рекомендацій, інтегруючи дані про дієту, генетику, спосіб життя та мікробіоти кишечника.
Сучасне життя пов'язане зі змінами в мікробіологічних спільнотах кишечника, які, як вважають, беруть участь у появі неінфекційних хронічних захворювань. Незважаючи на те, що наукове співтовариство все частіше намагається розробити терапії, спрямовані на мікробіоти, спрямовані на відновлення мікробіоти хворих пацієнтів, бракує підходів, спрямованих на запобігання порушенню симбіозу між людиною та її мікробними симбіонами. У цьому огляді ми обговорюємо, як нові технології, інструменти та моделі сприятимуть виявленню мікробних метаболітів, що мають відношення до здоров’я, а також можливих цілей для дієтичних рекомендацій з урахуванням фізіології, дієти, генетики, способу життя та мікробіоти кишечника.
Прийняття західного способу життя супроводжується змінами мікробіоти кишечника, пов’язаними з появою хронічних захворювань [34, 35] (→).
(→) Див. Синтез О. Рахмуні та ін., та Р. Бурселін та ін., сторінки 968 та 952 цього випуску
Протягом останнього десятиліття спостерігається сильний ентузіазм щодо розробки терапії, спрямованої на мікробіоти хворих людей. Однак профілактичних рішень, які допоможуть зберегти симбіоз хазяїн-мікроб для боротьби з факторами сучасного життя, все ще бракує.
У цьому огляді ми обговорюємо ключову роль дієти в еволюції симбіозу мікробів-господарів, через зокрема його вплив на вироблення біоактивних молекул. Ми також представляємо останні результати, які підтверджують концепцію, згідно з якою персоналізація дієти на основі генотипу та мікробіоти кожної людини є перспективною науковою можливістю та викликом.
Зміни в харчуванні під час еволюції людини
Еволюція людини супроводжувалась періодичними змінами у її способі життя, що відображалося на її харчових звичках. У період палеоліту люди були кочовими мисливцями-збирачами, отримуючи доступ до сезонної їжі. З 10 000 р. До н. Е. (Період неоліту) люди почали влаштовуватися, практикуючи новий спосіб життя, заснований на землеробстві та скотарстві. З’явились нові продукти харчування, такі як зернові та молочні продукти, щільність населення різко зросла [1]. Різка зміна харчових звичок людини відбулася під час Промислової революції менш ніж 200 років тому, ознаменувавши початок споживання рафінованих продуктів, відійшовши від сезонних продуктів, що виробляються місцево. Таким чином, сучасна дієта західних країн характеризується високим споживанням продуктів тваринного походження, багатих цукром і жирами, використанням консервантів і меншим споживанням рослинної їжі, таких як фрукти, овочі, овочі та цільні зерна [ 1].
Багато останніх досліджень досліджували вплив вестернізації на мікробіоти кишечника в популяціях сільських людей, які ще не прийняли західного способу життя, в Африці, Південній Америці та Азії. Ці дослідження навчили нас, що мікробіота цих популяцій «збагачується» з точки зору мікробного різноманіття порівняно із західними популяціями. Ці спостереження були змодельовані експериментально на мишах та мавпах у неволі та були пов'язані з кількістю та різноманітністю харчових волокон, що становлять раціон [2, 3]. У сільській Африці люди можуть споживати до 120 г клітковини на день, тоді як у західних країнах середнє споживання становить у середньому 15 г на день [4]. Це виснаження мікробного різноманіття у західних популяціях супроводжується де факто втрата мікробних функцій, які є зайвими. Це ставить під загрозу здатність екосистеми відновлюватися після впливу зовнішніх руйнівників (також званих "стійкістю"), таких як антибіотики та стрес.
Іншим наслідком зменшення споживання клітковини на мікробіоти є зменшення вироблення коротколанцюгових жирних кислот (ацетат, пропіонат, бутират), які допомагають пригнічувати ріст Enterobacteriaceae, сімейства бактерій, що складається з багатьох умовно-патогенних бактерій [5 ].
