Microbiol Spectr.2023 May/June 2023 Volume 11(3)
doi.org
Meta-Analysis Reveals Compositional and Functional Microbial Changes Associated with Osteoporosis
Oluwamayowa S. Akinsuyi, Luiz F. W. Roesch
Выявление композиционных и функциональных микробных изменений, связанных с остеопорозом: метаанализ Аннотация
Остеопороз (ОП) – наиболее распространенное метаболическое заболевание костной ткани, связанное со старением. В настоящее время 200 миллионов человек во всем мире страдают остеопорозом, из них около 44 миллионов в Соединенных Штатах. Отчеты медицинских исследований показывают, что каждая 50-летняя женщина имеет 2,8% риск смерти от перелома шейки бедра. Более того, общая стоимость острого и долгосрочного лечения, связанного с остеопорозом, превышает 10 миллиардов долларов в год в Соединенных Штатах. Согласно глобальной оценке, ожидается, что к 2040 году число переломов, связанных с ОП, во всем мире возрастет с нынешних 1,9 миллиона до 3,2 миллионов (прогнозируемый рост на 68%). Таким образом, ОП отражает серьезную глобальную проблему и проблему общественного здравоохранения, которая требует немедленного внимания.
ОП характеризуется потерей прочности и структурной жесткости костной ткани, уменьшением костной массы, разрушением костной ткани и изменением ее микроархитектуры, что приводит к увеличению риска переломов. Существуют две формы остеопороза: первичный ОП, обусловленный дефицитом эстрогена и естественным старением, и вторичный ОП, вызванный факторами, отличными от старения или постменопаузального статуса. Патология ОП связана с кумулятивным дисбалансом между остеобластами (костеобразующими клетками) и остеокластами (клетками, разрушающими костную ткань), что способствует потере костной массы в процессе костного ремоделирования. Другими факторами, которые могут способствовать развитию остеопороза, являются низкий индекс массы тела, низкое потребление кальция и витамина D, высокое потребление алкоголя и низкий уровень эстрогенов. Хотя точный механизм, связывающий дисбиоз микробиома кишечника и остеопороз, все еще не раскрыт, исследователи сообщили, что нарушение регуляции микробиома кишечника может повлиять на качество костей. Некоторые из гипотетических механизмов, предложенных исследованиями в литературе, включают повышенную проницаемость кишечника, нарушение транспорта кальция, повышенный ответ Т-клеток и системное воспаление через активацию цитокинов. Таким образом, идентификация микробных таксонов, изменения которых приводят к заболеванию, может дать полезную информацию о разработке альтернативных методов лечения и нутритивной поддержки для борьбы с болезнью.
Например, специфические противомикробные препараты могут контролировать дисбактериоз, что приводит к увеличению патогенных организмов. Напротив, те, которые приводят к исчезновению полезных комменсалов, могут быть устранены путем введения специфических пробиотиков, таких как Lactobacillus rhamnosus GG, Limosilactobacillus reuteri (другое название Lactobacillus reuteri) DSM 17938, Lactobacillus plantarum DSM 9843 и Bifidobacterium lactis Bb-12.
Микробиом кишечника содержит обширное сообщество микроорганизмов, включая бактерии, грибки, вирусы и простейшие, которые играют решающую роль в поддержании общего здоровья хозяина. Преобладающими типами кишечных микробов являются Firmicutes, Bacteroides, Actinomycetes, Proteobacteria и Verrucomicrobia, при этом Firmicutes и Bacteroidetes составляют 90% микробиоты кишечника. Бактерии кишечника выполняют множество функций, в том числе помогают пищеварению и усвоению питательных веществ, обеспечивают устойчивость к патогенам, поддерживают эпителий кишечника, регулируют иммунную систему и ось кишечник-мозг.
Множество исследований случай-контроль описали микробиом кишечника пациентов с остеопорозом, выявив более 30 дифференциально распространенных таксонов между ОП и здоровыми группами. Кроме того, в некоторых из этих исследований сообщалось об отрицательной корреляции между этими дифференциально распространенными таксонами и минеральной плотностью костной ткани (МПК).
