Углеводы
Углеводы являются основным источником энергии для организма человека и играют важную роль в модуляции и формировании микробиоты кишечника. Здесь мы суммируем данные о том, как различные типы пищевых углеводов модулируют микробиоту на уровне рода, соотношение F/B и разнообразие микробного сообщества (Таблица 3).
Таблица 3. Модуляции пищевых углеводов на потенциально полезную и вредную микробиоту кишечника.
Растительные углеводы, которые не перевариваются в верхних отделах пищеварительного тракта, классифицируются как пищевые волокна, и их структура, наряду с другими непереваренными питательными веществами, влияет на степень их ферментации микробами толстого кишечника. На животных моделях было показано, что диета западного типа с относительно низким содержанием клетчатки снижает обилие бифидобактерий и разнообразие кишечной микробиоты [160]. Хроническая нехватка пищевых волокон может привести к снижению разнообразия кишечной микробиоты [161]. Было показано, что доиспанская мексиканская диета (с высоким содержанием клетчатки) облегчает дисбактериоз кишечника у крыс, получавших обогащенную сахарозой диету с высоким содержанием жиров, о чем свидетельствует снижение отношения Firmicutes к Bacteroidetes (отношение F / B) и увеличение численности Lactobacillus sp. [162]. В доклинических исследованиях гуманизированных мышей кормили рационом, богатым клетчаткой, а затем вводили корм с низкокачественной клетчаткой, чтобы нарушить микробиом их кишечника [15]. Однако повторное введение клетчатки путем скармливания растительной богатой полисахаридами диеты с содержанием нейтральных очищающих волокон 15% по массе не восстановило микробный состав и разнообразие у испытуемых животных. Более того, наблюдалось, что это возмущение продолжается в течение нескольких поколений [15, 163]. В клинических испытаниях исследования последовательно демонстрировали, что высоковолокнистая диета, например, цельнозерновые злаки, инулин и фруктоолигосахарид (1:1), растворимые волокна кукурузы, хлеб на основе зерен ячменя, увеличивает фекальное изобилие нескольких полезных микробиот, таких как Bifidobacterium sp. [164-166], Lactobacillus sp. [166], Akkermansia sp. [167, 168], Fecalibacterium sp. [168], Roseburia sp. [168], Bacteroides sp. [168, 169], и Prevotella sp. [170, 171]. Кроме того, обогащенные клетчаткой диеты снижают соотношение F/B [169, 172] и улучшают микробное разнообразие кишечника [168, 170, 172]. Было сообщено, что относительная доля Бактериоидетов (Bacteroidetes) была ниже у тучных людей по сравнению с таковой у худых людей [35]. Доля Bacteroidetes увеличилась на низкокалорийной диете с ограничением углеводов в течение одного года и реагировала на потерю веса [35]. Кроме того, было обнаружено, что в кишечном микробиоме пациентов с ожирением наблюдается увеличение числа полезных членов Prevotella, Parabacteroides distasonis и Fecalibacterium prausnitzii после употребления высоко-сложной углеводной диеты (с низким содержанием жира, 28% жира) в течение одного года [173].
Арабиноксиланы (AX), арабиноксилан‐олигосахариды (AXOS) и ксило‐олигосахариды (XOS) обычно встречаются в пшенице и классифицируются как пребиотики, поскольку они специфически увеличивают пул полезной микробиоты, включая бифидобактерии и лактобациллы [174-182]. При диетическом вмешательстве обогащенная AX диета увеличивала обилие Bifidobacterium sp. у взрослых с метаболическим синдромом и пониженным микробным разнообразием [174]. AXOS, состоящий из арабиноксилолигосахаридов и XOS, может быть получен ферментативным гидролизом AX [183]. Было показано, что AXOS и XOS увеличивают Bifidobacterium sp. и / или Lactobacillus sp. [182] у здоровых взрослых [175–180] и детей [181].