Мікробіота, біоактиватор молекул з їжею
В даний час прийнято стверджувати, що безліч молекул, що виробляються мікробіотою кишечника, взаємодіють безпосередньо із метаболічним здоров’ям або імунною чи нервовою системою господаря [34, 36]→).
(→) Див. Синтез Р. Бурселіна та ін., та В. Габоро-Рутіау та Н. Серф-Бенсуссан, сторінки 952 та 961 цього випуску
Багато з цих попередників забезпечуються їжею. Це стосується триптофану, поліфенолів, волокон, глутамату, карнітину, холіну [6]. Визначення метаболічних шляхів, відповідальних за вироблення цих молекул, дозволить ідентифікувати харчові продукти, що є джерелами пребіотичних інгредієнтів, і ті, що ферментовані, які збагачені штамами з пробіотичним потенціалом, що дозволяє усунути функціональні недоліки кишкової мікробіоти. Таким чином, Х. Сокол та його колеги показали, що введення штамів Лактобактерії, здатні продукувати похідні індолу з триптофану, зменшене запалення кишечника, спричинене дефіцитом їх продукції ендогенною мікробіотою [7, 37] (→).
(→) Див. Новини Б. Ламаса та ін., сторінка 933 цього випуску
Мікробна екологія на службі здоров’ю
Хоча сьогодні важко визначити, що таке "хороша" мікробіота, проте можливо проаналізувати її через призму показників, характерних для екології мікробів: багатство, різноманітність, стабільність. Клінічні дослідження показали, що багатство (або альфа-різноманітність) видів і генів кишкової мікробіоти становить важливу змінну, що дозволяє їх порівнювати. Це багатство визначається або цілеспрямованим секвенуванням гена, що кодує субодиницю 16S рибосомної РНК, або неконтрольованою побудовою каталогу генів в результаті метагеномного підходу шляхом прямого секвенування [8, 38] (→).
(→) Див. «Синтез» Дж. Вайссенбаха та А. Сгіра, сторінка 937 цього випуску
Деякі з цих досліджень продемонстрували значення кількісної оцінки багатства мікробіоти з урахуванням метаболічних показників людини та її реакції на харчові втручання [9-11].
Можна порівняти біорізноманіття мікробіоти (або бета-різноманітність) між окремими людьми або клінічними або дієтичними даними (наприклад, індекс маси тіла, рівень білка в харчовому болюсі). Стратегія включення вимірювання бета-різноманітності для розшарування особин широко використовується в аналізі мікробіоти [12, 13]. Дослідження цього бета-різноманіття дозволило, зокрема, появити концепцію ентеротипів [13], яка базується на стратифікації особин за типами, що становлять їх мікробіоти. Ця концепція підкреслює, що всі структурні зміни мікробіоти регулюються взаємодією між бактеріями. Кілька досліджень показують, наприклад, що ентеротип збагачений родом Превотелла є більш поширеним серед сільського населення в Африці, ніж серед західного населення [5, 14]. Ву та ін. показали, що ентеротипи можуть бути пов'язані з харчовими звичками [15].
Мікробіота високої чіткості
У метагеномічному підході шляхом прямого секвенування зразка ДНК особливо можливо отримати доступ до генетичної інформації мікробних видів, що складають мікробіоти кишечника. Існує кілька інструментів для збирання, виявлення та анотування генів зчитувань із послідовності з високою пропускною здатністю [16–19]. Вузьке місце аналізу розташоване на рівні доступних загальнодоступних баз даних, які страждають від недостатньої репрезентативності анаеробних мікроорганізмів (переважають у мікробіоті кишечника) та генів, які функціонально не анотуються [8, 20, 38] (→).
