Микронутриенты и кишечный микробиом: двунаправленное взаимодействие

Обзор литературы за последние годы осуществляли по базам данных РИНЦ, Google Scholar, Pubmed, ReserchGate.
Цель обзора – характеристика влияния микронутриентов рациона на микробиом кишечника и оценка роли микробиома в обеспечении организма хозяина микронутриентами.
Результаты. Примерно половина (40–65 %) всех видов бактерий-прототрофов, населяющих кишечник, способны синтезировать все витамины группы В и являются донорами для бактерий ауксотрофов. Только четыре витамина (В6, фолат, В12, ниацин) могут вырабатываться в количествах, составляющих около 25 % от физиологической потребности человека, однако отсутствие транспортеров для витамина B12 в толстой кишке делает его недоступным для организма хозяина. Менахиноны (витамин К2), синтезированные кишечными бактериями, не попадают в системный кровоток, что не исключает их локального действия на эпителий кишечника. Недостаток микронутриентов (витамин А, фолаты, железо, цинк) в питании хозяина нарушает состав и функции кишечной микробиоты, прием витаминов (группы В, С, D, Е) улучшает состав микробиома. Избыточное потребление некоторых витаминов приводит к попаданию их в толстый кишечник, где они оказывают благотворное влияние на количество и разнообразие бактерий. Микро- и макроэлементы необходимы для обеспечения жизнеспособности представителей микробиоты кишечника, которая также необходима для поддержания оптимального элементного гомеостаза хозяина. Прием пребиотиков (растворимых пищевых волокон) улучшает биодоступность железа, кальция и других минеральных веществ.
Вывод. Микроорганизмы, населяющие желудочно-кишечный тракт человека, двунаправленно взаимодействуют с микронутриентами, входящими в состав рациона, что влияет, с одной стороны, на видовое разнообразие и функции микроорганизмов, а с другой – микробиом влияет на всасывание и биодоступность микронутриентов.

1. Alrubaye HS, Kohl KD. Abundance and Compositions of B-Vitamin-Producing Microbes in the Mammalian Gut Vary Based on Feeding Strategies. mSystems. 2021: e0031321. DOI: 10.1128/mSystems.00313–21

2. Barone M, D’Amico F, Brigidi P, Turroni S. Gut microbiome-micronutrient interaction: The key to controlling the bioavailability of minerals and vitamins? Biofactors. 2022; 48(2):307–314. DOI: 10.1002/biof.1835

3. Magnúsdóttir, S., Ravcheev D., de Crécy-Lagard V., Thiele I. Systematic genome assessment of B-vitamin biosynthesis suggests co-operation among gut microbes. Frontiers in genetics, 2015; 6: 148. DOI: 10.3389/fgene.2015.00148

4. LeBlanc JG, Chain F, Martín R, Bermúdez-Humarán LG, Courau S, Langella P. Beneficial effects on host energy metabolism of short-chain fatty acids and vitamins produced by commensal and probiotic bacteria. Microb Cell Fact.;16(1):79. DOI: 10.1186/s12934–017–0691-z

5. Bedani R, Cucick ACC, Albuquerque MAC, LeBlanc JG, Saad SMI. B-Group Vitamins as Potential Prebiotic Candidates: Their Effects on the Human Gut Microbiome. J Nutr. 2024;154(2):341–353. DOI: 10.1016/j.tjnut.2023.12.038

6. Uebanso T, Shimohata T, Mawatari K, Takahashi A. Functional Roles of B-Vitamins in the Gut and Gut Microbiome. Mol. Nutr. Food Res. 2020; 64 (18): e2000426. DOI: 10.1002/mnfr.202000426

7. Soto-Martin E.C., Warnke I., Farquharson F. M., Christodoulou M., Horgan G., Derrien, M., Louis, P. Vitamin biosynthesis by human gut butyrate-producing bacteria and cross-feeding in synthetic microbial communities. mBio. 2020; 11 (4): e00886–20. DOI: 10.1128/mBio.00886-20

8. Rodionov D. A., Arzamasov A. A., Khoroshkin M. S., Iablokov S. N., Leyn S. A., Peterson S. N., Osterman A. L. Micronutrient requirements and sharing capabilities of the human gut microbiome. Frontiers in microbiology, 2019. 10: 1316. DOI: 10.3389/fmicb.2019.01316

