Střevní flóra: Získejte více energie z menšího množství jídla

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-16 16:00

Vyšetření ženy se stížnostmi na přetrvávající průjem a akutní bolesti břicha odhalilo akutní zánět tlustého střeva způsobený Clostridiemi. Vzhledem k odolnosti bakterií vůči antibiotikům byla pacientovi nabídnuta experimentální, ale účinná metoda terapie - transplantace dárcovské mikroflóry (střevní mikroflóry).

Po zavedení 600 ml suspenze stolice dárce do střev pacienta již nebyly pozorovány recidivy onemocnění - mikrobiota dárce úspěšně vytěsnila patogen a obsadila jeho niky. O rok později si však žena stěžovala u lékaře na rychlý nárůst hmotnosti, přičemž celý život před transplantací měla normální a stabilní tělesnou hmotnost. Od okamžiku výkonu byl přírůstek 15 kg a celková tělesná hmotnost dosáhla 77 kg při výšce 155 cm, i přes kondici a dietu hmotnost pacientky brzy přesáhla 80 kg. Lékař poznamenal, že obecně zdravý dárce má také nadváhu a připustil možnost „kontaminace“obezity prostřednictvím mikrobioty. Na první pohled takový odvážný předpoklad má solidní důkazní základ. V tomto článku budu hovořit o vlivu mikrobioty na trávení a proč se snižuje její druhová diverzita a uniformita zvyšuje riziko obezity.

glagoly.

Úvod

Pravděpodobnost dědění obezity dosahuje 80 %, ale individuální rozdíly v jaderném genomu tvoří méně než 2 % variability tělesné hmotnosti v populaci. Jaderný genom je navíc předáván dítěti téměř stejně od každého rodiče, ale děti dědí obezitu s výrazně vyšší frekvencí od svých matek. Tento jev je často vysvětlován ovlivněním metabolismu mitochondrií, které mají vlastní DNA a které v hlavičce spermie chybí, a proto mitochondriální genom dědí embryo pouze z vajíčka matky. Výsledky studie mitochondriálního genomu však vysvětlují ještě méně případů dědičnosti obezity. Pokud je tedy dědičnost tohoto onemocnění pouze částečně zprostředkována nukleárním a mitochondriálním genomem, pak se možná obezita na děti přenáší především prostřednictvím třetího lidského genomu – mikrobiomu (soubor genů mikrobioty), který se také dědí od matka?

Dědičnost a variabilita mikrobiomu

Nitroděložní vývoj je doprovázen absolutní sterilitou plodu, který poprvé dostává mikrobiotu, překonávající porodní cesty při přirozeném porodu. Proto přirozeně narozené děti mají rozmanitější mikroflóru než děti extrahované císařským řezem. Studie také ukázaly, že děti narozené císařským řezem mají větší riziko obezity. Přesto se složení mikrobioty u těchto dětí pod podmínkou kojení postupně normalizuje, což zajišťuje dominanci bifidobakterií a laktobacilů, které potlačují populace oportunních bakterioidů a klostridií. Přirozený porod a kojení tvoří páteř mikrobioty, která obvykle trvá celý život. Další obohacování mikrobioty o další druhy bakterií závisí na životním stylu.

Takže například návštěva mateřské školy je významným a nezávislým faktorem při zvyšování druhové diverzity mikrobioty. Na druhou stranu rozšířené používání antibiotik a antiseptik, stejně jako přísné hygienické a hygienické normy, snižují směnný kurz mikroflóry mezi lidmi a její rozmanitost (více o vlivu antibiotik na mikrobiotu a zápach z úst čtěte zde). Můžeme tedy mluvit o dědičnosti a variabilitě mikrobiomu.

Struktura mikrobioty

S věkem počet bakteriálních buněk ve střevě postupně dosahuje 100 bilionů, což 10krát převyšuje počet tělu vlastních buněk u dospělého člověka. Celá mikrobiota přitom díky malé velikosti bakterií váží až 2 kg a vejde se do tlustého střeva.

Asi 60 % obsahu konečníku jsou mikroorganismy, jejichž kolonie rostou na vláknech rostlinné potravy (celulóza), využívají je jako potravu a kostru, čímž tvoří hrudkovitou konzistenci výkalů. Navzdory značnému počtu bakterií byla jejich interakce s lidským tělem vědci dlouho zvažována přísně v rámci komenzalismu, kdy mikroorganismus ze vztahu těží a makroorganismus nepřijímá ani užitek, ani újmu. S rozvojem metod genotypizace se však pojem mikrobioty výrazně změnil.

Bylo zjištěno, že druhová diverzita mikrobioty dosahuje 300-700 druhů mikroorganismů a jejich celkový genom se skládá z 10 milionů genů, což je 300krát více než u lidského genomu. Taková sumarizace genů mikrobiomu a srovnání jejich počtu s tím u lidí zde není jen heslem. Mnoho bakteriálních genů funkčně doplňuje lidský jaderný genom a mezidruhová interakce mikroorganismů je tak blízká, že některé druhy bez sebe doslova nemohou žít. Nedávné objevy v tomto směru umožnily hovořit o vzájemně výhodném vztahu mezi člověkem a mikrobiotou a souhrn jeho genů se nazývá mikrobiom nebo třetí lidský genom. Pro ilustraci uvedu konkrétní příklad.

