Хранителна имунология

Редактиран от
Каролайн Е. Чайлдс

Университет в Саутхемптън, Великобритания

Прегледан от
Елизабет А. Майлс

Университет в Саутхемптън, Великобритания

Си Ма

Китайски аграрен университет, Китай

Стефан О. Ребер

Клиника по психосоматична медицина и психотерапия, Университетска болница в Улм, Германия

Принадлежностите на редактора и рецензенти са най-новите, предоставени в техните профили за проучване на Loop и може да не отразяват тяхното положение по време на прегледа.

отслабват

  • Изтеглете статия
    • Изтеглете PDF
    • ReadCube
    • EPUB
    • XML (NLM)
    • Допълнителни
      Материал
  • Цитат за износ
    • EndNote
    • Референтен мениджър
    • Прост ТЕКСТ файл
    • BibTex
СПОДЕЛИ НА

Оригинални изследвания СТАТИЯ

  • 1 Център за микробна патогенеза, Изследователски институт в Национална детска болница, Колумб, Охайо, САЩ
  • 2 Институт по детско хранене на Mead Johnson, Evansville, IN, САЩ
  • 3 Катедра по педиатрия, Медицински колеж на държавния университет в Охайо, Колумб, Охайо, САЩ

Заден план: Излагането на стресови стимули нарушава регулирането на възпалителните процеси и променя чревната микробиота. Пребиотиците, включително дълговерижни ферментируеми влакна и млечни олигозахариди, имат потенциала да ограничат възпалението чрез модулация на чревната микробиота. За да се определи дали пребиотиците отслабват индуцираното от стреса възпаление и нарушенията на микробиотата, мишките са хранени или с контролна диета, или с диета, допълнена с галактоолигозахариди, полидекстроза и сиалилактоза (GOS + PDX + SL) или сиалилактоза (SL) за 2 седмици преди и по време на 6-дневно излагане на стресор на социално прекъсване. Далаците бяха събрани за тестове за имунореактивност. Съдържанието на дебелото черво беше изследвано за стресови и диетични промени в чревния микробиом и метаболом чрез 16S rRNA генно секвениране, метагеномно секвениране на пушка и UPLC-MS/MS.

Резултати: Стресът повишава циркулиращия IL-6 и засилва имунореактивността на спленоцитите към ex vivo LPS предизвикателство. Диетите, съдържащи само GOS + PDX + SL или SL, смекчават тези отговори. Излагането на стрес доведе до големи промени в чревния метаболом, включително силни промени в аминокиселините, пептидите, нуклеотидите/нуклеозидите, триптофановите метаболити и витамините от група В. Множеството витамини от група В са обратно свързани с IL-6 и са увеличени при мишки, хранени или с GOS + PDX + SL или SL диети. Стресираните мишки показаха различни микробни съобщества с по-ниско количество Лактобацилус spp. и по-големи количества Бактероиди spp. Диетичните добавки с GOS + PDX + SL, но не само SL, ортогонално променят микробиома и подобряват растежа на Bifidobacterium spp. Геноми, събрани от метагеном (MAGs) от мишки, хранени с диетата GOS + PDX + SL, разкриха гени в Bifidobacterium MAG за de novo Синтез на витамин В. Витамините от група B директно отслабват стресово индуцираното обостряне на производството на цитокини в LPS-стимулирани спленоцити.

Заключения: Като цяло тези данни показват, че метаболитите на дебелото черво, включително витамините от група В, реагират на психосоциален стрес. Диетичните пребиотици възстановяват витамините от дебелото черво и ограничават предизвиканото от стреса възпаление.

Въведение

Стомашно-чревната микробиота може да има дълбоки ефекти върху здравето чрез модулация на имунната, метаболитната и нервната системи на гостоприемника (1, 2). Излагането на неблагоприятни екологични стимули, включително психосоциален или физически стрес, може значително да повлияе на микробиотата на дебелото черво, като намали изобилието от таксони, свързани със здравословен чревен микробиом (напр., Лактобацилус), като същевременно увеличава изобилието от опортюнистични патогени (3–12). Индуцираните от стрес модификации в чревната микробиота са свързани с паралелни промени в биологията на централната нервна система, поведението и активирането на имунната система (4, 7, 11, 13). Проявявайки пряка връзка между стрес-индуцираните промени в микробиома и имунната система, наскоро беше показано, че съдържанието на дебелото черво от мишки, изложени на стрес, трансплантирани в мишки без реципиент, води до изострено възпаление в отговор на имунно предизвикателство (14). Тези открития подчертават важността на разработването на стратегии, насочени към чревната микробиота, за да се ограничат вредните ефекти на стреса.

