A hosszú távú dysbiosis az elhízás során elősegíti az inzulinrezisztenciát, annak ellenére, hogy az egerek bélmikrobiómájában gyors étrend okozta változások vannak

Absztrakt

A 2-es típusú cukorbetegséget (T2D) dysglykaemia jellemzi, amely inzulinrezisztenciából és elégtelen inzulinszekrécióból nyilvánulhat meg. Az inzulinrezisztencia hosszú évekig tarthat, és a prediabétesz jellemzőivel, például glükóz intoleranciával rendelkező egyének többségénél végül T2D alakul ki. Az olyan környezeti tényezők, mint az étrend és a testmozgás, hozzájárulnak a prediabetes megnövekedett előfordulásához, amely egybeesik az elhízás fokozott előfordulásával 2. A bél mikrobiota összetétele szintén befolyásolhatja az étkezés utáni glükózválaszokat 3. Ez mikrobákat vesz fel azon környezeti tényezők listájába, amelyek befolyásolhatják a glükóz toleranciát és esetleg a T2D kockázatát. A bél mikrobiota összetétele megváltozik az elhízásban, a T2D-ben és az inzulint szenzibilizáló 4–6. Nem világos azonban, hogy a mikrobiota hogyan járul hozzá a glükóz intolerancia és az elhízás előrehaladásához. Ez azért fontos megkülönböztetés, mert nem minden elhízott egyénnél alakul ki inzulinrezisztencia, glükóz intolerancia vagy T2D. Az elhízás időzítése és progressziója eltérhet a dysglykaemiától.

A bél mikrobiota hormonális jelzések révén hozzájárulhat a gazda energiaegyensúlyához és a lipid lerakódásához 7. A bél diszbiózisa az elhízás során elegendő az adipozitás növeléséhez, függetlenül a gazda genetikájától 8,9. Ezért szoros kapcsolat áll fenn a mikrobiota és az elhízás között, de nem világos, hogy az adipozitás mikrobiotával kiváltott elsődleges tényezője hozzájárul-e a glükóz intoleranciához. A fokozott zsírbetegség korrelál a glükóz intoleranciával, de létezhetnek más mikrobiota által vezérelt mechanizmusok, amelyek megváltoztatják a vércukorszintet és az inzulinérzékenységet. A mikrobák befolyásolhatják a keringő metabolitokat, például az elágazó láncú aminosavakat, és ennek következtében megváltoztathatják az inzulinérzékenységet10. Ezenkívül a mikrobiális komponensek felforgathatják a bél- vagy egyéb nyálkahártya-gátakat a gyulladás és a glükóz-intolerancia elősegítése érdekében. Ezzel szemben a sovány donoroktól származó mikrobiota transzfer növelheti az elhízott betegek perifériás inzulinérzékenységét, függetlenül az adipozitás változásától 13 .

Az étrend az elhízás kialakulásának kulcsfontosságú tényezője és a mikrobiota összetételét meghatározó domináns tényező. Egerekben az étrend jobban befolyásolja a bél mikrobiomjának összetételét, mint a gazda genetikája, és már ismert, hogy az étkezési zsírtartalom növekedése 14 napon belül gyorsan megzavarhatja a mikrobiota összetételét. A magas zsírtartalmú étrend (HFD) elhízást, inzulinrezisztenciát és glükóz intoleranciát vált ki rágcsálókban. A glükóz-intolerancia alátámasztásának mechanizmusai azonban a HFD-táplálás kezdeti szakaszában különböznek azoktól, amelyek a krónikus glükóz-intoleranciát szabályozzák a hosszan tartó HFD-indukált elhízás során. Például a méhen kívüli lipid felhalmozódása a vázizomban és a májban a glükóz intoleranciával jár együtt a HFD-táplálás első néhány napja után, míg az anyagcsere-szöveti gyulladás hangsúlyosabb szerepet játszik a glükóz-intolerancia terjedésében több hónapos HFD-táplálás után 15. Nem világos, hogy a mikrobiotában a HFD által kiváltott változások hozzájárulnak-e az akut kontra krónikus inzulinrezisztencia és a glükóz intolerancia mögött álló mechanizmusokhoz.

