Tarmflora: få mer energi fra mindre mat

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sist endret: 2023-12-16 16:13

Undersøkelse av en kvinne med klager over vedvarende diaré og akutte magesmerter avdekket akutt betennelse i tykktarmen forårsaket av Clostridia. Gitt bakterienes resistens mot antibiotika, ble pasienten tilbudt en eksperimentell, men effektiv terapimetode - transplantasjon av donormikrobiota (tarmmikroflora).

Etter introduksjonen av 600 ml av en suspensjon av donoravføring i pasientens tarm, ble tilbakefall av sykdommen ikke lenger observert - giverens mikrobiota fortrengte patogenet og okkuperte dets nisjer. Et år senere klaget kvinnen imidlertid til legen over den raske vektøkningen, mens hun hele livet før transplantasjonen hadde normal og stabil kroppsvekt. Fra øyeblikket av prosedyren var økningen 15 kg, og den totale kroppsvekten nådde 77 kg med en høyde på 155 cm. Til tross for kondisjon og kosthold, oversteg pasientens vekt snart 80 kg. Legen bemerket at en generelt sunn donor også er overvektig og tillot muligheten for "kontaminering" av fedme gjennom mikrobiota. Ved første øyekast har en slik dristig antagelse et solid bevisgrunnlag. I denne artikkelen vil jeg snakke om effekten av mikrobiota på fordøyelsen, og hvorfor dens artsmangfold reduseres, og ensartethet øker risikoen for fedme.

glagolas.

Introduksjon

Sannsynligheten for å arve fedme når 80 %, men individuelle forskjeller i kjernegenomet står for mindre enn 2 % av variasjonen i kroppsvekt i befolkningen. I tillegg overføres kjernegenomet til barnet nesten likt fra hver forelder, men barn arver fedme med en betydelig høyere frekvens fra sine mødre. Dette fenomenet forklares ofte av påvirkningen på metabolismen til mitokondrier, som har sitt eget DNA og som er fraværende i sædhodet; derfor arves mitokondriegenomet av embryoet bare fra morens egg. Imidlertid forklarer resultatene av en studie av mitokondrie-genomet enda færre tilfeller av arv av fedme. Således, hvis arven til denne sykdommen bare delvis medieres av kjernefysiske og mitokondrielle genomer, kan fedme overføres til barn hovedsakelig gjennom det tredje menneskelige genomet - mikrobiomet (et sett med gener fra mikrobiotaen), som også er arvet fra moren?

Mikrobiom arv og variabilitet

Intrauterin utvikling er ledsaget av absolutt sterilitet av fosteret, som for første gang mottar mikrobiota, og overvinner fødselskanalen under naturlig fødsel. Derfor har naturlig fødte babyer en mer mangfoldig mikrobiota enn de som utvinnes ved keisersnitt. Studier har også vist at barn født med keisersnitt har større risiko for overvekt. Ikke desto mindre normaliseres sammensetningen av mikrobiotaen hos disse barna gradvis under amming, noe som sikrer dominansen av bifidobakterier og laktobaciller, som undertrykker populasjonene av opportunistiske bakterioider og clostridier. Naturlig fødsel og amming danner ryggraden i mikrobiotaen, som vanligvis varer livet ut. Ytterligere berikelse av mikrobiotaen med andre typer bakterier avhenger av livsstilen.

Så for eksempel er barnehagebesøk en betydelig og selvstendig faktor for å øke artsmangfoldet i mikrobiotaen. På den annen side reduserer den utbredte bruken av antibiotika og antiseptika, samt strenge sanitær- og hygienestandarder, utvekslingskursen av mikrobiota mellom mennesker og dens mangfold (les mer om antibiotikas effekt på mikrobiota og dårlig ånde her). Dermed kan vi snakke om arvbarheten og variasjonen til mikrobiomet.

Mikrobiota struktur

Med alderen når antallet bakterieceller i tarmen gradvis 100 billioner, noe som overstiger antallet av kroppens egne celler hos en voksen med 10 ganger. Samtidig, på grunn av den lille størrelsen på bakterier, veier hele mikrobiotaen opptil 2 kg og passer i tykktarmen.

