Tarmflora: få mer energi från mindre mat

2024 Författare: Seth Attwood | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-16 16:17

Undersökning av en kvinna med klagomål om ihållande diarré och akut buksmärta visade akut inflammation i tjocktarmen orsakad av Clostridia. Med tanke på bakteriernas resistens mot antibiotika erbjöds patienten en experimentell men effektiv terapimetod - transplantation av donatormikrobiota (tarmmikroflora).

Efter införandet av 600 ml av en suspension av donatoravföring i patientens tarmar observerades inte längre återfall av sjukdomen - donatorns mikrobiota fördrev framgångsrikt patogenen och ockuperade dess nischer. Men ett år senare klagade kvinnan till läkaren över den snabba viktökningen, medan hon hela sitt liv före transplantationen hade en normal och stabil kroppsvikt. Från ögonblicket av proceduren var ökningen 15 kg, och den totala kroppsvikten nådde 77 kg med en höjd av 155 cm. Trots kondition och diet översteg patientens vikt snart 80 kg. Läkaren noterade att en allmänt frisk donator också är överviktig och tillät möjligheten av "kontamination" av fetma genom mikrobiotan. Vid första anblicken har ett sådant djärvt antagande en solid bevisbas. I den här artikeln kommer jag att prata om effekten av mikrobiota på matsmältningen, och varför dess artmångfald minskar, och enhetlighet ökar risken för fetma.

glagolas.

Introduktion

Sannolikheten för att ärva fetma når 80 %, men individuella skillnader i kärngenomet står för mindre än 2 % av variationen i kroppsvikt i befolkningen. Dessutom överförs kärngenomet till barnet nästan lika mycket från varje förälder, men barn ärver fetma med en betydligt högre frekvens från sina mammor. Detta fenomen förklaras ofta av påverkan på metabolismen av mitokondrier, som har sitt eget DNA och som saknas i spermiehuvudet; därför ärvs det mitokondriella genomet av embryot endast från moderns ägg. Men resultaten från en studie av mitokondriernas genom förklarar ännu färre fall av nedärvning av fetma. Således, om nedärvningen av denna sjukdom endast delvis förmedlas av kärn- och mitokondriernas genom, så kanske fetma överförs till barn främst genom det tredje mänskliga genomet - mikrobiomet (en uppsättning gener från mikrobiotan), som också ärvs från mamman?

Mikrobiom arv och variabilitet

Intrauterin utveckling åtföljs av absolut sterilitet hos fostret, som för första gången får mikrobiota, som övervinner födelsekanalen under naturlig förlossning. Därför har naturligt födda barn en mer varierad mikrobiota än de som utvinns genom kejsarsnitt. Studier har också visat att barn som föds med kejsarsnitt har en större risk för fetma. Icke desto mindre normaliseras mikrobiotans sammansättning hos dessa barn gradvis under tillståndet av amning, vilket säkerställer dominansen av bifidobakterier och laktobaciller, som undertrycker populationerna av opportunistiska bakterioider och klostridier. Naturlig förlossning och amning utgör ryggraden i mikrobiotan, som vanligtvis varar livet ut. Ytterligare anrikning av mikrobiotan med andra typer av bakterier beror på livsstilen.

Så till exempel är besök på dagis en betydande och oberoende faktor för att öka artmångfalden i mikrobiotan. Å andra sidan minskar den utbredda användningen av antibiotika och antiseptika, liksom strikta sanitära och hygieniska standarder, utbytet av mikrobiota mellan människor och dess mångfald (läs mer om antibiotikas effekt på mikrobiota och dålig andedräkt här). Således kan vi prata om ärftligheten och variationen hos mikrobiomet.

Mikrobiota struktur

Med åldern når antalet bakterieceller i tarmen gradvis 100 biljoner, vilket överstiger antalet kroppens egna celler hos en vuxen med 10 gånger. Samtidigt, på grund av bakteriernas lilla storlek, väger hela mikrobiotan upp till 2 kg och passar i tjocktarmen.

