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目标习惯饮食中起着重要作用在塑造肠道微生物群的组成,同时也决定了微生物代谢物的曲目,可以影响宿主。典型的西方饮食的对应于一个杂食者;然而,地中海饮食(MD),常见的西方地中海文化,是迄今为止一个营养推荐膳食模式,包括高级食用谷物、水果、蔬菜和豆类。调查的潜在好处的MD横断面调查,我们评估了肠道微生物群和代谢物在一群意大利人与他们的饮食习惯。
设计和结果我们日常饮食信息检索和评估肠道微生物群和代谢物在153年个人习惯性杂食者,素食或纯素食饮食。大多数素食和素食主题和30%的杂食者受试者高坚持。我们能够分层个人根据饮食类型和坚持医学的基础上他们的饮食模式和相关的微生物群。我们发现由于饮食习惯的重要消费之间的联系,增加粪便短链脂肪酸的水平,普氏菌在人类肠道和一些fibre-degrading壁厚菌门的作用需要进一步研究。相反,我们发现高尿氧化三甲胺含量较低的个人坚持。
结论高级食用植物食品符合一个医学博士与有益microbiome-related代谢组学在对象表面上食用西方饮食资料。
试验注册号码本研究在临床trials.gov注册NCT02118857。
- 短链脂肪酸
- 肠道细菌
- 饮食
- 膳食纤维
- 肠道细菌微生物区系
来自Altmetric.com的统计
本研究的意义
已知在这个问题上是什么?
饮食可以显著影响肠道微生物群和代谢物。
微不足道的肠道微生物群的差异和粪便短链脂肪酸以前报道习惯性的杂食动物和素食者之间。
地中海饮食是一个公认的健康的饮食模式,此前还没有相关的肠道微生物群的组成和相关的代谢物。
有什么新发现吗?
习惯性的素食和纯素食饮食促进肠道中细菌fibre-degrading浓缩。
受试者食用地中海饮食富含水果、豆类和蔬菜有更高水平的粪便短链脂肪酸,无论饮食类型。
坚持地中海式饮食对应于低尿氧化三甲胺含量的增加,一个潜在的心血管疾病的危险因素。
它会如何影响临床实践在可预见的未来吗?
微生物群调制通过食用饮食中富含各种蔬菜的食物提供的健康和减轻疾病风险增加的前景。
介绍
饮食的作用在塑造肠道微生物群被广泛认可,和最近的一些评论提供了一个综合治理的问题。1 - 6然而,直到最近,没有多少研究广泛和系统认为是习惯性的饮食和肠道微生物群之间的关系。2,7
一些人口吃不同的食物,因为他们有不同的访问,这可以确定显著差异在其肠道微生物群的分类组成,区分农业和西方饮食。8 - 10肠道微生物群的具体创作模式也与饮食习惯有关,显然连接不同成分的微生物群与动物脂肪和蛋白质饮食和蔬菜类食物。11此外,一些研究显示食用纤维之间的关联,水果和蔬菜,增加微生物丰富,在分类或基因水平。12 - 14这是突然改变饮食习惯能够迅速引起肠道微生物的变化,11,15,16虽然这种变化显然是不足够大或持久的菌群导致个人之间切换。11,17
虽然有一些enterogradients协会总协定18丰富蔬菜(普氏菌)或蛋白质/来自饮食(拟杆菌/梭状芽胞杆菌),11,15,19日至22日对肠道微生物群的结构与定义个人饮食习惯如严格素食者或素食者相比,杂食动物。微不足道的差异之间的最近发现肠道微生物群的小型的杂食者和素食的人在美国。7此外,一些自我报告的素食者要高与丰富的普氏菌相比之下,拟杆菌。11
素食和纯素食饮食带来很好的描述健康的好处。23,24相反,在工业化国家和消费的西方饮食,这主要是omnivore-type饮食,显然导致微生物群的组成与不同类型的疾病有关。3联合国教科文组织认可的地中海饮食(MD)作为非物质文化遗产(http://www.unesco.org/culture/ich/RL/00884)。营养推荐膳食模式的特点是高摄入水果、蔬菜、豆类、坚果和最小加工谷物、中高消费的鱼,低摄入的饱和脂肪,肉类和奶制品和常规,但温和,食用酒精。25医学博士是明显的,但不仅限于vegetarian-oriented饮食风格,已被证明是有益的治疗肥胖、2型糖尿病、炎症性疾病和心血管疾病。26 - 30日
