Impactul fibrelor dietetice asupra organelor de gestionare a nutrienților și de detoxifiere: intestin, ficat și rinichi 1, 2

Dorothy A Kieffer

3 Grup de absolvenți în biologie nutrițională și

4 Departamentul de Nutriție, Universitatea din California, Davis, Davis, CA;

5 Unitatea de Cercetare a Obezității și Metabolismului, USDA - Serviciul de Cercetare Agricolă Centrul de Cercetare Western Nutrition Human, Davis, CA;

Roy J Martin

3 Grup de absolvenți în biologie nutrițională și

4 Departamentul de Nutriție, Universitatea din California, Davis, Davis, CA;

5 Unitatea de Cercetare a Obezității și Metabolismului, USDA - Serviciul de Cercetări Agricole Centrul de Cercetare pentru Nutriția Umană din Vest, Davis, CA;

Sean H Adams

3 Grup de absolvenți în biologie nutrițională și

4 Departamentul de Nutriție, Universitatea din California, Davis, Davis, CA;

6 Arkansas Children’s Nutrition Center, Little Rock, AR; și

7 Departamentul de Pediatrie, Universitatea din Arkansas pentru Științe Medicale, Little Rock, AR

Abstract

Creșterea aportului de fibre dietetice (DF) determină o gamă largă de efecte fiziologice, nu doar local în intestin, ci sistematic. DF pot modifica foarte mult mediul intestinal afectând microbiomul intestinal, care la rândul său influențează bariera intestinului, răspunsurile imune și endocrine gastrointestinale, ciclul azotului și metabolismul microbian. Aceste modificări asociate intestinului pot modifica apoi fiziologia și biochimia celorlalte organe principale de gestionare a nutrienților și a organelor de detoxifiere ale corpului, ficatul și rinichii. Mecanismele moleculare prin care DF modifică fiziologia intestinului, ficatului și rinichilor este probabil prin evenimente localizate intestinale (de exemplu, metabolismul azotului bacterian, interacțiunile microb-microb și microb-celulă gazdă), împreună cu factori specifici care emană din intestinului ca răspuns la DF, care semnalează sau afectează fiziologia ficatului și a rinichilor. Acestea din urmă pot include xenometaboliți derivați de microbi, peptide sau componente alimentare bioactive puse la dispoziție de microbi intestinali, semnale de inflamație și hormoni intestinali. Scopul acestei revizuiri este de a rezuma modul în care DF modifică mediul intestinal pentru a afecta în mod specific funcțiile intestinale, hepatice și renale și de a discuta despre potențialele rețele de semnalizare locală și sistemică implicate.

Introducere

Consumul de fibre dietetice (DF) 8 poate afecta în mod pozitiv sănătatea intestinului (1), precum și afecțiunile non-gastrointestinale, cum ar fi diabetul (2), bolile cardiovasculare (3), boala hepatică grasă nealcoolică (NAFLD) (4) și boli renale cronice (CKD) (5). DF are o varietate de efecte fiziologice (6-8), cum ar fi promovarea creșterii microbilor intestinali selectați (9), modificarea producției de factori gazdă precum hormoni (10) și citokine (11), precum și producția de metaboliți derivați de microbi (xenometaboliți) (12). În ceea ce privește anumite organe țintă, sănătatea intestinală deficitară este din ce în ce mai recunoscută ca un factor important în reglarea fiziologiei și biochimiei gestionării și detoxifierii nutrienților; acest concept a dat naștere unor termeni precum axa intestin-ficat (13) și axa intestin-rinichi (14). Scopul acestei revizuiri este de a se concentra asupra acestor sisteme 1) luând în considerare modul în care diferitele DF afectează mediul intestinal pentru a modifica funcția intestinului, ficatului și a rinichilor și 2) să ofere exemple despre modul în care tehnologiile bazate pe „omici” pot fi pârghiate pentru a câștiga noi perspective despre mecanismele potențiale și potențialul terapeutic al DF. Pentru a plasa aceste subiecte într-un context adecvat, este prezentată o scurtă prezentare generală a DF.

Definirea și clasificarea DF.

TABELUL 1

Tipuri comune de fibre, structură și surse de hrană

DF modifică microbiota intestinală și xenometaboliții.

Un efect bine cunoscut al DF este modificarea microbiotei intestinale. Termenul „microbiota intestinală” se referă la toate arheele, bacteriile, eucariotele (adică ciupercile și paraziții) și virușii prezenți în intestin. Bacteriile sunt cele mai intens studiate și caracterizate; cu toate acestea, dovezile emergente indică faptul că alți microbi intestinali (ciuperci, viruși și drojdii) sunt, de asemenea, modulatori importanți ai fenotipului gazdei (36, 37). Microbiomul intestinal uman este caracterizat de miliarde de microbi care posedă de 150 de ori mai multe gene care codifică proteinele decât genomul uman (38, 39). Aceste gene microbiene extind foarte mult potențialul metabolic al gazdei prin furnizarea de enzime de care gazda nu are, cum ar fi cele care degradează diferite DF (40). Spre deosebire de genomul uman, care este în mare parte fix, microbiomul intestinal este plastic și poate fi afectat de dietă (12), boli trecute și prezente (41), factori de stil de viață, cum ar fi exercițiul fizic (42) și stres (43), sau expuneri de mediu (44). Acești factori contribuie la variația interindividuală mare observată în microbiota intestinală (45), ceea ce a făcut dificilă stabilirea unor modificări bacteriene consistente induse de DF, cel puțin la om.