За да определим дали пребиотиците са ефикасни за предотвратяване на вредните ефекти на стреса върху активността на имунната система, ние изложихме мишките на стресор за социално разстройство (SDR), който е добре валидиран и широко използван в поведенческите науки и неврологиите (28–30). По-рано сме показали, че SDR изостря възпалителните реакции, съпътстващи предразположението към заболяването и промененото поведение (31, 32). Като потенциален механизъм, лежащ в основата на този отговор, нашата лаборатория и други свързват предизвиканите от стреса смущения на чревната микробиота с дисфункционални имунни отговори, които в крайна сметка допринасят за предразположението на заболяването (33, 34). Следователно терапиите, които променят чревната микробиота и ограничават възпалението, свързано със стреса, са оправдани. Тук изследвахме дали диетите, съдържащи GOS, PDX и/или SL, предотвратяват вредните ефекти на стреса върху имунната функция, като насърчават противовъзпалителните микробни метаболити.

Материали и методи

Животни

Експериментални диети и експериментален дизайн

При пристигане животните бяха разпределени на случаен принцип в клетки, които получиха контролна диета AIN-93G, допълнена с 15 g/kg галактоолигозахарид (GOS; FrieslandCampina, Zwolle, Холандия), 15 g/kg полидекстроза (PDX; Danisco, Terre Haute, IN) и 2,2 g/kg сиалилактоза Lacprodan SL-10 (SL; Arla Foods Ingredients Group P/S, Орхус, Дания; обозначен „GOS + PDX + SL“); или AIN-93G, допълнен само с 2,2 g/kg SL (обозначен „SL“). Диетите бяха формулирани като изокалорични и съдържаха сходни нива на въглехидрати, протеини и мазнини въз основа на спецификациите на AIN-93G. Всяка диета съдържа идентични количества минерали (AIN-93G-MX-94046, 35 g/kg) и витамини (AIN-93-VX- 94047, 10 g/kg). Мишките бяха разпределени на случаен принцип към условие за контрол без стрес или към излагане на стресора за социално прекъсване. Социално разстройство настъпи в шест последователни дни, като фекални проби бяха събрани сутринта след 5-ия ден на излагане на стрес, а метаболитите оцениха сутринта след 6-ия ден на излагане на стрес.

Стресър за социални смущения (СПР)

Метаболомика

Суровите данни бяха извлечени, идентифицирани с пикови стойности и QC обработени с помощта на хардуера и софтуера на Metabolon. Съединенията бяха идентифицирани чрез сравнение с библиотека с над 3300 пречистени стандарти за повтарящи се неизвестни обекти. Биохимичните идентификации се основаваха на индекса на задържане в тесен RI прозорец на предложената идентификация, точното съвпадение на масата с библиотеката (± 10 ppm) и резултатите MS/MS напред и назад между експерименталните данни и автентичните стандарти. Пиковете се определят количествено, като се използва площ под кривата. Стойностите бяха нормализирани, за да се отчете променливостта през дните на изпълнение, а стойностите на интензивността бяха мащабирани, за да се зададе средната стойност, равна на 1.

16S rRNA генно секвениране

Фекални проби бяха събрани чрез поставяне на мишките в стерилна клетка и събиране на фекални пелети. ДНК беше извлечена от фекалните пелети (

10 mg) с помощта на QIAamp Fast DNA Stool Mini Kit следвайки инструкциите на производителя, с леки модификации. Накратко, изпражненията се инкубират в продължение на 45 минути при 37 ° С в лизозимен буфер (22 mg/ml лизозим, 20 mM TrisHCl, 2 mM EDTA, 1,2% Triton-x, pH 8,0), след това биене на зърна за 150 s с 0,1 mm циркониеви мъниста. Пробите се инкубират при 95 ° С в продължение на 5 минути с InhibitEX буфер, след това се инкубират при 70 ° С в продължение на 10 минути с протеиназа К и буфер AL. След тази стъпка беше следван протокола за изолация на QIAamp Fast DNA Stool Mini Kit, започвайки с етапа на етанола. ДНК се определя количествено с флуорометър Qubit 2.0 (Life Technologies, Карлсбад, Калифорния), като се използва dsDNA комплект за широколентов анализ. Пробите бяха стандартизирани до най-малко 5 ng/μl, преди да бъдат изпратени в Центъра за молекулярно и клетъчно изображение (MCIC) в Wooster, OH за библиотечна подготовка. Амплифицираните PCR библиотеки бяха секвенирани от двата края на 250 nt региона на V4-V5 16S рРНК хиперпроменлива област, използвайки Illumina MiSeq. DADA2 и количествените прозрения в микробната екология [QIIME] 2.0 (36) бяха използвани за обработка на ампликони, контрол на качеството и таксономично разпределение надолу по веригата, използвайки базата данни на рибозомната РНК SILVA (37).

