«доступные микробиоте углеводы» (MAC) microbiota-accessible carbohydrate (MAC) Irritable Bowel Syndrome (IBS)синдром раздраженного кишечник

Одним из широко проверенных подходов является увеличение потребления пищевых волокон, что оказалось полезным для некоторых пациентов с СРК, но также ухудшило симптомы у других. 20–23

Волокна с 10 или более мономерными единицами включают некрахмальные полисахариды (например, целлюлозу, гемицеллюлозу, камеди, пектин, слизь, инулин, псиллиум и β-глюкан) и резистентный крахмал (РК) (рисунок 1) [17].

Предыстория: Объяснения пользы пищевых волокон для здоровья в прошлом были непоследовательными, а исследования физиологических эффектов пищевых волокон, возможно, были направлены на неправильные показания. Факторы, которые вносили путаницу, включали неспособность оценить молекулярное разнообразие и различные свойства типов волокон, а также роль волокон как субстрата для микробного метаболизма в кишечнике.

Цель: Представить современный взгляд на науку о волокнах и побудить врачей пересмотреть влияние пищевых волокон на здоровье и наилучший подход к корректировке потребления пищи.

Методы: Эта точка зрения выборочно взята из недавней науки о микробиоме; не было предпринято никаких попыток провести исчерпывающий обзор всех статей, связанных с каждым аспектом пищевых волокон.

Результаты: Достижения в науке о микробиоме выявили не только функциональное влияние пищевых волокон на состав и функцию микробиоты, но также продемонстрировали физиологические реакции на микробные метаболиты, полученные из переваривания волокон. Более того, исследования показали персонализированный характер реакций хозяина на вмешательство с использованием пищевых волокон, при этом результаты зависят от индивидуальной экологии кишечника до лечения.

Выводы: Физические свойства пищевых волокон важны для гомеостаза в кишечнике, но основные преимущества для здоровья выходят за рамки кишечника и включают улучшение метаболического благополучия, включая защиту от ожирения и связанных с ним метаболических заболеваний. Клетчатка — это форма функциональной пищи, которая присоединяется к растущему списку примеров взаимодействий диета-микроб-хозяин, которые связывают метаболические и иммунные каскады микроб-хозяин.

Волокна, которые состоят из трех и девяти мономерных единиц, называются резистентными олигосахаридами и включают галактоолигосахариды (ГОС) и фруктоолигосахариды (ФОС) (рисунок 1) [22].

22.Eswaran S., Muir J., Chey W.D. Fiber and Functional Gastrointestinal Disorders. Am. J. Gastroenterol. 2013;108:718–727. doi: 10.1038/ajg.2013.63. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]

Хотя общепринятого определения пищевых волокон не существует, каждый тип, охватываемый многочисленными определениями, играет определенную роль в регуляции состава микробиоты кишечника и последующем влиянии на метаболизм хозяина. Конкретные действия, оказываемые волокнами на хозяина, зависят от их физико-химических свойств, таких как растворимость, вязкость и ферментация, которые сильно различаются между типами волокон [23].

23.Bijkerk C.J., Muris J.W.M., Knottnerus J.A., Hoes A.W., De Wit N.J. Systematic review: The role of different types of fibre in the treatment of irritable bowel syndrome. Aliment. Pharmacol. Ther. 2004;19:245–251. doi: 10.1111/j.0269-2813.2004.01862.x. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]

Предыстория: Как диетические рекомендации с высоким содержанием клетчатки, так и назначение клетчатки в качестве наполнителя очень распространены в первичной и вторичной медицинской помощи при синдроме раздраженного кишечника. У пациентов с синдромом раздраженного кишечника с запорами может быть замедлен кишечный транзит.

Поэтому волокна, ускоряющие кишечный транзит, могут быть полезными для этих пациентов.Однако неопределенные преимущества, сообщенные в нескольких клинических исследованиях, побудили нас пересмотреть ценность клетчатки при лечении синдрома раздраженного кишечника.Цель: Количественно оценить влияние различных типов клетчатки на глобальное и облегчение симптомов синдрома раздраженного кишечника.

Методы: Используя структурированный поиск литературы в MED LINE (1966–2002), мы выбрали рандомизированные контролируемые исследования с участием пациентов с синдромом раздраженного кишечника, лечившихся с помощью клетчатки. Анализы проводились для всей группы и для исследований с использованием растворимой и нерастворимой клетчатки отдельно.

Результаты: В анализ было включено семнадцать исследований.Ни один из них не исследовал пациентов первичной медико-санитарной помощи с синдромом раздраженного кишечника. В целом клетчатка была эффективна в облегчении симптомов глобального синдрома раздраженного кишечника [относительный риск, 1,33; 95% доверительный интервал (ДИ), 1,19 1,50]. Пациенты с синдромом раздраженного кишечника с запорами могут получить пользу от лечения клетчаткой (относительный риск, 1,56; 95% ДИ, 1,21–2,02), но не было доказательств того, что клетчатка была эффективна в облегчении боли в животе при синдроме раздраженного кишечника. Растворимая и нерастворимая клетчатка по отдельности по-разному влияли на симптомы глобального синдрома раздраженного кишечника.

Растворимая клетчатка (псиллиум, исфагула, поликарбофил кальция) показала значительное улучшение (относительный риск 1,55; 95% ДИ, 1,35–1,78), тогда как нерастворимая клетчатка (кукуруза, пшеничные отруби) в некоторых случаях ухудшала клинический исход, но не было значительной разницы по сравнению с плацебо (относительный риск 0,89; 95% ДИ, 0,72–1,11).

Выводы: Преимущества клетчатки при лечении синдрома раздраженного кишечника незначительны для улучшения симптомов синдрома раздраженного кишечника и запоров, связанных с синдромом раздраженного кишечника.

Растворимые и нерастворимые волокна по-разному влияют на симптомы синдрома раздраженного кишечника.

Действительно, в некоторых случаях нерастворимые волокна могут ухудшать клинический исход.

Необходимы будущие клинические исследования, оценивающие эффект и переносимость терапии волокнами в первичной медико-санитарной помощи.

Предыстория: Как диетические рекомендации с высоким содержанием клетчатки, так и назначение клетчатки в качестве наполнителя очень распространены в первичной и вторичной медицинской помощи при синдроме раздраженного кишечника. У пациентов с синдромом раздраженного кишечника с запорами может быть замедлен кишечный транзит.Поэтому волокна, ускоряющие кишечный транзит, могут быть полезными для этих пациентов.Однако неопределенные преимущества, сообщенные в нескольких клинических исследованиях, побудили нас пересмотреть ценность клетчатки при лечении синдрома раздраженного кишечника.Цель: Количественно оценить влияние различных типов клетчатки на глобальное и облегчение симптомов синдрома раздраженного кишечника.

Методы: Используя структурированный поиск литературы в MED LINE (1966–2002), мы выбрали рандомизированные контролируемые исследования с участием пациентов с синдромом раздраженного кишечника, лечившихся с помощью клетчатки. Анализы проводились для всей группы и для исследований с использованием растворимой и нерастворимой клетчатки отдельно.

Результаты: В анализ было включено семнадцать исследований.Ни один из них не исследовал пациентов первичной медико-санитарной помощи с синдромом раздраженного кишечника. В целом клетчатка была эффективна в облегчении симптомов глобального синдрома раздраженного кишечника [относительный риск, 1,33; 95% доверительный интервал (ДИ), 1,19 1,50]. Пациенты с синдромом раздраженного кишечника с запорами могут получить пользу от лечения клетчаткой (относительный риск, 1,56; 95% ДИ, 1,21–2,02), но не было доказательств того, что клетчатка была эффективна в облегчении боли в животе при синдроме раздраженного кишечника. Растворимая и нерастворимая клетчатка по отдельности по-разному влияли на симптомы глобального синдрома раздраженного кишечника.

Растворимая клетчатка (псиллиум, исфагула, поликарбофил кальция) показала значительное улучшение (относительный риск 1,55; 95% ДИ, 1,35–1,78), тогда как нерастворимая клетчатка (кукуруза, пшеничные отруби) в некоторых случаях ухудшала клинический исход, но не было значительной разницы по сравнению с плацебо (относительный риск 0,89; 95% ДИ, 0,72–1,11).

Выводы: Преимущества клетчатки при лечении синдрома раздраженного кишечника незначительны для улучшения симптомов синдрома раздраженного кишечника и запоров, связанных с синдромом раздраженного кишечника.

ОБСУЖДЕНИЕ Этот систематический обзор показывает, что существуют ограниченные и противоречивые доказательства эффективности псиллиума в лечении симптомов синдрома раздраженного кишечника. Для измерения эффективности, т. е. доли пациентов с глобальным улучшением симптомов синдрома раздраженного кишечника, волокно было значительно лучше, чем в контроле. Терапия волокном также показала благоприятные результаты при запорах, связанных с синдромом раздраженного кишечника.

Однако она может усилить боли в животе у некоторых пациентов с синдромом раздраженного кишечника.

Влияние псиллиума на запор основывалось только на двух исследованиях: Джалихал и Куриан 25 с дозой 30 г

Jalihal A, Kurian G. Ispaghula therapy in irritable bowel syndrome: improvement in overall well being related to reduction in bowel dissatisfaction. J Gastroenterol Hepatol 1999; 5: 507–13.

Приор и Уорвелл 28 с дозой примерно 5 г.

Prior A, Whorwell PJ. Double blind study of ispaghula in irritable bowel syndrome. Gut 1987; 28: 1510–3.

ШЕЛУХА ИСФАГУЛЫ — (ispaghula husk) вещество (см. Средство слабительное), применяется для лечения запора, дивертикулита и синдрома раздражения кишечника. Назначается внутрь. Торговые названия: колвен (Colven), фибогель (Fybogel)

Объединение с другими исследованиями с более низкой дозировкой может привести к недооценке эффектов разумной дозы псиллиума.

Два типа волокон, растворимые и нерастворимые, по-разному влияли на симптомы синдрома раздраженного кишечника.

Растворимые волокна были полезны для общего улучшения симптомов, тогда как нерастворимые волокна не были более эффективными, чем плацебо, и могут у некоторых пациентов с синдромом раздраженного кишечника ухудшать симптомы по сравнению с нормальной диетой.

В двух исследованиях был обнаружен значительный эффект. В одном из них использовалась разумная доза псиллиума. 25

Jalihal A, Kurian G. Ispaghula therapy in irritable bowel syndrome: improvement in overall well being related to reduction in bowel dissatisfaction. J Gastroenterol Hepatol 1999; 5: 507–13.

