Črevesna flora: pridobite več energije z manj hrane

2024 Avtor: Seth Attwood | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-12-16 16:16

Pri pregledu ženske s pritožbami zaradi vztrajne driske in akutne bolečine v trebuhu je bilo ugotovljeno akutno vnetje debelega črevesa, ki ga povzroča klostridija. Glede na odpornost bakterij na antibiotike je bila bolniku ponujena eksperimentalna, a učinkovita metoda terapije - presaditev mikrobiote darovalca (črevesne mikroflore).

Po vnosu 600 ml suspenzije donorskih iztrebkov v bolnikovo črevesje ni bilo več opaženih recidivov bolezni - mikrobiota darovalca je uspešno izrinila patogena in zasedla njegove niše. Toda leto pozneje se je ženska pritožila zdravniku zaradi hitrega pridobivanja telesne teže, medtem ko je vse življenje pred presaditvijo imela normalno in stabilno telesno težo. Od trenutka posega se je povečala za 15 kg, skupna telesna teža pa je dosegla 77 kg pri višini 155 cm, kljub kondiciji in prehrani je pacientka teža kmalu presegla 80 kg. Zdravnik je opozoril, da ima na splošno zdrav darovalec tudi prekomerno telesno težo in dopušča možnost "kontaminacije" debelosti skozi mikrobioto. Na prvi pogled ima tako drzna domneva trdno dokazno osnovo. V tem članku bom govoril o vplivu mikrobiote na prebavo in o tem, zakaj se njena vrstna raznolikost zmanjšuje, enakomernost pa povečuje tveganje za debelost.

glagolas.

Uvod

Verjetnost dedovanja debelosti doseže 80 %, vendar individualne razlike v jedrskem genomu predstavljajo manj kot 2 % variabilnosti telesne teže v populaciji. Poleg tega se jedrski genom prenese na otroka skoraj enako od vsakega starša, vendar otroci debelost bistveno pogosteje podedujejo od svojih mater. Ta pojav pogosto razlagamo z vplivom na presnovo mitohondrijev, ki imajo lastno DNK in jih v glavi semenčice ni, zato mitohondrijski genom zarodek podeduje le iz materinega jajčeca. Vendar pa rezultati študije mitohondrijskega genoma pojasnjujejo še manj primerov dedovanja debelosti. Če torej dedovanje te bolezni le delno posredujejo jedrski in mitohondrijski genomi, potem se morda debelost na otroke prenaša predvsem prek tretjega človeškega genoma – mikrobioma (skupina genov mikrobiote), ki je podedovan tudi od mati?

Dedovanje in variabilnost mikrobioma

Intrauterini razvoj spremlja absolutna sterilnost ploda, ki prvič prejme mikrobioto, ki med naravnim porodom premaga porodni kanal. Zato imajo naravno rojeni dojenčki bolj raznoliko mikrobioto kot tisti, pridobljeni s carskim rezom. Študije so tudi pokazale, da imajo otroci, rojeni s carskim rezom, večje tveganje za debelost. Kljub temu se sestava mikrobiote pri teh otrocih pod pogojem dojenja postopoma normalizira, kar zagotavlja prevlado bifidobakterij in laktobacilov, ki zavirajo populacije oportunističnih bakterioidov in klostridij. Naravno rojstvo in dojenje tvorita hrbtenico mikrobiote, ki običajno traja vse življenje. Nadaljnja obogatitev mikrobiote z drugimi vrstami bakterij je odvisna od načina življenja.

Tako je na primer obisk vrtca pomemben in neodvisen dejavnik pri povečanju vrstne pestrosti mikrobiote. Po drugi strani pa široka uporaba antibiotikov in antiseptikov ter strogi sanitarni in higienski standardi zmanjšujejo izmenjavo mikrobiote med ljudmi in njeno pestrost (več o vplivu antibiotikov na mikrobioto in slab zadah preberite tukaj). Tako lahko govorimo o dednosti in variabilnosti mikrobioma.

Struktura mikrobiote

S starostjo število bakterijskih celic v črevesju postopoma doseže 100 bilijonov, kar 10-krat presega število lastnih celic telesa pri odraslem. Hkrati pa zaradi majhnosti bakterij celotna mikrobiota tehta do 2 kg in se prilega debelemu črevesu.

