Неорганичният нитрат е незаменим за предотвратяване на метаболитни нарушения и играе съществена роля за намаляване на натрупването на липиди и активиране на кафява мастна тъкан.

ребалансиране

Какви са новите открития?

Диетичният нитрат облекчава затлъстяването, предизвикано от диета с високо съдържание на мазнини, и подобрява мастното отлагане и хиперлипидемията, както и толерантността към глюкозата и инсулиновата резистентност чрез NO3 - -NO2 - -NO път и цикличното активиране на гуанозин монофосфат във вътрешностите и чревната микробиота при дисбиоза.

Как тези резултати могат да променят фокуса на научните изследвания или клиничната практика?

Резултатите показват физиологичните ползи от неорганичния нитрат по отношение на профилактиката на затлъстяването и нов механизъм на модулация на чревната микробиота от неорганичен нитрат, което предполага оздравителен ефект върху здравето на тялото.

Въведение

Затлъстяването е основна епидемия в световен мащаб и разпространението му се увеличава.1 2 Броят на хората с наднормено тегло (индекс на телесна маса (BMI) ≥25 kg/m 2) и затлъстяване (BMI≥30 kg/m 2) е приблизително 2,1 милиарда на цялостен преглед при деца и възрастни през 1980–2013 г. 3 Затлъстяването е свързано с висок риск от метаболитни заболявания, включително сърдечно-съдови заболявания и диабет, а преодоляването на затлъстяването се очаква да бъде доста предизвикателно.

Затлъстяването произхожда от множество фактори, включително поведенчески, екологични и генетични фактори.5 Следователно, появата на метаболитни нарушения води до системно възпаление, причинявайки мултифизиологични дисбаланси на функциите, включително тези в чревната микроекология.6 Въпреки това, все още имаме ограничени познания относно причината и патогенеза на затлъстяването. Нездравословният начин на живот също играе ключова роля за развитието на затлъстяване, поради прекомерен прием на енергия и недостатъчно упражнение. Освен това е доказано, че чревната микробиота модулира затлъстяването, въпреки че причинно-следствената връзка е неясна

Настоящите проучвания за стратегии за предотвратяване на затлъстяването са многостранни, включително диетично управление: увеличаване на приема на зеленчуци и добавки с пребиотици, насочени към микробиологията на червата.8 По-специално, зелените листни зеленчуци са богати на неорганичен нитрат.9 Диетичният нитрат служи като некласически източник на азотен оксид при условия на хипоксия и исхемия. Пътят нитрат-нитрит-азотен оксид играе жизненоважна роля за поддържане на физиологията, като защита на стомашно-чревния тракт и сърдечно-съдовата система, регулиране на метаболизма на глюкозата/липидите, поддържане на хемостазата на микробиома в червата и облекчаване на сенилността. Освен това е доказано, че нитратът има важни функционални ефекти при метаболитния синдром. Например, предишни проучвания демонстрират по-благоприятна роля на богатия на нитрати сок от цвекло, богат на намаляване на кръвното налягане и ендотелна функция при млади, както и по-възрастни индивиди и при когнитивно подобрение при диабет тип 2 в сравнение с този на изчерпания с нитрати сок. Доказано е също, че сигнализирането на азотен оксид (NO)/цикличен аденозин монофосфат (cAMP) има потенциални приложения в профилактиката и лечението на затлъстяването.

Имайки предвид многостранните функции на нитратите при свързани със стареенето заболявания и метаболитни нарушения, нашата група е оценила ефектите и полезните ефекти на неорганичния нитрат, включително защита на лигавицата на стомаха в свързано със стреса състояние и потискане на оксидативния стрес в отговор на общото облъчване на тялото. 13 Освен това е доказано, че нитратът насърчава трансформацията на бяла мастна тъкан в кафява мастна тъкан чрез цикличен гуанозин монофосфат (cGMP), сигнализиращ и мобилизиращ митохондриите.14 Въпреки това, сложните взаимоотношения между нитратите и затлъстяването и ролята на микробиотата в нитрата -зависимият баланс на метаболизма при мишки все още са неясни.