Omtrent 60 % av innholdet i endetarmen er mikroorganismer, hvis kolonier vokser på fibrene i plantemat (cellulose), bruker dem som mat og skjelett, og danner dermed en klumpete konsistens av avføring. Til tross for det betydelige antallet bakterier, har deres interaksjon med menneskekroppen lenge blitt vurdert av forskere strengt innenfor rammen av kommensalisme, der mikroorganismen drar nytte av forholdet, og makroorganismen får verken fordel eller skade. Med utviklingen av genotypingsmetoder har imidlertid begrepet mikrobiota endret seg betydelig.

Det ble funnet at artsmangfoldet til mikrobiota når 300-700 arter av mikroorganismer, og deres totale genom består av 10 millioner gener, som er 300 ganger større enn det menneskelige genomet. En slik summering av genene til mikrobiomet og en sammenligning av antallet med det hos mennesker er ikke bare et slagord her. Mange bakteriegener utfyller funksjonelt det menneskelige kjernegenomet, og interartsinteraksjonen mellom mikroorganismer er så nær at noen arter bokstavelig talt ikke kan leve uten hverandre. Nylige oppdagelser i denne retningen gjorde det mulig å snakke om det gjensidig fordelaktige forholdet mellom mennesket og mikrobiotaen, og helheten av dens gener kalles mikrobiomet eller det tredje menneskelige genomet. For å illustrere vil jeg gi et konkret eksempel.

Mikrobiota fysiologi

Med plantemat spiser vi fruktosepolymerer (fruktaner), som vi ikke har våre egne enzymer for å bryte ned til enkle sukkerarter. Ubehandlede fruktaner absorberes ikke, og deres opphopning i tarmene forårsaker alvorlige lidelser, og i munnhulen brukes de av kariesbakterier for å feste seg til tannemaljen. Vi får hjelp av bifidobakterier og laktobaciller, som har enzymgener for å spalte fruktaner til laktat og acetat. Disse metabolittene skaper surere forhold som reduserer spredningen av syrefølsomme og diaréfremkallende opportunistiske bakterier. I tillegg bruker laktat og acetat andre typer vennlig mikroflora som energikilde, som produserer butyrat - den viktigste energikilden for tarmepitelceller og en hemmer av penetrering av intracellulære patogener inn i dem, og denne forbindelsen reduserer også risikoen for utvikle ulcerøs kolitt og tykktarmskreft. Så, bare noen få typer bakterier syntetiserer et helbredende stoff fra matkomponenter som er farlige for kroppen, og beskytter nisjen deres mot konkurrenter, som en bonus for en person, undertrykker veksten av patogener i tarmene hans! Forestill deg nå hvordan dusinvis og hundrevis av arter av mikroorganismer kombineres til lengre og mer forgrenede metabolske kjeder som produserer essensielle aminosyrer, vitaminer og andre metabolitter, og derved modulerer fordøyelsen, immuniteten og til og med oppførselen vår, inkludert mat.

Mikrobiota og fedme

Den betydelige effekten av mikrobiota på fedme ble først demonstrert i fullstendig blottet for mikroorganismer og oppdratt under sterile forhold. Vanligvis har sterile mus typisk 42 % mindre fettvev enn sammenlignbare mus med mikroflora. Samtidig spiser tynnere sterile mus 29 % mer mat enn deres mer komplette motparter med mikroflora. Forskere overførte mikroflora fra normale til sterile mus og observerte en 57 % økning i fettvev innen to uker, til tross for en 27 % reduksjon i matinntaket!

Forfatterne konkluderte med at mikroflora hjelper til med å trekke ut mer energi fra mindre mat. Samtidig øker energieffektiviteten til fordøyelsen med mikroflora så mye at det resulterende overskuddet av kalorier lagres i fettvev.

Resultatene oppnådd i denne studien skyldes den lave variasjonen av glykosidaser uavhengig syntetisert av pattedyrkroppen - enzymer for å spalte bindinger i komplekse karbohydratmolekyler som plantefiber. Til sammenligning, hvis det i genomet vårt bare er 20 gener for syntesen av glykosidaser, syntetiserer bakterioidarten alene 261 typer glykosidaser, og hele mikrobiomet inneholder 250 000 gener for syntesen av disse enzymene. I fravær av mikrobiota forlater energirike fibre kroppen med avføring, og dekker ikke kaloribehovet, så sterile mus spiser mer og veier mindre enn sine kolleger med normal mikroflora. Resultatene av disse studiene gir ubevisst opphav til ideen om en metode for å behandle fedme ved total ødeleggelse av mikrobiotaen med antibiotika. Samevolusjonen av mennesker og mikrobiota har imidlertid gått så langt at implementeringen av denne ideen er umulig, og fra et klinisk synspunkt er det veldig farlig.

