Ny terapeutisk mat ökar viktiga tillväxtfrämjande tarmmikrober hos undernärda barn

En ny typ av terapeutisk mat, speciellt utformad för att reparera tarmmikrobiomer hos undernärda barn, är överlägsen standardterapi i en inledande klinisk prövning utförd i Bangladesh.

Ett tvärvetenskapligt team av utredare från Washington University School of Medicine i St. Louis och International Center for Diarrheal Disease Research i Dhaka, Bangladesh, har genomfört ett nytt tillvägagångssätt för att hantera det akuta globala hälsoproblemet med undernäring i barndomen. Deras tillvägagångssätt fokuserar på att selektivt öka viktiga tillväxtfrämjande tarmmikrober med hjälp av ingredienser som finns i prisvärda, kulturellt godtagbara livsmedel.

Deras arbete stöder tanken att en sund tillväxt av spädbarn och barn är obevekligt kopplad till en sund utveckling av deras tarmsamhällen efter födseln. Resultaten av deras forskning beskrivs i två rapporter som publicerades den 12 juli i tidningen Vetenskap.

"Vi fann att barn som är undernärda har ofullständigt bildat tarmmikrobiella samhällen jämfört med sina friska motsvarigheter", säger seniorförfattaren Jeffrey I. Gordon, MD, Dr Robert J. Glaser Distinguished University Professor och chef för Edison Family Center for Genome Sciences &Systems Biology vid School of Medicine. "Därför, vi började designa terapeutiska livsmedel för att reparera denna omogenhet och för att avgöra om en sådan reparation skulle återställa en sund tillväxt. "

Den kliniska prövningen, som leddes av ett team under ledning av Tahmeed Ahmed, Doktorsexamen, International Center for Diarrheal Disease Research:s chef för Nutrition and Clinical Services, inkluderade 63 barn från Bangladesh, 12-18 månaders ålder, diagnosen måttlig akut undernäring, vilket betyder att barnen var sjuka men inte nära döden. Barnen tilldelades slumpmässigt till en av fyra behandlingsgrupper. Barn i tre av grupperna fick var och en av de tre nydesignade terapeutiska livsmedlen, medan de i den fjärde gruppen fick en standardterapeutisk mat som inte var utformad baserat på en övervägande av dess effekter på tarmmikrobiomet.

Alla livsmedel för försöket producerades lokalt vid International Center for Diarrheal Disease Research. Barn fördes två gånger dagligen till ett näringsrehabiliteringscenter, där den terapeutiska maten administrerades av deras mödrar under överinseende av vårdpersonal. En uppsättning mätverktyg, utvecklad genom framsteg inom genomisk medicin, gav en ny, mycket mer omfattande definition av molekylära egenskaper i samband med undernäring, dess underliggande mekanismer, och behandlingens effektivitet.

En av de terapeutiska livsmedlen skilde sig från resten, även i denna relativt korta prövning på en månad. Mätning 1, 300 blodproteiner, inklusive de som är intimt involverade i att styra bentillväxt, hjärnans utveckling, immun funktion, och metabolism i olika vävnader, avslöjade att denna matprototyp hade producerat ett uttalat skifte mot ett hälsosamt tillstånd jämfört med vad som observerades i de andra tre barngrupperna.

I slutet av studien, forskarna fann också att till skillnad från de tre andra behandlingsgrupperna, tarmmikrobiella samhällen som bor i tarmarna hos barn som får denna blyterapeutiska mat hade genomgått en omkonfiguration och mer liknade mikrobiella samhällen som hittades hos åldersmatchade friska barn som bor i samma språk. Denna formulering innehöll, bland andra komponenter, en blandning av näringsämnen från kikärter, soja, bananer och jordnötter.

