Rol van de microbiota bij obesitas: effect na bariatrische chirurgie (MICROOBAR)

1. Introductie Obesitas is een chronische ziekte met een grote impact op de gezondheid en een hoge economische last. De prevalentie in de wereldbevolking is gestegen van 5% in 1975 naar 13% in 2014. Op basis van deze cijfers wordt verwacht dat een vijfde van de wereldbevolking in 2025 obesitas zal hebben. Bovendien wordt obesitas erkend als de belangrijkste risicofactor voor de ontwikkeling van type 2-diabetes mellitus (T2DM). Dienovereenkomstig is een parallelle stijging van de prevalentie van T2DM waargenomen, die momenteel 9% van de wereldbevolking treft, met een geschatte toename tot 12% tegen 2025. De metabole veranderingen geassocieerd met obesitas verhogen het risico op cardiovasculaire aandoeningen, waaronder coronaire hartziekte en myocardinfarct.

   Momenteel is bariatrische chirurgie de aanbevolen behandeling voor gewichtsvermindering en verbeterde glykemische controle bij obese patiënten, met name bij degenen die onvoldoende resultaten behalen via medische therapie en leefstijlaanpassingen. Onder de verschillende beschikbare chirurgische technieken is laparoscopische gastric bypass (LGB) - die de architectuur van het maag-darmkanaal drastisch reorganiseert en intestinale malabsorptie combineert met voedselinnamebeperking - de meest erkende en meest uitgevoerde procedure in Europa voor de behandeling van morbide obesitas.

   Recent zijn meta-analyses gepubliceerd die metabole uitkomsten van verschillende bariatrische procedures vergelijken; deze zijn echter gebaseerd op een klein aantal gerandomiseerde gecontroleerde onderzoeken en voornamelijk op studies met aanzienlijke beperkingen, zoals retrospectief ontwerp, inclusie van heterogene cohorten met een breed scala aan body mass index en diabetesduur, en korte follow-upperiodes. De meeste van deze studies wijzen op vergelijkbare kortetermijnuitkomsten; desalniettemin toonde de STAMPEDE-studie superieure metabole resultaten met LGB na drie jaar. Omgekeerd hebben studies met strikt malabsorptieve procedures hogere percentages van T2DM-remissie en een lager risico op ziekte-recidief aangetoond.

   Een recente analyse van grote, heterogene klinische cohorten identificeerde kortere diabetesduur, lagere nuchtere glucosewaarden bij baseline, en procedures die maaginhoud distaal in de dunne darm afleiden - in plaats van restrictieve procedures - als onafhankelijke voorspellers van hogere T2DM-remissiepercentages na twee jaar follow-up. Het blijft onduidelijk of dit een gevolg is van groter gewichtsverlies bereikt door deze procedures of of andere factoren betrokken zijn, met name darmhormoondynamiek. Intestinale bypass-chirurgie die het duodenum uitsluit, leidt tot verhoogde secretie van incretinehormonen, specifiek glucagon-like peptide 1 (GLP-1) en het orexigene peptide YY (PYY), door snelle maaglediging en de vroege aankomst van onverteerd voedsel in het ileum. De overdreven GLP-1-secretie wordt beschouwd als een van de belangrijkste mechanismen achter verbeterde β-celfunctie bij T2DM na chirurgie. Sommige studies hebben echter de rol van GLP-1 als primaire factor verantwoordelijk voor diabetesremissie in twijfel getrokken. Bovendien resulteert uitsluiting van de maagfundus in verminderde secretie van het orexigene hormoon ghreline, leidend tot eetlustonderdrukking en verhoogde insulinesecretie. Inderdaad, beide mechanismen zijn beschreven in observationele studies na LGB en zijn geassocieerd met verbeterde glucosehomeostase.