(→) Див. «Синтез» Дж. Вайссенбаха та А. Сгіра, сторінка 937 цього випуску
Використання баз даних про потенційні білкові анотації, таких як CAZy (Вуглеводно-активні ферменти) або KEGG (Кіотська енциклопедія генів і геномів) [16, 21, 22] дозволяють робити висновок про функції ферментів, що беруть участь у деградації складних цукрів або метаболічних шляхів, відповідно. Цей підхід нещодавно дозволив показати, що деградаційні функції волокон мікробіоти кишечника були менш поширеними у пацієнтів з колоректальним раком [23]. У поєднанні з мета-транскриптомічним аналізом ці біоінформатичні засоби дають змогу фіксувати найбільш активовані метаболічні шляхи у відповідь на харчові втручання. Цей підхід показав, що споживання кисломолочного продукту призводить до надмірної експресії генів, що кодують ферменти, здатних розщеплювати харчові волокна [24].
Останні розробки технологій та генетичних каталогів мікробних видів призвели до можливості ідентифікації різних штамів одного виду за набором метагеномних даних. Таким чином, нещодавно було показано існування трьох основних штамівРектальна еубактерія: два штами, характерні для західних популяцій, і один специфічний для китайських популяцій [25]. Ці підходи до виявлення штаму можливі завдяки виявленню поліморфної варіації кожного нуклеотиду (SNP, для однонуклеотидний поліморфізм) або встановлення пангеному кожного мікробного виду [25]. Використання підходу SNP показало протягом одного року, що кожна особа зберігає свої унікальні штами [26]. Весь аналіз геному проведено з використанням метагеномних даних виду Bifidobacterium longum нещодавно це дозволило передбачити здатність до стійкості мікробіоти кишечника штаму Bifidobacterium longum (AH1206), що застосовується перорально [27].
Неегалітаризм мікробіоти
До індивідуального харчування ?
Однією з майбутніх проблем у галузі харчування буде персоналізація цього харчування з урахуванням мікробіоти кишечника господаря та факторів навколишнього середовища. (Фігура 1).
Концепція стратифікації особин на основі таких змінних, як мікробіота кишечника, дієта, імунна система, найближчим часом дасть можливість покращити рекомендації щодо харчування.
Однак дані досліджень мікробіоти кишечника слід порівнювати з клінічними та дієтичними даними окремих людей. Дійсно важливо встановити критерії якості для збору аналізів даних, які передбачається порівнювати з тими, що стосуються кишкової мікробіоти.
Крім того, класичні статистичні методи не підходять для аналізу даних цього типу [33]. Тоді необхідно використовувати сучасні обчислювальні методи, такі як машинне навчання (англійською мовою, машинне навчання). В недавньому дослідженні Zeevi та ін. використовував ці методи машинного навчання для створення персоналізованих рекомендацій щодо харчування, розрахованих на основі клінічних, дієтичних та мікробних даних. Таким чином, ці спеціально складені рекомендації дали змогу зменшити глікемічну відповідь після їжі [28].
Висновки
Сьогодні ми спостерігаємо вибух державних та приватних досліджень щодо терапевтичних підходів, спрямованих на "лікування" мікробіоти людей, які вже страждають на хвороби. Однак важливо не нехтувати вивченням причин дисбактеріозу за походженням цих патологій, а також збільшити наукові зусилля для пошуку профілактичних рішень, які дозволять зберегти еубіоз в контексті, в якому ми живемо в даний час. Більш персоналізовані дієти, зокрема з розробкою нового покоління бактеріальних штамів з пробіотичним потенціалом, здатних подолати функціональний дефіцит мікробіоти особин, безсумнівно, будуть основою профілактичних рішень, які будуть застосовані в майбутньому.
Посилання, що цікавлять
Автори заявляють, що мають трудовий договір з компанією Danone.
Список літератури
Список малюнків
Концепція стратифікації осіб на основі таких змінних, як мікробіота кишечника, дієта, імунна система, найближчим часом призведе до вдосконалення рекомендацій щодо харчування.
Поточні показники використання показують сукупний підрахунок переглядів статей (повнотекстові перегляди статей, включаючи перегляди HTML, завантаження PDF та ePub, відповідно до наявних даних) та подання тез на платформі Vision4Press.
Дані відповідають використанню на платформі після 2015 року. Поточні показники використання доступні через 48–96 годин після публікації в Інтернеті та оновлюються щодня по днях тижня.
Початкове завантаження метрик може зайняти деякий час.