Cirka 60 % av innehållet i ändtarmen är mikroorganismer, vars kolonier växer på fibrerna av växtföda (cellulosa), använder dem som föda och ett skelett, och bildar därigenom en klumpig konsistens av avföring. Trots det betydande antalet bakterier har deras interaktion med människokroppen länge ansetts av forskare strikt inom ramen för kommensalism, där mikroorganismen drar nytta av förhållandet, och makroorganismen får varken nytta eller skada. Men med utvecklingen av genotypningsmetoder har begreppet mikrobiota förändrats avsevärt.

Man fann att artmångfalden av mikrobiota når 300-700 arter av mikroorganismer, och deras totala genom består av 10 miljoner gener, vilket är 300 gånger större än det mänskliga genomet. En sådan summering av generna i mikrobiomet och en jämförelse av deras antal med det hos människor är inte bara ett ledord här. Många bakteriegener kompletterar funktionellt det mänskliga kärngenomet, och interartsinteraktionen mellan mikroorganismer är så nära att vissa arter bokstavligen inte kan leva utan varandra. Nya upptäckter i denna riktning gjorde det möjligt att tala om det ömsesidigt fördelaktiga förhållandet mellan människan och mikrobiotan, och hela dess gener kallas mikrobiomet eller det tredje mänskliga genomet. För att illustrera ska jag ge ett specifikt exempel.

Mikrobiota fysiologi

Med vegetabiliska livsmedel konsumerar vi fruktospolymerer (fruktaner), som vi inte har våra egna enzymer för att bryta ner till enkla sockerarter. Obehandlade fruktaner absorberas inte, och deras ansamling i tarmarna orsakar allvarliga störningar, och i munhålan används de av kariesbakterier för att fästa på tandemaljen. Vi får hjälp av bifidobakterier och laktobaciller som har enzymgener för att dela fruktaner till laktat och acetat. Dessa metaboliter skapar surare förhållanden som minskar spridningen av syrakänsliga och diarréorsakande opportunistiska bakterier. Dessutom använder laktat och acetat andra typer av vänlig mikroflora som energikälla, som producerar butyrat - den huvudsakliga energikällan för tarmepitelceller och en hämmare av penetrationen av intracellulära patogener i dem, och denna förening minskar också risken för utveckla ulcerös kolit och tjocktarmscancer. Så, bara ett fåtal typer av bakterier syntetiserar ett helande ämne från livsmedelskomponenter som är farliga för kroppen, och skyddar deras nisch från konkurrenter, som en bonus för en person, undertrycker tillväxten av patogener i hans tarmar! Föreställ dig nu hur dussintals och hundratals arter av mikroorganismer kombineras till längre och mer grenade metaboliska kedjor som producerar essentiella aminosyror, vitaminer och andra metaboliter, och därigenom modulerar matsmältningen, immuniteten och till och med vårt beteende, inklusive mat.

Mikrobiota och fetma

Den signifikanta effekten av mikrobiota på fetma visades först i helt utan mikroorganismer och odlades under sterila förhållanden. Vanligtvis har sterila möss vanligtvis 42 % mindre fettvävnad än jämförbara möss med mikroflora. Samtidigt konsumerar tunnare sterila möss 29 % mer mat än sina mer kompletta motsvarigheter med mikroflora. Forskare överförde mikroflora från normala till sterila möss och observerade en 57% ökning av fettvävnaden inom två veckor, trots en 27% minskning av matintaget!

Författarna drog slutsatsen att mikrofloran hjälper till att extrahera mer energi från mindre mat. Samtidigt ökar energieffektiviteten för matsmältningen med mikroflora så mycket att det resulterande överskottet av kalorier lagras i fettvävnaden.

Resultaten som erhålls i denna studie beror på den låga variationen av glykosidaser som syntetiseras oberoende av däggdjurskroppen - enzymer för att klyva bindningar i komplexa kolhydratmolekyler som växtfibrer. Som jämförelse, om det i vårt genom bara finns 20 gener för syntesen av glykosidaser, så syntetiserar bakterioidarten ensam 261 typer av glykosidaser, och hela mikrobiomet innehåller 250 000 gener för syntesen av dessa enzymer. Således, i frånvaro av mikrobiota, lämnar energirika fibrer kroppen med avföring, och uppfyller inte kaloribehovet, så sterila möss äter mer och väger mindre än sina motsvarigheter med normal mikroflora. Resultaten av dessa studier ger omedvetet upphov till idén om en metod för att behandla fetma genom total förstörelse av mikrobiotan med antibiotika. Samevolutionen av människor och mikrobiota har dock gått så långt att genomförandet av denna idé är omöjligt, och ur klinisk synvinkel är det mycket farligt.

