Untersuchung des Einflusses des Ballaststofftyps auf die Arteriosklerose bei Mäusen, die mit verschiedenen mikrobiellen Gemeinschaften im Darm besiedelt sind

npj Biofilms and Microbiomes Band 9, Artikelnummer: 31 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Der Verzehr von Ballaststoffen wird mit einer verbesserten kardiometabolischen Gesundheit in Verbindung gebracht. Humanstudien haben jedoch große interindividuelle Unterschiede bei den beobachteten Vorteilen festgestellt. Wir haben getestet, ob die Auswirkungen von Ballaststoffen auf Arteriosklerose durch das Darmmikrobiom beeinflusst werden. Wir kolonisierten keimfreie ApoE-/−-Mäuse mit Stuhlproben von drei menschlichen Spendern (DonA, DonB und DonC) und fütterten sie mit einer Nahrung, die entweder mit einer Mischung aus 5 fermentierbaren Ballaststoffen (FF) oder einer nicht fermentierbaren Zellulosekontrolle (CC) ergänzt war. Diät. Wir fanden heraus, dass mit DonA kolonisierte Mäuse bei der FF-Fütterung im Vergleich zu ihren mit CC gefütterten Gegenstücken eine geringere Atherosklerosebelastung aufwiesen, wohingegen die Art der Ballaststoffe bei Mäusen, die mit Mikrobiota von anderen Spendern kolonisiert wurden, keinen Einfluss auf die Atherosklerose hatte. Mikrobielle Verschiebungen im Zusammenhang mit der FF-Fütterung bei DonA-Mäusen waren durch eine höhere relative Häufigkeit von Butyrat-produzierenden Taxa, höhere Butyratspiegel und eine Anreicherung von Genen gekennzeichnet, die an der Synthese von B-Vitaminen beteiligt sind. Unsere Ergebnisse legen nahe, dass die Atheroprotektion als Reaktion auf FF nicht universell ist und vom Darmmikrobiom beeinflusst wird.

Individuelle Reaktionen auf dieselbe Diät oder dieselben therapeutischen Medikamente sind oft uneinheitlich und nicht universell. Dieser Gedanke ist ein Grundprinzip der Präzisionsmedizin und Ernährung1,2. Viele Faktoren beeinflussen, wie eine Person auf eine bestimmte Behandlung reagiert, darunter Genetik, Ernährung und Geschlecht. Kürzlich wurde deutlich, dass das Darmmikrobiom maßgeblich zu den beobachteten zwischenmenschlichen Unterschieden in der Reaktionsfähigkeit beiträgt3,4,5,6. Es ist mittlerweile allgemein anerkannt, dass das Darmmikrobiom eine wichtige Rolle für die Gesundheit spielt und seine Zusammensetzung von Mensch zu Mensch sehr unterschiedlich ist7. Nahrungsbestandteile, von Nahrungsmitteln bis hin zu oral verabreichten Medikamenten, kommen im Magen-Darm-Trakt in engen Kontakt mit ansässigen Mikroben. Das Darmmikrobiom kodiert insgesamt mehr als 100-mal mehr Gene als das menschliche Genom, einschließlich einer Vielzahl von Enzymen mit dem Potenzial, diese aufgenommenen Verbindungen zu metabolisieren und ihre Bioverfügbarkeit, Aktivität und letztendlich ihre Auswirkungen auf den Wirt zu modulieren8,9,10. Tatsächlich haben Darmmikroben in den letzten Jahren aufgrund ihrer Fähigkeit, Reaktionen auf bioaktive Verbindungen11 zu modulieren, die von blutdrucksenkenden Medikamenten bis hin zu Immunsuppressiva für Organtransplantationen12,13 reichen, große Aufmerksamkeit erhalten. Für die wirksame Umsetzung der Präzisionsmedizin ist es von entscheidender Bedeutung, besser zu verstehen, welche Interventionen am empfindlichsten auf Mikrobiomvariationen reagieren.

Herz-Kreislauf-Erkrankungen (CVD) sind die häufigste Todesursache in den Vereinigten Staaten und machen über ein Drittel aller Todesfälle weltweit aus14,15. Atherosklerose ist die häufigste Manifestation von Herz-Kreislauf-Erkrankungen und wird durch entzündliche Prozesse verursacht, die zur Bildung makrophagendichter Fettplaques innerhalb der Arterienwand führen16. Es gibt immer mehr Hinweise darauf, dass das Darmmikrobiom eine wichtige Rolle bei der Regulierung der Arterioskleroseentwicklung spielt. Epidemiologische Studien haben Unterschiede im Mikrobiom von Personen mit koronarer Herzkrankheit im Vergleich zu gesunden Personen festgestellt17,18,19. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass mehrere mikrobielle Metaboliten, die aus bestimmten Nahrungsbestandteilen entstehen, das Fortschreiten der Arteriosklerose bei Menschen und Tiermodellen über verschiedene Mechanismen modulieren. Beispielsweise ist Trimethylamin-N-oxid, ein mikrobielles Derivat von Cholin, mit einem erhöhten Risiko schwerer kardiovaskulärer Ereignisse beim Menschen verbunden20; Der mikrobielle Metabolit Indol-3-propionsäure, der aus Tryptophan gewonnen wird, schützt vor dem Fortschreiten der Arteriosklerose, indem er den Cholesterinausfluss fördert21; und kurzkettige Fettsäuren (SCFAs), die durch Fermentation von Ballaststoffen hergestellt werden, lindern nachweislich Arteriosklerose, indem sie die Aufnahme von Cholesterin aus der Nahrung begrenzen (Propionat) und Entzündungen sowie die Darmpermeabilität reduzieren (Butyrat)22,23,24. Tatsächlich ist seit langem bekannt, dass die Ernährung sowohl bei der Förderung als auch bei der Vorbeugung von Arteriosklerose eine wichtige Rolle spielt25,26. Es ist beispielsweise allgemein bekannt, dass Lebensmittel wie Vollkorngetreide und Hülsenfrüchte, die reich an Ballaststoffen sind, vor Herz-Kreislauf-Erkrankungen schützen27,28. Allerdings wurden bei einzelnen Personen inkonsistente Reaktionen auf eine Reihe diätetischer und pharmakologischer Interventionen bei Herz-Kreislauf-Erkrankungen beobachtet29,30. Die meisten Studien, die Ballaststoffe mit einer verbesserten Herz-Kreislauf-Gesundheit in Verbindung bringen, basieren auf Bevölkerungsdurchschnitten31 und berücksichtigen keine individuellen Merkmale. Daher sind die Ursachen dieser Inkonsistenzen noch nicht ausreichend erforscht.

Ballaststoffe sind Oligo- oder Polysaccharide, die dem Abbau durch Wirtsenzyme widerstehen und von Mikroben im distalen Darm verstoffwechselt werden können. Ballaststoffe variieren stark in Struktur und Zusammensetzung und werden häufig nach ihren biochemischen Eigenschaften unterteilt. Eine solche Unterteilung ergibt sich daraus, ob sie von Darmmikroben fermentiert werden können. Somit handelt es sich bei fermentierbaren Ballaststoffen um Ballaststoffe, die von Darmmikroben verstoffwechselt werden können, während nicht fermentierbare Ballaststoffe der intestinalen Fermentation widerstehen32. Nach dieser Definition ist die Fermentierbarkeit keine statische oder inhärente Eigenschaft einer bestimmten Faser, da sie kontextabhängig ist und vom Vorhandensein spezifischer Mikroben abhängt, die die betreffende Faser und die Wirtsumgebung (z. B. Transitzeit, Wiederkäuen) abbauen können. . Die Fermentation von Ballaststoffen im Magen-Darm-Trakt führt zur Produktion von SCFAs, von denen Acetat, Propionat und Butyrat am häufigsten vorkommen. SCFAs wurden mit einer verbesserten kardiometabolischen Gesundheit in Verbindung gebracht22,23 und es wird vermutet, dass sie einige der atheroprotektiven Wirkungen vermitteln, die mit dem Verzehr von Ballaststoffen in der Nahrung verbunden sind33. Mehrere Studien haben jedoch gezeigt, dass die SCFA-Produktion von der Mikrobiomstruktur abhängt und von Person zu Person sehr unterschiedlich ist. Beispielsweise haben McOrist et al. fanden individuelle Reaktionen bei der Butyratproduktion auf ein Nahrungsergänzungsmittel mit resistenter Stärke (RS)34. Darüber hinaus haben wir kürzlich herausgefunden, dass verschiedene fermentierbare Fasern (Pektin, Inulin, Fructo-Oligosaccharid (FOS), RS-2 und RS-4) unterschiedliche Reaktionen bei der SCFA-Produktion hervorriefen, wenn sie an Mäuse verfüttert wurden, die mit unterschiedlichen mikrobiellen Gemeinschaften besiedelt waren35.

Angesichts der personalisierten Natur des Darmmikrobioms und der Tatsache, dass Darmmikroben für die Verstoffwechselung von Ballaststoffen notwendig sind, stellten wir die Hypothese auf, dass die atheroprotektiven Wirkungen, die als Reaktion auf einen bestimmten Ballaststoff erzielt werden, durch die Zusammensetzung des Darmmikrobioms des Verbrauchers moduliert werden. Um dies zu testen, besiedelten wir Gruppen keimfreier (GF) Mäuse mit Apolipoprotein-E-Mangel (ApoE–/–) mit fäkalen Mikrobengemeinschaften von einem von drei menschlichen Spendern, die jeweils unterschiedliche mikrobielle Zusammensetzungen und SCFA-Produktionskapazitäten aufwiesen. Besiedelte Mäuse erhielten eine Diät, die entweder eine Mischung aus fermentierbaren Ballaststoffen (FF) oder eine nicht fermentierbare Cellulose-Kontrolldiät (CC) enthielt. Wir fanden heraus, dass der Schutz vor Atherosklerose durch den FF-Konsum nicht universell war, sondern durch das residente Mikrobiom moduliert wurde. Wir beobachteten auch, dass Atheroprotektion mit einer erhöhten Butyratproduktion und einer Anreicherung bakterieller Gene verbunden war, die an Signalwegen für den Kohlenhydratstoffwechsel und die Vitaminsynthese beteiligt sind.

Keimfreie (GF) weibliche ApoE-/-Mäuse wurden mit Stuhlproben von einem von drei menschlichen Spendern kolonisiert (ergänzende Abbildung 1). Diese Proben wurden aus einem Archiv von Stuhlproben ausgewählt, die zuvor von Erwachsenen Mitte siebzig gesammelt wurden36, und wurden basierend auf (i) ihrer divergenten Gemeinschaftsstruktur, bewertet durch ungewichtete UniFrac-Abstände von 16S-rRNA-Profilen, und (ii) ihrer Fähigkeit, unterschiedliche zu erzeugen, ausgewählt SCFA-Spiegel bei der Transplantation in GF-Mäuse, die eine halbgereinigte Nahrung mit einer Reihe von Ballaststoffen zu sich nehmen35. Nach der Besiedlung wurden die Mäuse zwei Wochen lang mit der FF-Diät behandelt, um die Stabilisierung der transplantierten Gemeinschaften vor der diätetischen Behandlungsphase zu ermöglichen (ergänzende Abbildung 1). Zu diesem Zeitpunkt wurden Stuhlproben entnommen, um die bakterielle Transplantation mittels 16S-rRNA-V4-Amplikonsequenzierung zu beurteilen. Die Transplantationseffizienz (Gattungsebene) betrug 64 % bei DonA-, 65 % DonB- bzw. 72 % DonC-kolonisierten Mäusen (ergänzende Abbildung 2f). Berechnet als Prozentsatz der in mindestens einer der Empfängermäuse nachgewiesenen Spendergattungen betrugen die Effizienzen 90, 88 bzw. 87 % bei mit DonA, DonB und DonC kolonisierten Mäusen (ergänzende Abbildung 2c – e). Diese Transplantationseffizienzen stimmen mit früheren Studien überein37,38. Physiologische, anatomische und Verhaltensunterschiede zwischen menschlichen Spendern und Empfängermäusen sowie Unterschiede in der Ernährung erklären wahrscheinlich, warum nur ein Bruchteil der Spenderbakterien transplantiert wurde.