   Verder suggereren recente studies dat de darmmicrobiota een belangrijke rol kan spelen in metabole regulatie en in de modulatie van zowel lokale als systemische inflammatoire responsen. Obesitas en T2DM zijn geassocieerd met veranderingen in de abundantie en samenstelling van darmbacteriën, evenals in hun biologische diversiteit. De exacte mechanismen waardoor de darmmicrobiota metabole kenmerken beïnvloedt, blijven onduidelijk, maar ze kunnen fermentatieproducten van voedingsvezels omvatten, met name korteketenvetzuren (SCFA's: butyraat, propionaat en acetaat), die de energiehomeostase beïnvloeden. De recente ontdekking van receptoren in een breed scala aan celtypen en weefsels waarvoor SCFA's natuurlijke liganden lijken te zijn, benadrukt verder hun potentiële rol in darm-microbiota-metabolisme-interacties. Een ander relevant mechanisme van directe microbiotainvloed op metabole regulatie kan liggen in de verbinding met het ontstaan en de progressie van subklinische ontsteking, die bijdraagt aan de ontwikkeling van insulineresistentie en T2DM. Er is voorgesteld dat obesitas en T2DM geassocieerd zijn met verhoogde translocatie van bacteriële lipopolysacchariden in de circulatie, wat vervolgens aangeboren immuunactivering in vetweefsel triggert.

   Hoewel modulatie van de darmmicrobiota effectief obesitas heeft voorkomen en de metabole status heeft verbeterd in rodentmodellen van obesitas en T2DM, zijn humane gegevens die dergelijke effecten ondersteunen bij obese diabetische patiënten veel minder overtuigend. Een recente studie die de impact van fecale microbiotatransplantatie van magere donoren onderzocht, toonde matige verbeteringen in insulinegevoeligheid bij mannelijke ontvangers met metabool syndroom zes - maar niet achttien - weken na transplantatie. Daarom lijkt de darmmicrobiota een relevante bijdrager te zijn en waarschijnlijk een sleutelfactor die leefstijl en gastheerbiologie verbindt.

   Tot op heden is intestinale dysbiose geïdentificeerd bij overgewicht en matige obesitas, zoals blijkt uit aanzienlijke veranderingen in darmmicrobiotasamenstelling (verrijking of uitputting van specifieke bacteriegroepen) en verminderde microbiële genenrijkdom, beide geassocieerd met metabole verstoringen zoals insulineresistentie, laaggradige ontsteking en adipocythypertrofie. Echter, darmmicrobiotakenmerken blijven slecht onderzocht in extreme vormen van obesitas, ondanks de toenemende prevalentie van ernstige (BMI > 35 kg/m²) en morbide obesitas (BMI > 40 kg/m²) wereldwijd, die momenteel respectievelijk 2,3% van de mannen en 5% van de vrouwen treft. Hoewel sommige individuen met ernstige obesitas metabool gezond blijven, verhoogt het bereiken van een BMI > 35 kg/m² in het algemeen het risico op chronische aandoeningen aanzienlijk. Bovendien ontwikkelen metabool gezonde obese individuen vaak metabole veranderingen en comorbiditeiten in de loop der tijd.

   Ondanks de goed gedocumenteerde verbeteringen in metabolisme en ontsteking na bariatrische chirurgie - en de associatie met darmmicrobiotaveranderingen - geven recente studies aan dat verminderde microbiële rijkdom en compositionele veranderingen gekoppeld zijn aan ongunstige metabole uitkomsten bij overgewicht of matige obesitas, maar slecht gekarakteriseerd blijven bij ernstige obesitas. Verder suggereert opkomend bewijs dat darmmicrobiotasamenstelling niet volledig herstelt na bariatrische chirurgie. Daarnaast rapporteerden Santos-Marcos et al. recent seksegerelateerde verschillen in darmmicrobiotasamenstelling, evenals variaties tussen vrouwen in verschillende hormonale stadia, die ten grondslag kunnen liggen aan de seksuele dimorfie waargenomen in de incidentie van metabole ziekten en gerelateerde comorbiditeiten.

