Долгосрочные схемы питания, которые связаны с провоспалительными и противовоспалительными особенностями микробиома кишечника

Gut 2021;70:1287–1298.

doi.org

Long-term dietary patterns are associated with pro-inflammatory and anti-inflammatory features of the gut microbiome

Laura A Bolte, Arnau Vich Vila, Floris Imhann, Valerie Collij, Ranko Gacesa, Vera Peters, Cisca Wijmenga, Alexander Kurilshikov, Marjo J E Campmans-Kuijpers, Jingyuan Fu, Gerard Dijkstra, Alexandra Zhernakova, Rinse K Weersma

Долгосрочные схемы питания связаны с провоспалительными и противовоспалительными особенностями микробиома кишечника

Значение исследования

Что уже известно по этому поводу?

• Западная диета и вялотекущее воспаление кишечника вызывают рост числа иммуноопосредованных воспалительных заболеваний.
• Количество, содержание и продолжительность диеты играют важную роль в формировании микробного состава и функции кишечника.
• Дисбактериоз, сдвиги метаболитов и транслокация микробных продуктов способствуют активации иммунитета.
• Исследования были сосредоточены на противовоспалительных свойствах изолированных соединений с ограниченной эффективностью.

Каковы новые открытия?

• Взаимосвязь между диетой и микробиомом кишечника одинакова у пациентов с кишечными заболеваниями (болезнью Крона, язвенным колитом (ЯК), синдромом раздраженного кишечника (СРК)) и у населения в целом.
• Более высокое потребление продуктов животного происхождения, обработанных пищевых продуктов, алкоголя и сахара соответствует микробной среде, характерной для воспаления, и связано с более высокими уровнями маркеров воспаления в кишечнике.
• Растительные продукты связаны с продуцентами короткоцепочечных жирных кислот (КЦЖК), микробным метаболизмом полисахаридов и более низкой численностью патобионтов.

Значение этого исследования

Как это может повлиять на клиническую практику в обозримом будущем?

• Модуляция микробиоты кишечника с помощью диет, обогащенных овощами, бобовыми, зерновыми, орехами и рыбой, а также более высоким потреблением растительной пищи по сравнению с животной пищей, может предотвратить кишечные воспалительные процессы, лежащие в основе многих хронических заболеваний.
• Диетические модели, основанные на цельных продуктах, могут повысить противовоспалительную способность питательных веществ за счет синергетического воздействия на микробиом кишечника.
• Источники n-3 ПНЖК (полиненасыщенные жирные кислоты омега-3) и полифенолов могут быть использованы для потенцирования количества продуцентов КЦЖК.
• Замена животного белка растительным белком может снизить воспалительные процессы в кишечнике за счет воздействия на микробные пути.

Аннотация

Кишечная микробиота напрямую влияет на баланс провоспалительных и противовоспалительных реакций в кишечнике. Конкуренция микроорганизмов за питательные вещества играет ключевую роль в контроле этого баланса. Воспалительное заболевание кишечника (ВЗК) – это архетипическое заболевание, при котором нарушается гомеостаз между кишечной микробиотой и иммунной системой кишечника. Помимо местных иммунных реакций, кишечная микробиота также влияет на системные иммунные компоненты и участвует во всем большем количестве иммуноопосредованных воспалительных заболеваний (IMID), начиная от диабета и заканчивая артритом и системной красной волчанкой.

Дисбактериоз кишечника и связанное с ним воспаление также коррелируют с раком и кардиометаболическими нарушениями. Эпидемиологические исследования выявили несколько диетических факторов, связанных с возникновением этих заболеваний. Однако механизмы, лежащие в основе этой взаимосвязи, остаются в значительной степени неизвестными.

Поскольку микробы полагаются на пищевые субстраты в кишечнике, кишечный микробиом часто предлагается в качестве посредника, с помощью которого продукты оказывают провоспалительное и противовоспалительное действие.

Например, эксперименты на животных показали, что продукты, содержащие большое количество насыщенных жиров, рафинированные продукты, сахара, соли и низкое содержание клетчатки, вызывают воспаление и аутоиммунитет с помощью микробных механизмов, таких как индукция клеток Т-хелперов 17 (TH17). Другие исследования на мышах и людях показали, что ингредиенты, добавляемые при обработке пищевых продуктов, включая пищевые эмульгаторы, антимикробные добавки и искусственные подсластители, способствуют проницаемости кишечника и воспалению кишечника за счет увеличения количества муколитических бактерий и эндотоксинов. Напротив, высокое потребление триптофана и клетчатки обычно приводит к повышению иммунного статуса, связанного со здоровьем толстой кишки.

