Tarmflora: Få mere energi fra mindre mad

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-16 16:01

Undersøgelse af en kvinde med klager over vedvarende diarré og akutte mavesmerter afslørede akut betændelse i tyktarmen forårsaget af Clostridia. I betragtning af bakteriernes resistens over for antibiotika blev patienten tilbudt en eksperimentel, men effektiv terapimetode - transplantation af donormikrobiota (tarmmikroflora).

Efter indførelsen af 600 ml af en suspension af donorafføring i patientens tarme blev tilbagefald af sygdommen ikke længere observeret - donorens mikrobiota fortrængte patogenet med succes og besatte dets nicher. Et år senere klagede kvinden dog til lægen over den hurtige vægtøgning, mens hun hele livet før transplantationen havde en normal og stabil kropsvægt. Fra tidspunktet for proceduren var stigningen 15 kg, og den samlede kropsvægt nåede 77 kg med en højde på 155 cm. På trods af kondition og diæt oversteg patientens vægt hurtigt 80 kg. Lægen bemærkede, at en generelt sund donor også er overvægtig og tillod muligheden for "kontaminering" af fedme gennem mikrobiotaen. Ved første øjekast har sådan en dristig antagelse et solidt bevisgrundlag. I denne artikel vil jeg tale om mikrobiotas effekt på fordøjelsen, og hvorfor dens artsdiversitet falder, og ensartethed øger risikoen for fedme.

glagolas.

Introduktion

Sandsynligheden for at arve fedme når op på 80 %, men individuelle forskelle i kernegenomet står for mindre end 2 % af variabiliteten i kropsvægt i befolkningen. Derudover overføres kernegenomet til barnet næsten ligeligt fra hver forælder, men børn arver fedme med en væsentlig højere frekvens fra deres mødre. Dette fænomen forklares ofte af indflydelsen på metabolismen af mitokondrier, som har deres eget DNA, og som er fraværende i sædhovedet; derfor nedarves mitokondriegenomet af embryonet kun fra moderens æg. Resultaterne af en undersøgelse af mitokondrernes genom forklarer dog endnu færre tilfælde af nedarvning af fedme. Således, hvis arven af denne sygdom kun delvist medieres af kerne- og mitokondrielle genomer, så overføres fedme måske til børn hovedsageligt gennem det tredje menneskelige genom - mikrobiomet (et sæt gener fra mikrobiotaen), som også nedarves fra moderen?

Mikrobiom arv og variabilitet

Intrauterin udvikling er ledsaget af absolut sterilitet af fosteret, som for første gang modtager mikrobiota, der overvinder fødselskanalen under naturlig fødsel. Derfor har naturligt fødte babyer en mere forskelligartet mikrobiota end dem, der udvindes ved kejsersnit. Undersøgelser har også vist, at børn født ved kejsersnit har en større risiko for overvægt. Ikke desto mindre normaliseres sammensætningen af mikrobiotaen hos disse børn gradvist under amning, hvilket sikrer dominansen af bifidobakterier og lactobaciller, som undertrykker populationerne af opportunistiske bakterioider og clostridier. Naturlig fødsel og amning udgør rygraden i mikrobiotaen, som normalt varer livet ud. Yderligere berigelse af mikrobiotaen med andre typer bakterier afhænger af livsstilen.

Så for eksempel er børnehavebesøg en væsentlig og uafhængig faktor til at øge artsdiversiteten i mikrobiotaen. På den anden side reducerer den udbredte brug af antibiotika og antiseptika samt strenge hygiejne- og hygiejnestandarder vekselkursen af mikrobiota mellem mennesker og dens mangfoldighed (læs mere om antibiotikas effekt på mikrobiota og dårlig ånde her). Således kan vi tale om arvelighed og variabilitet af mikrobiomet.

Mikrobiota struktur

Med alderen når antallet af bakterieceller i tarmen gradvist op på 100 billioner, hvilket overstiger antallet af kroppens egne celler hos en voksen med 10 gange. Samtidig vejer hele mikrobiotaen på grund af bakteriernes lille størrelse op til 2 kg og passer i tyktarmen.

Omkring 60 % af indholdet i endetarmen er mikroorganismer, hvis kolonier vokser på fibrene i planteføde (cellulose), og bruger dem som føde og skelet og danner derved en klumpet konsistens af afføring. På trods af det betydelige antal bakterier, er deres interaktion med den menneskelige krop længe blevet betragtet af videnskabsmænd strengt inden for rammerne af kommensalisme, hvor mikroorganismen drager fordel af forholdet, og makroorganismen modtager hverken fordel eller skade. Men med udviklingen af genotypemetoder har begrebet mikrobiota ændret sig betydeligt.

