В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Nature, исследователи использовали всестороннюю мульти-омикс стратегию у людей для оценки связи между метаболизмом углеводов кишечной микрофлоры и инсулинорезистентностью (ИР). Кроме того, в ходе этого исследования были обнаружены связи между метаболитами в кале и метаболическим синдромом (МС), заболеванием, связанным с ИР.
Более конкретно, метаболизм углеводов комменсальных микроорганизмов, кажется, вносит свой вклад в общее извлечение энергии хозяина и, следовательно, участвует в этиологии преддиабета и ожирения. Однако фундаментальные механизмы этого процесса остаются неизвестными.
Для изучения роли микрофлоры кишечника в ИР исследователи объединили без предвзятости метаболомы кала, метагеномы и транскриптомные данные хозяина. В исследовании участвовали 306 человек в возрасте от 20 до 75 лет, которые зарегистрировались в Университетской больнице Токио в период с 2014 по 2016 год во время ежегодных медицинских осмотров.
Исследователи включили в исследование 112 человек в нормальной весовой категории, 100 человек с ожирением и 101 человек с преддиабетом. Все участники прошли физическое обследование, лабораторные исследования, взяты образцы кала для 16S рибосомальной рибонуклеиновой кислоты (РНК) пирозеквенирования и метаболомного анализа, а также взяты образцы крови для серологического метаболомного анализа.
Критерии исключения включали в себя подтвержденный диагноз сахарного диабета, регулярное применение лекарств от сахарного диабета или кишечных заболеваний, прием антибиотиков за две недели до взятия образцов и потерю трех килограммов массы тела за три месяца до взятия образцов.
ИР была определена с использованием модели оценки гомеостаза ИР (HOMA-IR) с показателями 2,5 и выше. Для оценки различий в активности микроорганизмов кишечника, метаболитов в кале и предполагаемых генов использовались группы ко-обилия метаболитов (CAGs) и категории Киотской энциклопедии генов и геномов (KEGG) соответственно.
Подход CAGE (анализ генетического выражения капсул) использовался для сбора транскриптомных данных из периферических мононуклеарных клеток крови (PBMC), которые позволяют количественно измерять генетическое выражение с разрешением на участок начала транскрипции. Значения площади под кривой (AUC) на кривых операционной характеристики получены с использованием системы классификации случайного леса для исследования способов, с помощью которых омические данные из образцов кала могут предсказывать инсулинорезистентность.
Для моделирования использовались данные по 16S рибосомальному РНК-последовательному анализу, метагеномам, метаболомам и их комбинированным наборам для идентификации переменных-оценщиков.
При проведении корреляционных и регрессионных исследований с клиническими показателями значимые факторы, такие как пол и возраст, были учтены. Газовая хроматография-тандемная масс-спектрометрия (GC-MS/MS) использовалась для извлечения и количественного анализа гидрофильных метаболитов в образцах кала и сыворотки крови.
Средний индекс массы тела (ИМТ) и уровень гликированного гемоглобина (HbA1c) составили 25 кг/м2 и 6% соответственно. Карбогидраты в кале, особенно доступные хозяину моносахариды, были выше у пациентов с инсулинорезистентностью и были связаны с метаболизмом углеводов микроорганизмов кишечника и цитокинами в организме.
Микроорганизмы кишечника, связанные с ИР и чувствительностью к инсулину, демонстрировали различные паттерны метаболизма углеводов. Более того, бактерии, связанные с чувствительностью к инсулину, улучшали фенотипы ИР в муринной модели.
Нецелевое метаболомное исследование с использованием двух аналитических платформ на основе масс-спектрометрии показало 195 аннотированных гидрофильных метаболитов в образцах кала и 100 в образцах сыворотки крови, а также 2 654 и 635 аннотированных метаболитов липидов в образцах кала и сыворотки крови соответственно.
При предсказании ИР выбранные характеристики метаболомных данных в кале превосходили результаты 16S и метагеномики. Это наблюдение указывает на полезность метаболомики кала при исследовании патофизиологии ИР.
Среди гидрофильных метаболитов наибольшее количество CAGs с значимой корреляцией с ИР были углеводными метаболитами, в основном моносахаридами. ИР также ассоциировалась с повышенным уровнем короткоцепочечных жирных кислот (СКЖК). Метаболиты в группах ко-обилия гидрофильных метаболитов, связанных с ИР, ассоциировались с метаболизмом углеводов согласно результатам обогащения пути KEGG. Галактоза, фруктоза, ксилоза и манноза были значимо связаны с ИР.
Представители бактерий Bacteroides поглощают разнообразные углеводы, что способствует синтезу их ферментационных продуктов. У мышей A. indistinctus снижала ИР и изменяла метаболиты глюкозы в кишечнике, что коррелировало с результатами исследования на человеческой выборке.