Einige Gattungen wurden nur bei den Empfängermäusen nachgewiesen, waren jedoch für jede der drei Spendergruppen einzigartig, was darauf hindeutet, dass diese Taxa in den menschlichen Spenderproben möglicherweise nur in geringer Häufigkeit vorhanden waren und nicht auf eine Kontamination zurückzuführen sind. Die Hauptkoordinatenanalyse (PCoA) der gewichteten UniFrac-Abstände von Stuhlproben, die vor der diätetischen Behandlung gesammelt wurden, zeigte eine gleichmäßige Transplantation zwischen Mäusen, die an die beiden Diäten gebunden waren (FF-gebunden und CC-gebunden), innerhalb aller Behandlungsgruppen (alle paarweise PERMANOVA angepasst P > 0,1, Ergänzende Abbildung 2a). Vergleiche mit ungewichteten UniFrac-Abständen (empfindlich gegenüber Vorhandensein/Fehlen von Taxa) zeigten jedoch einen signifikanten Unterschied in der Gemeinschaftsstruktur bei DonA-kolonisierten Mäusen zwischen FF-gebundenen und CC-gebundenen Gemeinschaften (angepasstes P = 0,0012, ergänzende Abbildung 2b). Dies wurde durch 9 Gattungen verursacht, die in einer ernährungsgebundenen Gruppe entdeckt wurden, in der anderen jedoch nicht (ergänzende Abbildung 2c). Elf Wochen nach der diätetischen Behandlung wurden Blinddarmproben entnommen und zur Beurteilung terminaler mikrobieller Gemeinschaften verwendet. Am Ende des Experiments wurden 5 der 9 fehlenden Gattungen nicht mehr im Blinddarminhalt von Mäusen mit einer der beiden Diäten nachgewiesen, während 4 Gattungen (Clostridium, Faecalibacterium, Gemmiger und eine unbestimmte Gattung Ruminococcus) nur bei mit FF gefütterten Mäusen gefunden wurden (Ergänzende Abbildung 2c). Dies führt zu der Möglichkeit, dass die in den versammelten Gemeinschaften beobachteten Unterschiede zwischen den Ernährungsgruppen für DonA-Mäuse eher auf eine inkonsistente Transplantation als auf einen Einfluss der Ernährung zurückzuführen sind. Alternativ ist es möglich, dass diese fehlenden Taxa in den CC-gebundenen Mäusen vorhanden waren, jedoch unter nachweisbaren Werten, da mikrobielle Gemeinschaften in der Zeit nach der Kolonisierung erheblichen Schwankungen unterliegen. Das letztere Szenario wird durch die Tatsache gestützt, dass (i) alle fehlenden Taxa in der menschlichen Spenderprobe nachgewiesen wurden, die zur Impfung aller DonA-Mäuse verwendet wurde, und (ii) ähnliche FF-diätbedingte Muster bei der Häufigkeit von Faecalibacterium und Gemmiger beobachtet wurden eine frühere Studie35, in der der gleiche Spenderkot und die gleichen Diäten verwendet wurden. Diese Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung der Berichterstattung über Transplantationsdaten vor der Behandlung in Maustransplantationsstudien, damit die Schlussfolgerungen angemessen kontextualisiert werden können.

Zwei Wochen nach der Kolonisierung wurden die Mäuse in ihre Ernährungsbehandlungsgruppen eingeteilt und 11 Wochen lang mit ihrer jeweiligen Ernährung versorgt. Die PCoA-Analyse der gewichteten und ungewichteten UniFrac-Abstände (Abb. 1a, b) von Bakteriengemeinschaften im Blinddarm, die am Ende der Studie bewertet wurden, zeigt, dass Mäuse innerhalb jeder Spendergruppe durch die Ernährungsbehandlung stark unterscheidbar waren. Bei Verwendung ungewichteter UniFrac-Abstände zeigt die Ordination, dass die Spendergruppe einen stärkeren Einfluss auf die Zusammensetzung der Gemeinschaft hatte als die Ernährung (Abb. 1a). PCoA gewichteter UniFrac-Abstände, die die Häufigkeit jedes Taxons berücksichtigen, zeigt deutliche Unterschiede je nach Ernährung, aber mehr Überschneidungen zwischen Spendergruppen (Abb. 1b), was darauf hindeutet, dass der FF-Verbrauch deutliche Veränderungen bei einigen phylogenetisch verwandten Taxa mit geringer Häufigkeit hervorruft in den drei Gemeinden. Die Alpha-Diversität (Shannon) war bei mit DonA kolonisierten Mäusen, die FF konsumierten, im Vergleich zum CC-Konsum höher, wurde jedoch bei mit DonB oder DonC kolonisierten Mäusen nicht signifikant durch die Ernährung beeinflusst (Abb. 1f). In ähnlicher Weise war der beobachtete Reichtum an Amplikonsequenzvarianten (ASV) mit der FF-Diät bei DonA-Mäusen signifikant erhöht, wurde jedoch durch die FF-Fütterung bei DonB-Mäusen verringert (Abb. 1g). Der FF-Verbrauch führte im Vergleich zu mit CC gefütterten Mäusen zu einer erhöhten DNA-Konzentration im Blinddarminhalt, einem Indikator für die mikrobielle Biomasse (40). Dieser Effekt wurde in allen drei Spendergruppen beobachtet und legt nahe, dass eine Ernährung, die reich an fermentierbaren Ballaststoffen ist, im Allgemeinen die mikrobielle Biomasse erhöht.

a, b Hauptkoordinatenanalyse von ungewichteten und gewichteten UniFrac-Abständen von 16S-rRNA-V4-ASVs. Tiere, die mit Stuhlproben von drei verschiedenen Spendern kolonisiert wurden: DonA, DonB und DonC. c Relative Häufigkeiten von Taxa auf Gattungsebene für die beiden Nahrungsarten (untere X-Achse, farbige Balken) zusammen mit den Effektgrößen der unterschiedlichen Häufigkeit zwischen den Nahrungsarten (MaAsLin 2) (obere X-Achse, Punkte). Signifikante Unterschiede in der Häufigkeit von Taxa innerhalb jeder Spendergruppe werden durch einen durchgezogenen Punkt gekennzeichnet (angepasstes P < 0,1) und leere Kreise bedeuten keine signifikante Änderung (angepasstes P > 0,1). Die Ausrichtung des Punkts relativ zum Ursprung stellt die Auswirkung der Ernährung auf die Häufigkeit der einzelnen Taxa dar (negative Werte entsprechen CC-Häufigkeiten, positive Werte entsprechen FF-Häufigkeiten). Die ersten 5 Buchstaben der Familie, die jedes Taxon umfasst, sind in Klammern angegeben; Wenn die Familie unbestimmt ist, wird stattdessen der Taxon-Stamm aufgeführt und mit einem „P-“ gekennzeichnet. d Relative Häufigkeit von Taxa auf Phylum-Ebene als Funktion der Ernährung und der Spendergruppe. e Verhältnis von Bacteroidetes zu Firmicutes. f, g Shannon-Diversitätsindex und beobachteter Reichtum. Box- und Whisker-Plots geben den Interquartilbereich, den Median und die Streuung von Punkten innerhalb des 1,5-fachen Interquartilbereichs zusammen mit einzelnen Datenpunkten an; Magenta = Fermentierbare Faser (FF), Blau = Cellulosekontrolle (CC). Mittelwertvergleiche (n = 7–10/Diät/Spendergruppe), durchgeführt mit dem Wilcoxon-Test, *P < 0,05, **P < 0,01, ***P < 0,001.

Die Bakteriengemeinschaften wurden von Firmicutes und Bacteroidetes dominiert und wiesen in allen Behandlungsgruppen nachweisbare Mengen an Proteobakterien und Verrucomicorbia auf (Abb. 1d). Actinobakterien wurden in mit FF gefütterten, mit DonA kolonisierten Mäusen, mit CC gefütterten, mit DonB kolonisierten Mäusen und in beiden Diäten für mit DonC kolonisierte Mäuse nachgewiesen. Die FF-Fütterung senkte das Verhältnis von Bacteroidetes zu Firmicutes für alle Spendergruppen (Abb. 1e), die einzige signifikante Verringerung wurde jedoch bei mit DonA kolonisierten Mäusen beobachtet. Die ernährungsbedingten Anreicherungsmuster, die in den verschiedenen Spendergruppen beobachtet wurden, waren im Allgemeinen wenig konsistent, selbst wenn Veränderungen auf Stammebene berücksichtigt wurden, was auf das Fehlen einer universellen Reaktion auf eine diätetische Behandlung hindeutet (Abb. 1c–g).

Wir verwendeten die Microbiome Multivariable Association with Linear Models (MaAsLin 2)41, um für jede Spendergruppe ernährungsbedingte Anreicherungsmuster auf Gattungsebene zu analysieren. Die meisten Gattungen, die sich signifikant unterschieden (angepasstes P < 0,1), waren für jede Spendergruppe einzigartig: Blautia war die einzige Gattung, die durch den FF-Konsum in allen Spendergruppen signifikant angereichert wurde, während Eggerthella, Butyricimonas und Parabacteroides die einzigen Gattungen waren, die auftraten universelle Anreicherung als Reaktion auf die CC-Diät (Abb. 1c). Eine offensichtliche Erklärung für die mangelnde Universalität ist die Tatsache, dass jede Spendergruppe über unterschiedliche Mikrobensammlungen verfügt. Doch selbst bei Gattungen, die bei mehreren Spendern vorhanden waren, variierte die Ausrichtung der Reaktion auf die Ernährung tendenziell je nach Gemeinschaft ([Lachn] Clostridium, Bacteroides, Akkermansia, [Lachn] Undetermined, [Rumin] Clostridium, Oscillospira, [Erysi ] Clostridium, [Lachn] Ruminococcus). Beispielsweise wurde die Gattung Bacteroides durch CC-Fütterung bei mit DonC kolonisierten Mäusen, durch FF-Fütterung bei mit DonB kolonisierten Mäusen erheblich bereichert und blieb bei mit DonA kolonisierten Tieren unbeeinflusst von der Ernährung (Abb. 1c). Interessanterweise wurde die relative Häufigkeit von Akkermansia durch die CC-Fütterung bei DonB-Mäusen und durch die FF-Diät bei DonC-Mäusen signifikant erhöht und wurde durch die Ernährung bei DonA-kolonisierten Mäusen nicht beeinflusst. Akkermansia muciniphila, die am weitesten verbreitete Art dieser Gattung, ernährt sich von Wirtsmuzinen, die durch faserabbauende Bakterien glykosyliert werden können, wodurch sich die Akkermansia-Werte beeinflussen42,43. Obwohl berichtet wurde, dass Akkermansia bei einer Ernährung mit wenig fermentierbaren Ballaststoffen gedeiht44, deuten unsere Daten darauf hin, dass die Zusammensetzung der Mikrobiota die Reaktion von Akkermansia auf bestimmte Ballaststoffquellen beeinflussen kann. Es ist auch möglich, dass die verschiedenen Spendergruppen unterschiedliche Stämme von Akkermansia muciniphilia besitzen, die ihrerseits unterschiedlich von der Ernährung beeinflusst werden. Zusammengenommen legen diese Ergebnisse nahe, dass mikrobielle Reaktionen auf Ballaststoffe kontextabhängig sind und wahrscheinlich von der Zusammensetzung und den Stoffwechselfähigkeiten der breiteren Gemeinschaft beeinflusst werden.