肠道微生物组可以被认为是一个有用的生物标志物的长期消费的健康或不健康饮食。3因此,重要的是要确定是否以及在多大程度上长期膳食的选择可以影响微生物群的构成以及这如何影响生产的有益微生物代谢物。
调查土地和MDs的潜在好处,我们从一群153人的日常饮食信息检索后自称杂食者(O)、素食(VG)或纯素食(V)饮食,并发现88%的受试者显示介质高依从性与MD。受试者消耗更多的植物性食物显示增加粪便短链脂肪酸(SFCA)水平和更高比例的fibre-degrading粪便中的细菌微生物群。相比之下,低坚持医学在一些杂食动物个体与高尿氧化三甲胺(TMAO)水平。
方法
招聘和饮食信息
153年一群显然健康志愿者聚集组成51素食者,51个素食者和51杂食动物分布在地理上遥远的四个城市在意大利(巴里,博洛尼亚,帕尔马和都灵)。学科的特点以及招聘和排除标准报告在网上补充材料。食品和饮料总消费量是评估通过7- - - - - -天重食物日记,每天完成总共7天如前所述。31日每日摄入大量营养素和微量元素计算使用Microsoft Access应用程序链接到食物欧洲肿瘤研究所的数据库,覆盖超过900意大利食物的营养成分。32素食产品的营养成分是评价的基础上,由供应商或写在包的信息。食品消费也和陷入食品类别进行检索。
坚持地中海饮食模式的水平是评估使用11-unit饮食得分提出的基于tertiles Agnoli和合作者。33健康的食物多样性指数(HFD)计算报告。34食品和营养摄入量中值不同的饮食类型和MD依从性水平列在网上补充表S1。
样本收集和微生物群分析
粪便和尿液样本收集在同一天连续三周的时间里,和三个样本池微生物群和代谢组分析。图书馆准备和排序进行了如前所述。35细节作为在线提供补充材料。16 s rRNA基因序列可用的序列读取存档NCBI(国家生物技术信息中心)(加入SRP042234数量)。
生物信息学和统计分析
生读第一次过滤根据454年处理管道。然后序列去噪和进一步过滤使用QIIME V.1.8.0软件。36操作分类单元(辣子鸡)新创了97%的序列相似性uclust管道后,和代表序列的每个集群被用来指定分类通过对绿色煤电匹配数据库(V.05/2013)。α多样性指数的计算是通过使用多样性函数R素食包(http://www.r-project.org)。加权和不加权的UniFrac距离矩阵是通过QIIME,和进口在R获得主坐标分析(PCoA)的阴谋。
相关性分析,示例集群和R环境中进行统计分析。两两枪兵微生物属之间的相关性计算,饮食和代谢组数据集。相关情节呈现集群在R使用Made4包,和功能heatplot。统计包DESeq237以及克鲁斯卡尔-沃利斯和Mann-Whitney测试被用来发现显著差异在微生物类群丰富,根据HFD代谢物概要文件和α多样性,这三种类型的饮食和坚持。除非另有说明,箱形图代表第一和第三个四分位数之间的差,误差显示最低和最高价值在1.5×差。多个测试修正p值38必要时进行。线性回归是用来比较不同营养/ SCFA浓度或摄入食物和饮食(O, V, VG)或通过使用MD分数全球语言监测机构在R的函数,它执行一个响应变量的线性回归(x)和一个或多个预测变量(y),允许测试的影响对x y纠正所有其他相关变量。
为了探索genus-level微生物群和饮食数据集之间的关系,我们进行了主成分分析(PCA)的个人数据,然后使用coinertia分析集成(CIA),39它允许共享生物识别趋势在两个数据集。