Показано, что ферментация галактоолигосахаридов In vitro (GOS) [184] приводит к увеличению Bifidobacterium sp. и Lactobacillus sp. [185]. Аналогичное наблюдение было отмечено в исследовании диетического вмешательства с использованием GOS на конкретной модели мышей без патогенов [186]. В клинических испытаниях GOS в диапазоне доз от 1,5 до 10 г / сут при потреблении в течение 12 недель здоровыми взрослыми увеличивал фекальный уровень бифидобактерий [187-192]. Аналогичное диетическое вмешательство у девочек-подростков (10-13 лет) показало, что добавление GOS в дозе 5 или 10 г/сут в течение трех недель увеличивало популяцию Bifidobacterium sp. [193]. У здоровых добровольцев пожилого возраста (65-80 лет) введение GOS в дозе 5,5 г/сут в течение 10 недель приводило к увеличению бифидобактерий и бактероидов [191]. В дополнение к Bifidobacterium sp., увеличение относительного количества ферментирующих лактозу Fecalibacterium и Lactobacillus наблюдалось при потреблении GOS добровольцами с непереносимостью лактозы, что свидетельствует о том, что введение GOS способствовало формированию кишечной среды, благоприятствующей перевариванию лактозы [192]. Из-за своего бифидогенного потенциала, GOS включен в состав детской смеси для стимулирования здорового кишечного микробиома, в котором доминирует Bifidobacterium sp. [184, 194-198]. Получение детьми смеси для младенцев, содержащей 4 г GOS/л, приводило к увеличению численности полезной микробиоты Lactobacillus и снижению Clostridium [184, 198]. Лактозосодержащая детская смесь, специально разработанная с GOS, показала значительное увеличение бифидобактерий и лактобацилл [199]. В клиническом исследовании для здоровых взрослых было обнаружено, что олигосахарид рафинозы положительно модулирует Bifidobacterium и отрицательно модулирует Clostridium, а именно, группы Clostridium histolyticum и Clostridium lituseburense [200].
Было показано, что фруктаны типа инулина (включая основные пищевые источники) последовательно способствуют развитию бифидобактерий. Исследования на животных показали, что инулин или фруктан инулинового типа (ITF) могут изменять кишечное микробное разнообразие [201, 202], и Bifidobacterium sp. Кроме того, было установлено, что ITF будет содействовать этому в клинических испытаниях [203–208]. Добавление ITF в дозе 16 г / день лицам с ожирением в течение трех месяцев увеличивало содержание Bifidobacterium [204, 207] и Fecalibacterium [204], а также уменьшало количество вредной микробиоты рода Bacteroides [204]. При более низком уровне приема инулина (10–12 г / день) у лиц с легким запором наблюдалось увеличение Bifidobacterium [205] или увеличение Bifidobacterium и Fecalibacterium у здоровых взрослых [203]. У детей (средний возраст 10 лет) аналогичная доза инулина (10 г / сут) в течение трех месяцев только увеличивала содержание Bifidobacterium, но не влияла на уровень Fecalibacterium или Bacteroides [206]. Другое исследование детей с избыточной массой тела или ожирением (7–12 лет, 8 г инулина / день в течение 16 недель) показало увеличение Bifidobacterium и уменьшение Bacteroides [208]. Взятые вместе, эти исследования выделяют ряд факторов - дозировку, тип инулина и другие диетические факторы (например, общее потребление клетчатки), которые могут способствовать эффективности ITF в модуляции ключевых микробов.
Резистентный крахмал является важным субстратом для поддержания здоровья кишечника, так как он используется рядом полезных кишечных микробов [209]. Например, Bifidobacterium sp., Fecalibacterium sp., Eubacterium sp. и Ruminococcus sp. были значительно увеличены у здоровых взрослых, которые потребляли резистентный крахмал (100 г / день, тип 2 / тип 4) в течение трех недель [210]. Лица с метаболическим синдромом продемонстрировали, что резистентный крахмал (тип 2) при применении в сочетании с арабиноксиланом может модифицировать микробиоту кишечника в сторону полезного пула (с более высокой концентрацией бифидобактерий и меньшим количеством дисбиотических родов) и модифицировать состав SCFAs, что приводит к благоприятному воздействию на здоровье толстой кишки и метаболический синдром [174]. Более того, исследование диетического вмешательства с использованием резистентного крахмала в качестве неперевариваемого углевода подтвердило его функцию существенного изменения состава кишечных микробных видов, включая Ruminococcus bromii, Eubacterium rectale, Collinsella aerofaciens и некультивируемую группу Oscillibacter [211].
