Ernährung mit hohem Fruchtzuckergehalt, das Darmmikrobiom und die Stoffwechselgesundheit

Amerikaner konsumieren häufig übermäßige Mengen an Fruktose aus der Nahrung. Zugesetzte Fruktose hat nachweislich negative Auswirkungen auf die Stoffwechselgesundheit, einschließlich einer erhöhten Insulinresistenz und des Risikos für Typ-2-Diabetes (T2D). Allerdings sind die Mechanismen, die Nahrungsfruktose mit der Stoffwechselgesundheit verbinden, kaum verstanden. Eine Malabsorption oder unvollständige Verstoffwechselung von Fruktose im Dünndarm kommt in der Bevölkerung häufig vor. Überschüssige Fruktose gelangt in den Dickdarm, wo sie die Struktur und Funktion des Darmmikrobioms verändern, bakterielle Stoffwechselprodukte verändern und Entzündungsreaktionen auslösen kann, die sich auf das T2D-Risiko auswirken. Um zu klären, ob häufig konsumierte Fruktosemengen in der Nahrung die Stoffwechselergebnisse durch Veränderung des Darmmikrobioms beeinflussen, wird das Forschungsteam 30 Teilnehmer nach dem Zufallsprinzip einer kontrollierten Cross-Over-Ernährungsintervention zuordnen, bei der die Teilnehmer 12 Tage lang eine isokalorische Diät mit Zusatz von Fruktose oder Glukose zu sich nehmen (25 % der Gesamtkalorien), getrennt durch eine 10-tägige kontrollierte Diät-Auswaschphase.

Das Forschungsteam hat folgende Ziele:

1. Bestimmen Sie die Zusammenhänge zwischen hohem Fruktosekonsum, dem Darmmikrobiom und dem Stoffwechselrisiko.
2. Charakterisieren Sie mithilfe eines keimfreien Mausmodells die kausale(n) Rolle(n), die Fruktose-induzierte Veränderungen des Darmmikrobioms auf das Stoffwechselrisiko haben.

Das Forschungsteam wird 1) die Struktur und Funktion der Mikrobiota-Gemeinschaft über metagenomische Sequenzierung des Stuhls messen, 2) fäkale Metaboliten über gezielte und ungezielte Metabolomik, 3) Anthropometrie, 4) Insulinresistenz, Serummarker für T2D-Risiko und entzündliche Zytokine, 5) fäkale Mikroben Kohlenhydratoxidationskapazität und 6) Leberfett mittels MRT-Elastographie. Das Forschungsteam wird neuartige statistische Ansätze, einschließlich Distributed Lag Modeling, verwenden, um die komplexen Zusammenhänge zwischen Ernährung, Mikrobiom, Metaboliten und Gesundheitsergebnissen zu verstehen.

Anschließend wird das Forschungsteam kontrollierte Ernährungseingriffe und fäkale Mikrobiomtransplantationsstudien an keimfreien Mäusen durchführen. Spender-Kotproben von menschlichen Teilnehmern sowohl am Glukose- als auch am Fruktose-Arm der klinischen Intervention werden in keimfreie und kolonisierte Mäuse transplantiert, um einen kausalen Zusammenhang zwischen Fruktose-induzierten Veränderungen des Darmmikrobioms, des Leberfetts und bekannten metabolischen und entzündlichen Veränderungen herzustellen um das Risiko für T2D zu erhöhen.

Ziel des Forschungsteams ist es, die strukturellen und funktionellen Veränderungen des Darmmikrobioms, die durch eine fruktosereiche Ernährung hervorgerufen werden, umfassend zu untersuchen. Die Bestimmung der Auswirkungen von überschüssiger Fruktose auf das Mikrobiom wird dazu beitragen, neue Wege zu identifizieren, durch die Fruktose zum Risiko von Stoffwechselerkrankungen beiträgt. Zusätzlich zur Identifizierung von Strategien zur Verbesserung der Stoffwechselgesundheit bei Erwachsenen könnten die Daten aus diesem Vorschlag dazu beitragen, gezielte Ansätze zur Minderung des künftigen Krankheitsrisikos in gefährdeten Bevölkerungsgruppen zu entwickeln, die viel Fruktose konsumieren, wie z. B. Kinder.