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膳食营养素和肠道微生物组:精度改善代谢疾病健康营养的方法
  1. 凯莉米乔丹1,2,
  2. 伊曼纽尔E Canfora1,
  3. 吉斯H古森斯1,
  4. 艾伦E Blaak1,2
  1. 1人类生物学,营养和代谢转化研究学院(NUTRIM),马斯特里赫特大学医学中心+,马斯特里赫特、荷兰
  2. 2TiFN,瓦赫宁根、荷兰
  1. 对应到人类生物学教授艾伦·E Blaak,营养和代谢转化研究学院(NUTRIM),马斯特里赫特大学医学中心+,汇票箱616、6200 MD马斯特里赫特,荷兰;e.blaak在{}maastrichtuniversity.nl

文摘

越来越多的证据表明,肠道微生物组是一个重要的监管机构的体重,葡萄糖和脂类代谢,和炎症过程,并可能因此在肥胖的病因学中发挥关键作用,胰岛素抵抗和2型糖尿病。个人间响应特定的饮食干预可能部分取决于个体间基线肠道微生物群组成和功能的差异与不同的代谢表型。然而,一个人的饮食之间的关系,肠道微生物和宿主代谢表型是多向和复杂,产生的一个挑战实际实施有针对性的膳食指南。在这次审查中,我们讨论最新的研究描述膳食成分之间的相互作用,肠道微生物和宿主代谢。此外,我们描述这些知识可以集成开发precision-based营养策略来改善人类的体重控制和新陈代谢健康。具体来说,我们将解决这个问题(1)insight基线肠道微生物的作用和代谢表型膳食干预反应可能提供引线precision-based营养策略;(2)之间的平衡碳水化合物和蛋白质发酵肠道微生物群,以及在结肠发酵的,似乎宿主代谢的重要决定因素;(3)“大数据”,包括多个组学和先进的造型,是不可否认的重要的预测(非)应对膳食干预措施。显然,详细的代谢和微生物表型出现在人类之间的联系是必要的,以便更好地理解饮食,肠道微生物和宿主代谢,必须制定有针对性的饮食战略和指导方针为不同的子组的人口。

  • 葡萄糖代谢
  • 营养
  • 肥胖
  • 肠道细菌
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关键信息

已经知道这个问题是什么?

  • 肠道微生物之间的相互作用、饮食和宿主的代谢是多向和复杂,在获取详细的提供了一个挑战,机械的见解。

  • Gut-derived代谢物,包括短链脂肪酸(来自纤维发酵),可能是宿主代谢的重要监管机构。大多数代谢物来源于蛋白质发酵似乎对代谢健康有不利影响。

新发现在这个领域是什么,他们怎么能影响未来的研究和临床实践?

  • 基线肠道微生物配置文件可能是预测个体对膳食干预的反应。在这一领域未来的研究应考虑确定详细的微生物和代谢表型以及它们的交互作用。

  • 对宿主肠道microbiome-associated影响代谢可能与发酵产品的碳水化合物和蛋白质。了解如何最优平衡蛋白水解和saccharolytic发酵并获得洞察的重要性的结肠发酵将洞察饮食之间的相互作用,肠道微生物组和代谢过程。

  • 理解微分反应机制的饮食是至关重要的领域的前进精密营养。尽管知识的数量和质量近年来发展迅速,我们仍然只看到冰山的一角。

介绍

全球肥胖的患病率上升是一个重大的社会经济负担和强烈与代谢疾病的发病率和患病率增加的疾病,包括胰岛素抵抗(IR)和2型糖尿病(T2DM)病人体内。1 2尽管努力改善生活方式和提高洞察潜在的病因学,肥胖的预防和治疗的长期效果似乎有限,作为食源性减肥只是维持5年随访后大约25%。3近年来,取得了进步在理解肠道微生物的参与在肥胖和相关代谢疾病并发症的调节器主机能源和基质代谢。4个5因此针对主机通过肠道微生物的新陈代谢可能假定的策略来改善生活方式干预措施的有效性,促进代谢疾病的健康。

肠道微生物本身的复杂性及其与宿主相互作用的健康和主机能量和代谢底物,它的作用在肥胖和2型糖尿病一样,变得更加明显。4 6 - 8尽管指数增加的数量研究调查的影响肠道微生物对宿主代谢在过去的十年中,数据确认一个因果的作用在人类肠道微生物新陈代谢稀缺和结果不一致。7 9此外,动物实验的结果出现差异难以转化为人类解剖学、遗传学、生理学和肠道microbiome-host互动等因素。10 11在整个20世纪,microbiome-host交互已经获得了科学的兴趣,12人类粪便移植研究提供依据,提示肠道微生物群组成的因果作用及其派生的代谢物在代谢综合征的发展。13日14这些研究表明,基线微生物成分可能预测的改善外围在代谢综合征患者胰岛素敏感性,尽管影响是短暂的。14然而,最近,它已经表明,抗生素引起的强烈变化丰富的微生物对胰岛素敏感性无显著影响,炎症和能源/基质代谢患者肥胖和葡萄糖代谢。15这个双盲,随机,安慰剂对照的临床试验表明,调制微生物群的组成可能没有在所有条件下对人体新陈代谢产生重要的影响,而这影响,而取决于个人的特征如年龄、习惯饮食,肠道微生物代谢表型和基线配置文件。