В клинических испытаниях сообщалось, что вмешательство бутирилированного кукурузного крахмала с высоким содержанием амилозы увеличивает обилие полезной микробиоты, такой как Lactobacillus sp., Clostridium coccoides, группа C. leptum и Ruminococcus bromii, и уменьшает обилие R. torques и R. gnavus у участников, у которых был дисбактериоз кишечника, вызванный красным мясом (повышенным уровнем аддукта O6-метил-2-дезоксигуанозина) [212].
Шестинедельное исследование диетического вмешательства с 10% олигофруктозой у крыс с ожирением, вызванных диетой, увеличило количество Bifidobacterium sp., Lactobacillus sp. И Roseburia sp. и понизило Clostridium leptum [213]. У здоровых детей потребление детской смеси, содержащей олигофруктозу (3 г / л в течение восьми недель), повышало уровень фекальных Bifidobacterium sp. [214]. Кроме того, синтетический полимер глюкозы, полидекстроза (PDX), обладает такими же физиологическими эффектами, как и другие пищевые волокна, и показал пребиотический потенциал при тестировании на животных [215]. Диетическое вмешательство с пребиотиками, как было показано, избирательно стимулирует рост и / или активность одной или ограниченного числа кишечных бактерий, связанных с несколькими физиологическими преимуществами для здоровья. Сообщалось также, что кластеры Clostridium I, II и IV и Ruminococcus intestinalis стимулировались PDX (8 г/день) в клинических испытаниях для здоровых людей в возрасте 18–50 лет во время трехнедельной иннервации [216].
Итак, доказано, что пищевые углеводы модулируют полезные для здоровья микробы как у людей, так и у животных. Диета с высоким содержанием клетчатки увеличивала обилие бифидобактерий и снижала соотношение Firmicutes/Bacteroidetes у человека и экспериментальных животных. Пребиотический потенциал GOS и других углеводов хорошо известен, и их добавление привело к обилию Bifidobacterium sp., Lactobacillus sp., Akkermansia sp., Fecalibacterium sp., Roseburia sp., Bacteroides sp. и Prevotella. Арабиноксилан, резистентный крахмал и фруктаны инулинового типа модулируют полезные для здоровья бактерии, такие как Bifidobacterium, Fecalibacterium и Lactobacillus. Было также обнаружено, что олигофруктоза и полидекстроза модулируют многие полезные для здоровья бактерии, такие как Roseburia, Clostridium lepum и Ruminococcus intestinalis. Исследования также показали восстановительную функцию некоторых углеводов при дисбактериозе, наблюдаемую у тучных людей, и, следовательно, такие углеводы могут быть использованы в качестве терапевтического вмешательства при метаболических заболеваниях.
Жиры
Показано, что рацион питания с высоким содержанием насыщенных и / или общих жиров оказывает неблагоприятное воздействие на кишечный микробиом. Пятнадцать клинических отчетов (включая шесть рандомизированных контролируемых интервенционных исследований и девять обсервационных исследований) показали, что диеты с высоким содержанием общего жира и насыщенных жиров негативно влияют на богатство и разнообразие кишечной микробиоты [217]. Эти результаты были подтверждены тщательно контролируемыми исследованиями кормления на грызунах, которые показали, что диеты, содержащие жиры в диапазоне от 44% до 72%, увеличивали соотношение F / B к микробиоте кишечника [34, 162, 228–226]. Влияние высокожировой диеты (HFD) на модулирование численности микроорганизмов, соотношение F / B и общее микробное разнообразие представлено в таблице 4.