Det blev fundet, at artsdiversiteten af mikrobiota når 300-700 arter af mikroorganismer, og deres samlede genom består af 10 millioner gener, hvilket er 300 gange større end det menneskelige genom. En sådan summering af mikrobiomets gener og en sammenligning af deres antal med det hos mennesker er ikke kun et slagord her. Mange bakterielle gener komplementerer funktionelt det menneskelige kernegenom, og interspecies interaktion mellem mikroorganismer er så tæt, at nogle arter bogstaveligt talt ikke kan leve uden hinanden. Nylige opdagelser i denne retning gjorde det muligt at tale om det gensidigt gavnlige forhold mellem mennesket og mikrobiotaen, og helheden af dens gener kaldes mikrobiomet eller det tredje menneskelige genom. Til illustration vil jeg give et konkret eksempel.

Mikrobiota fysiologi

Med vegetabilske fødevarer indtager vi fruktosepolymerer (fruktaner), som vi ikke har vores egne enzymer til at nedbryde til simple sukkerarter. Ubehandlede fruktaner optages ikke, og deres ophobning i tarmene forårsager alvorlige lidelser, og i mundhulen bruges de af kariesbakterier til at binde sig til tandemaljen. Vi er hjulpet af bifidobakterier og laktobaciller, som har enzymgener til at spalte fructaner til laktat og acetat. Disse metabolitter skaber mere sure forhold, der reducerer spredningen af syrefølsomme og diarré-forårsagende opportunistiske bakterier. Derudover bruger laktat og acetat andre typer venlig mikroflora som energikilde, der producerer butyrat - den vigtigste energikilde til tarmepitelceller og en hæmmer af indtrængning af intracellulære patogener i dem, og denne forbindelse reducerer også risikoen for udvikling af colitis ulcerosa og tyktarmskræft. Så kun nogle få typer bakterier syntetiserer et helbredende stof fra fødevarekomponenter, der er farlige for kroppen, og beskytter deres niche mod konkurrenter, som en bonus for en person, undertrykker væksten af patogener i hans tarme! Forestil dig nu, hvordan snesevis og hundredvis af arter af mikroorganismer kombineres til længere og mere forgrenede metaboliske kæder, der producerer essentielle aminosyrer, vitaminer og andre metabolitter, og derved modulerer fordøjelsen, immuniteten og endda vores adfærd, inklusive mad.

Mikrobiota og fedme

Den signifikante effekt af mikrobiota på fedme blev først påvist i fuldstændig blottet for mikroorganismer og opdrættet under sterile forhold. Typisk har sterile mus typisk 42 % mindre fedtvæv end sammenlignelige mus med mikroflora. Samtidig indtager tyndere sterile mus 29 % mere mad end deres mere komplette modstykker med mikroflora. Forskere overførte mikroflora fra normale til sterile mus og observerede en 57% stigning i fedtvæv inden for to uger, på trods af et 27% fald i fødeindtagelse!

Forfatterne konkluderede, at mikroflora hjælper med at udvinde mere energi fra mindre mad. Samtidig øges energieffektiviteten af fordøjelsen med mikroflora så meget, at det resulterende overskud af kalorier lagres i fedtvæv.

Resultaterne opnået i denne undersøgelse skyldes den lave variation af glycosidaser, der uafhængigt syntetiseres af pattedyrets krop - enzymer til spaltning af bindinger i komplekse kulhydratmolekyler såsom plantefibre. Til sammenligning, hvis der i vores genom kun er 20 gener til syntese af glycosidaser, så syntetiserer bakterioidarten alene 261 typer glycosidaser, og hele mikrobiomet indeholder 250.000 gener til syntese af disse enzymer. I mangel af mikrobiota forlader energirige fibre således kroppen med afføring og opfylder ikke kaloriebehovet, så sterile mus spiser mere og vejer mindre end deres modstykker med normal mikroflora. Resultaterne af disse undersøgelser giver ubevidst anledning til ideen om en metode til behandling af fedme ved total ødelæggelse af mikrobiotaen med antibiotika. Imidlertid er co-evolutionen af mennesker og mikrobiota gået så langt, at implementeringen af denne idé er umulig, og fra et klinisk synspunkt er det meget farligt.