For det første, i motsetning til mus, har vi ikke råd til å leve under sterile forhold. Miljøet inneholder mange patogene mikroorganismer som vil gjerne okkupere nisjer fri for naturlig mikroflora. For eksempel fikk en kvinne hvis kliniske tilfelle er gitt i begynnelsen av artikkelen en infeksjon med Clostridia like etter å ha blitt behandlet for bakteriell vaginose med høye doser antibiotika. For det andre har jeg allerede nevnt at uten mikrobiota er vi ikke i stand til å bryte ned fruktaner på egen hånd, hvis akkumulering er full av alvorlige fordøyelsessykdommer. Og til slutt, for det tredje, viser bruken av antibiotika i praksis den motsatte effekten - fedme forverres, og en mer mangfoldig og rik på sammensetning mikrobiota beskytter mot fedme.

Antibiotika og fedme

Siden midten av forrige århundre har antibiotika blitt mye brukt i landbruket for å få fart på vektøkningen av husdyr. For dette formålet tilsettes preparatene fortløpende i fôret, som et resultat av at 70 % av antibiotikaen som produseres går til husdyrhold.

Den positive effekten av antibiotika på kroppsvekt har lenge vært tilskrevet forebygging av infeksjoner, fordi et sunt dyr går opp i vekt raskere. Men senere ble det bevist at denne avhengigheten er mediert av endringer i sammensetningen av mikrobiotaen. En lignende effekt av antibiotika på menneskelig kroppsvekt ble ansett som usannsynlig, siden antibiotikabehandling brukes i kort tid og sporadisk. I mellomtiden, for 10 år siden i studier, ble det funnet at selv en enkelt antibiotikakur fører til en reduksjon i mangfoldet av den menneskelige mikrobiotaen innen 4 år. En metaanalyse fra 2017 av studier på nesten 500 000 mennesker fant at antibiotikabruk i spedbarnsalderen økte risikoen for fedme betydelig senere i livet, med antibiotikadose positivt korrelert med fedme. Dermed oppstår ikke den forventede reduksjonen i kroppsvekt som et resultat av undertrykkelse av mikrobiota, men i fremtiden, tvert imot, observeres utviklingen av fedme. Antagelig danner antibiotika, som selektivt ødelegger representanter for den normale mikrofloraen som er følsom for dem, en slags "fedmemikrobiota".

Konseptet med den kontinuerlige metabolske kjeden og "fedmemikrobiotaen"

En komplett mikrobiota er en kontinuerlig metabolsk kjede av reaksjoner som bryter ned energirike fibre til energifattige forbindelser. I dette tilfellet blir hver mellommetabolitt som fortsatt inneholder energi assimilert av den neste bakterien i den metabolske kjeden, i stand til å syntetisere enzymer for dens nedbrytning, absorbere sin del av energien. De endelige metabolittene for funksjonen til den kontinuerlige metabolske kjeden er kortkjedede fettsyrer, som hovedsakelig kataboliseres av tarmceller og ikke sublimeres i fettvev, og noen av dem hemmer til og med lipogenese og undertrykker appetitten. Dermed utnytter en fullverdig mikrobiota nesten fullstendig energien til fiber og beskytter verten mot fedme, selv om han misbruker raske karbohydrater.

I motsetning til normal mikroflora, er "fedmemikrobiotaen" monoton på grunn av manglende arter, slekter eller hele familier av bakterier, derfor er den ikke i stand til å danne en kontinuerlig metabolsk kjede. Siden forskjellige typer fiber brytes ned av mange representanter for mikrobiotaen, blokkerer ikke fraværet av noen av dem begynnelsen av den metabolske kjeden, og kostfiber brytes trygt ned til mellommetabolitter. I sin tur fører fraværet av bakteriearter som spesifikt bryter ned intermediære metabolitter til akkumulering av sistnevnte i tarmens lumen. I motsetning til fiber, er mellommetabolitter i stand til å bli absorbert av kroppen, inkludert å øke reservene av fettvev. Dermed inneholder "fedmemikrobiotaen" en slags hull gjennom hvilke energi "flyter" inn i menneskekroppen.

