Долгосрочное и краткосрочное питание влияет на структуру и активность микробиоты кишечника, что подтверждается сдвигами в структуре микробного сообщества, вызванными краткосрочной диетой на основе животных или растений, а также тесной связью между энтеротипами и долгосрочной диетой.
Такие модели питания, как "западная" диета, изменяют состав и метаболическую активность микробиоты, вызывая изменения, которые, как предполагается, способствуют росту эпидемий хронических заболеваний, таких как ожирение и диабет 2 типа. Несмотря на то, что на сегодняшний день существует лишь несколько исследований, все больше данных свидетельствуют о том, что химические изменения, которым подвергаются продукты питания в процессе приготовления, также могут играть важную роль в модуляции микробиоты кишечника, например, путем изменения фенольных соединений. Эти модулирующие эффекты будут зависеть как от способа приготовления, так и от продукта, поэтому их следует изучать отдельно для разных продуктов.
Диетические вмешательства, вероятно, являются инструментами для модуляции микробиоты кишечника. Однако значительная межиндивидуальная вариабельность состава микробиоты кишечника, обусловленная различиями в рационе питания и другими факторами, приводит к тому, что люди по-разному реагируют на вмешательства. Кроме того, бактериальные таксоны, на которые реагирует организм, могут различаться у разных людей. Поэтому реакцию человека и микробиоты на вмешательство трудно предсказать, и эта изменчивость может повлиять на результаты исследований вмешательства и помешать воспроизводимости. Текущие исследования направлены на поиск диетических манипуляций, направленных на стимулирование полезных микроорганизмов, которые учитывают взаимоотношения хозяина и микробиоты, с целью использования персонализированного питания в терапевтических вмешательствах.
Тем не менее, интервенционные исследования, направленные на изменение микробиоты кишечника, трудно провести, а влияние конкретного продукта питания оценить невозможно. По этой причине были разработаны различные модели пищеварения и ферментации in vitro, которые имитируют процессы, происходящие в организме человека, что позволяет оценить прямое воздействие продуктов питания на микробиоту. Каждый подход имеет свои преимущества и ограничения, так как, хотя исследования in vivo дают более актуальную физиологическую информацию, модели in vitro являются ключевыми для тестирования конкретных продуктов питания и для первоначального скрининга. Кроме того, модели периодической ферментации позволяют проводить множество ферментаций одновременно в параллельных культурах в течение короткого времени. Таким образом, это лучший подход для характеристики поведения микробиоты кишечника при ферментации множества различных продуктов, которые можно тестировать по одному, не подвергая влиянию других продуктов.
Цель данной работы - изучить реакцию состава сообществ микробиоты кишечника на широкий спектр продуктов, представляющих "западную" и "средиземноморскую" диеты, а также влияние методов приготовления пищи. Мы провели более 900 анализов пищеварения и ферментации in vitro, чтобы проверить влияние 55 различных продуктов питания, сырых или приготовленных пятью различными способами, на микробиоту трех здоровых взрослых людей. Характеристика полученной микробиоты показала, количество каких бактерий увеличивалось или уменьшалось под воздействием определенных продуктов питания. Эти знания будут полезны для уточнения диетических вмешательств, направленных на модуляцию микробиоты кишечника, что позволит продвинуться к цели персонализированного питания.
Исходный состав микробиоты трех проанализированных индивидуумов определил большую часть композиционной вариабельности в наших данных после пищевых ферментаций. Более того, многие изменения численности таксонов были обнаружены у отдельных индивидуумов, что позволяет предположить, что они могут зависеть от конкретного состава. Исследования диетического вмешательства также показали, что реакция микробиоты кишечника характеризуется высокой межиндивидуальной вариабельностью, и что определенные микробные таксоны могут быть чувствительны или устойчивы к диетическим изменениям.
Для понимания изменений, зависящих от состава, и таксонов, которые их вызывают, потребуются дальнейшие исследования с большим числом индивидуумов. Тем не менее, мы обнаружили несколько общих тенденций для всех индивидуумов, которые, вероятно, представляют собой более устойчивые эффекты. К ним относятся композиционные различия между всеми растительными и животными пищевыми ферментами, а также различия при сравнении на уровне категорий продуктов питания и отдельных продуктов. В следующих комментариях мы обсудим существенные различия в составе продуктов, которые наблюдались у всех трех человек.
