Výživa, črevná flóra a metabolizmus lipidov v pečeni - multiemický prístup umožňuje nové
Prístup multi-omics umožňuje nové poznatky o mikrobióme a lipidovej syntéze cicavcov
Príroda produkuje obrovskú škálu lipidových molekúl, ktoré sa syntetizujú rôznymi metabolickými cestami. Mastné kyseliny sú stavebnými kameňmi rôznych lipidov, vrátane lipidov bunkovej membrány, ako sú fosfolipidy a triacylglyceridy, ktoré sú hlavnými zložkami lipidových kvapiek. Nadbytok lipidov a poruchy metabolizmu lipidov sú spojené s chorobami, ako je metabolický syndróm.
Obrázok 1 Zásoba endogénnych mastných kyselín: Mastné kyseliny (FA) sa získavajú buď endogénnou syntézou alebo z potravy. Črevná flóra má rozhodujúci význam pre tvorbu mastných kyselín s krátkym reťazcom. Tieto mastné kyseliny sa môžu ďalej metabolizovať na komplexné lipidy vrátane fosfolipidov (PL) a triacylglyceridov (TAG).
Telo prijíma lipidy buď z exogénnych zdrojov (t.j. z potravy) alebo z endogénnej biosyntézy (obr. 1). Početné bunkové procesy, ako je rast a diferenciácia buniek, si vyžadujú syntézu mastných kyselín de novo, hlavne preto, že je potrebné vytvárať bunkové membrány [1]. Enzým syntáza mastných kyselín katalyzuje tvorbu palmitátu (C 16: 0) z acetátu. Palmitát je jednou z hlavných nasýtených mastných kyselín nachádzajúcich sa v bunkách, tkanivách a plazme cicavcov. Môže sa ďalej metabolizovať elongázami a desaturázami na formu mastných kyselín s dlhším reťazcom a mononenasýtených kyselín. Rozhodujúcim orgánom v lipidovej homeostáze je pečeň, ktorá hrá rozhodujúcu úlohu pri mnohých metabolických ochoreniach, najmä pri cukrovke 2. typu.
Lipidomika na štúdium metabolizmu tukov
Najdôležitejšou metódou na analýzu lipidov je hmotnostná spektrometria. Pretože lipidomické prístupy môžu v súčasnosti pokrývať takmer celý lipidóm, v tejto oblasti sa objavil skutočný humbuk, pretože sa pre mnohé výskumné oblasti otvárajú nové spôsoby štúdia lipidovej biológie. Jeden však vidí čoraz viac štúdií s nekvalitnými lipidomickými údajmi. Existuje veľa dôvodov, vrátane analytických, bioinformatických a kvalifikačných príčin. Napríklad často chýba adekvátna kontrola manipulácie a spracovania vzoriek, pomocou ktorej sa kontroluje stabilita analytov. Rovnako sú lipidy často nesprávne anotované a často sa nepoužívajú vhodné interné štandardy, ktoré sú nevyhnutné pre správnu kvantifikáciu a identifikáciu [2]. Aby bolo možné získať prehľad o syntéze, metabolizme a toku lipidov, je v súčasnosti najmodernejšie používať stopovacie látky označené stabilnými izotopmi v kombinácii s robustnou hmotnostnou spektrometrickou analýzou [3].
Výskum mikrobiómov
Cicavčie črevo je domovom veľmi zložitých mikrobiálnych spoločenstiev. Ak sú zahrnuté ich genómy a podmienky prostredia, sú známe ako črevná flóra alebo mikrobióm. Predchádzajúce štúdie ukázali, že črevná flóra prispieva k spracovaniu potravy a plní dôležité imunitné a metabolické funkcie pre hostiteľa. Rovnako ako lipidomika je aj výskum mikrobiómov v súčasnosti veľmi aktuálnou vedeckou témou, ktorej sa venujú dokonca aj denníky a rozhlasové médiá [4]. To prispelo k zavádzaniu konceptov v tejto oblasti, väčšinou na základe asociačných štúdií [5].
Črevná flóra a lipidový metabolizmus hostiteľa
Ošiaľ okolo lipidomiky a výskumu mikrobiómov viedol k veľkému množstvu publikácií rôznej vedeckej kvality. Avšak najmä v posledných rokoch niekoľko štúdií preukázalo význam črevnej flóry a lipidov pre základné biologické procesy, fyziológiu a patofyziológiu.
