Метаболомика и питание: Что происходит с пищей внутри организма

Автор: Пуджа Тошнивал Пахария (Pooja Toshniwal Paharia)

Рецензия: Бенедетт Куффари (Benedette Cuffari), M.Sc.

Молекулы, оставшиеся после приема пищи, дают ключ к главному вопросу о питании: почему одни и те же продукты могут вызывать разные метаболические реакции у разных людей?

Вступление

Метаболомика - это крупномасштабное исследование малых молекул в биологической системе, включая те, которые поступают из пищи, а также те, которые вырабатываются организмом и кишечными микроорганизмами. Метаболизм включает процессы, посредством которых организм преобразует пищу в энергию и другие молекулы, необходимые для роста, восстановления и нормального функционирования. Четкие метаболомные характеристики могут помочь исследователям понять, как особенности рациона питания, генетика хозяина и активность кишечной микрофлоры влияют на биологические пути, что позволяет получить информацию, выходящую за рамки традиционных измерений питания.1-3

Как метаболомика раскрывает влияние диеты

Пищеварение высвобождает питательные вещества и другие пищевые соединения; организм усваивает и метаболизирует некоторые из них, в то время как кишечные микроорганизмы преобразуют другие. Метаболические процессы преобразуют эти питательные вещества в различные метаболиты, которые влияют на выработку энергии, иммунную регуляцию и функцию тканей.2,3

Результирующий профиль метаболитов включает соединения, поглощаемые с пищей, микробиологические метаболиты и молекулы, вырабатываемые организмом в ответ на потребление пищи. Измерение содержания этих соединений в крови или моче помогает исследователям связать потребление пищи с метаболическими реакциями, хотя профиль отражает комбинированное воздействие диеты и других биологических факторов.1-4 Изменения метаболома могут помочь предсказать риск заболевания у человека и отражать генетические факторы и влияние окружающей среды, включая возраст, пол, прием лекарств, образ жизни, состояние здоровья., а также рацион питания.2,3

Используя такие аналитические методы, как масс-спектрометрия (MS) и спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР), исследователи могут количественно определять уровни метаболитов в моче, крови и других биологических образцах. MS обладает высокой чувствительностью, но часто требует хроматографического разделения. Напротив, ЯМР требует минимальной подготовки образца и обеспечивает высокую воспроизводимость результатов, но обладает меньшей чувствительностью, чем МС.

Целевая метаболомика измеряет выбранный набор метаболитов, в то время как нецелевая метаболомика исследует более широкий спектр сигналов для выявления различий между образцами.2,3 Например, определение профиля метаболитов в моче на основе ЯМР использовалось для дифференциации здорового и нездорового рациона питания американцев и увязки профиля метаболитов с артериальным давлением, ожирением и функцией почек.2

Метаболомика также может выявлять новые биомаркеры, отражающие специфическое воздействие на организм продуктов питания и образа жизни. Например, дигидроксибензойная кислота в моче (DHBA)-глицин, 3-карбокси-4-метил-5-пропил-2-фуранпропановая кислота (CMPF) и глюкуронид CMPF - связаны со здоровым северным питанием, в то время как другие метаболиты, такие как глюкоза, некоторые аминокислоты и фосфолипиды, связаны с повышенная резистентность к инсулину и нарушения обмена веществ.

Основываясь на этих результатах, метаболомика может направлять диетические вмешательства на основе персонализированных профилей риска и объективных оценок, снижая зависимость от данных, полученных самостоятельно.1,3,4 Немногие биомаркеры потребления пищи полностью подтверждены; поэтому маркеры-кандидаты нуждаются в тестировании на специфичность, реакцию на дозу и время, воспроизводимость и эффективность в разных популяциях.1,4

Роль микробиома кишечника в метаболизме пищи

Кишечные микроорганизмы расщепляют пищевые компоненты, которые человеческие ферменты не могут полностью переварить. В результате жизнедеятельности микроорганизмов образуются такие метаболиты, как короткоцепочечные жирные кислоты (КЖК), включая формиат, ацетат, пропионат и бутират, которые защищают целостность эпителия, подавляют воспаление и регулируют энергетический баланс. КЦЖК также могут влиять на кишечные гормоны, аппетит, кровяное давление и гомеостаз глюкозы и липидов.1

Энтеротипы микроорганизмов - широкие группировки, основанные на микробном составе кишечника, - также могут влиять на реакцию организма на снижение веса. Например, классификация людей по преобладанию кишечных микробов, таких как Prevotella и Bacteroides, помогла предсказать реакцию организма на потерю веса при соблюдении обычной датской диеты или новой скандинавской диеты с высоким содержанием клетчатки.