Таблица 4. Модуляции пищевых жиров на потенциально полезную и вредную микробиоту кишечника.
Хотя было показано, что изменения соотношения F/B в кишечной микробиоте зависят от области кишечника и продолжительности приема пищи [218], изменения соотношения F/B варьируют в зависимости от количества жира в рационе (табл.4). У крыс потребление смешанной HFD (диапазон от 44%-72%) [34, 218–226] увеличивает обилие Firmicutes и уменьшает долю Bacteroidetes, тем самым приводя к увеличению соотношения F/B. Эти бактериальные типы, а именно, бактериоидеты и фирмикуты, обычно преобладают в кишечном тракте, однако с различным составом. Например, генетически тучные мыши ob/ob с ожирением демонстрировали меньше Bacteroidetes и больше Firmicutes [34]. Та же исследовательская группа обнаружила, что фенотип ожирения может передаваться при трансплантации кишечной микробиоты мышам. Ожирение увеличивало соотношение F/B и тем самым увеличивало обилие Firmicutes. После колонизации "тучной микробиоты" общее количество жира в организме мышей значительно возросло, а также увеличилась способность собирать энергию из рациона, что способствовало патофизиологии ожирения [227]. Тем не менее, количество жира в рационе от 20% до 40% может привести к снижению отношения F / B [228–231] или к существенным изменениям в их соотношении [173, 230, 232, 233]. Кроме того, микробные паттерны кишечника в моделях крыс, индуцированных HFD, показали обилие микробов порядка Clostridiales и снижение обилия микробов семейства Lachnospiraceae, возможно, из‐за его ассоциации с процентным содержанием жира в организме [53]. Было высказано предположение, что уменьшение популяции лактобацилл коррелирует с высоким содержанием жира, а их обилие демонстрирует отрицательную корреляцию с массой тела и массой жира [162, 222, 226, 229]. В недавнем рандомизированном клиническом исследовании с контролируемым питанием сообщалось, что потребление 40% жира здоровыми молодыми людьми было связано с неблагоприятными изменениями в микробиоте кишечника, в результате чего вмешательство привело к увеличению обилия вредных видов бактерий Bacteroides и Alistipes, два вида которых, как сообщалось, были в изобилии у пациентов с сахарным диабетом 2 типа (СД 2 типа) и снижению обилия полезных бактерий рода Fecalibacterium. Тем не менее, 20% потребления жира показали положительный эффект с точки зрения увеличения кишечной микробиоты Fecalibacterium sp. и Blautia sp. [230]. У людей с метаболическими заболеваниями, ожирением и ишемической болезнью сердца снижение потребления жира до уровня менее 35% жира в течение двух лет помогло восстановить микробиом кишечника [173, 231, 233]. Результаты этого исследования показали, что диета с низким содержанием жиров для людей зависит от степени метаболической дисфункции, поскольку у людей не наблюдалось никаких изменений, если у них не было выявлено метаболическое заболевание [230]. Кроме того, недавно сообщалось о влиянии половой принадлежности на формирование микробиоты кишечника в соответствии с диетой. Исследователи наблюдали более высокое обилие Розбурии (Roseburia), Холдемании (Holdemania) и Десульфовибриона (Desulfovibrio) у мужчин с метаболическим синдромом (MetS), чем у женщин с MetS после трех лет потребления низкожировой диеты, что привело к пагубному эффекту у мужчин, а не у женщин [234].