Знания о провоспалительных и противовоспалительных свойствах отдельных соединений расширяются благодаря функциональным экспериментам. Однако по-прежнему существует ограниченное понимание, как цельные продукты и рацион питания влияют на микробиоту кишечника и хозяина, и отличаются ли эти воздействия в здоровом кишечнике от воспаленного. В отличие от очень небольшого числа вмешательств, основанных на продуктах питания, были проведены многочисленные клинические испытания отдельных питательных веществ. Хотя легче вмешаться с помощью таблеток, чем с помощью изменения рациона питания, в этих исследованиях не учитывается взаимодействие питательных веществ в их пищевой матрице, что может объяснить наблюдаемые противоречивые и ограниченные эффекты. Понимание синергизма, обнаруживаемого в цельных продуктах питания, в контексте рациона питания может привести к более эффективным исследованиям и политике в области питания.

Долгосрочные диетические схемы могут быть наиболее подходящими для модуляции кишечной микробиоты. Хотя экстремальные кратковременные изменения в рационе питания все еще могут нарушать микрофлору кишечника, у взрослых наблюдается тенденция к устойчивости микроорганизмов, которая коррелирует с длительным привычным питанием, обеспечивая постоянный источник пищевых субстратов и непрерывно формируя экосистему кишечника.

В этом исследовании ученые стремились изучить сложную взаимосвязь между привычным питанием, кишечной микробиотой и воспалением кишечника у людей. Для этого мы связали 173 диетических фактора, переходя от схем питания к конкретным продуктам и макронутриентам, с составом и функцией микробиома кишечника 1425 человек из четырех когорт: болезнь Крона, язвенный колит, синдром раздраженного кишечника и население в целом. В каждой когорте были проведены анализы, за которыми последовал метаанализ для изучения воспроизводимости ассоциаций рациона питания и микробиома в контексте различных заболеваний. Мы предлагаем провоспалительные и противовоспалительные механизмы, с помощью которых конкретные продукты и особенности рациона питания могут влиять на воспалительные реакции в кишечнике в качестве рациональной основы для разработки диетических вмешательств.

Материалы и методы

Мы связали диету с составом и функцией микробиома кишечника у 1425 человек из общей популяции и пациентов с кишечными заболеваниями, используя две независимые когорты из северных Нидерландов.

В первую группу включили 331 пациента с ВЗК, и заболевания классифицировались либо как болезнь Крона, либо как язвенный колит.

Во вторую группу было включено 1094 человек, 223 из которых имели диагноз «синдром раздраженного кишечника» (СРК) в соответствии с симптоматическим опросником, основанным на критериях Rome-III.

Из-за известных различий в составе микробиома кишечника и диетических предпочтениях между здоровыми людьми и пациентами с ВЗК и СРК участники были разделены на четыре подгруппы, а именно болезнь Крона (БК, n=205), язвенный колит (ЯК, n=126), СРК (n=223) и здоровая контрольная группа (ЗКГ, n=871). Чтобы изучить согласованность и гетерогенность в этих различных контекстах, все анализы были выполнены отдельно для каждой когорты, за которыми последовал метаанализ.

Для каждого участника была взята одна проба кала. Участников попросили собрать и сразу заморозить свой образец дома. Затем образцы собирали, транспортировали на сухом льду и хранили при температуре –80°C. Все пробы обрабатывались в одной лаборатории (UMCG, Гронинген). Маркеры кишечного воспаления измеряли в одном и том же образце.

Оценка рациона питания и обработка анкет

Потребление пищи оценивалось с помощью полуколичественного опросника частоты приема пищи (FFQ), который был собран в соответствии с образцом фекалий. FFQ был разработан и утвержден отделом питания человека Вагенингенского университета с использованием стандартизированных методов. Он оценивает, как часто продукт питания потреблялся в течение предыдущего месяца по шкале из 7 пунктов наряду с обычным количеством. Среднесуточное потребление питательных веществ было рассчитано путем умножения частоты потребления на размер порции и содержание питательных веществ на один грамм, как указано в голландской базе данных по составу пищевых продуктов (NEVO). Конкретные продукты питания были объединены в 25 групп продуктов в граммах в день, например, группа молочных продуктов, состоящая из 21 отдельного продукта, таких как йогурт, пахта и молоко. Провели энергетическую корректировку рациона питания с помощью метода плотности питательных веществ.

Обсуждение

В этом исследовании ученые показали, как привычный выбор диеты может повлиять на экосистему кишечника человека и его воспалительный потенциал, изучив взаимосвязь между неконтролируемыми моделями питания, маркерами воспаления кишечника и микробным составом, а также функцией кишечника в четырех когортах. Выявили значимые ассоциации, которые воспроизводятся у пациентов с болезнью Крона, ЯК, СРК и у населения в целом, что указывает на потенциал диетических стратегий, ориентированных на микробиом, для облегчения и предотвращения воспаления кишечника.