În rezumat, DF cuprinde o mare varietate de carbohidrați care variază foarte mult în ceea ce privește compoziția și structura chimică. Această variabilitate inerentă, împreună cu metoda de preparare și diferențele în microbiota gazdă rezidentă contribuie la gama de răspunsuri observate cu consumul diferitelor tipuri de fibre. În general, consumul crescut de DF a fost atribuit rezultatelor îmbunătățite asupra sănătății, în special în ceea ce privește sănătatea intestinelor.

Impactul DF asupra Gut, Gardianul Corpului

Intestinul are rolul dublu și opus de a permite nutrienților să pătrundă în organism, excluzând intrarea substanțelor nocive. S-a demonstrat că funcția barierei intestinale și absorbția nutrienților sunt modificate de DF. Un exemplu de modificări ale barierei intestinale induse de DF este creșterea mucinelor și a celulelor care le produc, celule calice (58, 59). Mucinele sunt glicoproteine ​​mari care, alături de apă, ioni, proteine, lipide, anticorpi, peptide antimicrobiene și bacterii, formează ceea ce este cunoscut sub numele de mucus (60). Mucusul acționează pentru a proteja epiteliul intestinal de stresul mecanic, pentru a lubrifia intestinul pentru a ușura tranzitul materialului digerat și pentru a preveni translocarea substanțelor nocive. Un studiu care a comparat o dietă standard de rozătoare (fibre din grâu, porumb și ovăz care conțin 4,3% din greutatea dietei) cu o dietă lipsită de orice fibră a arătat că șoarecii hrăniți cu o dietă deficitară în fibre aveau un strat de mucus mai subțire, permițând astfel microbilor să vină în imediata apropiere a epiteliului intestinal (61). Fără cantități suficiente de DF în intestin, bacteriile pot degrada stratul de mucus al gazdei pentru a se asigura substraturile necesare supraviețuirii, distrugând astfel una dintre barierele fizice ale gazdei.

Răspunsuri hepatice la DF

DF, funcția renală și metabolizarea azotului

Rinichiul este un alt organ important afectat de DF. De exemplu, DF poate reduce sarcina azotului și insulta inflamatorie sistemică în CKD. La fel ca în cazul NAFLD, pacienții și modelele animale cu CKD prezintă adesea o microbiotă intestinală modificată (119, 120), permeabilitate intestinală crescută (121), inflamație intestinală (122, 123) și concentrații crescute în sânge ale metaboliților derivați de microbi (de exemplu, sulfat de indoxil și sulfat de p-crezol) (124). Studiile epidemiologice au arătat că aportul crescut de DF reduce mortalitatea din toate cauzele la pacienții cu BCR (125). Mecanismele nu sunt clare, dar un scenariu probabil implică menținerea livrării substratului în intestinul inferior, ceea ce modifică metabolismul bacterian. Dacă cantități suficiente de carbohidrați nedigerabili nu ajung la colon, atunci alte substraturi, cum ar fi aminoacizii, vor fi fermentate, rezultând producerea de metaboliți potențial dăunători, cum ar fi indoli și p-crezol, care stresează rinichii (93, 126). Cu toate acestea, pacienții cu BCR sunt deseori sfătuiți să își limiteze consumul de multe alimente obișnuite bogate în fibre pentru a preveni acumularea de sânge de potasiu și fosfor, minerale care pot duce la aritmii cardiace și, respectiv, tulburări ale mineralelor osoase (127, 128).

Abordările de biologie a sistemelor extind înțelegerea noastră asupra modificărilor induse de DF în metabolismul gazdei

Semnalele moleculare implicate în modificările asociate DF în sistemele gazdă rămân în mare parte necunoscute, iar rețelele integrate care modulează diafragma dietă-microbiom-gazdă rămân a fi pe deplin elaborate. Unele aspecte ale semnalizării au fost discutate mai sus pentru molecule bine cunoscute (de exemplu, SCFA, GLP-2 și factori proinflamatori, cum ar fi LPS), dar există cu siguranță multe altele care rămân de descoperit. Explorarea efectelor cuprinzătoare ale rezultatelor induse de DF a fost posibilă prin apariția și adoptarea pe scară largă a tehnologiilor bazate pe „omici” (de exemplu, transcriptomică, proteomică și metabolomică). Aceste instrumente au permis cercetătorilor să treacă dincolo de măsurarea câtorva biomarkeri clasici și să înceapă să exploreze, într-o manieră imparțială, modul în care DF afectează sistemele la nivelul întregului corp și evenimentele moleculare din țesuturile specifice. Această abordare se va dovedi utilă în descoperirea unor mecanisme de acțiune noi și neprevăzute legate de DF și potențiale ținte terapeutice (145).

