Nutriția, flora intestinală și metabolismul lipidelor în ficat - o abordare multi-omică permite altele noi
O abordare multi-omică permite noi informații despre sinteza microbiomului și lipidelor la mamifere
Natura produce o varietate enormă de molecule lipidice, care sunt sintetizate prin diferite căi metabolice. Acizii grași sunt elementele constitutive ale diferitelor lipide, inclusiv lipidele din membrana celulară, cum ar fi fosfolipidele și triacilgliceridele, care sunt principalele componente ale picăturilor de lipide. Un exces de lipide și tulburări ale metabolismului lipidelor sunt asociate cu boli precum sindromul metabolic.
Fig. 1 Rezerva de acizi grași endogeni: Acizii grași (FA) sunt obținuți fie prin sinteză endogenă, fie din alimente. Flora intestinală are o importanță crucială pentru formarea acizilor grași cu lanț scurt. Acești acizi grași pot fi metabolizați în continuare în lipide complexe, inclusiv fosfolipide (PL) și triacilgliceride (TAG).
Corpul primește lipide fie din surse exogene (adică hrană), fie din biosinteza endogenă (Fig. 1). Numeroase procese celulare, cum ar fi creșterea și diferențierea celulelor, necesită sinteza de novo a acizilor grași, în principal deoarece membranele celulare trebuie formate [1]. Enzima acidului gras sintază catalizează formarea palmitatului (C 16: 0) din acetat. Palmitatul este unul dintre principalii acizi grași saturați din celulele, țesuturile și plasma mamiferelor. Poate fi metabolizat în continuare prin elongaze și desaturaze pentru a forma acizi grași cu lanț mai lung și mononesaturat. Un organ crucial în homeostazia lipidică este ficatul, care joacă un rol crucial în multe boli metabolice, în special diabetul de tip 2.
Lipidomică pentru a studia metabolismul grăsimilor
Cea mai importantă metodă pentru analiza lipidelor este spectrometria de masă. Întrucât abordările lipidomice pot acoperi aproape întregul lipidom în zilele noastre, a apărut un adevărat hype în acest domeniu, deoarece se deschid noi modalități de studiere a biologiei lipidelor pentru numeroase domenii de cercetare. Cu toate acestea, se văd din ce în ce mai multe studii cu date lipidomice de slabă calitate. Motivele pentru aceasta sunt variate și includ cauze analitice, bioinformatice și legate de calificare. De exemplu, există adesea o lipsă de controale adecvate pentru manipularea și prelucrarea probelor cu care se verifică stabilitatea analiților. În mod similar, lipidele sunt adesea adnotate incorect și standardele interne adecvate care sunt esențiale pentru cuantificarea și identificarea corectă nu sunt adesea utilizate [2]. Pentru a obține o perspectivă asupra sintezei, metabolismului și fluxului de lipide, este acum stadiul tehnicii de a utiliza trasoare marcate cu izotopi stabili în combinație cu o analiză spectrometrică de masă robustă [3].
Cercetarea microbiomului
Intestinul mamiferelor găzduiește comunități microbiene extrem de complexe. Acestea sunt denumite flora intestinală sau microbiomul dacă sunt incluse genomul și condițiile de mediu. Studiile anterioare au arătat că flora intestinală contribuie la procesarea alimentelor și îndeplinește funcții imune și metabolice importante pentru gazdă. La fel ca lipidomica, cercetarea microbiomului este în prezent un subiect extrem de actual în știință, pe care chiar și ziarele zilnice și mass-media radio îl abordează [4]. Acest lucru a contribuit la concepții înșelătoare în acest domeniu, în principal pe baza studiilor de asociere [5].
Flora intestinală și metabolismul lipidic al gazdei
Hype în jurul cercetării lipidomice și microbiome a condus la un număr mare de publicații de diferite calități științifice. Cu toate acestea, mai ales în ultimii ani, mai multe studii au arătat importanța florei intestinale și a lipidelor pentru procesele biologice fundamentale, fiziologia și fiziopatologia.
