Crijevna flora: dobiti više energije iz manje hrane

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-16 15:59

Pregledom žene sa tegobama na uporni proljev i akutni bol u trbuhu utvrđena je akutna upala debelog crijeva uzrokovana klostridijom. S obzirom na otpornost bakterija na antibiotike, pacijentu je ponuđena eksperimentalna, ali efikasna metoda terapije - transplantacija mikrobiote donora (crijevne mikroflore).

Nakon unošenja 600 ml suspenzije donorskog izmeta u crijeva pacijenta, recidivi bolesti se više nisu opažali - mikrobiota donatora uspješno je istisnula patogen i zauzela njegove niše. Međutim, godinu dana kasnije žena se požalila doktoru na naglo povećanje telesne težine, dok je čitavog života pre transplantacije imala normalnu i stabilnu telesnu težinu. Od trenutka zahvata povećanje je iznosilo 15 kg, a ukupna tjelesna težina dostigla je 77 kg uz visinu od 155 cm. Unatoč kondiciji i ishrani, težina pacijenta ubrzo je premašila 80 kg. Doktor je napomenuo da generalno zdrav donor ima i višak kilograma i dopustio mogućnost "kontaminacije" gojaznosti kroz mikrobiotu. Na prvi pogled, takva hrabra pretpostavka ima čvrstu bazu dokaza. U ovom članku govorit ću o učinku mikrobiote na probavu i zašto se njena raznolikost vrsta smanjuje, a ujednačenost povećava rizik od pretilosti.

glagolas.

Uvod

Vjerojatnost nasljeđivanja gojaznosti dostiže 80%, ali individualne razlike u nuklearnom genomu čine manje od 2% varijabilnosti tjelesne težine u populaciji. Osim toga, nuklearni genom se prenosi na dijete gotovo podjednako od svakog roditelja, ali djeca nasljeđuju gojaznost sa značajno većom učestalošću od svojih majki. Ovaj fenomen se često objašnjava utjecajem na metabolizam mitohondrija, koji imaju svoju DNK i kojih nema u glavi sperme, pa mitohondrijski genom embrion nasljeđuje samo iz jajne stanice majke. Međutim, rezultati studije mitohondrijalnog genoma objašnjavaju još manji broj slučajeva nasljeđivanja gojaznosti. Dakle, ako je naslijeđe ove bolesti samo djelimično posredovano nuklearnim i mitohondrijalnim genomima, onda se možda pretilost na djecu prenosi uglavnom preko trećeg ljudskog genoma – mikrobioma (skup gena mikrobiote), koji je također naslijeđen od majka?

Nasljeđivanje i varijabilnost mikrobioma

Intrauterini razvoj prati apsolutni sterilitet fetusa, koji prvi put dobija mikrobiotu, prevazilazeći porođajni kanal tokom prirodnog porođaja. Stoga, prirodno rođene bebe imaju raznovrsniju mikrobiotu od onih izvađenih carskim rezom. Također, studije su pokazale da djeca rođena carskim rezom imaju veći rizik od gojaznosti. Ipak, sastav mikrobiote kod ove djece se postepeno normalizuje u uslovima dojenja, čime se osigurava dominacija bifidobakterija i laktobacila, koji suzbijaju populacije oportunističkih bakterioida i klostridija. Prirodno rođenje i dojenje čine okosnicu mikrobiote, koja obično traje doživotno. Dalje obogaćivanje mikrobiote drugim vrstama bakterija ovisi o načinu života.

Tako je, na primjer, posjeta vrtiću značajan i samostalan faktor u povećanju raznolikosti vrsta mikrobiote. S druge strane, široka upotreba antibiotika i antiseptika, kao i strogi sanitarni i higijenski standardi, smanjuju razmjenu mikrobiote među ljudima i njenu raznolikost (više o djelovanju antibiotika na mikrobiotu i loš zadah pročitajte ovdje). Dakle, možemo govoriti o heritabilnosti i varijabilnosti mikrobioma.

Struktura mikrobiote

S godinama, broj bakterijskih stanica u crijevima postupno dostiže 100 triliona, što premašuje broj vlastitih stanica tijela kod odrasle osobe za 10 puta. Istovremeno, zbog male veličine bakterija, cijela mikrobiota teži do 2 kg i stane u debelo crijevo.