Toskesetal.использовал поликарбофил кальция, который является синтетическим волокном, устойчивым к бактериальной деградации.29

Toskes PP, Connery KL, Ritchey TW. Calcium polycarbophil compared with placebo in the irritable bowel syndrome. Aliment Pharmacol Ther 1993; 7: 87–92.

Объединение этих исследований с другими исследованиями псиллиума, которые используют субоптимальные дозы, недооценивает эффект лечения.

Доказательства эффективности растворимых волокон были получены из объединенных результатов.

Пациенты с синдромом раздраженного кишечника, лечившиеся этим типом волокон, сообщили о в 1,3 раза большем общем улучшении, чем в контрольной группе. Однако влияние растворимой клетчатки на боли в животе, связанные с синдромом раздраженного кишечника, было спорным. Действительно, исследования, в которых сообщалось о результатах меры облегчения боли в животе, значительно изменялись и показали противоречивые результаты.24, 25, 28

Golechha AC, Chadda VS, Chadda S, et al. Role of ispaghula husk in the management of irritable bowel syndrome (a randomized double blind crossover study). J Assoc Physicians India 1982; 30: 353–5.

Jalihal A, Kurian G. Ispaghula therapy in irritable bowel syndrome: improvement in overall well being related to reduction in bowel dissatisfaction. J Gastroenterol Hepatol 1999; 5: 507–13.

Prior A, Whorwell PJ. Double blind study of ispaghula in irritable bowel syndrome. Gut 1987; 28: 1510–3.

Рисунок 3. Сравнение различных типов волокна и контрольного лечения запоров, связанных с синдромом раздраженного кишечника.

СИСТЕМАТИЧЕСКИЙ ОБЗОР: ТИПЫ ВОЛОКОН В ЛЕЧЕНИИ СРК

эффективность нерастворимой клетчатки в лечении пациентов с синдромом раздраженного кишечника также была спорной. Исследования показали, что диеты с большим количеством нерастворимой клетчатки могут быть хуже, чем обычная диета.

Клиническое улучшение пациентов с синдромом раздраженного кишечника, лечившихся нерастворимой клетчаткой, было не лучше, чем при приеме плацебо.33, 34, 37, 38

Cook IJ, Irvine EJ, Campbell CJM, et al. Effect of dietary fibre on symptoms and rectosigmoid motility in patients with irritable bowel syndrome. A controlled, crossover study. Gastroenter ology 1990; 98: 66–72.

34 Fowlie S, Eastwood MA, Prescott R. Irritable bowel syndrome: assessment of psychological disturbance and its influence on the response to fibre supplementation. J Psychosom Res 1992; 36: 175–80.

Snook J, Shepherd HA. Bran supplementation in the treatment of irritable bowel syndrome. Aliment Pharmacol Ther 1994; 8: 511–4.

38 Soltoft J, Gudmand-Hoyer E, Krag B, et al. A double blind trial of the effect of wheat bran on symptoms of irritable bowel syndrome. Lancet 1976; 2: 270–2.

Это ограничивает внешнюю валидность наших результатов.

Пациенты с синдромом раздраженного кишечника в первичной медицинской помощи могут, по сути, по-разному реагировать на диетическую терапию, чем направленные пациенты. 41

Longstreth GF, Hawkey CJ, Mayer EA, et al. Characteristics of patients with irritable bowel syndrome recruited from three sources: implications for clinical trials. Aliment Pharmacol Ther 2001; 15: 959–64.

Кроме того, пациенты первичной помощи, которые реагируют на лечение объемообразующими агентами, с меньшей вероятностью будут направлены в больничную клинику.

Более того, более половины симптоматических «пациентов» из общей популяции даже не обращаются к своему врачу общей практики.

Эффективность клетчатки в этой популяции неизвестна. Роль клетчатки в патофизиологии синдрома раздраженного кишечника остается плохо изученной.

Whorwell PJ. The problem of gas in irritable bowel syndrome. Am J Gastroenterol 2000; 95: 1735–41.

Увеличение количества пищевых волокон является почти универсальной рекомендацией при лечении синдрома раздраженного кишечника в первичной медицинской помощи и руководства по лечению синдрома раздраженного кишечника для амбулаторных пациентов рекомендуют увеличить потребление клетчатки в случае запора.

5.Cronin O., O’Sullivan O., Barton W., Cotter P.D., Molloy M.G., Shanahan F. Gut microbiota: Implications for sports and exercise medicine. Br. J. Sports Med. 2017;51:700–701. doi: 10.1136/bjsports-2016-097225. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]

Однако наш обзор показал лишь ограниченную поддержку этой рекомендации. Подводя итог, наш систематический обзор демонстрирует эффективность терапии волокнами у пациентов с синдромом раздраженного кишечника, но только с точки зрения либо общего улучшения симптомов, либо запоров. Эффективность отдельных симптомов варьируется.

Волокна не оказывают никакого влияния на боли в животе, связанные с синдромом раздраженного кишечника.

Растворимые и нерастворимые волокна оказывают разное влияние на глобальные симптомы синдрома раздраженного кишечника.

Нерастворимые волокна, вероятно, не лучше плацебо и могут у некоторых пациентов даже ухудшить клинический исход. Для разработки руководств по лечению, основанных на доказательствах, необходимы достоверные клинические исследования у пациентов первичной медико-санитарной помощи, сосредоточенные на эффективности и переносимости растворимых и нерастворимых волокон.

Результаты, использованные в каждом из рандомизированных испытаний, значительно различались.

Следовательно, несколько важных результатов были зарегистрированы только в некоторых испытаниях. Более того, они измерялись по-разному.

Общие результаты, такие как качество жизни, не использовались ни в одном из испытаний.

С точки зрения как глобального улучшения симптомов синдрома раздраженного кишечника, так и индивидуального улучшения симптомов исследования показали неоднородные результаты.

Основной причиной этого могут быть небольшие размеры изученных выборок, которые могли привести к ошибкам типа II.

Два исследования в нашем анализе использовали либо простое слепое, либо открытое распределение вмешательства,36, 39, тогда как рекомендуется использовать двойную слепую оценку в исследованиях синдрома раздраженного кишечника.

Manning AP, Harvey RF, Heaton KW. Wheat fibre and irrit able bowel syndrome. A controlled trial. Lancet 1977; 1: 419 21.

Snook J, Shepherd HA. Bran supplementation in the treat ment of irritable bowel syndrome. Aliment Pharmacol Ther 1994; 8: 511–4.

Soltoft J, Gudmand-Hoyer E, Krag B, et al. A double blind trial of the effect of wheat bran on symptoms of irritable bowel syndrome. Lancet 1976; 2: 270–2.

Villigrasa M, Boix J, Humbert P, et al. Aleatory clinical study comparing otilonium bromide with a fibre-rich diet in the treatment of irritable bowel syndrome. Ital J Gastroenterol 1991; 23(Suppl. 1): 67–70.

Однако при разработке и проведении испытаний с диетическим вмешательством возникает много трудностей. Поскольку слепое исследование сложно в исследованиях, оценивающих рекомендации по диете с высоким содержанием клетчатки, мы приняли эти исследования.

Три исследования были исключены из нашего анализа, поскольку невозможно было извлечь данные для расчета относительного риска. Ни одно из них не показало положительного ответа на лечение. Это могло привести к переоценке эффективности клетчатки. Большинство пациентов с синдромом раздраженного кишечника лечатся в первичной медицинской помощи.

Ferrer M., Méndez-García C., Rojo D., Barbas C., Moya A. Antibiotic use and microbiome function. Biochem. Pharmacol. 2017;134:114–126. doi: 10.1016/j.bcp.2016.09.007. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]

Растворимые и нерастворимые волокна по-разному влияют на симптомы синдрома раздраженного кишечника.

Действительно, в некоторых случаях нерастворимые волокна могут ухудшать клинический исход. Необходимы будущие клинические исследования, оценивающие эффект и переносимость терапии волокнами в первичной медико-санитарной помощи. Эти факторы по сути определяют роль различных типов волокон в регуляции микробиоты и последующее влияние, которое это оказывает на здоровье и болезни хозяина.

Растворимость типов волокон относится к их способности растворяться в воде, в то время как их ферментируемость относится к степени, в которой они могут метаболизироваться микробами хозяина. Вязкость, с другой стороны, является способностью волокон образовывать гелеобразную консистенцию в воде.

В частности, в отношении микробиома появился термин «доступные микробиоте углеводы» (MAC) microbiota-accessible carbohydrate (MAC), и это определение волокон исключает упомянутые нерастворимые волокна, поскольку они не могут быть использованы микробиотой кишечника.

β-глюкан, камеди и пектин являются яркими примерами хорошо растворимых, ферментируемых и вязких волокон [24].

24.Dhingra D., Michael M., Rajput H., Patil R.T. Dietary fibre in foods: A review. J. Food Sci. Technol. 2011;49:255–266. doi: 10.1007/s13197-011-0365-5. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

Пищевые волокна регулируют состав микробиоты кишечника

Пищевые волокна могут оказывать существенное влияние на состав, разнообразие и богатство микробиома, предоставляя множество субстратов для реакций ферментации, осуществляемых определенными видами микробов, которые обладают необходимым ферментативным аппаратом для расщепления этих сложных углеводов.

Существует множество видов микробиоты, определяемых как ферментеры волокон в толстом кишечнике, в то время как существуют различные типы пищевых волокон, все из которых расщепляются. Увеличение потребления пищевых волокон изменяет пищевые ниши в кишечнике, позволяя этим бактериям расширять свои популяции [25]. Люди, потребляющие диеты с низким содержанием волокон, как правило, имеют сниженное микробное разнообразие [21].

Эти люди, вероятно, являются носителями микробов, которые процветают за счет аминокислот и липидов, поскольку сниженное количество пищевых волокон, вероятно, будет заменено в рационе животным белком и жиром. Многочисленные исследования описывают, как потребление различных диет в разных географических точках и социально-экономических условиях может изменить микробные популяции в желудочно-кишечном тракте человека [26,27,28,29,30,31,32,33,34].