Transcriptomica a evidențiat faptul că fibrele determină efecte metabolice diferențiale asupra intestinului, în funcție de tipul DF. De exemplu, un studiu a comparat transcriptomul mucoasei colonului la șoareci hrăniți cu 5 fibre diferite (arabinoxilan, FOS, inulină, gumă guar sau RS la 10% din greutatea dietei) timp de 10 zile. Unele proprietăți unice asociate fiecăruia au fost după cum urmează: arabinoxilanul a crescut expresia genei metabolismului triptofanului, FOS-urile au crescut transcrierile de răspuns ale proteinelor desfășurate, inulina a crescut mARN-urile căii de oxidare β, iar guma guar a crescut expresia genei metabolismului colesterolului și acidului arahidonic (146). Aceste fibre au crescut PPAR-γ, despre care se știe că afectează inflamația intestinului (147). Astfel, căile moleculare angajate de DF diferă semnificativ în funcție de fibra specifică utilizată. Efectele disparate ale DF specifice ar putea fi valorificate, în teorie, pentru studii comparative „omice” pentru a identifica microbi specifici DF sau metaboliți derivați de microbi care se corelează cu rezultatele fenotipului molecular. Acestea ar servi drept candidați care ar putea explica specificitatea DF asupra rezultatelor din intestin și alte țesuturi.

În ceea ce privește ficatul, un studiu care a suplimentat șobolanii cu o fibră bogată în inulină (10% din greutate în dietă timp de 4 săptămâni) pe fundalul unei diete bogate în fructoză a constatat scăderea TG-urilor hepatice, împreună cu expresia diferențiată a 147 de gene hepatice, inclusiv gene legate nu numai de metabolismul lipidic, ci și de fibroză și inflamație (148). De exemplu, suplimentarea cu inulină a reglementat în jos expresia factorului de creștere a țesutului conjunctiv și a decorinei, despre care se știe că joacă un rol în fibroză (148). Aceste descoperiri pot arunca lumina asupra noilor regulatoare hepatice relevante pentru NASH și NAFLD care sunt influențate de DF. Un alt studiu care a suplimentat șoarecii alimentați cu conținut ridicat de grăsimi cu hidroxipropil-metilceluloză DF vâscoasă (6% în greutate din dietă timp de 5 săptămâni) a constatat, de asemenea, scăderi ale acumulării de lipide hepatice și modificarea expresiei genelor hepatice implicate în metabolismul glucocorticoid, sinteza, metilarea și reducerea oxidării androgenilor și estrogenilor (149). Deși semnalele specifice care leagă modificările asociate DF în intestin cu metabolismul grăsimilor hepatice și expresia genelor rămân de determinat, aceste experimente au identificat noi potențiale ținte din aval sensibile la hrănirea DF.

Metabolomica a fost utilizată pentru a identifica schimbările de metaboliți care apar în CKD (153). Recent, această abordare a fost extinsă pentru a descoperi efectele diferitelor extracte de rubarbă la șobolani cu CKD. Autorii au descoperit că tratamentul cu diferite extracte de rubarbă a restabilit anomaliile metabolitului urinei (adică creșterea creatininei, scăderea pirimidinei) și îmbunătățirea funcției renale și a histopatologiei renale (154). Acest studiu nu a studiat efectele DF; cu toate acestea, aceeași abordare poate fi utilizată pentru a determina ce căi metabolice sunt afectate de CKD și dacă aceste perturbații sunt normalizate prin tratament. Rețineți că multe surse de DF sunt însoțite de fitochimicale și pot avea efecte chimice și nu DF în sine. Administrarea sursei de fibre intacte și a produselor fitochimice izolate ar trebui să se dovedească utilă pentru a descurca efectele benefice specifice ale DF.

Rezumat și direcții viitoare

Aceste tehnologii pot fi, de asemenea, utilizate pentru a identifica modele de variabilitate interindividuală. Studiile de suplimentare a fibrelor la om au generat adesea rezultate inconsistente, care pot fi explicate de diferențele în microbii intestinali rezidenți. Abilitatea de a clasifica oamenii ca respondenți sau non-respondenți prin evaluarea variabilelor precum SCFA fecale sau hidrogenul respirației poate ajuta la identificarea comunităților de microbi intestinali care sunt necesare pentru a obține un răspuns la suplimentarea cu DF (156). Acești microbi pot fi apoi furnizați celor care nu răspund împreună cu DF pentru a determina dacă suplimentarea „microbului lipsă” are ca rezultat într-adevăr un răspuns îmbunătățit la intervenția DF.

• Impactul suplimentării minerale organice dietetice asupra performanței reproductive, a calității ouălor
• Piața fibrelor dietetice insolubile 2020-2026 Perspectiva acțiunilor
• Program intensiv de management dietetic Un program ghidat de post (IDM)
• Impactul unei diete preoperatorii cu conținut scăzut de calorii asupra histologiei ficatului la pacienții cu afecțiuni hepatice grase
• Impactul metaboliților microbieni ai intestinului matern asupra răspunsului imun sistemic al descendenților în