Тем не менее, существует огромная вариабельность результатов, полученных в различных исследованиях, в результате чего в литературе нет единого мнения о ключевых таксонах, ассоциированных с ОП.
Например, противоречивые результаты наблюдались для родов Clostridium XIVa, Lactobacillus и Eggerthella, поскольку в некоторых исследованиях было обнаружено, что они снижены в группе OП. Напротив, другие не обнаружили различий, и лишь немногие обнаружили, что они значительно обогащены в группе ОП. Кроме того, в литературе появились разные данные о соотношении Firmicutes/Bacteroidetes (F/B), широко признанного маркера дисбактериоза. Wang et al. сообщили об увеличении соотношения F/B в группе ОП по сравнению с контрольной группой, в то время как Li et al. сообщили, что в группе ОП это соотношение было ниже, чем в контрольной группе. Таким образом, важно объединить эти данные и провести их повторный анализ, чтобы увидеть, являются ли вариации, о которых сообщается в каждом исследовании, все еще различимыми, даже если их данные объединены с данными смежных исследований, или они будут скрыты техническими различиями между исследованиями.
Противоречивость результатов может быть вызвана различиями в питании, географии, образе жизни, дизайне исследований и методах, используемых для анализа данных последовательности 16S рРНК. На сегодняшний день не было проведено ни одного метаанализа, сравнивающего микробиомы кишечника людей с остеопорозом и здоровых людей контрольной группы. В этом исследовании мы представляем первый объединенный анализ пяти исследований, которые характеризуют микробиом кишечника людей с помощью секвенирования гена 16S рРНК. Для выявления заметных изменений состава микробиоты, влияющих на ОП, были использованы стандартный рабочий процесс, надежные статистические подходы и алгоритмы машинного обучения.
Стратегия отбора исследований
С использованием поискового подхода были идентифицированы триста сорок исследований, включая первичные, систематические и описательные обзоры, а также клинические испытания. Среди этих 340 исследований мы выявили 62 проспективных исследования случай-контроль, в которых сравнивали микробиом кишечника в группе с остеопорозом и в здоровой контрольной группе. Из этих 62 исследований только 24 характеризовали микробиом кишечника пациентов с остеопорозом с использованием секвенирования гена 16S рРНК. Двенадцать исследований, не имеющих общедоступных данных, были удалены. Осталось 12 исследований, которые соответствовали критериям включения в наш анализ. В семи из этих исследований неполные метаданные были депонированы в базе данных SRA (Sequence Read Archive). Была предпринята целенаправленная попытка связаться с авторами по электронной почте, однако ответов мы не получили. Таким образом, в метаанализ были включены 5 и обработаны с использованием одного и того же конвейера DADA2.
Выводы
Результаты выявили последовательные изменения микробного состава и функционального остеопороза в пяти ранее опубликованных когортных исследованиях: наблюдали увеличение числа условно-патогенных микроорганизмов, включая Bacteroides, Intestinibacter и Clostridium sensu stricto, в группе ОП.
Кроме того, результаты выявили изменения в углеводном обмене (гликолиз, восстановление ацетилкофермента и глиоксилатный цикл) и снижение относительного количества КЦЖК-продуцирующих бактерий, включая Agathobaculum, Dorea, Clostridium XIV, Collinsella и Mediterraneibacter, как ключевую особенность, которая, возможно, приводит к остеопорозу. Кроме того, метаболизм аминокислот, таких как триптофан, метионин и аргинин, которые играют решающую роль в увеличении плотности костной ткани, также был нарушен в группе ОП.
Эти результаты показывают, что дисбиоз кишечника у пациентов с остеопорозом связан с функциональными изменениями, которые приводят к значительным изменениям в метаболитах, играющих ключевую роль в метаболизме костной ткани. Мы считаем, что результат этого метаанализа закладывает основу для будущих исследований, чтобы предоставить более полные знания о том, как дисбиоз кишечника способствует развитию остеопороза.
