Mikrobiston rooli lihavuudessa: Vaikutus bariatrisen kirurgian jälkeen (MICROOBAR)

1. Johdanto Ylipaino on krooninen sairaus, jolla on merkittävä vaikutus terveyteen ja korkeat taloudelliset kustannukset. Sen esiintyvyys maailman väestössä on noussut 5 prosentista vuonna 1975 13 prosenttiin vuonna 2014. Näiden lukujen perusteella arvioidaan, että viidesosa maailman väestöstä on ylipainoinen vuoteen 2025 mennessä. Lisäksi ylipaino tunnistetaan tärkeimmäksi riskitekijäksi tyypin 2 diabeteksen (T2DM) kehittymiselle. Vastaavasti T2DM:n esiintyvyyden rinnakkaista nousua on havaittu, ja se vaikuttaa tällä hetkellä 9 prosenttiin maailman väestöstä, arvioidulla nousulla 12 prosenttiin vuoteen 2025 mennessä. Ylipainoon liittyvät aineenvaihdunnan muutokset lisäävät sydän- ja verisuonitautien riskiä, mukaan lukien sepelvaltimotauti ja sydäninfarkti.

   Tällä hetkellä bariatrinen kirurgia on suositeltu hoitomuoto painonpudotuksen ja paremman glukoositasapainon saavuttamiseksi ylipainoisilla potilailla, erityisesti niillä, jotka eivät saavuta riittäviä tuloksia lääkehoidolla ja elämäntapamuutoksilla. Useiden saatavilla olevien kirurgisten tekniikoiden joukossa laparoskooppinen mahaläpäisy (LGB) – joka järjestelee ruoansulatuskanavan rakenteen täysin uudelleen ja yhdistää suoliston imeytymishäiriön ruokailun rajoittamiseen – on Euroopassa tunnustetuimpia ja yleisimmin suoritettavia toimenpiteitä vaikean ylipainon hoidossa.

   Viime aikoina on julkaistu meta-analyysejä, joissa verrataan eri bariatristen toimenpiteiden aineenvaihdunnan tuloksia; nämä kuitenkin perustuvat pieneen määrään satunnaistettuja kontrolloituja tutkimuksia ja pääasiassa tutkimuksiin, joissa on merkittäviä rajoituksia, kuten retrospektiivinen suunnittelu, heterogeenisten kohorttien sisällyttäminen laajan painoindeksin ja diabeteksen keston vaihtelun kanssa sekä lyhyet seurantajaksot. Useimmat näistä tutkimuksista osoittavat vertailukelpoisia lyhyen aikavälin tuloksia; kuitenkin STAMPEDE-tutkimus osoitti paremmat aineenvaihdunnan tulokset LGB:llä kolmen vuoden jälkeen. Sitä vastoin tutkimukset, joissa käytetään puhtaasti imeytymistä heikentäviä toimenpiteitä, ovat osoittaneet korkeampia T2DM:n remissioasteita ja alhaisemman taudin uusiutumisriskin.

   Viimeisimmässä suurten, heterogeenisten kliinisten kohorttien analyysissä havaittiin, että lyhyempi diabeteksen kesto, alhaisemmat perustason paastoglukoositasot sekä toimenpiteet, jotka ohjaavat mahasisällön kauemmas ohutsuoleen eikä rajoittavia toimenpiteitä, olivat itsenäisiä ennustetekijöitä korkeammille T2DM:n remissioasteille kahden vuoden seurannan jälkeen. On edelleen epäselvää, johtuuko tämä näiden toimenpiteiden avulla saavutetusta suuremmasta painonpudotuksesta vai ovatko mukana muut tekijät, erityisesti suoliston hormonidynamiikka. Suoliston ohitusleikkaus, joka sulkee pois pohjukaissuolen, johtaa inkretiinihormonien, erityisesti glukagonin kaltaisen peptidi 1:n (GLP-1) ja oreksigeenisen peptidi YY:n (PYY), lisääntyneeseen eritykseen nopean mahatyhjennyksen ja sulamattoman ruoan varhaisen saapumisen takia ohutsuolen loppuosaan. Liioiteltua GLP-1:n eritystä pidetään yhtenä tärkeimmistä mekanismeista, jotka selittävät parantunutta β-solun toimintaa T2DM:ssä leikkauksen jälkeen. Jotkut tutkimukset ovat kuitenkin kyseenalaistaneet GLP-1:n roolin ensisijaisena diabeteksen remissiota aiheuttavana tekijänä. Lisäksi mahalaukun pohjan sulkeminen johtaa oreksigeenisen hormoni greliinin vähentyneeseen eritykseen, mikä vähentää ruokahalua ja lisää insuliinin eritystä. Molemmat mekanismit on todellakin kuvattu havainnoivissa tutkimuksissa LGB:n jälkeen, ja ne liittyvät parantuneeseen glukoositasapainoon.

