Минералы и микроэлементы являются эссенциальными микронутриентами для метаболизма человека и осуществляют активное взаимодействие с микробиомом кишечника [120,121]. Как дефицит питательных веществ, так и избыток минералов и микроэлементов ответственны за различные заболевания у человека. Роль избытка или дефицита микроэлементов в модуляции микробиоты кишечника - это развивающаяся область, и основные выводы из опубликованных статей обобщены в таблице 2.
КАЛЬЦИЙ. Эпидемиологические данные свидетельствуют о том, что высокое потребление кальция связано с меньшей распространенностью ожирения [122]. Предполагается, что высокое потребление кальция приводит к изменениям в микробиоте кишечника, которые связаны с «постным» фенотипом [122, 123]. В исследовании, проведенном на здоровом человеке, диетическое потребление 1000 мг кальция в день в течение восьми недель привело к более высокому содержанию Clostridium XVIII в образцах кала мужчин [124]. Поскольку этот вид бактерий является некультивируемым, он не классифицируется как полезный или вредный, но кальций в сочетании с фосфором (500 мг Ca и 1000 мг P) может привести к обилию продуцентов бутирата в фекалиях. В 18‐месячном исследовании на мышах с высоким содержанием жира добавка кальция (5,25 г/кг кальция) увеличивала микробное разнообразие и количество Ruminococcaceae и Akkermansia в фекальном микробиоме этих животных [125]. Было проведено мультигенерационное исследование, чтобы оценить, как дисбаланс в материнском кальции способствует увеличению массы тела у их потомства [107]. Избыток пищевого кальция (12 г/кг) в рационе матери был связан со снижением Веррукомикробии (Verrucomicrobia) в кишечнике потомства, а недостаточный кальций в рационе матери (2,5 г/кг) был связан с повышением соотношения F/B в потомстве [126]. При диетическом вмешательстве более короткой продолжительности (54 дня) добавка с высоким содержанием кальция (12 г/кг) модулировала микробиоту кишечника пребиотическим путем, увеличивая количество Bifidobacterium sp. и увеличивая соотношение Bacteroides / Prevotella в образце слепой кишки у мышиной HFD-модели (HFD - high-fat diet). Количество Bifidobacterium sp. в этом исследовании отрицательно коррелировали с уровнем LPS в плазме, что указывает на снижение продуцентов LPS в микробном пуле кишечника [127].
МАГНИЙ. Дефицит магния связан с увеличением частоты хронических заболеваний [128], но доказательства роли микробиома в этой ассоциации неясны. Ранее сообщалось, что четырехдневный дефицит магния может снизить содержание бифидобактерий в слепой кишке мыши, но при длительном дефиците магния (три недели) наблюдалось увеличение кишечного содержимого бифидобактерий и лактобацилл [129]. Напротив, сообщалось, что шесть недель дефицита магния могли значительно изменить микробиоту кишечника (были показаны только результаты анализа основных компонент (PCA)), что может быть связано с измененным поведением, похожим на состояние тревоги у мышей [130, 131]. Кроме того, уменьшение микробного разнообразия кишечника сообщалось при дефиците магния в рационе [130, 131], а увеличение микробного разнообразия кишечника у взрослых самцов крыс - с использованием богатой магнием морской минеральной смеси [132]. Необходимы дополнительные исследования для дальнейшего выявления связи между дефицитом магния или добавками магния и кишечной микробиотой.