Съответно, в това проучване имахме за цел да изследваме ефектите на диетичния нитрат върху затлъстяването и чревната микробиота при индуцирано затлъстяване при мишки с високо съдържание на мазнини (HFD).

Изследователски дизайн и методи

Експериментални животни и дизайн

Подобряване на глюкозния толеранс и инсулиновата резистентност от нитрати

Кръвната глюкоза на гладно и инсулинът се измерват в края на експеримента. Мишките в групата с HFD са били хипергликемични и хиперинсулинемия. Допълването с NaNO3 намалява HFD-индуцираната хипергликемия, както се очаква, въпреки че разликата не е статистически значима (фигура 2А). Въпреки това, хиперинсулинемията беше значително обърната чрез добавяне на питейна вода с NaNO3 (фигура 2В). Въз основа на HOMA-IR, нитратът подобрява инсулиновата резистентност, причинена от метаболитно разстройство, индуцирано от HFD (фигура 2С). Освен това резултатите от IPGTTs и ITTs показаха способността на нитратите да подобряват глюкозния толеранс и инсулиновата чувствителност (фигура 2D-G).

Неорганичният нитрат облекчава дислипидемията и натрупването на липиди. (А) Чернодробни филийки с H&E оцветяване бяха подготвени за хистологично наблюдение. (Б) Размери на адипоцитите от ингвиналната мастна тъкан. (C) Преброяване на точки за чернодробна стеатоза. (D) Средните размери на адипоцитите са анализирани с помощта на Image-Pro Plus 6.0. (E – H) Биохимичен анализ на кръвта в края на експеримента. Стойностите са представени като средни стойности ± SEM (n = 7), * - -NO2 - -NO път в черния дроб, ингвиналната мастна тъкан и чревния епител

Концентрациите на нитрати и нитрити в серума, черния дроб и ингвиналната мастна тъкан са анализирани и е установено, че са по-ниски в групата с HFD от тази в групата с NCD. Групата с HFD + NaNO3 имаше най-висока концентрация на нитрати и концентрациите на нитрити в тази група бяха по-ниски от тези в групата с NCD, но по-високи от тези в групата с HFD (фигура 4А, В). Нивата на cGMP в серума, черния дроб и ингвиналната мастна тъкан, което увеличава активността на NO пътя, са били по-високи за единица протеин в групата HFD + NaNO3, отколкото в групата HFD (фигура 4C). Освен това количественият имунохистохимичен анализ на ингвиналната тъкан разкрива, че неорганичният нитрат обръща индуцираното от HFD намаляване на експресията на eNOS. Western blot анализ на eNOS в черния дроб и ингвиналната мастна тъкан показва сходни резултати (фигура 4D – G).

Неорганичният нитрат променя относителното изобилие на специфичния чревен бактериален род. (А) Брой уникални и споделени бактерии на ниво род. (B) NMDS анализ на разпределението на чревния микробиом между трите групи. (C) Средното изобилие на Firmicutes и Bacteroidetes на ниво фил във всяка група. (D) Съотношението на твърдите вещества към бактериоидите в различните групи. (E) Топ 10 изобилни бактерии на ниво род във всяка група. HFD, диета с високо съдържание на мазнини; НИЗ, нормална контролна диета; NMDS, неметрично многомерно мащабиране; NS, не е значително.