肠道微生物群的构成是由可遗传的,人口和环境因素,包括出生时分娩方式、年龄、性别、胃肠传输时间和药物的使用。在最近的研究中,饮食已成为一个重要的因素塑造和肠道微生物组的定义。16 - 19食源性肠道微生物群的组成和功能的变化与肥胖和相关疾病的发展。20.膳食纤维,尤其是受到极大关注的潜在介质通过肠道microbiome-related宿主的代谢相互作用,21但矛盾的结果已报告关于代谢的结果。22日23日显示之前,基线的肠道微生物群组成和功能的差异可能决定(缺乏)回应一个干预。24因此,它很容易假定个人间的肠道微生物群组成和功能的变化可以作为一个基础更precision-based抵消代谢疾病疾病的饮食方法。

综述,饮食营养元素之间的复杂的相互作用,特别是膳食纤维和蛋白质,肠道微生物和宿主代谢健康,是解决。目前的审查小说在肠道微生物代谢物等saccharolytic发酵产生短链脂肪酸(SCFAs)以及蛋白水解发酵如氨、indolic和酚类化合物,支链脂肪酸(BCFAs) (图1)。我们将讨论的平衡saccharolytic和蛋白水解发酵代谢健康的重要决定因素。越来越明显的是,这种平衡可以通过饮食与用户相关的或subgroup-specific调制方式。25首先,它将简要解决到什么程度微生物组成及其功能与宿主的代谢表型,包括相关的假定的潜在机制gut-derived saccharolytic和蛋白水解代谢产物。随后,我们将讨论的影响膳食纤维和蛋白质在微生物组成和功能和胰岛素敏感性,以及在多大程度上反应和情况说明由基线微生物组成。总的来说,我们将提供洞察精密调节营养策略的重要性和微生物组成和功能,因此,体重控制和胰岛素敏感性。最后,我们将讨论什么是需要发现这个领域内转化为更多的精度以营养为基础的干预和指导方针。

图1

饮食和saccharolytic之间的相互作用和蛋白水解发酵肠道和主机的新陈代谢。发酵的膳食纤维主要发生在近端结肠和收益率SCFAs为肠上皮细胞,都可以用作燃料,可以作为外围的信号分子。SCFAs参与集中调节食物摄入量和能量消耗的影响分泌GLP-1和肽yy。SCFAs监管者之间的interorgan相声有益肠道和周边器官如肝脏和肌肉。蛋白质发酵主要发生在远端结肠和产生更多的各种各样的代谢物,包括BCFAs,这与对肠道健康和代谢产生不利影响。绿色框表示SCFAs在周边器官代谢过程的影响。蓝色边框显示效果相反的方向网站方向(虚线)或未知的方向(线)的蛋白水解发酵产品。BCFA,支链脂肪酸;足总脂肪酸;GLP-1, glucagon-like肽1; PYY, peptide YY; SCFA, short-chain fatty acid; TMAO, trimethylamine N-oxide.

肠道微生物和宿主的代谢表型

在肥胖和2型糖尿病肠道微生物组成

肠道微生物组似乎影响宿主的代谢表型通过不同的代谢物的生产。26通过这些代谢物,肠道微生物群可能影响免疫功能和上皮完整,能源和基质代谢、葡萄糖体内平衡。13 27 28这种能力与主机交互的健康依赖于类型的细菌,这些细菌的分布在肠道微生物群落。因为功能(如发酵能力)之间的不同细菌物种,改变肠道微生物群组成和多样性,如肥胖和2型糖尿病观察,随后可能影响代谢过程和宿主的免疫系统。

的核心人类肠道微生物群主要由细菌类群厚壁菌门,拟杆菌、放线菌、变形菌门,Fusobacteria Verrucomicrobia,厚壁菌门和拟杆菌门代表大约90%的肠道微生物群社区。29日厚壁菌门的门由百分之九十五乳酸菌,芽孢杆菌,梭状芽胞杆菌,肠球菌瘤胃球菌属属,而拟杆菌主要是由拟杆菌,普氏菌在较小程度上,放线菌,包括双歧杆菌属属。29日尽管存在一个核心微生物群,其成分是高度个性化和由遗传学,30.性,31日32的年龄,33 34种族35和环境因素,如吸毒28日36和饮食习惯。37人类肠道微生物群的独特形象转化为高度个性化反应急性膳食挑战和长期饮食干预措施。38-40干预的成功因此可能至少部分解释为基线差异在肠道微生物组。

