Zarnu flora: iegūstiet vairāk enerģijas no mazāk pārtikas

2024 Autors: Seth Attwood | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2023-12-16 16:11

Pārbaudot sievieti ar sūdzībām par pastāvīgu caureju un akūtām sāpēm vēderā, konstatēts akūts Clostridia izraisīts resnās zarnas iekaisums. Ņemot vērā baktēriju rezistenci pret antibiotikām, pacientam tika piedāvāta eksperimentāla, bet efektīva terapijas metode - donora mikrobiotas (zarnu mikrofloras) transplantācija.

Pēc 600 ml donora fekāliju suspensijas ievadīšanas pacienta zarnās slimības recidīvi vairs netika novēroti - donora mikrobiota veiksmīgi izspieda patogēnu un ieņēma tā nišas. Taču pēc gada sieviete sūdzējās ārstam par straujo svara pieaugumu, savukārt visu mūžu pirms transplantācijas viņai bija normāls un stabils ķermeņa svars. No procedūras brīža pieaugums bija 15 kg, un kopējais ķermeņa svars sasniedza 77 kg ar 155 cm augumu. Neskatoties uz fizisko sagatavotību un diētu, pacienta svars drīz pārsniedza 80 kg. Ārsts atzīmēja, ka kopumā veselam donoram ir arī liekais svars, un pieļāva aptaukošanās "piesārņojuma" iespēju caur mikrobiotu. No pirmā acu uzmetiena šādam drosmīgam pieņēmumam ir stabila pierādījumu bāze. Šajā rakstā es runāšu par mikrobiotas ietekmi uz gremošanu un to, kāpēc samazinās tās sugu daudzveidība, bet vienveidība palielina aptaukošanās risku.

glagolas.

Ievads

Aptaukošanās pārmantošanas iespējamība sasniedz 80%, bet individuālās atšķirības kodolgenomā veido mazāk nekā 2% no populācijas ķermeņa masas mainīguma. Turklāt kodolgenoms bērnam tiek nodots gandrīz vienādi no katra vecāka, bet bērni aptaukošanos pārmanto ievērojami biežāk no mātes. Šī parādība bieži tiek skaidrota ar ietekmi uz vielmaiņu mitohondrijās, kurām ir sava DNS un kuru spermas galvā nav, tāpēc mitohondriju genomu embrijs manto tikai no mātes olšūnas. Tomēr mitohondriju genoma pētījuma rezultāti izskaidro vēl mazāk aptaukošanās pārmantošanas gadījumu. Tātad, ja šīs slimības pārmantošanu tikai daļēji veicina kodola un mitohondriju genomi, tad varbūt aptaukošanās bērniem tiek pārnesta galvenokārt caur cilvēka trešo genomu - mikrobiomu (mikrobiotas gēnu kopumu), kas tiek mantots arī no māte?

Mikrobiomu iedzimtība un mainīgums

Intrauterīnu attīstību pavada absolūta augļa sterilitāte, kas pirmo reizi saņem mikrobiotu, pārvarot dzemdību kanālu dabisko dzemdību laikā. Tāpēc dabiski dzimušiem zīdaiņiem ir daudzveidīgāka mikrobiota nekā tiem, kas iegūti ar ķeizargriezienu. Turklāt pētījumi ir parādījuši, ka bērniem, kas dzimuši ar ķeizargriezienu, ir lielāks aptaukošanās risks. Tomēr šo bērnu mikrobiotas sastāvs zīdīšanas apstākļos pakāpeniski normalizējas, kas nodrošina bifidobaktēriju un laktobacillu dominēšanu, kas nomāc oportūnistisko bakterioīdu un klostrīdiju populācijas. Dabiskas dzemdības un barošana ar krūti veido mikrobiotas mugurkaulu, kas parasti ilgst visu mūžu. Turpmāka mikrobiotas bagātināšana ar cita veida baktērijām ir atkarīga no dzīvesveida.