Približno 60% vsebine rektuma predstavljajo mikroorganizmi, katerih kolonije rastejo na vlaknih rastlinske hrane (celuloze), ki jih uporabljajo kot hrano in okostje, s čimer tvorijo grudasto konsistenco blata. Kljub velikemu številu bakterij znanstveniki že dolgo obravnavajo njihovo interakcijo s človeškim telesom strogo v okviru komenzalizma, v katerem ima mikroorganizem koristi od odnosa, makroorganizem pa ne prejema ne koristi ne škode. Z razvojem metod genotipizacije pa se je koncept mikrobiote bistveno spremenil.

Ugotovljeno je bilo, da vrstna raznolikost mikrobiote doseže 300-700 vrst mikroorganizmov, njihov skupni genom pa je sestavljen iz 10 milijonov genov, kar je 300-krat večje od človeškega genoma. Takšen seštevek genov mikrobioma in primerjava njihovega števila s tistim pri ljudeh tukaj ni le slovesna beseda. Številni bakterijski geni funkcionalno dopolnjujejo človeški jedrski genom, interakcija med vrstami mikroorganizmov pa je tako tesna, da nekatere vrste dobesedno ne morejo živeti ena brez druge. Najnovejša odkritja v tej smeri so omogočila govoriti o obojestransko koristnem odnosu med človekom in mikrobioto, celota njegovih genov pa se imenuje mikrobiom ali tretji človeški genom. Za ponazoritev bom navedel konkreten primer.

Fiziologija mikrobiote

Z rastlinsko hrano zaužijemo fruktozne polimere (fruktane), za katere nimamo lastnih encimov, ki bi jih razgradili v enostavne sladkorje. Neobdelani fruktani se ne absorbirajo, njihovo kopičenje v črevesju pa povzroča hude motnje, v ustni votlini pa jih kariesne bakterije uporabljajo za pritrditev na zobno sklenino. Pomagajo nam bifidobakterije in laktobacili, ki imajo encimske gene za cepitev fruktanov na laktat in acetat. Ti presnovki ustvarjajo bolj kisle pogoje, ki zmanjšujejo širjenje oportunističnih bakterij, ki so občutljive na kisline in povzročajo drisko. Poleg tega laktat in acetat kot vir energije uporabljata druge vrste prijazne mikroflore, ki proizvajajo butirat - glavni vir energije za črevesne epitelijske celice in zaviralec prodiranja znotrajceličnih patogenov vanje, ta spojina pa zmanjšuje tudi tveganje za nastanek razvoj ulceroznega kolitisa in raka debelega črevesa. Torej, le nekaj vrst bakterij sintetizira zdravilno snov iz sestavin hrane, ki so nevarne za telo, in, ščiti svojo nišo pred konkurenti, kot bonus za osebo, zavira rast patogenov v njegovem črevesju! Zdaj si predstavljajte, kako se na desetine in stotine vrst mikroorganizmov združijo v daljše in bolj razvejane presnovne verige, ki proizvajajo esencialne aminokisline, vitamine in druge presnovke, s čimer uravnavajo prebavo, imuniteto in celo naše vedenje, vključno s hrano.

Mikrobiota in debelost

Pomemben učinek mikrobiote na debelost je bil najprej dokazan pri popolnoma brez mikroorganizmov in vzgojenih v sterilnih pogojih. Običajno imajo sterilne miši 42 % manj maščobnega tkiva kot primerljive miši z mikrofloro. Hkrati tanjše sterilne miši zaužijejo 29 % več hrane kot njihovi popolnejši kolegi z mikrofloro. Raziskovalci so prenesli mikrofloro z normalne na sterilne miši in v dveh tednih opazili 57-odstotno povečanje maščobnega tkiva, kljub 27-odstotnemu zmanjšanju vnosa hrane!

Avtorji so ugotovili, da mikroflora pomaga črpati več energije iz manj hrane. Hkrati se energetska učinkovitost prebave z mikrofloro tako poveča, da se nastali presežek kalorij shrani v maščobnem tkivu.

Rezultati, dobljeni v tej študiji, so posledica nizke raznolikosti glikozidaz, ki jih neodvisno sintetizira telo sesalcev – encimov za cepljenje vezi v kompleksnih molekulah ogljikovih hidratov, kot so rastlinska vlakna. Za primerjavo, če je v našem genomu le 20 genov za sintezo glikozidaz, potem samo bakterioidna vrsta sintetizira 261 vrst glikozidaz, celoten mikrobiom pa vsebuje 250.000 genov za sintezo teh encimov. Tako v odsotnosti mikrobiote energijsko bogate vlaknine zapustijo telo z blatom in ne zadovoljujejo potreb po kalorijah, zato sterilne miši jedo več in tehtajo manj kot njihovi kolegi z normalno mikrofloro. Rezultati teh študij nevede porajajo idejo o metodi za zdravljenje debelosti s popolnim uničenjem mikrobiote z antibiotiki. Vendar pa je soevolucija človeka in mikrobiote šla tako daleč, da je izvedba te ideje nemogoča in s kliničnega vidika zelo nevarna.