Животные и растительные жиры - это та категория пищи, которая вызвала наибольшие изменения в микробиоте кишечника, что в целом привело к увеличению численности бактерий филума Firmicutes и снижению численности бактерий родов Bacteroides и Bifidobacterium, в соответствии с результатами Hildebrandt et al. (2009) для мышей, которых кормили диетой с высоким содержанием жиров. Хотя существует не так много исследований по влиянию пищевых жирных кислот на микробиоту in vitro, сообщается о способности микробиоты расти на жирных кислотах, а также о значительном влиянии этих субстратов на состав микробиоты.
Наши результаты показали, что использование жиров (особенно сливочного масла) в качестве субстрата вызывало увеличение численности потенциально полезных таксонов, таких как Faecalibacterium (в основном F. prausnitzii), Roseburia (R. inulinivorans) и Blautia, как было описано ранее в исследованиях in vivo при среднем или низком процентном содержании жирных кислот в рационе.
Хотя F. prausnitzii считается одним из основных продуцентов бутирата в кишечнике человека и ему приписывают значительные противовоспалительные свойства, данные о влиянии диеты на модуляцию этого вида все еще противоречивы. Тем не менее, мононенасыщенные жирные кислоты ассоциируются с его увеличением. Blautia и Roseburia являются членами Lachnospiraceae, филогенетически и морфологически неоднородного семейства, которое содержит множество представителей, описанных как обладающие способностью гидролизовать углеводы для получения бутирата и других короткоцепочечных жирных кислот (КЦЖК).
Blautia отрицательно ассоциируется с накоплением висцерального жира и снижением заболеваемости такими болезнями, как диабет, болезнь Крона или колоректальный рак. Также сообщалось, что они увеличиваются при диете с высоким содержанием жиров, что соответствует нашим результатам; однако единого мнения нет, поскольку другие исследования говорят об обратном.
Кроме того, животные и растительные жиры также увеличивали численность Lachnospira - продуцентов бутирата, численность которых, как сообщалось, в основном увеличивается при употреблении продуктов с высоким содержанием клетчатки, хотя было обнаружено, что она также увеличивается при употреблении ненасыщенных жиров и коррелирует с потреблением оливкового масла у веганов и вегетарианцев.
Во многих исследованиях изучалось влияние высокожировой диеты и даже насыщенных и ненасыщенных жиров на микробиоту кишечника. В целом, насыщенные и ненасыщенные жиры оказывают противоположное влияние на модуляцию микробиоты кишечника, причем последние приводят к увеличению численности полезных таксонов, таких как Akkermansia и Bifidobacterium, и снижению численности потенциально вредных таксонов, таких как Streptococcus и Escherichia.
Наши данные также указывают на некоторые различия между насыщенными и ненасыщенными жирами. Сливочное масло, содержащее в основном насыщенные жирные кислоты, оказало наибольший эффект среди всех продуктов питания, постоянно приводя к увеличению численности Lachnospiraceae Blautia, Roseburia, Lachnospira, Agathobacter, Fusicatenibacter и Lachnoclostridium при сравнении с большим количеством продуктов питания.
Напротив, в растительных маслах, содержащих в основном ненасыщенные жирные кислоты, рост родов Lachnospiraceae был обнаружен только в гораздо меньшем диапазоне сравнений. Более того, Blautia не увеличивалась при ферментации ни с оливковым, ни с подсолнечным маслом, в то время как Roseburia, Lachnospira и Fusicatenibacter увеличивались в некоторых сравнениях с оливковым маслом, но не с подсолнечным.
Многочисленные различия в ферментативной микробиоте были также обнаружены при сравнении молочных продуктов и рыбы. В некоторых предыдущих исследованиях оценивалось влияние рыбьего жира на микробиоту кишечника, но при этом было выявлено увеличение численности Bacteroidetes, Lachnospiraceae и Bifidobacterium.