有趣的是,一些研究表明个体的代谢表型之间的关系和肠道微生物群的组成和功能。初步研究表明增加Firmicutes-to-Bacteroidetes比率在人类和啮齿动物与肥胖与精益的个体相比,41 42但其他的研究未能遵守这样的差别甚至报道比例下降。9 43 44更加一致,超重和中度肥胖,红外与2型糖尿病相关成分的变化和减少微生物丰富度和多样性与精益相比,健康的个体,41 45-47这与代谢障碍有关。事实上,确定详细的个人超重或肥胖(病态)表明,微生物基因丰富性与脂肪量呈负相关,瘦素水平、空腹胰岛素、稳态模型评估胰岛素抵抗(HOMA-IR),甘油三酸酯水平和系统性炎症。45的患病率较低的微生物基因丰富性被发现在严重肥胖高达75%,相比之下,23% - -40%在精益或超重/中度肥胖。4 48比较的新陈代谢健康的和不健康的个体,α多样性较低的群体。49具体地说,细菌的Oscillospira属和Coriobacteriaceae家人都与新陈代谢的健康有益。在一项研究中包括人口与正常体重和超重/肥胖、丰富的具体属与代谢特点。50值得注意的是,人体测量参数与呈正相关Collinsella aerofaciens,Dorea formicigeneransd . longicatena丰度较高的超重/肥胖的人。此外,不同属的Lachnospiraceae消极与身体脂肪质量,低密度脂蛋白、总胆固醇浓度。的参与在代谢调节个人属或物种似乎证实了许多其他,主要关联研究在人类。最有说服力的证据是可用的细菌Akkermansia属,消极与患肥胖和代谢综合征的风险。51 523个月的补充Akkermansia muciniphila改善胰岛素敏感性和降低血液标记患者肝功能异常和炎症的IR和超重/肥胖。此外,另一项研究显示显著的浓缩答:muciniphilaAlistipes obesi在精益个人,瘤胃球菌属gnavus在肥胖个体。6个卡路里限制饮食增加答:muciniphila答:obesi更精益人,r . gnavus大量减少肥胖组。53本研究确定了Blautia wexlerae拟杆菌dorei作为减肥的最强预测存在丰富高时基线。特定的干预措施与高纤维饮食,然而,提示对基线普氏菌丰富的预测成功减肥饮食与肥胖的人。54

此外,患有2型糖尿病和新陈代谢损害个人显示改变微生物功能和发酵能力下降与健康人相比,特别是butyrate-producing细菌的丰度较低。13 55 56此外,肠道微生物组胰岛素抵抗个体中可能会增加生物合成潜力,减少吸收和支链氨基酸的分解代谢(BCAAs,主要由普氏菌coprib . vulgatus),这与有害代谢的影响。57综上所述,有证据表明,减少微生物基因代谢损害个人形式的丰富性和多样性。此外,特定个体的微生物可能是监管机构(变化)代谢疾病的健康。个人间的差异可能与肠道微生物群组成和功能改变的响应(饮食)的干预措施,如将在本文后面进行更广泛的讨论。

Saccharolytic和蛋白水解发酵,体重控制和胰岛素敏感性

肠道微生物群之间的交互和宿主代谢是多因子的依赖于微生物和宿主代谢表型,这可能是相互关联的。生产或激活的信号分子参与宿主代谢、胆汁酸的规定内稳态,肠道通透性的修改,肠道激素的释放,脂多糖和炎症标记物,肠道微生物群的机制可能影响宿主代谢疾病表型。58Gut-derived代谢物可能是宿主代谢健康有益的或有害的。在发展中precision-based营养,细菌产生某些代谢物的能力应该被考虑。在本文中,我们关注saccharolytic之间的平衡和蛋白水解发酵代谢健康的决定因素(图1),将讨论在接下来的段落。

Saccharolytic发酵

肠道微生物群的发酵食品组件,否则将不可用主机。59膳食纤维和其他复杂的碳水化合物,不能分解酶在小肠(部分)可以由细菌发酵的大肠作为首选能源,生产微生物产品,如SCFAs(主要是乙酸、丙酸和丁酸)。60主要的丁酸盐生产细菌属于门壁厚菌门,特别是Faecalibacterium prausnitzii,leptum梭状芽胞杆菌,真细菌rectaleRoseburiaspp。61年其他SCFAs的生产是由细菌等双歧杆菌属在碳水化合物发酵产生醋酸和乳酸。同时,答:muciniphila物种产生丙酸和乙酸。61 62

稳定同位素技术和13 C标记SCFAs允许量化体内结肠生产SCFAs基于呼吸,尿液和血液分析。63年SCFAs形成主要在结肠中,大约95%被吸收。64年丁酸盐主要由colonocytes作为主要的能量来源,而丙酸和乙酸通过门静脉旅行到肝脏。特别是,醋酸后也可以达到周组织进入体循环,引起代谢的多样性和satiety-related效果。25 65年SCFAs可以绑定到G protein-coupled受体(GPRs)。最好的研究受体包括GPR41、GPR43 GPR109a GPR164,大量细胞的表达,包括结肠上皮细胞、胰腺β细胞,免疫细胞和周边组织,脂肪组织。66年SCFAs对周围组织的影响包括增加脂肪生成,抑制脂肪组织脂类分解由醋酸(特别是)和衰减在脂肪细胞的炎症,65 67 - 69增加骨骼肌脂质氧化能力,70 71胰腺胰岛素分泌增加和β-cell函数,72 73增加胰岛素敏感性和肝脏中脂质氧化74 75和改变肠脑交互。76 - 79这些数据主要来源于体外和啮齿动物的研究。