系统未被注意的国家调查社区的重建(PICRUSt),40一项计划,预测丰度基于16 s基因家族的微生物群的结构被用来研究微生物群落的功能配置。与PICRUSt分析,选择辣子鸡模块执行97%的身份在一个封闭的引用方式使用绿色煤电数据库(V.05/2013) QIIME 1.8。数据是正常的16 s rRNA基因拷贝数,和基因组预测。从推断基因组——KEGG直接同源(KO)被确定。KO丰富表作为输入计Bioconductor包41为了执行通路富集分析。
代谢组学分析
大规模spectrometry-solid-phase微萃取色谱法(气相/萃取)之前根据协议进行了描述42通过使用Chromopack CP蜡52 CB熔融石英毛细管柱(Chromopack,船帆,荷兰)和一个安捷伦气相色谱仪(安捷伦科技,帕洛阿尔托,加州,美国)耦合的安捷伦质量选择检测器操作电子模式(电离作用电压,70 eV)的影响。分子的识别是基于质谱的比较中可用的数据库(NIST V.2005和威利V.1996)。ChemStation(安捷伦科技)是用于gc - ms /萃取原始文件转换为netCDF格式进一步处理XCMS工具箱(http://metlin.scripps.edu/)。
尿液样本准备核磁共振(NMR)分析离心15分钟15 000 rpm在4°C。七百微升的上层清液被添加到160μL D2O解决3 -(三甲基硅烷基)-propionic-2, 2, 3, 3-d4酸钠盐6.25毫米。pH值调整到7.0后的盐酸或氢氧化钠(0.5米),样本存储在−20°C。立即分析之前,上述样本解冻和离心机。粪便样本准备NMR分析涡混合40毫克的粪便为5分钟1毫升的去离子水。获得的混合然后处理作为尿液样本的解释。1核磁共振光谱被记录在298 K的皇冠三世光谱仪(力量、米兰、意大利)操作在600.13 MHz。煤斗(氘水)剩余信号被抑制为解释。每个光谱收购所描述的其他地方。43被分配的信号通过比较它们的化学位移和多样性与人类代谢组数据库44加拿大银行和Chenomx软件数据(Chenomx V.8)。防止偏见基于水化的个人数据是正常的概率商正常化。45
结果
高层坚持医学博士和HFD关联
受试者在这群在意大利能够self-declare习惯饮食范畴,但并非有意地意识到自己的坚持MD和HFD水平。层次聚类根据饮食习惯明显分离杂食者,素食和纯素食的人很少有例外(图1)。分析的依从性水平33把学科分为三组与低、中、高坚持医学博士(图1B)。只有11%的受试者(14杂食动物和3素食者)较低的坚持医学博士,而88%的纯素食者,65%的素食者和30%的杂食动物医学依从率高。此外,HFD指数34值与坚持MD(斯皮尔曼的r = 0.61, p < 0.00001),明显高于在素食和纯素食主题,以及在主题中、高坚持MD (p < 0.0001)(见图S1在线补充)。
分离与饮食习惯饮食和微生物康科德类型和MD依从性
微生物群α多样性值没有显著不同主题之间的三个饮食类型或主题之间表现出不同程度的坚持MD(数据没有显示)。同样,没有明确分离的微生物群组成杂食者,素食和纯素食个人PCoA情节基于UniFrac距离(见在线补充图S2)。然而,中央情报局(图2)基于PCA的微生物群的组成和饮食信息披露重大关系genus-level微生物群组成和习惯性的饮食(RV系数= 0.18;蒙特卡罗p = 0.003),涉及一个重要的微生物群的子集。中央情报局的第一个组件(水平)占方差的50.7%,第二个组件(垂直)占11.7%。虽然没有提供明显分离的集群,中情局显示清晰的渐变对象分离根据饮食类型(图2一)和坚持医学博士(图2B)。尽管多样性水平的受试者基于他们的微生物群结构显然不是比得上他们的强大的饮食习惯的差异(图1),这是值得注意的,在梯度分层饮食和微生物群被认为是一致的(图2)。