26.De Filippo C., Cavalieri D., Di Paola M., Ramazzotti M., Poullet J.B., Massart S., Collini S., Pieraccini G., Lionetti P. Impact of diet in shaping gut microbiota revealed by a comparative study in children from Europe and rural Africa. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2010;107:14691–14696. doi: 10.1073/pnas.1005963107. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

27.Yatsunenko T., Rey F.E., Manary M.J., Trehan I., Dominguez-Bello M.G., Contreras M., Magris M., Hidalgo G., Baldassano R.N., Anokhin A.P., et al. Human gut microbiome viewed across age and geography. Nature. 2012;486:222–227. doi: 10.1038/nature11053. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

28.Ou J., Carbonero F., Zoetendal E.G., Delany J.P., Wang M., Newton K., Gaskins H.R., O’Keefe S.J.D. Diet, microbiota, and microbial metabolites in colon cancer risk in rural Africans and African Americans. Am. J. Clin. Nutr. 2013;98:111–120. doi: 10.3945/ajcn.112.056689. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

29.David L.A., Maurice C.F., Carmody R.N., Gootenberg D.B., Button J.E., Wolfe B.E., Ling A.V., Devlin A.S., Varma Y., Fischbach M.A., et al. Diet rapidly and reproducibly alters the human gut microbiome. Nat. Cell Biol. 2014;505:559–563. doi: 10.1038/nature12820. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

30.Schnorr S.L., Candela M., Rampelli S., Centanni M., Consolandi C., Basaglia G., Turroni S., Biagi E., Peano C., Severgnini M., et al. Gut microbiome of the Hadza hunter-gatherers. Nat. Commun. 2014;5:3654. doi: 10.1038/ncomms4654. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

31.Sonnenburg E.D., Sonnenburg J.L. Starving our Microbial Self: The Deleterious Consequences of a Diet Deficient in Mi-crobiota-Accessible Carbohydrates. Cell Metab. 2014;20:779–786. doi: 10.1016/j.cmet.2014.07.003. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

32.Clemente J.C., Pehrsson E.C., Blaser M.J., Sandhu K., Gao Z., Wang B., Magris M., Hidalgo G., Contreras M., Noya-Alarcón Ó., et al. The microbiome of uncontacted Amerindians. Sci. Adv. 2015;1:e1500183. doi: 10.1126/sciadv.1500183. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

33.Martínez I., Stegen J.C., Maldonado-Gómez M.X., Eren A.M., Siba P.M., Greenhill A.R., Walter J. The Gut Microbiota of Rural Papua New Guineans: Composition, Diversity Patterns, and Ecological Processes. Cell Rep. 2015;11:527–538. doi: 10.1016/j.celrep.2015.03.049. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]

34.De Filippo C., Di Paola M., Ramazzotti M., Albanese D., Pieraccini G., Banci E., Miglietta F., Cavalieri D., Lionetti P. Diet, Environments, and Gut Microbiota. A Preliminary Investigation in Children Living in Rural and Urban Burkina Faso and Italy. Front. Microbiol. 2017;8:1979. doi: 10.3389/fmicb.2017.01979. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

Одной из общих черт этих исследований является то, что люди из менее развитых и сельских обществ потребляют значительно большую долю клетчатки в своем рационе по сравнению с людьми из индустриальных стран [26,31].

26. De Filippo C., Cavalieri D., Di Paola M., Ramazzotti M., Poullet J.B., Massart S., Collini S., Pieraccini G., Lionetti P. Impact of diet in shaping gut microbiota revealed by a comparative study in children from Europe and rural Africa. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2010;107:14691–14696. doi: 10.1073/pnas.1005963107. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

Состав микробиоты кишечника зависит от различных пищевых привычек, так же как здоровье зависит от микробного метаболизма, но связь микробиоты с различными диетами в человеческих популяциях пока не была показана. В этой работе мы сравнили фекальную микробиоту европейских детей (ЕС) и детей из сельской африканской деревни Буркина-Фасо (БФ), где диета с высоким содержанием клетчатки похожа на диету ранних человеческих поселений во времена зарождения сельского хозяйства. Используя высокопроизводительное секвенирование 16S рДНК и биохимические анализы, мы обнаружили значительные различия в микробиоте кишечника между двумя группами. Дети БФ показали значительное обогащение Bacteroidetes и истощение Firmicutes (P < 0,001) с уникальным обилием бактерий из рода Prevotella и Xylanibacter, которые, как известно, содержат набор бактериальных генов для гидролиза целлюлозы и ксилана, полностью отсутствующих у детей ЕС. Кроме того, мы обнаружили значительно больше короткоцепочечных жирных кислот (P < 0,001) у детей из группы BF, чем у детей из ЕС. Кроме того, энтеробактерии (шигеллы и эшерихии) были значительно недопредставлены у детей из группы BF, чем у детей из ЕС (P < 0,05). Мы предполагаем, что микробиота кишечника коэволюционировала с богатой полисахаридами диетой людей из группы BF, что позволило им максимизировать потребление энергии из волокон, а также защитить их от воспалений и неинфекционных заболеваний толстой кишки. В этом исследовании изучается и сравнивается микробиота кишечника человека у детей, характеризующихся современной западной диетой и сельской диетой, что указывает на важность сохранения этого сокровища микробного разнообразия древних сельских общин по всему миру.

Жизнь в сельской деревне Буркина-Фасо. (А) Деревня Булпон. (В) Традиционная резиденция мосси. (С) Карта Буркина-Фасо (с изменениями, содержащимися в Всемирной справочной книге КЛА Соединенных Штатов, 34). (D) Просо и сорго (основные компоненты диеты Mossi) зерна и муки в типичных тарелочках. (Е) Просо и сорго измельчают в муку на шлифовальном камень, чтобы получить толстую кашу под названием Tô.

Было обнаружено, что более 94,2% последовательностей во всех образцах BF и EU принадлежат к четырем наиболее распространенным бактериальным типам, а именно Actinobacteria, Bacteroidetes, Firmicutes и Proteobacteria, что согласуется с предыдущими исследованиями, описывающими такие типы как те, которые вносят вклад в большую часть микробиоты кишечника человека (2, 11).

Соответствующие различия были обнаружены в пропорциях четырех типов: Actinobacteria и Bacteroidetes были более представлены в микробиоте детей BF, чем в микробиоте детей EU (10,1% против 6,7% и 57,7% против 22,4% соответственно), тогда как Firmicutes и Proteobacteria были более многочисленны в EU, чем в микробиоте детей BF (63,7% против 27,3% и 6,7% против 0,8% соответственно).

Дифференциальное распределение Firmicutes и Bacteroidetes выявляет глубокие различия между двумя группами (рис. S1).

Исследования 16S рРНК показывают четкое разделение двух детских популяций. (А и В) Диаграммы с поясными графами медианных значений бактериальных родов, присутствующих в фекальных образцах детей BF и EU (>3%), найденные классификатором RDP v. 2.1. Кольца представляют соответствующие филии (Bacteroidetes в зелёном и Firmicutes в красном) для каждого из наиболее часто представленных родов. (С) Дендрограмма получена с полной связью иерархической кластеризации образцов из популяций BF и EU на основе их родов.Подкласт, расположенный в центре дерева, содержит образцы, взятые у трех самых младших (1-2 лет) детей группы BF (16BF, 3BF и 4BF), а также двух детей группы EU (2EU и 3EU) в возрасте 1 год. (D) Относительная частота (процент последовательностей) четырех наиболее распространенных бактериальных фили в каждом отдельном среди детей BF и ЕС. Синий участок в середине показывает изобилие Actinobacteria, главным образом представленный родом Bifidobacterium, в пяти самых молодых ЕС и BF детей. (E) Относительная концентрация (процент последовательностей) грамотрицательных и грамположительных бактерий в каждом индивидууме. Разное распределение грамотрицательных и грамотрицательных в популяциях BF и EU отражает различия в двух наиболее представленных филах, Bacteroidetes и Firmicutes.

Статистический анализ с использованием параметрического теста (ANOVA) показывает, что Firmicutes (P = 7,89 × 10−5) и Bacteroidetes (P = 1,19 × 10−6) значительно отличают детей BF от детей EU. Этот результат подкрепляется непараметрическим тестом Краскела-Уоллиса, который снова указал на значимые дискриминирующие факторы в типах Firmicutes (P = 3,38 × 10−5), Bacteroidetes (P = 4,80 × 10−4), Actinobacteria (P = 8,82 × 10−3) и Spirochaetes (P = 1,11 × 10−5). Firmicutes в два раза более распространены у детей из ЕС, о чем свидетельствует различное соотношение между Firmicutes и Bacteroidetes (соотношение F/B ± SD, 2,8 ± 0,06 в ЕС и 0,47 ± 0,05 в BF), что предполагает существенно различную бактериальную колонизацию человеческого кишечника в двух популяциях. Интересно, что Prevotella, Xylanibacter (Bacteroidetes) и Treponema (Spirochaetes) присутствуют исключительно в микробиоте детей BF (рис. 2 A и B, рис. S2 и таблица S5). Мы можем предположить, что среди факторов окружающей среды, разделяющих две популяции (диета, санитария, гигиена, география и климат), присутствие этих трех родов может быть следствием высокого потребления клетчатки, максимизирующего извлечение метаболической энергии из потребляемых растительных полисахаридов.

Бактерии, продуцирующие SCFA, которые в изобилии присутствуют в кишечнике детей из группы BF, возможно, помогают предотвратить появление некоторых потенциально патогенных кишечных микробов (26)

26.Hermes RG, et al. Effect of dietary level of protein and fiber on the productive performance and health status of piglets. J Anim Sci. 2009;87:3569–3577. doi: 10.2527/jas.2008-1241. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]

вызывающих диарею, о чем свидетельствует тот факт, что Enterobacteriaceae, такие как Shigella и Escherichia, были значительно недопредставлены в группе BF, чем в группе детей из ЕС (P < 0,05, односторонний t-тест; рис. 3B). Увеличение разнообразия кишечных микробов и снижение количества потенциально патогенных штаммов в группе BF согласуются с гипотезой «старого друга», указывая на роль микробиоты в защите детей от патогенов, а также от желудочно-кишечных заболеваний (27).

27. Rook GAW, Brunet LR. Microbes, immunoregulation, and the gut. Gut. 2005;54:317–320. doi: 10.1136/gut.2004.053785. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

Наши результаты показывают, что рацион питания играет доминирующую роль по сравнению с другими возможными переменными, такими как этническая принадлежность, санитария, гигиена, география и климат, в формировании микробиоты кишечника.

Мы можем выдвинуть гипотезу, что снижение богатства, которое мы наблюдаем в ЕС по сравнению с детьми BF, может указывать на то, как потребление сахара, животных жиров и калорийных продуктов в индустриальных странах быстро ограничивает адаптивный потенциал микробиоты.