ЖЕЛЕЗО. Добавки железа - это общая стратегия для устранения дефицита железа в клинических условиях. Тем не менее, до сих пор не достигнуто последовательного заключения о влиянии добавок железа на микробиоту кишечника [133]. Как доклинические, так и клинические исследования показали последовательное снижение количества полезных микробов и увеличение количества вредных микробов после приема железа. Предполагается, что добавление железа к анемичным кенийским детям [134, 135] и ивуарийским детям [136] вызывает дисбактериоз кишечника и воспаление в результате увеличения численности патогенных бактерий и сокращения полезной микробиоты. В рандомизированном контролируемом исследовании [137] потребление обогащенных железом зерновых в течение 2–4 недель может привести к снижению средней относительной численности бактерий семейства bifidobacteriacea (снижение с 51% до 37%) и увеличению количества бактерий порядка бактериоидетов (от 5% до 14%) в образцах стула младенцев. Кроме того, после вмешательства не было бактериального богатства. В рандомизированном плацебоконтролируемом клиническом испытании добавка железа (50 мг / день, 4 дня в неделю в течение 38 недель) существенно не изменяла концентрации доминирующих бактериальных групп (ни полезных, ни патогенных) в кишечнике детей, живущих в сельской местности Южной Африки. Это резко контрастирует с ивуарийскими детьми [136] и может быть связано с экологическими различиями между этими двумя когортами. Первая группа жила в бедности с некачественной водой и питанием и, следовательно, имела более высокую патогенную бактериальную нагрузку в кишечнике, чем вторая группа, у которой была более низкая концентрация патогенных бактерий из-за потребления воды и диеты хорошего качества [138]. В сравнительном исследовании младенцев две разные дозы препаратов железа оказывали различное влияние на количество полезной микробиоты. Для сравнения, добавление железа в более высокой дозе (6,4 мг / день) значительно уменьшало содержание уровней Bifidobacterium по сравнению с добавками железа в более низкой дозе (1,2 мг / день) в микробиоте кишечника младенцев. Однако для обилия лактобацилл наблюдалось обратное, причем обилие увеличивалось при этой более высокой дозе, чем при более низкой [139]. Исследования на экспериментальных животных также продемонстрировали, что избыток железа может вызывать дисбактериоз кишечника, что приводит к увеличению количества бактерий родов Defluviitaleaceae, Ruminococcaceae и Coprococcus и снижению некоторых представителей семейства Lachnospiraceae и рода Allobaculum [140]. То же самое было отражено в исследованиях ферментации in vitro, где было показано, что повышенные концентрации железа могут уменьшать количество комменсальных бактерий, увеличивать количество токсичных метаболитов и повышать вирулентность патогенных бактерий [141, 142]. Было также сообщено, что уровень железа до 60 мг/сут существенно не изменял состав фекального микробиома на любом таксономическом уровне у женщин с избыточной массой тела и ожирением на ранних сроках беременности [143]. Напротив, в поперечном исследовании потребление диеты, содержащей значительно более высокую концентрацию железа, может привести к увеличению уровня бифидобактерий у японских женщин [144]. Однако результаты этого исследования следует интерпретировать с осторожностью, поскольку диета содержала микро-и макроэлементы, отличные от железа, и бифидогенная реакция могла быть вызвана другими ингредиентами в диете.
Кишечная микробиота также реагирует по-разному в зависимости от химической формы добавляемого в рацион железа. Железистая этилендиаминтетрауксусная кислота, по сравнению с железистыми препаратами, усиливала декстрансульфат натрия (DSS)‐индуцированный колит у мышей за счет уменьшения обилия Roseburia sp. [145]. В сравнении с этим, вмешательство негемового железа могло бы увеличить обилие фирмикутов у мышей, в то время как гемовое железо уменьшало обилие фирмикутов, наряду с уменьшением общего микробного разнообразия, и увеличивало обилие протеобактерий [146-148].
Кроме того, сообщалось, что способы введения железа также оказывают различное влияние на микробиоту кишечника. Lee et al. (2017) [149] сообщили, что пероральное введение железа приводило к более низкому обилию Fecalibacterium prausnitzii, Ruminococcus bromii, Collinsella aerofaciens и Dorea по сравнению с внутривенным введением. Сообщалось также, что введение железа в виде капель в требуемой стандартной дозе может привести к снижению относительного обилия лактобацилл и потенциально повысить восприимчивость к бактериальной инфекции [139].
ФОСФОР. Фосфор является вторым по распространенности неорганическим элементом в организме и играет важную роль в поддержании системного кислотного баланса крови [150]. Рекомендуемый уровень потребления фосфора составляет 700-1000 мг для взрослых, но обычно он превышается при употреблении обработанных пищевых продуктов, таких как хлебобулочные изделия и подслащенные сахаром напитки. Исследование на цыплятах-бройлерах показало, что добавление фосфора увеличивало обилие продуцирующих бутират бактерий Fecalibacterium и Pseudoflavonifractor в слепой кишке [151]. Исследование диетического вмешательства у человека с добавлением фосфора (1000 мг / сут) показало, что фекальное микробное разнообразие улучшилось, а концентрации SCFAs увеличились [124]. Тем не менее, необходимы дальнейшие клинические исследования для изучения действия фосфора на микробную модуляцию кишечника, прежде чем можно будет сделать какие-либо выводы.