Tā, piemēram, bērnudārza apmeklējums ir nozīmīgs un neatkarīgs faktors mikrobiotas sugu daudzveidības palielināšanā. Savukārt plašā antibiotiku un antiseptisko līdzekļu lietošana, kā arī stingri sanitārie un higiēnas standarti samazina mikrobiotas apmaiņas kursu starp cilvēkiem un tās daudzveidību (vairāk par antibiotiku ietekmi uz mikrobiotu un sliktu elpu lasiet šeit). Tādējādi mēs varam runāt par mikrobioma pārmantojamību un mainīgumu.

Mikrobiotas struktūra

Ar vecumu baktēriju šūnu skaits zarnās pakāpeniski sasniedz 100 triljonus, kas 10 reizes pārsniedz paša organisma šūnu skaitu pieaugušam cilvēkam. Tajā pašā laikā baktēriju mazā izmēra dēļ visa mikrobiota sver līdz 2 kg un iekļaujas resnajā zarnā.

Aptuveni 60% no taisnās zarnas satura veido mikroorganismi, kuru kolonijas aug uz augu barības (celulozes) šķiedrām, izmantojot tos kā barību un skeletu, tādējādi veidojot fekāliju kunkuļainu konsistenci. Neskatoties uz ievērojamo baktēriju skaitu, to mijiedarbību ar cilvēka ķermeni zinātnieki jau sen ir aplūkojuši stingri komensālisma ietvaros, kurā mikroorganisms gūst labumu no attiecībām, un makroorganisms nesaņem ne labumu, ne kaitējumu. Tomēr, attīstoties genotipēšanas metodēm, mikrobiotas jēdziens ir būtiski mainījies.

Konstatēts, ka mikrobiotas sugu daudzveidība sasniedz 300-700 mikroorganismu sugas, un to kopējais genoms sastāv no 10 miljoniem gēnu, kas ir 300 reižu vairāk nekā cilvēka genomā. Šāda mikrobioma gēnu summēšana un to skaita salīdzināšana ar cilvēku skaitu šeit nav tikai atslēgas vārds. Daudzi baktēriju gēni funkcionāli papildina cilvēka kodolgenomu, un mikroorganismu starpsugu mijiedarbība ir tik cieša, ka dažas sugas burtiski nevar dzīvot viena bez otras. Jaunākie atklājumi šajā virzienā ļāva runāt par abpusēji izdevīgām attiecībām starp cilvēku un mikrobiotu, un tās gēnu kopumu sauc par mikrobiomu jeb trešo cilvēka genomu. Lai ilustrētu, es minēšu konkrētu piemēru.

Mikrobiotas fizioloģija

Ar augu pārtiku mēs patērējam fruktozes polimērus (fruktānus), kurus mums nav savu enzīmu, lai sadalītu vienkāršos cukuros. Neapstrādāti fruktāni neuzsūcas, un to uzkrāšanās zarnās izraisa smagus traucējumus, un mutes dobumā tos izmanto kariesa baktērijas, lai piestiprinātos pie zobu emaljas. Mums palīdz bifidobaktērijas un laktobacilli, kuriem ir fermentu gēni fruktānu sadalīšanai laktātā un acetātā. Šie metabolīti rada skābākus apstākļus, kas samazina skābju jutīgo un caureju izraisošo oportūnistisko baktēriju vairošanos. Turklāt laktāts un acetāts kā enerģijas avots izmanto cita veida draudzīgu mikrofloru, kas ražo butirātu - galveno zarnu epitēlija šūnu enerģijas avotu un intracelulāro patogēnu iekļūšanas inhibitoru, un šis savienojums samazina arī risku. attīstās čūlainais kolīts un resnās zarnas vēzis. Tātad tikai daži baktēriju veidi sintezē ārstniecisku vielu no organismam bīstamām pārtikas sastāvdaļām un, pasargājot savu nišu no konkurentiem, kā bonusu cilvēkam, nomāc patogēnu augšanu viņa zarnās! Tagad iedomājieties, kā desmitiem un simtiem mikroorganismu sugu tiek apvienotas garākās un sazarotākās vielmaiņas ķēdēs, kas ražo neaizvietojamās aminoskābes, vitamīnus un citus metabolītus, tādējādi modulējot gremošanu, imunitāti un pat mūsu uzvedību, tostarp pārtiku.