• Это микробное упрощение таит в себе риск лишения нашего микробного генофонда потенциально полезных экологических генных резервуаров, которые позволяют адаптироваться к специфическим диетам, как мы наблюдали в популяции BF и как недавно было показано диетически-индуцированным горизонтальным переносом генов у японцев, потребляющих водоросли в своем рационе (25).
• 25.Hehemann JH, et al. Transfer of carbohydrate-active enzymes from marine bacteria to Japanese gut microbiota. Nature. 2010;464:908–912. doi: 10.1038/nature08937. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]

Фундаментальный вопрос, который, насколько нам известно, еще не был решен, - как это разнообразие эволюционировало путем приобретения новых генов от микробов, живущих вне кишечника.

Здесь мы характеризуем первые порфираназы из члена морских Bacteroidetes, Zobellia galactanivorans, активные на сульфатированном полисахариде порфиране из морских красных водорослей рода Porphyra. Кроме того, мы показываем, что гены, кодирующие эти порфираназы, агаразы и связанные с ними белки, были перенесены в кишечную бактерию Bacteroides plebeius, выделенную у японцев.

Наши сравнительные анализы метагенома кишечника показывают, что порфираназы и агаразы часто встречаются у японцев и что они отсутствуют в метагеномных данных у североамериканцев.

Морские водоросли вносят важный вклад в ежедневный рацион питания в Японии (14,2 г на человека в день), а Porphyra spp. (нори) является самой важной пищевой водорослью, традиционно используемой для приготовления суши.

9. Nisizawa,K.,Noda,H.,Kikuchi,R.&Watanabe,T.The main sea weed foodsin Japan.Hydrobiologia151–152,5–29(1987).

10. McHugh,D.J. inFAOFisheriesTechnicalPaperNo441(FAO,2003).

Это указывает на то, что морские водоросли с ассоциированными морскими бактериями могли быть тем путем, по которому эти новые CAZymes были приобретены кишечными бактериями человека, и что контакт с нестерильной пищей может быть общим фактором CAZymedistresses в кишечных микробах человека. Морские водоросли содержат сульфатированные полисахариды, которые отсутствуют в наземных растениях.

Kloareg,B.&Quatrano,R.S.Structure of the cell wall sof marine algaeand ecophysiological functions of the matrix polysaccharides.Oceanogr.Mar.Biol Annu.Rev.26,259–315(1988).

Эти уникальные полимеры используются в качестве источника углерода морскими гетеротрофными бактериями, которые производят специфические CAZymes12.

Недавний анализ генома Z. galactanivorans (T.B. et al., рукопись в процессе подготовки) показал существование пяти белков (Zg1017, Zg2600, Zg3376, Zg3628 и Zg3640), которые являются дальними родственниками b-агараз и k-каррагиназ (в среднем 23% идентичности с AgaA и CgkA). Все эти последовательности имеют каталитическую сигнатуру EXDXXE, типичную для семейства гликозидгидролаз 16 (GH16) (Дополнительный рис. 1)

По сравнению с накопленными знаниями о деградации растительных полисахаридов 13

Gilbert,H.J.,Stalbrand,H.&Brumer,H. How the wall scomecrum bling down: recent structural biochemistry of plant polysaccharide degradation.Curr.Opin. PlantBiol.11,338–348(2008).

мало что известно о ферментах, действующих на полисахариды из морских съедобных водорослей, таких как Porphyra (нори), Ulva (морской салат) или Undaria (вакаме).

Этот недостаток знаний о морских гликозидгидролазах, который затрудняет их идентификацию в метагеномных исследованиях, был первоначальным обоснованием нашего поиска новых гликозидгидролаз в Z. galactanivorans. Этот морской Bacteroidetes был выделен из красной водоросли Delesseria sanguinea за его способность деградировать агары и каррагинаны14–17.

31.Sonnenburg E.D., Sonnenburg J.L. Starving our Microbial Self: The Deleterious Consequences of a Diet Deficient in Mi-crobiota-Accessible Carbohydrates. Cell Metab. 2014;20:779–786. doi: 10.1016/j.cmet.2014.07.003. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

Интересно, что метаболические и воспалительные заболевания, такие как ожирение и ВЗК, имеют очень низкую распространенность у людей из неиндустриальных стран. Де Филиппо и др. (2010) [26] подчеркнули различия в микробиоме кишечника между детьми из Буркина-Фасо и Италии.

У детей из Буркина-Фасо наблюдались более высокие уровни Actinobacteria, Bacteroidetes и Prevotella, в то время как у детей из Италии наблюдалось более высокое содержание Firmicutes и Proteobacteria [26].

26.Hermes RG, et al. Effect of dietary level of protein and fiber on the productive performance and health status of piglets. J Anim Sci. 2009;87:3569–3577. doi: 10.2527/jas.2008-1241. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]

Аналогичное исследование, проведенное тем же автором, измерило микробиоту в четырех когортах с разной урбанизацией [34].

4.Central Intelligence Agency, The world Factbook. Available at https://www.cia.gov/library/publications/the-world-factbook/index.html.

Это исследование выявило снижение потребления клетчатки среди детей, живущих в городской Италии и городской Буркина-Фасо, что далее отразилось в снижении видов Prevotella в их микробиоте [34].

Интересно, что различия в микробиоте, описанные здесь, были почти идентичны тем, о которых сообщали Ou et al. (2013) [28], которые изучали микробиом сельских жителей Южной Африки, сравнивая их с афроамериканцами.

28. Ou J., Carbonero F., Zoetendal E.G., Delany J.P., Wang M., Newton K., Gaskins H.R., O’Keefe S.J.D. Diet, microbiota, and microbial metabolites in colon cancer risk in rural Africans and African Americans. Am. J. Clin. Nutr. 2013;98:111–120. doi: 10.3945/ajcn.112.056689. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

В 2015 году исследование, изучавшее микробиоту жителей Папуа — Новой Гвинеи по сравнению с американцами, обнаружило, что фекальная микробиота имела измененное соотношение Prevotella:Bacteroides [33].

33. Martínez I., Stegen J.C., Maldonado-Gómez M.X., Eren A.M., Siba P.M., Greenhill A.R., Walter J. The Gut Microbiota of Rural Papua New Guineans: Composition, Diversity Patterns, and Ecological Processes. Cell Rep. 2015;11:527–538. doi: 10.1016/j.celrep.2015.03.049. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]

В этом исследовании микробиота жителей Папуа — Новой Гвинеи, которые потребляли пищу, богатую клетчаткой, имела высокую распространенность Prevotella, но низкую распространенность Faecalibacterium, Ruminococcus, Bifidobacterium, Bacteroides, Blautia, Bilophila и Alistipes [33].

33.Martínez I., Stegen J.C., Maldonado-Gómez M.X., Eren A.M., Siba P.M., Greenhill A.R., Walter J. The Gut Microbiota of Rural Papua New Guineans: Composition, Diversity Patterns, and Ecological Processes. Cell Rep. 2015;11:527–538. doi: 10.1016/j.celrep.2015.03.049. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]

Яцуненко и др. (2012) [27] сообщили о схожих результатах при сравнении популяций микробиоты людей из Венесуэлы, Малави и США. Клементе и др. (2015) [32]

32.Clemente J.C., Pehrsson E.C., Blaser M.J., Sandhu K., Gao Z., Wang B., Magris M., Hidalgo G., Contreras M., Noya-Alarcón Ó., et al. The microbiome of uncontacted Amerindians. Sci. Adv. 2015;1:e1500183. doi: 10.1126/sciadv.1500183. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

провели исследование, изучающее микробиоту племени яномами в сельской Венесуэле. Одним из ключевых результатов этого исследования было более высокое распространение Prevotella и более низкое распространение Bacteroides среди этих людей по сравнению с людьми из США [32].

32.Clemente J.C., Pehrsson E.C., Blaser M.J., Sandhu K., Gao Z., Wang B., Magris M., Hidalgo G., Contreras M., Noya-Alarcón Ó., et al. The microbiome of uncontacted Amerindians. Sci. Adv. 2015;1:e1500183. doi: 10.1126/sciadv.1500183. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

Кроме того, эта популяция имела более низкую распространенность других членов семейства Bacteroidetes, включая Bacteroidales, Mollicutes и Verrucomicrobia. Наконец, сообщалось, что у этих людей было повышенное обилие рода Phascolarctobacterium, который, как известно, производит SCFAs [35].

35.Wu F., Guo X., Zhang J., Zhang M., Ou Z., Peng Y. Phascolarctobacterium faecium abundant colonization in human gastrointestinal tract. Exp. Ther. Med. 2017;14:3122–3126. doi: 10.3892/etm.2017.4878. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

Другое исследование аналогичным образом сравнивало микробиоту танзанийского племени хадза с итальянцами [30].

30.Schnorr S.L., Candela M., Rampelli S., Centanni M., Consolandi C., Basaglia G., Turroni S., Biagi E., Peano C., Severgnini M., et al. Gut microbiome of the Hadza hunter-gatherers. Nat. Commun. 2014;5:3654. doi: 10.1038/ncomms4654. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

Было обнаружено, что обе популяции содержат обилие известных бактерий, разрушающих волокна, включая семейство Firmicutes, такое как Lachnospiraceae, Ruminococcaceae, Veillonellaceae, Clostridiales Incertae Sedis XIV и Clostridiaceae.

В соответствии с результатами других исследований, Prevotella была обогащена в микробиоме хадза, в то время как наблюдалось более низкое обилие Bacteroides по сравнению с их итальянскими аналогами [30].

30.Schnorr S.L., Candela M., Rampelli S., Centanni M., Consolandi C., Basaglia G., Turroni S., Biagi E., Peano C., Severgnini M., et al. Gut microbiome of the Hadza hunter-gatherers. Nat. Commun. 2014;5:3654. doi: 10.1038/ncomms4654. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

Другое исследование, сравнивающее эффекты богатой клетчаткой растительной диеты и богатой белком животной диеты на людей из США, показало, что более высокие уровни Prevotella были связаны с разрушением волокон [29].

29.David L.A., Maurice C.F., Carmody R.N., Gootenberg D.B., Button J.E., Wolfe B.E., Ling A.V., Devlin A.S., Varma Y., Fischbach M.A., et al. Diet rapidly and reproducibly alters the human gut microbiome. Nat. Cell Biol. 2014;505:559–563. doi: 10.1038/nature12820. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

Кроме того, были обнаружены корреляции между растительной диетой и таксонами Roseburia, Eubacterium rectale и Faecalibacterium prausnitzii [29], а также повышенными общими концентрациями короткоцепочечных жирных кислот.

Таким образом, очевидно, что компонент клетчатки в диете может влиять на микробиоту.

Очевидная тенденция существует в микробиоте людей из индустриальных стран, и, по-видимому, у этих людей более высокое содержание Bacteroides, Bifidobacterium, Ruminococcus, Faecalibatcerium, Alistipies, Bilophila и Blautia [26,27,30,33,34].