Obr. 2 Črevná flóra podporuje syntézu mastných kyselín v pečeni: vlákninové polysacharidy sa črevnou flórou štiepia a vo vnútri čreva sa fermentujú na acetát. Acetát sa používa na syntézu mastných kyselín a fosfolipidov s dlhším reťazcom potom, čo sa cez portálnu žilu dostane do pečene [6].
Nedávno sme objavili interakciu medzi výživou, črevnou flórou a lipidovým metabolizmom hostiteľského organizmu [6]. Multi-omické analýzy ukázali, že myši s črevnou flórou majú významne vyššie koncentrácie mononenasýtených mastných kyselín a expresiu transkriptov a proteínov relevantných pre syntézu lipidov de novo ako myši bez črevnej flóry. Mononenasýtené mastné kyseliny sú konečným produktom tvorby endogénnych mastných kyselín. Použitím stravovacích intervenčných stratégií a mechanistických vyšetrení, vrátane aplikácie stabilných izotopov v kombinácii s hmotnostnou spektrometriou, sme preukázali, že syntéza lipidov v pečeni do značnej miery závisí od črevnej flóry. Acetát mastnej kyseliny s krátkym reťazcom, ktorý pochádza z mikrobiálneho rozkladu potravinových polysacharidov (t. J. Vlákniny) druhmi z kmeňa Bacteroidetes, používa hostiteľ ako predchodca pre syntézu mastných kyselín s dlhším reťazcom a fosfolipidov v pečeni (obr. 2).
Obr. 3 Stabilné izotopové značenie syntézy mastných kyselín v pečeni de novo: Potom, čo myši dostali 13 C acetát pomocou orálnej sondy (n = 3/skupina), bol stanovený palmitát vzoriek pečene plynovou chromatografiou s kopuláciou pomocou hmotnostnej spektrometrie (GC-MS) 13 Vyšetrovanie C-obohatenia. Palmitát môže byť syntetizovaný z označených aj neznačených (t.j. prírodných) acetátových monomérov. Neznačené monoméry (šedé) neobsahujú žiadne 13 C izotopy, značený (tmavozelený) je izotop 13C. Po štyroch hodinách značenia sa v palmitáte zistila významná akumulácia 13 C. Zvýšený frakčný výskyt izotopológov M2-M6 s13C ukazuje, že acetát z črevného lúmenu je prekurzorom syntézy lipidov v pečeni.
S cieľom dokázať, že pečeň používa na syntézu mastných kyselín acetát z intestinálneho vnútra, sa myšiam so stabilným izotopovo značeným (13C) acetátom podala sondou orálna sonda. Následná hmotnostná spektrometrická analýza potvrdila akumuláciu 13 C v palmitáte zo vzoriek pečene a plazmy (obr. 3). Na kontrolu toho, či syntézu lipidov v pečeni možno vysledovať späť k výrobcom mikrobiálnych acetátov v čreve a vláknine, boli Bacteroidetes modulované pomocou antibiotík. Okrem toho boli myši kŕmené špeciálnymi diétami s nedegradovateľnou a fermentovateľnou vlákninou alebo s rôznym obsahom vlákniny.
Spoločne naša práca ukázala nový tok lipidov a cestu syntézy pozdĺž osi výživa - črevná flóra - hostiteľ.
Záver a výhľad
Aby sa výskumné oblasti dostali na spoľahlivom základe, musia odborníci cezhranične spolupracovať na stanovení štandardov pre rozsiahly výskum mikrobiómov a analýzu lipidov. Vedci by navyše mali myslieť mimo rámca a kriticky vyhodnotiť ich výsledky pred zverejnením, aby tak podporili vedecký pokrok v príslušných oblastiach. Náš objav črevného mikrobiómu, ktorý ovplyvňuje syntézu lipidov v pečeni, by mohol pripraviť cestu pre prevenciu a liečbu metabolických chorôb pomocou špeciálne upravenej stravy a črevnej flóry.
vďakyvzdania
Výskum Josefa Eckera je podporovaný Nemeckou výskumnou nadáciou (DFG) [EC453/1-1; Prioritný program (SPP) 1656, EC453/2-1; Collaborative Research Center - číslo projektu 395357507 - SFB 1371] a „ZIEL - Inštitút pre potraviny a zdravie“/Technická univerzita v Mníchove (TUM).