然而在人类研究,数据之间的关联SCFAs和代谢参数不能总是复制。例如,血浆胰岛素水平增加在hyperglycaemic夹与醋酸注入等离子醋酸在肥胖个体独立的变化。80年有益的影响SCFAs也可能与肠肠促胰岛素分泌增加有关,如glucagon-like肽1 (GLP-1)和肽YY (PYY组)。急性结肠管理丙酸增加餐后血浆PYY组GLP-1和减少能量摄入。81年此外,长期结肠丙酸交付预防体重增加,减少腹部肥胖和intrahepatocellular脂质含量,并阻止恶化在超重的成年人的胰岛素敏感性。81年符合这些发现,人类体内的数据表明,在成人超重或肥胖、脂质氧化和禁食后静息能量消耗增加食源性微生物变化SCFA生产或直接结肠SCFA注入。25日82 - 85虽然大多数研究表明有益作用SCFAs能源和葡萄糖稳态,65 86 87需要更大的人类研究阐明潜在机制的复杂性。

蛋白水解发酵

人口食用西方饮食低膳食纤维的微生物群的远端部分结肠更专业发酵残余多肽和蛋白质25因为首选燃料,可发酵的碳水化合物,已经很大程度上用于近端结肠。88年产品的蛋白水解发酵过程包括气体产品,如氢、甲烷、二氧化碳和硫化氢;BCFAs异丁酸盐,2-methylbutyrate BCAAs摘要来源于发酵,酚醛和indolic化合物来源于微生物发酵的芳香族氨基酸和较小,未知SCFAs程度。89年相比之下saccharolytic发酵产品,大多数产品来自蛋白水解发酵宿主肠道和新陈代谢健康被认为是有害的,60 89 90虽然动物的一些数据表明,吲哚的有益作用和硫化氢在肠道和外围组织功能。91 92

saccharolytic之间的平衡和蛋白水解在结肠发酵,从而推定地之间的平衡有益和有害的调节宿主的生理、可能感兴趣的膳食干预的发展策略。一些研究表明,增加膳食纤维摄入量,尤其是摄入慢慢可发酵的纤维,减少了生产只是有害蛋白水解代谢产物的肠道微生物群,24日93年建议转变在整体发酵平衡朝着更有利saccharolytic发酵。

另外,饮食胆碱和肉碱来自,例如,红肉可以转化为三甲胺(TMA)微生物酶在肠道。TMA到达肝脏通过门静脉通过吸收和运输。在肝脏,TMA可以通过肝氧化flavin-containing单氧酶进入三甲胺N-oxide (TMAO),这是与心血管疾病的发展,非酒精脂肪肝和系统性炎症。94 - 96此外,在小鼠和人类研究,证据正在增加,TMAO也促成了红外光谱和2型糖尿病的发展。97 - 99增加膳食纤维整个结肠微生物群的可用性可能会减少饮食胆碱和肉碱的发酵,因此抑制TMAO前体TMA的生产。事实上,啮齿动物研究表明,大量的可发酵纤维来自麦麸结肠TMA裂合酶的活性降低。One hundred.然而,这是否可以翻译成人类必须阐明。

饮食营养元素、微生物组成和代谢健康

塑造的成人肠道微生物组已经开始在生命的初期,根据因素如暴露在孕产妇微生物、交货方式和早期暴露于饮食组件,101年虽然这些因素的贡献不能总是得到证实。102年许多因素影响肠道微生物群的组成和功能在所有生命阶段,饮食是关键在调节特定细菌物种的丰度和它们的功能。103年16日亦然,个人的回应某些饮食或饮食成分可能主要影响肠道微生物群的特性。39饮食和个人的微生物群之间的双向交互形式精度的概念理解的基础营养的第三个组件:宿主的代谢健康。

饮食、营养元素和微生物

在当前西方世界,习惯性的饮食成分已经转向高高能量的食物的饮食,包括相对大量的饱和脂肪和简单碳水化合物,和低大量的膳食纤维。尤其是食用膳食纤维,而且消耗大量营养素质量以及数量可以强烈影响肠道微生物群的组成和功能。基于宏基因组分析发现微生物组成和多样性之间的关联和60岁以上的饮食习惯饮食因素。这些因素包括能源和大量营养素的摄入和消耗的特定食品如面包和饮料。这些数据证实了饮食的重要性在塑造肠道微生物组。104年37

在纵向同卵双胞胎的研究中,粪便微生物群分析表明,习惯性的能量摄入量,类型的不饱和脂肪酸(FA)和可溶性纤维影响微生物群组成,特别的丰富拟杆菌双歧杆菌属105年在后者中,身体质量指数(BMI)没有与微生物群组成。此外,微生物菌群与长期的饮食习惯密切相关,特别是蛋白质和动物脂肪(拟杆菌)与碳水化合物摄入量(普氏菌)。37符合这一点,长期坚持地中海式饮食与特定的肠道微生物类群以及功能概要。106年后者的结果研究表明,肠道微生物组的构成是一个调制器保护协会的地中海饮食和代谢疾病疾病风险之间的关系。106年当比较习惯性高脂肪饮食高碳水化合物饮食,微生物多样性似乎低与高脂肪饮食。此外,微生物多样性似乎低当比较高(饱和)丰满高碳水化合物饮食/纤维饮食。107 - 109这食源性失调被假定是引发肥胖的代谢障碍。7重要的是,证据表明高脂肪,西式饮食的肠道微生物群组成和多样性主要是来源于观察而不是膳食干预研究。110年