9. Gholami H., Chmiel J. A., Burton J. P., Maleki Vareki S. The Role of Microbiota-Derived Vitamins in Immune Homeostasis and Enhancing Cancer Immunotherapy. Cancers (Basel). 2023; 15 (4): 1300. DOI: 10.3390/cancers15041300

10. Voland L., Le Roy T., Debédat J., Clément K. Gut microbiota and vitamin status in persons with obesity: A key interplay. Obes Rev. 2022; 23 (2): e13377. DOI: 10.111/obr.13377

11. Said H. M. Intestinal absorption of water-soluble vitamins in health and disease. Biochem. J. 2011. 437: 357–372. DOI: 10.1042/BJ20110326

12. Chandel N., Somvanshi P. R., Thakur V. Characterisation of Indian gut microbiome for B-vitamin production and its comparison with Chinese cohort. Br J Nutr. 2024; 131(4): 686–697. DOI: 10.1017/S 0007114523002179

13. Guetterman H. M., Huey S. L., Knight R., Fox A. M., Mehta S., Finkelstein J. L. Vitamin B‑12 and the gastrointestinal microbiome: a systematic review. Adv Nutr. 2022; (2): 530–558. DOI: 10.1093/advances/nmab123

14. Sharma V, Rodionov DA, Leyn SA, Tran D, Iablokov SN, Ding H, Peterson DA, Osterman AL, Peterson SN. B-Vitamin Sharing Promotes Stability of Gut Microbial Communities. Front Microbiol. 2019; 10: 1485. DOI: 10.3389/fmicb.2019.01485

15. Wan Z., Zheng J., Zhu Z., Sang L., Zhu J., Luo S., Zhao Y., Wang R., Zhang1Y., Hao K., Chen L., Du J., Kan J., He H. Intermediate role of gut microbiota in vitamin B nutrition and its influences on human health. Front. Nutr. 2022; 9 1031502. https://doi.org/10.3389/fnut.2022.1031502

16. Hossain KS, Amarasena S, Mayengbam S. B Vitamins and Their Roles in Gut Health. Microorganisms. 2022; 10 (6):1168. https://doi.org/10.3390/microorganisms10061168

17. Walther B, Karl JP, Booth SL, Boyaval P. Menaquinones, bacteria, and the food supply: the relevance of dairy and fermented food products to vitamin K requirements. Adv Nutr. 2013; 4: 463–73. DOI: 10.3945/an.113.003855

18. Dash NR, Al Bataineh MT. Metagenomic Analysis of the Gut Microbiome Reveals Enrichment of Menaquinones (Vitamin K2) Pathway in Diabetes Mellitus. Diabetes Metab. J. 2021; 45 (1): 77–85. DOI: 10.4093/dmj.2019.0202

19. Сокольников А. А., Коденцова В. М., Сергеев И. Н., Струнин С. В., Климова О. А., Спиричев В. Б. Обмен кальция при недостаточности витаминов D и K. Вопросы питания. 1989; (1): 56–60. 19.

20. Karl JP, Meydani M, Barnett JB, Vanegas SM, Barger K, Fu X, Goldin B, Kane A, Rasmussen H, Vangay P, Knights D, Jonnalagadda SS, Saltzman E, Roberts SB, Meydani SN, Booth SL. Fecal concentrations of bacterially derived vitamin K forms are associated with gut microbiota composition but not plasma or fecal cytokine concentrations in healthy adults. Am. J. Clin. Nutr. 2017; 106 (4): 1052–1061. DOI: 10.3945/ajcn.117.155424

21. Dai L, Mafra D, Shiels PG, Hackeng TM, Stenvinkel P, Schurgers LJ. Vitamin K and Hallmarks of Ageing: Focus on Diet and Gut Microbiome. Nutrients. 2023; 15 (12): 2727. DOI: 10.3390/nu15122727

22. Hibberd M. C., Wu M., Rodionov D. A., Li X., Cheng J., Griffin N. W., Gordon, J. I. The effects of micronutrient deficiencies on bacterial species from the human gut microbiota. Sci Transl Med. 2017; 9 (390): eaal4069. DOI: 10.1126/scitranslmed.aal4069