Undernäring i barndomen är ett stort globalt hälsoproblem, drabbar 150 miljoner barn under 5 år över hela världen, enligt Världshälsoorganisationen. Många studier har visat att undernäring är ett resultat av många faktorer, med tillförlitlig tillgång till tillräckliga mängder prisvärda, näringsrik mat är en men inte den enda faktorn.

Befintliga terapeutiska livsmedel utvecklades för att öka mängden viktiga näringsämnen barn konsumerar. Undernärda barn som får dessa livsmedel är mindre benägna att dö, men andra konsekvenser av undernäring har i stort sett inte svarat på behandlingen, inklusive hämmad tillväxt, nedsatt immunitet och nedsatt kognitiv funktion. Gordon noterade att dessa livsmedel inte var utformade utifrån en övervägande av deras effekter på utvecklingen av tarmmikrobiomet.

De nya mikrobiomstyrda terapeutiska livsmedlen som utvecklats av Washington University och International Center for Diarrheal Disease Research team härrörde från deras tidigare studier av tarmmikrobiell samhällsutveckling hos friska barn som bor i Bangladesh. Många år sedan, laget upptäckte att barn med undernäring hade omogna tarmsamhällen-de som verkade yngre än deras åldersmatchade friska motsvarigheter. Ahmed noterade att de för flera år sedan fann att konventionella terapeutiska livsmedel inte lyckades reparera denna omogenhet hos de undernärda barnen som de hade behandlat.

Gordons grupp transplanterade omogna samhällen från undernärda barn, och normalt mognar samhällen från friska barn, till möss som hade fötts upp under sterila förhållanden. Resultaten avslöjade att omogna samhällen var associerade med minskad viktökning, defekt benutveckling plus onormala metaboliska och immunfunktioner hos mottagardjuren. Dessa fynd gav tidiga bevis på att underlåtenhet att bilda ett normalt mikrobiellt samhälle kan vara en orsak snarare än bara en effekt av undernäring.

"Det råder osäkerhet om vilka livsmedel som är bäst att administrera under perioden med kompletterande utfodring -; när barn övergår från exklusiv mjölkmatning till fast föda, "Sa Gordon." Våra studier inspirerades av tanken att dessa vanligtvis används, prisvärd, kulturellt godtagbara kompletterande livsmedel kan innehålla ingredienser som eftertraktas av viktiga mikrober som är underrepresenterade och underpresterande i tarmmikrobiomer hos undernärda barn. Dessa mikrober var våra terapeutiska mål. "

Denna studie ger det första beviset på att en terapeutisk mat, utvecklat specifikt för att stödja tillväxt och expansion av tarmmikrober kopplade till hälsosam mikrobiomutveckling, har fördelaktiga effekter utanför tarmen relaterade till många aspekter av hälsosam tillväxt. Dessa effekter involverar viktiga förmedlare av metabolism, och av ben, utveckling av hjärnan och immunsystemet -; organsystem som har varit mycket svåra att reparera hos undernärda barn genom att komplettera sin kost med traditionella terapeutiska livsmedel.

I det första av de två tidningarna -; medförfattare Jeanette L. Gehrig, Doktorsexamen, Siddarth Venkatesh, Doktorsexamen, och Hao-Wei Chang, alla medlemmar i Gordon lab -; beskriv hur de först använde bakteriefria möss, och sedan bakteriefria smågrisar, koloniserade med tarmmikrobiella samhällsmedlemmar från barn i Bangladesh för att screena en serie dieter som består av kompletterande matingredienser som används i Bangladesh. De formulerade mikrobiomriktade kompletterande matprototyper som kunde reparera omogna mikrobiella samhällen från undernärda Bangladeshiska barn i båda dessa djurmodeller och förbättra djurens hälsa. Dessa prototyper testades sedan i den dubbelblinda kontrollerade utfodringsstudien som beskrivits ovan.