   Lisäksi viimeaikaiset tutkimukset viittaavat siihen, että suoliston mikrobisto saattaa olla tärkeässä roolissa aineenvaihdunnan säätelyssä sekä paikallisten ja systemaattisten tulehdusvasteiden modulaatiossa. Ylipaino ja T2DM liittyvät muutoksiin suolistobakteerien runsaudessa ja koostumuksessa sekä niiden biologisessa monimuotoisuudessa. Tarkat mekanismit, joiden kautta suoliston mikrobisto vaikuttaa aineenvaihdunnan piirteisiin, ovat edelleen epäselviä, mutta ne saattavat sisältää ravintokuidun fermentaatiotuotteita, erityisesti lyhyketjuisia rasvahappoja (SCFA: butyraatti, propionaatti ja asetaatti), jotka vaikuttavat energiatasapainoon. Viimeaikainen löytö reseptoreista laajalla solutyyppien ja kudosten kirjolla, joille SCFAt näyttävät olevan luonnollisia ligandeja, korostaa edelleen niiden mahdollista roolia suoliston-mikrobiston-aineenvaihdunnan vuorovaikutuksessa. Toinen merkittävä mekanismi, jolla mikrobisto suoraan vaikuttaa aineenvaihdunnan säätelyyn, saattaa olla sen yhteys subkliinisen tulehduksen puhkeamiseen ja etenemiseen, mikä edistää insuliiniresistenssin ja T2DM:n kehittymistä. On esitetty, että ylipaino ja T2DM liittyvät bakteerien lipopolysakkaridien lisääntyneeseen siirtymiseen verenkiertoon, mikä laukaisee luontaisen immuniteetin aktivaation rasvakudoksessa.

   Vaikka suoliston mikrobiston modulaatio on osoittautunut tehokkaaksi ylipainon ehkäisyssä ja aineenvaihdunnan tilan parantamisessa rottamalleissa ylipainolle ja T2DM:lle, ihmisaineistot, jotka tukisivat tällaisia vaikutuksia ylipainoisilla diabeetikoilla, ovat paljon vähemmän vakuuttavia. Viimeaikainen tutkimus, joka tutki laihien luovuttajien ulostemikrobistosiirron vaikutusta, osoitti kohtalaisia parannuksia insuliiniherkkyydessä miehillä, joilla oli metabolinen oireyhtymä, kuusi – mutta ei kahdeksantoista – viikkoa siirron jälkeen. Siksi suoliston mikrobisto näyttää olevan merkittävä tekijä ja todennäköisesti keskeinen tekijä, joka yhdistää elämäntavat ja isäntäorganismin biologian.

   Tähän mennessä suoliston dysbioosi on tunnistettu ylipainossa ja kohtalaisessa ylipainossa, kuten osoittavat merkittävät muutokset suoliston mikrobiston koostumuksessa (tietyiden bakteeriryhmien rikastuminen tai väheneminen) ja vähentynyt mikrobigeenirikkaus, jotka molemmat liittyvät aineenvaihdunnan häiriöihin, kuten insuliiniresistenssiin, matala-asteiseen tulehdukseen ja rasvasolujen hypertrofiaan. Kuitenkin suoliston mikrobiston ominaisuuksia on tutkittu huonosti vaikeimmissa ylipainomuodoissa, huolimatta vaikean (painoindeksi > 35 kg/m²) ja sairaalloisen ylipainon (painoindeksi > 40 kg/m²) yleistyvästä esiintyvyydestä maailmanlaajuisesti, jotka vaikuttavat tällä hetkellä 2,3 prosenttiin miehistä ja 5 prosenttiin naisista. Vaikka jotkut vaikeasti ylipainoiset yksilöt pysyvät aineenvaihdunnan kannalta terveinä, yleisesti ottaen painoindeksin saavuttaminen yli 35 kg/m² lisää merkittävästi kroonisten sairauksien riskiä. Lisäksi aineenvaihdunnan kannalta terveet ylipainoiset yksilöt kehittävät usein aineenvaihdunnan muutoksia ja komorbiditeetteja ajan myötä.