• 26.De Filippo C., Cavalieri D., Di Paola M., Ramazzotti M., Poullet J.B., Massart S., Collini S., Pieraccini G., Lionetti P. Impact of diet in shaping gut microbiota revealed by a comparative study in children from Europe and rural Africa. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2010;107:14691–14696. doi: 10.1073/pnas.1005963107. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
• 27.Yatsunenko T., Rey F.E., Manary M.J., Trehan I., Dominguez-Bello M.G., Contreras M., Magris M., Hidalgo G., Baldassano R.N., Anokhin A.P., et al. Human gut microbiome viewed across age and geography. Nature. 2012;486:222–227. doi: 10.1038/nature11053. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
• 30.Schnorr S.L., Candela M., Rampelli S., Centanni M., Consolandi C., Basaglia G., Turroni S., Biagi E., Peano C., Severgnini M., et al. Gut microbiome of the Hadza hunter-gatherers. Nat. Commun. 2014;5:3654. doi: 10.1038/ncomms4654. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
• 33.Martínez I., Stegen J.C., Maldonado-Gómez M.X., Eren A.M., Siba P.M., Greenhill A.R., Walter J. The Gut Microbiota of Rural Papua New Guineans: Composition, Diversity Patterns, and Ecological Processes. Cell Rep. 2015;11:527–538. doi: 10.1016/j.celrep.2015.03.049. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
• 34.De Filippo C., Di Paola M., Ramazzotti M., Albanese D., Pieraccini G., Banci E., Miglietta F., Cavalieri D., Lionetti P. Diet, Environments, and Gut Microbiota. A Preliminary Investigation in Children Living in Rural and Urban Burkina Faso and Italy. Front. Microbiol. 2017;8:1979. doi: 10.3389/fmicb.2017.01979. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

Предыдущие сравнения микробиоты между индустриальными странами не выявили большой разницы, подчеркивая, что культурные и этнические различия преобладают вероятно, оказывают незначительное влияние на микробиоту хозяина [36].

Интересно, что все эти страны потребляют вариацию западной диеты, которая богата насыщенными жирами и бедна клетчаткой. Еще одним ключевым выводом из этих исследований является то, что виды Prevotella более распространены у неиндустриальных людей, которые потребляют огромное количество пищевых волокон. Интересно, что многие виды, обнаруженные в микробиоме западных людей, были связаны с огромным потреблением липидов и аминокислот, которые преобладают в западной диете [29,37]. Микробиота неиндустриальных популяций похожа на микробиоту веганов и вегетарианцев в западном обществе, все из которых потребляют огромное количество пищевых волокон [29]. Высокое потребление клетчатки в сочетании с определенным видом микробов, способных ее ферментировать, приведет к ряду преимуществ для здоровья хозяина, включая обширную выработку короткоцепочечных жирных кислот. 4. Различные виды микробов обладают способностью расщеплять определенные типы волокон Был выявлен широкий спектр микробных ферментов, участвующих в распаде пищевых волокон в толстом кишечнике. Определенный тип волокон может потребовать нескольких этапов ферментативного катализа для получения продукта SCFA. Таким образом, для того, чтобы хозяин мог в полной мере воспользоваться этими реакциями, может потребоваться множество микробов. Некоторые из этих бактерий являются узкоспециализированными и вносят значительный вклад в распад волокон, поэтому их называют первичными деградаторами или ключевыми видами [38,39]. Более того, другие микробы играют второстепенную роль и называются вторичными ферментерами или перекрестными питателями, поскольку они извлекают выгоду из каталитической работы, выполняемой первичными деградаторами. Некоторые члены микробного сообщества толстой кишки, такие как Bacteroides thetaiotaomicron, демонстрируют значительную гибкость, поскольку они кодируют многочисленные ферменты, которые могут способствовать распаду нескольких подтипов волокон [40]. Некоторые из основных ферментов, кодируемых бактериями, участвующих в ферментации, называются углеводно-активными ферментами (CAZymes) [41], которые включают гликозидгидролазы, полисахаридлизазы и углеводную эстеразу [42].

Было обнаружено, что различия в составе между различными типами резистентного крахмала оказывают различное воздействие на микробиоту хозяина [43,44,45].

• 43.Tester R.F., Karkalas J., Qi X. Starch—Composition, fine structure and architecture. J. Cereal Sci. 2004;39:151–165. doi: 10.1016/j.jcs.2003.12.001. [DOI] [Google Scholar]
• 44.Lesmes U., Beards E.J., Gibson G.R., Tuohy K.M., Shimoni E. Effects of Resistant Starch Type III Polymorphs on Human Colon Microbiota and Short Chain Fatty Acids in Human Gut Models. J. Agric. Food Chem. 2008;56:5415–5421. doi: 10.1021/jf800284d. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
• 45.Venkataraman A., Sieber J.R., Schmidt A.W., Waldron C., Theis K.R., Schmidt T.M. Variable responses of human microbiomes to dietary supplementation with resistant starch. Microbiome. 2016;4:1–9. doi: 10.1186/s40168-016-0178-x. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

Исследования in vivo показали, что потребление RS4 у людей увеличивает численность филума Actinobacteria и Bacteroidetes, в то время как Firmicutes снижается [46].

46.Martínez I., Kim J., Duffy P.R., Schlegel V.L., Walter J. Resistant Starches Types 2 and 4 Have Differential Effects on the Composition of the Fecal Microbiota in Human Subject. PLoS ONE. 2010;5:e15046. doi: 10.1371/journal.pone.0015046. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

Кроме того, было показано, что RS4 увеличивает численность Parabacteroides distasonis и Bifidobacterium asolescentis. В том же исследовании диетическое добавление RS2 не оказало влияния на филум, в то время как на уровне видов было обнаружено увеличение популяции Ruminococcus bromii и Eubacterium rectale [46].

46.Martínez I., Kim J., Duffy P.R., Schlegel V.L., Walter J. Resistant Starches Types 2 and 4 Have Differential Effects on the Composition of the Fecal Microbiota in Human Subject. PLoS ONE. 2010;5:e15046. doi: 10.1371/journal.pone.0015046. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

Эксперименты in vitro показали, что Ruminococcus bromii является ключевым видом, необходимым для ферментации RS2 и RS3 [39].

39.Ze X., Duncan S.H., Louis P., Flint H.J. Ruminococcus bromii is a keystone species for the degradation of resistant starch in the human colon. ISME J. 2012;6:1535–1543. doi: 10.1038/ismej.2012.4. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

Тот же автор определил, что в то время как Ruminococcus bromii не может производить SCFAs Bifidobacterium asolescentis, Eubacterium rectale и Bacteroides thetaiotaomicron могут выживать без него. Это указывает на то, что происходит перекрестное питание, при котором Ruminococcus bromii осуществляет начальную деградацию RS, продукт которой далее ферментируется другими кишечными микробами для производства SCFA [39].

39.Ze X., Duncan S.H., Louis P., Flint H.J. Ruminococcus bromii is a keystone species for the degradation of resistant starch in the human colon. ISME J. 2012;6:1535–1543. doi: 10.1038/ismej.2012.4. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

В другом отчете установлено, что Bifidobacterium breve и Bifidobacterium adolescentis кодируют ферменты, которые также могут деградировать резистентный крахмал [47].

47.Ryan S.M., Fitzgerald G.F., van Sinderen D. Screening for and identification of starch-, amylopectin-, and pullu-lan-degrading activities in bifidobacterial strains. Appl. Environ. Microbiol. 2006;72:5289–5296. doi: 10.1128/AEM.00257-06. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

Совсем недавно RS2, скармливаемый здоровым людям, увеличил численность Ruminococcus UCG-005, одновременно снизив популяции Coprococcus, Bacteroiedes, Lachnoclostridium, Eubacterium eligens, Blautia, Holdemanella и Paraprevotella (таблица 1) [48].

Арабиноксилан, хорошо известная разновидность гемицеллюлозы, как полагают, расщепляется в толстой кишке человека Roseburia, Bacteroides, Prevotella и Porphyromonas [49].

49.Grootaert C., Abbeele P.V.D., Marzorati M., Broekaert W.F., Courtin C.M., Delcour J.A., Verstraete W., Van De Wiele T. Comparison of prebiotic effects of arabinoxylan oligosaccharides and inulin in a simulator of the human intestinal microbial ecosystem. FEMS Microbiol. Ecol. 2009;69:231–242. doi: 10.1111/j.1574-6941.2009.00712.x. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]

Вмешательство человека с использованием этого волокна для модуляции метаболических параметров у людей с избыточным весом выявило увеличение численности Prevotella и Eubacterium rectale [50].

50.Benítez-Páez A., Kjølbæk L., Del Pulgar E.M., Brahe L.K., Astrup A., Matysik S., Schött H.F., Krautbauer S., Liebisch G., Boberska J., et al. A Multi-omics Approach to Unraveling the Microbiome-Mediated Effects of Arabinoxylan Oligosac-charides in Overweight Humans. mSystems. 2019;4:e00209-19. doi: 10.1128/mSystems.00209-19. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

Было обнаружено, что другая гемицеллюлоза, ксилан, ферментируется несколькими видами Bacteroides [51,52].

Ксиланы — группа гемицеллюлоз, обнаруженных в клеточной стенке растений и некоторых водорослей.

Это полисахариды, состоящие из остатков β-D-ксилозы, соединённых связями 1→4 (так же, как остатки β-D-глюкозы в целлюлозе). По распространению ксиланы столь же вездесущи как и целлюлоза.

Содержание ксиланов в древесине цветковых растений обычно составляет 10 — 35 % от общего количества гемицеллюлоз, а в древесине голосеменных растений 10 — 15 %. Главный компонент ксиланов у цветковых растений — O-ацетил-4-O-метилглюкуроноксилан, а у голосеменных растений — арабино-4-O-метилглюкуроноксилан. В общем случае ксиланы голосеменных отличаются от ксиланов покрытосеменных отсутствием ацетильной группы и наличием остатка арабинозы, присоединённого α-(1,3)-связью к главной цепи ксилана[1].

У некоторых зелёных водорослей, особенно у макроскопических представителей порядка Сифоновые, ксиланы полностью заменяют целлюлозу. Сходным образом они заменяют её во внутреннем фибриллярном слое клеточной стенки некоторых красных водорослей.

Ксиланы — одни из основных антинутриентов (соединение, препятствующее всасыванию питательных веществ), содержащихся в кормовом сырье.