При ферментации рыбы мы в основном обнаружили высокую численность Lachnoclostridium и Ruminococcus. Эти роды являются известными производителями КЦЖК, но они также были связаны с триметиламин N-оксидом (TMAO), который образуется в печени из триметиламина (TMA), производимого микробиотой кишечника из холина и карнитина (присутствующих в таких источниках, как яйца, говядина, свинина и рыба). Согласно этим данным, Lachnoclostridium и Ruminococcus ассоциируются с риском развития атеросклероза и сердечно-сосудистых заболеваний. Кроме того, сообщалось, что Lachnoclostridium увеличивается в рационе с высоким содержанием жиров и положительно коррелирует с висцеральным жиром за счет снижения уровня циркулирующего ацетата. С другой стороны, Ruminococcus ассоциируется с различными контрастирующими моделями питания, включая длительное потребление фруктов и овощей, низкое потребление пищевых волокон и всеядные диеты.
Наши результаты также показали увеличение численности родов Lachnoclostridium и Ruminococcus в ферментах молочных продуктов, наряду с увеличением численности Bifidobacterium, Agathobacter, Erysipelotrichaceae UCG 003 и Romboutsia. В систематическом обзоре Aslam et al., 2020, сообщается об общем увеличении с потреблением молочных продуктов количества Bifidobacterium и Lactobacillus, которые, по общему мнению, являются полезными для человека, хотя они подчеркнули отсутствие консенсуса из-за широкого разнообразия молочных продуктов с очень разным составом питательных веществ.
С другой стороны, представители семейства Erysipelotrichaceae также положительно ассоциируются с потреблением молочных продуктов. Однако повышенная численность этих организмов, скорее всего, вредна, поскольку они содержатся в кишечнике людей и мышей с ожирением, ассоциируются с симптомами метаболического синдрома и способствуют развитию ожирения у гнотобиотических мышей. Молочным продуктом, который вызвал наибольшие изменения в микробиоте в наших экспериментах, был сыр гауда с высоким содержанием жирных кислот. Это еще раз подтверждает фундаментальную роль жирных кислот в изменении состава микробиоты кишечника. Кроме того, холин и холинфосфолипиды, такие как фосфатидилхолин, особенно богаты в молочных продуктах с высоким содержанием жира, таких как гауда и сливочное масло, что, вероятно, способствовало значительному влиянию этих двух продуктов на численность Lachnoclostridium.
Примечательно, что наиболее высокая численность таксонов в микробиоте была обнаружена при ферментации животных и растительных жиров, молочных продуктов и рыбы. В целом, при ферментации этих продуктов часто наблюдалось более высокое обилие таксонов семейства Lachnospiraceae, причем Lachnoclostridium выделялся в трех категориях продуктов.
Напротив, значительные различия между фруктами, овощами и зерновыми продуктами в основном представляли собой снижение численности родов по сравнению с этими категориями продуктов питания животного происхождения. Это может свидетельствовать о том, что короткие процессы ферментации, использовавшиеся в наших экспериментах, были недостаточны для увеличения численности определенных родов при употреблении богатых углеводами продуктов.
Поскольку большинство кишечных бактерий в основном приспособлены к росту в присутствии сложных полисахаридов и волокон, поступающих в толстую кишку, многие таксоны, присутствующие в инокуляте, должны были воспользоваться преимуществами этих субстратов. Поэтому короткая ферментация может не дать достаточно времени для отбора таксонов, имеющих относительно небольшие преимущества в росте по сравнению с другими углеводными ферментаторами. Таким образом, для усиления различий в скорости роста таксонов, питающихся специфической богатой углеводами пищей, может потребоваться более длительное время ферментации.
В отличие от этого, способность расти на белках и, особенно, жирах, вероятно, распределена среди бактерий кишечника более неравномерно, поэтому короткие ферментации с пищей, богатой этими субстратами, могут более легко отбирать группы специализированных бактерий, что приводит к значительному увеличению их численности. В этом отношении примечательно, что Lachnoclostridium является известным деградатором белка и наиболее распространенной кишечной бактерией, способной метаболизировать холин, получаемый из продуктов с высоким содержанием жира.