Съотношението Firmicutes към Bacteroidetes, свързано с метаболитно разстройство, се използва за оценка на чревното и системното здраве. В нашето проучване обаче няма значителни вариации между групите (фигура 6C, D). Бактериите с най-голямо количество на ниво род са Bacteroidales S24-7 група, Lactobacillus, Alloprevotella, Bacteroides, Akkermansia, Lachnospiraceae, Desulfovibrio, Erysipelotrichaceae, Alistipes и Ruminococcaceae Ugg-014 (фигура 6). Въз основа на нашите резултати, Bacteroidales S24-7 група, Lactobacillus, Lachnospiraceae, Desulfovibrio, Erysipelotrichaceae и Ruminococcaceae Ugg-014 са намалени в групата на HFD в сравнение с тези в групата с NCD, с изключение Alloprevotella, Bacteroides, и Alisti се увеличава в групата с HFD. Нитратът частично балансира индуцираните от HFD промени в чревния микробиом. По-конкретно, изобилието на Bacteroidales S24-7 група и Alloprevotella е намалено в HFD групата и увеличено в HFD + NaNO3 групата. Нещо повече, изобилието от Alistipes и Lactobacillus се увеличава след добавяне на нитрати (фигура 6Е).

Кладограмите за диференциалните бактерии на дебелото черво в групите NCD, HFD и HFD + NaNO3 бяха изготвени с помощта на непараметрични факториални тестове за сумарни KW, за да се открие значителна микробиота, влияеща на вариация между групите. Verrucomicrobiaceae, Oceanospirillales и Halomonadaceae са конкретно идентифицирани в групата HFD + NaNO3 (фигура 7А).

Диференциални бактерии между групите. (А) Кладограмите за диференциални бактерии на дебелото черво в три групи бяха определени с помощта на непараметрични факториални тестове за KW сумарен ранг. (B, C) Диференциални бактерии между групите HFD и NCD и между групите HFD и HFD + NaNO3, използващи STAMP анализи на ниво род. HFD, диета с високо съдържание на мазнини; KW, Крускал-Уолис; НИЗ, нормална контролна диета; ПЕЧАТ, статистически анализ на метагеномни профили.

Диференциални бактерии между NCD и HFD групите или HFD и HFD + NaNO3 групите са представени на фигура 7В, С, използвайки STAMP анализи на ниво род. Изобилието на Clostridiales_vadinBB60_group се увеличава както в NCD, така и в HFD + NaNO3 групите в сравнение с това в HFD групата. В сравнение с изобилието им в групата HFD, Ruminococcaceae UCG-014, Catabacter, Ruminococcaceae NK4A214, Gemella, Anaerofustis, Coriobacteriaceae_uncultured, Ruminococcaceae unclassified, Ruminococcaceae UCG-010tana, Mollicorak, Monocuran, Monocuran, Monocococeace изобилие в групата с NCD, докато Intestinibacter присъства при намалено изобилие (фигура 7B). Освен това, по отношение на тяхното изобилие в групата HFD + NaNO3, Paraprevotella, Lachnospiraceae UCD-006, Parabacteroides и Candidatus arthromitus присъстват с повишено изобилие в групата HFD, докато Clostridiales vadinBB60 присъства при намалено изобилие (фигура 7C). В допълнение, LEfSe анализът, базиран на непараметрични факториални тестове за KW сумарен ранг, показва специфични диференциални бактерии (допълнителна онлайн фигура 4), подобно на резултатите от STAMP анализи.

Дискусия

В това проучване потвърдихме ефектите на неорганичния нитрат при намаляване на усилването на BW и регулиране на метаболизма на гликолипидите. Освен това, дисбиозата на чревния микробиом, индуцирана от HFD, беше подобрена до известна степен чрез добавки с неорганични нитрати. Нашите резултати подчертаха потенциалните механизми, чрез които диетичният нитрат предотвратява затлъстяването, тоест чрез активиране на NO сигналния път и балансиране на чревната микробиота.

Чревната микробиота може да модулира сигналните пътища на гостоприемника, за да регулира съхранението на енергия и по този начин може да играе жизненоважна роля в развитието на затлъстяване, 26 диабет и сърдечно-съдови заболявания.27 28 Чревният микробиом също е от съществено значение за обработката на диетични полизахариди.29 В нашето проучване, чревният микробиом е повлиян както от HFD, така и от нитратите, които променят значително чревната флора, като добавките с нитрати имат благоприятни регулаторни ефекти върху микробния метаболизъм.