Антинутриенты — это органические или синтетические соединения, которые препятствуют абсорбции нутриентов[1]. Исследователи усвоения питательных веществ занимаются изучением антинутриентов, которые часто встречаются в пище и напитках.

Антинутриентами могут быть медикаменты, натуральные компоненты пищевых продуктов, белки или сами нутриенты, если употреблять их слишком много.

Антинутриенты связываются с витаминами и минералами, препятствуя их всасыванию, и ингибируют ферменты.

Ксилоолигосахариды, производимые из ксилана, считаются функциональными продуктами питания или пищевыми волокнами[2]. Процесс расщепления ксилана на олигосахариды осуществляется при помощи специфических ферментов дрожжей[3].

• 51.Chassard C., Goumy V., Leclerc M., Del’homme C., Bernalier-Donadille A. Characterization of the xylan-degrading mi-crobial community from human faeces. FEMS Microbiol. Ecol. 2007;61:121–131. doi: 10.1111/j.1574-6941.2007.00314.x. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
• 52.Mirande C., Kadlecikova E., Matulova M., Capek P., Bernalier-Donadille A., Forano E., Béra-Maillet C. Dietary fibre degradation and fermentation by two xylanolytic bacteria Bacteroides xylanisolvens XB1A T and Roseburia intestinalis XB6B4 from the human intestine. J. Appl. Microbiol. 2010;109:451–460. doi: 10.1111/j.1365-2672.2010.04671.x. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]

Кроме того, было также обнаружено, что Roseburia intestinalis обладает способностью расщеплять ксилан [53].

53.Mirande C., Mosoni P., Béra-Maillet C., Bernalier-Donadille A., Forano E. Characterization of Xyn10A, a highly active xylanase from the human gut bacterium Bacteroides xylanisolvens XB1A. Appl. Microbiol. Biotechnol. 2010;87:2097–2105. doi: 10.1007/s00253-010-2694-0. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]

Эффекты повышенного потребления инулина были исследованы in vivo и было показано, что они увеличивают численность Bifidobacterium bifidum [54,55,56].

• 54.Gibson G.R. Dietary Modulation of the Human Gut Microflora Using the Prebiotics Oligofructose and Inulin. J. Nutr. 1999;129:1438S–1441S. doi: 10.1093/jn/129.7.1438S. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
• 55.Kruse H.-P., Kleessen B., Blaut M. Effects of inulin on faecal bifidobacteria in human subjects. Br. J. Nutr. 1999;82:375–382. doi: 10.1017/S0007114599001622. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]

56.Harmsen H.J.M., Raangs G.C., Franks A.H., Wildeboer-Veloo A.C.M., Welling G.W. The Effect of the Prebiotic Inulin and the Probiotic Bifidobacterium longum on the Fecal Microflora of Healthy Volunteers Measured by FISH and DGGE. Microb. Ecol. Health Dis. 2002;14:212–220. doi: 10.1080/08910600310002091. [DOI] [Google Scholar]

Также было обнаружено, что инулин у людей увеличивает численность Faecalibacterium prausnitzii (таблица 1) [57],

57.Ramirez-Farias C., Slezak K., Fuller Z., Duncan A., Holtrop G., Louis P. Effect of inulin on the human gut microbiota: Stimulation of Bifidobacterium adolescentis and Fae-calibacterium prausnitzii. Br. J. Nutr. 2008;101:541–550. doi: 10.1017/S0007114508019880. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]

в то время как были обнаружены более низкие уровни видов Enterococcus [58].

58.Kleessen B., Sykura B., Zunft H.J., Blaut M. Effects of inulin and lactose on fecal microflora, microbial activity, and bowel habit in elderly constipated persons. Am. J. Clin. Nutr. 1997;65:1397–1402. doi: 10.1093/ajcn/65.5.1397. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]

Добавление диетического инулина в организм человека привело к увеличению популяций Roseburia intestinalis, Eubacterium rectale и Anserostipes caccae [59,60,61].

59.Barcenilla A., Pryde S.E., Martin J.C., Duncan S.H., Stewart C.S., Henderson C., Flint H.J. Phylogenetic Relationships of Butyrate-Producing Bacteria from the Human Gut. Appl. Environ. Microbiol. 2000;66:1654–1661. doi: 10.1128/AEM.66.4.1654-1661.2000. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

60.Duncan S.H., Hold G.L., Barcenilla A., Stewart C.S., Flint H.J. Roseburia intestinalis sp. nov., a novel saccharolytic, butyrate-producing bacterium from human faeces. Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 2002;52:1615–1620. doi: 10.1099/00207713-52-5-1615. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]

61.Schwiertz A., Hold G.L., Duncan S.H., Gruhl B., Collins M.D., Lawson P.A., Flint H.J., Blaut M. Anaerostipes caccae gen. nov., sp. nov., a New Saccharolytic, Acetate-utilising, Butyrate-producing Bac-terium from Human Faeces. Syst. Appl. Microbiol. 2002;25:46–51. doi: 10.1078/0723-2020-00096. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]

Интересно, что перекрестное питание наблюдалось микробами-хозяевами при ферментации инулина, аналогично тому, что сообщалось для RS, и, по-видимому, Eubacterium rectale участвует в первоначальном расщеплении инулина, в то время как Anserostipes caccae может ферментировать только более мелкие фрагменты этой молекулы [62].

62.Van den Abbeele P., Gérard P., Rabot S., Bruneau A., El Aidy S., Derrien M., Kleerebezem M., Zoetendal E.G., Smidt H., Verstraete W., et al. Arabinoxylans and inulin differentially modulate the mucosal and luminal gut microbiota and mu-cin-degradation in humanized rats. Environ. Microbiol. 2011;13:2667–2680. doi: 10.1111/j.1462-2920.2011.02533.x. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]

Вмешательство волокон у людей с ожирением/избыточным весом, потребляющих пшеничные отруби, привело к увеличению типов Firmicutes и Bacteroidetes [63].

63.Vitaglione P., Mennella I., Ferracane R., Rivellese A.A., Giacco R., Ercolini D., Gibbons S.M., La Storia A., Gilbert J.A., Jonnalagadda S., et al. Whole-grain wheat consumption reduces inflammation in a randomized controlled trial on overweight and obese subjects with unhealthy dietary and lifestyle behaviors: Role of polyphenols bound to cereal dietary fiber. Am. J. Clin. Nutr. 2015;101:251–261. doi: 10.3945/ajcn.114.088120. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]

Между тем, Салонен и др. (2014) [64] сообщили об увеличении численности типа Actinobacteria, в то время как на уровне рода более высокие уровни Prevotella, Bacteroides, Eggerthella, Lachnospiraceae, Corynebacterium и Collinsella были зарегистрированы у мужчин с ожирением и нарушением обмена веществ, также принимавших пшеничные отруби.

• 64.Salonen A.H., Lahti L., Salojärvi J., Holtrop G., Korpela K., Duncan S.H., Date P., Farquharson F., Johnstone A.M., Lobley G.E., et al. Impact of diet and individual variation on intestinal microbiota composition and fermentation products in obese men. ISME J. 2014;8:2218–2230. doi: 10.1038/ismej.2014.63. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]В противоположность этому, вмешательство с цельнозерновой пшеницей, проведенное на здоровых людях, описало увеличение Enterococcus, Bifidobacterium, Clostridium и Lactobacillus [65],

65.Costabile A., Klinder A., Fava F., Napolitano A., Fogliano V., Leonard C., Gibson G.R., Tuohy K.M. Whole-grain wheat breakfast cereal has a prebiotic effect on the human gut microbiota: A double-blind, placebo-controlled, crossover study. Br. J. Nutr. 2007;99:110–120. doi: 10.1017/S0007114507793923. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]

что предполагает персонализированные эффекты относительно изначального резидентного микробиома. Полученный из овса β-глюкан, включенный в рацион, по-видимому, приводит к более высоким уровням Bacteroidetes и снижению численности Firmicutes (таблица 1) [66].

66.Wang Y., Ames N.P., Tun H.M., Tosh S.M., Jones P.J., Khafipour E. High Molecular Weight Barley β-Glucan Alters Gut Microbiota Toward Reduced Cardiovascular Disease Risk. Front. Microbiol. 2016;7:129. doi: 10.3389/fmicb.2016.00129. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

Экспериментальные данные на крысах показывают, что диетическое вмешательство с использованием этого типа волокон увеличивает численность видов Bacteroides и Prevotella [67]. В другом месте сообщалось, что β-глюкан вызывает увеличение численности Bifidobacteria [68], а также видов Bacteroides (таблица 1) [69].

69.Mitsou E.K., Panopoulou N., Turunen K., Spiliotis V., Kyriacou A. Prebiotic potential of barley derived β-glucan at low intake levels: A randomised, double-blinded, placebo-controlled clinical study. Food Res. Int. 2010;43:1086–1092. doi: 10.1016/j.foodres.2010.01.020. [DOI] [Google Scholar]

Однако Clostridium histolyticum также наблюдался на более высоких уровнях [70], причем этот вид микроба является известным производителем бутирата [71,72].

• 70.Hughes S.A., Shewry P.R., Gibson G.R., McCleary B.V., Rastall R.A. In vitro fermentation of oat and barley derived β-glucans by human faecal microbiota. FEMS Microbiol. Ecol. 2008;64:482–493. doi: 10.1111/j.1574-6941.2008.00478.x. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
• 71.Salminen S., Bouley C., Boutron-Ruault M.C., Cummings J.H., Franck A., Gibson G.R., Isolauri E., Moreau M.-C., Roberfroid M., Rowland I. Functional food science and gastrointestinal physiology and function. Br. J. Nutr. 1998;80:S147–S171. doi: 10.1079/BJN19980108. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
• 72.Zigová J., Šturdík E., Vandák D. Schlosser, Štefan Butyric acid production by Clostridium butyricum with integrated extraction and pertraction. Process. Biochem. 1999;34:835–843. doi: 10.1016/S0032-9592(99)00007-2. [DOI] [Google Scholar]

Интересно, что многие другие члены семейства Clostridium кодируют ферменты β-глюканазы и, таким образом, обладают способностью ферментировать этот тип волокон [73,74,75].

