Acetat programmiert die Darmmikrobiota während des Alkoholkonsums um

Leberschäden aufgrund von chronischem Alkoholkonsum gehören zu den häufigsten Lebererkrankungen. Die Häufigkeit des Alkoholkonsums ist ein starker Faktor für die Varianz der Mikrobiota. Hier verwenden wir isotopenmarkiertes [1-13C]-Ethanol, Metagenomik und Metatranskriptomik in Ethanol-fütternden und intragastrischen Mausmodellen, um die metabolischen Auswirkungen des Alkoholkonsums auf die Darmmikrobiota zu untersuchen.

Abstrakt

Zunächst zeigen wir, dass stabil isotopenmarkiertes [1-13C]-Ethanol zwar zu den Fettsäurepools in der Leber, im Plasma und im Blinddarm von Mäusen beiträgt, es aber keine Hinweise auf einen Ethanol-Stoffwechsel durch die Darmmikrobiota ex vivo unter anaeroben Bedingungen gibt. Als nächstes beobachten wir durch Metatranskriptomik, dass die Darmmikrobiota auf Ethanolfütterung reagiert, indem sie die Acetatdissimilation aktiviert, nicht indem sie Ethanol direkt metabolisiert. Wir zeigen, dass die Acetatkonzentration im Blut während des Ethanolkonsums erhöht ist. Durch die Erhöhung des systemischen Acetatspiegels mit einer Glycerintriacetat-Supplementierung konnten wir zwar keine Auswirkungen auf die Lebererkrankung feststellen, jedoch ähnliche Veränderungen der Darmmikrobiota wie bei chronischer Ethanolfütterung bei Mäusen hervorrufen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Ethanol nicht direkt von der Darmmikrobiota verstoffwechselt wird und dass die mit Ethanol verbundenen Veränderungen in der Darmmikrobiota eine Nebenwirkung der erhöhten Acetatspiegel sind. Die Ableitung dieser Acetat-Effekte könnte für das Verständnis der Veränderungen in der Darmmikrobiota, die zu alkoholbedingten Lebererkrankungen führen, entscheidend sein.

Einleitung

Alkoholbedingte Lebererkrankungen gehören zu den häufigsten Leberkrankheiten in den Vereinigten Staaten und Europa. Übermäßiger Alkoholkonsum verursacht eine Reihe von Leberschäden, die von Steatose über Steatohepatitis und Fibrose bis hin zur Zirrhose reichen. Während des Alkoholkonsums wird der Alkohol vor allem im oberen Magen-Darm-Trakt durch Diffusion schnell aufgenommen und gelangt dann über die Pfortader in die Leber. Die Wirkung des Alkohols auf den distalen Dünn- und Dickdarm wird größtenteils vom zirkulierenden Alkohol während des Gleichgewichtsprozesses zwischen dem Lumen des Gastrointestinaltrakts und dem Gefäßraum verursacht. Es ist erwiesen, dass Alkoholkonsum die Zusammensetzung und Funktion der Stuhlmikrobiota verändert, aber wie relativ geringe Konzentrationen von Ethanol im Dickdarm die tiefgreifenden Veränderungen der Stuhlmikrobiota verursachen, mit denen sie in Verbindung gebracht werden, ist derzeit kaum bekannt.

Ergebnisse

• Beitrag von Ethanol zum Acetat- und Acetyl-Coenzym A (Acetyl-CoA)-Pool: Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die orale Verabreichung von [1-13C]-Ethanol zu den Acetat- und Acetyl-CoA-Pools beiträgt und hauptsächlich für die de novo-Lipogenese verwendet wird.
• Ethanol wird ex vivo nicht direkt von der Darmmikrobiota verstoffwechselt.
• Mikrobielle Alkoholdehydrogenase wird durch Ethanolfütterung bei Mäusen nicht hochreguliert.
• Acetat ahmt die durch Ethanolfütterung ausgelösten Veränderungen der Darmmikrobiota nach.

