Gut microbiota, carotid atherosclerosis and ischemic stroke
Prosjekt
- Prosjektnummer
- 2016077
- Ansvarlig person
- Mona Skjelland
- Institusjon
- Oslo universitetssykehus HF
- Prosjektkategori
- Postdoktorstipend
- Helsekategori
- Neurological
- Forskningsaktivitet
- 4. Detection and Diagnosis
Rapporter
In this study we found patients with symptomatisk carotid atherosclerosis to have higher levels of artificial sweeteners in serum compared to asymptomatic controls. We hypothesize that artificial sweeteners through the effect on gut microbiota increase inflammation and caotid plaque instability giving and increased risk of cardiovascular disease.Health effects of non-sugar sweeteners (NSSs) are unclear with conflicting results in published reports. Large observational studies have shown artificial sweetened beverages (ASB) to be associated with stroke, cardiovascular events and all-cause mortality, whereas other studies have shown an association between coronary heart disease (CHD) and sweetened beverages, but not ASB. The evidence of possible links between intake of NSSs and carotid atherosclerosis and related stroke is scarce.
The NSSs acesulfame K and saccharin are approved for dietary consumption and current evidence supports safety. Acesulfame K is almost completely absorbed and excreted within 24 h in the kidneys . For saccharin, up to 95% is absorbed and excreted in urine and the rest in feces, with rapid elimination during the first 10 h, followed by a slower eliminated fraction that may affect the gut microbiota.
Atherosclerosis is a chronic inflammatory disease, potentially linked to disturbed gut microbiota. One could hypothesize a potential role of NSS-disrupted gut microbiota in eliciting inflammation and plaque instability. The main aim of this pilot study was to investigate if there is an association between NSSs and symptomatic carotid atherosclerosis. Plasma levels of NSSs were measured in patients with symptomatic and asymptomatic carotid atherosclerosis and in healthy control subjects without carotid atherosclerosis. Levels were correlated to cardiovascular risk factors, dietary intake of sugars and snacks, and gut microbiota composition and their derived metabolites short-chain fatty acids (SCFAs). We found that symptomatic patients had higher levels of acesulfame K and saccharin compared to controls. Acesulfame K was also associated with increased leukocyte count. Saccharin was associated with more severe carotid stenosis, as well as lower fecal butyric acid. The findings from this explorative pilot study needs to be confirmed in larger studies that also include validation cohorts, investigating links between NSSs and plaque instability.
Scand Cardiovasc J. 2023 Dec;57(1):2205068
NEI
Tildelingen har gjort det mulig å gjennomføre prosjektet som beskrevet, i tillegg til at det har vokst frem flere prosjekter og utvidet samarbeid md flere grupper innenfor feltet. Vi har beskrevet deler av prosjektet som doktorgradsutdanning der Kristine Stø er ansatt og per dags dato har en publisert og en innsendt artikkel.
1) Sci Rep. 2022; 12: 22378. PMID: 36572703. Fecal level of butyric acid, a microbiome-derived metabolite, is increased in patients with severe carotid atherosclerosis. Kristine Stø,1,2 Jørgen Valeur,3 Thor Ueland,1,4 Gunn Helen Malmstrøm,3 Vigdis Bjerkeli,1 Marius Trøseid,1,4,5 Johannes R. Hov,1,4,6,7 Kristian Holm,1,4,7 Beate Vestad,4,7 Bente Halvorsen,1,4 Mona Skjelland,1,2 and Karolina R. Skagen2.
2) Increased plasma levels of non-sugar sweeteners in patients with symptomatic carotid atherosclerosis. Kristine Stø,1,2, Karolina R. Skagen, Jørgen Valeur,3 Thor Ueland,1,4 Gunn Helen Malmstrøm,3 Vigdis Bjerkeli,1 Marius Trøseid,1,4,5 Johannes R. Hov,1,4,6,7 Kristian Holm,1,4,7 Beate Vestad,4,7 Bente Halvorsen,1,4 Mona Skjelland,1,2.
En tredje artikkel er under arbeid og prosjektet estimeres fullført i 2023.
Tildelingen har gjort det mulig å bygge opp relevant forskningsnettverk med tanke på videre forskning på mikrobiota og hjerneslag og jobber videre i dette feltet.