Mikrobiota un aptaukošanās

Mikrobiotas nozīmīgā ietekme uz aptaukošanos vispirms tika pierādīta pilnīgi bez mikroorganismiem un audzēta sterilos apstākļos. Parasti sterilām pelēm parasti ir par 42% mazāk taukaudu nekā salīdzināmām pelēm ar mikrofloru. Tajā pašā laikā plānākas sterilas peles patērē par 29% vairāk barības nekā to pilnīgākās peles ar mikrofloru. Pētnieki pārnesa mikrofloru no normālām uz sterilām pelēm un novēroja taukaudu pieaugumu par 57% divu nedēļu laikā, neskatoties uz to, ka pārtikas patēriņš samazinājās par 27%!

Autori secināja, ka mikroflora palīdz iegūt vairāk enerģijas no mazāk pārtikas. Tajā pašā laikā gremošanas ar mikrofloru energoefektivitāte palielinās tik ļoti, ka no tā izrietošais kaloriju pārpalikums tiek uzkrāts taukaudos.

Šajā pētījumā iegūtie rezultāti ir saistīti ar zemo glikozidāžu daudzveidību, ko neatkarīgi sintezē zīdītāju ķermenis - fermenti, kas šķeļ saites sarežģītās ogļhidrātu molekulās, piemēram, augu šķiedrās. Salīdzinājumam, ja mūsu genomā ir tikai 20 gēni glikozidāžu sintēzei, tad tikai bakterioīdu sugas sintezē 261 veidu glikozidāzes, un visā mikrobiomā ir 250 000 gēnu šo enzīmu sintēzei. Tādējādi, ja nav mikrobiotas, enerģētiski bagātās šķiedras atstāj organismu ar izkārnījumiem, neatbilstot kaloriju vajadzībām, tāpēc sterilās peles ēd vairāk un sver mazāk nekā to kolēģes ar normālu mikrofloru. Šo pētījumu rezultāti neapzināti rada ideju par metodi aptaukošanās ārstēšanai, pilnībā iznīcinot mikrobiotu ar antibiotikām. Taču cilvēku un mikrobiotas kopevolūcija ir aizgājusi tik tālu, ka šīs idejas īstenošana nav iespējama un no klīniskā viedokļa ir ļoti bīstama.

Pirmkārt, atšķirībā no pelēm, mēs nevaram atļauties dzīvot sterilos apstākļos. Vidē ir daudz patogēnu mikroorganismu, kas labprāt ieņems no dabiskās mikrofloras brīvas nišas. Piemēram, sieviete, kuras klīniskais gadījums ir aprakstīts raksta sākumā, saslima ar Clostridia infekciju tieši pēc bakteriālās vaginozes ārstēšanas ar lielām antibiotiku devām. Otrkārt, jau minēju, ka bez mikrobiotas mēs paši nespējam noārdīt fruktānus, kuru uzkrāšanās ir pilna ar smagiem gremošanas traucējumiem. Un visbeidzot, treškārt, antibiotiku lietošana praksē uzrāda pretēju efektu – saasinās aptaukošanās, un daudzveidīgāka un sastāvam bagātāka mikrobiota pasargā no aptaukošanās.

Antibiotikas un aptaukošanās

Kopš pagājušā gadsimta vidus antibiotikas ir plaši izmantotas lauksaimniecībā, lai paātrinātu mājlopu svara pieaugumu. Šim nolūkam preparāti tiek nepārtraukti pievienoti barībai, kā rezultātā 70% no saražotajām antibiotikām tiek izlietoti lopkopībā.