Mit DonA kolonisierte FF-gefütterte Mäuse hatten im Vergleich zu ihren mit CC gefütterten Gegenstücken eine signifikant verringerte Lipidablagerung in atherosklerotischen Plaques und einen Trend zu einer verringerten Plaquefläche (P = 0,070), während zwischen den Diäten weder bei DonB- noch bei DonC-gefütterten Mäusen Unterschiede beobachtet wurden. kolonisierte Mäuse (Abb. 2a – c). Um den Atherosklerose-Erkrankungsstatus weiter zu charakterisieren, wurden die Läsionen durch Immunhistologie mit MOMA-2-Antikörpern auf Makrophageninfiltration untersucht. In keiner der Spendergruppen wurden statistisch signifikante Unterschiede zwischen den Diäten hinsichtlich der MOMA-2-Läsionsdichte beobachtet (Abb. 2a, d), es gab jedoch einen Trend zu einer verringerten Dichte bei der FF-Fütterung bei DonA-Mäusen (P = 0, 11). Frühere Studien berichten über inkonsistente Ergebnisse hinsichtlich der Wirkung von Inulin (einem Ballaststoffbestandteil in der FF-Diät) auf Arteriosklerose bei Mäusen45,46. Rault-Nania et al. fanden heraus, dass Inulin die Atherosklerose bei ApoE-/−-Mäusen linderte, während Hoving und Kollegen herausfanden, dass Inulin die Atherosklerose bei APOE*3-Leiden-Mäusen verschlimmerte. Während diese Diskrepanz auf die unterschiedlichen Diäten und/oder Mausmodelle zurückzuführen sein könnte, die in diesen Studien verwendet wurden, stützen unsere Ergebnisse die Annahme, dass das Darmmikrobiom die atheroprotektive Wirkung fermentierbarer Ballaststoffe moduliert, was eine mögliche Erklärung für diese widersprüchlichen Ergebnisse liefert.

Atherosklerose wurde bei GF-ApoE-/-Mäusen gemessen, die mit menschlichen Kotgemeinschaften DonA, DonB und DonC besiedelt waren und entweder mit fermentierbarer Ballaststoffdiät oder einer Cellulose-Kontrolldiät gefüttert wurden. a Repräsentative Oil Red O-Färbung und MOMA-2-Antikörperfärbung des Inhalts von Aortensinusquerschnitten. Quantifizierung der durchschnittlichen Plaquefläche (b), der lipidpositiven Fläche (c) oder der MOMA-2-positiven Fläche (d). Plasmaspiegel von Gesamtcholesterin (e), HDL-Cholesterin (f) und Triglyceriden (g). Box- und Whisker-Plots geben den Interquartilbereich, den Median und die Streuung von Punkten innerhalb des 1,5-fachen Interquartilbereichs zusammen mit einzelnen Datenpunkten an; Magenta = Fermentierbare Faser (FF), Blau = Cellulosekontrolle (CC). Vergleiche der Mittelwerte zwischen Diäten innerhalb jeder Spendergruppe (n = 7–10/Diät/Spendergruppe) wurden unter Verwendung eines Wilcoxon-Tests mit entsprechender Korrektur für die Annahme gleicher Varianz (Levenes-Test) durchgeführt, *P < 0,05, **P < 0,01 .

Um zu testen, ob der Verzehr fermentierbarer Ballaststoffe die Lipidzusammensetzung im Blutkreislauf verändert, haben wir die Lipidspiegel im Plasma der oben beschriebenen Mäuse gemessen. Bei keiner der Spendergruppen wurden statistische Unterschiede zwischen den Diäten hinsichtlich der Plasmaspiegel von Gesamtcholesterin, HDL-Cholesterin oder Triglyceriden beobachtet (Abb. 2e – g). Wir bewerteten auch die Aorta-Expressionsniveaus von Abca1- und Abcg1-mRNA durch RT-qPCR als Marker für den umgekehrten Cholesterintransport, beobachteten jedoch keine statistisch signifikanten Unterschiede zwischen den Diäten innerhalb einer der Spendergruppen (ergänzende Abbildung 4d, e). Diese Ergebnisse legen nahe, dass die bei DonA-Mäusen beobachtete atheroprotektive Wirkung des FF-Konsums nicht durch größere Veränderungen der Plasmalipide oder der Cholesterinhomöostase vermittelt wurde. Um zu testen, ob Atheroprotektion mit Veränderungen des Gefäßentzündungsstatus verbunden ist, haben wir die Aortenexpression der Entzündungsmarker Tnf-α, Il1-β und Vcam-1 gemessen, die häufig mit dem Fortschreiten der Atherosklerose assoziiert sind22,47. In keiner der Spendergruppen wurden signifikante Unterschiede in der Expression dieser Marker zwischen den Diäten beobachtet (ergänzende Abbildung 4a – c). Diese Daten legen nahe, dass die atheroprotektive Wirkung der FF-Fütterung bei DonA-Mäusen möglicherweise unabhängig von diesen Immunprozessen und dem umgekehrten Cholesterintransport ist, obwohl weitere Analysen erforderlich sind, um diese Faktoren vollständig auszuschließen.

Angesichts der Variabilität der Mikrobiomzusammensetzung zwischen den Diäten testeten wir als nächstes, ob es Unterschiede in der Faserfermentationskapazität zwischen den Spendergruppen gab. In Übereinstimmung mit den oben genannten Mikrobiom-Zusammensetzungsmustern waren ernährungsbedingte Verschiebungen der SCFA-Profile stark von der Spendergruppe abhängig (Abb. 3a – d). Acetat, das am häufigsten vorkommende SCFA, war bei mit FF gefütterten Mäusen, die sowohl mit DonA- als auch mit DonB-Gemeinschaften kolonisiert waren, erhöht (Abb. 3a). Propionat wurde durch FF-Fütterung nur bei DonA-Mäusen erhöht, wohingegen die Ernährung bei den anderen beiden Spendergruppen keinen Einfluss auf den Propionatspiegel hatte (Abb. 3b). Die Fütterung mit FF führte bei DonA-Mäusen zu deutlich erhöhten Butyratspiegeln im Blinddarm, bei mit DonB kolonisierten Mäusen jedoch zu verringerten Butyratspiegeln im Vergleich zu mit CC gefütterten Mäusen (Abb. 3c). Die Butyratkonzentrationen im Blinddarm unterschieden sich nicht zwischen den Diäten bei DonC-kolonisierten Mäusen. Die verzweigtkettigen Fettsäuren Isobutyrat und Isovalerat, die hauptsächlich durch Proteinfermentation hergestellt werden, wurden in keiner der Spendergruppen durch die Ernährung beeinflusst (Abb. 3e, f). Das Fehlen von Unterschieden bei verzweigtkettigen Fettsäuren steht im Einklang mit der Tatsache, dass die FF- und CC-Diäten isoproteinisch sind. Die gesamten SCFA-Konzentrationen (dh die Summe aus Acetat, Propionat und Butyrat) innerhalb der Spendergruppen wurden durch FF-Fütterung in DonA und DonB erhöht, nicht jedoch in DonC (Abb. 3d). Diese Ergebnisse spiegeln die beobachteten Veränderungen bei SCFA-produzierenden Mikrobiota wider. Zu den Gattungen, die durch die FF-Fütterung nur bei DonA-Mäusen vermehrt wurden, gehörten Clostridium, Oscillospira, Ruminococcus, Gemmiger und Faecalibacterium (Abb. 1c), die alle Butyrat-produzierende Arten enthalten 48, 49. Bemerkenswerterweise waren die meisten dieser Gattungen auch in den anderen Spendergruppen vorhanden, wurden jedoch durch die FF-Fütterung nicht angereichert. Dies könnte auf komplexe Interaktionen auf Gemeinschaftsebene (z. B. Konkurrenz) zurückzuführen sein, die die Reaktionen einzelner Gattungen auf Ballaststoffe beeinflussen, oder auf Unterschiede im Stammniveau bei der Reaktion auf die Ernährung oder auf beides.

Blinddarmspiegel von Acetat (a), Propionat (b), Butyrat (c), Gesamt-SCFAs (Summe aus Acetat, Propionat und Butyrat) (d), Isobutyrat (e) und Isovalerat (f). Die Konzentrationen werden pro Gramm Nassgewicht des Blinddarminhalts ausgedrückt. Box- und Whisker-Plots geben den Interquartilbereich, den Median und die Streuung von Punkten innerhalb des 1,5-fachen Interquartilbereichs zusammen mit einzelnen Datenpunkten an. Vergleiche der Mittelwerte zwischen Diäten innerhalb jeder Spendergruppe (n = 7–10/Diät/Spendergruppe) wurden unter Verwendung eines Wilcoxon-Tests durchgeführt, *P < 0,05, **P < 0,01, ***P < 0,001.

Unsere Daten stimmen mit zuvor veröffentlichten Studien überein, die darauf hindeuten, dass ein Butyrat-induzierter Schutz gegen Atherosklerose bei Mäusen auftritt, wenn keine größeren Veränderungen der Plasmalipidspiegel vorliegen22,24. Ähnlich wie unsere Ergebnisse berichteten Kasahara et al.22, dass die Einführung einer Butyrat-produzierenden Mikrobe in Mäuse, die mit einer vereinfachten Bakteriengemeinschaft besiedelt waren, zu einer Verringerung der Plaquelast und der Makrophageninfiltration bei ApoE-/-Mäusen führte, ohne dass sich die Cholesterinhomöostase signifikant veränderte. Kasahara et al. stellten auch Butyrat-induzierte Verringerungen der Aortenexpression der Entzündungsmarker Tnf-α, Il1-β und Vcam-1 fest, die wir in unserer Studie nicht beobachteten. Darüber hinaus ergab eine aktuelle Studie, dass der Konsum von Propionat vor Arteriosklerose schützt, indem es die Cholesterinaufnahme im Darm hemmt23. Obwohl wir bei mit DonA kolonisierten Mäusen, die die FF-Diät zu sich nahmen, erhöhte Propionatspiegel im Blinddarm beobachteten, konnten wir keine Unterschiede im Plasmacholesterinspiegel feststellen. Die Konzentration und der Ort im Magen-Darm-Trakt, an dem sich Propionat ansammelt (dh eine höhere Konzentration im Dünndarm bei oraler Einnahme im Vergleich zu einer höheren Konzentration im Dickdarm bei Herstellung durch Ballaststofffermentation), können seine Wirkung auf die Cholesterinabsorption beeinflussen. Zusammengenommen legen diese Ergebnisse nahe, dass die SCFA-Produktionskapazität sowohl von der Verfügbarkeit von Ballaststoffen als auch von der Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft abhängt. Diese Ergebnisse bestätigen auch die Annahme, dass die Häufigkeit von Butyrat produzierenden Mikroben mit dem Butyratspiegel im Blinddarm zusammenhängt.

