Metagenomik, Lipidomik und Transkriptomik: Einblicke in den Kohlenhydratstoffwechsel von Darmmikroben und dessen Rolle bei Insulinresistenz

Symbiose umfasst die komplexen, wechselseitigen Beziehungen zwischen Arten in der natürlichen Welt. Harmonisches Zusammenleben stellt eine nachhaltige und für beide Seiten vorteilhafte Verbindung zwischen Arten dar, wie das symbiotische Partnerschaft zwischen Rhizobien und bestimmten Pflanzen zeigt. Als Menschen erstrebt unser Streben nach Harmonie über unsere äußere Umwelt hinaus; es beinhaltet auch die Förderung einer ausgewogenen Beziehung zu den Mikroorganismen, die in unseren Körpern leben, bekannt als die intestinale Flora. Diese mikrobielle Gemeinschaft spielt eine entscheidende Rolle bei der täglichen Verarbeitung unserer Nahrungsaufnahme, indem sie Kohlenhydrate und andere energiereiche Makromoleküle in essentielle molekulare Komponenten für unsere Nutzung umwandelt. Folglich haben die Stoffwechselaktivitäten der intestinalen Flora, insbesondere in Bezug auf verschiedene Energiequellen, direkte Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit.

Aber welchen Einfluss hat die Darmflora auf die Insulinresistenz und durch welche Mechanismen?

Eine aktuelle Veröffentlichung des Forschungsteams von Hiroshi Ohno am Labor für intestinale Ökosysteme, RIKEN Zentrum für Integrative Medizin in Yokohama, Japan, beleuchtet diese Anfrage. In ihrem Artikel mit dem Titel "Die Auswirkungen des Kohlenhydratstoffwechsels von Darmmikroben auf die Insulinresistenz", veröffentlicht in Natur, das Team vertieft sich in ihre Untersuchung der Auswirkungen der Darmflora auf die Insulinresistenz. Ihre Studie verwendete Metagenomik, Lipidomik, und transkriptomisch Datenanalysen, um ein bemerkenswertes Phänomen zu enthüllen: die Darmflora, insbesondere Mycobacterium spp., beteiligt sich am Stoffwechsel von Kohlenhydraten, mit einem Schwerpunkt auf Monosacchariden wie Glukose, Fruktose, Galaktose, Mannose, Xylose und Arabinose. Erstaunlicherweise tragen diese Stoffwechselaktivitäten der Darmflora zur Verbesserung der Insulinempfindlichkeit beim Menschen bei.

Übersicht über Multi-Omics-Analyse und -Daten. (Takeuchi et al., 2023)

Eine umfassende Analyse von fäkalen Metaboliten zum Verständnis der Insulinresistenzwege

Die Forscher sammelten sorgfältig Stuhl- und Blutproben von freiwilligen Teilnehmern und unterzogen diese einer umfassenden metabolomischen Analyse unter Verwendung von zwei fortschrittlichen Massenspektrometrie-Plattformen. Dieser umfassende Prozess offenbarte eine bemerkenswerte Vielzahl von Ergebnissen, wobei in den Stuhlproben 195 hydrophile Metaboliten und 2.654 Lipidmetaboliten nachgewiesen wurden, sowie in den Blutproben 100 hydrophile Metaboliten und 653 Lipidmetaboliten.

Um die Variationen in der Funktion der Darmflora umfassend zu bewerten, kategorisierten die Forscher die fäkalen Metaboliten und vorhergesagten Gene in kohärente Gruppen, die als Co-Abundance-Gruppen (CAGs) bekannt sind. Darüber hinaus führten sie KEGG (Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes) Anreicherungsanalysen durch, um ihre Erkenntnisse zu vertiefen.

Um die Fähigkeit der Histologiedaten von Stuhlproben zur genauen Vorhersage von Insulinresistenz zu bewerten, begaben sich die Forscher auf eine umfassende Untersuchung. Basierend auf dem Random-Forest-Algorithmus begannen sie damit, die Fläche unter der Kurve (AUC) der Receiver Operating Characteristic (ROC)-Kurve zu vergleichen, einem entscheidenden Werkzeug zur Bewertung der diagnostischen Genauigkeit.

Für die Prädiktorvariablen des Modells wurde ein sorgfältiger Auswahlprozess durchgeführt. Der Algorithmus zur minimalen Redundanz und maximalen Korrelation wurde verwendet, um PCR-Daten aus dem 16S rRNA V1-V2 hypervariable Region der fäkalen Flora, das Metabolom, das Metagenom-Set und deren kombinierte Datensätze. Bemerkenswert ist, dass die Studienergebnisse zeigten, dass fäkale Metabolitdaten ein starkes Potenzial zur Aufklärung der Komplexität der Insulinresistenz-Pathologie aufwiesen.