Diskussion

Die alkoholbedingte Lebererkrankung wird mit tiefgreifenden Veränderungen der Darmmikrobiota in Verbindung gebracht, einschließlich der Veränderungen von Bacteroidetes und Enterococcaceae. Verschiebungen in der Abundanz von Bacteroidetes und Enterococcaceae wurden jedoch mit vielen anderen Wirtsphänotypen in Verbindung gebracht, und es ist wenig über die Mechanismen bekannt, durch die Ethanol die mikrobielle Zusammensetzung verändert. Mithilfe der Metatranskriptomik fanden wir heraus, dass die mikrobielle Alkoholdehydrierung nach der Ethanolfütterung nicht signifikant verändert wurde, aber die Genexpression der AMP-Acetyl-CoA-Synthetase wurde hochreguliert. Dieses interessante Ergebnis deutet darauf hin, dass der mikrobielle Ethanol-Stoffwechsel nicht wesentlich zu den beobachteten Veränderungen in der Darmmikrobiota beiträgt und dass diese Veränderungen möglicherweise durch Acetat ausgelöst werden. Daher testeten wir unsere Hypothese anhand eines Mausmodells, bei dem Ethanol intragastrisch verabreicht wurde, indem wir GTA supplementierten. Wir konnten zeigen, dass eine GTA-Supplementierung den Acetatspiegel im Blut erhöhte und die bei der Ethanolfütterung beobachteten Veränderungen der Darmmikrobiota nachahmte, aber in Abwesenheit von Alkohol keine Leberschäden verursachte. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Acetat-induzierte Veränderungen der Darmmikrobiota ohne Alkohol allein nicht ausreichen, um Leberschäden zu verursachen. Auch eine Supplementierung mit Acetat schützte die Leber nicht vor ethanolinduzierten Leberschäden, obwohl die Supplementierung einer anderen kurzkettigen Fettsäure, Butyrat, die ethanolinduzierten Leberschäden verringerte.

Obwohl beim Menschen Bakterien identifiziert wurden, die viel Alkohol produzieren, ist nicht klar, ob es beim Menschen Stämme gibt, die Alkohol metabolisieren. Nach der akuten Verabreichung von Ethanol an keimfreie und konventionelle Mäuse waren die Acetaldehyd-Konzentrationen im Rektum und im Zökum bei keimfreien Mäusen im Vergleich zu konventionellen Tieren signifikant niedriger, und dies ging mit der Anzahl der Bakterien in den beiden Darmabschnitten einher, was darauf hindeutet, dass Acetaldehyd durch bakterielle Ethanol-Oxidation erzeugt werden könnte. Unsere Studie liefert jedoch keine Beweise dafür, dass die Darmmikrobiota Ethanol direkt verstoffwechseln kann, wie durch Ex-vivo- und In-vivo-Experimente nachgewiesen wurde. Ein signifikanter Ethanolkonsum wurde ex vivo nicht festgestellt. Die Genexpression der mikrobiellen Alkoholdehydrogenase wurde nach der Ethanolfütterung bei Mäusen nicht hochreguliert. Im Gegensatz dazu war die relative Expression eines mikrobiellen Gens, das an der Acetat-Dissimilation beteiligt ist, der AMP-Acetyl-CoA-Synthetase, bei mit Alkohol gefütterten Mäusen im Vergleich zu den Kontrollen deutlich erhöht. Wir zeigen hier, dass das Darmmikrobiom, das durch Acetat und nicht durch Ethanol verändert wird, keine Rolle bei der Leberschädigung spielt. Herkömmliche Mäuse weisen eine relativ milde Lebererkrankung auf. Nach einer Mikrobiota-Transplantation mit Stuhl von Patienten mit schwerer alkoholbedingter Lebererkrankung nimmt der Schweregrad der ethanolinduzierten Lebererkrankung in mikrobiota-humanisierten Mäusen zu. Virulenzfaktoren in Pathobionten und Krankheitserregern sind wichtige Determinanten der Lebererkrankung in mikrobiota-humanisierten Mäusen und Patienten, und sie sind wahrscheinlich unabhängig von Acetat. Darüber hinaus haben wir die mögliche Rolle der oralen Mikrobiota im Ethanol-Stoffwechsel nicht untersucht, da sich gezeigt hat, dass potenzielle Mitglieder der Bakteriengemeinschaft in Kulturen Ethanol zu Acetaldehyd metabolisieren. Zukünftige Arbeiten werden erforderlich sein, um die Rolle dieser oralen Mikrobiota-Spezies in vivo, die mögliche Rolle von Gallensäuren und die Wiederholung dieser Ergebnisse in größeren Humankohorten zu untersuchen.