Oko 60% sadržaja rektuma čine mikroorganizmi, čije kolonije rastu na vlaknima biljne hrane (celuloze), koristeći ih kao hranu i kostur, stvarajući tako grudastu konzistenciju izmeta. Unatoč značajnom broju bakterija, njihovu interakciju s ljudskim tijelom naučnici su dugo razmatrali striktno u okviru komenzalizma, u kojem mikroorganizam ima koristi od odnosa, a makroorganizam ne prima ni korist ni štetu. Međutim, razvojem metoda genotipizacije, koncept mikrobiote se značajno promijenio.

Utvrđeno je da raznolikost vrsta mikrobiote dostiže 300-700 vrsta mikroorganizama, a njihov ukupan genom se sastoji od 10 miliona gena, što je 300 puta veće od ljudskog genoma. Ovakvo zbrajanje gena mikrobioma i poređenje njihovog broja sa onim kod ljudi nije ovde samo krilatica. Mnogi bakterijski geni funkcionalno nadopunjuju ljudski nuklearni genom, a interakcija među vrstama mikroorganizama je toliko bliska da neke vrste doslovno ne mogu živjeti jedna bez druge. Nedavna otkrića u ovom pravcu omogućila su da se govori o obostrano korisnom odnosu čovjeka i mikrobiote, a ukupnost njegovih gena naziva se mikrobiom ili treći ljudski genom. Za ilustraciju dat ću konkretan primjer.

Fiziologija mikrobiote

Biljnom hranom konzumiramo polimere fruktoze (fruktane) koje nemamo vlastitih enzima da ih razgradimo u jednostavne šećere. Netretirani fruktani se ne apsorbiraju, a njihovo nakupljanje u crijevima izaziva teške poremećaje, a u usnoj šupljini ih koriste karijesne bakterije za pričvršćivanje za zubnu caklinu. Pomažu nam bifidobakterije i laktobacili, koji imaju enzimske gene za cijepanje fruktana na laktat i acetat. Ovi metaboliti stvaraju kiselije uslove koji smanjuju proliferaciju oportunističkih bakterija koje su osjetljive na kiselinu i izazivaju dijareju. Osim toga, laktat i acetat kao izvor energije koriste druge vrste prijateljske mikroflore, koje proizvode butirat - glavni izvor energije za epitelne stanice crijeva i inhibitor prodiranja intracelularnih patogena u njih, a ovaj spoj također smanjuje rizik od razvoj ulceroznog kolitisa i raka debelog crijeva. Dakle, samo nekoliko vrsta bakterija sintetizira ljekovitu tvar iz sastojaka hrane opasnih za tijelo i, štiteći svoju nišu od konkurencije, kao bonus za osobu, suzbijaju rast patogena u njegovim crijevima! Sada zamislite kako se desetine i stotine vrsta mikroorganizama spajaju u duže i razgranate metaboličke lance koji proizvode esencijalne aminokiseline, vitamine i druge metabolite, modulirajući tako probavu, imunitet, pa čak i naše ponašanje, uključujući hranu.

Mikrobiota i gojaznost

Značajan uticaj mikrobiote na gojaznost prvi put je dokazan kod potpuno lišenih mikroorganizama i uzgojenih u sterilnim uslovima. Tipično, sterilni miševi obično imaju 42% manje masnog tkiva od uporedivih miševa sa mikroflorom. U isto vrijeme, tanji sterilni miševi konzumiraju 29% više hrane od svojih potpunijih kolega s mikroflorom. Istraživači su prenijeli mikrofloru sa normalnih na sterilne miševe i primijetili povećanje masnog tkiva za 57% u roku od dvije sedmice, uprkos smanjenju unosa hrane za 27%!

Autori su zaključili da mikroflora pomaže da se izvuče više energije iz manje hrane. Istovremeno, energetska efikasnost probave sa mikroflorom raste toliko da se rezultirajući višak kalorija pohranjuje u masnom tkivu.

Rezultati dobiveni u ovoj studiji posljedica su male raznolikosti glikozidaza koje samostalno sintetizira tijelo sisara - enzima za cijepanje veza u složenim molekulima ugljikohidrata kao što su biljna vlakna. Poređenja radi, ako u našem genomu postoji samo 20 gena za sintezu glikozidaza, onda samo bakterioidna vrsta sintetizira 261 vrstu glikozidaza, a cijeli mikrobiom sadrži 250.000 gena za sintezu ovih enzima. Dakle, u nedostatku mikrobiote, vlakna bogata energijom napuštaju tijelo s izmetom, ne zadovoljavajući potrebe za kalorijama, pa sterilni miševi jedu više i teže od svojih kolega s normalnom mikroflorom. Rezultati ovih studija nesvjesno pokreću ideju o metodi za liječenje gojaznosti potpunim uništavanjem mikrobiote antibioticima. Međutim, koevolucija čovjeka i mikrobiote je otišla toliko daleko da je implementacija ove ideje nemoguća, a sa kliničke tačke gledišta, vrlo opasna.