虽然主要演示了在动物模型中,数量有限的人类研究表明膳食intervention-induced微生物组成和功能的改变可能已经发生几周甚至几天后饮食摄入量的变化。111年对于人类来说,适度的微生物变化被发现在一个严格的切换到一个完全植物性和动物性饮食。103年这些相当极端形式的膳食干预提供洞察潜在diet-gut微生物相互作用的机制、表明饮食intervention-induced微生物可能发生迅速变化。59符合这一点,一个小controlled-feeding研究表明微生物组成的变化在24小时内启动的高脂肪、低纤维或低脂高纤维饮食,虽然菌群身份却能合成更多形成保持稳定在这10天的学习。37这些调查结果表明,有一个微生物弹性在成人的趋势,这可能与长期习惯性膳食摄入量有关。细菌菌群的概念,然而,已经被其他几个质疑研究由于缺乏了解菌群动态却能合成更多形成和弹性。112年

比较有趣的是,一年干预研究的影响energy-restricted地中海饮食和增加体力活动的地中海饮食等热量的超重/肥胖成年人显示显著差异群体之间的肠道微生物群组成的变化。尽管如此,微生物的趋势转变为饮食是在同一个方向。113年除了饮食大量营养素摄入量,其他生物活性化合物也会影响肠道微生物组成和活动。例子是膳食多酚,114年微量元素、维生素115年和益生菌116年并可能导致肠道microbiota-host新陈代谢相声。在接下来的段落中,我们将重点介绍膳食大量营养素摄入量的影响在人类肠道微生物群,并将这个链接到主机代谢的结果。概述有关饮食大量营养素或饮食模式相关的人类研究肠道微生物组提供表1

表1

干预的影响与膳食纤维、碳水化合物和蛋白质和膳食模式的改变肠道微生物群和主机上的新陈代谢在健康、超重、肥胖和胰岛素抵抗的个体

膳食纤维和新陈代谢健康

消化的碳水化合物是一个复杂的过程,涉及特定酶的类型的碳水化合物的摄入。大多数消化的膳食碳水化合物在小肠消化和吸收,而确定的,对于很大一部分难以消化的碳水化合物,包括抗性淀粉和膳食纤维,容易被肠道微生物发酵最高的内容在结肠。膳食纤维已被证明有重大影响肠道微生物群的组成和功能与健康有关。117 - 119这些膳食纤维的结构可能不同,物理和化学性质如水溶性、粘度、绑定和膨胀能力,和发酵性能。117年高度可发酵的纤维,如β-glucan,菊粉和galacto-oligosaccharides,是定义良好的微生物群组成和影响肠道代谢产物的生产,25虽然不溶性纤维,虽然部分发酵,大多以有益影响粪便一致性和结肠转运时间。120 - 122

的摄入高纤维饮食有益影响宿主的健康,以及其他影响葡萄糖和脂质代谢。重要的监管机制包括营养吸收123年或SCFAs的生产,65年但数据膳食纤维对健康的影响是有争议的。有几种膳食纤维的研究结果不一致的解释。25 65年首先,在大多数人类研究,只有一个特定的可发酵纤维补充,从而刺激只有一个或几个个体潜在的有益菌属。22 65后者的结果可以减少大量的其他重要的细菌,这可能导致微生物生态系统的失衡。因此,结合不同的纤维刺激多种不同细菌属可能是重要的维持微生物丰富更明显(相加或协同作用的)对免疫状态和代谢健康的影响。25有趣的是,mechanistical的一项研究表明,纤维的结肠SCFA生产代谢健康的可能是一个决定因素。后者研究表明,急性远端结肠醋酸政府增加循环醋酸浓度和增加脂肪氧化,satiety-stimulating激素肽yy,降低血浆肿瘤坏死factor-α男性超重。83年乙酸与远端注入相比,政府在近端结肠并不影响代谢轮廓。83年因此,针对膳食纤维可用性和SCFA远端结肠微生物物种的形成,通过结合不同的膳食纤维和/或更复杂的膳食纤维,可能是一个有前途的战略来提高免疫和代谢健康。

第二,大多数膳食纤维的干预研究,到目前为止,并没有考虑到基线微生物或代谢表型。肠道微生物组在基线可能强烈的特点与饮食干预的结果。例如,它已经表明,肠道微生物群的反应对膳食纤维(抗性淀粉、非淀粉多糖)可以从基线预测微生物多样性与肥胖的男性。124年在后者中,高微生物多样性降低饮食响应的微生物群,124年这可能支持的假设一个更高的肠道微生物的多样性与微生物生态系统的稳定。符合这一点,高微生物基因数在基线相关不明显应对减肥饮食与个人相比低基因数。低基因计数组中,有一个改善基因丰富性和临床参数,虽然炎症标记物的变化不太明显较低的个体基因丰富性。48high-gene计数组的基础情况还不清楚,因为这并不与习惯性膳食摄入量有关。此外,在个人与肥胖的另一项研究显示,不是基线微生物多样性而是基线丰富的厚壁菌门预测个人的饮食响应的微生物群。125年在一起,这些研究结果表明,微生物多样性并不总是预测饮食响应和暗示这还需要进一步的研究来更好地理解复杂的diet-microbiome-host代谢相互作用。