Als nächstes versuchten wir, Zusammenhänge zwischen dem Funktionspotenzial des Mikrobioms und der Atheroprotektion zu identifizieren, indem wir Veränderungen in mikrobiellen metagenomischen Profilen untersuchten. Wir führten eine Shotgun-Sequenzierung der aus dem Blinddarminhalt isolierten DNA durch (durchschnittlich 29,4 ± 7,7 Millionen Paired-End-Reads/Probe; n = 5/Diät-Spender-Gruppe). Sequenzdaten wurden mit HUMAnN3 analysiert, um metagenomische Funktionsprofile zu erstellen, die die Häufigkeit der KEGG-Orthologie (KO) für jede Maus umfassten. Die hierarchische Gruppierung von KO-Profilen mithilfe der Bray-Curtis-Unähnlichkeit zeigt, dass sich die Behandlungsgruppen voneinander unterscheiden, die Auswirkung der Ernährung auf die Clustermuster jedoch je nach Spender unterschiedlich ist (Abb. 4a). Mäuse, die mit DonA- und DonC-Gemeinschaften kolonisiert wurden, gruppierten sich nach der Ernährung näher als nach der Spendergruppe, was auf ein erhebliches Maß an FF-beeinflusster Überlappung der KO-Profile zwischen diesen beiden Spendergruppen schließen lässt. DonB-Mäuse hingegen gruppierten sich getrennt von allen anderen Mäusen, waren jedoch durch die Ernährung in Untergruppierungen unterteilt (Abb. 4a). Die unterschiedliche Häufigkeit einzelner KOs zwischen FF- und CC-gefütterten Mäusen innerhalb jeder Spendergruppe wurde mit MaAsLin 2 berechnet. Diese Analyse ergab, dass 2676 KOs zwischen den Diäten in mindestens einer Spendergruppe (DonA = 971) signifikant unterschiedlich waren (angepasstes P < 0,05). ; DonB = 1964; DonC = 1419). Von diesen wurden nur 67 (2,5 %) über alle Spendergruppen hinweg durch FF-Fütterung angereichert, wohingegen 79 (3 %) über alle Spendergruppen hinweg durch CC-Fütterung angereichert wurden, was darauf hindeutet, dass die meisten ernährungsbedingten Veränderungen in den Funktionsprofilen erfolgten Spenderspezifisch. Mit DonA und DonC kolonisierte Mäuse hatten mit 326 die meisten FF-angereicherten KOs, während mit DonA und DonB kolonisierte Mäuse 99 und mit DonB und DonC kolonisierte Tiere 81 KOs teilten.

eine Heatmap der KO-Profile, ausgedrückt in CPM für jede Maus. Einzelne Profile wurden mithilfe der hierarchischen Clustering-Methode nach Spearman geclustert. b Überrepräsentierte KEGG-Pfade und ihre Bedeutung (dargestellt als log10 des Anreicherungs-P-Werts), identifiziert durch Pathway-Anreicherungsanalyse unter Verwendung von Listen von KOs aus jeder Spendergruppe, die signifikant hochreguliert waren (MaAsLin 2-Differenzialhäufigkeit, angepasstes P < 0,1). c MaAsLin 2 unterschiedliche Häufigkeit (untere Achse, farbige Balken) und Effektgröße (obere Achse, ausgefüllter Punkt = angepasstes P < 0,1, offener Punkt = angepasstes P > 0,1) von KOs, die an der Folat- und Cobalamin-Biosynthese (Vitamin B12) beteiligt sind. Negative Werte spiegeln die KO-Häufigkeit (CPM) bei CC-gefütterten Mäusen und Effektgrößen (MaAsLin 2-Koeffizient) wider, die den CC-Zustand begünstigen, während positive Werte KOs-Häufigkeiten und Effektgrößen im FF-Zustand anzeigen (n = 5/Diät/Spendergruppe).

Als nächstes wollten wir weitere Erkenntnisse darüber gewinnen, wie sich eine diätetische Behandlung auf die Stoffwechselwege der mikrobiellen Gemeinschaften im Blinddarm in jeder Spendergruppe auswirkt. Wir waren insbesondere daran interessiert, Wege zu identifizieren, die helfen könnten, den mit der FF-Fütterung bei DonA verbundenen Atheroprotektionsprozess zu erklären. Wir haben das MicrobiomeAnalyst KEGG Pathway Tool50 verwendet, um eine Pathway-Anreicherungsanalyse in den KOs durchzuführen, die durch FF-Fütterung im Vergleich zu ihren Gegenstücken, die die CC-Diät konsumierten, überrepräsentiert waren. Ähnlich wie bei den oben diskutierten Taxonomieergebnissen beobachteten wir einen Mangel an Universalität bei den metagenomischen Veränderungen als Reaktion auf die Ernährung. Von den 38 KEGG-Wegen, die durch FF-Fütterung in mindestens einer Spendergruppe als deutlich überrepräsentiert (angepasstes P < 0,1) erkannt wurden, wurden nur drei (Pyruvatstoffwechsel, Aminozucker- und Nukleotidzuckerstoffwechsel sowie Biosynthese von Aminosäuren) quer beobachtet alle drei Spendergruppen (Abb. 4b). Bei mit DonA kolonisierten Mäusen waren 27 Signalwege in der FF-Diät im Vergleich zur CC-Diät deutlich überrepräsentiert. Dazu gehörten Wege, die an der Vitaminsynthese (Thiamin-Biosynthese; Folat-Biosynthese; Porphyrin-Metabolismus [Vitamin B12]), der SCFA-Synthese (Butanoat-Metabolismus; Propionat-Metabolismus) und dem Aminosäure-Metabolismus (Lysin-Biosynthese; Cystein- und Methionin-Metabolismus; Histidin-Metabolismus; Phenylalanin, Tyrosin- und Tryptophan-Biosynthese; Valin-, Leucin- und Isoleucin-Biosynthese; Glycin-, Serin- und Threonin-Stoffwechsel; Biosynthese von Aminosäuren) (Abb. 4b). Interessanterweise stimmten die diätetischen Auswirkungen auf die Anreicherung von Stoffwechselwegen, die die Synthese von Acetat (Kohlenstoffstoffwechsel, Glyoxylat- und Dicarboxylatstoffwechsel sowie Pyruvatstoffwechsel), Propionat (Propionatstoffwechsel) und Butyrat (Butanoatstoffwechsel) umfassten, sehr genau mit den beschriebenen SCFA-Werten im Blinddarm überein oben (Abb. 4b und 3a–c).

Sowohl Folsäure als auch Vitamin B12 sind an der Entgiftung von Homocystein beteiligt, einem Metaboliten des Methioninstoffwechsels, der mit Herz-Kreislauf-Erkrankungen in Verbindung gebracht wird51,52. Eine Studie mit ApoE-/-Mäusen mit Hyperhomocysteinämie ergab, dass die Ergänzung mit einer Mischung aus Folsäure, Vitamin B12 und Vitamin B6 vor Arteriosklerose schützte53. Darüber hinaus zeigte eine aktuelle metagenomische Studie am Menschen, dass Patienten mit CVD (n = 218) eine geringere Häufigkeit von Genen aufwiesen, die für Komponenten des Folat-Biosynthesewegs kodieren, als gesunde Patienten (n = 187)17. Interessanterweise stellten die Autoren dieser Studie auch fest, dass CVD mit einer geringeren Häufigkeit von Propionat- und Butyrat-Synthesegenen verbunden war. Um ein detaillierteres Bild der metagenomischen Dynamik dieser Wege zu erhalten, verglichen wir die unterschiedlichen Häufigkeiten der einzelnen KOs, die an der Folatbiosynthese (KEGG map00790) und der anaeroben Cobalamin (Vitamin B12)-Biosynthese (KEGG M00924) beteiligt sind. In Übereinstimmung mit unserer Anreicherungsanalyse wurden die meisten unterschiedlich häufig vorkommenden KOs in beiden Signalwegen durch die FF-Fütterung in DonA-kolonisierten Mäusen signifikant hochreguliert, in den anderen Gruppen jedoch nicht (Abb. 4c). Folat und Vitamin B12 wurden in der FF- und CC-Diät mit der gleichen Einschlussrate zugeführt (AIN-93-Vitaminmischung, Ergänzungstabelle 1), es ist jedoch möglich, dass eine gewisse Menge zusätzlicher Vitaminverfügbarkeit über die mikrobielle Biosynthese einen physiologischen Effekt auf den Wirt hat Homocysteinstoffwechsel. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die mikrobielle Produktion von Vitamin B12 und Folat als potenzieller Vermittler des mit der FF-Diät verbundenen Atheroprotektionseffekts bei Mäusen fungieren könnte, die mit dieser Gemeinschaft kolonisiert sind.

Um Zusammenhänge zwischen Atheroprotektion und Ballaststoffstoffwechsel aufzudecken, haben wir anhand der metagenomischen Daten des Blinddarms das Niveau und die Art der Familien kohlenhydrataktiver Enzyme (CAZyme) zwischen diätetischen Behandlungen innerhalb jeder Spendergruppe bestimmt. Wir entdeckten eine Reihe von CAZyme-Familien, die in allen Spendergruppen sehr häufig vorkamen und von der Ernährung weitgehend unbeeinflusst waren (Abb. 5a, b, ergänzende Abb. 5). Die Analyse der differenziellen Häufigkeit ergab, dass die CAZyme-Familien, die am stärksten von der Ernährung betroffen waren, etwa 100-fach niedriger waren als die CAZyme mit der höchsten Häufigkeit (Abb. 5c). Angesichts der Unterschiede in den SCFA-Spiegeln im Blinddarm zwischen den Behandlungsgruppen deutet dies darauf hin, dass diese hochdifferenzierten CAZyme mit geringer Häufigkeit einen übergroßen Einfluss auf die Dynamik des SCFA-Metabolismus haben. Um die unterschiedlichsten CAZyme-Familien hervorzuheben, haben wir die Häufigkeiten der CAZyme-Familien verglichen, die am stärksten von der Ernährung betroffen waren (oberste 10 % nach MaAsLin 2-Effektgröße innerhalb jeder Spendergruppe, Abb. 5c). Die überwiegende Mehrheit der FF-angereicherten CAZyme in DonA-kolonisierten Mäusen korrelierte signifikant (Spearman, P <0,05) mit den Butyratspiegeln im Blinddarm, was sie möglicherweise mit der Butyratproduktion in Verbindung brachte (Abb. 5c). Eine solche CAZyme-Familie, GH59, umfasst β-Galactosidasen, die terminale β-D-Galactose-Monomere von Galactan-Seitenketten von Pektin freisetzen54. Interessanterweise wurden viele häufig zitierte CAZyme-Familien, die an Inulin, Pektin, RS-2/4 und scFOS beteiligt sind, nicht zu den am stärksten unterschiedlich häufig vorkommenden CAZymen in unserem Datensatz gefunden. Es ist möglich, dass der Einschluss mehrerer fermentierbarer Fasern zu einer Konkurrenz zwischen Mikroben führt, die auf jeden Fasertyp spezialisiert sind, wodurch das Ausmaß der in faserspezifischen CAZymen festgestellten Veränderungen verringert wird.

eine Heatmap der CAZyme-Familienprofile, geordnet nach Kategorie (Glykosidhydrolase = GH; Glykosyltransferasen = GT; Kohlenhydratbindungsmodule = CBM; Kohlenhydratester = CE; und Polysaccharidlyasen = PL), zusammen mit den mittleren Zählungen für jede CAZyme-Familie, ausgedrückt in Zählungen pro -Millionen (CPM). Mäuseprofile wurden mithilfe der hierarchischen Clustering-Methode nach Spearman geclustert. b Vergleich des CAZyme-Familienreichtums zwischen den Diäten (Gesamtzahl der in jeder CAZyme-Kategorie entdeckten CAZyme-Familien) nach Spendergruppe. Balkendiagramme geben den Mittelwert mit einzelnen Datenpunkten an; Vergleiche der Mittelwerte zwischen Ernährungsgruppen wurden mithilfe des Wilcoxon-Tests durchgeführt; *P < 0,05, **P < 0,01. c MaAsLin 2 Differenzialhäufigkeit (untere Achse, farbige Balken) und Effektgröße (obere Achse, ausgefüllter Punkt = angepasstes P < 0,1, offener Punkt = angepasstes P > 0,1) der 10 % am häufigsten vorkommenden CAZyme (n = 5/Ernährung). /Spendergruppe). Das rechte Feld zeigt eine Heatmap der Spearman-Korrelationskoeffizienten zwischen jeder entsprechenden CAZyme-Familie und den SCFA-Werten im Blinddarm bei allen Mäusen, *P < 0,05.