För det första, till skillnad från möss, har vi inte råd att leva under sterila förhållanden. Miljön innehåller många patogena mikroorganismer som gärna ockuperar nischer fria från naturlig mikroflora. Till exempel fick en kvinna vars kliniska fall anges i början av artikeln en infektion med Clostridia precis efter att ha behandlats för bakteriell vaginos med höga doser antibiotika. För det andra har jag redan nämnt att utan mikrobiota kan vi inte bryta ner fruktaner på egen hand, vars ackumulering är fylld med allvarliga matsmältningsstörningar. Och slutligen, för det tredje, visar användningen av antibiotika i praktiken den motsatta effekten - fetma förvärras, och en mer mångsidig och rik på sammansättning mikrobiota skyddar mot fetma.

Antibiotika och fetma

Sedan mitten av förra seklet har antibiotika använts i stor utsträckning inom jordbruket för att påskynda viktökningen hos boskap. För detta ändamål tillsätts preparaten löpande till fodret, vilket gör att 70 % av den producerade antibiotikan går till djurhållning.

Den positiva effekten av antibiotika på kroppsvikten har länge tillskrivits förebyggande av infektioner, eftersom ett friskt djur går upp i vikt snabbare. Men senare bevisades det att detta beroende förmedlas av förändringar i mikrobiotans sammansättning. En liknande effekt av antibiotika på mänsklig kroppsvikt ansågs osannolik, eftersom antibiotikabehandling används under en kort tid och sporadiskt. Under tiden, för 10 år sedan i studier, fann man att även en enda antibiotikakur leder till en minskning av mångfalden av den mänskliga mikrobiotan inom 4 år. En metaanalys från 2017 av studier på nästan 500 000 människor fann att antibiotikaanvändning i spädbarnsåldern avsevärt ökade risken för fetma senare i livet, med antibiotikados positivt korrelerat med fetma. Således inträffar inte den förväntade minskningen av kroppsvikten som ett resultat av undertryckandet av mikrobiotan, men i framtiden, tvärtom, observeras utvecklingen av fetma. Förmodligen bildar antibiotika, som selektivt förstör representanter för den normala mikrofloran som är känslig för dem, en slags "fetmamikrobiota".

Konceptet med den kontinuerliga metaboliska kedjan och "fetmamikrobiotan"

En komplett mikrobiota är en kontinuerlig metabolisk kedja av reaktioner som bryter ner energirika fibrer till energifattiga föreningar. I det här fallet assimileras varje mellanmetabolit som fortfarande innehåller energi av nästa bakterie i den metabola kedjan, som kan syntetisera enzymer för dess nedbrytning, absorbera sin del av energin. De slutliga metaboliterna för den kontinuerliga metaboliska kedjans funktion är kortkedjiga fettsyror, som huvudsakligen kataboliseras av tarmceller och inte sublimeras i fettvävnad, och några av dem hämmar till och med lipogenes och undertrycker aptiten. En fullfjädrad mikrobiota utnyttjar alltså nästan helt fiberenergin och skyddar värden från fetma, även om han missbrukar snabba kolhydrater.

Till skillnad från normal mikroflora är "fetmamikrobiotan" monoton på grund av de saknade arterna, släktena eller hela familjer av bakterier, därför kan den inte bilda en kontinuerlig metabolisk kedja. Eftersom olika typer av fibrer bryts ned av många representanter för mikrobiotan, blockerar frånvaron av några av dem inte början av den metaboliska kedjan och kostfiber bryts säkert ned till mellanliggande metaboliter. I sin tur leder frånvaron av bakteriearter som specifikt bryter ned intermediära metaboliter till ackumulering av de senare i tarmens lumen. Till skillnad från fiber kan mellanliggande metaboliter absorberas av kroppen, inklusive att öka reserverna av fettvävnad. Således innehåller "fetmamikrobiotan" ett slags luckor genom vilka energi "strömmar" in i människokroppen.