Tildelingen har gitt flere relevante svar på tarmbakterier og risiko for hjerneslag. I første artikkel finner iv sammenheng mellom tarmbakterier og aterosklerose (åreforkalkning) og i andre artikkel sammenheng mellom kunstig søtning og kardiovaskulær sykdom. Begge dissfunnene ønsker vi å se videre på.-
NEI
I rapporteringsåret er det jobbet med 3 artikler:
1) Microbiota metabolites are increased in patients with carotid atherosclerosis
2) Increased fecal butyrate in patients with carotid atherosclerosis
3) Plasma levels of the non-sugar sweeteners acesulfame K and saccharin are increased in patients with symptomatic carotid atherosclerosisArtiklene over planlegges innsendt for publikasjon ila 2-3 mnd. For artikkel 1 og 2 er dette en utsettelse på 6-8 mnd med følgende årsaker: 1)Covid-utsettelser av forskningsrelatert virksomhet og 2) redusert arbeidskapasitet hos stipendiaten på prosjektet som har gått ned i 20 % forskningsstilling 3) og noen ekstra analyser-markører på tarm lekkasje er analysert og lagt til i analysene som nevnt i forrige årsrapport. For artikkel 1 og 2 henvises forøvrig til forrige fremdriftsrapport.
Ide til artikkel 3 kom som følge av funn ved analyser og artikkelen er under utforming.
I artikkel 3 finner vi at pasientene som fikk symptomer fra plakk i halskar med hjerneslag eller drypp hadde inntatt mer kunstig sukker og hadde målbart høyere nivå at kunstig søtningsstoffer i blod. Vi planlegger ut fra denne artikkelen og en oppfølgingsstudie der vi undersøker på potensielle mekanismer bak dette funnet ytterligere.
NEI
To hovedstudier utgår fra innsamlet materiale der antall pasienter er 512;
1) Microbiota metabolites (TMAO) is increased in patients with ischemic stroke.
2) Circulating short-chain fatty acids are associated with ischemic stroke in patients with carotid atherosclerosis.Begge artiklene med tittel overnfor er i manuskript med forventet innsendelse/publikasjon før 1.juli 2021.
1) Serum levels of microbiota metabolites (TMAO) are increased in patients with ischemic stroke. Her gjenstår siste subgruppeanalyser og kvalitetsjekk av beregninger med statistiker. Dette er et spennende materiale der vi med utgangspunkt i vårt tidligere publiserte funn på at forhøyede nivå av nedbrytingsprodukter fra mikrobiota gir økt mortalitet hos pasienter med aterosklerose i halskar. I dette aktuelle arbeidet vurderer vi sammenhengen mellom symptomer på hjerneslag/TIA metabolitt nivå i serum. Planlagt innsendelse for publikasjon vår 2021.
2) Circulating short-chain fatty acids are associated with ischemic stroke in patients with carotid atherosclerosis. Vi ser på korte fettsyrer og sammenhengen mellom aterosklerose in halskar og symptomer. Her vurderer vi nå å legge til en analyse med markør på tarmpermiabilitet. Dette arbeidet er i analysefasen, der vi gjør statistiske beregninger. Dersom vi ikke legger til ytterligere analyser er estimert innsendelse for publikasjon vår 2021, med nye analyser, høst 2021.
NEI
Prosjektet undersøker om pasienter med aterosklerose har økte nivå av tarmbakteriemetabolitter i blod og om dette gir økt risiko for hjerneslag.Sammenhengen mellom mikrobiota metabolitter i blod samt mikrobiota i tarm og munnhule, og aterosklerose i halspulsåren og risiko for iskemisk hjerneslag undersøkes. I tillegg ser vi på om disse metabolittene er diett-avhengig og forbundet med ulike typer mikrobiota. Prosjektet er godt i gang og inklusjon av pasienter og kontroller var ferdig i løpet av 2019 og vi har nå resultater fra >500 analyserte blodprøver som vi analyserer og sammenholder med de andre undersøkelsene. Analysene av blodprøver for hovedprosjektet og delprosjektene er også ferdig og vi tolker resultatene. Innsendelse av hovedartikkelen er estimert ila våren.
NEI
Vi kjenner mange risikofaktorer for utvikling av aterosklerose. Formålet med denne studien er å identifisere "ukjente" aterosklerosefremmende stoffer i blod, avføring, munnhule og karotisplakk (aterosklerotisk materiale). Dette vil senere kunne gi mulighet for bedre forebygging og behandling av aterosklerose og hjerneslag.En rekke ulike faktorer bidrar til utvikling av åreforkalkning (aterosklerose) som kan gi hjerneslag. Tradisjonelle risikofaktorer innebærer sigarettrøyk, høyt blodtrykk, høyt kolesterol, overvekt og diabetes. Studier har vist at tarmbakterienes nedbrytning av bestanddeler i kosten kan føre til dannelse av stoffer som bidrar til utvikling av aterosklerose. Det samme gjelder bakterier fra munnhulen. Formålet med denne studien er å identifisere slike aterosklerosefremmende stoffer i blod, avføring, munnhule og karotisplakk (aterosklerotisk materiale). Dette vil senere kunne gi mulighet for bedre forebygging og behandling av hjerneslag.