Antibiotiku pozitīvā ietekme uz ķermeņa svaru jau izsenis tiek attiecināta uz infekciju profilaksi, jo vesels dzīvnieks ātrāk pieņemas svarā. Taču vēlāk tika pierādīts, ka šī atkarība ir saistīta ar izmaiņām mikrobiotas sastāvā. Līdzīga antibiotiku ietekme uz cilvēka ķermeņa svaru tika uzskatīta par maz ticamu, jo antibiotiku terapija tiek izmantota īsu laiku un sporādiski. Savukārt pirms 10 gadiem pētījumos tika konstatēts, ka pat viens antibiotiku kurss noved pie cilvēka mikrobiotas daudzveidības samazināšanās 4 gadu laikā. 2017. gada metaanalīze par pētījumiem, kuros piedalījās gandrīz 500 000 cilvēku, atklāja, ka antibiotiku lietošana zīdaiņa vecumā ievērojami palielināja aptaukošanās risku vēlākā dzīvē, un antibiotiku deva pozitīvi korelē ar aptaukošanos. Tādējādi paredzamā ķermeņa masas samazināšanās mikrobiotas nomākšanas rezultātā nenotiek, bet nākotnē, gluži pretēji, tiek novērota aptaukošanās attīstība. Jādomā, ka antibiotikas, selektīvi iznīcinot pret tām jutīgās normālās mikrofloras pārstāvjus, veido sava veida "aptaukošanās mikrobiotu".

Nepārtrauktas vielmaiņas ķēdes jēdziens un "aptaukošanās mikrobiota"

Pilnīga mikrobiota ir nepārtraukta vielmaiņas reakciju ķēde, kas sadala ar enerģiju bagātas šķiedras enerģētiski nabadzīgos savienojumos. Šajā gadījumā katru starpproduktu metabolītu, kas joprojām satur enerģiju, asimilē nākamā vielmaiņas ķēdes baktērija, kas spēj sintezēt fermentus tā sadalīšanai, absorbējot savu enerģijas daļu. Nepārtrauktās vielmaiņas ķēdes funkcionēšanas galīgie metabolīti ir īsās ķēdes taukskābes, kuras galvenokārt katabolizē zarnu šūnas un kuras taukaudos netiek sublimētas, un dažas no tām pat kavē lipoģenēzi un nomāc apetīti. Tādējādi pilnvērtīga mikrobiota gandrīz pilnībā izmanto šķiedrvielu enerģiju un pasargā saimnieku no aptaukošanās, pat ja viņš ļaunprātīgi izmanto ātros ogļhidrātus.

Atšķirībā no parastās mikrofloras "aptaukošanās mikrobiota" trūkstošo baktēriju sugu, ģinšu vai veselu ģimeņu dēļ ir monotona, tāpēc nespēj veidot nepārtrauktu vielmaiņas ķēdi. Tā kā daudzi mikrobiotas pārstāvji sadala dažāda veida šķiedrvielas, dažu to trūkums nebloķē vielmaiņas ķēdes sākumu un uztura šķiedras tiek droši sadalītas starpproduktos. Savukārt tādu baktēriju sugu trūkums, kas īpaši noārda starpproduktu metabolītus, noved pie to uzkrāšanās zarnu lūmenā. Atšķirībā no šķiedrvielām, starpproduktu metabolīti spēj uzsūkties organismā, tostarp palielinot taukaudu rezerves. Tādējādi "aptaukošanās mikrobiota" satur sava veida spraugas, pa kurām enerģija "ieplūst" cilvēka ķermenī.

Iespējamo "aptaukošanās mikrobiotu" apstiprina eksperimenti par fekāliju pārstādīšanu no cilvēkiem ar dažādu ķermeņa uzbūvi sterilām pelēm. Lai izslēgtu citus faktorus, transplantācijas mikrobiota tika savervēta no 8 dvīņiem, kuru pāri atšķīrās ar aptaukošanās esamību un neesamību, un peles, kuras saņēma mikrobiotu no cilvēkiem ar dažādu ķermeņa uzbūvi, dzīvoja atsevišķi. Mikrobiotai, kas iegūta no aptaukošanās dvīņiem, bija rets sugu sastāvs, salīdzinot ar daudzveidīgāko normālas miesasbūves dvīņu mikrobiotu.

Eksperimenta rezultātā pelēm, kuras saņēma "aptaukošanās mikrobiotu", jau 8. dienā pēc transplantācijas bija ievērojams ķermeņa tauku pieaugums. Tajā pašā laikā tauku masa pelēm, kuras saņēma mikrobiotu no dvīņiem ar normālu ķermeņa svaru, visā eksperimenta laikā saglabājās bez būtiskām izmaiņām.