家庭水平微生物群组成的饼图显示的增加Prevotellaceae丰富植物性饮食,虽然不是统计学意义后修正多重比较(见图S3A在线补充)。总的来说,拟杆菌门更丰富与杂食动物相比,素食者和严格素食者(p < 0.05);因此,更高的厚壁菌门:拟杆菌比例被发现在大多数的杂食动物(参见图S3B在线补充)。
微生物属与特定的摄入营养和饮食模式
我们进行了大量的分析研究微生物群在膳食类型和HFD微分膳食质量评估。许多重叠的微生物群签名确认。毛螺菌属和普氏菌明显与最高和中等HFD四分位值,分别和他们都转向植物性饮食有关。相反,L -瘤胃球菌属(瘤胃球菌属属分配给Lachnospiraceae杂食者的饮食家庭)呈正相关(见在线补充表S2)。策划属和饮食之间的相关性信息,影响饮食的微生物群的结构可以发现,虽然没有强大的绝对值(图3)。三大集群的属和三个集群的营养信息被检测到。第一组包括食物和营养的典型杂食动物的饮食而第三组包括那些主要与素食或纯素饮食有关。一小群属是由于饮食习惯有关,与相关性最强的发现Roseburia,毛螺菌属和普氏菌,最后两个也显示不偏食饮食显著负相关(p < 0.01,看到在线补充表S2)。一个较大的集群相关的积极的营养与草食动物起源和消极模式(图3)。最强的和最重要的协会被L -所示瘤胃球菌属和链球菌(p < 0.001)。
饮食之间的相关性,微生物群和代谢物
有一个非常明确的粪便SCFA概要和营养素摄入量之间的关系,后者变量也分裂成两个不同的组(图4)。粪便水平的乙酸,丙和butanoic酸(和相应的酯类)强烈与消费的水果,蔬菜,豆类(p < 0.05),纤维(p < 0.001)。相比之下,戊酸酯和己酸酯浓度与食用富含蛋白质的动物的食物和脂肪(p < 0.05)。水平的三个最丰富的可溶性SCFA显示相同的显著增加增加坚持医学博士(图4B)和植物性饮食(见在线补充图S4)。即使在杂食动物主题的类别分别分析时,明确的趋势水平的增加主要SCFA得分增加医学观察(图4C)。Propanoate和醋酸杂食者明显高于在MD坚持最高的类别与最低(p < 0.05)。一致的重要挥发部分之间的关联被发现SCFA和坚持医学或饮食类型(见图S5在线补充)。的列表附加分子明显不同(p < 0.05)水平根据饮食类型或MD依从性提供在线补充表S3。
我们发现许多细菌属和短链脂肪酸水平之间的正相关性。在相关网络、厚壁菌门和拟杆菌门显示最多的与SCFA显著的积极的和消极的关系,分别为(图5)。之间的关联毛螺菌属和butanoic酯和乙酸酸显著(p < 0.05)。此外,普氏菌是唯一与SCFA拟杆菌有正相关性(p < 0.05)。
尿在素食和纯素食TMAO水平明显下降(p < 0.0001)与O对象(参见图S6A在线补充)。此外,坚持MD越高,测量TMAO水平越低(见图S6B在线补充)。之间的关联被发现TMAO水平和许多更多的微生物属动物蛋白质和脂肪的摄入量。L -瘤胃球菌属相关性与TMAO多个比较校正后,被发现显著(p = 0.022)。
Diet-driven预测基因组的差异
的通路富集分析预测基因组显示叶酸生物合成的浓缩与杂食动物相比,素食者(ko00790),一个碳池通过叶酸(ko00760)、果糖和甘露糖代谢(ko00051)、氨基糖和核苷酸糖代谢(ko00520)和其他多糖降解(ko00511) (p < 0.05)。有趣的是,高符合医学显示浓缩在同一路径,以及那些为戊糖和葡萄糖醛酸酯互变现象(ko00040)和propanoate (ko00640)和butanoate新陈代谢(ko00650) (p < 0.05)。此外,杂食动物显示更高的丰富的半乳糖代谢通路中的基因(ko00052)相比,素食者和素食者(p < 0.05)。