23. Thomas R. L., Jiang L., Adams J. S., Xu Z. Z., Shen J., Janssen S., Ackermann G., Vanderschueren D., Pauwels S., Knight R., Orwoll E. S., Kado D. M. Vitamin D metabolites and the gut microbiome in older men. Nat. Commun. 2020; 11 (1): 5997. DOI: 10.1038/s41467-020-19793-8

24. Boughanem H., Ruiz-Limón P., Pilo J., Lisbona-Montañez J.M., Tinahones F. J., Moreno Indias I., Macías-González M. Linking serum vitamin D levels with gut microbiota after 1-year lifestyle intervention with Mediterranean diet in patients with obesity and metabolic syndrome: a nested cross-sectional and prospective study. Gut Microbes. 2023; 15 (2): 2249150. DOI: 10.1080/19490976.2023.2249150

25. Sukik A., Alalwani J., Ganji V. Vitamin D, Gut Microbiota, and Cardiometabolic Diseases-A Possible Three-Way Axis. Int J. Mol. Sci. 2023; 24 (2): 940. DOI: 10.3390/ijms24020940

26. Pham H., Waterhouse M., Rahman S., Baxter C., Duarte Romero B., McLeod D.S.A., Ebeling P. R., English D. R., Hartel G., O’Connell R.L., van der Pols J. C., Venn A. J., Webb P. M., Whiteman D. C., Huygens F., Neale R. E.. The effect of vitamin D supplementation on the gut microbiome in older Australians – Results from analyses of the D-Health Trial. Gut Microbes. 2023; 15 (1): 2221429. DOI: 10.1080/19490976.2023.2221429

27. Shieh A., Lee S. M., Lagishetty V., Gottleib C., Jacobs J. P., Adams J. S. Pilot Trial of Vitamin D 3 and Calcifediol in Healthy Vitamin D Deficient Adults: Does It Change the Fecal Microbiome? J. Clin. Endocrinol. Metab. 2021; 106 (12): 3464–3476. DOI: 10.1210/clinem/dgab573

28. Rocha H. R., Coelho M. C., Gomes A. M., Pintado M. E. Carotenoids Diet: Digestion, Gut Microbiota Modulation, and Inflammatory Diseases. Nutrients. 2023; 15 (10): 2265. DOI: 10.3390/nu15102265

29. Frąk M., Grenda A., Krawczyk P., Milanowski J., Kalinka E. Interactions between Dietary Micronutrients, Composition of the Microbiome and Efficacy of Immunotherapy in Cancer Patients. Cancers (Basel). 2022; 14 (22): 5577. DOI: 10.3390/cancers14225577

30. Malesza I. J., Bartkowiak-Wieczorek J., Winkler-Galicki J., Nowicka A., Dzięciołowska D., Błaszczyk M., Gajniak P., Słowińska K., Niepolski L., Walkowiak J., Mądry E. The Dark Side of Iron: The Relationship between Iron, Inflammation and Gut Microbiota in Selected Diseases Associated with Iron Deficiency Anaemia -A Narrative Review. Nutrients. 2022 Aug 24; 14 (17): 3478. DOI: 10.3390/nu14173478

31. Ellis J. L., Karl J. P., Oliverio A. M., Fu X., Soares J. W., Wolfe B. E., Hernandez C. J., Mason J. B., Booth S. L. Dietary vitamin K is remodeled by gut microbiota and influences community composition. Gut Microbes. 2021; 13 (1): 1–16. DOI: 10.1080/19490976.2021.1887721

32. Zhang Y., Liu L., Wei C., Wang X., Li R., Xu X., Zhang Y., Geng G., Dang K., Ming Z., Tao X., Xu H., Yan X., Zhang J., Hu J., Li Y. Vitamin K2 supplementation improves impaired glycemic homeostasis and insulin sensitivity for type 2 diabetes through gut microbiome and fecal metabolites. BMC Med. 2023; 21 (1): 174. DOI: 10.1186/s12916-023-02880–0

