Flora intestinală: obțineți mai multă energie din mai puține alimente

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Modificat ultima dată: 2023-12-16 16:15

Examinarea unei femei cu plângeri de diaree persistentă și durere abdominală acută a evidențiat o inflamație acută a colonului cauzată de Clostridia. Având în vedere rezistența bacteriilor la antibiotice, pacientului i s-a oferit o metodă experimentală, dar eficientă de terapie - transplantul de microbiotă a donatorului (microflora intestinală).

După introducerea a 600 ml dintr-o suspensie de fecale donatorului în intestinele pacientului, nu au mai fost observate recidive ale bolii - microbiota donatorului a înlocuit cu succes agentul patogen și i-a ocupat nișele. Cu toate acestea, un an mai târziu, femeia s-a plâns medicului de creșterea rapidă în greutate, în timp ce toată viața înainte de transplant a avut o greutate corporală normală și stabilă. Din momentul procedurii, creșterea a fost de 15 kg, iar greutatea corporală totală a ajuns la 77 kg cu o înălțime de 155 cm. În ciuda fitnessului și dietei, greutatea pacientului a depășit în curând 80 kg. Medicul a remarcat că un donator în general sănătos este, de asemenea, supraponderal și a permis posibilitatea de „contaminare” a obezității prin microbiotă. La prima vedere, o astfel de presupunere îndrăzneață are o bază solidă de dovezi. În acest articol, voi vorbi despre efectul microbiotei asupra digestiei și de ce diversitatea speciilor acesteia scade, iar uniformitatea crește riscul de obezitate.

glagole.

Introducere

Probabilitatea de a moșteni obezitatea ajunge la 80%, dar diferențele individuale în genomul nuclear reprezintă mai puțin de 2% din variabilitatea greutății corporale în populație. În plus, genomul nuclear este transmis copilului aproape în mod egal de la fiecare părinte, dar copiii moștenesc obezitatea cu o frecvență semnificativ mai mare de la mame. Acest fenomen se explică adesea prin influența asupra metabolismului mitocondriilor, care au propriul ADN și care sunt absente în capul spermatozoizilor; prin urmare, genomul mitocondrial este moștenit de embrion doar din ovulul mamei. Cu toate acestea, rezultatele unui studiu al genomului mitocondrial explică și mai puține cazuri de moștenire a obezității. Astfel, dacă moștenirea acestei boli este mediată doar parțial de genomul nuclear și mitocondrial, atunci poate că obezitatea se transmite copiilor în principal prin cel de-al treilea genom uman - microbiomul (un set de gene ale microbiotei), care este, de asemenea, moștenit din mama?

Moștenirea și variabilitatea microbiomului

Dezvoltarea intrauterina este insotita de sterilitatea absoluta a fatului, care primeste pentru prima data microbiota, depasind canalul de nastere in timpul nasterii naturale. Prin urmare, bebelușii născuți natural au o microbiotă mai diversă decât cei extrași prin operație cezariană. De asemenea, studiile au arătat că copiii născuți prin cezariană prezintă un risc mai mare de obezitate. Cu toate acestea, compoziția microbiotei la acești copii se normalizează treptat în condițiile alăptării, ceea ce asigură dominanța bifidobacteriilor și a lactobacililor, care suprimă populațiile de bacterioide oportuniste și clostridii. Nașterea naturală și alăptarea formează coloana vertebrală a microbiotei, care de obicei durează toată viața. Îmbogățirea în continuare a microbiotei cu alte tipuri de bacterii depinde de stilul de viață.

Așadar, de exemplu, vizitarea grădiniței este un factor semnificativ și independent în creșterea diversității de specii a microbiotei. Pe de altă parte, utilizarea pe scară largă a antibioticelor și antisepticelor, precum și standardele stricte sanitare și de igienă, reduc cursul de schimb al microbiotei între oameni și diversitatea acesteia (citiți mai multe despre efectul antibioticelor asupra microbiotei și respirației urât mirositoare aici). Astfel, putem vorbi despre ereditabilitatea și variabilitatea microbiomului.

Structura microbiotei

Odată cu vârsta, numărul de celule bacteriene din intestin ajunge treptat la 100 de trilioane, ceea ce depășește de 10 ori numărul celulelor proprii ale corpului la un adult. În același timp, datorită dimensiunii mici a bacteriilor, întreaga microbiotă cântărește până la 2 kg și se potrivește în intestinul gros.