ЦИНК. Цинк является важным микроэлементом для поддержания целостности эпителия, возможно, путем модуляции полезной кишечной микробиоты [152]. Хронический дефицит цинка у цыплят-бройлеров изменяет микробиом кишечника со значительным увеличением содержания протеобактерий и уменьшением содержания Firmicutes [153]. Эксперименты на животных показали, что добавление цинка (120 мг / кг) [154] в модели «бройлеров, зараженных Salmonella typhimurium» увеличивало количество полезных бактерий, таких как Lactobacillus sp., В то же время уменьшая количество вредных бактерий, включая Salmonella sp., Однако у мышей избыток цинка в рационе изменяет разнообразие и структуру микробиоты кишечника. В частности, роды Turicibacter (OTU) 2 и Clostridium OTU 11 уменьшились, а роды Enterococcus OTU 4 и Clostridium XI OTU 3 увеличились. Кроме того, избыток цинка делал микробиоту кишечника уязвимой для возмущений низкого уровня и снижал порог антибиотикорезистентности, необходимый для снижения колонизационной резистентности к внутрибольничному патогену Clostridium difficile [155]. Хронический дефицит цинка у цыплят-бройлеров изменяет микробиом кишечника со значительным увеличением содержания протеобактерий и уменьшением содержания Firmicutes [153]. Тем не менее, клинические данные о модуляции кишечной микробиоты с пищевым цинком у людей отсутствуют.
СЕЛЕН. Дефицит и избыток селена связаны с такими заболеваниями, как повышенная смертность, сахарный диабет 2 типа и риск развития рака [156]; однако существует ограниченная информация о воздействии на микробиоту кишечника. Показано, что добавление Селена к пище в диапазоне доз от 0,1 мкг/г до 2,25 мкг/г у мышей увеличивает микробное разнообразие [157]. В другом исследовании на мышах добавление селена в концентрации 0,4 мг / кг приводило к увеличению численности Akkermansia и Turicibacter, а также к снижению численности Dorea и Mucispirillum [158].
ЙОД. Хотя эти данные ограничены только одним исследованием на животных, они предполагают, что добавление йода зависит от уровня жиров в рационе и приводит к дифференцированному воздействию на микробиом кишечника [159]. Йодная добавка в мышиной модели HFD улучшала гормональный статус щитовидной железы, но приводила к дисбактериозу кишечника, характеризующемуся повышенным обилием патогенных микробов и истощением полезных микробов, таких как Fecalibacterium prausnizii [159]. Кроме того, при низком содержании жира в рационе та же доза йода оказывала благоприятное воздействие на микробиоту кишечника, увеличивая количество бифидобактерий Bifidobacterium, лактобактерий Lactobacillus, Фекалибактерий Fecalibacterium и Аллобактерий Allobaculuum в контрольной группе [159].
Таким образом, существует ограниченное количество доказательств, подтверждающих конкретные механизмы, посредством которых минералы и микроэлементы модулируют кишечный микробиом. Тем не менее, исследования, опубликованные до настоящего времени, в основном оценивали изменения в микробиоме после дефицита питательных микроэлементов и добавления минералов и микроэлементов. Было показано, что добавки кальция модулируют Akkermansia, Bifidobcterium и Ruminococcacea и соотношение Bactereoidetes / Prevotella у экспериментальных животных. Достаточность / дефицит Mg в модулирующей модели кишечника мышей, по-видимому, модулирует полезную для здоровья кишечную микробиоту. Данные по добавкам железа противоречивы, и большинство исследований показывают увеличение вредных микробов и уменьшение количества полезных микробов, таких как Bifidobacterium, у детей, но в клинических испытаниях также не сообщалось о влиянии добавок железа на микробиоту. Интересно, что химическая форма и способ введения железа, по-видимому, важны для модуляции кишечного микробиома. Ограниченные исследования показали, что добавка фосфора влияет на SCFAs, что требует дальнейших доклинических / клинических испытаний, чтобы прийти к заключению. Добавки цинка уменьшали вредные микробы и увеличивали полезные микробы в доклинических исследованиях. Добавки селена увеличивали микробное разнообразие кишечника и положительно модулировали полезные для здоровья микробы, такие как Akkermansia и Turicibacter, и отрицательно модулировали вредные микробы, такие как Dorea и Mucispirillum, на мышиной модели. Добавление йода привело к дисбактериозу кишечника, а также уменьшило количество полезных для здоровья микробов, таких как Fecalibacterium, на мышиной модели. Существует явное отсутствие доклинических / человеческих вмешательств, изучающих роль конкретных минералов и микроэлементов в модулировании кишечной микробиоты, и, следовательно, необходимо провести тщательное исследование в этой области.