Zusammenfassend haben wir gezeigt, dass das Darmmikrobiom die Wirkung von Ballaststoffen auf die Arterioskleroseentwicklung bei gnotobiotischen ApoE-/-Mäusen reguliert, die mit verschiedenen menschlichen Kotgemeinschaften besiedelt sind. Wir fanden heraus, dass ernährungsbedingte Veränderungen der mikrobiellen Zusammensetzung, des Stoffwechselpotenzials und der Stoffwechselleistung (SCFAs) zwischen den verschiedenen Spendergruppen unterschiedlich waren. Unsere Ergebnisse zeigten, dass Atheroprotektion mit einem erhöhten Butyratspiegel im Blinddarm und einer Häufigkeit von Butyrat produzierenden Organismen verbunden war. Darüber hinaus ergab die Shotgun-Metagenomsequenzierung spenderabhängige Verschiebungen in Genen, die am Kohlenhydratstoffwechsel, der SCFA-Produktion und der Vitaminsynthese beteiligt sind. Diese Daten stützen die Annahme, dass ernährungsbedingte Veränderungen der Darmmikrobiota nicht nur eine Funktion der Ernährung sind, sondern vielmehr das Ergebnis komplexer Wechselwirkungen zwischen der Ernährung und der größeren mikrobiellen Gemeinschaftsstruktur und dem funktionellen Netzwerk des Darms. Diese Ergebnisse stimmen auch mit früheren Arbeiten überein, die zeigen, dass Butyrat atheroprotektiv wirkt, ohne den Cholesterinstoffwechsel zu verändern22,24.

Die aktuelle Studie weist einige Einschränkungen auf, die behoben werden sollten. Erstens beobachteten wir eine unvollständige Transplantationseffizienz vom menschlichen Spender zum Mausempfänger. Wie oben erläutert, haben wir Unterschiede in den Transplantationsmustern von DonA-Mäusen vor der Behandlung festgestellt. Unsere Daten deuten darauf hin, dass dieser Unterschied in der Erkennung wahrscheinlich eine Folge der Stochastizität der mikrobiellen Gemeinschaften kurz (zwei Wochen) nach der Kolonisierung war und nicht das Ergebnis von Unterschieden bei der Inokulation oder Kontamination. Dennoch legt diese Diskrepanz die Möglichkeit nahe, dass die beobachteten Unterschiede bei der Atherosklerose bei DonA-Mäusen eher auf eine inkonsistente Transplantation als auf eine Reaktion auf die Ernährung zurückzuführen sind. Eine weitere Einschränkung besteht darin, dass in unserer Studie nur drei menschliche Spender zum Einsatz kamen. Um die Breite der kardiometabolischen Reaktionen auf diese Diäten vollständig einschätzen zu können, wäre eine viel größere und vielfältigere Kohorte von Spendern erforderlich. Die hier verwendete begrenzte Gruppe reicht jedoch aus, um zu zeigen, dass die atheromodulatorische Wirkung von Ballaststoffen mikrobiotaabhängig ist. Diese Studie ist außerdem dadurch eingeschränkt, dass nur weibliche Mäuse verwendet werden, was uns daran hindert, die Wirkung des Geschlechts zu testen. Schließlich unterschieden sich die in dieser Studie verwendeten CC- und FF-Diäten geringfügig in ihrem Stärkegehalt, was zu den oben beschriebenen Unterschieden beitragen könnte.

Trotz dieser Einschränkungen legen die hier vorgestellten Arbeiten nahe, dass die Variation des Mikrobioms die Reaktionen auf den Ballaststoffverbrauch moduliert, was sich unterschiedlich auf die Entwicklung von Arteriosklerose auswirken kann. Zusammengenommen stützen diese Ergebnisse die Annahme, dass diätetische Interventionen nicht allgemein wirksam sind und auf den Einzelnen zugeschnitten werden sollten. Weitere Forschung ist erforderlich, um die relevanten Mechanismen sowie die metabolische und ökologische Dynamik zu verstehen, die die mikrobiomabhängigen individuellen Reaktionen auf die Ernährung steuern.

Alle Tiere in der aktuellen Studie wurden gemäß den Standards der University of Wisconsin-Madison behandelt und gehalten. Die Tierschutzstandards und alle Protokolle wurden vom Animal Care and Use Committee der Universität genehmigt. Keimfreie (GF) ApoE–/– Mäuse (abgeleitetes GF von B6.129P2-Apoetm1Unc/J; Jax 002052) wurden in einer kontrollierten Umgebung in gnotobiotischen Isolatoren in einem 12-stündigen Hell/Dunkel-Zyklus gehalten und erhielten autoklaviertes Wasser und Futter (LabDiet 5021; LabDiet, St. Louis, MO) nach Belieben. Die Mäuse wurden mit Einstreu von Alpha-dri® (Shepherd Specialty Papers, Kalamazoo, MI) untergebracht und mit Papierhütten (Bio-Huts, Bio-Serv, Flemington, NJ) und ALPHA-twistTM (Shepherd Specialty Papers) ausgestattet. Der GF-Status der Isolatoren wurde monatlich mittels PCR unter Verwendung universeller 16S-rRNA-Primer mit fäkaler DNA sowie einem Wachstumstest von Fäkalien in reichhaltigen Medien, die 7 Tage lang bei 37 °C aerob und anaerob inkubiert wurden, bewertet.

In dieser Studie verwendete menschliche Stuhlproben wurden von Teilnehmern im Rahmen der Wisconsin Longitudinal Study (WLS)36,55 gesammelt und bei –80 °C gelagert. WLS-Daten und Probenentnahme wurden vom UW-Madison Internal Review Board (2014-1066, 2015-0955) genehmigt und in der ursprünglichen Studie wurde eine schriftliche Einverständniserklärung eingeholt55. In einer früheren Veröffentlichung unserer Gruppe35 wurde eine Untergruppe von WLS-Kandidatenproben anhand ihrer unterschiedlichen Bakteriengemeinschaftsstrukturen ausgewählt und anschließend in GF-Mäuse transplantiert, um die SCFA-Profile des Blinddarms zu messen. In der aktuellen Studie haben wir diese Informationen verwendet, um drei menschliche Spenderproben auszuwählen: Mikrobiota aus Spender-WLS-Probe-8 (hier als DonA bezeichnet); Spender-WLS-Probe-1 (hier als DonB bezeichnet) und Spender-WLS-Probe-5 (hier als DonC bezeichnet). In unserer vorherigen Studie35 haben wir herausgefunden, dass gnotobiotische Mäuse, die eine halbgereinigte Nahrung zu sich nahmen, die eine Reihe von Ballaststoffen enthielt, darunter resistente Stärke Typ 2 und 4, kurzkettige Fructo-Oligosaccharide, Inulin und mit DonA, DonB oder DonC kolonisiertes Pektin, eine unterschiedliche Anhäufung aufwiesen SCFA-Werte. Mit DonA kolonisierte Mäuse akkumulierten unter allen getesteten Spendern die höchsten Mengen an Blinddarmbutyrat (~1,5 mM), wohingegen mit DonB kolonisierte Mäuse deutlich geringere Mengen an Blinddarmbutyrat anhäuften (~0,6 mM) und mit DonC kolonisierte Mäuse die höchsten Blinddarmbutyratwerte aufwiesen Propionatspiegel (~10 mM) und mittlere Butyratspiegel (~1,0 mM)35. Alle in der aktuellen Studie verwendeten WLS-Proben stammten von Probanden, die nach eigenen Angaben eine westliche Ernährung zu sich nahmen, übergewichtig waren (BMI > 25) und bei denen weder Diabetes, Krebs noch Herzerkrankungen diagnostiziert wurden35,36. Identifizierbare Informationen von WLS-Teilnehmern wurden den Forschern in der aktuellen Studie nicht zugänglich gemacht.

Im Alter von 6 Wochen wurden die Mäuse in belüftete Käfige auf einem Allentown Sentry SPP IVC-Racksystem (Allentown Inc., Allentown, NJ) überführt und auf bestrahlte FF-Diät gesetzt, die 10 % Gesamtfaser (Gew./Gew.) bestehend aus 5 fermentierbaren Fasern enthielt Fasern (Inulin, Pektin, kurzkettiges FOS, RS-2 und RS-4; ergänzende Abbildung 1, ergänzende Tabelle 1). Die Aufnahmeraten jeder fermentierbaren Ballaststoffquelle wurden individuell auf der Grundlage von Reinheit und Aschegehalt angepasst, um eine effektive Aufnahmerate von 2 % der Ballaststoffe aus jeder Ballaststoffquelle zu erreichen. Eine Woche später wurden GF-Mäuse mit Mikrobiota aus einer der WLS-Kotproben (DonA, DonB oder DonC) durch eine einzige orale Sondenernährung einer Kotaufschlämmung oder durch Gemeinschaftsunterbringung kolonisiert. Aufschlämmungen wurden anaerob durch Homogenisieren von ca. 200 mg gefrorenem menschlichem Kot in 5 ml vorreduziertem Mega Media35 in einer anaeroben Kammer hergestellt und dann sofort dazu verwendet, Empfängermäusen mit einer Sonde eine Magensonde zuzuführen, wobei mit anaerober Atmosphäre gespülte Spritzen verwendet wurden. Eine Untergruppe von GF-Mäusen wurde durch Zusammenleben mit Mäusen kolonisiert, die 4 Wochen zuvor mit menschlichem Kot kolonisiert worden waren. Cohousing ist eine wirksame Strategie zur Kolonisierung keimfreier Mäuse und ähnelt der Sondenernährung hinsichtlich der Mikrobiota-Kolonisierung und des Phänotyptransfers56,57. Wir konnten keine Unterschiede in den mikrobiellen Profilen des Blinddarms feststellen und auch keine signifikanten Unterschiede in den Phänotypen zwischen zusammen gehaltenen Mäusen und ihren mit Sonden kolonisierten Gegenstücken feststellen (ergänzende Abbildungen 2a, b, ergänzende Tabelle 2). Daher betrachteten wir alle Mäuse innerhalb derselben Behandlungsgruppe unabhängig von der Besiedlungsmethode als biologische Replikate. Ausgehend von der Überlegung, dass eine Ernährung mit einer größeren Vielfalt an Ballaststoffquellen die Kolonisierung von mehr Mikroben fördern würde, wurden die Mäuse weitere zwei Wochen lang auf der FF-Diät gehalten, damit sich die Besiedlung vor der diätetischen Behandlungsphase stabilisieren konnte. Nach der diätetischen Behandlung setzten die Mäuse entweder die FF-Diät fort oder wurden auf die CC-Diät mit 10 % Zellulose (Ergänzungstabelle 1), einer nicht fermentierbaren Ballaststoffkontrolle, umgestellt. Alle experimentellen Diäten in dieser Studie wurden vom Hersteller vakuumverpackt und strahlensterilisiert. Die FF-Diät und die CC-Diät unterschieden sich nur in ihren Ballaststoffquellen. Unser Versuchsaufbau (ergänzende Abbildung 1) führte zu sechs Behandlungsgruppen (drei Spender und zwei Diäten; n = 7–10 Mäuse pro Behandlungsgruppe), die jeweils in zwei Kohorten mit getrennten Käfigen durchgeführt wurden, um Käfigeffekte zu berücksichtigen. Nach 11 Wochen Diätbehandlung wurden die Mäuse im Alter von 20 Wochen nach 4-stündigem Fasten getötet.