David et al., 2014 также сообщили, что диеты на основе животных продуктов оказывают большее влияние на состав микробиоты кишечника, особенно на увеличение количества желчетолерантных микроорганизмов, предположительно из-за повышенной секреции желчных кислот в результате потребления большого количества жиров, связанных с такими диетами. Однако в наших экспериментах in vitro не наблюдалось регуляции уровня желчных кислот в зависимости от пищи, что позволяет предположить, что влияние продуктов животного происхождения на состав микробиоты кишечника зависит и от других факторов. В соответствии с этим, таксоны, которым благоприятствует животная диета in vivo, это устойчивые к желчным кислотам Bilophila, Bacteroides и Alistipes, которые в наших экспериментах не увеличивались под влиянием жирной пищи.
Что касается методов приготовления пищи, то хорошо известно, что они влияют на перевариваемость пищи и биодоступность питательных веществ, а также могут оказывать значительное влияние на структуру и функциональность микробиоты кишечника. С одной стороны, методы приготовления пищи при высоких температурах, такие как жарка или гриль, способствуют разрушению клеток и выделению химических веществ в окружающую среду. Это может способствовать росту бактерий, облегчая поглощение биологически активных соединений. Однако высвобождающиеся фитохимические вещества могут быть губительны для некоторых бактерий, в то время как другие могут обладать ферментативным потенциалом для метаболизма таких фитохимических веществ и расти на них.
С другой стороны, приготовление пищи способствует специфическим химическим реакциям, таким как химическое окрашивание продуктов с высоким содержанием белка и сахара. Химическое окрашивание включает в себя множество цепных реакций, в результате которых образуются многочисленные соединения, такие как фурановые соединения, оказывающие ингибирующее действие на некоторые бактерии. Химическое окрашивание также может приводить к образованию меланоидинов, которые, как известно, обладают волокнистой структурой и, следовательно, способствуют росту некоторых полезных видов. Таким образом, приготовление пищи может оказывать комплексное воздействие на микробные сообщества кишечника.
Тем не менее, до сих пор было проведено мало исследований, посвященных влиянию способов приготовления пищи на состав микробиоты кишечника. Несмотря на то, что эти исследования в совокупности оценивали влияние различных процессов приготовления на мясо, бобовые, овощи, зерновые и фрукты, ни одно из них не рассматривало этот вопрос в широком масштабе, анализируя множество продуктов питания в рамках одного исследования. Здесь мы отдельно изучили влияние методов приготовления на различные виды продуктов.
В наших экспериментах жарка привела к снижению численности Ruminococcaceae UBA1819 по сравнению с жареными продуктами для всех категорий продуктов, рассматриваемых вместе и у всех индивидуумов. Этот таксон является продуцентом бутирата, который, как известно, увеличивается при потреблении растворимых волокон и отрицательно коррелирует с подкожным и эпидермальным жиром, холестерином и увеличением веса, что говорит о нежелательности его снижения при употреблении жареной пищи. Этот результат особенно примечателен, поскольку можно было бы ожидать, что влияние методов приготовления пищи будет замаскировано влиянием состава продуктов, что говорит о том, что жарка и запекание оказывают сильное влияние на все категории продуктов. В предыдущей работе нашей группы было установлено, что жарка является способом приготовления пищи, при котором образуется наибольшее количество фурозина и фурфурола (используемых в качестве индикаторов реакции Майяра), и обнаружена корреляция с обилием различных таксонов в зависимости от вида пищи.
Наши результаты также выявили несколько тенденций при сравнении способов приготовления в разных категориях продуктов питания. Однако эти результаты не были обнаружены у разных людей, что указывает на то, что они, скорее всего, зависят от состава микробиоты и предполагают, что влияние способа приготовления может быть в значительной степени персонализированным.