Alle pasienter over 18 år med over 50% innsnevring på halspulsårene på grunn av aterosklerose, med eller uten gjennomgått hjerneslag eller ‘drypp’, vil bli vurdert for deltakelse. Friske personer vil bli spurt om å delta i en kontrollgruppe.
Vi ønsker å samle karotisplakket som tas ut ved operasjon, samt blodprøver, avføringsprøve, bakterieprøve fra munnhulen, samt gjennomgå et kostholdsskjema. Prøvene kan samles under innleggelsen på sykehuset. Avføringsprøven kan eventuelt sendes i etterkant.
Vi har i 2018 samlet inn materiale og inkludert 50 pasienter og 48 kontroller. Etter at vi nå har kontrollene på plass analyserer vi prøver og gjennomfører study 1 ihht protokoll (planlagt analyse av prøver er ila februar 2019) og publikasjon av resultater før juni 2019. Vi fortsetter innsamlingen av materiale til study 2 og 3 ihht protokoll.
I tillegg har vi ut fra ny funn på dette feltet planlagt ytterligere analyser på dette materiale som vi tror vil gi ny kunnskap. Vi planlegger å søke driftsmidler til analyse av disse prøvene ved første mulighet ila 2019.
NEI
Inklusjon av pasienter og kontroller er i gang. I tillegg til plan i protokollen har vi fått etisk godkjenning for innsamling av spytt for å vurdere bakteriesammensetningen i spytt i forhold til ateroskleroseutvikling. Abstrakt fra denne pågående studien ble presentert som poster på nasjonal mikrobiota kongress i november 2017.Opp mot tredve prosent av alle hjerneslag er forårsaket av blodpropp fra plakk i halsarterien. Studier har vist at denne typen hjerneslag kan unngås ved kirurgisk fjerning av plakket. Seleksjonen av pasienter til denne typen kirurgi er i dag basert på graden av lumenavsmalning i blodåren. Det er imidlertid klart at pasienter med liten grad av lumenavsmalning som ikke kvalifiserer for kirurgi basert på dagens retningslinjer likevel får hjerneinfarkt, og på den andre siden at flere pasienter med stor grad av lumenavsmalning aldri får plager. Det har i senere år blitt klart at graden av lumenavsmalning alene ikke er beste kriterium for å vurdere risiko for hjerneinfarkt, og at det betennelsesinnhold i plakket er vel så viktig. Kunnskap om hva som gir plakk høyt inflammatorisk innhold og gjør det ustabilt og utsatt for å embolisere mangler.
Inflammasjon er også antatt årsak til akselerert aterosklerose og økt risiko for kardiovaskulær sykdom hos pasienter med kronisk inflammatorisk sykdom. Påvirkningen av diett på utviklingen av aterosklerose er godt etablert og kostholdsråd blir gitt til pasienter basert på at risiko faktorer i diett direkte tas opp i tarmen, og dernest har negative effekt på blodårer. På basis av dette har flere offentlige helsekampanjer fokusert på reduksjon av kolesterol i mat. Diett er likevel ikke en uavhengig risikofaktor for aterosklerose og effekten av diettendringer hos pasienter med risiko for kardiovsulær sykdom er variabel. Neglisjert innenfor dette feltet inntil nå er rollen spilt av tarmens mikroorganismer i metabolismen av mat, og de potensielle konsekvensene disse får for metabolisme og sykdom hos verten. Bakteriflora i munnhule og tarm kan påvirke biotilgjengeligheten av matinnhold og metabolismen av dette hos mennesker. Pasienter med symptomatisk carotisstenose er blant annet funnet å ha høyere frekvens av tannsykdommer og flere studier har påvist tannpatogener i aterosklerotiske lesjoner. Mikrobiota i munnhule og tarm har ikke bare vært vist forbundet med pasienters inflammatoriske status, men det er også vist at pasienter med symptomatisk aterosklerose har karakteristiske forandringer i tarm metagenomet sitt.
Dette representerer en ny dimensjon innenfor ateroskleroseforskning som er i rask utvikling. Nye studier har vist en mekanistisk link mellom tarm mikrobiota metabolisme, carnitin og choline fra mat og coronar sykdom gjennom produksjon av en kjent pro-aterosklerotisk metabolitt trimethylamine-N-oxide (TMAO). Tarm mikrobiotaen utgjør et metabolsk aktivt organ som er forbundet med tradisjonelle, påvirkbare risikofaktorer for kardiovaskulær sykdom som diabetes, hyperlipidemi og fedme. Hver person har en distinkt og høyst variable mikrobiota, mens kjernebakteriene er felles for ulike individer. I en nylig publisert studie fra vår forskningsgruppe viste vi at økte nivåer av γBB, some er en metabolitt som blir omdannet til TMAO via carnitine, kunne predikere vaskulær død for pasienter med aterosklerose i carotis. Dette var den første studien som demonstrerte denne sammenhengen hos mennesker. Byggesteiner i mat og mikrobiota i tarm og munnhule kan i fremtiden være nye mål for å forhindre og å behandle hjerneslag.