Aproximativ 60% din conținutul rectului sunt microorganisme, ale căror colonii cresc pe fibrele hranei pentru plante (celuloză), folosindu-le ca hrană și ca schelet, formând astfel o consistență noduloasă a fecalelor. În ciuda numărului semnificativ de bacterii, interacțiunea lor cu corpul uman a fost mult timp considerată de oamenii de știință strict în cadrul comensalismului, în care microorganismul beneficiază de relație, iar macroorganismul nu primește nici beneficii, nici rău. Cu toate acestea, odată cu dezvoltarea metodelor de genotipizare, conceptul de microbiotă s-a schimbat semnificativ.

S-a constatat că diversitatea speciilor de microbiotă ajunge la 300-700 de specii de microorganisme, iar genomul total al acestora este format din 10 milioane de gene, ceea ce este de 300 de ori mai mare decât genomul uman. O astfel de însumare a genelor microbiomului și o comparație a numărului lor cu cel de la oameni nu este doar un slogan aici. Multe gene bacteriene completează funcțional genomul nuclear uman, iar interacțiunea între specii a microorganismelor este atât de apropiată încât unele specii literalmente nu pot trăi unele fără altele. Descoperirile recente în această direcție au făcut posibil să se vorbească despre relația reciproc avantajoasă dintre om și microbiotă, iar totalitatea genelor acesteia se numește microbiom sau al treilea genom uman. Pentru a ilustra, voi da un exemplu concret.

Fiziologia microbiotei

Cu alimentele vegetale, consumăm polimeri de fructoză (fructani), pe care nu le avem propriile enzime pentru a le descompune în zaharuri simple. Fructanii netratati nu sunt absorbiti, iar acumularea lor in intestine determina tulburari severe, iar in cavitatea bucala sunt folositi de bacteriile carioase pentru a se atasa de smaltul dintilor. Suntem ajutați de bifidobacterii și lactobacili, care au gene enzimatice pentru scindarea fructanilor în lactat și acetat. Acești metaboliți creează condiții mai acide care reduc proliferarea bacteriilor oportuniste sensibile la acid și care cauzează diaree. În plus, lactatul și acetatul folosesc alte tipuri de microfloră prietenoasă ca sursă de energie, care produc butirat - principala sursă de energie pentru celulele epiteliale intestinale și un inhibitor al pătrunderii agenților patogeni intracelulari în ele, iar acest compus reduce, de asemenea, riscul de apariție. dezvoltarea de colită ulcerativă și cancer de colon. Deci, doar câteva tipuri de bacterii sintetizează o substanță vindecătoare din componentele alimentare periculoase pentru organism și, protejându-și nișa de concurenți, ca un bonus pentru o persoană, suprimă creșterea agenților patogeni în intestinele sale! Acum imaginați-vă cum zeci și sute de specii de microorganisme sunt combinate în lanțuri metabolice mai lungi și mai ramificate care produc aminoacizi esențiali, vitamine și alți metaboliți, modulând astfel digestia, imunitatea și chiar comportamentul nostru, inclusiv alimentația.

Microbiota și obezitatea

Efectul semnificativ al microbiotei asupra obezității a fost demonstrat pentru prima dată în lipsă complet de microorganisme și crescută în condiții sterile. De obicei, șoarecii sterili au de obicei cu 42% mai puțin țesut adipos decât șoarecii comparabili cu microfloră. În același timp, șoarecii sterili mai subțiri consumă cu 29% mai multă hrană decât omologii lor mai completi cu microfloră. Cercetătorii au transferat microflora de la șoareci normali la cei sterili și au observat o creștere cu 57% a țesutului adipos în decurs de două săptămâni, în ciuda unei scăderi de 27% a aportului de alimente!

Autorii au concluzionat că microflora ajută la extragerea mai multă energie din mai puține alimente. În același timp, eficiența energetică a digestiei cu microfloră crește atât de mult încât excesul de calorii rezultat este stocat în țesutul adipos.

Rezultatele obținute în acest studiu se datorează varietății scăzute de glicozidaze sintetizate independent de organismul mamiferelor - enzime pentru scindarea legăturilor din moleculele de carbohidrați complexe precum fibra vegetală. Spre comparație, dacă în genomul nostru există doar 20 de gene pentru sinteza glicozidazelor, atunci doar specia bacterioidă sintetizează 261 de tipuri de glicozidaze, iar întregul microbiom conține 250.000 de gene pentru sinteza acestor enzime. Astfel, în absența microbiotei, fibrele bogate în energie părăsesc corpul cu fecale, neîntâmpinând necesarul de calorii, așa că șoarecii sterili mănâncă mai mult și cântăresc mai puțin decât omologii lor cu microfloră normală. Rezultatele acestor studii dau naștere fără să vrea ideea unei metode de tratare a obezității prin distrugerea totală a microbiotei cu antibiotice. Totuși, co-evoluția oamenilor și a microbiotei a mers atât de departe încât implementarea acestei idei este imposibilă, iar din punct de vedere clinic, este foarte periculoasă.