Было показано, что модели питания, включающие бобовые, хлеб, рыбу и орехи, связаны с меньшим количеством кластеров условно-патогенных бактерий. Более высокая доля этих бактерий и путей связаны с ВЗК и колоректальным раком в сочетании с воспалением через их метаболиты. И наоборот, наблюдали более высокую численность комменсалов, таких как Roseburia, Faecalibacterium и Eubacterium spp, при потреблении орехов, жирной рыбы, фруктов, овощей, злаков и красного вина во всех когортах. Эти бактерии известны своим противовоспалительным действием в кишечнике путем ферментации клетчатки до КЦЖК. Диетическая модель, которая традиционно богата этими продуктами, – это средиземноморская диета, которая была связана с более низким риском ВЗК в ретроспективных исследованиях.

Накопленная литература демонстрирует противовоспалительную роль продуктов, богатых полифенолами, таких как кофе, чай, красное вино и фрукты. Мы наблюдали более высокое содержание Oscillibacte и более низкое содержание провоспалительных путей при употреблении кофе. Увеличение Oscillibacter было показано при введении чай-фенолов или ягодных фенолов за счет потенциально патогенных видов у мышей. Кроме того, мы увидели положительную связь потребления красного вина с несколькими производителями ацетата и бутирата. Было показано, что полифенолы красного вина увеличивают Faecalibacterium prausnitzii и Roseburia hominis при одновременном снижении численности кишечной палочки и Enterobacter cloacae, уровня С-реактивного белка (СРБ) и холестерина у здоровых людей и людей с ожирением. Напротив, общее потребление алкоголя и спиртных напитков было связано с провоспалительными путями в нашем исследовании. Было высказано предположение, что индуцированное алкоголем снижение уровня бифидобактерий и более высокая выработка эндотоксинов усиливают воспаление кишечника у пациентов с раком желудочно-кишечного тракта и заболеваниями печени. Эти результаты подтверждают более ранний вывод о том, что умеренное потребление красного вина связано с более высоким микробным разнообразием, а также показывает, что алкоголь является лимитирующим фактором, особенно в контексте воспаления кишечника. Полифенольные экстракты красного вина могут играть роль в потенцировании КЦЖК-продуцентов и содействии благотворному действию пробиотиков за счет мутуализма хозяин–микроб.

Мы обнаружили устойчивую связь потребления растительного белка с несколькими путями ферментации и синтезом противовоспалительных питательных веществ и аминокислоты L-орнитина. Недавнее исследование, проведенное на вегетарианцах, показало обогащение путей, связанных с углеводным, аминокислотным, кофактором и витаминным обменом. Животные модели продемонстрировали, что питательные вещества, вырабатываемые микробным метаболизмом растительных полисахаридов, подавляют экспрессию провоспалительных цитокинов, что говорит о противовоспалительном потенциале растительных диет за счет микробного метаболизма кишечника.

Ученые последовательно наблюдали обратные таксономические ассоциации животной и растительной пищи во всех когортах. В то время как потребление животного белка было связано с более низким содержанием бифидобактерий, для растительного белка было обнаружено противоположное направление. Более низкая численность Bifidobacterium наблюдалась у всеядных животных по сравнению с веганами. Здесь мы воспроизводим эту связь также у пациентов с ВЗК и СРК, у которых бифидобактерии, как правило, истощены. Было показано, что добавление в пищу гликированного горохового белка у мышей увеличивает численность Bifidobacterium и Lactobacillus за счет Bacteroides fragilis и Clostridium perfringens. Это указывает на особую роль растительного белка наряду с другими питательными веществами растительного происхождения в модуляции микробиома кишечника.

Диеты с преобладанием животного белка также, как правило, включают большее количество насыщенных жиров, которые влияют на сам микробиом. Здесь исследователи наблюдали положительную связь общего потребления жиров и потребления мяса с видами, которые доминируют в верхних отделах желудочно-кишечного тракта и ротовой полости, в то время как противоположное направление было обнаружено для продуктов растительного происхождения. Более высокая колонизация этих бактерий в кишечнике была зарегистрирована при ВЗК, циррозе печени, раке толстой кишки, а также нескольких IMID, таких как артрит и рассеянный склероз, и была связана с диетами с высоким содержанием жиров. Микробная ферментация углеводов обычно создает слабокислую среду, которая подавляет чрезмерный рост этих бактерий. Переход от нормального соотношения жиров и углеводов к диете с высоким содержанием жиров может повлиять на микробный состав кишечника и рН толстой кишки. Несмотря на то что существует множество факторов, связанных с заболеваниями, которые влияют на рН кишечника, наши результаты предварительно предполагают, что диета с высоким содержанием.