73.Zappe H., Jones W.A., Jones D.T., Woods D.R. Structure of an endo-beta-1,4-glucanase gene from Clostridium aceto-butylicum P262 showing homology with endoglucanase genes from Bacillus spp. Appl. Environ. Microbiol. 1988;54:1289–1292. doi: 10.1128/AEM.54.5.1289-1292.1988. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

• 74.Foong F., Hamamoto T., Shoseyov O., Doi R.H. Nucleotide sequence and characteristics of endoglucanase gene engB from Clostridium cellulovorans. J. Gen. Microbiol. 1991;137:1729–1736. doi: 10.1099/00221287-137-7-1729. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
• 75.Mittendorf V., Thomson J.A. Cloning of an endo-(1→4) -glucanase gene, celA, from the rumen bacterium Clostridium sp. (‘C. longisporum’) and characterization of its product, CelA, in Escherichia coli. J. Gen. Microbiol. 1993;139:3233–3242. doi: 10.1099/00221287-139-12-3233. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]

Вмешательство в волокна акации в организме человека привело к более высоким уровням Bifidobacteria и Lactobacilli [76].

76.Cherbut C., Michel C., Raison V., Kravtchenko T., Severine M. Acacia Gum is a Bifidogenic Dietary Fibre with High Digestive Tolerance in Healthy Humans. Microb. Ecol. Health Dis. 2003;15:43–50. [Google Scholar]

Кроме того, также было высказано предположение, что одним из основных ферментеров волокон камеди является Prevotella ruminocola [77,78], в то время как Bacteroides, как постулируется, играют определенную роль [79].

• 77.Kishimoto A., Ushida K., Phillips G.O., Ogasawara T., Sasaki Y. Identification of Intestinal Bacteria Responsible for Fermentation of Gum Arabic in Pig Model. Curr. Microbiol. 2006;53:173–177. doi: 10.1007/s00284-005-0219-3. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
• 78.Glover D.A., Ushida K., Phillips A.O., Riley S.G. Acacia(sen) SUPERGUMTM (Gum arabic): An evaluation of potential health benefits in human subjects. Food Hydrocoll. 2009;23:2410–2415. doi: 10.1016/j.foodhyd.2009.06.020. [DOI] [Google Scholar]
• 79.Phillips A.O., Phillips G.O. Biofunctional behaviour and health benefits of a specific gum arabic. Food Hydrocoll. 2011;25:165–169. doi: 10.1016/j.foodhyd.2010.03.012. [DOI] [Google Scholar]

Другие виды включают Propionibacterium, Veillonella, Selenomonas ruminatium и Anaerovibrio lypolytica [77].

77.Kishimoto A., Ushida K., Phillips G.O., Ogasawara T., Sasaki Y. Identification of Intestinal Bacteria Responsible for Fermentation of Gum Arabic in Pig Model. Curr. Microbiol. 2006;53:173–177. doi: 10.1007/s00284-005-0219-3. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]

Короткоцепочечные волокна галактоолигосахарида (ГОС) связаны с более высокими уровнями видов Bifidobacterium, которые хорошо приспособлены для ферментации этого сложного углевода [80].

80.Davis L.M.G., Martínez I., Walter J., Goin C., Hutkins R.W. Barcoded Pyrosequencing Reveals That Consumption of Galactooligosaccharides Results in a Highly Specific Bifidogenic Response in Humans. PLoS ONE. 2011;6:e25200. doi: 10.1371/journal.pone.0025200. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

Между тем, сообщалось, что Faecalibacterium prausnitzii увеличивается в изобилии при добавлении в рацион галактоолигосахарида (ГОС)[80]

в то время как фруктоолигосахарид (ФОС), подтип короткоцепочечных волокон, аналогичный ГОС, может ферментироваться видами Bifidobacterium и Collinsella aerofaciens [81].

81.Cook G.M., Russell J.B. Energy-spilling reactions of Streptococcus bovis and resistance of its membrane to proton conductance. Appl. Environ. Microbiol. 1994;60:1942–1948. doi: 10.1128/AEM.60.6.1942-1948.1994. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

Таким образом, несколько фракций пищевых волокон могут положительно влиять на популяции кишечных микробов.

Сообщалось, что увеличение потребления цельнозернового ячменя увеличивает численность Prevotella copri [82].

82.Kovatcheva-Datchary P., Nilsson A., Akrami R., Lee Y.S., De Vadder F., Arora T., Hallen A., Martens E., Björck I., Bäckhed F. Dietary Fiber-Induced Improvement in Glucose Metabolism Is Associated with Increased Abundance of Prevotella. Cell Metab. 2015;22:971–982. doi: 10.1016/j.cmet.2015.10.001. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]

Другое исследование, изучающее влияние ячменя, сообщило об увеличении филюмов Firmicutes и Actinobacteria [83].

83.Yang J., Martínez I., Walter J., Keshavarzian A., Rose D.J. In vitro characterization of the impact of selected dietary fibers on fecal microbiota composition and short chain fatty acid production. Anaerobe. 2013;23:74–81. doi: 10.1016/j.anaerobe.2013.06.012. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]

На уровне видов Bifidobacterium, Roseburia, Eubacterium и Dialister были основными реакторами этого вмешательства, которое сопровождалось уменьшением филюма Bacteroidetes. Однако исследование цельнозерновой ржаной клетчатки не показало никакого влияния на фекальную микробиоту в здоровой датской когорте [84].

84.Vuholm S., Nielsen D.S., Iversen K.N., Suhr J., Westermann P., Krych L., Andersen J.R., Kristensen M. Whole-Grain Rye and Wheat Affect Some Markers of Gut Health without Altering the Fecal Microbiota in Healthy Overweight Adults: A 6-Week Randomized Trial. J. Nutr. 2017;147:jn250647-2075. doi: 10.3945/jn.117.250647. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]

В аналогичном вмешательстве не наблюдалось никаких изменений в общей численности кишечной микробиоты финнов у тех, у кого был диагностирован метаболический синдром (таблица 1) [85].

85.Lappi J., Salojärvi J., Kolehmainen M., Mykkänen H., Poutanen K., De Vos W.M., Salonen A. Intake of Whole-Grain and Fiber-Rich Rye Bread Versus Refined Wheat Bread Does Not Differentiate Intestinal Microbiota Composition in Finnish Adults with Metabolic Syndrome. J. Nutr. 2013;143:648–655. doi: 10.3945/jn.112.172668. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]

Однако этот автор сообщил о значительно более низких уровнях Bacteroidetes и более высоких уровнях Firmicutes и Actinobacteria после добавления 75 г ржаного хлеба в день.

Очевидно, что пищевые волокна оказывают глубокое влияние на состав кишечной микробиоты, при этом для деградации различных типов волокон требуются многочисленные различные виды, которые кодируют комплементарные ферменты для ферментации. В этой синтрофной связи первичные деструкторы или ключевые виды инициируют процесс и производят парпродукты расщепления, в дополнение к метаболитам, которые могут принести пользу самому ключевому виду, а также другим таксонам [86].

• 86.Coyte K.Z., Schluter J., Foster K.R. The ecology of the microbiome: Networks, competition, and stability. Science. 2015;350:663–666. doi: 10.1126/science.aad2602. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]

Перекрестное кормление происходит, когда вторичные ферментеры завершают процесс, полностью расщепляя пищевые волокна для получения короткоцепочечных жирных кислот [38,87].

• 87.Koropatkin N.M., Cameron E.A., Martens E.C. How glycan metabolism shapes the human gut microbiota. Nat. Rev. Genet. 2012;10:323–335. doi: 10.1038/nrmicro2746. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

Это перекрестное кормление было полностью описано для ферментации RS. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы установить эти связи в расщеплении других типов пищевых волокон. Для того чтобы потенциал пищевых волокон был полностью использован при лечении метаболических расстройств, важно, чтобы была изучена конкретная роль, которую эти микробиоты играют в метаболизме определенных подтипов волокон. 5.

Короткоцепочечные жирные кислоты являются продуктом микробной ферментации пищевых волокон Ферментация пищевых волокон микробиотой хозяина была связана с множеством преимуществ для здоровья, включая снижение уровня холестерина и улучшение контроля глюкозы [17].

Помимо значительного влияния на микробиоту кишечника, волокна также могут определять сигнатуры метаболитов, полученных из микроорганизмов в кишечнике [88].

88.Wong J.M.W., De Souza R., Kendall C.W.C., Emam A., Jenkins D.J.A. Colonic Health: Fermentation and Short Chain Fatty Acids. J. Clin. Gastroenterol. 2006;40:235–243. doi: 10.1097/00004836-200603000-00015. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]

SCFA являются основным продуктом этих микробных биохимических изменений и включают бутират, ацетат и пропионат.

Бутират производится по так называемому классическому пути или пути бутирил-КоА: ацетат-КоА-трансферазы [89,90].

• 89.Duncan S.H., Barcenilla A., Stewart C.S., Pryde S.E., Flint H.J. Acetate utilization and butyryl coenzyme A (CoA): Acetate-CoA transferase in butyrate-producing bacteria from the human large intestine. Appl. Environ. Microbiol. 2002;68:5186–5190. doi: 10.1128/AEM.68.10.5186-5190.2002. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
• 90.Louis P., Duncan S.H., McCrae S.I., Millar J., Jackson M.S., Flint H.J. Restricted Distribution of the Butyrate Kinase Pathway among Butyrate-Producing Bacteria from the Human Colon. J. Bacteriol. 2004;186:2099–2106. doi: 10.1128/JB.186.7.2099-2106.2004. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

Ацетат, с другой стороны, синтезируется из пирувата по пути Вуда-Люнгдаля [91] или через ацетил-КоА [92].

• 91.Ragsdale S.W., Pierce E. Acetogenesis and the Wood–Ljungdahl pathway of CO2 fixation. Biochim. Biophys. Acta Proteins Proteom. 2008;1784:1873–1898. doi: 10.1016/j.bbapap.2008.08.012. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
• 92.Koh A., De Vadder F., Kovatcheva-Datchary P., Bäckhed F. From Dietary Fiber to Host Physiology: Short-Chain Fatty Acids as Key Bacterial Metabolites. Cell. 2016;165:1332–1345. doi: 10.1016/j.cell.2016.05.041. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]

Наконец, пропионат производится по сукцинатному пути, акрилатному пути или пропандиоловому пути [92,93,94].

92.Koh A., De Vadder F., Kovatcheva-Datchary P., Bäckhed F. From Dietary Fiber to Host Physiology: Short-Chain Fatty Acids as Key Bacterial Metabolites. Cell. 2016;165:1332–1345. doi: 10.1016/j.cell.2016.05.041. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]

• 93.Hetzel M., Brock M., Selmer T., Pierik A.J., Golding B.T., Buckel W. Acryloyl-CoA reductase from Clostridium propionicum. JBIC J. Biol. Inorg. Chem. 2003;270:902–910. doi: 10.1046/j.1432-1033.2003.03450.x. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
• 94.Scott K.P., Martin J.C., Campbell G., Mayer C.-D., Flint H.J. Whole-Genome Transcription Profiling Reveals Genes Up-Regulated by Growth on Fucose in the Human Gut Bacterium “Roseburia inulinivorans”. J. Bacteriol. 2006;188:4340–4349. doi: 10.1128/JB.00137-06. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

Микробы также могут изменять эти SCFA на другие молекулы. Например, значительное количество ацетата может быть преобразовано в бутират посредством микробного перекрестного питания [95].

