增加日常食用面包中膳食纤维的多样性可改变有心脏代谢风险的受试者的肠

 新闻资讯     |      2022-08-04 09:03:57

心脏代谢疾病(CMD)是全球范围内致死的主要病因之一。事实上,仅2019年一年,缺血性心脏病、中风和糖尿病就导致了约1680万人死亡。肥胖、血脂异常和胰岛素抵抗会增加发生 CMD 的风险。针对于肠道菌群分析的表明,这种有害表型与低肠道菌群基因丰富度有关。此外,对不同地区人群的比较发现,水果和蔬菜的摄入量增加,即膳食纤维摄入量增加与肠道菌群多样性增加有关。在超重和肥胖受试者中细菌基因丰度低,短期能量限制饮食包括增加膳食纤维量,能部分恢复肠道菌群丰富度,同时改善心脏代谢谱。总而言之,这些证据支持饮食,尤其是膳食纤维,在肠道菌群调节和潜在的心脏代谢危险因素管理中有重要作用;在平均膳食纤维摄入量低于推荐的25-30克/天的人群中更为明显。

 

有趣的是,对肠道菌群丰富度与食用蔬菜种类相关性的研究表明,除了数量之外,膳食纤维摄入量的多样性也可能影响肠道菌群的丰度。此外,在猪模型中,高脂肪饮食的背景下,补充三种膳食纤维的混合物后,脂质代谢情况有所改善。膳食纤维主要来自植物细胞壁的抗性淀粉和非淀粉多糖(NSP)组成,在豆类,蔬菜和谷物尤其如此。其他类型的碳水化合物,如低聚糖,果糖和醇糖,在小肠中未被消化后也会到达结肠。纤维NSP是由纤维素,半纤维素(木聚糖,木葡聚糖,甘露聚糖,混合葡聚糖......)和果胶组成的复合聚合物,中央主链与各种糖苷键模式的侧链分支相连,形成大而多样的分子。所有这些多糖都包含在复杂的基质中,作为肠道菌群的底物,促进纤维裂解和糖酵解细菌以这些物质为主。这些微生物在遗传上具有一组酶、底物结合蛋白和转运蛋白,可以有效地水解这些复杂的聚合物。来自不同国家的健康人类中,肠道菌群含有80至160个碳水化合物活性酶(CAZymes)家族,而人类基因组的仅4个酶家族只能分解人乳中的淀粉,海藻糖和糖。因此,碳水化合物的结构越复杂,酶系统就越必须多样化,以使细菌能够完全分解复杂的纤维,并将糖转化为能量,以使自身和宿主获益。相反,纤维分解提供寡糖,这些低聚糖可以微生物群落提供食物,并可提高细菌功能。因此,纤维的多样性和特性对细菌的种类、功能和宿主都有好处。

 

因此,在这项交叉研究中,我们旨在使每天食用食物中增加膳食纤维摄入量和多样性,并评估其对肠道菌群组成、功能以及心脏代谢疾病风险的影响。为此,我们使用了具有不同分子结构且具有不同的物理化学性质(可溶和不溶)的7种膳食纤维混合物。我们假设,这几种特殊的膳食纤维混合物将会被一组具有互补作用模式的酶来促进纤维的有效降解。基于纤维的性质和代谢方式,对心脏代谢谱的影响可能与肠道菌群组成和功能的改变同时发生。

 

 

一、方法和结果

 

 

本研究纳入了2017年11月至2018年7月期间45名具有CMR特征的受试者。纳入标准包括年龄:18-70岁,体重指数(BMI):25-35公斤/米2,女性腰围>80厘米,男性>96厘米,每日面包摄入量<200克/天,低膳食纤维摄入量<20克/天,体重稳定,体力活动适中,没有已知的胃肠道疾病,以前没有做过减肥手术,在研究前3个月和研究期间没有使用抗生素或其他干扰微生物群组成的药物。最终完成研究参与人数仅39人(17名男性,22名女性)。(受试者纳入过程见图1,受试者基线身体数据见表1)

 

62df5b5963e2a.png

 

62df5b697ae68.png

 

受试者在实验经过一周的适应(摄入150 g/天 普通面包(CTL))后,受试者根据随机分组随机接受了两次8周的饮食干预。两种饮食干预措施是:1)150 g/天 富含7种选定的膳食纤维的面包(MF)和2)150 g/天的普通面包(CTL)。A组以MF开始,而B组以CTL开始。一个4到6周的洗脱期和另一次磨合期是将两次干预措施分开。CTL和MF面包是差不多的(颜色,大小和质地),仅膳食纤维含量不同的。150克MF面包含有16.05克7种选定的纤维,不溶性纤维与可溶性纤维的比例为1:1。之后,收集受试者的粪便和血液标本,用鸟枪法测微生物种类,并分析心脏代谢谱。

