Резюме

Диабетът тип 2 (T2D) се характеризира с дисгликемия, която може да се прояви от инсулинова резистентност и недостатъчна секреция на инсулин. Инсулиновата резистентност може да продължи много години и повечето хора с характеристики на преддиабет, като непоносимост към глюкоза, в крайна сметка развиват T2D 1. Факторите на околната среда като диета и упражнения допринасят за увеличеното разпространение на преддиабет, което съвпада с повишените честоти на затлъстяване 2. Съставът на чревната микробиота може също да повлияе на глюкозните реакции след хранене 3. Това добавя микроби към списъка на факторите на околната среда, които могат да повлияят на толерантността към глюкозата и вероятно T2D риск. Съставът на чревната микробиота се променя при затлъстяване, T2D и чрез сенсибилизиращи инсулина лекарства 4–6. Не е ясно обаче как микробиотата допринася за прогресирането на глюкозната непоносимост спрямо затлъстяването. Това е важно разграничение, тъй като не всички индивиди със затлъстяване развиват инсулинова резистентност, непоносимост към глюкоза или T2D. Освен това, времето и прогресирането на затлъстяването могат да се различават от и дисгликемия.

резистентност

Чревната микробиота може да допринесе за енергийния баланс на хоста и отлагането на липидите чрез хормонални сигнали 7. Чревната дисбиоза по време на затлъстяване е достатъчна за увеличаване на затлъстяването, независимо от генетиката на гостоприемника 8,9. Следователно има силна връзка между микробиотата и затлъстяването, но не е ясно дали индуцираната от микробиота промяна в затлъстяването е основният фактор, допринасящ за непоносимостта към глюкоза. Повишеното затлъстяване корелира с непоносимостта към глюкоза, но може да има и други механизми, задвижвани от микробиота, които променят кръвната глюкоза и инсулиновата чувствителност. Микробите могат да повлияят на циркулиращите метаболити като аминокиселини с разклонена верига и следователно да променят чувствителността към инсулин 10. В допълнение, микробните компоненти могат да подкопаят чревните или други лигавични бариери, за да насърчат възпалението и непоносимостта към глюкоза 11,12. Обратно, трансферът на микробиота от слаби донори може да увеличи периферната чувствителност към инсулин при пациенти със затлъстяване, независимо от промените в затлъстяването 13 .

Диетата е ключов фактор за развитието на затлъстяване и доминиращ фактор, оформящ състава на микробиотата. При мишките диетата влияе върху състава на чревния микробиом повече от генетиката на гостоприемника и вече е известно, че нарастващото съдържание на мазнини в храната може бързо да наруши състава на микробиотата в рамките на 14 дни. Диетата с високо съдържание на мазнини (HFD) предизвиква затлъстяване, инсулинова резистентност и непоносимост към глюкоза при гризачи. Въпреки това, механизмите, които подкрепят непоносимостта към глюкоза по време на началните етапи на хранене с HFD, са различни от тези, регулиращи хроничната непоносимост към глюкоза при продължително затлъстяване, предизвикано от HFD. Например, ектопичното натрупване на липиди в скелетните мускули и черния дроб е свързано с непоносимост към глюкоза след първите няколко дни от HFD хранене, докато метаболитното възпаление на тъканите играе по-важна роля за разпространението на непоносимост към глюкоза след месеци на HFD хранене при мишки 15. Не е ясно дали индуцираните от HFD промени в микробиотата допринасят за механизмите, подкрепящи острата срещу хроничната инсулинова резистентност и глюкозната непоносимост.

Установихме, че индуцираните от HFD промени в състава на микробиотата предшестват явна дисгликемия при мишки. Следователно, ние предположихме, че дисбиозата, причинена както от краткосрочно, така и от дългосрочно хранене с HFD, ще насърчи повишеното натрупване на мазнини и непоносимостта към глюкоза. Установихме обаче, че само продължителното хранене с HFD насърчава непоносимостта към трансмисивна глюкоза, която може да възникне независимо от промените в затлъстяването.

Резултати

Краткосрочното HFD хранене причинява непоносимост към глюкоза при мишки

Глюкозният толеранс не се различава след 1 или 2 дни HFD хранене (Фиг. 1А, S1A). Инсулиновата непоносимост е очевидна след 3 дни хранене на мишки с 60% HFD, но не и 3 дни с 45% HFD (фиг. S1B). Четири дни на HFD хранене отбелязват за първи път, че и 45%, и 60% HFD причиняват непоносимост към глюкоза в сравнение с мишки, хранени с диета с чау (фиг. 1В). Глюкозната непоносимост се запазва след 14 дни (фиг. 1С) и 14 седмици хранене с 45% или 60% HFD (фиг. 1D). Непоносимостта към инсулин е очевидна след 7 дни и 12 седмици или 45%, или 60% HFD хранене (фиг. S1C, D). 60% HFD причинява по-висока непоносимост към глюкоза и по-висока непоносимост към инсулин в сравнение с 45% HFD, когато се тества между 4 дни и 14 седмици HFD хранене (Фиг. 1, S1). Тези резултати показват, че отнема 3-4 дни HFD хранене, за да предизвика непоносимост към глюкоза и инсулин при мишки. Тези резултати показват също, че процентът на хранителни мазнини е пряко свързан с нивото на непоносимост към глюкоза и инсулин при мишки.