Prvo, za razliku od miševa, mi ne možemo priuštiti da živimo u sterilnim uslovima. Okolina sadrži mnoge patogene mikroorganizme koji će rado zauzeti niše bez prirodne mikroflore. Na primjer, žena čiji je klinički slučaj naveden na početku članka dobila je infekciju klostridijom neposredno nakon što je liječena visokim dozama antibiotika od bakterijske vaginoze. Drugo, već sam spomenuo da bez mikrobiote nismo u mogućnosti da sami razgradimo fruktane, čije je nakupljanje preplavljeno teškim probavnim poremećajima. I na kraju, treće, upotreba antibiotika u praksi pokazuje suprotan efekat - gojaznost se pogoršava, a raznovrsnija i bogatija po sastavu mikrobiota štiti od pretilosti.

Antibiotici i gojaznost

Od sredine prošlog vijeka antibiotici se široko koriste u poljoprivredi za ubrzavanje prirasta stoke. U tu svrhu preparati se stalno dodaju u stočnu hranu, zbog čega se 70% proizvedenih antibiotika troši na stočarstvo.

Pozitivan učinak antibiotika na tjelesnu težinu odavno se pripisuje prevenciji infekcija, jer zdrava životinja brže dobija na težini. Ali kasnije je dokazano da je ova ovisnost posredovana promjenama u sastavu mikrobiote. Sličan učinak antibiotika na tjelesnu težinu čovjeka smatran je malo vjerojatnim, budući da se antibiotska terapija primjenjuje kratko i sporadično. U međuvremenu, prije 10 godina u studijama je otkriveno da čak i jedan kurs antibiotika dovodi do smanjenja raznolikosti ljudske mikrobiote u roku od 4 godine. Meta-analiza studija iz 2017. godine na gotovo 500.000 ljudi pokazala je da upotreba antibiotika u dojenčadi značajno povećava rizik od gojaznosti kasnije u životu, pri čemu je doza antibiotika pozitivno povezana s gojaznošću. Dakle, ne dolazi do očekivanog smanjenja tjelesne težine kao rezultat supresije mikrobiote, već se u budućnosti, naprotiv, uočava razvoj pretilosti. Pretpostavlja se da antibiotici, selektivno uništavajući predstavnike normalne mikroflore osjetljive na njih, formiraju neku vrstu "mikrobiote gojaznosti".

Koncept kontinuiranog metaboličkog lanca i "mikrobiote gojaznosti"

Potpuna mikrobiota je kontinuirani metabolički lanac reakcija koji razgrađuje vlakna bogata energijom u jedinjenja siromašna energijom. U ovom slučaju, svaki međumetabolit koji još uvijek sadrži energiju asimiluje sljedeća bakterija u metaboličkom lancu, sposobna sintetizirati enzime za njegovu razgradnju, apsorbirajući svoj dio energije. Konačni metaboliti funkcioniranja kontinuiranog metaboličkog lanca su kratkolančane masne kiseline, koje se uglavnom kataboliziraju crijevnim stanicama i ne sublimiraju u masnom tkivu, a neke od njih čak inhibiraju lipogenezu i potiskuju apetit. Dakle, punopravna mikrobiota gotovo u potpunosti koristi energiju vlakana i štiti domaćina od pretilosti, čak i ako zloupotrebljava brze ugljikohidrate.

Za razliku od normalne mikroflore, "mikrobiota gojaznosti" je monotona zbog nedostajućih vrsta, rodova ili čitavih familija bakterija, pa nije u stanju da formira kontinuirani metabolički lanac. Budući da mnogi predstavnici mikrobiote razgrađuju različite vrste vlakana, nedostatak nekih od njih ne blokira početak metaboličkog lanca i dijetalna vlakna se sigurno razgrađuju na srednje metabolite. Zauzvrat, odsustvo bakterijskih vrsta koje specifično razgrađuju srednje metabolite dovodi do nakupljanja potonjih u lumenu crijeva. Za razliku od vlakana, srednji metaboliti mogu biti apsorbirani u tijelu, uključujući povećanje rezervi masnog tkiva. Dakle, "mikrobiota gojaznosti" sadrži neku vrstu praznina kroz koje energija "teče" u ljudsko tijelo.