 

实验结果发现,摄入富含膳食纤维面包的受试者显著减少了拟杆菌,而增加了副拟杆菌、Fusicatenibacter sacivorans,未分类的Acutalibacteraceae和未分类的Eisenbergiella。携带编码糖苷水解酶(CAZymes)的五个家族/亚家族的基因的肠道菌群的比例也增加,并与餐后血糖和胰岛素血症的峰值和总/增量曲线下面积(tAUC / iAUC)呈负相关。与普通面包相比,多纤维面包降低了总胆固醇、低密度脂蛋白、胰岛素和HOME的值。

 

62df5bcf80549.png

 

62df5bde1a707.png

 

62df5bef05569.png

62df5bfddbaae.png

 

62df5c1063b18.png

 

62df5c1f50b91.png

62df5c3060a1b.png

 

 

二、讨论

 

 

据我们所知,这项研究首次调查了增加膳食纤维摄入量多样性,而不是数量,对肠道菌群的组成和功能以及每日摄入量对心脏代谢特征的影响。我们证明,在有心脏代谢疾病风险的受试者中,这种干预措施通过改变特定肠道细菌物种CAZymes和GMM的相对丰富度来改变肠道菌群的组成和功能,同时显著改善胆固醇和胰岛素敏感性参数。

 

在这项研究中,我们的受试者有心脏代谢风险且有92%是血脂异常,实验两个月后,与普通面包组相比,食用多纤维面包组显著降低了总胆固醇(-0.42 mM)和LDL胆固醇(-0.36 mM)。流行病学研究表明,膳食纤维摄入量与胆固醇水平之间存在负相关。在血脂异常受试者中进行的饮食干预,(2至16周)摄入不同的富含纤维饮食,剂量从5至23 g / d不等,结果一致显示总胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇分别平均降低0.1至0.3 mM和0.1至0.2 mM。低密度脂蛋白胆固醇的降低对于心脏代谢风险降低非常重要,因为1 mM低密度脂蛋白胆固醇的降低能使冠状动脉死亡风险降低19%相关。在早期干预的情况下,CM风险大大降低了52%。

 

文献表明,膳食纤维降胆固醇作用有不同原因。首先,膳食胆固醇通过包括拟杆菌属D8和B. vulgatus在内的细菌促前列蛋白转化为前列醇。然而,我们在这里的B. vulgatus减少,不支持这种纤维混合物的降胆固醇作用的机制。然后,纤维也会影响胆汁酸。在结肠中,细菌可以通过水解胆汁酸来改变胆汁酸,从而降低胆固醇。能够进行这种反应的细菌是那些具有胆汁盐水解酶活性的细菌,包括属于拟杆菌,副杆菌和梭状芽胞杆菌属的细菌,尤其是P.distasonis。由于P.distasonis在摄入多纤维面包后显着增加,这种机制可能与纤维混合物的降胆固醇作用有关。

 

有趣的是,多纤维面包摄入显著改善了胰岛素敏感性参数。流行病学研究报告了膳食纤维摄入与胰岛素敏感性之间呈正相关。在超重和有心脏代谢疾病风险受试者中进行的一项临床研究报告说,在加入抗性淀粉的饮食中,HOMA估计的胰岛素敏感性有所改善,平均HOMA降低10.4%。其他涉及心脏代谢疾病风险受试者的研究中摄入全麦、燕麦产品、β-葡聚糖提取物和精制谷物产品对胰岛素敏感性没有影响。在这里,我们证明了HOMA显著降低21%,从而降低了胰岛素抵抗。

 

在这项研究中,我们假设使用膳食纤维混合物而不是单一纤维混合物将促进肠道菌群的多样性和功能,因为它会对新陈代谢有更多方面的刺激,产生更多的可用于整个微生物生态系统的副产物。然而,在我们的研究中,我们没有检测到肠道菌群丰富度的任何变化。此前,Cotillard等人表明,在超重和肥胖的受试者中,包括增加膳食纤维量的短期能量限制,部分恢复了肠道菌群的丰富性,但仅在最初表现出明显较低的基因计数(LGC)的亚组中(与更高的基因计数亚组(HGC)相比)。由于本研究中使用的测序技术与Cotillard等人的测序技术不同,因此无法对两项研究中受试者之间的肠道菌群丰富度进行比较。然而,据报道,体重指数(BMI)与肠道菌群丰富度呈负相关。由于本研究中包含的受试者与Cotillard等人实验的受试者相比BMI较低(28.9±2.8 vs 33.2±0.6),他们的肠道菌群丰富度可能更高,这可以解释为什么我们不影响这个参数。同样,我们的队列与其他队列进行比较时(我们的队列:31.4±3.0等人的队列),丰富度比该队列高17%。因此,基线微生物群丰富度可能是此类研究需要考虑的重要纳入标准。虽然我们设法增加了受试者膳食纤维摄入量的数量和多样性,但在没有能量限制或改变常量营养素组成的情况下改变饮食的一种成分可能不足以显着改变该人群的整体微生物群丰富度。然而,我们观察到在多纤维面包摄入2个月后,B. vulgatus的量显著降低,B. vulgatus、F. saccharivorans、未分类的Acutalibacteriaceae和未分类的Eisenbergiella显著增加。因此,多纤维面包营养干预仅针对特定的类群。以前的研究还证明,使用单一纤维补充剂或混合物进行饮食干预后,P. distasonis的水平升高。