Ученые также исследовали роль насыщенных и ненасыщенных жиров в модуляции и разнообразии микробиома кишечника. Паттерсон (Patterson) и др. (2014) [235] показали, что различные типы пищевых жиров увеличивают общее разнообразие микробиоты кишечника, но не существенно отличаются друг от друга в мышиной модели. В исследовании диетического вмешательства мышей кормили пальмовым маслом, богатым насыщенными жирными кислотами, что привело к уменьшению популяции Бактериоидетов (Bacteroidetes), и было подтверждено, что изменения в составе микробиоты кишечника положительно коррелируют с развитием ожирения. Аналогичные исследования показали, что потребление насыщенных жиров (HFD‐содержащих пальмовое масло) (45% жира) индуцировало повышенное соотношение F/B в мышечной модели и оказывало более стимулирующее влияние на развитие ожирения, чем у мышей, получавших ненасыщенные жиры (оливковое масло или сафлоровое масло) [236]. Насыщенные пищевые жиры изменяют условия для микробной сборки кишечника, способствуя изменению состава желчи хозяина, что приводит к дисбактериозу, который может нарушить иммунный гомеостаз [228]. Напротив, некоторые из насыщенных жиров, среднецепочечные жирные кислоты, показали антибактериальное действие [237]. Оливковое масло с высоким содержанием ненасыщенных жирных кислот увеличивало количество комменсальных бактерий, популяций Bacteroidaceae, в слепой кишке по сравнению с пальмовым маслом, льняным маслом и рыбьим жиром [235]. Льняное семя / рыбий жир при совместном применении с низкожировой диетой оказывали бифидогенное действие на состав кишечной микробиоты хозяина за счет повышения уровня бифидобактерий [235]. Аккермания (Akkermansia) и бифидобактерии (Bifidobacterium) также считались ассоциированными с потреблением пребиотиков, и сообщалось, что они демонстрируют тенденцию к снижению под влиянием HFD [162, 238]. Энтеральное введение полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК) было связано с уменьшением количества вредных бактерий (например, Streptococcus sp. и Escherichia sp.), большее бактериальное разнообразие у недоношенных детей с энтеростомией [239]. В ходе клинических исследований было также установлено, что диета, богатая мононенасыщенными жирными кислотами, снижает общее число бактерий, тогда как диета, богатая полиненасыщенными жирными кислотами, не оказывает влияния на богатство и разнообразие микробиоты кишечника [217].
Таким образом, количество и тип жира в рационе могут модулировать соотношение F / B и влиять как на вредные, так и на полезные микробы в кишечнике. В частности, насыщенный жир постоянно снижает полезные для здоровья микробы, такие как Bifidobacterium и Fecalibacterium, тогда как ненасыщенный жир увеличивает количество Akkermansia и Bifidobacterium и уменьшает количество вредных бактерий, таких как Streptococcus и Escherichia sp. Кроме того, насыщенный жир может увеличивать отношение F / B, а ненасыщенный жир может снижать соотношение F / B, и, таким образом, они могут оказывать различное влияние на здоровье человека в зависимости от качества жира. Клинические исследования, проведенные на сегодняшний день, показывают, что диета с высоким содержанием жиров наносит вред здоровью кишечника, поскольку снижает количество полезных микробов, однако это можно изменить, если придерживаться диеты с низким содержанием жиров.
Белки
Клинические и доклинические исследования показали, что тип и количество белка в рационе оказывает существенное влияние на микробиоту кишечника (табл.5).
Таблица 5. Модуляции пищевого белка на потенциально полезную и вредную микробиоту кишечника.