Диета с высоким содержанием клетчатки, по-видимому, способствовала снижению веса у пациентов с энтеротипом Prevotella, но не выявила соответствующего эффекта у пациентов с энтеротипом Bacteroides. Таким образом, микробный состав может помочь объяснить диетические реакции, однако его полезность для регулярных рекомендаций по снижению веса остается неопределенной.4

Индолпропионовая кислота - это продукт микробиологического преобразования пищевого триптофана. Уровень индолпропионовой кислоты в крови был связан с более низким потреблением продуктов животного происхождения и более высоким потреблением богатых клетчаткой растительных продуктов, что частично объясняется влиянием кишечных бактерий, таких как Firmicutes и Bifidobacterium.1

Пищевые метаболиты и их воздействие на здоровье

Метаболиты, образующиеся из углеводов, жиров, белков, полифенолов и других пищевых соединений, могут влиять на различные биологические процессы. В частности, метаболиты, полученные из пищи, могут влиять на процессы, связанные с кардиометаболическим здоровьем, старением и риском заболеваний, а некоторые из них действуют как сигнальные молекулы в организме. Другие метаболиты могут в первую очередь служить маркерами пищевого воздействия или метаболического статуса.1,3

Аминокислоты, такие как глицин и фенилаланин, вместе с липидами, такими как пальмитиновая кислота, связаны с возникновением диабета 2 типа (СД2) или различиями между преддиабетом и сахарным диабетом. У людей с диабетической болезнью почек уровень цистеина может быть выше, а глицина и некоторых других метаболитов - ниже, чем у контрольной группы, что указывает на изменения в аминокислотах и других метаболических путях.3 Метаболомика также может помочь объяснить, почему люди, употребляющие одинаковую пищу, по-разному реагируют на уровень глюкозы после приема пищи.4

Концентрация метаболитов может отражать метаболическое здоровье. Например, уровни индолпропионовой кислоты были связаны с более благоприятными мерами, связанными с инсулином, и снижением риска СД2 и метаболического синдрома.

Для сравнения, индололочная кислота ассоциируется с ожирением, резистентностью к инсулину и более высоким риском развития СД2.1 Другим примером является бетаин с 5-аминовалериановой кислотой (5-АВАВ), который может всасываться непосредственно из пищевых продуктов, таких как цельнозерновые каши, или образовываться в результате превращения других соединений, потенциально вовлекающих кишечную микрофлору.

Не было доказано, что противовоспалительные, противоопухолевые и антиоксидантные свойства, о которых сообщалось, приводят к клиническим результатам у людей. Также сообщалось о связи с жировой болезнью печени и снижением когнитивных способностей, что оставляет неопределенным влияние на здоровье.1

Повышенный уровень N-оксида триметиламина (ТМАО), метаболита, вырабатываемого из пищевых продуктов карнитина и холина кишечными микробами и ферментами печени, связан с повышенным риском сердечно-сосудистых заболеваний. ТМАО также может всасываться непосредственно из таких продуктов, как рыба, хотя его метаболическая роль остается неясной.1 Метаболиты, включая маннозу и пирралин, также были связаны с ухудшением кардиометаболического состояния.4

Некоторые керамиды были связаны с риском развития сахарного диабета 2 типа, и было предложено, чтобы они частично устраняли связь между потреблением красного мяса и кофе и риском развития сахарного диабета 2 типа. Керамиды (Cer) в соотношении 16:0 и Cer в соотношении 18:0 были связаны с повышенным риском развития диабета, тогда как дигидрокерамид (dhCer) в соотношении 26:1 был связан с более низким риском развития СД21.

В перекрестном исследовании, в котором сравнивались 52 худощавых, физически активных взрослых человека со здоровым питанием и 52 взрослых с ожирением, низкой физической активностью и нездоровым питанием, у первой группы были более низкие уровни в плазме крови многих желчных кислот, глутаминовой кислоты, глютамина, β-аланина, фенилаланина, тирозина и пролина, и более высокие уровни гистидина и связанных с витамином D метаболитов. В ходе исследования не удалось отделить влияние диеты от влияния состава тела и физической активности.