Метагеномно секвениране, сглобяване и анотация

ДНК, извлечена за 16S rRNA генни анализи (по-горе), е подадена за метагеномно секвениране за една проба в GOS + PDX + SL-стресирана група в Genomics Shared Research съоръжение в Университета на Охайо Преди генерирането на библиотека, обогатяването на микробна ДНК се извършва с помощта на NEBNext Microbiome DNA Enrichment kit (New England BioLabs, Ipswich, MA) съгласно протоколите на производителите. Библиотеките са генерирани с помощта на библиотечната система NExtera XT в съответствие с инструкциите на производителя. Геномната ДНК беше изрязана чрез обработка с ултразвук и фрагментите бяха поправени накрая. Адаптерите за секвениране бяха лигирани и библиотечните фрагменти бяха амплифицирани с пет цикъла на PCR преди избор на размер на обратима имобилизация на твърда фаза, количествено определяне на библиотеката и валидиране. Библиотеките бяха секвенирани на платформата Illumina HiSeq 4,000. Всички необработени четения бяха изрязани както от 5 ′, така и от 3 ′ края със сърп, а след това всяка проба беше сглобена индивидуално, използвайки IDBA-ud, използвайки параметри по подразбиране (38). Всички скелета ≥ 2 kb бяха бинирани с помощта на MetaBat2 (39). Гените бяха извикани с помощта на MetaProdigal (40) и анотирани с помощта на Diamond (41) срещу базата данни UniRef (42).

Статистически анализи

Преди статистически анализи, пропорциите на бактериите се приписват на таксономия на ниво род и след това се нормализират чрез трансформация на дневника (13, 43). Нормализираните бактериални пропорции се анализират, като се използва двуфакторна ANOVA, като стресът (ненатоварен срещу стресиран) х диета (контрол срещу GOS + PDX + SL срещу SL) се определя като фактори между участниците. Приложен е методът на Бенджамини-Хохберг за скорост на фалшиво откриване (FDR), за да се избегне грешка тип 1.

За да се определи степента, до която метаболомът на дебелото черво се различава между условията на стрес и диетите, класификацията на произволни гори (RF) е завършена, като се използва R статистически пакет. RF се извършва на всички метаболити, като се използват поне 1000 дървета с коефициент на корелация на Матюс (MCC) използва се като оценка за ефикасност на класификацията (44, 45). След това, за да се разбере кои метаболити най-добре различават стреса и състоянието на диетата, беше въведен алгоритъм за избор на функции на Boruta (46). Изборът на функции на Boruta използва RF и итеративно сравнява важността на променливите с важността на псевдослучайните променливи. Променливите, които имат значително по-лошо значение от псевдослучайните променливи, последователно са отпадали, като по този начин се ограничава шансът за случайна значимост и грешка тип I (44). Променливите, „потвърдени“ от селекцията на Boruta, бяха счетени за достъпни за допълнителен анализ. Анализът на метаболитния път беше извършен върху потвърдени от Boruta характеристики, използвайки KEGG Metabolic reference path (47).

Реактивността на спленоцитите се анализира, като се използва 2-фактор ANOVA със стрес и диета (експеримент 1)/витамин В (експеримент 3) като фактор между субектите само сред третирани с LPS клетки. За експеримент 3 спленоцитите от всяко животно се разпределят равномерно между всички лечения с витамин В и по този начин се третират като вътрешен фактор. На Дънет след хок са използвани анализи за сравнение на всяко лечение (диета или витамин В) само с контролната група.

Резултати

Имунната активация, предизвикана от стрес, се отслабва от диетичните олигозахариди

За да изследваме възможността пребиотиците да отслабят индуцираното от стреса имунно активиране, хранехме мишки (н = 56) контролна диета, диета, допълнена с GOS, PDX и SL, или диета, допълнена само със SL за 2 седмици. Половината от мишките при всяко диетично лечение (н = 9–10/диетична група), са били изложени на стресора за социално прекъсване (SDR) в продължение на 2 часа на ден в продължение на 6 дни. Двадесет и четири часа след SDR, мишки бяха умъртвени за събиране на тъкани (Резюме на методите; Допълнителна фигура 1). Изложените на стрес мишки, хранени с контролната диета, показват повишен серумен IL-6 и маса на далака в сравнение с ненатоварени мишки, като заедно показват стресова индуцирана имунна активация, в съответствие с предишни доклади (34, 48) (Фигури 1А, В, стр 0,05, Tukey HSD).

Цитиране: Allen JM, Jaggers RM, Solden LM, Loman BR, Davies RH, Mackos AR, Ladaika CA, Berg BM, Chichlowski M и Bailey MT (2019) Диетични олигозахариди смекчават предизвиканите от стреса нарушения в имунната реактивност и микробния метаболизъм на B-витамини. Отпред. Имунол. 10: 1774. doi: 10.3389/fimmu.2019.01774

Получено: 31 декември 2018 г .; Приет: 15 юли 2019 г .;
Публикувано: 29 юли 2019 г.

Каролайн Елизабет Чайлдс, Университет в Саутхемптън, Великобритания

Си Ма, Китайски земеделски университет (CAU), Китай
Елизабет Ан Майлс, Университет в Саутхемптън, Великобритания
Стефан Оскар Ребер, Университетски медицински център в Улм, Германия

† Тези автори са допринесли еднакво за тази работа