I det andra papperet, första författaren Arjun S. Raman, MD, Doktorsexamen, från Gordon lab, beskriver utvecklingen av nya beräkningsmetoder, baserat på metoder som ursprungligen utvecklats inom området ekonofysik för att analysera hur fluktuationer i ekonomin påverkar egenskaper hos komplexa, dynamiska finansmarknader. Tillvägagångssättet gav nytt, allmänt tillämpliga sätt att karakterisera organisationen av mänskliga tarmsamhällen -; deras normala utveckling, hur de störs i sjukdomstillstånd som undernäring, och hur de reagerar på terapeutiska ingrepp för att reparera dem.

Målet med mänsklig mikrobiomforskning är inte bara att beskriva komponentdelarna i ett mikrobiellt samhälle utan snarare att karakterisera hur komponenterna interagerar med varandra för att forma samhällsfunktioner. Komplicerar frågor, antalet möjliga interaktioner mellan komponenterna i ett tarmsamhälle är bokstavligen astronomiskt. "

Seniorförfattare Jeffrey I.Gordon, MD

Enligt Raman, forskarna ville kunna fokusera sin uppmärksamhet, hitta sätt att minska antalet komponenter eller funktioner i mikrobiomet till ett minimiantal som på ett informativt sätt kan skildra de organisatoriska egenskaperna hos friska och sjuka tarmsamhällen.

Studera mikrobiomerna hos friska bangladeshiska barn som provtagits varje månad från födseln till fem år, och med den nya beräkningsmetoden, de identifierade ett nätverk av 15 tarmbakteriella samhällsmedlemmar som konsekvent interagerade med varandra. De kallade detta nätverk för en ekogrupp. Ekogruppens komponenter gav ett korrekt sätt att beskriva normal tarmutveckling hos spädbarn och barn som bor i Bangladesh samt flera andra låginkomstländer. Det fungerade vidare som ett känsligt och korrekt sätt att avgöra hur allvarligt störda mikrobiella samhällen är hos barn med måttlig och svår undernäring, och i vilken grad de repareras med olika behandlingar.

"En längre och större klinisk prövning pågår för närvarande på två platser i Bangladesh för att se om den nya mikrobiomdirigerade kompletterande maten har kvarhållande fördelar, "Ahmed sa." Denna studie omfattar både barn med måttlig undernäring och barn med svår undernäring som behandlats med konventionell terapi men lämnas med ofullständigt reparerade mikrobiomer, stunting och olika andra tillväxtnedsättningar. "

Michael J. Barratt, Doktorsexamen, en biträdande professor i patologi och immunologi och verkställande direktör för Center for Gut Microbiome and Nutrition Research vid Washington University tillade:

Det är möjligt att vissa barn kan ha tarmmikrobiella samhällen så skadade att en matbaserad intervention ensam inte kommer att vara tillräcklig. Så vårt Washington University och International Center for Diarrheal Disease Research team är intresserade av att studera möjligheten att ge de specifika fördelaktiga organismerna -; eller till och med de fördelaktiga produkter som mikroberna tillverkar, när vi blir mer kunniga om vad det är -; i kombination med en mikrobiomriktad kompletterande mat. Det kan vara en andra försvarslinje. Våra studier presenterar också möjligheten att övervaka utvecklingen av tarmmikrobiella samhällen och fånga avvikelser från normal utveckling tidigare i livet, ger oss möjligheter till förebyggande. "

Gordon betonade att deras ansträngningar för att reparera de störda mikrobiella samhällena hos undernärda barn håller löftet att avslöja mer informerade riktlinjer för att mata barn under de första åren av livet så att de kan utveckla friska mikrobiomer.

"Vi måste vara effektiva förvaltare av våra barns värdefulla mikrobiella resurser, "sa han." Om vi ​​är det, effekterna kan vara långlivade och varma en ny dimension för förebyggande medicin -; en som börjar med deras utveckling av mikrobiomer. "

• Forskning ifrågasätter om det behövs en tungbandsoperation för att förbättra amningen
• Koffein kan orsaka problem för personer med ångestsyndrom