Prvič, za razliko od miši si ne moremo privoščiti življenja v sterilnih razmerah. Okolje vsebuje veliko patogenih mikroorganizmov, ki bodo z veseljem zasedli niše brez naravne mikroflore. Na primer, ženska, katere klinični primer je naveden na začetku članka, se je takoj po zdravljenju bakterijske vaginoze z visokimi odmerki antibiotikov okužila s klostridijo. Drugič, že sem omenil, da brez mikrobiote sami ne moremo razgraditi fruktanov, katerih kopičenje je obremenjeno s hudimi prebavnimi motnjami. In končno, tretjič, uporaba antibiotikov v praksi kaže nasprotni učinek - debelost se poslabša, bolj raznolika in bogata mikrobiota pa ščiti pred debelostjo.

Antibiotiki in debelost

Od sredine prejšnjega stoletja se antibiotiki pogosto uporabljajo v kmetijstvu za pospeševanje pridobivanja telesne teže živine. V ta namen se pripravki sproti dodajajo krmi, zaradi česar se 70 % proizvedenih antibiotikov porabi za živinorejo.

Pozitiven učinek antibiotikov na telesno težo že dolgo pripisujejo preprečevanju okužb, saj zdrava žival hitreje pridobi na teži. Toda pozneje se je izkazalo, da to odvisnost posredujejo spremembe v sestavi mikrobiote. Podoben učinek antibiotikov na človeško telesno težo je bil malo verjeten, saj se zdravljenje z antibiotiki uporablja kratko in občasno. Medtem je bilo pred 10 leti v študijah ugotovljeno, da že en sam tečaj antibiotikov povzroči zmanjšanje raznolikosti človeške mikrobiote v 4 letih. Metaanaliza študij iz leta 2017 na skoraj 500.000 ljudeh je pokazala, da je uporaba antibiotikov v otroštvu znatno povečala tveganje za debelost pozneje v življenju, pri čemer je odmerek antibiotika pozitivno povezan z debelostjo. Tako se pričakovano zmanjšanje telesne teže zaradi zatiranja mikrobiote ne pojavi, v prihodnosti pa, nasprotno, opazimo razvoj debelosti. Verjetno antibiotiki, ki selektivno uničujejo predstavnike normalne mikroflore, občutljive nanje, tvorijo nekakšno "mikrobioto debelosti".

Koncept neprekinjene presnovne verige in "mikrobiote debelosti"

Popolna mikrobiota je neprekinjena presnovna veriga reakcij, ki razgradi energijsko bogate vlaknine v energijsko revne spojine. V tem primeru vsak vmesni metabolit, ki še vedno vsebuje energijo, asimilira naslednja bakterija v presnovni verigi, ki je sposobna sintetizirati encime za njegovo razgradnjo in absorbirati njen del energije. Končni presnovki delovanja neprekinjene presnovne verige so kratkoverižne maščobne kisline, ki jih v glavnem katabolizirajo črevesne celice in se ne sublimirajo v maščobnem tkivu, nekateri pa celo zavirajo lipogenezo in zavirajo apetit. Tako popolna mikrobiota skoraj v celoti izkoristi energijo vlaknin in gostitelja ščiti pred debelostjo, tudi če zlorablja hitre ogljikove hidrate.

Za razliko od običajne mikroflore je »mikrobiota debelosti« zaradi manjkajočih vrst, rodov ali celotnih družin bakterij monotona, zato ni sposobna tvoriti neprekinjene presnovne verige. Ker številni predstavniki mikrobiote razgrajujejo različne vrste vlaknin, odsotnost nekaterih ne blokira začetka presnovne verige in prehranske vlaknine se varno razgradijo na vmesne presnovke. Po drugi strani pa odsotnost bakterijskih vrst, ki specifično razgrajujejo vmesne presnovke, vodi do kopičenja slednjih v lumnu črevesja. Za razliko od vlaknin lahko telo absorbira vmesne presnovke, vključno s povečanjem zalog maščobnega tkiva. Tako »mikrobiota debelosti« vsebuje nekakšne vrzeli, skozi katere energija »teče« v človeško telo.