膳食纤维干预措施的有效性也可能取决于习惯饮食和纤维的摄入量。健康人习惯性高膳食纤维摄入量有更大的改变肠道微生物群组成作为回应inulin-type果聚糖生命起源以前的相比之下,人们习惯性的纤维摄入量较低的肠道微生物群似乎更具弹性的改变。126年二型糖尿病患者的一项研究显示,一群选择SCFA-producing微生物菌株被提拔的膳食纤维和其他微生物,包括蛋白水解发酵,减少或不变,显示整体减少微生物基因丰富性。24粪便SCFAs增加,特别是丁酸,伴随着改善葡萄糖体内平衡。因此,更大的微生物基因丰富性本身可能不是有益的,见几个人类纤维膳食干预研究,24但生理的结果,而可能是依赖于微生物的功能网络。

在一项研究中调查六周全麦饮食对体重的影响变化,基线的细菌丰度很高普氏菌属与更高的体重超重,健康的成年人。54这些发现表明预测能力效果修饰符的肠道微生物群在应对特定的饮食干预措施。此外,发现超重,前驱糖尿病的个体有一个减少响应对微生物多样性和餐后胰岛素敏感性的变化短期管理长链菊粉结合抗性淀粉与精益的个体相比。86年符合这一点,最近的研究表明,基线预测可能会改变肠道微生物签名BMI后3个月的长链菊粉补充,127年一个复制的影响hum-ob老鼠殖民与从不同的肥胖患者基线粪便微生物群。

总的来说,生命起源以前的膳食纤维对代谢健康结果的有效性可能取决于几个参数,包括最初的微生物组成和微生物发酵的网站。

膳食蛋白质、微生物群组成和代谢健康

摄入膳食蛋白质是首次在小肠消化来自肠上皮细胞的胰酶、肽酶。大量的寡肽和氨基酸然后运输到门户血液通过肠上皮细胞转运蛋白,用作氨基酸前体蛋白质合成或生物燃料或前体肠道粘膜代谢物所必需的。88 128 129由于可发酵碳水化合物是优先使用在大多数细菌的蛋白质在小肠远端和近端结肠,大多数发酵氨基酸作为能源发生在远端结肠,碳水化合物耗尽。130年摄入蛋白质的比例到达大肠也可能依赖于蛋白质品质,估计数字在10%左右。131年蛋白质来自植物较低消化率由于难以消化的植物的细胞壁,132年而蛋白质来源于动物大肠可以更容易消化,表明潜在的功能结果的差异。代谢产物产生的蛋白水解作用(图1)可以被colonocytes或排泄粪便。128年大多数蛋白水解产品被认为对肠道和宿主代谢健康有不利影响。89年此外,蛋白水解和发酵saccharolytic之间的平衡可能决定生活方式干预的情况说明133年因此应该被认为是在未来的研究。134年

代谢蛋白质摄入量的影响已得到充分的研究。酪蛋白,相对缓慢消化蛋白质来源于动物产品,是最有效的预防体重增加和蛋白质来源的老鼠脂肪质量吸积高脂肪、高蛋白饮食(HPD)。135年流行病学研究也表明,摄入奶制品和素食蛋白与预防肥胖有关,而高摄入的肉类(尤其是红肉)预测更高的体重增加。136 - 138虽然调查更广泛,蛋白质摄入量已被证明影响微生物群组成和功能。139年效应是由蛋白质的氨基酸组成和消化率的影响源和摄入的量。140年高蛋白饮食与降低c .球菌样的,c . leptumf . prausnitzii在大鼠,141年而减少Roseburiaspp,大肠rectale,c . aerofaciens,拟杆菌spp和Oscillibacter亲戚一直在观察男性超重或肥胖。89 142值得注意的是,比较保护局中等蛋白质或低蛋白饮食等热量的方式引起碳水化合物或脂肪含量差异饮食。对于所有等热量的饮食常量营养元素交换研究,因此难以确定主要膳食因素负责肠道微生物群的成分变化,这可能归因于一(宏观)营养增加或减少。

虽然蛋白水解代谢产物主要是与不良健康效应有关,目前的证据也表明,蛋白水解代谢产物可能对代谢健康有益的影响。例如,一些氨基acid-derived化合物,可以仅由肠道细菌(吲哚)或哺乳动物宿主(酪胺、色胺和SCFAs)(在)直接影响饱腹感和肠道蠕动在哺乳动物通过对从enteroendocrine GLP-1和5 -羟色胺分泌细胞的影响。143年然而,对宿主肠道的生理影响和外围组织的大多数这些化合物仍不清楚。此外,人类和细菌之间的区别的起源这些化合物尚未完善,并进一步在体内研究来验证这些影响是必要的。