Fig. 2 Flora intestinală promovează sinteza acizilor grași în ficat: polizaharidele din fibre sunt descompuse de flora intestinală și fermentate pentru a se aceta în interiorul intestinului. Acetatul este utilizat pentru sinteza acizilor grași cu lanț mai lung și a fosfolipidelor după ce ajunge la ficat prin vena portă [6].
Recent am descoperit o interacțiune între nutriție, flora intestinală și metabolismul lipidic al organismului gazdă [6]. Analizele multi-omice au arătat că șoarecii cu flora intestinală au concentrații semnificativ mai mari de acizi grași mononesaturați și o expresie a transcrierilor și proteinelor relevante pentru sinteza lipidică de novo decât șoarecii fără flora intestinală. Acizii grași mononesaturați sunt produsul final al formării de acizi grași endogeni. Folosind strategii de intervenție dietetică și investigații mecaniciste, inclusiv aplicarea izotopilor stabili în combinație cu spectrometria de masă, am arătat că sinteza lipidelor în ficat depinde în mare măsură de flora intestinală. Acetatul de acizi grași cu lanț scurt, care provine din descompunerea microbiană a polizaharidelor dietetice (adică fibre) pe specii din tulpina Bacteroidetes, este utilizat de gazdă ca precursor pentru sinteza acizilor grași cu lanț mai lung și a fosfolipidelor în ficat (Fig. 2).
Fig. 3 Marcarea izotopică stabilă a sintezei hepatice de novo a acizilor grași: După ce șoarecii au primit acetat de 13 C prin gavaj oral (n = 3/grupă), palmitatul probelor de ficat a fost determinat prin cromatografie cu gaz cu cuplare cu spectrometrie de masă (GC-MS) 13 C-îmbogățire investigată. Palmitatul poate fi sintetizat atât din monomeri de acetat marcați, cât și din cei nemarcați (adică naturali). Monomerii neetichetați (gri) nu conțin izotopi de 13 C, marcatul (verde închis) izotopul 13C. După patru ore de marcare, s-a găsit o acumulare semnificativă de 13 C în palmitat. Apariția fracțională crescută a izotopologilor M2-M6 cu 13 C arată că acetatul din lumenul intestinal este un precursor al sintezei lipidelor în ficat.
Pentru a demonstra că ficatul folosește acetat din interiorul intestinal pentru sinteza de novo a acizilor grași, șoarecii cu acetat stabil marcat izotopic (13 C) au fost administrați prin gavaj oral. O analiză spectrometrică de masă ulterioară a confirmat acumularea de 13 C în palmitat din probele de ficat și plasmă (Fig. 3). Pentru a verifica dacă sinteza lipidelor din ficat poate fi urmărită și la producătorii de acetat microbian din intestin și fibra dietetică, Bacteroidetele au fost modulate folosind antibiotice. În plus, șoarecii au fost hrăniți cu diete speciale cu fibre nedegradabile și fermentabile sau cu conținut diferit de fibre.
Luate împreună, munca noastră a arătat o nouă cale de sinteză a fluxului de lipide și de-a lungul axei nutriție-floră intestinală-gazdă.
Concluzie și perspectivă
Pentru a pune domeniile de cercetare pe o bază fiabilă, experții trebuie să colaboreze transfrontalier pentru a stabili standarde pentru cercetarea robustă a microbiomilor și analiza lipidelor. În plus, oamenii de știință ar trebui să gândească în afara casetei și să își evalueze în mod critic rezultatele înainte de publicare, pentru a stimula progresul științific în domeniile respective. Descoperirea unui microbiom intestinal care influențează sinteza lipidelor în ficat ar putea deschide calea pentru prevenirea și tratamentul bolilor metabolice prin dieta special modificată și flora intestinală.
mulțumire
Cercetările lui Josef Ecker sunt susținute de Fundația Germană pentru Cercetare (DFG) [EC453/1-1; Program prioritar (SPP) 1656, EC453/2-1; Centrul de cercetare colaborativă - numărul proiectului 395357507 - SFB 1371] și "ZIEL - Institutul pentru Alimentație și Sănătate"/Universitatea Tehnică din München (UTM).