În primul rând, spre deosebire de șoareci, nu ne putem permite să trăim în condiții sterile. Mediul conține multe microorganisme patogene care vor fi bucuroși să ocupe nișe libere de microfloră naturală. De exemplu, o femeie al cărei caz clinic este dat la începutul articolului a luat o infecție cu Clostridia imediat după ce a fost tratată pentru vaginoză bacteriană cu doze mari de antibiotice. În al doilea rând, am menționat deja că, fără microbiotă, nu suntem capabili să descompunăm singuri fructanii, a căror acumulare este plină de tulburări digestive severe. Și, în sfârșit, în al treilea rând, utilizarea antibioticelor în practică arată efectul opus - obezitatea este agravată, iar o microbiotă mai diversă și mai bogată în compoziție protejează împotriva obezității.

Antibiotice și obezitate

De la mijlocul secolului trecut, antibioticele au fost utilizate pe scară largă în agricultură pentru a accelera creșterea în greutate a animalelor. În acest scop, preparatele sunt adăugate în hrană în mod continuu, drept urmare 70% din antibioticele produse sunt cheltuite pentru creșterea animalelor.

Efectul pozitiv al antibioticelor asupra greutății corporale a fost mult timp atribuit prevenirii infecțiilor, deoarece un animal sănătos se îngrașă mai repede. Dar mai târziu s-a dovedit că această dependență este mediată de modificări în compoziția microbiotei. Un efect similar al antibioticelor asupra greutății corpului uman a fost considerat puțin probabil, deoarece terapia cu antibiotice este utilizată pentru o perioadă scurtă de timp și sporadic. Între timp, în urmă cu 10 ani în studii s-a constatat că chiar și un singur curs de antibiotice duce la scăderea diversității microbiotei umane în decurs de 4 ani. O meta-analiză din 2017 a unor studii efectuate pe aproape 500.000 de persoane a constatat că utilizarea antibioticelor în copilărie a crescut semnificativ riscul de obezitate mai târziu în viață, doza de antibiotice corelând pozitiv cu obezitatea. Astfel, scăderea așteptată a greutății corporale ca urmare a suprimării microbiotei nu are loc, ci în viitor, dimpotrivă, se observă dezvoltarea obezității. Se presupune că antibioticele, care distrug în mod selectiv reprezentanții microflorei normale sensibile la aceștia, formează un fel de „microbiotă a obezității”.

Conceptul de lanț metabolic continuu și „microbiota obezității”

O microbiotă completă este un lanț metabolic continuu de reacții care descompune fibrele bogate în energie în compuși săraci în energie. În acest caz, fiecare metabolit intermediar care încă mai conține energie este asimilat de următoarea bacterie din lanțul metabolic, capabilă să sintetizeze enzime pentru descompunerea acestuia, absorbind porțiunea sa de energie. Metaboliții finali ai funcționării lanțului metabolic continuu sunt acizii grași cu lanț scurt, care sunt în principal catabolizați de celulele intestinale și nu sunt sublimați în țesutul adipos, iar unii dintre ei chiar inhibă lipogeneza și suprimă apetitul. Astfel, o microbiotă cu drepturi depline utilizează aproape în totalitate energia fibrelor și protejează gazda de obezitate, chiar dacă abuzează de carbohidrații rapizi.

Spre deosebire de microflora normală, „microflora obezității” este monotonă din cauza speciilor, genurilor sau familiilor întregi de bacterii lipsă, prin urmare nu este capabilă să formeze un lanț metabolic continuu. Deoarece diferite tipuri de fibre sunt descompuse de mulți reprezentanți ai microbiotei, absența unora dintre ele nu blochează începutul lanțului metabolic, iar fibrele alimentare sunt descompuse în siguranță în metaboliți intermediari. La rândul său, absența speciilor bacteriene care descompun în mod specific metaboliții intermediari duce la acumularea acestora din urmă în lumenul intestinal. Spre deosebire de fibre, metaboliții intermediari sunt capabili să fie absorbiți de organism, inclusiv creșterea rezervelor de țesut adipos. Astfel, „microbiota obezității” conține un fel de goluri prin care „curge” energia în corpul uman.