Den påståtte "fedmemikrobiotaen" har blitt støttet av eksperimenter på transplantasjon av avføring fra mennesker med ulik kroppsbygning til sterile mus. For å utelukke andre faktorer, ble mikrobiotaen for transplantasjon rekruttert fra 8 tvillinger, hvis par var forskjellige i tilstedeværelse og fravær av fedme, og mus, som mottok mikrobiota fra mennesker med forskjellig kroppsbygning, levde separat. Mikrobiotaen avledet fra overvektige tvillinger hadde en sparsom artssammensetning sammenlignet med den mer mangfoldige mikrobiotaen til tvillinger med normal kropp.

Som et resultat av forsøket viste mus som mottok «fedmemikrobiotaen» en betydelig økning i kroppsfett allerede på 8. dag etter transplantasjon. Samtidig forble fettmassen i mus som mottok mikrobiota fra tvillinger med normal kroppsvekt uten vesentlige endringer gjennom hele forsøket.

I tillegg bestemte forfatterne av denne studien seg for å teste smittefaren ved fedme. For dette ble musene oppnådd som et resultat av transplantasjon av forskjellige mikrobioter plassert i et felles bur etter 5 dager. Kontrollen av kroppsvekt og kroppssammensetning på 10. samlivsdag viste at mus som fikk «fedmemikrobiotaen» fikk mindre fett enn tilsvarende mus i den første delen av forsøket (levde isolert), og skilte seg praktisk talt ikke fra samboende. mus som mottok mikrobiota fra tvillinger med normal kroppsbygning. Mikrobiomanalyse viste en økning i mikrobiota-diversitet hos mus som i utgangspunktet fikk en ensartet "fedmemikrobiota". Viktigere, magre mus som i utgangspunktet fikk en mangfoldig mikrobiota fikk ikke fedme fra samboerne.

Analyse av metabolitter i tarmen viste at etter samliv i mus som i utgangspunktet fikk «fedmemikrobiotaen» var det en nedgang i disakkarider og en økning i kortkjedede fettsyrer. Dermed ble det funnet at en mangfoldig mikrobiota beskytter mot utvikling av fedme, og transplantasjon eller naturlig overføring av slik mikrobiota til overvektige mus fører til en normalisering av kroppsvekten.

Konklusjon

Det skal bemerkes at mus er koprofager, noe som i stor grad letter naturlig utveksling av mikrobiota mellom samboere. Imidlertid kan resultatene av studier på mikrobiota og epidemiologi av fedme hos mennesker også forklares ved utveksling av mikroflora gjennom sosiale interaksjoner. Ovenfor snakket jeg om hvordan det å gå i barnehage øker mangfoldet i mikrobiotaen, men utveksling av mikroflora kan også skje gjennom andre sosiale sammenhenger og potensielt påvirke risikoen for overvekt. For eksempel gjorde en analyse av journalene til 1 519 familier til amerikansk militærpersonell det mulig å fastslå at kroppsmasseindeksen til familiemedlemmer etter å ha blitt tildelt en ny tjenestestasjon innen 24 måneder endret seg i samsvar med indikatorene for befolkningen i området. Forfatterne av denne og 45 andre lignende studier tyder på at forskjeller i fysikken vår fra den i nærmiljøet kan øke psykisk ubehag, og dette påvirker igjen spiseatferd og fysisk aktivitet. Forsøk på å bevise denne årsakssammenhengen har imidlertid så langt vært mislykket. I mellomtiden kan utveksling av mikrobiota gjennom miljøet og direkte kontakter forklare dette fenomenet.

I denne sammenhengen kan også min livserfaring være interessant. Selv er jeg fortsatt drish og ordtaket "ikke for et hestefôr" handler om meg! Og siden jeg møtte kona mi, begynte hun å gå ned i vekt fra år til år. Riktignok har hun aldri hatt fedme, men fra begynnelsen av forholdet vårt gikk hun merkbart ned i vekt. Selv som student spøkte hun med at jeg smittet henne med ormene mine, men så fort jeg fikk jobb på laboratoriet sjekket jeg alt og fant ingenting av det slaget. Så, for første gang, foreslo jeg at saken kan være i særegenhetene til mikrobiotaen min, som min kone gradvis adopterte. Dessverre er det umulig å studere disse funksjonene i laboratoriet vårt, så jeg sendte en prøve av min "indre verden" til Atlas for analyse. Jeg vil skrive om resultatene av analysen i neste artikkel, der jeg vil snakke i detalj om metodene for å korrigere mikrobiotaen for å redusere kroppsvekten (oppdatering: en historie om resultatene).