   Bariatrische chirurgie is een effectieve interventie die gewichtsverlies bevordert en glykemische controle verbetert. Naast de positieve modulatie van galzuren en darmhormonen, induceert deze chirurgie diepgaande veranderingen in de samenstelling van de darmmicrobiota, een belangrijke bijdrager aan de gezondheidseffecten gemedieerd door bariatrische procedures. Echter, in gevallen van ernstige obesitas hebben recente gegevens de heersende opvatting uitgedaagd, aangezien bacteriesoorten geassocieerd met lage microbiële rijkdom (voorafgaand aan chirurgie) slechts marginaal lijken te veranderen na bariatrische chirurgie ondanks aanzienlijke metabole verbeteringen. Om de geldigheid of inconsistentie van deze premisse te testen, hebben we een vergelijkende analyse opgesteld van metabole parameters en risicofactoren bij obese individuen die een chirurgische gewichtsverliesinterventie ondergaan. Bovendien kunnen de expressie en identificatie van perifere biomarkers, zoals gastro-intestinale peptiden, betere karakterisering van obesitasfenotypes en een nauwkeurigere diagnose mogelijk maken, waardoor de behandeling en follow-up van obesitas op geïndividualiseerde basis verbetert.

   Daarnaast stellen we voor om te onderzoeken of veranderingen in de darmmicrobiota nauw gerelateerd zijn aan metabole abnormaliteiten en of gewichtsverliesinterventie via bariatrische chirurgie een differentiële respons in darmmicrobiële diversiteit en metabole biomarkers kan bepalen over verschillende gradaties en fenotypes van obesitas, evenals tussen geslachten.

2. Materialen en methoden 2.1. Studieontwerp en deelnemers Een prospectieve, interventionele, vergelijkende en translationele klinische studie werd ontworpen. Om de voorgestelde doelstellingen te bereiken, zullen 60 obese patiënten die gepland staan voor bariatrische chirurgie op de afdeling Algemene en Digestieve Chirurgie van hetzelfde ziekenhuis worden geworven. Patiënten zullen sequentieel worden ingesloten wanneer ze de Obesitas Unit van de afdeling Endocrinologie van het Hospital Universitario Doctor Peset bezoeken tot het vereiste aantal is bereikt en mits ze voldoen aan de hieronder beschreven inclusie- en exclusiecriteria.

   • Inclusiecriteria: patiënten met een body mass index (BMI) groter dan 40 kg/m² (of > 35 kg/m² met minimaal één obesitascomorbiditeit), leeftijd tussen 18 en 65 jaar, en met een bekende duur van obesitas van meer dan vijf jaar.
   • Exclusiecriteria: vanwege de aard van de studie zullen patiënten met acute of chronische inflammatoire ziekten, vastgesteld hepatisch of renaal falen (gedefinieerd als transaminasespiegels ±2 SD van het gemiddelde en geschatte glomerulaire filtratiesnelheid [CKD-EPI-formule] >60), neoplasieën, of secundaire oorzaken van obesitas (bijv. hypothyreoïdie, syndroom van Cushing) worden uitgesloten.

Voor deelname zullen alle patiënten - of hun wettelijke vertegenwoordigers - een geïnformeerde toestemmingsverklaring ondertekenen na een gedetailleerde uitleg van de studieobjectieven en beantwoording van alle vragen. De studie zal voldoen aan de ethische principes van de Verklaring van Helsinki en de daaropvolgende wijzigingen en zal goedkeuring ontvangen van de ziekenhuisethiekcommissie. Alle medische informatie en gegevens verzameld tijdens de studie zullen vertrouwelijk worden gehouden in overeenstemming met de nationale wetten.