 

大多数时候,已经在P. distasonis中,发现糖苷水解酶家族随着多纤维面包的摄入而增加,这强调了该物种可能在纤维补充中发挥的作用。其中,GH43_8/28/33和GH30_2被认为是去分支酶,有助于NSP的降解,例如半纤维素中的阿拉伯木聚糖,以及在树胶和果胶中发现的半乳甘露聚糖,尽管在文献中关于这些亚家族的信息很少(从零到2个特征成员)。此外,GH43是人体肠道微生物组中发现的最丰富的CAZymes之一,可能分解大多数复合碳水化合物。总而言之,这些酶家族分别与多纤维面包和槐树豆胶的植物细胞壁多糖或树胶的性质一致。GH76是从酵母糖蛋白降解甘露聚糖的α-1,6-内甘露聚糖酶。多纤维面包组和普通面包组摄入的都是酸面团面包,但是在用酵母发酵过程中多纤维面包中存在各种类型的纤维,似乎增强了水解酵母细胞壁甘露聚糖的细菌携带的酶。通过定期食用酵母发酵面包和其他发酵产品,肠道菌群中的拟杆菌已经进化出代谢这些聚糖的能力,特别是Bacteroides和Parabacteroides.。因此,多纤维面包可以通过增加P. distasonis来增强这种代谢功能。在减少的家族中,GH13_29包括与淀粉和海藻糖水解有关的α-葡萄糖苷酶和α-磷酸盐酸酶。编码该亚科的酶基因在肠杆菌和乳酸菌的基因组中观察到。但是根据CAZy数据库,许多其他能破坏α糖苷键的GH13酶在P. distasonis中被发现,PL26被认为可以降解果胶中鼠李糖半乳糖素,但到目前为止,只有一种来自该家族的真菌酶被表征,因此可能存在其他功能。然而,包括B. vulgatus在内的拟杆菌中发现了许多PL26编码基因,这些基因随着MF面包的摄入显著降低。据报道,B. vulgatus与胰岛素抵抗的改变有关。因此,B. vulgatus减少可以部分解释胰岛素敏感性的改善。此外,我们显示Parabacteroides distasonis显着增加,其参与2型胆汁酸产生和法尼类X受体(FXR)途径激活导致胰岛素敏感性改善最近已被证明。此外,蛋氨酸降解为l-同型半胱氨酸是宏基因组学特征,与餐后血糖和胰岛素血症参数的显著相关性最高。蛋氨酸和同型半胱氨酸都与胰岛素抵抗有关。因此,通过增加P. distasonis来调节蛋氨酸代谢可能是解释本研究中观察到的胰岛素减少的可能机制。

 

众所周知,研究饮食干预对人类微生物群的影响有一些局限性,例如像我们的研究中那样的参与者数量有限,以及研究通常提供反映远端结肠微生物群的粪便样本,不是食物发酵实际部位(盲肠和近端结肠)的微生物群。除了通过调节微生物组介导的对肠道菌群功能的影响之外,我们还期望观察对代谢的影响。

 

综上所述,增加每日食用产品中膳食纤维的多样性改变了肠道菌群组成,促进了参与7种膳食纤维中植物多糖和刺槐豆胶的降解。脂质和胰岛素敏感性参数改善表明,这种干预可能是改善心脏代谢状况和进一步预防心脏代谢疾病风险的相关营养学方法。

 

 

三、述评

 

 

该篇文章讨论了增加膳食纤维种类对肠道菌群功能、组成以及对心脏代谢疾病风险的的影响,选题新颖。但该研究对肠道菌群的检测用的是粪便标本,粪便标本不能完全反映肠道菌群的种类;并该实验对肠道菌群的检测方法目前也没有统一的方法,因检测出来的结果不同。

 

 

参考文献:Ranaivo H, Thirion F, Béra-Maillet C, et al. Increasing the diversity of dietary fibers in a daily-consumed bread modifies gut microbiota and metabolic profile in subjects at cardiometabolic risk[J]. Gut Microbes, 1970, 14(1): 2044722.

文章来源:原创脏器康复公众号  心脏康复网