Presupusa „microbiotă a obezității” a fost susținută de experimente privind transplantul de fecale de la oameni de diferite corp la șoareci sterili. Pentru a exclude alți factori, microbiota pentru transplant a fost recrutată din 8 gemeni, ale căror perechi diferă prin prezența și absența obezității, iar șoarecii, care au primit microbiota de la persoane cu fizice diferite, au trăit separat. Microbiota derivată de la gemeni obezi a avut o compoziție rară a speciilor în comparație cu microbiota mai diversă a gemenilor cu corp normal.

Ca rezultat al experimentului, șoarecii care au primit „microbiota obezității” au arătat un câștig semnificativ în grăsime corporală deja în a 8-a zi după transplant. În același timp, masa de grăsime la șoarecii care au primit microbiotă de la gemeni cu greutate corporală normală a rămas fără modificări semnificative pe tot parcursul experimentului.

În plus, autorii acestui studiu au decis să testeze contagiozitatea obezității. Pentru aceasta, șoarecii obținuți în urma transplantului de microbiotă diferită au fost plasați într-o cușcă comună după 5 zile. Controlul greutății corporale și al compoziției corporale în a 10-a zi de conviețuire a arătat că șoarecii care au primit „microbiota obezității” au câștigat mai puțină grăsime decât șoarecii similari în prima parte a experimentului (care trăiesc în izolare) și practic nu diferă de coabitarea soareci care au primit microbiota de la gemeni cu un fizic normal. Analiza microbiomului a arătat o creștere a diversității microbiotei la șoarecii care au primit inițial o „microbiotă obezitate” uniformă. Important este că șoarecii slabi care au primit inițial o microbiotă diversă nu au contractat obezitate de la coabitatorii lor.

Analiza metaboliților din intestin a arătat că, după coabitarea la șoarecii care au primit inițial „microbiota obezității”, a existat o scădere a dizaharidelor și o creștere a acizilor grași cu lanț scurt. Astfel, s-a constatat că o microbiotă diversă protejează împotriva dezvoltării obezității, iar transplantul sau transferul natural al unei astfel de microbiote la șoareci obezi duce la o normalizare a greutății corporale.

Concluzie

Trebuie remarcat faptul că șoarecii sunt coprofagi, ceea ce facilitează foarte mult schimbul natural de microbiotă între conviețuitori. Cu toate acestea, rezultatele studiilor privind microbiota și epidemiologia obezității la om pot fi explicate și prin schimbul de microfloră prin interacțiuni sociale. Mai sus, am vorbit despre modul în care mersul la grădiniță crește diversitatea microbiotei, dar schimbul de microfloră poate avea loc și prin alte conexiuni sociale și poate afecta riscul de obezitate. De exemplu, o analiză a dosarelor medicale a 1.519 familii de militari americani a permis să se stabilească că indicele de masă corporală al membrilor familiei după ce au fost repartizați într-un nou loc de muncă în decurs de 24 de luni s-a modificat în conformitate cu indicatorii populației de zona. Autorii acestui studiu și a altor 45 de studii similare sugerează că diferențele dintre fizicul nostru față de cel al mediului imediat pot crește disconfortul psihologic, iar acest lucru, la rândul său, afectează comportamentul alimentar și activitatea fizică. Cu toate acestea, încercările de a demonstra această relație cauzală au fost până acum fără succes. Între timp, schimbul de microbiotă prin mediul înconjurător și contactele directe pot explica acest fenomen.

În acest context, experiența mea de viață poate fi și ea interesantă. Eu însumi sunt încă netedă și zicala „nu pentru hrănirea cailor” este despre mine! Și de când mi-am cunoscut soția, ea a început să slăbească de la an la an. Adevărat, nu a avut niciodată obezitate, dar de la începutul relației noastre a slăbit considerabil. Chiar și când era studentă, a glumit că am infectat-o cu viermii mei, dar de îndată ce m-am angajat în laborator, am verificat totul și nu am găsit nimic de genul acesta. Apoi, pentru prima dată, am sugerat că problema ar putea fi în particularitățile microbiotei mele, pe care soția mea a adoptat-o treptat. Din păcate, este imposibil să studiez aceste caracteristici în laboratorul nostru, așa că am trimis un eșantion din „lumea mea interioară” la Atlas pentru analiză. Despre rezultatele analizei voi scrie in articolul urmator, in care voi vorbi in detaliu despre metodele de corectare a microbiotei in vederea reducerii greutatii corporale (upd: o poveste despre rezultate).