• 95.Boets E., Gomand S.V., Deroover L., Preston T., Vermeulen K., De Preter V., Hamer H.M., Van den Mooter G., De Vuyst L., Courtin C.M., et al. Systemic availability and metabolism of colonic-derived short-chain fatty acids in healthy subjects: A stable isotope study. J. Physiol. 2017;595:541–555. doi: 10.1113/JP272613. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

Количество и спектр продуцируемых SCFA полностью зависят от типа пищевых волокон [83], а также от вида микробиоты, присутствующей в толстой кишке [96].

• 96.Yang J., Rose D.J. Long-term dietary pattern of fecal donor correlates with butyrate production and markers of protein fermentation during in vitro fecal fermentation. Nutr. Res. 2014;34:749–759. doi: 10.1016/j.nutres.2014.08.006. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]

Таким образом, реакция людей на пищевые волокна с микробной и метаболической точки зрения очень индивидуальна и разнообразна. Подавляющее большинство продуцируемых SCFA пассивно всасывается через просвет толстой кишки. По оценкам, только незначительная часть (5–10%) микробно продуцируемых SCFA выводится с фекалиями [88].

88.Wong J.M.W., De Souza R., Kendall C.W.C., Emam A., Jenkins D.J.A. Colonic Health: Fermentation and Short Chain Fatty Acids. J. Clin. Gastroenterol. 2006;40:235–243. doi: 10.1097/00004836-200603000-00015. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]

Как правило, циркулирующая концентрация SCFA относительно низкая, но хорошо известно, что эти мощные сигнальные молекулы регулируют многочисленные важные процессы во всем организме, особенно в кишечнике [21].

Эти метаболиты являются основным механизмом, посредством которого пищевые волокна оказывают свое положительное влияние на здоровье и метаболизм хозяина. Уменьшение пищевых волокон приводит к снижению разнообразия микробиоты, особенно видов, которые специализируются на ферментации и, следовательно, на производстве SCFA. 6. Физиологические эффекты пищевых волокон, опосредованные через продукцию SCFA Продуцируемые микробами SCFA, в частности бутират, могут активировать ряд рецепторов, сопряженных с G-белком (GPCR) по всему ЖКТ, тем самым влияя на ключевые метаболические процессы, такие как метаболизм глюкозы и липидов, а также на регуляцию сытости, все из которых вовлечены в патогенез ожирения и метаболического синдрома [18].

Основными GPCR, активируемыми SCFA у людей, являются GPR41, GPR43 и GPR109A, которые экспрессируются по всему кишечнику [97,98,99].

• 97.Tan J., McKenzie C., Potamitis M., Thorburn A.N., Mackay C.R., Macia L. The Role of Short-Chain Fatty Acids in Health and Disease. Adv. Immunol. 2014;121:91–119. doi: 10.1016/b978-0-12-800100-4.00003-9. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
• 98.Canfora E.E., Jocken J.W., Blaak E.E. Short-chain fatty acids in control of body weight and insulin sensitivity. Nat. Rev. Endocrinol. 2015;11:577–591. doi: 10.1038/nrendo.2015.128. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
• 99.Leblanc J.G., Chain F., Martín R., Bermúdez-Humarán L.G., Courau S., Langella P. Beneficial effects on host energy metabolism of short-chain fatty acids and vitamins produced by commensal and probiotic bacteria. Microb. Cell Factories. 2017;16:1–10. doi: 10.1186/s12934-017-0691-z. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

GPR41 и GPR43 активируются SCFA в порядке активности пропионат ≥ бутират > ацетат [100,101], тогда как GPR109A активируется только бутиратом [102,103].

100.Brown A.J., Goldsworthy S.M., Barnes A.A., Eilert M.M., Tcheang L., Daniels D., Muir A.I., Wigglesworth M.J., Kinghorn I., Fraser N.J., et al. The Orphan G Protein-coupled Receptors GPR41 and GPR43 Are Activated by Propionate and Other Short Chain Carboxylic Acids. J. Biol. Chem. 2003;278:11312–11319. doi: 10.1074/jbc.M211609200. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]

101.Le Poul E., Loison C., Struyf S., Springael J.-Y., Lannoy V., Decobecq M.-E., Brezillon S., Dupriez V., Vassart G., Van Damme J., et al. Functional Characterization of Human Receptors for Short Chain Fatty Acids and Their Role in Polymorphonuclear Cell Activation. J. Biol. Chem. 2003;278:25481–25489. doi: 10.1074/jbc.M301403200. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]

• 102.Thangaraju M., Cresci G.A., Liu K., Ananth S., Gnanaprakasam J.P., Browning D.D., Mellinger J.D., Smith S.B., Digby G.J., Lambert N.A., et al. GPR109A Is a G-protein–Coupled Receptor for the Bacterial Fermentation Product Butyrate and Functions as a Tumor Suppressor in Colon. Cancer Res. 2009;69:2826–2832. doi: 10.1158/0008-5472.CAN-08-4466. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
• 103.Wanders D., Graff E.C., Judd R.L. Effects of high fat diet on GPR109A and GPR81 gene expression. Biochem. Biophys. Res. Commun. 2012;425:278–283. doi: 10.1016/j.bbrc.2012.07.082. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]

Помимо активации рецепторов, SCFA могут регулировать экспрессию генов посредством эпигенетических изменений в хромосомной ДНК [104].

104.Vanhoutvin S.A.L.W., Troost F.J., Hamer H.M., Lindsey P.J., Koek G.H., Jonkers D.M.A.E., Kodde A., Venema K., Brummer R.J.M. Butyrate-Induced Transcriptional Changes in Human Colonic Mucosa. PLoS ONE. 2009;4:e6759. doi: 10.1371/journal.pone.0006759. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

Известно, что бутират и в меньшей степени пропионат подавляют активность и экспрессию гистондеацетилазы (HDAC), тем самым увеличивая ацетилирование гистонов [104].

104.Vanhoutvin S.A.L.W., Troost F.J., Hamer H.M., Lindsey P.J., Koek G.H., Jonkers D.M.A.E., Kodde A., Venema K., Brummer R.J.M. Butyrate-Induced Transcriptional Changes in Human Colonic Mucosa. PLoS ONE. 2009;4:e6759. doi: 10.1371/journal.pone.0006759. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

Таким образом, считается, что существует два основных механизма, посредством которых SCFA влияют на биологическую реакцию хозяина [105]. Другим важным физиологическим эффектом потребления пищевых волокон, который косвенно влияет на метаболическое состояние, является сытость.

И бутират, и пропионат способствуют экспрессии генов глюконеогенеза, что способствует сытости посредством повышения регуляции сенсоров глюкозы воротной вены печени [106,107].

• 106.Delaere F., Duchampt A., Mounien L., Seyer P., Duraffourd C., Zitoun C., Thorens B., Mithieux G. The role of sodium-coupled glucose co-transporter 3 in the satiety effect of portal glucose sensing. Mol. Metab. 2013;2:47–53. doi: 10.1016/j.molmet.2012.11.003. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
• 107.De Vadder F., Kovatcheva-Datchary P., Goncalves D., Vinera J., Zitoun C., Duchampt A., Bäckhed F., Mithieux G. Microbiota-Generated Metabolites Promote Metabolic Benefits via Gut-Brain Neural Circuits. Cell. 2014;156:84–96. doi: 10.1016/j.cell.2013.12.016. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]

Ацетат может усиливать сытость посредством гипоталамической сигнализации [108].

108.Frost G., Sleeth M.L., Sahuri-Arisoylu M., Lizarbe B., Cerdan S., Brody L., Anastasovska J., Ghourab S., Hankir M., Zhang S., et al. The short-chain fatty acid acetate reduces appetite via a central homeostatic mechanism. Nat. Commun. 2014;5:3611. doi: 10.1038/ncomms4611. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

Кроме того, посредством активации GPR41 и GPR43, SCFAs обладают способностью вызывать секрецию пептида YY (пептид тирозин тирозин) и GLP-1 (глюкагоноподобный пептид 1) соответственно из энтероэндокринных клеток, расположенных в толстой кишке, которые затем высвобождаются в системный кровоток [109,110].

Попав в кровоток, они могут передавать сигналы через центральную нервную систему и выполнять функцию задержки опорожнения желудка, тем самым задерживая моторику кишечника и продлевая способность всасывания питательных веществ [111,112,113,114].

• 111.Batterham R.L., Cowley M.A., Small C.J., Herzog H., Cohen M.A., Dakin C.L., Wren A.M., Brynes A.E., Low M.J., Ghatei M.A., et al. Gut hormone PYY3-36 physiologically inhibits food intake. Nat. Cell Biol. 2002;418:650–654. doi: 10.1038/nature00887. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
• 112.Wei Y., Mojsov S. Tissue-specific expression of the human receptor for glucagon-like peptide-I: Brain, heart and pancreatic forms have the same deduced amino acid sequences. FEBS Lett. 1995;358:219–224. doi: 10.1016/0014-5793(94)01430-9. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
• 113.Merchenthaler I., Lane M., Shughrue P. Distribution of Pre-Pro-Glucagon and Glucagon-Like Peptide-1 Receptor Messenger RNAs in the Rat Central Nervous System Indexing terms: In situ hybridization; brain mapping; glucagon-like peptide-1 re-ceptor mRNA; ingestive behavior; obesity; pre-pro-glucagon. J. Comp. Neurol. Vol. 1993;403:261–281. doi: 10.1002/(sici)1096-9861(19990111)403:2<261::aid-cne8>3.0.co;2-5. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
• 114.Näslund E., Bogefors J., Skogar S., Grybäck P., Jacobsson H., Holst J.J., Hellström P.M. GLP-1 slows solid gastric emptying and inhibits insulin, glucagon, and PYY release in humans. Am. J. Physiol. Content. 1999;277:R910–R916. doi: 10.1152/ajpregu.1999.277.3.R910. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]

Таким образом, можно сказать, что пищевые волокна оказывают косвенное влияние на метаболизм, снижая потребление энергии через продукты ферментации SCFA, которые действуют, регулируя сытость через рецептор-зависимые и независимые механизмы.