Investigation of the role of carbohydrate intake on gut microbiota and short-chain fatty acids

Abstract

Bakgrunn: Ketogene dietter har stadig økt i popularitet de siste årene, antakelig fordi de har vist at de kan føre til vekttap, samtidig som de forebygger en økning i appetitt som vanligvis forekommer ved vektreduksjon. Disse diettene har derimot en tendens til å gå imot evidensbaserte ernæringsretningslinjer, siden et lavt inntak av karbohydrater (KHO) er nødvendig for å indusere ketose. Et kosthold med lavt innhold av KHO er antatt å ha en negativ effekt på tarmmikrobiotaen, men resultatene fra forskning er begrensede og motsigende. Derfor vil målet med denne oppgaven være å vurdere hvordan lav-energi dietter (LED) med forskjellige mengder KHO påvirker tarmmikrobiota og produksjon av kortkjedete fettsyrer (SCFA).

Metode: 101 friske voksne (51 kvinner), med fedme (GJ. Snitt ± SEM; BMI 34.6 ± 0.4 kg/m²) ble randomisert til 1 av 3 isokaloriske LEDs (1000 kcal [4184 kJ]/dag) med 70, 100 eller 130 g KHO/dag (i hhv. lav, medium, høy KHO gruppe), i 8 uker, etterfulgt av 4 uker med en vektstabiliseringsfase. Vekt, plasmakonsentrasjoner av beta-hydroxybutyrat (βHB), tarmmikrobiota og SCFA ble målt ved oppstart (BL), ved slutten av 8 uker kostholds-intervensjon (U9) og ved slutten av vektstabiliseringsfasen (U13).

Resultater: I alt så gikk deltakerne ned 14% av opprinnelig vekt (P<0.001), og det var ingen forskjell mellom gruppene. Alle gruppene var under ketose (0.7 ± 0.1 mM, P<0.001) ved U9, men ikke ved U13, men den lave KHO gruppen hadde signifikant høyere βHB-verdier enn medium (P<0.01) og høy (P<0.001) KHO-gruppene. Det var en økning i den relative forekomsten av Alistipes (P<0.001), og Ruminococcaceae (P<0.01), og en redusert forekomst av Eubacterium rectale gruppen (P<0.001) mellom BL og U9, men ved U13 var forskjellen fra BL fortsatt signifikant for Eubacterium rectale gruppen (P<0.01). Det var også en redusert forekomst av acetat, propionat, butyrat, valerat (P<0.001 for alle), og isobutyrat (P<0.01) ved U9, og forekomsten av disse forble lave ved U13, selv om acetat, propionat og butyrat økte signifikant fra U9 til U13 (hhv. P<0.01, P<0.01 og P<0.001). Ved U9 hadde lav KHO gruppe lavere forekomst av Blautia, Eubacterium rectale gruppen og isobutyrat enn høy KHO gruppe (P<0.05 for alle), og for Blautia var også denne forskjellen observert mellom lav og medium KHO gruppe, med lavere andel hos lav KHO gruppe (P<0.01). I tillegg var reduksjonen i andelen av Eubacterium rectale gruppen svakt positivt korrelert med KHO inntak ved U9 (P<0.05).

Konklusjon: Et lavt KHO inntak ser ut til å ha en negativ effekt på tarmmikrobiotaen og på produksjon av SCFA. Flere studier på feltet er nødvendig for å etablere en slik sammenheng.

Background: Ketogenic diets have become increasingly popular, likely because they are able to induce weight loss (WL), while preventing the increase in appetite otherwise seen with weight reduction. However, these diets contradict evidence-based nutrition guidelines, as a low-carbohydrate (CHO) intake is needed to induce ketosis. Low-CHO diets are likely to have a negative impact on gut microbiota, but results are scarce and contradictory. Therefore, the aim of this thesis was to assess how low-energy diets (LED) with different amounts of CHO impacts on gut microbiota and short-chain fatty acids (SCFA).

Methods: 101 healthy adults (51 females), with obesity (mean ± SEM; BMI 34.6 ± 0.4 kg/m²) were randomized to 1 out of 3 isocaloric LED prescriptions (1000 kcal [4184 kJ]/day) with 70, 100 or 130 g CHO/day (Low, Medium and High CHO groups, respectively), for 8 weeks, followed by 4 weeks of refeeding (weight stabilization phase). Body weight, plasma concentration of beta hydroxybutyrate (βHB)), gut microbiota and fecal SCFA concentrations were measured at baseline (BL), end of the diet intervention (W9) and end of 4 weeks refeeding (W13).

Results: Overall, participants lost 14 % (P<0.001) of their initial BW, with no differences between groups. All groups were in ketosis (0.7 ± 0.1 mM, P<0.001) at W9, but not at W13, but there were significantly higher βHB-values in the low CHO group compared with the medium (P<0.01) and high (P<0.001) CHO groups. An overall increase in the relative abundance of Alistipes (P<0.001), and Ruminococcaceae (P<0.01), and a decrease in Eubacterium rectale group (P<0.001) was seen between BL to W9, and at W13 the difference from BL was still significant for the Eubacterium rectale group (P<0.01). Also, there was a decrease in the proportion of acetic, propionic, butyric, valeric (P<0.001 for all) and isobutyric acid (P<0.01) at W9, and they remained low at W13, even though the acetic, propionic and butyric acids increased significantly from W9 to W13 (P<0.01, P<0.01 and P<0.001, respectively). At W9, the low CHO group had lower proportions of Blautia, Eubacterium rectale group and isobutyric acid than the high CHO group (P<0.05 for all), and for Blautia this difference was also seen between the low and medium CHO groups, with lower proportion in the low CHO group (P<0.01). Moreover, the decrease in Eubacterium rectale group was weakly and positively correlated with CHO intake at W9 (P<0.05).

Conclusion: A low CHO intake seems to have a negative effect on gut microbiota and fecal SCFA production. More studies are required to establish this relationship.