Nach der Tötung wurde das Herz mit PBS-Puffer perfundiert, bevor es seitlich in der Herzmitte und der aufsteigenden Aorta durchtrennt wurde, um den Aortensinus einzufangen. Dieses Gewebe wurde in OCT-Verbindung eingebettet, auf Trockeneis eingefroren und bis zur weiteren Verarbeitung bei –80 °C gelagert. Um atherosklerotische Plaques im Aortensinus zu charakterisieren, wurde das eingebettete Gewebe auf einem Kryostat (CM1950, Leica, Deer Park, IL) geschnitten und in 100-µm-Intervallen auf Objektträgern gesammelt, die sich proximal von der Basis der Aortenwurzel in Richtung der aufsteigenden Aorta bewegten. Dies führte zu Objektträgern mit acht äquidistanten Schnitten (10 µm Dicke), die sich über 700 µm des Aortensinus erstreckten (0, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700 µm von der Basis der Aortenwurzel entfernt). Formalinfixierte Objektträger jeder Maus wurden 1 Minute lang mit 60 % Isopropanol gespült, 15 Minuten lang mit Oil Red O auf Lipide gefärbt und 1 Minute lang mit Hämatoxylin gegengefärbt. Die Beurteilung der Makrophageninfiltration von atherosklerotischen Plaques wurde durch Inkubation formalinfixierter Objektträger (gleiches Schnittmuster wie oben) über Nacht mit Makrophagenantikörpern (MOMA-2, 1:50; ab33451, Abcam, Cambridge, UK) und anschließender Inkubation mit sekundären Antikörpern (1) durchgeführt :400; ab6733, Abcam) für 1 Stunde und Streptavidin-Meerrettich-Peroxidase (1:500; P0397, Agilent, Santa Clara, CA) für 15 Minuten. Anschließend wurden die Schnitte mit PBS gewaschen und 15 s lang mit DAB und 5 s lang mit Hämatoxylin gegengefärbt. Bilder aller gefärbten Schnitte wurden digital erfasst und dann auf ImageJ (National Institutes of Health, Bethesda, MD) analysiert, um die Lipid-positive Fläche, die gesamte Plaque-Fläche und die MOMA-2-positive Fläche zu messen. Plaqueflächen und Lipid-positive Bereiche für jede Maus werden als Durchschnittswerte über alle acht Abschnitte ausgedrückt. Um die Makrophageninfiltration zu berechnen, wurden von jeder Maus die drei Abschnitte mit den größten sichtbaren Läsionen ausgewählt und deren MOMA-2-positive Flächendichten gemittelt. Eine Probe ging während der Verarbeitung verloren, sodass die Probengröße für die Atherosklerose-Charakterisierung zwischen 7 und 10 Proben pro Behandlungsgruppe lag.

Die SCFA-Werte im Blinddarminhalt wurden mittels Headspace-Gaschromatographie gemessen. Die Proben wurden hergestellt, indem 20–150 mg gefrorener Blinddarminhalt in Fläschchen (Restek, Bellefonte, PA) gegeben wurden, die N µL Wasser (wobei N gleich 300 minus mg Blinddarminhalt) sowie 2 g NaH2SO4 und 1 ml gekühltes Wasser enthielten 60 µM 2-Butanol als interner Standard. Die Präparate wurden sofort in einem GC-Probenfläschchen versiegelt und dann über Nacht bei RT stehen gelassen. Standards für Acetat, Propionat, Isobutyrat, Butyrat, Isovalerat, Valerat und wurden in bekannten Konzentrationen (pH 7,0) kombiniert und seriell verdünnt, um eine Standardkurve zu erstellen. Die Fläschchen wurden in einen HS-20-Headspace-Probennehmer (Shimadzu, Columbia, OH) geladen, 20 Minuten bei 80 °C geschüttelt und auf eine SH-Stabilwax 30 m-Säule (227-36246-01, Shimadzu) injiziert, die an eine Flammenionisation angeschlossen war Detektor auf einem CG-2010 Plus GC (Shimadzu). Die Laufbedingungen waren wie folgt: Das Probenfläschchen wurde vor der Injektion 3 Minuten lang bei 80 kPa äquilibriert; Die Injektion erfolgte unter Verwendung einer 2-ml-Injektionsschleife, einer 12-s-Ladeperiode mit einer Transferleitung bei 150 °C, einem Teilungsverhältnis von 1:15 und einem N2-Säulenfluss von 1,2 ml/min. Die Säulentemperatur wurde 2 Minuten lang bei 40 °C gehalten und dann mit einer Geschwindigkeit von 20 °C/Minute auf 200 °C erhöht, 2 Minuten lang gehalten und dann auf 120 °C (–20 °C/Minute) gesenkt. auf 40 °C reduziert (–40 °C/min) und 1 Minute lang bei 40 °C gehalten. Die Flächen unter der Kurve für jede Zielverbindung wurden mit der Shimadzu Lab Solution-Software (Version 5.92) berechnet, mit der Probenmasse und dem Verdünnungsfaktor normalisiert und mithilfe einer Standardkurve in μmol·g−1 umgerechnet.

Blut wurde Mäusen unter Isofluran-induzierter Anästhesie durch Herzpunktion mit einer EDTA-gespülten Spritze entnommen. Die Blutzellen wurden durch Zentrifugation abgetrennt, dann wurde Plasma gesammelt und bei –80 °C gelagert. Die Plasmaspiegel von Triglyceriden, Gesamtcholesterin und High-Density-Lipoprotein (HDL)-Cholesterin wurden mit kommerziell erhältlichen kolorimetrischen Assay-Kits von Waco Diagnostics (Kat.-Nr. 994-02891, 99902601 bzw. 997-01301; Fujifilm, Tokio, Japan) gemäß den Anweisungen des Herstellers.

Die Gesamt-RNA wurde aus der gefrorenen Aorta unter Verwendung von TRIzol-Reagenz (Invitrogen/Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA) mit 2-minütigem Perlenschlagen (BioSpec Products, Barlesville, OK) bei RT in Röhrchen mit 1,0 g Zirkoniumperlen mit 1 mm Durchmesser extrahiert (BioSpec Products) und mit dem Qiagen RNeasy Mini-Kit (Qiagen, Hilden, Deutschland) gereinigt. Template-cDNA wurde unter Verwendung von 125 ng gereinigter RNA in 20 µL Reaktionsvolumina synthetisiert. Die cDNA wurde 1:1 mit Wasser verdünnt, dann wurde 1 µL mit SYBR qPCR Mastermix (Bio-Rad, Hercules, CA) gemischt und mit den entsprechenden Primern (400 nM) und Wasser zu einem Gesamtreaktionsvolumen von 10 µL kombiniert. Eine Liste der Primer ist in der Ergänzungstabelle 3 aufgeführt. Das Zyklusprotokoll wurde mit Mastercycler® Nexus (Eppendorf, Hamburg, Deutschland) wie folgt durchgeführt: 30 s bei 95 °C, gefolgt von 35 Zyklen von 10 s bei 95 °C, 30 s bei 60 °C. Eine Schmelzkurve wurde von 65 °C bis 95 °C in Schritten von 0,5 °C bei 5 Sekunden/Schritt erstellt. Alle Reaktionen wurden doppelt durchgeführt und die Delta-Delta-Ct-Werte wurden relativ zur endogenen Kontrolle (Gapdh) berechnet.

DNA wurde aus dem gesamten Blinddarminhalt und Kot von Mäusen sowie aus menschlichen Kotaufschlämmungen mithilfe einer Phenol-Chloroform-Extraktionsmethode extrahiert, die einen Schritt des Perlenschlagens beinhaltete58. Die Amplifikation des 16S-rRNA-Gens (V4) erfolgte durch PCR unter Verwendung eindeutiger Barcodes (8 bp) sowohl auf den Vorwärts- als auch auf den Rückwärtsprimern, die mit Illumina-Adaptern fusioniert sind59. Die V4-Amplikons aus jeder Probe wurden kombiniert und zur Sequenzierung in einem Illumina MiSeq-Lauf (2 × 250 bp, Illumina, San Diego, CA) an der DNA-Sequenzierungseinrichtung des Madison Biotechnology Center der University of Wisconsin eingereicht. Proben mit weniger als 20 % der durchschnittlichen Probenanzahl wurden ausgeschlossen, was dazu führte, dass vier Proben aus der weiteren Analyse entfernt wurden. Die verbleibenden Proben reichten von 33.869 bis 133.538 Paired-End-Lesevorgängen mit einem Durchschnitt von 77.704 Paired-End-Lesevorgängen pro Probe. Qiime2 (Version 2019.10) wurde verwendet, um ASV-Tabellen (Amplicon Sequence Variant) und Taxonomietabellen aus den 16S-rRNA-Reads zu generieren. Demultiplexte Lesevorgänge wurden mit dem Qiime2 DADA2-Plug-in60 auf Qualität getrimmt und gefiltert. ASVs wurden mit der SILVA-Referenzdatenbank61 (Version 132) unter Verwendung des Naive-Bayes-Klassifikators in Qiime2 auf Gattungsebene annotiert. Alle nachfolgenden Analysen wurden in R durchgeführt. Die Merkmalszahlen auf ASV-Ebene wurden durch Umrechnung in relative Häufigkeit normalisiert. ASVs wurden gefiltert, um nur diejenigen mit einer durchschnittlichen relativen Häufigkeit von mindestens 0,0001 in allen Blinddarmproben einzuschließen. Für die Analyse auf Gattungsebene wurde ein Grenzwert von 0,0005 für die durchschnittliche relative Häufigkeit aller Proben festgelegt. Diese Grenzwerte wurden auch auf die ASV- und Gattungsprofile der Stuhlproben (menschliche Inokulum-Kotaufschlämmungen und Mäusekot vor der diätetischen Behandlung) angewendet. Die Transplantationseffizienz wurde berechnet als Anzahl der Merkmale, die im Mauskot vor der Behandlung von mindestens einem Tier pro Spender oder Spender-/Diätgruppe nachgewiesen wurden, geteilt durch die Anzahl der Merkmale, die im Kotbrei des Spenders nachgewiesen wurden. Als positiver Nachweis wurde jedes Merkmal (ASV oder Gattung) definiert, das in einer bestimmten Probe eine relative Häufigkeit von mehr als 0,0001 aufwies.