Megállapítottuk, hogy a mikrobiota összetételében a HFD által kiváltott változások megelőzték az egereknél a nyilvánvaló dysglykaemiát. Ezért feltételeztük, hogy mind a rövid, mind a hosszú távú HFD-táplálás okozta dysbiosis elősegíti a fokozott zsír felhalmozódást és a glükóz intoleranciát. Azt tapasztaltuk azonban, hogy csak a hosszú távú HFD-táplálás elősegítette a transzmisszív glükóz-intoleranciát, amely az adipozitás változásától függetlenül is előfordulhat.

Eredmények

A rövid távú HFD-táplálás egerekben glükóz-intoleranciát okoz

A glükóz tolerancia nem különbözött 1 vagy 2 napos HFD-etetés után (1A. Ábra, S1A). Az inzulin intolerancia nyilvánvalóvá vált 3 napos egerek 60% HFD-vel történő etetése után, de nem 3 napos 45% HFD-vel (S1B ábra). Négy napos HFD-etetés volt az első alkalom, hogy mind a 45, mind a 60% -os HFD glükóz-intoleranciát okozott a chow-étrenddel etetett egerekhez képest (1B. Ábra). A glükóz-intolerancia 14 nap (1C. Ábra) és 14 hetes táplálás után is fennmaradt 45% -os vagy 60% -os HFD-vel (1D. Ábra). Az inzulin intolerancia 7 nap és 12 hét után nyilvánvaló volt 45% -os vagy 60% -os HFD-táplálás után (S1C, D ábra). A 60% HFD magasabb glükóz intoleranciát és magasabb inzulin intoleranciát okozott a 45% HFD-hez képest, amikor 4 és 14 hét közötti HFD-táplálással tesztelték (1. ábra, S1). Ezek az eredmények azt mutatják, hogy 3-4 nap HFD-táplálás szükséges ahhoz, hogy egerekben glükóz- és inzulin-intolerancia alakuljon ki. Ezek az eredmények azt is mutatják, hogy az étkezési zsír százalékos aránya közvetlenül összefügg az egerek glükóz- és inzulin-intoleranciájának szintjével.

AD) Az egereket 1 napig (A: N = 8, 7, 8), 4 napig (B: N = 10, 9, 9), 14 napig (C: N = 15, 13, 14) vagy 14 hét (D: N = 7, 6, 6), mielőtt 2 g/kg (AC) vagy 0,9 g/kg (D) dózissal ip-vel tesztelték a glükóz toleranciát. injekció. A megadott időpontokban vércukorszint-méréseket végeztek. Mindegyik ábra a GTT/ITT görbét és az AUC-t mutatja. A statisztikai szignifikanciát p-ként mértük. A magas zsírtartalmú táplálás gyors változásokat idéz elő a széklet mikrobiómjának taxonómiai összetételében, amely hosszú távú etetés során stabil marad. A chow kezdetétől (N = 7), 45% (N = 6) és 60% (N = 6) HFD-től összegyűjtött egér ürülékmintákban a magas szintű zsírtartalmú táplálkozás megkezdése után 14 héttel a törzsszint változása.

A chow kezdetétől (N = 7), 45% (N = 6) és 60% (N = 6) HFD-től összegyűjtött egér ürülékmintákban a magas szintű zsírtartalmú táplálkozás megkezdése után 14 héttel a törzsszint változása.

A) A menedékjellemzők bősége a 14. napon, szemben a 16. napon az egerek chow-étrenddel vagy 60% -os HFD-vel táplálták (14. nap) előtt vagy után (16. nap) 2 napig, amikor ezt a 60% HFD-t visszaváltoztatták chow-étrenddé (N = 8, 8.) B) Viszonylagos bőségváltozások 14 napos magas zsírtartalmú táplálkozás/2 napos étrend-eltávolítás után vissza chow-étrendre (N = 8, 7, 8) Akkermansia, Lactococcus lactis, Bacteriodales (o), Streptococcus, Alistipes és Lachnospiraceae (f ). Az adatok átlag + SEM.