For det første har vi i modsætning til mus ikke råd til at leve under sterile forhold. Miljøet indeholder mange patogene mikroorganismer, der vil være glade for at indtage nicher fri for naturlig mikroflora. For eksempel fik en kvinde, hvis kliniske tilfælde er givet i begyndelsen af artiklen, en infektion med Clostridia lige efter at være blevet behandlet for bakteriel vaginose med høje doser antibiotika. For det andet har jeg allerede nævnt, at uden mikrobiota er vi ikke i stand til at nedbryde fructaner på egen hånd, hvis ophobning er fyldt med alvorlige fordøjelsesforstyrrelser. Og endelig, for det tredje, viser brugen af antibiotika i praksis den modsatte effekt - fedme forværres, og en mere forskelligartet og rig på sammensætning mikrobiota beskytter mod fedme.

Antibiotika og fedme

Siden midten af forrige århundrede har antibiotika været meget brugt i landbruget for at fremskynde husdyrenes vægtøgning. Til dette formål tilsættes præparaterne løbende foderet, hvorved 70 % af den producerede antibiotika går til husdyrhold.

Antibiotikas positive effekt på kropsvægten er længe blevet tilskrevet forebyggelse af infektioner, fordi et sundt dyr tager hurtigere på i vægt. Men senere blev det bevist, at denne afhængighed er medieret af ændringer i sammensætningen af mikrobiotaen. En lignende effekt af antibiotika på menneskelig kropsvægt blev anset for usandsynlig, da antibiotikabehandling anvendes i kort tid og sporadisk. I mellemtiden, for 10 år siden i undersøgelser, blev det fundet, at selv en enkelt antibiotikakur fører til et fald i mangfoldigheden af den menneskelige mikrobiota inden for 4 år. En metaanalyse fra 2017 af undersøgelser af næsten 500.000 mennesker viste, at antibiotikabrug i spædbarnsalderen øgede risikoen for fedme betydeligt senere i livet, hvor antibiotikadosis positivt korrelerede med fedme. Således forekommer det forventede fald i kropsvægt som følge af undertrykkelse af mikrobiotaen ikke, men i fremtiden observeres tværtimod udviklingen af fedme. Formodentlig danner antibiotika, der selektivt ødelægger repræsentanter for den normale mikroflora, der er følsom over for dem, en slags "fedmemikrobiota".

Konceptet om den kontinuerlige metaboliske kæde og "fedmemikrobiotaen"

En komplet mikrobiota er en kontinuerlig metabolisk kæde af reaktioner, der nedbryder energirige fibre til energifattige forbindelser. I dette tilfælde bliver hver mellemmetabolit, der stadig indeholder energi, assimileret af den næste bakterie i den metaboliske kæde, der er i stand til at syntetisere enzymer til dens nedbrydning og absorbere sin del af energien. De endelige metabolitter af den kontinuerlige metaboliske kædes funktion er kortkædede fedtsyrer, som hovedsageligt kataboliseres af tarmceller og ikke sublimeres i fedtvæv, og nogle af dem hæmmer endda lipogenese og undertrykker appetitten. En fuldgyldig mikrobiota udnytter således næsten fuldstændig fiberens energi og beskytter værten mod fedme, selvom han misbruger hurtige kulhydrater.

I modsætning til normal mikroflora er "fedmemikrobiotaen" monoton på grund af de manglende arter, slægter eller hele familier af bakterier, derfor er den ikke i stand til at danne en kontinuerlig metabolisk kæde. Da forskellige typer fibre nedbrydes af mange repræsentanter for mikrobiotaen, blokerer fraværet af nogle af dem ikke begyndelsen af den metaboliske kæde, og kostfibre nedbrydes sikkert til mellemmetabolitter. Til gengæld fører fraværet af bakteriearter, der specifikt nedbryder mellemmetabolitter, til akkumulering af sidstnævnte i tarmens lumen. I modsætning til fibre er mellemmetabolitter i stand til at blive absorberet af kroppen, herunder at øge reserverne af fedtvæv. Således indeholder "fedmemikrobiotaen" en slags huller, hvorigennem energi "strømmer" ind i menneskekroppen.