Den påstådda "fetmamikrobiotan" har fått stöd av experiment på transplantation av avföring från människor med olika kroppsbyggnad till sterila möss. För att utesluta andra faktorer rekryterades mikrobiotan för transplantation från 8 tvillingar, vars par skilde sig åt i närvaro och frånvaro av fetma, och möss, som fick mikrobiota från människor med olika kroppsbyggnad, levde separat. Mikrobiotan som härrörde från överviktiga tvillingar hade en gles artsammansättning jämfört med den mer skiftande mikrobiotan hos tvillingar med normal kropp.

Som ett resultat av experimentet visade möss som fick "fetmamikrobiotan" en betydande ökning av kroppsfett redan den 8:e dagen efter transplantationen. Samtidigt förblev fettmassan hos möss som fick mikrobiota från tvillingar med normal kroppsvikt utan betydande förändringar under hela experimentet.

Dessutom beslutade författarna till denna studie att testa smittsamheten av fetma. För detta placerades mössen som erhållits som ett resultat av transplantation av olika mikrobiota i en gemensam bur efter 5 dagar. Kontrollen av kroppsvikt och kroppssammansättning den 10:e dagen av samlivet visade att möss som fick "fetmamikrobiotan" fick mindre fett än liknande möss i den första delen av experimentet (som levde isolerat), och praktiskt taget inte skilde sig från samboende. möss som fått mikrobiota från tvillingar med normal kroppsbyggnad. Mikrobiomanalys visade en ökning av mikrobiotadiversiteten hos möss som initialt fick en enhetlig "fetmamikrobiota". Viktigt är att magra möss som initialt fick en mångsidig mikrobiota inte drabbades av fetma från sina sambo.

Analys av metaboliter i tarmen visade att efter samlevnad i möss som initialt fick "fetmamikrobiotan" skedde en minskning av disackarider och en ökning av kortkedjiga fettsyror. Således fann man att en mångsidig mikrobiota skyddar mot utveckling av fetma, och transplantation eller naturlig överföring av sådan mikrobiota till överviktiga möss leder till en normalisering av kroppsvikten.

Slutsats

Det bör noteras att möss är koprofager, vilket i hög grad underlättar det naturliga utbytet av mikrobiota mellan sambor. Men resultaten av studier om mikrobiotan och epidemiologin av fetma hos människor kan också förklaras av utbyte av mikroflora genom sociala interaktioner. Ovan pratade jag om hur att gå på dagis ökar mångfalden av mikrobiotan, men utbyte av mikroflora kan även ske genom andra sociala kopplingar och potentiellt påverka risken för fetma. Till exempel gjorde en analys av journalerna för 1 519 familjer av amerikansk militär personal det möjligt att fastställa att kroppsmassaindex för familjemedlemmar efter att ha tilldelats en ny tjänstgöringsstation inom 24 månader ändrades i enlighet med indikatorerna för befolkningen i området. Författarna till denna och 45 andra liknande studier tyder på att skillnader i vår kroppsbyggnad från den närmaste miljön kan öka psykiska besvär, och detta i sin tur påverkar ätbeteende och fysisk aktivitet. Men försök att bevisa detta orsakssamband har hittills misslyckats. Under tiden kan utbyte av mikrobiota genom miljön och direkta kontakter förklara detta fenomen.

I sammanhanget kan också min livserfarenhet vara intressant. Själv är jag fortfarande drös och talesättet "inte för ett hästfoder" handlar om mig! Och sedan jag träffade min fru började hon gå ner i vikt från år till år. Visserligen hade hon aldrig fetma, men från början av vårt förhållande gick hon ner märkbart i vikt. Redan som student skämtade hon om att jag smittade henne med mina maskar, men så fort jag fick jobb på laboratoriet kollade jag allt och hittade inget sådant. Sedan föreslog jag för första gången att saken kunde ligga i min mikrobiota, som min fru gradvis adopterade. Tyvärr är det omöjligt att studera dessa egenskaper i vårt laboratorium, så jag skickade ett prov av min "inre värld" till Atlas för analys. Jag kommer att skriva om resultaten av analysen i nästa artikel, där jag kommer att prata i detalj om metoderna för att korrigera mikrobiotan för att minska kroppsvikten (uppd: en berättelse om resultaten).