Für die metagenomische Analyse wurde genomische DNA verwendet, die aus dem Blinddarminhalt von 5 Mäusen pro Behandlungsgruppe isoliert wurde. Die Bibliotheken wurden mit dem TruSeq PCR-Free-Kit von Illumina gemäß den Herstellerprotokollen vorbereitet und in der DNA-Sequenzierungseinrichtung des University of Wisconsin Biotechnology Center sequenziert. Alle Proben wurden auf einer einzelnen NovaSeq6000 2 × 150 S4-Flowcell-Spur ausgeführt. Die resultierenden Sequenzen wurden mit Trimmomatic (Version 0–39) auf Qualität getrimmt und dann mit Bowtie2 (Version 2.3.4) mit Referenzwirtsgenomen (Mus musculus GRCm38_Rel98) abgeglichen, um Host-Reads zu entfernen (die durchschnittliche Host-Alignment-Rate betrug 5,3 %), sodass nur noch übrig blieb hochwertige, nicht vom Host stammende Lesevorgänge. Die Reinigung führte letztendlich zu durchschnittlich 29,4 Millionen Paired-End-Lesevorgängen pro Probe.

Die nach dem Trimmen und Entfernen von Hostsequenzen verbleibenden Lesevorgänge wurden in einer einzigen Fastq-Datei verkettet und zur funktionalen Annotation in HUMAnN3 (Version 3.0.0.alpha.4) eingespeist. Dies führte zu einer UniRef9062-Genfamilien-Häufigkeitstabelle in Lesevorgängen pro Kilobase und einer relativen Häufigkeitstabelle mikrobieller Taxa für jede Maus. Die UniRef90-Genfamilien-Häufigkeitstabellen wurden mit den Funktionen human_regroup_table und human_renorm_table in KO-Häufigkeitstabellen mit Anzahl pro Million (CPM) konvertiert. Es wurde eine differenzielle Häufigkeitsanalyse für KOs durchgeführt, die in mindestens 25 % der Proben vorhanden waren.

CAZyme-Profile jeder Probe wurden mit run_dbcan (Version 2.0.11) vorhergesagt. Wir haben bereinigte (getrimmte, hostfreie) Lesevorgänge in Contigs mit metaSPAdes (Version 3.14.0) mit mehreren k-mer-Größen (metaspades.py -k 21, 33, 55, 77) zusammengestellt. Contigs, die kürzer als 500 bp waren, wurden aus der weiteren Verarbeitung verworfen. Offene Leserahmen (ORFs; d. h. mikrobielle Metagene) wurden aus zusammengesetzten Contigs über Prodigal (Version 2.6.3) unter Verwendung des Hidden-Markov-Modells (HMM) mit Standardparametern vorhergesagt. Alle vorhergesagten Gene, die kürzer als 100 bp waren, wurden aus der weiteren Verarbeitung verworfen. Nukleotid-ORF-Sequenzen waren umgewandelte Aminosäuresequenzen und wurden als Eingabe für run_dbcan (Version 2.0.11) verwendet, um CAZyme-Profile vorherzusagen. Die CAZyme-Annotation wurde akzeptiert, wenn ein ORF mit >= 2 Tools (DIAMOND, HMMER, Hotpep) annotiert wurde. Dies führte zu einer Tabelle, die das Vorhandensein oder Fehlen jeder CAZyme-Familie in der CAZyme-Datenbank angibt. Um die CAZyme-Häufigkeit abzuschätzen, wurde jeder CAZyme-Familie ein Count-per-Million-Wert (CPM) des zugehörigen ORF zugewiesen, wie von Prodigal vorhergesagt. Wenn mehrere CAZymes aus demselben ORF vorhergesagt wurden, wurde ihnen allen der CPM-Wert des ORF zugewiesen.

PCoA-Diagramme und Diversitätsmessungen wurden mithilfe von 16S-rRNA-ASV-Profilen mit dem Phyloseq-Paket (Version 1.40.0) in R erstellt. Alle paarweisen PERMANOVA-Tests wurden zwischen Ernährungsgruppen innerhalb jeder Spendergruppe unter Verwendung des PairwiseAdonis-R-Pakets (Version 0.4) mit 9999 Permutationen durchgeführt . Die Differentialhäufigkeitsanalyse auf Merkmalsebene der 16S-rRNA-Amplikontaxonomie, der metagenomischen KO-Häufigkeiten bei Schrotflinten und der metagenomischen CAZyme-Häufigkeiten bei Schrotflinten wurde unter Verwendung der MaAsLin 2-Funktion innerhalb des R-Pakets MaAsLin 2 (Version 1.10.0) mit Standardeinstellungen durchgeführt41. Um die Anreicherung des KO-Signalwegs zu bewerten, wurden Sätze von KOs, die durch FF-Fütterung signifikant hochreguliert wurden (MaAsLin 2-Differentialhäufigkeit, angepasstes P <0,1), für jede Spendergruppe generiert und als Eingabe für die Funktion PerformKOEnrichAnalysis_KO01100 innerhalb des MicrobiomeAnalyistR (Version 0.0.0.9000) verwendet. Paket in R mit Standardparametern. Dies führte zu einer Liste von KEGG-Signalwegen, die bei mit FF gefütterten Mäusen innerhalb jeder Spendergruppe signifikant (P < 0,05) überrepräsentiert waren. CAZymes-Familien galten als stark differenziell, wenn sie zu den oberen 10 % der nach MaAsLin 2-Effektgröße geordneten CAZymes innerhalb jeder Spendergruppe gehörten, unabhängig von der Richtung (absoluter Wert der Effektgröße).

Sofern nicht anders angegeben, wurden Mittelwertvergleiche mithilfe eines zweiseitigen Wilcoxon-Rangsummentests zwischen Ernährungsgruppen innerhalb jeder Spendergruppe durchgeführt. Für alle Mittelwerttests wurde die gleiche Varianz festgestellt (Levene-Test, P > 0,05), mit Ausnahme der Vergleiche von atherosklerotischen Plaques (Größe, Lipidgehalt, Makrophageninfiltration) und der SCFA-Spiegel im Blinddarm, bei denen festgestellt wurde, dass sie signifikant unterschiedliche Varianzen zwischen den Diäten aufwiesen (Levene-Test, P < 0,05). Zur Berechnung des Rangkorrelationskoeffizienten nach Spearman wurden Korrelationen zwischen CAZymes und den SCFA-Werten im Blinddarm an allen Mäusen durchgeführt. Die P-Wert-Anpassung für PERMANOVA erfolgte mit der Bonferroni-Methode, während alle anderen angepassten P-Werte mit der Benjamini-Hochberg-Methode berechnet wurden.

Weitere Informationen zum Forschungsdesign finden Sie in der mit diesem Artikel verlinkten Nature Research Reporting Summary.

Die in dieser Studie gemeldeten Sequenzierungsdaten sind im European Nucleotide Archive (ENA) unter der Studienzugangsnummer PRJEB58699 verfügbar.

Der in dieser Studie verwendete Code ist auf Anfrage erhältlich.

Denson, LA et al. Herausforderungen in der IBD-Forschung: Präzisionsmedizin. Entzündung. Darm Dis. 25, S31–S39 (2019).

Artikel PubMed Google Scholar

Ordovas, JM & Berciano, S. Personalisierte Ernährung und gesundes Altern. Nutr. Rev. 78, 58–65 (2020).

Artikel PubMed Google Scholar

Hughes, RL, Marco, ML, Hughes, JP, Keim, NL & Kable, ME Die Rolle des Darmmikrobioms bei der Vorhersage der Reaktion auf eine Diät und die Entwicklung präziser Ernährungsmodelle – Teil I: Überblick über aktuelle Methoden. Adv. Nutr. 10, 953–978 (2019).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Zeevi, D. et al. Personalisierte Ernährung durch Vorhersage glykämischer Reaktionen. Zelle 163, 1079–1094 (2015).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Deehan, EC et al. Die präzise Modulation des Mikrobioms mit diskreten Ballaststoffstrukturen steuert die Produktion kurzkettiger Fettsäuren. Cell Host Microbe 27, 389–404.e6 (2020).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Leshem, A., Segal, E. & Elinav, E. Das Darmmikrobiom und individuelle Reaktionen auf die Ernährung. mSystems 5, e00665–20 (2020).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Turnbaugh, PJ et al. Das menschliche Mikrobiom-Projekt. Natur 449, 804–810 (2007).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Zimmermann, M., Zimmermann-Kogadeeva, M., Wegmann, R. & Goodman, AL Kartierung des Arzneimittelstoffwechsels im menschlichen Mikrobiom durch Darmbakterien und ihre Gene. Natur 570, 462–467 (2019).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Zimmermann, M., Zimmermann-Kogadeeva, M., Wegmann, R. & Goodman, AL Trennung von Wirts- und Mikrobiombeiträgen zur Pharmakokinetik und Toxizität von Arzneimitteln. Wissenschaft 363, eaat9931 (2019).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Javdan, B. et al. Personalisierte Kartierung des Arzneimittelstoffwechsels durch das menschliche Darmmikrobiom. Zelle 181, 1661–1679.e22 (2020).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Kolodziejczyk, AA, Zheng, D. & Elinav, E. Wechselwirkungen zwischen Ernährung und Mikrobiota und personalisierte Ernährung. Nat. Rev. Microbiol. 17, 742–753 (2019).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Koppel, N., Bisanz, JE, Pandelia, M.-E., Turnbaugh, PJ & Balskus, EP Entdeckung und Charakterisierung eines vorherrschenden menschlichen Darmbakterienenzyms, das für die Inaktivierung einer Familie von Pflanzentoxinen ausreichend ist. eLife 7, e33953 (2018).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Lee, JR et al. Dosierung von Darmmikrobiota und Tacrolimus bei Nierentransplantationen. PLoS One 10, e0122399 (2015).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Ahmad, FB Vorläufige Sterblichkeitsdaten – USA, 2020. MMWR Morb. Sterblich. Wkly. Rep. 70, 519–522 (2021).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Mathers, C., Stevens, G., Hogan, D., Mahanani, WR & Ho, J. Globale und regionale Todesursachen: Muster und Trends, 2000–15. Prioritäten bei der Krankheitsbekämpfung: Verbesserung der Gesundheit und Verringerung der Armut. 3. Auflage (Internationale Bank für Wiederaufbau und Entwicklung / Weltbank, 2017). https://doi.org/10.1596/978-1-4648-0527-1_ch4.

Ross, R. Atherosklerose – eine entzündliche Erkrankung. N. engl. J. Med. 340, 115–126 (1999).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Jie, Z. et al. Das Darmmikrobiom bei atherosklerotischen Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Nat. Komm. 8, 845 (2017).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Kelly, TN et al. Das Darmmikrobiom steht bei Teilnehmern der Bogalusa-Herzstudie im Zusammenhang mit dem lebenslangen Risikoprofil für Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Zirkel. Res. 119, 956–964 (2016).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Tang, WHW & Hazen, SL Das Darmmikrobiom und seine Rolle bei Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Auflage 135, 1008–1010 (2017).

Artikel PubMed Google Scholar

Wang, Z. et al. Der Stoffwechsel von Phosphatidylcholin in der Darmflora begünstigt Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Natur 472, 57–63 (2011).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Xue, H. et al. Darmmikrobiell produzierte Indol-3-propionsäure hemmt Arteriosklerose, indem sie den umgekehrten Cholesterintransport fördert, und ihr Mangel steht im ursächlichen Zusammenhang mit atherosklerotischen Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Zirkel. Res. 131, 404–420 (2022).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Kasahara, K. et al. Wechselwirkungen zwischen Roseburia intestinalis und der Ernährung modulieren die Atherogenese in einem Mausmodell. Nat. Mikrobiol. 3, 1461 (2018).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Haghikia, A. et al. Propionat mildert Arteriosklerose durch immunabhängige Regulierung des intestinalen Cholesterinstoffwechsels. EUR. Herz J. ehab644 https://doi.org/10.1093/eurheartj/ehab644 (2021).