AD) Мишките бяха хранени с чау, 45% HFD или 60% HFD за 1 ден (A: N = 8, 7, 8), 4 дни (B: N = 10, 9, 9), 14 дни (C: N = 15, 13, 14) или 14 седмици (D: N = 7, 6, 6) преди да бъдат тествани за глюкозен толеранс с доза 2 g/kg (AC) или 0,9 g/Kg (D) чрез ip инжекция. Взети са мерки за кръвна захар в определени часови точки. Всяка фигура показва кривата GTT/ITT и AUC. Статистическата значимост беше измерена, тъй като храненето с високо съдържание на мазнини предизвиква бързи промени в таксономичния състав на фекалния микробиом, които остават стабилни при продължително хранене. Промени в нивото на филум в проби от изпражнения на мишки, събрани от началото на чау (N = 7), 45% (N = 6) и 60% (N = 6) HFD до 14 седмици след началото на храненето с високо съдържание на мазнини.

Промени в нивото на филум в проби от изпражнения на мишки, събрани от началото на чау (N = 7), 45% (N = 6) и 60% (N = 6) HFD до 14 седмици след началото на храненето с високо съдържание на мазнини.

А) Изобилие от ниво на филум на ден 14 срещу ден 16 на мишки, хранени с чау-диета или 60% HFD преди (ден 14) или след (ден 16) 2 дни от смяната на тези 60% HFD обратно към чау диета (N = 8, 8). Б) Относителни промени в изобилието в продължение на 14 дни хранене с високо съдържание на мазнини/2 дни премахване на диетата обратно към чау-диета (N = 8, 7, 8) за Akkermansia, Lactococcus lactis, Bacteriodales (o), Streptococcus, Alistipes и Lachnospiraceae (f ). Данните са средни + SEM.

Нашите резултати дават представа за механизма на предизвиканите от дисбиоза промени в глюкозния толеранс. По-рано е показано, че метаболитното възпаление допринася за инсулинова резистентност и непоносимост към глюкоза по време на продължително, но не краткосрочно HFD хранене 15. Нашите резултати са в съответствие с микробиота, допринасяща за непоносимост към глюкоза чрез метаболитно възпаление при продължително затлъстяване. Не е ясно как да съчетаем нашите резултати при мишки с последните резултати, показващи, че 7-дневното лечение с ванкомицин или амоксицилин не е оказало влияние върху инсулиновата чувствителност или метаболизма на субстрата при затлъстели хора 19. Конкретният използван антибиотик може да бъде ключова променлива, тъй като (до момента) установихме, че само комбинация от ампицилин и неомицин подобрява глюкозния толеранс, ефект, който не се наблюдава нито при антибиотик самостоятелно, нито при ванкомицин при HFD-хранени мишки (данните не са показани) . Други групи също показват, че специфични комбинации от антибиотици подобряват толерантността към глюкоза при затлъстели мишки 11,20, но все още не е ясно дали има разлика между мишки и хора.

Съставките на микробиотата могат да бъдат модифицирани, което може да осигури терапевтични цели при затлъстяване и преддиабет. Нашите резултати показват, че индуцираната от диетата дисбиоза може да повлияе на глюкозния толеранс независимо от затлъстяването. Следователно, интервенциите, базирани на микробиота, като например преди и пробиотиците, могат да намалят непоносимостта към глюкоза и инсулиновата резистентност отделно от затлъстяването. Нашите резултати показаха, че продължителността на индуцираното от диетата затлъстяване е важно съображение в стратегиите, насочени към микробиота, насочени към смекчаване на дисгликемията спрямо затлъстяването.

Методи

Експерименти с животни

Всички процедури бяха одобрени от Съвета за преглед на етиката на животните в университета Макмастър. Мишки C57BL/6 без специфичен патоген (SPF) са родени в университета McMaster. Littermate мишките бяха поставени на случаен принцип върху HFD, където или 45%, или 60% от калориите се получават от мазнини (Research Diets, D12451 и D12492) или от диета с чау (

5% мазнини). Измерванията на кръвната глюкоза и тестовете за толерантност към глюкоза и инсулин са направени след 6 часа на гладно, както е описано 17,21. Съставът на телесните мазнини беше измерен с помощта на ехо-ЯМР на цялото тяло (Bruker Minispec LF90-II). Антибиотиците (1,0 mg/ml ампицилин и 0,5 mg/ml неомицин) се предоставят в питейната вода и се сменят на всеки 2 дни. Мишки C57BL/6 без микроби са получени от Gnotobiotic Unit на Farncombe на Университета McMaster и на възраст 8-10 седмици. Мишки без микроби бяха незабавно и непрекъснато колонизирани чрез настаняване на мишки в замърсена постеля от SPF C57BL/6 мишки донори. Където е посочено, на мишки без микроби се дава орален сонда на всеки 4 дни с фекална суспензия, получена от мишки донори. Мишките бяха настанени с вентилирани стелажи и се обработваха само в качулката за биобезопасност ниво II, за да се предотврати бактериално замърсяване 17 .

Бактериално профилиране

Статистически анализ

Несдвоен двустранен t-тест на Student беше използван за сравняване на две групи. Анализът post hoc на ANOVA и Tukey е използван за сравняване на повече от две средства. Впоследствие процентът на фалшивите открития (FDR) беше отчетен чрез прилагане на процедурата за многократно тестване на Benjamini-Hochberg, използвайки R, където коригираните FDR стойности на p бяха оценени за всички таксономични и PICRUSt данни. След корекция за FDR, статистическата значимост беше приета при p 1. ↵