讨论
卓越的坚持受试者的医学研究,加上卓越的链接我们认同HFD,使人口的群体一个好模型后,西方饮食健康。依从性水平较高的医学发现这里比在一个更大的意大利队列研究33和多中心前瞻性群组研究对10个欧洲国家的饮食习惯。46近90%的受试者招募至少在这项研究显示中坚持而60%显示高层坚持。值得注意的是,这后者包括大约三分之一的杂食动物。健康的饮食模式的受试者(包括杂食者)也支持总碳水化合物的摄入量越高,主要是淀粉和纤维,而摄入记录在欧洲癌症与营养前瞻性调查研究。47HFD之间高度相关34MD合规表明,这项研究的结果可以很容易地外推到其他人群(不同于地中海),如果健康多样化的饮食富含水果和蔬菜。
我们提供的第一个确凿证据地中海饮食模式之间的互连,肠道微生物群和微生物代谢产物。食用水果、蔬菜和豆类的受试者满意坚持医学博士将在这里与增加粪便短链脂肪酸的水平,这可能是由于某些细菌属于厚壁菌门和拟杆菌门能够降低碳水化合物不消化的主机。相比之下,低坚持MD与高尿TMAO水平。
吴等7最近报道的差异可以忽略不计的粪便微生物群组成和等离子体SCFA概要文件在15个素食和16杂食动物主题,并没有发现证据diet-driven分离的措施。大群153个人,还包括素食者,和一个了不起的医学博士坚持我们能够检测摄入纤维之间的重要关联和蔬菜的食物和粪便短链脂肪酸浓度。有趣的是,我们记录了更高的平均摄入纤维和淀粉杂食者和素食主题与美国相比队列。7此外,尽管我们指出,微生物群的总体结构是相似的对象在不同的饮食类型、梯度与学科分层的基础上,发现饮食和微生物群。
期间产生的肠道微生物群SCFA未消化多糖的发酵过程。48醋酸的保护作用,丙酸和丁酸对不同类型的疾病是有据可查的。49-52大量的短链脂肪酸在这项研究中显然是与饮食有关。基于更大的纤维摄入量水平通过水果和蔬菜,素食和素食饮食与更高的生产水平SCFA有关,而动物性饮食支持低得多的水平。因此,食草动物和食肉动物之间的差异饮食建议是丁酸产量主要因素在不同的动物物种,53和更高的SCFA水平被发现在非洲土著人土地饮食而非裔美国人。22,54然而,差异SCFA水平根据MD依从性不是那么引人注目而西方和农业人群之间的差异报告8,22介入和极端的饮食变化实现研究。15,55非常有趣的是,甚至仅在杂食动物,坚持MD越高,粪便短链脂肪酸水平越高。这些趋势表明,MD可以在提供适当的基板和建立关键的分解代谢的微生物来支持生产SCFA甚至在整个omnivore-type饮食。
SCFA水平的显著程度的个人间的变化被发现在这个研究相比,目前的文献。这可能是一个功能的异质性的团体认为,个人在这些团体有广泛和各种各样的水果和蔬菜摄入量。此外,除了饮食之外,多种因素可以影响人类代谢物,如性别或年龄。56-58尽管这种可变性,饮食组之间的显著差异被发现,尽管这组内方差防止个人的基础上推断结果。
一些额外的分子差异取决于饮食丰富(见在线补充表S3)。在艺术的状态,很难准确地他们中的大多数链接到一个特定的饮食模式。短链脂肪酸酯是始终与植物性饮食(见在线补充表S3)。相反,琥珀酸含量明显高于杂食者和素食主题相比,因此,基因与琥珀酸生产途径在受试者接受动物性饮食丰富。15较高含量的酚类和吲哚衍生物,由结肠芳香族氨基酸的脱氨基作用,主要被发现在杂食动物和那些坚持低。因此,减少了粪便的排泄观察酚类抓捕high-resistant淀粉饮食,59同时显著降低生产p-cresol硫酸和硫酸吲哚酚在素食者被发现。60