Eredményeink betekintést nyújtanak a dysbiosis által vezérelt glükóz tolerancia változásainak mechanizmusába. Korábban kimutatták, hogy a metabolikus gyulladás hozzájárul az inzulinrezisztenciához és a glükóz intoleranciához hosszan tartó, de nem rövid távú HFD-táplálás alatt 15. Eredményeink összhangban vannak azzal a mikrobiotával, amely hosszan tartó elhízás során metabolikus gyulladás révén hozzájárul a glükóz intoleranciához. Nem világos, hogyan lehet összehangolni az egereken elért eredményeket a legújabb eredményekkel, amelyek azt mutatják, hogy a vankomicinnel vagy amoxcillinnel végzett 7 napos kezelésnek nincs hatása az elhízott emberek inzulinérzékenységére vagy a szubsztrát metabolizmusára 19. Az alkalmazott specifikus antibiotikum kulcsváltozó lehet, mivel (eddig) azt tapasztaltuk, hogy csak az ampicillin és a neomicin kombinációja javítja a glükóz toleranciát, ezt a hatást nem lehet sem egyedül antibiotikummal, sem HFD-vel táplált egereknél vankomicinnel látni (az adatokat nem mutatjuk be) . Más csoportok azt is kimutatták, hogy az antibiotikumok specifikus kombinációi javítják a glükóz toleranciát az elhízott egerekben 11, 20, de még nem világos, hogy van-e különbség az egerek és az emberek között.

A mikrobiota alkotórészei módosíthatók, ami terápiás célpontokat jelenthet az elhízás és a prediabétesz esetén. Eredményeink azt mutatják, hogy az étrend okozta dysbiosis az elhízástól függetlenül befolyásolhatja a glükóz toleranciát. Ezért a mikrobiota-alapú beavatkozások, például az pre- és probiotikumok, képesek csökkenteni a glükóz intoleranciát és az inzulinrezisztenciát az elhízástól elkülönítve. Eredményeink azt mutatták, hogy a diéta által kiváltott elhízás időtartama fontos szempont a mikrobiotával megcélzott stratégiákban, amelyek a dysglykaemia és az adiposity szembeni csillapítását célozzák.

Mód

Állatkísérletek

Valamennyi eljárást a McMaster Egyetem Állatetikai Felülvizsgálati Testülete hagyta jóvá. Specifikus kórokozótól mentes (SPF) C57BL/6 egerek születtek a McMaster Egyetemen. Alomtárs egereket véletlenszerűen HFD-re helyeztünk, ahol a kalóriák 45% -a vagy 60% -a zsírból származik (Research Diets, D12451 és D12492) vagy chow étrendből (

5% zsír). A vércukorszint-méréseket, valamint a glükóz- és inzulin-tolerancia teszteket 6 órás éhgyomorra végeztük, a 17,21 leírás szerint. A testzsír-összetételt az egész test echo-MRI-jével (Bruker Minispec LF90-II) mértük. Antibiotikumokat (1,0 mg/ml ampicillin és 0,5 mg/ml neomicin) adagoltak az ivóvízbe, és 2 naponta cserélték őket. Csíramentes C57BL/6 egereket a McMaster Egyetem Farncombe Gnotobiotic Unit-jából nyertünk, 8-10 hetes korban. A csíramentes egereket azonnal és folyamatosan gyarmatosították az SPF C57BL/6 donor egerek szennyezett almában elhelyezett egerekkel. Ahol csíra mentes egereknek adták, 4 naponta orális szondát adtak a donor egerekből nyert széklettrágyával. Az egereket szellőztetett állványok segítségével helyezték el, és csak a II. Szintű biológiai biztonsági csuklyában kezelték a baktériumok szennyeződésének megakadályozása érdekében 17 .

Bakteriális profilozás

Statisztikai analízis

Párosítatlan, kétfarkú Student t-tesztjét alkalmazták két csoport összehasonlítására. Az ANOVA és Tukey post hoc elemzését több mint két eszköz összehasonlítására használták. Ezt követően a hamis felfedezési arányt (FDR) a Benjamini-Hochberg többszörös tesztelési kiigazítási eljárás R alkalmazásával számolták el, ahol az összes taxonómiai és PICRUSt adathoz FDR-korrigált p-értéket becsültek. Az FDR korrekció után a statisztikai szignifikanciát p 1. ↵-nél elfogadtuk