膳食脂肪和多酚与肠道微生物和交互

膳食脂肪已被广泛的研究与与饮食相关的代谢疾病,如肥胖,但影响肠道微生物群中定义人类较低,和研究往往会产生相反的结果。144年FAs中不同类型(vs monosaturated饱和和不饱和FAs),碳链长度和饱和度可能对肠道微生物群组成有明显的影响。109年横断面研究表明,食用富含动物蛋白质和脂肪的饮食有关拟杆菌菌群,却能合成更多形成虽然拥有更高的营养,食用水果和蔬菜是相关的普氏菌菌群在却能合成更多形成健康的成年人。145年此外,主要是饱和脂肪酸摄入量高(美国)与减少肠道微生物成人和婴儿形式的丰富性和多样性。146 147在超重和肥胖的人,美国是负相关的属Intestinimonas,而美国正在积极联系在一起Roseburia,这是在正常体重的人也非常丰富。50在这项研究中,习惯性的SFA摄入量与butyrate-producing细菌表现出相反的关联概要文件,这取决于BMI。总体来说,应该注意,饮食fat-microbiome-host生理相互作用研究更广泛与膳食纤维相比,而机械的知识在很大程度上是基于动物研究。解释这些发现的人体生理学是困难的,并应该作进一步的调查。

第二,从广泛的膳食成分,膳食多酚及其影响肠道微生物和宿主代谢近年来得到广泛的研究。多酚、现在的酚类化合物主要是水果和蔬菜,以他们的有利影响抗氧化、抗炎、心血管、癌症预防和神经保护药物。148年一个两个月的epigallocatechin-3-gallate补充,自然存在于茶,都影响胆汁酸代谢和Verrucomicrobiaceae丰富与肥胖老鼠,它促进了增长答:muciniphila丰富。149年后者与有益的代谢影响其他有关研究。52 150 151此外,虽然也在动物模型中,8周多酚补充免受食源性肥胖,IR和肠道炎症,与大量的增加Akkermansiaspp。114年在健康、超重或肥胖个体,12周的白藜芦醇和epigallocatechin-3-gallate补充改善代谢参数和减少拟杆菌门男人而不是女人。152年总的来说,增加膳食多酚的饮食似乎促进肠道和代谢健康,虽然在人类研究mechanistical见解仍然是必需的。

对精密营养:结论和未来的观点

Microbiome-based精密营养代谢健康参数来预测血糖反应和可变性,或用来抵消代谢混乱目前收到了重大的科学的关注。在这一领域的具有里程碑意义的研究显示,尽管高人际可变性在餐后血糖反应,个性化的饮食(基于习惯饮食、身体活动和肠道微生物群)的帮助下创建一个机器学习的算法可能成功地降低血糖反应。39餐的餐后肠道微生物组的预测能力挑战再次强调在另一项研究中,表明个体的微生物有一个更大的影响力(解释方差的7.1%)比膳食营养素(预测餐后lipaemia解释方差的3.6%),而不是餐后glycaemia(解释方差的6.0%和15.4%,分别)。38符合这个重要的人际差异被发现在血糖应对不同类型的面包,这血糖反应可以通过基线预测微生物特性。153年他们的发现值得注意的是,这些研究主要是基于对急性膳食挑战和短期干预措施而不是长期干预的反应。决定性的结果,后者仍然是稀缺的,但肠道微生物组的预测能力正变得越来越明显,尤其是在研究纤维和粪便微生物群移植的影响。13 14 40

正如前面所讨论的那样,可能会有公认的阻力microbiome-host代谢轴与红外膳食干预个人,表明干预可能需要更长的时间,或者更高的功能性膳食组件(如膳食纤维摄入量需要产生有益的效果。在这方面,基线微生物配置文件是一个有趣的生物标志物响应膳食干预措施(如膳食纤维或复杂的蛋白质)。特定功能微生物群体的特点是不同的消化能力对于饮食的组件,导致微分生产微生物代谢物如SCFAs,随后影响宿主的代谢调节。154年几项研究发现了一种预测能力普氏菌菌群优化减肥却能合成更多形成高纤维饮食,虽然这并不是发现在个人拟杆菌门菌群。却能合成更多形成40 54 155在个人分层管理的效率最优的纤维类型对微生物组成和功能,程度的多样性或大量的特定微生物菌株尚未检查;因此,未来的证据是需要在未来膳食干预研究。总的来说,当评估膳食模式和饮食不同常量营养元素组成,它是重要的数量以及质量的膳食成分,微量元素等生物活性成分茶多酚为在日常饮食方法微分与主机交互的微生物和代谢表型(图2)。

图2

应用最优策略精度营养需要确定详细的个人。肠道微生物群的组成和功能是受很多因素的影响,包括遗传、年龄、性别和环境因素如交付的模式,吸毒、疾病、地理、体育锻炼和饮食。19肠道微生物群之间的多向互动,宿主代谢,因此饮食是复杂和高度个性化的。在开发更具针对性的饮食策略为个人时,B和C,微生物和代谢表型(如组织胰岛素抵抗),以及膳食成分的特点(包括蛋白质和碳水化合物之间的平衡(CHO) /纤维摄入量)应该考虑。