Turklāt šī pētījuma autori nolēma pārbaudīt aptaukošanās lipīgumu. Šim nolūkam dažādas mikrobiotas transplantācijas rezultātā iegūtās peles pēc 5 dienām tika ievietotas kopējā būrī. Ķermeņa svara un ķermeņa sastāva kontrole 10. kopdzīves dienā parādīja, ka peles, kuras saņēma "aptaukošanās mikrobiotu", eksperimenta pirmajā daļā (dzīvo izolēti) ieguva mazāk tauku nekā līdzīgas peles un praktiski neatšķīrās no kopdzīves. pelēm, kuras saņēma mikrobiotu no dvīņiem ar normālu ķermeņa uzbūvi. Mikrobiomu analīze parādīja mikrobiotas daudzveidības palielināšanos pelēm, kuras sākotnēji saņēma vienotu "aptaukošanās mikrobiotu". Svarīgi, ka liesās peles, kuras sākotnēji saņēma daudzveidīgu mikrobiotu, nesaņēma aptaukošanos no saviem līdzdzīvotājiem.

Metabolītu analīze zarnās parādīja, ka pēc kopdzīves pelēm, kuras sākotnēji saņēma "aptaukošanās mikrobiotu", samazinājās disaharīdu līmenis un palielinājās īsās ķēdes taukskābes. Tādējādi tika konstatēts, ka daudzveidīga mikrobiota aizsargā pret aptaukošanās attīstību, un šādas mikrobiotas transplantācija vai dabiska pārnešana uz aptaukošanās pelēm noved pie ķermeņa svara normalizēšanas.

Secinājums

Jāatzīmē, ka peles ir koprofāgi, kas ievērojami atvieglo dabisko mikrobiotas apmaiņu starp kopdzīvniekiem. Tomēr pētījumu rezultāti par cilvēku aptaukošanās mikrobiotu un epidemioloģiju ir skaidrojami arī ar mikrofloras apmaiņu, izmantojot sociālo mijiedarbību. Iepriekš es runāju par to, kā bērnudārza apmeklēšana palielina mikrobiotas daudzveidību, bet mikrofloras apmaiņa var notikt arī caur citiem sociālajiem sakariem un potenciāli ietekmēt aptaukošanās risku. Piemēram, 1519 amerikāņu militārpersonu ģimeņu medicīnisko ierakstu analīze ļāva konstatēt, ka ģimenes locekļu ķermeņa masas indekss pēc norīkošanas uz jaunu dienesta vietu 24 mēnešu laikā mainījās atbilstoši Latvijas iedzīvotāju skaita rādītājiem. platība. Šī un 45 citu līdzīgu pētījumu autori liecina, ka mūsu ķermeņa uzbūves atšķirības no tuvākās vides var palielināt psiholoģisko diskomfortu, un tas, savukārt, ietekmē ēšanas uzvedību un fiziskās aktivitātes. Tomēr mēģinājumi pierādīt šo cēloņsakarību līdz šim ir bijuši nesekmīgi. Tikmēr mikrobiotas apmaiņa caur vidi un tiešiem kontaktiem var izskaidrot šo parādību.

Šajā kontekstā interesanta var būt arī mana dzīves pieredze. Es pats joprojām esmu drish un teiciens "nav par zirgu barību" ir par mani! Un kopš es satiku savu sievu, viņa sāka zaudēt svaru gadu no gada. Tiesa, viņai nekad nebija aptaukošanās, taču jau no mūsu attiecību sākuma viņa manāmi zaudēja svaru. Pat studentes gados viņa jokoja, ka es viņu inficēju ar saviem tārpiem, bet, tiklīdz dabūju darbu laboratorijā, es visu pārbaudīju un neko tādu neatradu. Tad es pirmo reizi izteicu domu, ka problēma varētu būt manas mikrobiotas īpatnībās, kuras mana sieva pamazām pārņēma. Diemžēl šīs īpašības mūsu laboratorijā nav iespējams izpētīt, tāpēc es nosūtīju savas "iekšējās pasaules" paraugu analīzei Atlasam. Par analīzes rezultātiem rakstīšu nākamajā rakstā, kurā sīkāk pastāstīšu par mikrobiotas korekcijas metodēm, lai samazinātu ķermeņa masu (upd: stāsts par rezultātiem).