33. Pham V. T., Dold S., Rehman A., Bird J. K., Steinert, R. E. Vitamins, the gut microbiome and gastrointestinal health in humans. Nutrition Research. 2021; 95: 35–53. https://doi.org/10.1016/j.nutres.2021.09.001

34. Ferenc K., Sokal-Dembowska A., Helma K., Motyka E., Jarmakiewicz-Czaja S., Filip R. Modulation of the Gut Microbiota by Nutrition and Its Relationship to Epigenetics. Int J. Mol. Sci. 2024; 25 (2): 1228. DOI: 10.3390/ijms25021228

35. Scarpellini E., Balsiger L. M., Maurizi V., Rinninella E., Gasbarrini A., Giostra N., Santori P., Abenavoli L., Rasetti C. Zinc and gut microbiota in health and gastrointestinal disease under the COVID‑19 suggestion. Biofactors. 2022; 48 (2): 294–306. DOI: 10.1002/biof.1829

36. Skalny AV, Aschner M, Lei XG, Gritsenko VA, Santamaria A, Alekseenko SI, Prakash NT, Chang JS, Sizova EA, Chao JCJ, Aaseth J, Tinkov AA. Gut Microbiota as a Mediator of Essential and Toxic Effects of Zinc in the Intestines and Other Tissues. Int J. Mol. Sci. 2021; 22 (23): 13074. DOI: 10.3390/ijms222313074

37. Ferreira R. L.U., Sena-Evangelista K.C.M., de Azevedo E. P., Pinheiro F. I., Cobucci R. N., Pedrosa L. F.C. Selenium in Human Health and Gut Microflora: Bioavailability of Selenocompounds and Relationship With Diseases. Front Nutr. 2021; 8: 685317. DOI: 10.3389/fnut.2021.685317

38. Puga AM, Samaniego-Vaesken ML, Montero-Bravo A, Ruperto M, Partearroyo T, Varela-Moreiras G. Iron Supplementation at the Crossroads of Nutrition and Gut Microbiota: The State of the Art. Nutrients. 2022; 14 (9): 1926. DOI: 10.3390/nu14091926.

39. Shearer J., Shah S., MacInnis M.J., Shen-Tu G., Mu C. Dose-Responsive Effects of Iron Supplementation on the Gut Microbiota in Middle-Aged Women. Nutrients. 2024; 16 (6): 786. DOI: 10.3390/nu16060786

40. Varvara RA, Vodnar DC. Probiotic-driven advancement: Exploring the intricacies of mineral absorption in the human body. Food Chem X. 2023; 21: 101067. DOI: 10.1016/j.fochx.2023.101067

41. Погожева А. В., Коденцова В. М., Шарафетдинов Х. Х. Роль магния и калия в профилактическом и лечебном питании. Вопросы питания. 2022. Т. 91, № 5. С. 29–42. DOI: https://doi.org/10.33029/0042-8833-2022-91-5-29-42

42. Nath A., Molnár M.A, Csighy A., Kőszegi K., Galambos I, Huszár K.P, Koris A., Vatai G. Biological activities of lactose-based prebiotics and symbiosis with probiotics on controlling osteoporosis, blood-lipid and glucose levels. Medicina (Lithuania). 2018; 54 (6): 1–28. DOI: 10.3390/medicina54060098

43. Shortt C., Hasselwander O., Meynier A., Nauta A., Fernández E. N., Putz P., Antoine J. M. Systematic review of the effects of the intestinal microbiota on selected nutrients and non-nutrients. Eur. J. Nutr. 2018; 57 (1): 25–49. DOI: 10.1007/s00394–017-1546-4

44. Basavaiah R., Gurudutt P. S. Prebiotic carbohydrates for therapeutics. Endocr. Metab. Immune Disord. Drug Targets. 2021; 21: 230–245. DOI: 10.2174/1871530320666200929140522

45. Zakrzewska Z., Zawartka A., Schab M., Martyniak A., Skoczeń S., Tomasik P. J. et al. Prebiotics, Probiotics, and Postbiotics in the Prevention and Treatment of Anemia. Microorganisms. 2022; 10: 1330. DOI: 10.3390/microorganisms10071330