Aguilar, EC et al. Butyrat beeinträchtigt die Atherogenese, indem es Plaqueentzündungen und -anfälligkeit reduziert und die NFκB-Aktivierung verringert. Nutr. Metab. Herz-Kreislauf. Dis. 24, 606–613 (2014).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Kritchevsky, D. Ballaststoffe, Lipide und Arteriosklerose. Bin. J. Clin. Nutr. 31, S65–S74 (1978).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Torres, N., Guevara-Cruz, M., Velazquez-Villegas, LA & Tovar, AR Nutrition and Atherosclerosis. Bogen. Med. Res. Rev. 46, 408–426 (2015).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Higginson, J. & Pepler, WJ Fettaufnahme, Serumcholesterinkonzentration und Arteriosklerose im südafrikanischen Bantu. Teil II. Arteriosklerose und koronare Herzkrankheit. J. Clin. Investieren. 33, 1366–1371 (1954).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Threapleton, DE et al. Ballaststoffaufnahme und Risiko für Herz-Kreislauf-Erkrankungen: systematische Überprüfung und Metaanalyse. BMJ 347, f6879 (2013).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Healey, GR, Murphy, R., Brough, L., Butts, CA & Coad, J. Interindividuelle Variabilität der Darmmikrobiota und Reaktion des Wirts auf diätetische Eingriffe. Nutr. Rev. 75, 1059–1080 (2017).

Artikel PubMed Google Scholar

Weeke, P. & Roden, DM Pharmakogenomik und Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Curr. Cardiol. Rep. 15, 376 (2013).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Kirk, D., Catal, C. & Tekinerdogan, B. Präzisionsernährung: eine systematische Literaturübersicht. Berechnen. Biol. Med. 133, 104365 (2021).

Artikel PubMed Google Scholar

Cummings, JH Cellulose und der menschliche Darm. Gut 25, 805–810 (1984).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Ohira, H., Tsutsui, W. & Fujioka, Y. Sind kurzkettige Fettsäuren in der Darmmikrobiota Abwehrspieler bei Entzündungen und Arteriosklerose? J. Atheroscler. Thromb. 24, 660–672 (2017).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

McOrist, AL et al. Der Butyratspiegel im Stuhl schwankt stark zwischen den einzelnen Personen, wird jedoch normalerweise durch eine Ernährung mit hohem Anteil an resistenter Stärke erhöht. J. Nutr. 141, 883–889 (2011).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Murga-Garrido, SM et al. Die Variation des Darmmikrobioms moduliert die Auswirkungen von Ballaststoffen auf den Stoffwechsel des Wirts. Mikrobiom 9, 117 (2021).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Herd, P., Carr, D. & Roan, C. Kohortenprofil: Wisconsin-Längsschnittstudie (WLS). Int. J. Epidemiol. 43, 34–41 (2014).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Turnbaugh, PJ et al. Die Wirkung der Ernährung auf das menschliche Darmmikrobiom: eine metagenomische Analyse an humanisierten gnotobiotischen Mäusen. Wissenschaft. Übers. Med. 1, 6ra14–6ra14 (2009).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Goodman, AL et al. Umfangreiche persönliche Sammlungen menschlicher Darmmikrobiota-Kulturen, charakterisiert und manipuliert in gnotobiotischen Mäusen. Proz. Natl Acad. Wissenschaft. 108, 6252–6257 (2011).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Chung, H. et al. Die Immunreifung des Darms hängt von der Besiedlung mit einer wirtsspezifischen Mikrobiota ab. Zelle 149, 1578–1593 (2012).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Contijoch, EJ et al. Die Dichte der Darmmikrobiota beeinflusst die Physiologie des Wirts und wird durch Wirts- und mikrobielle Faktoren beeinflusst. eLife 8, e40553 (2019).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Mallick, H. et al. Entdeckung multivariabler Assoziationen in Meta-Omics-Studien im Bevölkerungsmaßstab. PLoS Comput. Biol. 17, e1009442 (2021).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Zhang, Y., Hu, J., Tan, H., Zhong, Y. & Nie, S. Akkermansia muciniphila, ein wichtiger Zusammenhang zwischen Ballaststoffen und der Gesundheit des Wirts. Curr. Meinung. Lebensmittelwissenschaft. 100905 https://doi.org/10.1016/j.cofs.2022.100905 (2022).

Earley, H. et al. Die Häufigkeit von Akkermansia muciniphila und seine Beziehung zu sulfatierten Dickdarmschleimen bei Gesundheit und Colitis ulcerosa. Wissenschaft. Rep. 9, 15683 (2019).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Kim, Y. et al. Nahrungszellulose beugt Darmentzündungen vor, indem sie den Fettstoffwechsel und die Darmmikrobiota moduliert. Darmmikroben 11, 944–961 (2020).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Hoving, LR et al. Das Präbiotikum Inulin verschlimmert die beschleunigte Arteriosklerose bei hypercholesterinämischen APOE*3-Leiden-Mäusen. Nährstoffe 10, 172 (2018).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Rault-Nania, M.-H. et al. Inulin mildert Arteriosklerose bei Mäusen mit Apolipoprotein-E-Mangel. Bruder. J. Nutr. 96, 840–844 (2006).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Libby, P. Entzündung bei Atherosklerose. Arteriosklerose. Thromb. Vasc. Biol. 32, 2045–2051 (2012).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Vital, M., Howe, AC & Tiedje, JM enthüllen die Synthesewege von bakteriellem Butyrat durch Analyse (meta)genomischer Daten. mBio 5, e00889 (2014).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Gophna, U., Konikoff, T. & Nielsen, HB Oscillospira und verwandte Bakterien – von metagenomischen Arten bis hin zu Stoffwechselmerkmalen. Umgebung. Mikrobiol. 19, 835–841 (2017).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Chong, J., Liu, P., Zhou, G. & Xia, J. Verwendung von MicrobiomeAnalyst für umfassende statistische, funktionale und Metaanalysen von Mikrobiomdaten. Nat. Protokoll. 15, 799–821 (2020).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

McCully, KS Gefäßpathologie der Homocysteinämie: Auswirkungen auf die Pathogenese der Arteriosklerose. Bin. J. Pathol. 56, 111–128 (1969).

CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

McCully, K. Homocystein und die Pathogenese der Atherosklerose. Experte Rev. Clin. Pharmakol. 8, 1–9 (2015).

Artikel Google Scholar

Hofmann, MA et al. Hyperhomocysteinämie verstärkt Gefäßentzündungen und beschleunigt Atherosklerose in einem Mausmodell. J. Clin. Investieren. 107, 675–683 (2001).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Cankar, K. et al. Pektinarabinan-Seitenketten sind für die Integrität der Pollenzellwand während der Pollenentwicklung von wesentlicher Bedeutung. Pflanzenbiotechnologie. J. 12, 492–502 (2014).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Herd, P. et al. Der Einfluss sozialer Bedingungen im Laufe des Lebens auf die menschliche Darmmikrobiota: ein Pilotprojekt mit der Wisconsin-Längsschnittstudie. J. Gerontol. Ser. B 73, 124–133 (2018).

Artikel Google Scholar

Hansen, CHF et al. Muster der frühen Darmbesiedlung prägen zukünftige Immunantworten des Wirts. PLoS One 7, e34043 (2012).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Bokoliya, SC, Dorsett, Y., Panier, H. & Zhou, Y. Verfahren zur Transplantation fäkaler Mikrobiota in murinen Mikrobiomstudien. Vorderseite. Zelle. Infizieren. Mikrobiol. 11, 711055 (2021).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Turnbaugh, PJ et al. Ein zentrales Darmmikrobiom bei fettleibigen und schlanken Zwillingen. Natur 457, 480–484 (2009).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Kozich, JJ, Westcott, SL, Baxter, NT, Highlander, SK & Schloss, PD Entwicklung einer Dual-Index-Sequenzierungsstrategie und Kurationspipeline zur Analyse von Amplikon-Sequenzdaten auf der MiSeq-Illumina-Sequenzierungsplattform. Appl. Umgebung. Mikrobiol. 79, 5112–5120 (2013).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Callahan, BJ et al. DADA2: hochauflösende Probeninferenz aus Illumina-Amplikondaten. Nat. Methoden 13, 581–583 (2016).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Quast, C. et al. Das SILVA-Ribosomal-RNA-Gendatenbankprojekt: verbesserte Datenverarbeitung und webbasierte Tools. Nukleinsäuren Res. 41, D590–D596 (2013).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Suzek, BE et al. UniRef-Cluster: eine umfassende und skalierbare Alternative zur Verbesserung der Sequenzähnlichkeitssuche. Bioinformatik 31, 926–932 (2015).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Referenzen herunterladen

Die Autoren danken Dr. Barbara Mickelson (Envigo) für ihre Unterstützung bei Diäten. Wir danken auch der DNA-Sequenzierungseinrichtung des University of Wisconsin-Madison Biotechnology Center für die Bereitstellung von Sequenzierungs- und Unterstützungsdiensten. Wir danken dem Center for High Throughput Computing (CHTC) der University of Wisconsin-Madison im Fachbereich Informatik für die Bereitstellung von Rechenressourcen, Unterstützung und Unterstützung. Diese Arbeit wurde teilweise durch Zuschüsse von NIH HL144651 (FER), HL148577 (FER) und EB030340 (FER) unterstützt. Diese Arbeit wurde auch durch ein Stipendium des Transatlantic Networks of Excellence Award der Leducq Foundation (17CVD01) unterstützt. ERH wurde teilweise vom Metabolism and Nutrition Training Program NIH T32 (DK007665) und vom University of Wisconsin-Madison Food Research Institute (Robert H. and Carol L. Deibel Distinguished Graduate Fellowship in Probiotic Research) unterstützt. T.-WLC wurde von den National Institutes of Health im Rahmen des Ruth L. Kirschstein National Research Service Award T32 HL007936 vom National Heart Lung and Blood Institute an das University of Wisconsin-Madison Cardiocular Research Center unterstützt.

Doktorandenausbildungsprogramm für Mikrobiologie, University of Wisconsin-Madison, Madison, WI, USA

Evan R. Hutchison

Abteilung für Bakteriologie, University of Wisconsin-Madison, Madison, WI, USA

Evan R. Hutchison, Kazuyuki Kasahara, Qijun Zhang, Eugene I. Vivas, Tzu-Wen L. Cross und Federico E. King

Lee Kong Chian School of Medicine, Nanyang Technological University, Singapur, Singapur

Kazuyuki Kasahara

Abteilung für Ernährungswissenschaft, Purdue University, West Lafayette, IN, USA

Tzu-Wen L. Cross

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ERH, T.-WLC und FER haben die Studie konzipiert. ERH, KK und EIV führten die Mausexperimente durch und sammelten Gewebe. ERH führte eine Analyse des Atherosklerose-Phänotyps durch. ERH und QZ führten eine metagenomische Analyse des Darms durch. ERH und FER haben das Manuskript erstellt. Dieses Manuskript wurde von allen Autoren genehmigt.

Korrespondenz mit Federico E. Rey.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht gesetzlich zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Hutchison, ER, Kasahara, K., Zhang, Q. et al. Untersuchung des Einflusses des Ballaststofftyps auf die Arteriosklerose bei Mäusen, die mit verschiedenen mikrobiellen Gemeinschaften im Darm besiedelt sind. npj Biofilms Microbiomes 9, 31 (2023). https://doi.org/10.1038/s41522-023-00402-7

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Eingegangen: 30. Dezember 2022

Angenommen: 18. Mai 2023

Veröffentlicht: 03. Juni 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41522-023-00402-7

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