Нашите стълбовидни графики на бактериалните съобщества на ниво род показват благоприятните ефекти на добавките с нитрати върху чревния микробиом. Нитратът значително увеличава изобилието на Bacteroidales S24-7, Alistipes и Lactobacillus в сравнение с тези в групата с HFD. Съобщава се, че таблетката Hugan Qingzhi, традиционна китайска медицина, предпазва от HFD-индуцирана безалкохолна мастна чернодробна болест чрез увеличаване на количествата Ruminococcaceae, Bacteroidales S24-7 и Alistipes, 30 подобни на нашите текущи резултати. Изобилието на Alloprevotella, която участва в производството на нитрати, получени от храната и слюнката, беше увеличено в нашата група с HFD, но беше намалено чрез добавяне на нитрати.31 32 Lactobacilli, пробиотична бактерия, чието изобилие беше значително увеличено в нашите HFD + NaNO3 група, съобщава, че има ползи за здравето при лечение на затлъстяване, индуцирано от HFD при мишки (чрез комбиниране на лечение с ултразвук и лактобацили за затлъстяване, предизвикано от HFD при мишки).

По-специално диетата с високо съдържание на нишесте, заедно с високи дози акарбоза, води до увеличаване на изобилието от Bacteroidaceae и Bifidobacteriaceae.33 Бутиратът, който насърчава производството на мастни киселини с къса верига и цялостното здраве, е свързан с Firmicutes, по-специално Clostridium leptum.34

В това проучване открихме разлики в бактериите между NCD и HFD групите или между HFD и HFD + NaNO3 групите, използвайки STAMP анализи. Изобилието на Clostridiales_vadinBB60_group, което е положително свързано с телесното тегло на новородените прасенца, 35, също се увеличава при мишки с ниско съдържание на мазнини, хранени с диета, в сравнение с тези при мишки, хранени с HFD36, и в двете групи с NCD и HFD + NaNO3 в нашето проучване. Ruminococcaceae, които имат силна способност за разграждане на влакната, 37 са обогатени в групата с NCD, но намаляват в групата с HFD, което показва намалена активност за разграждане на влакната. Пациенти с диабет тип 2, лекувани с метформин, показват намалено изобилие от Intestinibacter чрез метагеномен анализ, базиран на секвениране на пушки, 38 39, потвърждаващи нарушението на регулацията на чревния микробиом в групата с HFD.

В миши модел на алергия, предизвикана от β-лактоглобулин, беше установено, че изобилието от Lachnospiraceae UCG-006 е намалено след лечение с Lactobacillus, което показва неговата вредна роля при алергии.40 Дуоденалният ендолуминален ръкав може да намали BW частично чрез промяна на чревната микробиота; това включва и намаляване на изобилието от членове на семейство Paraprevotella.41 Въпреки това, изобилието на Parabacteroides е намалено в групата с HFD + NaNO3 в сравнение с тази в групата с HFD и е съобщено, че е увеличено при мишки, лекувани с ресвератрол.37 Полезните ефекти на нитратите са сложни и лечението с нитрат може да промени състава на чревния микробиом.

В заключение, в това проучване диетичният нитрат ефективно намалява затлъстяването, предизвикано от HFD при мишки и упражнява регулаторни ефекти върху чревния микробиом. Въпреки това оздравителните биологични ефекти на неорганичния нитрат са сложни. Демонстрираните връзки между чревната микробиота и метаболизма на глюколипидите предполагат, че неорганичният нитрат играе жизненоважна роля за облекчаване на индуцираното от HFD затлъстяване.

Благодарности

Данни за експериментите с животни са предоставени от изследователи, които са посочени като автори в този ръкопис. Данни за откриването и анализа на 16SRNA на чревната микрофлора са предоставени от Shanghai Biozeron Biotechnology Co., Ltd.