Жарка привела к значительным различиям в численности таксонов по сравнению с другими методами в различных категориях продуктов питания, в основном фруктов, овощей и хлеба, что в основном привело к более высокой и более низкой численности родов из семейств Lachnospiraceae и Ruminococcaceae, соответственно, включая более низкую численность вышеупомянутого Ruminococcaceae UBA1819.
Аналогичные результаты были получены и при приготовлении на гриле - методе, напоминающем жарку, при котором достигаются повышенные температуры и используется масло. Такая высокотемпературная обработка оказывает сильное воздействие на волокна и другие сложные углеводы, присутствующие в растительной пище, на которых потребляют для роста представители Lachnospiraceae и Ruminococcaceae, но такое воздействие может облегчить использование этих субстратов для одних бактерий и затруднить для других.
Оливковое масло, содержащееся в жареных и приготовленных на гриле продуктах, также могло способствовать увеличению численности Lachnospiraceae, поскольку представители этого семейства были обнаружены в большом количестве при ферментации оливковым маслом. Однако гриль и жарка не привели к увеличению численности Lachnospiraceae в мясе. Еще одним важным наблюдением, касающимся влияния жарки мяса, является то, что Lactococcus, особенно L. piscium, известный как один из преобладающих таксонов в сообществах микроорганизмов, вызывающих порчу мясных продуктов холодного хранения, был обнаружен в меньшем количестве в жареном мясе, что позволяет предположить, что жарка может способствовать снижению присутствия этих бактерий.
Варка - еще один способ приготовления, который дал значительные различия по сравнению с другими способами в различных категориях продуктов питания, в основном рыбы и мяса. В целом, при сравнении вареных продуктов с другими методами мы обнаружили более низкое обилие многих родов Firmicutes. Этот результат может быть обусловлен несколькими взаимодополняющими причинами. С одной стороны, потеря гидрорастворимых питательных веществ, таких как витамины и минералы, может ограничивать рост некоторых бактерий. С другой стороны, более низкая температура, достигаемая при варке, приводит к снижению уровня клеточного распада и отсутствию продуктов реакции Майяра, которые в противном случае были бы в изобилии при приготовлении богатых белком продуктов, таких как рыба и мясо, при более высоких температурах. Отсутствие продуктов реакции Майяра, таких как меланоидины, которые представляют собой волокнистые структуры, способные метаболизироваться некоторыми бактериями, наряду с более низким уровнем клеточного распада, возможно, уменьшило количество субстратов, доступных для роста родов Firmicutes в вареной рыбе и мясе.
В заключение следует отметить, что подход in vitro, использованный в данной работе, позволил выявить краткосрочное влияние конкретных продуктов питания на микробиоту кишечника разных людей. Примененная экспериментальная схема имеет определенные ограничения, например, мы можем наблюдать только те изменения, которые происходят быстро из-за относительно короткого времени ферментации. В частности, это ограничение могло повлиять на нашу способность обнаружить таксоны с небольшими преимуществами роста на определенных растительных продуктах.
Для усиления небольших различий в скорости роста таксонов может потребоваться более длительное время ферментации или динамические системы сбраживания-ферментации in vitro, но такие эксперименты должны быть ограничены ограниченным числом комбинаций продуктов/методов приготовления из-за их более сложного и трудоемкого характера. Кроме того, наши эксперименты отражают в основном точечные эффекты резкого ограничения субстратов доступных микробиоте, до тех, которые присутствуют в одном продукте, что может не отражать ситуацию, когда продукт потребляется как часть сложного общего рациона.
Хотя влияние на общие параметры, такие как альфа-разнообразие, действительно может в основном отражать эту ограниченную доступность субстратов, эксперименты по ферментации выявляют те бактериальные таксоны, которые наиболее чувствительны к конкретной пище. Многие из обнаруженных эффектов конкретных продуктов и, особенно, методов приготовления пищи, были характерны для одного индивидуума, но проявились и общие тенденции для всех индивидуумов. Дальнейшие исследования, учитывающие индивидуальные различия у большего числа испытуемых, потребуют раскрытия зависимости влияния пищи и способов приготовления от исходного состава микробиоты кишечника. Эти знания откроют путь к персонализированной модуляции микробиоты для прецизионного питания.
