Interrelations between microbiota, metabolism and low-grade inflammation with obesity and gestational diabetes mellitus: Means to intervene during pregnancy

Abstract

ABSTRACT

Pregnant women with overweight and obesity may exhibit altered circulating lowgrade inflammatory and metabolic profile and gut and vaginal microbiota which may contribute to the development of gestational diabetes mellitus (GDM). These are further exaggerated in obesity. In this thesis, the aim was to investigate the interaction of low-grade inflammation, metabolism and gut and vaginal microbiota in pregnant women with obesity and overweight and whether these are related to the onset of GDM. Further, the effect of dietary intervention with fish oil and/or probiotics on these factors were studied.

The study involved pregnant women with overweight and obesity (n = 99–434) in early and late pregnancy. Blood, faecal and vaginal samples were analysed for low-grade inflammatory and metabolic markers (metabolites, phosphorylated insulin-like growth factor binding-protein 1 (phIGFBP-1), IGFBP-1, active matrix metalloproteinase 8 (aMMP-8) and fatty acids) and gut and vaginal microbiota and vaginal aMMP-8, respectively. The women were randomised into four intervention groups (fish oil+placebo, probiotics+placebo, fish oil+probiotics, placebo+placebo) from early pregnancy onwards. The fish oil capsules contained 2.4 g of n-3 longchain polyunsaturated fatty acids (n-3 LC-PUFAs): 1.9 g docosahexaenoic acid, 0.22 g eicopentaenoic acid, and the remaining amount other n-3 fatty acids and probiotics Lacticaseibacillus rhamnosus HN001 and Bifidobacterium animalis ssp. lactis 420, each with 1010 colony-forming units per capsule.

In early pregnancy, the pregnant women with obesity had higher level of lowgrade inflammatory markers and distinct metabolic profile and gut microbiota as compared to the women with overweight. Low serum phIGFBP-1, IGFBP-1 and high serum n-3 LC-PUFAs in early pregnancy were related to the onset of GDM. Some vaginal bacterial genera and species were related to GDM. The fish oil and/or probiotics intervention did not influence low-grade inflammation, serum phIGFBP-1, IGFBP-1 or serum/vaginal aMMP-8 but it reduced the relative abundance of some bacterial genera and species, namely fish oil reduced Ureaplasma urealyticum, probiotics Ureaplasma, U. urealyticum and Prevotella disiens, fish oil+probiotics Dialister invisus and P. timonensis, in vagina and increased serum n-3 LC-PUFAs.

In conclusion, obesity alters inflammatory and metabolic profile and gut microbiota in pregnant women. Serum phIGFBP-1, IGFBP-1 and serum n-3 LCPUFAs as well as vaginal microbiota in early pregnancy were related to the onset of GDM. The fish oil and/or probiotics resulted lower relative abundance of potential pathobionts in vagina.

KEYWORDS: overweight, obesity, pregnancy, low-grade inflammation, metabolism, gut microbiota, vaginal microbiota, fatty acids

TIIVISTELMÄ

Ylipaino ja lihavuus voivat nostaa veren matala-asteisen tulehduksen merkkiaineita ja johtaa aineenvaihdunnan epätasapainoon ja muuttaa mikrobistoa. Raskauden aikana nämä muutokset voivat aiheuttaa raskausdiabetesta. Tässä väitöskirjassa oli tavoitteena tutkia matala-asteisen tulehduksen, aineenvaihdunnan ja mikrobiston yhteyksiä keskenään sekä niiden yhteyttä raskausdiabeteksen puhkeamiseen ylipainoisilla sekä lihavilla raskaana olevilla naisilla. Lisäksi, tavoitteena oli tutkia kalaöljyn ja/tai probioottien vaikutusta näihin kolmeen eri tekijään.

Tutkimukseen osallistui ylipainoisia ja lihavia raskaana olevia naisia (n = 99–434) alku- ja loppuraskaudessa. Verinäytteistä analysoitiin matala-asteisen tulehduksen ja aineenvaihdunnan (aineenvaihdunnallinen profiili ja fosforyloitu insuliinin kaltaista kasvutekijää sitova proteiini 1 (phIGFBP-1), IGFBP-1 ja aktiivinen matriksin metalloproteinaasi 8 (aMMP-8) sekä rasvahappoja) merkkiaineita ja uloste- ja emätinnäytteistä mikrobiston koostumus. Tutkittavat satunnaistettiin neljään interventioryhmään (kalaöljy+lume, probiootit+lume, kalaöljy+probiootit, lume+lume) alkuraskaudessa. Kalaöjykapselit sisälsivät 2.4 g n‑3 pitkäketjuisia monityydyttyneitä rasvahappoja (n-3 LC-PUFA) (1.9 g dokosaheksaeenihappoa ja 0.22 g eikosapentaeenihappoa) ja probioottikapselit Lacticaseibacillus rhamnosus HN001 ja Bifidobacterium animalis ssp. lactis 420 ‑kantojen bakteereja (1010 pesäkkeen muodostavaa yksikköä/kanta).

Matala-asteinen tulehduksen ja monien rasva-aineenvaihdunnan merkkiaineiden tasot veressä sekä suoliston Prevotellacaea-bakteerin suhteellinen osuus olivat korkeammat lihavilla verrattuna ylipainoisiin naisiin alkuraskaudessa. Loppuraskaudessa raskausdiabetekseen sairastuneiden naisten veren phIGFBP-1- ja IGFBP-1-tasot sekä emättimen eräiden bakteerien osuudet olivat matalammat ja veren n-3 LC-PUFA-tasot korkeammat alkuraskaudessa verrattuna naisiin, jotka eivät sairastuneet raskausdiabetekseen. Interventio vähensi emättimen Ureaplasma‑, Prevotella- ja Dialister-suvun bakteereja ja nosti n-3 LC-PUFA-tasoja veressä.

Lihavuus voi muuttaa matala-asteista tulehdusta ja aineenvaihduntaa sekä mikrobistoa. Matalat phGFBP-1 ja IGFBP-1-tasot sekä muuttuneet n-3 LC-PUFAtasot olivat yhteydessä raskausdiabetekseen. Kalaöljy ja/tai probiootit laskivat mahdollisesti haitallisten bakteerien määrää emättimessä.

AVAINSANAT: ylipaino, lihavuus, raskaus, matala-asteinen tulehdus, aineenvaihdunta, suoliston mikrobisto, emättimen mikrobisto, rasvahapot