植物饮食相关的微生物群,更倾向于与短链脂肪酸的水平。普氏菌拟杆菌门和毛螺菌属厚壁菌门的出现作为发酵的碳水化合物的最可能的候选人,导致更高的SCFA生产。总的来说,门厚壁菌门的丰度与高动物关联食品的摄入量,但个别成员门显示更多的正相关性比门拟杆菌门个人SCFA,确凿的假设他们的角色在多糖分解被低估了。61年如下所示,他们的基因库可能有用的拟杆菌门(即普氏菌在西方主题吃地中海式食物)。与此一致的是,预测基因组显示显著增加丰富的多糖降解和短链脂肪酸代谢相关的基因与增加坚持医学模式和植物性食物消费。
毛螺菌属是肠道微生物群的核心类之一吗4和被认为是唯一的厚壁菌门能够降解果胶Faecalibacterium和真细菌。56减少毛螺菌属丰富最近强调在肠道微生物群的主题与胆固醇胆结石62年以及艾滋病患者的直肠粘膜,63年初步表明这些SCFA-producing减少壁厚菌门可能与对疾病的易感性。
大部分的研究和评论的肠道微生物群与饮食报告水平的增加普氏菌在应对农业饮食消费或纤维。2 - 4,8,10,11,64年水平的普氏菌杂食动物和素食者之间没有显著不同。7然而,之间的相关性普氏菌丰富和水果和蔬菜摄入量是本研究中发现的。值得注意的是,在普氏菌:拟杆菌这些学科的比率高于老年人爱尔兰主题报告,12美国11和丹麦的成年人,65年它很有可能与高纤维和淀粉摄入量在意大利主题。
一定数量的细菌与饮食有关基于动物性食品和饱和和不饱和脂肪的摄入量。等的拟杆菌门Alistipes已经报道,尽可能增加动物性食品消费的提升的函数,12,15表现出明显的负相关,蔬菜营养和粪便短链脂肪酸。此外,L -瘤胃球菌属与脂肪摄入和杂食动物的饮食有关,也与尿TMAO水平。一致地,瘤胃球菌属扭矩(Lachnospiraceae)是最近发现水平增加老鼠食用高脂肪和糖的饮食和对克罗恩病的易感性。66年TMAO与动脉粥样硬化和心血管疾病的风险。67年,68年鸡蛋、牛肉、猪肉和鱼是肉碱的主要来源和胆碱转化的肠道微生物群三甲胺,然后在肝脏和氧化释放到循环TMAO。69年,70年diet-TMAO协会发现在这个研究提供了有价值的线索可能调制的TMAO饮食,虽然没有数据收集在等离子体水平,坚持医学提供了令人鼓舞的路径对减少的水平。
适当控制干预措施可以确认MD gut-related健康的好处,允许个人的基础上得出结论。尽管如此,我们在这里提供有形证据的影响健康的饮食和地中海饮食模式在肠道微生物群和有益微生物代谢的调节对健康维护主机。西方杂食动物的饮食不一定是有害的时候一定消费水平的蔬菜食品。因此,健康的饮食可以导致有益调节宿主的相互作用,建立预防疾病的有效途径。
引用
补充材料
脚注
贡献者德负责手稿的研究和制备的发展。德、EN、LC、PB和MG导致了研究设计和协调招聘网站。RDC,如果CL和圣招募了主题和biospecimens收集。FDF ALS执行16 s rRNA基因测序。NP收集并分析了饮食信息。LV,你和说的代谢物进行分析。FDF称进行生物信息学和数据统计分析和生成的手稿。PWOT监督数据分析和手稿准备。MG是项目协调员。所有作者修订和批准的最终版本的手稿。
资金本研究支持的意大利大学和研究(MIUR) 2010 - 2011年规划主要(批准号2010 wz2njn)。PWOT工作的实验室被爱尔兰科学基金会支持通过一个中心奖:滋养Pharmabiotic中心,和一个FP7奖NuAge项目之下。
相互竞争的利益没有宣布。
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伦理批准研究伦理委员会批准(a) Azienda疗养地Locale(巴里)(协议N.1050), (b) Azienda Ospedaliera博洛尼亚大学联盟(协议N.0018396), (c)省的帕尔玛(协议N.22884)和(d)都灵大学(协议N.1/2013 / c)。
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