   Huolimatta hyvin dokumentoiduista parannuksista aineenvaihdunnassa ja tulehduksessa bariatrisen kirurgian jälkeen – ja sen yhteydestä suoliston mikrobiston muutoksiin – viimeaikaiset tutkimukset osoittavat, että vähentynyt mikrobirikkaus ja koostumuksen muutokset liittyvät haitallisiin aineenvaihdunnan tuloksiin ylipainossa tai kohtalaisessa ylipainossa, mutta niitä on edelleen huonosti kuvattu vaikeassa ylipainossa. Lisäksi uudet todisteet viittaavat siihen, että suoliston mikrobiston koostumus ei palaudu täysin bariatrisen kirurgian jälkeen. Lisäksi Santos-Marcos ja muut raportoivat äskettäin sukupuolten välisistä eroista suoliston mikrobiston koostumuksessa sekä vaihteluista naisilla eri hormonaalisissa vaiheissa, mikä saattaa selittää aineenvaihduntatautien ja niihin liittyvien komorbiditeettien esiintyvyydessä havaittua sukupuolten välistä dimorfismia.

   Batarinen kirurgia on tehokas interventio, joka edistää painonpudotusta ja parantaa glukoositasapainoa. Positiivisen sappihappojen ja suoliston hormonien modulaation lisäksi tämä leikkaus aiheuttaa syviä muutoksia suoliston mikrobiston koostumuksessa, mikä on tärkeä tekijä bataristen toimenpiteiden välittämissä terveysvaikutuksissa. Kuitenkin vaikean ylipainon tapauksissa viimeaikaiset tiedot ovat kyseenalaistaneet vallitsevan näkemyksen, sillä matalaan mikrobirikkaukseen liittyvät bakteerilajit (ennen leikkausta) näyttävät muuttuvan vain vähän bariatrisen kirurgian jälkeen huolimatta merkittävistä aineenvaihdunnan parannuksista. Testataksemme tämän premissin pätevyyttä tai ristiriitaisuutta, perustimme vertailevan analyysin aineenvaihdunnan parametreista ja riskitekijöistä ylipainoisilla yksilöillä, jotka käyvät läpi kirurgisen painonpudotusintervention. Lisäksi perifeeristen biomarkkereiden, kuten ruoansulatuskanavan peptidien, ilmentyminen ja tunnistaminen saattaa mahdollistaa paremman ylipainofenotyyppien karakterisoinnin ja tarkemman diagnoosin, mikä parantaa ylipainon hoitoa ja seurantaa yksilöllisesti.

   Lisäksi ehdotamme tutkivamme, liittyvätkö suoliston mikrobiston muutokset läheisesti aineenvaihdunnan poikkeamiin ja voiko painonpudotusinterventio bariatrisen kirurgian kautta määrittää erilaisen vasteen suoliston mikrobiston monimuotoisuudessa ja aineenvaihdunnan biomarkkereissa eri ylipainoasteiden ja fenotyyppien sekä sukupuolten välillä.

2. Materiaalit ja menetelmät 2.1. Tutkimussuunnittelu ja osallistujat Suunniteltiin prospektiivinen, interventionaalinen, vertaileva ja translatiivinen kliininen tutkimus. Ehdotettujen tavoitteiden saavuttamiseksi rekrytoidaan 60 ylipainoista potilasta, joille on suunniteltu batarinen kirurgia saman sairaalan yleisen ja ruoansulatuskanavan kirurgian osastolla. Potilaat rekrytoidaan peräkkäin heidän käydessään Hospital Universitario Doctor Pesetin endokrinologiaosaston ylipainoyksikössä, kunnes vaadittu määrä saavutetaan ja edellyttäen, että he täyttävät alla kuvatut sisällyttämis- ja poissulkemiskriteerit.

   • Sisällyttämiskriteerit: potilaat, joiden painoindeksi (BMI) on yli 40 kg/m² (tai > 35 kg/m² vähintään yhdellä ylipainoon liittyvällä komorbiditeetilla), ikä 18–65 vuotta ja ylipainon tunnettu kesto yli viisi vuotta.
   • Poissulkemiskriteerit: tutkimuksen luonteen vuoksi potilaat, joilla on akuutteja tai kroonisia tulehdussairauksia, vakiintunut maksa- tai munuaisten vajaatoiminta (määritelty transaminaasitasoina ±2 SD keskiarvosta ja arvioitu glomerulaarinen suodatusnopeus [CKD-EPI-kaava] >60), kasvaimia tai toissijaisia ylipainon syitä (esim. kilpirauhasen vajaatoiminta, Cushingin oireyhtymä), suljetaan pois.

Ennen osallistumista kaikki potilaat – tai heidän lailliset edustajansa – allekirjoittavat tietoisuustodistuksen saadessaan yksityiskohtaisen selityksen tutkimuksen tavoitteista ja saatuaan kaikkiin kysymyksiinsä vastaukset. Tutkimus noudattaa Helsingin julistuksen ja sen myöhempien muutosten eettisiä periaatteita ja saa hyväksynnän sairaalan eettiseltä toimikunnalta. Kaikki lääketieteelliset tiedot ja tutkimuksen aikana kerätyt tiedot pidetään luottamuksellisina kansallisten lakien mukaisesti.