46. González A., Gálvez N., Martín J., Reyes F., Pérez-Victoria I., Dominguez-Vera J. M. Identification of the Key Excreted Molecule by Lactobacillus Fermentum Related to Host Iron Absorption. Food Chem. 2017; 228: 374–380. DOI: 10.1016/j.foodchem.2017.02.008

47. Whisner C. M., Castillo L. F. Prebiotics, bone and mineral metabolism. Calcif Tissue Int. 2018; 102 (4): 443–479. DOI: 10.1007/s00223-017-0339-3

48. Czajeczny D., Kabzinska-Milewska K., Wójciak R. W. Bifidobacterium lactis BS 01 and Lactobacillus acidophilus LA02 supplementation may change the mineral balance in healthy young women. J. Elem. 2021; 26 (4): 849–859. DOI: 10.5601/jelem.2021.26.1.2121

49. Seijo M., Bonanno M. N., Bryk G., Zeni Coronel M. E., Pita Martin de Portela M. L., Zeni S. N. Does vitamin D insufficiency influence prebiotic effect on calcium absorption and bone retention? Calcif Tissue Int. 2022; 111 (3): 300–312. DOI: 10.1007/s00223-022-00984-y

50. Zemanova N., Omelka R., Mondockova V., Kovacova V., Martiniakova M. Roles of gut microbiome in bone homeostasis and its relationship with bone-related diseases. Biology (Basel). 2022; 11 (10): 1402. DOI: 10.3390/biology11101402

51. Legette L. L., Lee W., Martin B. R., Story J. A., Campbell J. K., Weaver C. M. Prebiotics enhance magnesium absorption and inulin-based fibers exert chronic effects on calcium utilization in a postmenopausal rodent model. J. Food Sci. 2012; 77 (4): H88–94. DOI: 10.1111/j.1750–3841.2011.02612.x

52. Bonetti G., Herbst K. L., Donato K., Dhuli K., Kiani A. K., Aquilanti B., et al. Dietary supplements for obesity. J. Prev. Med. Hyg. 2022; 63(2 Suppl 3): E 160–E 168. DOI: 10.15167/2421–4248/jpmh2022.63.2S 3.2757

53. Бекетова Н. А., Коденцова В. М., Леоненко С. Н., Кошелева О.В, Вржесинская О. А., Сото С. Х., Сокольников А. А., Шевякова Л. В., Жилинская Н. В. Влияние обогащения рациона крыс инулином на усвоение некоторых витаминов и минеральных веществ. Микроэлементы в медицине. 2021; 22 (3): 47–57. DOI: 10.19112/2413-6174-2021-22-3-47-57 Beketova N. A., Kodentsova V. M., Leonenko S. N., Kosheleva O. V., Vrzhesinskaya O. A., Soto S. Kh., Sokolnikov A. A., Shevyakova L. V., Zhilinskaya N.V/ Influence of enrichment of the rat diet with inulin on the assimilation of certain vitamins and minerals. Mikroelementy v meditsine = Microelements in medicine. 2021; 22 (3): 47–57. DOI: 10.19112/2413-6174-2021-22-3-47-57

54. Коденцова В. М., Леоненко С. Н., Бекетова Н. А., Кошелева О. В., Вржесинская О. А., Сокольников А. А. и др. Инулин как компонент обогащенных пищевых продуктов: влияние на микронутриентный статус организма. Вопросы биологической, медицинской и фармацевтической химии. 2022; (3): 34–42 DOI: https://doi.org/10.29296/25877313-2022-03-05

55. Pandey K. R., Naik S. R., Vakil B. V. Probiotics, prebiotics and synbiotics – A review. J. Food Sci. Technol. 2015; 52: 7577–7587. DOI: 10.1007/s13197-015-1921-1

56. Culp E. J., Goodman A. L. Cross-feeding in the gut microbiome: Ecology and mechanisms. Cell. Host. Microbe. 2023; 31 (4): 485–499. DOI: 10.1016/j.chom.2023.03.016

57. Грабеклис В. В., Делюкина О. В., Савко С. А. Взаимодействие эссенциальных элементов и кишечной микробиоты: обзор литературы. Микроэлементы в медицине. 2023; 24 (3): 12–21. DOI: 10.19112/2413-6174-2023-24-3-12-21