Der Acetat-Stoffwechsel ist für verschiedene Stoffwechselfunktionen wie Energieerzeugung, Lipidsynthese und Proteinacetylierung verantwortlich. Der »Acetat-Switch« tritt ein, wenn die Zellen keine Acetat-produzierenden Kohlenstoffquellen mehr haben und beginnen, nach Acetat aus der Umgebung zu suchen, um erfolgreich zu sein. Beim Menschen wurde ein alkoholbedingter Anstieg des Acetatspiegels im Blut beobachtet. In unserer Studie war der Acetatspiegel im Blut von Mäusen, die mit Ethanol gefüttert wurden, im Vergleich zu den Kontrollen in den Mausmodellen mit oraler Schlundsonde und alkoholischer Hepatitis deutlich erhöht. Der Anstieg des Acetatspiegels im Serum könnte zu einem Anstieg von Acetat im Darm führen, wo sich die Darmmikrobiota aufhält. Um sich an die neue Umgebung mit einem hohen Acetatangebot anzupassen, importiert und verwertet die Darmmikrobiota Acetat. Nach dem Import in die Mikrobenzellen wird die Acetatdissimilation aktiviert, und Acetat wird zur Herstellung von Acetyl-CoA verwendet, das in den TCA-Zyklus, die Gluconeogenese, den Glyoxylatzyklus und die De-novo-Fettsäurebiosynthese gelangt. Insbesondere die Gluconeogenese war in den mit Alkohol behandelten Gruppen im Vergleich zu den Kontrollgruppen hochreguliert. Im Gegensatz dazu unterschieden sich die mikrobiellen Genexpressionen, die an der Acetatausscheidung beteiligt sind, einschließlich Phosphoacylase und Acetatkinase, nicht signifikant zwischen den mit Ethanol gefütterten Mäusen und den Kontrollen. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Ethanolfütterung den Acetat-Dissimilationsprozess in der Darmmikrobiota aktiviert.

Zusammenfassend zeigt unsere Studie, dass Ethanol nicht direkt von der Darmmikrobiota verstoffwechselt wird. Die Darmmikrobiota reagiert auf Ethanolfütterung durch Acetatdissimilation, und die GTA-Supplementierung ahmt die mit Ethanolfütterung verbundenen Veränderungen der Darmmikrobiota nach. Die Ähnlichkeit zwischen den Veränderungen, die wir bei Mäusen durch GTA und durch Ethanol festgestellt haben, legt nahe, dass Studien am Menschen, die sich auf den Alkoholkonsum konzentrieren, in erster Linie die Auswirkungen von Acetat aufzeigen, das auch aus zahlreichen anderen Nahrungsquellen stammen kann, insbesondere aus Stärke und/oder aus Unterschieden im Mikrobiom und seinem Stoffwechsel bei verschiedenen Personen. Studien, die darauf abzielen, die schädlichen Auswirkungen des Alkohols auf das Mikrobiom oder die alkoholbedingten Veränderungen des Mikrobioms zu isolieren, müssen diese Faktoren sorgfältig abgrenzen, ähnlich wie bei der bekannten anfänglichen Zuordnung von Signaturen zu Typ-2-Diabetes, die sich letztendlich als Folge der Metformin-Behandlung für diese Erkrankung herausstellten, was eine sorgfältige Isolierung der Variablen in Folgestudien erfordert. Die Häufigkeit des Alkoholkonsums wurde vor kurzem als ein starker Faktor für die Varianz der Mikrobiota zwischen gesunden und kranken Personen identifiziert, der das Studiendesign beeinträchtigen kann. Insgesamt deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass Acetat eine Schlüsselrolle bei den durch Alkoholkonsum hervorgerufenen Veränderungen der Darmmikrobiota spielen könnte, und legen nahe, dass Folgestudien zur Erforschung der Auswirkungen des durch Alkohol und GTA veränderten Mikrobioms bei gnotobiotischen, behandlungsfreien Mäusen erforderlich sein könnten, um die spezifischen funktionellen Auswirkungen der Alkoholbehandlung auf das Darmmikrobiom zu verstehen.