Данные, полученные на животных моделях, позволяют предположить, что качество белка влияет на состав кишечной микробиоты. Например, в доклиническом исследовании было показано, что сывороточные белки сыра могут действовать как факторы роста для количества фекалий Lactobacilli и Bifidobacteria по сравнению с казеином [240]. Было также показано, что диета на основе сывороточного белка снижает содержание Clostridium в кишечнике. Было показано, что белок бобов мунг (белок азиатской фасоли) изменяет индуцированное HFD соотношение F / B у мышей [242]. Белок фасоли также увеличил распространенность семейства Ruminococcacea на модели мышей с HFD. На основании этого наблюдения авторы выдвинули гипотезу, что метаболизм желчных кислот, опосредованный членами семейства Ruminococcacea, обеспечил бы пользу для здоровья у мышей с HFD [242]. В отличие от данных, полученных с помощью белковых вмешательств на растительной основе, рационы, содержащие казеин, увеличивали количество фекальных энтеробактерий и уменьшали количество фекальных лактобацилл у поросят [243]. Кроме того, уровни Bacteroidales и Clostridiales были выше у мышей, которых кормили западной диетой, содержащей высокие уровни мяса и морепродуктов [244]. Было также показано, что животный белок может повышать чувствительность к воспалению кишечника за счет увеличения потенциальной вредной микробиоты кишечника (а именно: родов Enterococcus, Streptococcus, Turicibater и Escherichia, а также семейств Peptostreptococcaceae и Ruminococcaceaea) по сравнению с мышами, потребляющими растительный белок [245]. Недавнее клиническое исследование показало, что диеты с казеином и соевым белком следует рассматривать с осторожностью, поскольку они, по-видимому, нарушают нормальную экспрессию генов в слизистой оболочке прямой кишки у людей с избыточным весом [246]. Авторы не смогли обнаружить каких-либо изменений в микробном разнообразии или обилии специфических таксонов, но смогли обнаружить как полезные, так и вредные метаболиты, продуцируемые специфическими микробами. В частности, метаболиты, расщепляющие аминокислоты, были выше, причем снижение концентрации бутирата, которое авторы обнаружили, в значительной степени коррелировало со специфическими бактериями родов Clostridia, Oscilospira, Butyricimonas и Odoribacter [246].
Хотя было высказано предположение, что источник белка оказывает большое влияние на состав бактериального сообщества [245], другие исследования показали, что количество белков также очень важно в его влиянии на микробную модуляцию кишечника. В одном исследовании [241] мышей кормили с низким содержанием жиров (10% жира) или HFD (45% жира) в течение 21 недели, либо казеином (20% kJ), либо изолятом сывороточного белка (WPI) в 20%, 30% или 40% kJ. Результаты данного исследования показали увеличение обилия типов протеобактерий (Proteobacteria) и актинобактерий (Actinobacteria) в микробиоте кишечника для опытных групп животных, получавших 20% WPI. При увеличении содержания белка с 20% до 40% результаты были противоположными для типа актинобактерий по сравнению с группой HFD. 70-дневная добавка белка (смесь сывороточного изолята (10 г) и говяжьего гидролизата (10 г)) в рационе здоровых спортсменов оказала негативное влияние на микробиоту кишечника, что привело к снижению уровня полезной для здоровья микробиоты, а именно Roseburia, Blautia и Bifidobacterium longum, а также увеличение микробиоты типа Bacteroidetes [247]. В контрольной группе, получавшей мальтодекстрин, такого эффекта не наблюдалось. Кроме того, различные способы приготовления белка могут по-разному влиять на микробиоту кишечника. Исследование in vitro на микробиоте кишечника человека показало, что группа C.hidtolyticum / perfringens, распространенный пищевой патоген, который может продуцировать энтеротоксины, вызывая широкий спектр патологий, наблюдалась при периодической ферментации, которая содержала жареное мясо, по сравнению с той, где содержалось вареное мясо [248], что позволяет предположить, что способ приготовления и тип мяса могут влиять на профили ферментации в микробиоте кишечника человека.
Из приведенного выше обсуждения следует, что как качество, так и количество белка могут оказывать влияние на состав и разнообразие кишечной микробиоты. Сывороточный белок проявляет бифидогенный эффект у мышей с HFD при более низкой концентрации и обращает этот эффект при более высокой концентрации. Белок фасоли помогает изменить соотношение F / B на модели мышей с HFD, а животный белок может повысить чувствительность к воспалению кишечника, увеличив потенциальную вредную микробиоту кишечника. Добавление белковых смесей у здоровых взрослых оказывает негативное влияние на полезную микробиоту, такую как Roseburia, Blautia и Bifidobacterium longum. Кроме того, было показано, что различные способы приготовления пищи по-разному влияют на микробиоту кишечника. Необходимы дополнительные доклинические / клинические исследования, чтобы сделать вывод о влиянии различных белковых добавок на микробиоту кишечника.