饮食干预的反应并不完全依赖于肠道微生物群的特点,而是依赖于一个复杂的、多因素相互作用的饮食,生活方式和环境因素和临床特征,如代谢表型(图2)。16日156 157最近表明,男性和女性不同的微生物群组成,这构成与胰岛素敏感性的男人而不是女人。158年有趣的是,另一项研究也表明,12周总多酚补充(使用儿茶素(EGCG)和白藜芦醇)影响肠道微生物群组成的男人而不是女人。152年这两项研究表明性别微生物反应,应该考虑当评估干预的反应。

在一项研究中调查的代谢反应到特定的饮食在不同代谢表型,存在更明显的肌肉在更明显肝IR红外基线是一个行列式的性格指数的变化(一个复合的标志胰岛素敏感性和胰岛素分泌)经过2年的地中海或低脂饮食。159年患有肌肉红外反应更好的地中海饮食,而肝IR患者更适应低脂饮食。159年这项研究说明了考虑个体代谢特征的重要性在开发精密营养策略。肠道微生物参与到什么程度这些类型的膳食干预措施还有待调查。有趣的是,可溶性纤维菊粉可以减少IR在空腹血糖受损的人而不是那些葡萄糖耐量。后者发现可能表明组织特异性fibre-gut microbiota-host新陈代谢相声,发现空腹血糖受损的肝红外强烈相关。160年值得注意的是,针对代谢受损的个人确实需要确定详细的个人的微生物和代谢表型出现,以及生活方式的因素。先前的研究表明,微生物类群之间的联系和组织胰岛素敏感性可能cohort-specific,建议替代的失调状态,根据群体特征。这进一步强调了解释和归纳的复杂性在肠道微生物领域的研究。161年

为了precision-based策略转化为医疗实践或指南,我们需要全面了解为什么人们反应不同的饮食,微分响应和相关的表型是否长期维护和开发的算法在多大程度上是可再生的。在我们看来,详细的微生物和代谢表型出现在膳食干预研究先进的方法是至关重要的。显然,鉴于我们所需要的复杂性,除了生活方式和环境因素的详细信息,包括模式的诞生,病史,使用药物,特别是抗生素、体育锻炼、心理压力和睡眠质量。这也意味着我们需要先进的统计和建模方法来梳理出不同因素的重要性。然而,重要的是我们一定要超越一个黑盒机器学习预测的膳食干预的反应。

总的来说,我们认为目前的证据为发展中最佳的膳食干预目标体重控制和红外通过肠道微生物群仍处于初级阶段,不捕捉日常饮食的集成方法的复杂性,微生物和宿主的代谢表型(图2)。实施有针对性的、精密营养干预策略或膳食指南个人或群体在公共卫生仍更偏远,需要了解的机制(非)应对膳食干预,这意味着我们需要超越预测模型。详细的个体表现型和获得洞察发酵碳水化合物和蛋白质之间的平衡的肠道微生物群以及网站在结肠发酵从而关键。

数据源

semisystematic搜索PubMed用于选择相关文献。文献管理使用尾注V.X8。搜索策略包括一个或以下搜索条件的组合使用”和“和”或“运营商:

“胰岛素抵抗”(网),“肥胖”(网),“肠道微生物群”(网),“2型糖尿病”(网),“短链脂肪酸”[TIAB], [TIAB]“有限合伙人”,“葡萄糖代谢”(TIAB)”“(TIAB),空腹血糖受损[TIAB], [TIAB]“葡萄糖耐量”,“能量代谢”(网),“肠脑轴”[TIAB], [TIAB]“PYY组”,“GLP-1”[TIAB], [TIAB]“外周胰岛素抵抗”,“胰岛素”[TIAB], [TIAB]“肠道代谢产物”,“欠佳”[TIAB], [TIAB]“肠道微生物群组成”,“膳食蛋白质”(网),“膳食碳水化合物”(网),(网)“膳食纤维”,“膳食脂肪”(网),“饮食”(网),“饮食模式”(网)。从识别的文章,标题和摘要进行了评估,如果认为目前的相关评论,这篇文章的全文详细检查。此外,额外的记录被确定通过搜索引用列表。只包含文章用英语写的。

伦理语句

病人同意出版

伦理批准

本研究不涉及人类参与者。

确认

作者承认BioRender.com的工具在本文中创建的数据。

引用

脚注

  • 调整通知本文已经被修正,因为它第一次在网上发布。作者的从属关系已经更新。

  • 贡献者KMJ写的手稿;例乙脑欧共体、温室气体和概念化,审查和编辑的手稿。所有作者阅读和批准了最终版本的手稿。

  • 资金作者执行他们的工作在一个项目组织和执行TiFN的赞助下,公私合作伙伴关系在食品和营养领域(项目代码:16 nh04)。资助这项研究获得了来自荷兰组织科研、DSM, FrieslandCampina,达能纽迪希亚研究,部门荷兰农业和食物。

  • 相互竞争的利益没有宣布。

  • 病人和公众参与病人和/或公众没有参与设计、实施、报告或传播计划的研究。

  • 出处和同行评议不是委托;外部同行评议。