Den påståede "fedmemikrobiota" er blevet understøttet af eksperimenter med transplantation af fæces fra mennesker med forskellig fysik til sterile mus. For at udelukke andre faktorer blev mikrobiotaen til transplantation rekrutteret fra 8 tvillinger, hvis par var forskellige i tilstedeværelsen og fraværet af fedme, og mus, som modtog mikrobiota fra mennesker med forskellig fysik, levede separat. Mikrobiotaen afledt af overvægtige tvillinger havde en sparsom artssammensætning sammenlignet med den mere forskelligartede mikrobiota af tvillinger med normal krop.

Som et resultat af eksperimentet viste mus, der modtog "fedmemikrobiotaen", en betydelig stigning i kropsfedt allerede på 8. dagen efter transplantationen. Samtidig forblev fedtmassen i mus, der modtog mikrobiota fra tvillinger med normal kropsvægt, uden væsentlige ændringer under hele forsøget.

Derudover besluttede forfatterne af denne undersøgelse at teste smitsomheden af fedme. Til dette blev musene opnået som et resultat af transplantation af forskellige mikrobioter anbragt i et fælles bur efter 5 dage. Kontrollen af kropsvægt og kropssammensætning på 10. samlivsdag viste, at mus, der modtog "fedmemikrobiotaen", tog mindre fedt på end tilsvarende mus i den første del af forsøget (levede isoleret), og adskilte sig praktisk talt ikke fra samboende. mus, der modtog mikrobiota fra tvillinger med normal fysik. Mikrobiomanalyse viste en stigning i mikrobiota-diversitet hos mus, der oprindeligt modtog en ensartet "fedmemikrobiota". Det er vigtigt, at magre mus, der oprindeligt modtog en forskelligartet mikrobiota, ikke fik fedme fra deres samlevere.

Analyse af metabolitter i tarmen viste, at der efter samliv i mus, der oprindeligt fik "fedmemikrobiotaen", var et fald i disaccharider og en stigning i kortkædede fedtsyrer. Det viste sig således, at en mangfoldig mikrobiota beskytter mod udvikling af fedme, og transplantation eller naturlig overførsel af en sådan mikrobiota til overvægtige mus fører til en normalisering af kropsvægt.

Konklusion

Det skal bemærkes, at mus er koprofager, hvilket i høj grad letter den naturlige udveksling af mikrobiota mellem samlevende. Imidlertid kan resultaterne af undersøgelser af mikrobiota og epidemiologi af fedme hos mennesker også forklares ved udveksling af mikroflora gennem sociale interaktioner. Ovenfor talte jeg om, hvordan det at gå i børnehave øger mikrobiotaens mangfoldighed, men udvekslingen af mikroflora kan også ske gennem andre sociale forbindelser og potentielt påvirke risikoen for fedme. For eksempel gjorde en analyse af lægejournalerne for 1.519 familier af amerikansk militærpersonel det muligt at fastslå, at kropsmasseindekset for familiemedlemmer efter at være blevet tildelt en ny tjenestestation inden for 24 måneder ændrede sig i overensstemmelse med indikatorerne for befolkningen i området. Forfatterne til denne og 45 andre lignende undersøgelser tyder på, at forskelle i vores fysik fra den i nærmiljøet kan øge psykologisk ubehag, og det påvirker igen spiseadfærd og fysisk aktivitet. Forsøg på at bevise denne årsagssammenhæng har dog indtil videre været forgæves. I mellemtiden kan udvekslingen af mikrobiota gennem miljøet og direkte kontakter forklare dette fænomen.

I denne sammenhæng kan min livserfaring også være interessant. Jeg selv er stadig drish og ordsproget "ikke til et hestefoder" handler om mig! Og siden jeg mødte min kone, begyndte hun at tabe sig fra år til år. Sandt nok havde hun aldrig fedme, men fra begyndelsen af vores forhold tabte hun sig mærkbart. Selv som studerende jokede hun med, at jeg havde smittet hende med mine orme, men så snart jeg fik arbejde i laboratoriet, tjekkede jeg alt og fandt intet af den slags. Så foreslog jeg for første gang, at sagen måske lå i det særlige ved min mikrobiota, som min kone gradvist adopterede. Desværre er det umuligt at studere disse funktioner i vores laboratorium, så jeg sendte en prøve af min "indre verden" til Atlas til analyse. Jeg vil skrive om resultaterne af analysen i den næste artikel, hvor jeg vil tale detaljeret om metoderne til at korrigere mikrobiotaen for at reducere kropsvægten (upd: en historie om resultaterne).