Navodna "mikrobiota gojaznosti" potkrijepljena je eksperimentima o transplantaciji fekalija s ljudi različite tjelesne građe na sterilne miševe. Da bi se isključili drugi faktori, mikrobiota za transplantaciju je regrutovana od 8 blizanaca, čiji su se parovi razlikovali u prisutnosti i odsustvu gojaznosti, a miševi koji su mikrobiotu dobili od ljudi različite tjelesne građe, živjeli su odvojeno. Mikrobiota dobivena od gojaznih blizanaca imala je rijedak sastav vrsta u poređenju sa raznolikijom mikrobiotom blizanaca normalnog tijela.

Kao rezultat eksperimenta, miševi koji su dobili "mikrobiotu gojaznosti" pokazali su značajan porast tjelesne masti već 8. dan nakon transplantacije. Istovremeno, masa masti kod miševa koji su primili mikrobiotu od blizanaca sa normalnom tjelesnom težinom ostala je bez značajnih promjena tijekom eksperimenta.

Osim toga, autori ove studije odlučili su testirati zaraznost gojaznosti. Za to su miševi dobijeni kao rezultat transplantacije različite mikrobiote stavljeni u zajednički kavez nakon 5 dana. Kontrola tjelesne težine i sastava tijela 10. dana zajedničkog života pokazala je da su miševi koji su dobili "mikrobiotu gojaznosti" u prvom dijelu eksperimenta (koji žive u izolaciji) dobili manje masti od sličnih miševa i praktično se nisu razlikovali od kohabitacije. miševi koji su primili mikrobiotu od blizanaca normalnog tijela. Analiza mikrobioma pokazala je povećanje raznolikosti mikrobiote kod miševa koji su u početku dobili ujednačenu "mikrobiotu gojaznosti". Važno je da mršavi miševi koji su u početku dobili raznoliku mikrobiotu nisu dobili gojaznost od svojih suživota.

Analiza metabolita u crijevima pokazala je da je nakon kohabitacije kod miševa koji su u početku dobili "mikrobiotu gojaznosti" došlo do smanjenja disaharida i povećanja kratkolančanih masnih kiselina. Tako je utvrđeno da raznolika mikrobiota štiti od razvoja pretilosti, a transplantacija ili prirodni prijenos takve mikrobiote na gojazne miševe dovodi do normalizacije tjelesne težine.

Zaključak

Treba napomenuti da su miševi koprofagi, što uvelike olakšava prirodnu razmjenu mikrobiote između suživota. Međutim, rezultati studija o mikrobioti i epidemiologiji gojaznosti kod ljudi mogu se objasniti i razmjenom mikroflore kroz društvene interakcije. Gore sam govorio o tome kako odlazak u vrtić povećava raznovrsnost mikrobiote, ali se razmjena mikroflore može dogoditi i putem drugih društvenih veza i potencijalno utjecati na rizik od pretilosti. Na primjer, analizom medicinske dokumentacije 1.519 porodica američkih vojnih lica moguće je utvrditi da se indeks tjelesne mase članova porodice nakon upućivanja na novu dužnost u roku od 24 mjeseca mijenjao u skladu sa pokazateljima stanovništva područje. Autori ove i 45 drugih sličnih studija sugeriraju da razlike u našem tijelu u odnosu na tijelo neposrednog okruženja mogu povećati psihološku nelagodu, a to zauzvrat utječe na ponašanje u ishrani i fizičku aktivnost. Međutim, pokušaji da se dokaže ova uzročna veza do sada su bili neuspješni. U međuvremenu, razmjena mikrobiote kroz okoliš i direktni kontakti mogu objasniti ovaj fenomen.

U tom kontekstu, moje životno iskustvo također može biti zanimljivo. I sam sam još uvijek drzak i izreka "nije za konja hrani" se odnosi na mene! I otkako sam upoznao svoju ženu, počela je da gubi na težini iz godine u godinu. Istina, nikada nije imala gojaznost, ali je od početka naše veze primetno smršala. Još kao studentica se šalila da sam je zarazila svojim crvima, ali čim sam se zaposlila u laboratoriji, sve sam provjerila i ništa sličnog nisam pronašla. Tada sam prvi put sugerirao da je stvar možda u posebnostima moje mikrobiote, koju je moja supruga postepeno usvojila. Nažalost, ove karakteristike je nemoguće proučiti u našoj laboratoriji, pa sam uzorak svog "unutrašnjeg svijeta" poslao u Atlas na analizu. O rezultatima analize pisat ću u sljedećem članku, u kojem ću detaljno govoriti o metodama korekcije mikrobiote u cilju smanjenja tjelesne težine (upd: priča o rezultatima).