Om de invloed van adipositasgraad te beoordelen, zullen patiënten worden ingedeeld in drie groepen volgens BMI: 1) Ernstige obesitas: BMI 35-40 kg/m², 2) Morbide obesitas: BMI 40-50 kg/m², 3) Extreme obesitas: BMI >50 kg/m².

Om de invloed van metabool profiel te evalueren, zullen patiënten ook worden verdeeld in twee groepen: metabool gezonde obese (MHO) en metabool abnormale obese (MAO), gecorrigeerd voor leeftijd en geslacht. Volgens eerder vastgestelde criteria worden MAO-individuen gedefinieerd als het hebben van ten minste twee van de volgende cardiometabole veranderingen: 1) Nuchter plasmaglucose ≥100 mg/dL of gebruik van antidiabetica; 2) Systolische bloeddruk (SBP) ≥130 mmHg en/of diastolische bloeddruk (DBP) ≥85 mmHg, of gebruik van antihypertensiva; 3) Triglycerideconcentraties ≥150 mg/dL; 4) HDL-cholesterol <40 mg/dL bij mannen of <50 mg/dL bij vrouwen, of gebruik van lipidenverlagende medicijnen. Omgekeerd worden MHO-individuen gedefinieerd als degenen die niet aan bovenstaande criteria voldoen. Daarnaast zullen ook seksegerelateerde verschillen worden geanalyseerd.

Voorafgaand aan de chirurgie zal de diëtist-voedingsdeskundige een dieetinterventie implementeren bestaande uit een hypocalorisch dieet geïndividualiseerd volgens de voedingsbehoeften van de patiënt en aangepast voor obesitas. Het dieetplan zal kwalitatief compleet zijn, voldoend aan de volgende macronutriëntverdeling: 55% koolhydraten, 30% vetten en 15% eiwitten. Tijdens de twee weken voorafgaand aan de metabole chirurgische procedure zal een zeer laagcalorisch dieet worden toegediend met Optisource® zakjes, verdeeld over drie dagelijkse innames. De post-bariatrische chirurgie dieetinterventie zal progressief worden uitgevoerd, gericht op gewichtsverlies en metabole normalisatie. Follow-upbezoeken zullen plaatsvinden op 1, 6 en 12 maanden, rekening houdend met individuele tolerantie en voedingsbehoeften.

2.2. Gegevensverzameling en analyse Alle proefpersonen ondergaan een initiële evaluatie, inclusief beoordeling van de voedingsstatus en cardiovasculaire risicofactoren en comorbiditeiten (hypertensie, obstructieve slaapapneu, dyslipidemie), evenals evaluatie om secundaire oorzaken van obesitas uit te sluiten. Gedurende de studie, zowel bij baseline als tijdens post-chirurgische follow-ups, zullen patiënten analytische beoordelingen, lichaamssamenstelling en basaal metabolisme-evaluatie, microbiotastudies en gastro-intestinale hormoonbepaling ondergaan. De verkregen resultaten zullen worden geanalyseerd met SPSS 17.0. Voor categorische variabelen zal de frequentieverdeling en het totale percentage gevallen worden geëvalueerd. Voor kwantitatieve variabelen zullen het gemiddelde, bereik en standaarddeviatie worden geanalyseerd. De Kolmogorov-Smirnov-test zal worden uitgevoerd om te bepalen of kwantitatieve variabelen een normale verdeling volgen. Verschillen in metabole variabelen tussen groepen (geslacht, metabool profiel) zullen worden geanalyseerd met een ongepaarde t-test of de Mann-Whitney U-test, en voor obesitasgraden zal een ANOVA worden uitgevoerd. Om veranderingen na chirurgische interventie te evalueren, zal een herhaalde metingen ANOVA of gepaarde t-test worden uitgevoerd. Ten slotte zullen correlaties worden beoordeeld met Pearson of Spearman bivariate correlatie. Daarnaast zullen logistische regressieanalyses worden uitgevoerd om voorspellende modellen voor specifieke groepen te ontwikkelen.