Arvioidakseen rasvoittumisasteiden vaikutusta potilaat luokitellaan kolmeen ryhmään painoindeksin mukaan: 1) Vaikea ylipaino: painoindeksi 35–40 kg/m², 2) Sairaalloinen ylipaino: painoindeksi 40–50 kg/m², 3) Äärimmäinen ylipaino: painoindeksi >50 kg/m².

Arvioidakseen aineenvaihdunnan profiilin vaikutusta potilaat jaetaan myös kahteen ryhmään: aineenvaihdunnan kannalta terveet ylipainoiset (MHO) ja aineenvaihdunnan kannalta poikkeavat ylipainoiset (MAO), ikään ja sukupuoleen suhteutettuna. Aiemmin vahvistettujen kriteerien mukaan MAO-yksilöt määritellään sellaisiksi, joilla on vähintään kaksi seuraavista sydän- ja aineenvaihdunnan poikkeamista: 1) Paastoveriplasmaglukoosi ≥100 mg/dL tai antidiabeettisten lääkkeiden käyttö; 2) Systolinen verenpaine (SBP) ≥130 mmHg ja/tai diastolinen verenpaine (DBP) ≥85 mmHg tai verenpainelääkkeiden käyttö; 3) Triglyseridipitoisuudet ≥150 mg/dL; 4) HDL-kolesteroli <40 mg/dL miehillä tai <50 mg/dL naisilla tai lipidien alentavien lääkkeiden käyttö. Sitä vastoin MHO-yksilöt määritellään sellaisiksi, jotka eivät täytä mitään yllä olevista kriteereistä. Lisäksi analysoidaan myös sukupuolten välisiä eroja.

Ennen leikkausta ravitsemusterapeutti toteuttaa ravitsemuksellisen intervention, joka koostuu hypokalorisesta ruokavaliosta, joka on yksilöllistetty potilaan ravitsemuksellisten tarpeiden mukaan ja sovitettu ylipainoon. Ruokavaliosuunnitelma on laadullisesti täydellinen ja noudattaa seuraavaa makroravinteiden jakautumista: 55 % hiilihydraatteja, 30 % rasvoja ja 15 % proteiineja. Kahden viikon aikana ennen metabolista kirurgista toimenpidettä annetaan erittäin matalakalorinen ruokavalio Optisource®-pusseilla, jaettuna kolmeen päivittäiseen annokseen. Batarisen kirurgian jälkeinen ravitsemuksellinen interventio toteutetaan asteittain painonpudotuksen ja aineenvaihdunnan normalisoitumisen tavoitteena. Seurantakäynnit tapahtuvat 1, 6 ja 12 kuukauden kohdalla ottaen huomioon yksilöllisen sietokyvyn ja ravitsemukselliset tarpeet.

2.2. Tietojen kerääminen ja analysointi Kaikki koehenkilöt käyvät läpi alkuarvioinnin, mukaan lukien ravitsemustilan arviointi sekä sydän- ja verisuonitautien riskitekijät ja komorbiditeetit (verenpainetauti, obstruktiivinen uniapnea, dyslipidemia), sekä arvioinnin toissijaisten ylipainon syiden poissulkemiseksi. Koko tutkimuksen ajan, sekä perustasolla että leikkauksen jälkeisissä seurannoissa, potilaat käyvät läpi analyyttiset arvioinnit, kehon koostumuksen ja perusaineenvaihdunnan arvioinnin, mikrobistotutkimukset sekä ruoansulatuskanavan hormonien määritykset. Saatuja tuloksia analysoidaan käyttäen SPSS 17.0. Kategorisille muuttujille arvioidaan frekvenssien jakautuma ja tapausten kokonaisprosenttiosuus. Kvantitatiivisille muuttujille analysoidaan keskiarvo, vaihteluväli ja keskihajonta. Suoritetaan Kolmogorov-Smirnov-testi määrittääkseen, noudattavatko kvantitatiiviset muuttujat normaalijakaumaa. Ryhmien (sukupuoli, aineenvaihdunnan profiili) välisten erojen analysoimiseksi aineenvaihdunnan muuttujissa käytetään parittomatonta t-testiä tai Mann-Whitney U -testiä, ja ylipainoasteille suoritetaan ANOVA. Kirurgisen intervention jälkeisten muutosten arvioimiseksi suoritetaan toistomittaus-ANOVA tai parillinen t-testi. Loput korrelaatiot arvioidaan käyttäen Pearsonin tai Spearmanin bivariaattikorrelaatiota. Lisäksi suoritetaan logistisia regressioanalyysejä kehittääkseen ennustavia malleja tietyille ryhmille.