NEI
Prosjektstart er utsatt til 07.04.17 fordi lege ph.d Karolina Skagen som skal lede prosjektet er i foreldrepermisjon frem til den dato. Dette er godkjent av HSØ RHF (brev 11.10.16).Prosjektstart 07.04.17.
Vi viser foreløpig til protokoll (dette etter avtale med Randi Vad, HSØ 08.02.17).
The influence of diet on development of atherosclerosis and cardiovascular risk is well-established,
and dietary advice has been given to at risk patients based on the belief that dietary risk factors
are directly absorbed from the gut, to exert their adverse vascular effects. On this basis, past and
present health promotion campaigns and dietary advice has focused on the reduction of low
cholesterol foods. Diet however is not an independent risk factor for atherosclerosis and effect on
stroke risk in patients who make dietary change is variable. What has been neglected until
recently is the role of commensal intestinal microorganisms in the metabolism of food stuffs, and
their potential consequences for host metabolism and disease pathogenesis. Gut flora can
significantly influence the bioavailability of dietary consitutents and their metabolism in the
mammalian host. The gut microbiota has not only been found to be associated with the
inflammatory status of patients, but it has also been shown that patients with symptomatic
atherosclerosis harbor characteristic changes in the gut metagenome14, 16.
This has added a new dimension to atherosclerosis research, which is rapidly expanding. Recent
studies have shown a mechanistic link between intestinal microbiota metabolism if dietary carnitin
and cholin and coronary artery disease through the production of the proatherosclerotic
metabolite trimethylamine-N-oxide (TMAO)17, 18. The gut microbiota, i.e. the microbial inhabitants
of the gastrointestinal tract dominated by bacteria, is a metabolically highly active human organ,
which has been linked to traditional, modifiable risk factors for cardiovascular disease, like
diabetes19, hyperlipidemia 20and obesity21. Each person has a distinct and highly variable
microbiota, but a core gut microbiota are shared among individuals. TMAO promotes
atherosclerosis in part by enhancing the accumulation of cholesterol in foam cells, and elevated
TMAO levels predict myocardial infarction, stroke and all cause mortality17, 22. TMAO has been
proposed to be produced through dietary intake of carnitine (red meat) or phosphatidylcholine
(egg yolk, soyabean) second by conversion to trimetylamine (TMA) by the intestinal microbiota,
and third by oxidation from flavin-containing monooxygenases (FMOs) in the liver.
Nutrient precursors and gut microbiota may in the future
serve as new targets for the prevention and treatment of ischemic stroke.
Hypothesis of this Project is: Raised serum levels of gut microbiota dependant metabolites (ƒÁBB and TMAO) are
associated with development of atherosclerotic carotid plaque, and can be used to predict
ischemic stroke/cardiovascular disease and mortality. The plasma levels are correlated to
carnitin] and cholin]rich diets and gut microbiota (analysed in stool). This project aims to
use translational research approach deomstrating an association between gut microbiota
metabolites in blood and stool to carotid atherosclerosis and risk of ischemic stroke.
The project is a prospective, case-control study using a multi-disciplinary, translational research
approach. All patients >18 years with an atherosclerotic carotid stenosis = 50% admitting our department
(Dep of Neurology, Rikshospitalet, OUS) as in-patient or out-patient will consecutively be
considered for inclusion. This project is a part of an ongoing prospective study with a planned
follow-up of 10 years with estimated inclusion rate of 100 patients annually.
The methods included in this protocol are well established in international research and demands
multi-disciplinary, translational research approach. Unique for this project is the combination of
these methods including the new dimension in atherosclerosis research- the gut microbiota.
Deltagere
- Karolina Ryeng Skagen Postdoktorstipendiat (finansiert av denne bevilgning)
- Mona Elisabet Skjelland Hovedveileder
- Kristine Stø Prosjektdeltaker
- Mona Skjelland Hovedveileder
eRapport er utarbeidet av Sølvi Lerfald og Reidar Thorstensen, Regionalt kompetansesenter for klinisk forskning, Helse Vest RHF, og videreutvikles av de fire RHF-ene i fellesskap, med støtte fra Helse Vest IKT
Alle henvendelser rettes til eRapport