Domnevno "mikrobioto debelosti" so podprli poskusi o presaditvi iztrebkov iz ljudi različnih teles na sterilne miši. Za izključitev drugih dejavnikov je bila mikrobiota za presaditev izbrana iz 8 dvojčkov, katerih pari so se razlikovali po prisotnosti in odsotnosti debelosti, miši, ki so prejele mikrobioto od ljudi z različnimi telesnimi lastnostmi, pa so živele ločeno. Mikrobiota, pridobljena iz debelih dvojčkov, je imela redko vrstno sestavo v primerjavi z bolj raznoliko mikrobioto dvojčkov z normalnim telesom.

Kot rezultat poskusa so miši, ki so prejele "mikrobioto debelosti", pokazale znatno povečanje telesne maščobe že 8. dan po presaditvi. Hkrati je masa maščobe pri miših, ki so prejele mikrobioto od dvojčkov z normalno telesno težo, v celotnem poskusu ostala brez bistvenih sprememb.

Poleg tega so se avtorji te študije odločili preizkusiti nalezljivost debelosti. Za to so miši, pridobljene kot rezultat presaditve različnih mikrobiotov, po 5 dneh dali v skupno kletko. Kontrola telesne teže in telesne sestave na 10. dan sobivanja je pokazala, da so miši, ki so prejele "mikrobioto debelosti", pridobile manj maščobe kot podobne miši v prvem delu poskusa (živijo v izolaciji) in se praktično niso razlikovale od sobivanja. miši, ki so prejele mikrobioto od dvojčkov z normalno postavo. Analiza mikrobioma je pokazala povečanje raznolikosti mikrobiote pri miših, ki so sprva prejele enotno "mikrobioto debelosti". Pomembno je, da suhe miši, ki so sprva prejele raznoliko mikrobioto, niso zbolele za debelostjo od svojih sostanovalcev.

Analiza presnovkov v črevesju je pokazala, da je po sobivanju pri miših, ki so sprva prejele "mikrobioto debelosti", prišlo do zmanjšanja disaharidov in povečanja kratkoverižnih maščobnih kislin. Tako je bilo ugotovljeno, da raznolika mikrobiota ščiti pred razvojem debelosti, presaditev oziroma naravni prenos takšne mikrobiote na debele miši pa vodi do normalizacije telesne teže.

Zaključek

Treba je opozoriti, da so miši koprofagi, kar močno olajša naravno izmenjavo mikrobiote med sožitci. Vendar pa je rezultate študij o mikrobioti in epidemiologiji debelosti pri ljudeh mogoče razložiti tudi z izmenjavo mikroflore s socialnimi interakcijami. Zgoraj sem govoril o tem, kako obisk v vrtcu povečuje pestrost mikrobiote, vendar lahko izmenjava mikroflore poteka tudi prek drugih družbenih povezav in potencialno vpliva na tveganje za debelost. Na primer, analiza zdravstvenih kartotek 1519 družin ameriških vojaških oseb je omogočila ugotoviti, da se je indeks telesne mase družinskih članov po razporeditvi na novo delovno mesto v 24 mesecih spremenil v skladu s kazalniki prebivalstva območje. Avtorji te in 45 drugih podobnih študij nakazujejo, da lahko razlike v naši telesni postavi od bližnjega okolja povečajo psihično nelagodje, to pa vpliva na prehranjevalno vedenje in telesno aktivnost. Vendar so bili poskusi dokazovanja te vzročne zveze doslej neuspešni. Medtem lahko izmenjava mikrobiote skozi okolje in neposredni stiki pojasni ta pojav.

V tem kontekstu so lahko zanimive tudi moje življenjske izkušnje. Sam sem še vedno drzen in rek "ni za konja krmiti" se nanaša na mene! In odkar sem spoznal svojo ženo, je začela iz leta v leto hujšati. Resda nikoli ni imela debelosti, a je od začetka najine zveze opazno shujšala. Še kot študentka se je šalila, da sem jo okužil s svojimi črvi, a takoj, ko sem se zaposlil v laboratoriju, sem vse preveril in nisem našel nič takega. Takrat sem prvič navrgel, da bi lahko bila stvar v posebnostih moje mikrobiote, ki jo je žena postopoma posvojila. Žal je teh lastnosti v našem laboratoriju nemogoče preučiti, zato sem vzorec svojega "notranjega sveta" poslal v analizo v Atlas. O rezultatih analize bom pisala v naslednjem članku, v katerem bom podrobno govoril o metodah korekcije mikrobiote za zmanjšanje telesne teže (upd: zgodba o rezultatih).