IR-assoziierte fäkale Metaboliten stehen im Zusammenhang mit veränderter Darmmikrobiota und mikrobiellen genetischen Funktionen. (Takeuchi et al., 2023)

Nach diesen ersten Schritten führte das Forschungsteam umgehend eine umfassende Datenanalyse durch. Ihre Untersuchung ergab einen bemerkenswerten Anstieg von fäkalen Kohlenhydratmetaboliten bei insulinresistenten Personen. Dieser Anstieg war insbesondere bei Monosacchariden wie Glukose, Fruktose, Galaktose, Mannose, Xylose und Arabinose ausgeprägt, die in den Stuhlproben von Personen mit Insulinresistenz deutlich erhöht waren.

Darüber hinaus entdeckten die Forscher auch die Anwesenheit von Ester-Metaboliten, die mit Insulinresistenz innerhalb der Co-Abundanzgruppe 11 (CAG11) assoziiert sind. Diese Gruppe umfasste Lysophospholipide, Gallensäuren, Esteroylcarnitin und Digalaktosyl-/Glucosyl-Diacylglycerol (DGDG), Verbindungen, die Glukose- und/oder Galaktosekomponenten in ihrer strukturellen Zusammensetzung aufwiesen. Interessanterweise stellten die Wissenschaftler innerhalb der Co-Abundanzgruppe 41 (CAG41) einen Mangel an Assoziation zwischen Insulinresistenz und DGDGs mit unterschiedlichen Acylketten fest. Diese Beobachtung deutete darauf hin, dass Ester mit unterschiedlichen Acylketten möglicherweise unterschiedliche physiologische Rollen erfüllen könnten.

Anschließend untersuchten die Forscher das Zusammenspiel zwischen bakterieller Flora und Metaboliten bei insulinresistenten Personen. Unter Verwendung von 16S rRNA-Sequenzierung Daten, sie identifizierten vier Hauptgruppen in den Stuhlproben der Freiwilligen: Lachnospiraceae, Bacteroides, Actinobacteria und unklassifizierbare Bakterien. Eine tiefere Analyse zeigte eine positive Korrelation zwischen Lachnospiraceae und unklassifizierbaren Bakterien sowie Insulinresistenz, während Bacteroides ein unterschiedliches Verhalten aufwies, insbesondere in ihrer Fähigkeit, Kohlenhydrate innerhalb eines Stammes der Gattung zu metabolisieren. Alistipes indistinctus (A. indistinctus).

Fäkale Mikrobiota bei IR. (Takeuchi et al., 2023)

Die Forscher untersuchten auch Entzündungsdaten und entdeckten eine entscheidende Rolle, die Zytokine wie IL-10, Serpin E1, Adiponektin und Leptin bei der Vermittlung der Verbindung zwischen fäkalen Kohlenhydraten und Markern der Insulinresistenz des Wirts, einschließlich der homöostatischen Modellbewertung der Insulinresistenz (HOMA-IR), spielen. Es ist erwähnenswert, dass die meisten dieser ursächlichen Beziehungen durch ausgeklügelte in silico-Modelle etabliert wurden.

Abschließend führten die Forscher umfassende Untersuchungen durch, um einen definitiven ursächlichen Zusammenhang zwischen der Darmflora, fäkalen Kohlenhydraten und Stoffwechselerkrankungen in einem Mausmodell herzustellen. Zunächst analysierten sie Metaboliten in Kulturen, die 22 verschiedene Stämme umfassten, die jeweils mit entweder Insulinempfindlichkeit (IS) oder -resistenz in Verbindung standen. Die Daten zeigten, dass anabole Arten, wie A. indistinctus, Alistipes finegoldiiund Alistipes putrediniswies eine ausgeprägte Vorliebe für Monosaccharid-Kohlenhydrate wie Glukose, Mannose und Glucosamin auf. Bemerkenswert ist, dass der Stamm A. indistinctus übertraf den Rest und zeigte bemerkenswerte Vielseitigkeit im Kohlenhydratverbrauch.

Anschließend wurden sieben Stämme, die mit der Insulinsensitivität in Verbindung stehen, ausgewählt, um in Mäuse implantiert zu werden, um ihr therapeutisches Potenzial gegen Stoffwechselerkrankungen zu bewerten. Die Ergebnisse zeigten erhebliche Verbesserungen im Stoffwechselstatus der Mäuse nach der Einführung der A. indistinctus Stamm. Diese Ergebnisse spiegelten konsequent die früheren Befunde wider und bestätigten, dass Mäuse, die mit A. indistinctus zeigte die günstigsten metabolischen Ergebnisse.

10 Alistipes indistinctus reduziert intestinale Kohlenhydrate. (Takeuchi et al., 2023)

Referenz:

1. Takeuchi, Tadashi, et al. "Die Kohlenhydratmetabolismus der Darmmikroben trägt zur Insulinresistenz bei." Natur (2023): 1-7.