В той же статье обобщены более ранние исследования, связывающие ожирение с более высоким уровнем уратов, аминокислот с разветвленной цепью (ВСАА) и некоторых связанных с липидами метаболитов, включая ацилкарнитины и триглицериды. Высокий уровень глюкозы и маннозы, а также низкий уровень липидов и соединений, связанных с ЛПВП, таких как циннамоилглицин, также связаны с ожирением.5

Метаболомика и индивидуальное питание

Метаболомика может охарактеризовать метаболические профили и идентифицировать подгруппы метаболически сходных индивидуумов, называемые метаботипами. Эти группы могут способствовать персонализированным диетическим мероприятиям, прогнозированию риска заболеваний и оценке различий в диетических реакциях. Например, персонализированный глюкозы оптимизации путем корректировки питания (человек) исследование проверенные советы по питанию, основанные на ткань-удельное сопротивление инсулина.1,4

В ходе этого 12-недельного исследования ученые классифицировали людей на мышечную инсулинорезистентность или печеночную инсулинорезистентность на основании результатов перорального теста на толерантность к глюкозе (OGTT). В рамках каждого фенотипа участникам исследования случайным образом назначались диеты, которые предположительно были оптимальными или субоптимальными для их фенотипа. Исследование не выявило существенного влияния на основной результат - индекс предрасположенности, который связывает секрецию инсулина с чувствительностью к инсулину. Вторичные результаты включали улучшение чувствительности к инсулину, гомеостаза глюкозы, уровня триацилглицерина в сыворотке крови и С-реактивного белка (СРБ), причем преимущества наблюдались у тех, кто получал рацион, первоначально классифицированный как неоптимальный.4

Проблемы и направления на будущее

Метаболизм человека сложен и может отличаться у разных людей из-за ряда генетических факторов, связанных с образом жизни и окружающей средой. Оценка диетических реакций и разработка целенаправленных вмешательств требуют учета различий между отдельными лицами и внутри одного и того же человека с течением времени, поскольку однократное сравнение "до" и "после" не может надежно классифицировать кого-либо как отвечающего или не отвечающего1,4.

Связь между метаболитами и состоянием здоровья не означает, что конкретный продукт питания непосредственно оказывает биологический эффект. Для выявления метаболитов, которые постоянно улучшают прогнозирование клинического риска, необходимы более масштабные, стандартизированные и независимо подтвержденные исследования среди различных групп населения.

Другие препятствия включают неполную идентификацию измеряемых соединений, различия между аналитическими платформами, условиями отбора проб и затратами. Сочетание метаболомных данных с генетической информацией, информацией об образе жизни, питании, кишечнике и окружающей среде, результатами лабораторных исследований, визуализацией и клиническими записями может улучшить оценку риска, но клиническая ценность требует подтверждения.1,3,4

Метаболомика предоставляет информацию о том, как пищевые соединения и другие виды внешнего воздействия взаимодействуют с организмом и влияют на его здоровье. Достижения в области компьютерного анализа и идентификации метаболитов продолжают укреплять исследования в области метаболомики. Тем не менее, для более широкого использования в точном питании и профилактике заболеваний необходимы подтвержденные биомаркеры и испытания, демонстрирующие преимущества по сравнению со стандартными рекомендациями по питанию.1,3,4

Ссылки

1. Кортесниеми М., Ноерман С., Корлунд А. и др. (2023). Пищевая метаболомика: последние разработки и будущие потребности. Современное мнение в химической биологии, 77. DOI: 10.1016/j.cbpa.2023.102400. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1367593123001382
2. Эмвас, А. Х. М., Аль-Рифаи, Н., Щепски, К. и др. (2021). Вы - это то, что вы едите: применение методов метаболомики для продвижения исследований в области питания. Продукты питания 10(6). DOI: 10.3390/foods10061249. https://www.mdpi.com/2304-8158/10/6/1249
3. Даламага, М. (2024). Клиническая метаболомика: полезные знания, перспективы и проблемы. Метаболизм Открыт 22; 100290. DOI: 10.1016/j.metop.2024.100290. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589936824000227
4. Бреннан Л. и Де Роос Б. (2023). Роль метаболомики в обеспечении правильного питания. Редокс-биология, 6, 102808. DOI: 10.1016/j.redox.2023.102808. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2213231723002094
5. Патмасири У., Рашинг Б. Р., Макритчи С. и др. (2024). Нецелевая метаболомика выявляет признаки здорового образа жизни. Научные отчеты 14. DOI: 10.1038/s41598-024-64561-z. https://www.nature.com/articles/s41598-024-64561-z

Последнее обновление: 28 октября 2026 г.