Fyziologie mikroflóry

S rostlinnou stravou konzumujeme polymery fruktózy (fruktany), které nemáme vlastní enzymy, aby je rozložily na jednoduché cukry. Neléčené fruktany se nevstřebávají a jejich hromadění ve střevech způsobuje těžké poruchy a v dutině ústní je využívají karyózní bakterie k uchycení na zubní sklovinu. Pomáhají nám bifidobakterie a laktobacily, které mají enzymové geny pro štěpení fruktanů na laktát a acetát. Tyto metabolity vytvářejí kyselejší podmínky, které snižují proliferaci oportunních bakterií citlivých na kyseliny a průjmů. Laktát a acetát navíc využívají jako zdroj energie další typy přátelské mikroflóry, které produkují butyrát – hlavní zdroj energie pro buňky střevního epitelu a inhibitor průniku intracelulárních patogenů do nich, a tato sloučenina také snižuje riziko vzniku rozvoj ulcerózní kolitidy a rakoviny tlustého střeva. Takže jen několik druhů bakterií syntetizuje léčivou látku ze složek potravy nebezpečných pro tělo a chrání své místo před konkurencí, jako bonus pro člověka, potlačuje růst patogenů v jeho střevech! Nyní si představte, jak se desítky a stovky druhů mikroorganismů spojují do delších a rozvětvenějších metabolických řetězců, které produkují esenciální aminokyseliny, vitamíny a další metabolity, a tím upravují trávení, imunitu a dokonce i naše chování, včetně potravy.

Mikrobiota a obezita

Významný vliv mikrobioty na obezitu byl poprvé prokázán u zcela bez mikroorganismů a pěstovaných ve sterilních podmínkách. Sterilní myši mají typicky o 42 % méně tukové tkáně než srovnatelné myši s mikroflórou. Hubenější sterilní myši přitom spotřebují o 29 % více potravy než jejich úplnější protějšky s mikroflórou. Výzkumníci přenesli mikroflóru z normálních na sterilní myši a pozorovali 57% nárůst tukové tkáně během dvou týdnů, navzdory 27% poklesu příjmu potravy!

Autoři dospěli k závěru, že mikroflóra pomáhá extrahovat více energie z menšího množství jídla. Energetická účinnost trávení s mikroflórou se přitom zvýší natolik, že se vzniklý přebytek kalorií ukládá do tukové tkáně.

Výsledky získané v této studii jsou způsobeny nízkou rozmanitostí glykosidáz nezávisle syntetizovaných tělem savců - enzymů pro štěpení vazeb v molekulách komplexních sacharidů, jako je rostlinná vláknina. Pro srovnání, pokud je v našem genomu pouze 20 genů pro syntézu glykosidáz, pak samotný bakterioidní druh syntetizuje 261 typů glykosidáz a celý mikrobiom obsahuje 250 000 genů pro syntézu těchto enzymů. V nepřítomnosti mikrobioty tedy vláknina bohatá na energii opouští tělo s výkaly, které nesplňují potřeby kalorií, takže sterilní myši jedí více a váží méně než jejich protějšky s normální mikroflórou. Výsledky těchto studií nevědomky vedly k myšlence na způsob léčby obezity úplným zničením mikroflóry antibiotiky. Společná evoluce člověka a mikrobioty však zašla tak daleko, že realizace této myšlenky je nemožná a z klinického hlediska velmi nebezpečná.

Za prvé, na rozdíl od myší si nemůžeme dovolit žít ve sterilních podmínkách. Prostředí obsahuje mnoho patogenních mikroorganismů, které budou rády obsazovat výklenky bez přirozené mikroflóry. Například žena, jejíž klinický případ je uveden na začátku článku, dostala infekci Clostridia těsně po léčbě bakteriální vaginózy vysokými dávkami antibiotik. Za druhé jsem již zmínil, že bez mikrobioty nejsme schopni sami odbourat fruktany, jejichž hromadění je plné těžkých poruch trávení. A konečně za třetí, používání antibiotik v praxi ukazuje opačný efekt – obezita se prohlubuje a pestřejší a na složení bohatší mikrobiota chrání před obezitou.

Antibiotika a obezita

Od poloviny minulého století se v zemědělství hojně používají antibiotika k urychlení přírůstku hmotnosti hospodářských zvířat. Za tímto účelem jsou přípravky průběžně přidávány do krmiva, v důsledku čehož je 70 % vyrobených antibiotik vynaloženo na chov zvířat.

Pozitivní vliv antibiotik na tělesnou hmotnost je dlouhodobě připisován prevenci infekcí, protože zdravé zvíře rychleji přibírá. Později se však ukázalo, že tato závislost je zprostředkována změnami ve složení mikrobioty. Podobný účinek antibiotik na tělesnou hmotnost člověka byl považován za nepravděpodobný, protože antibiotická terapie se používá krátkodobě a sporadicky. Mezitím bylo před 10 lety ve studiích zjištěno, že i jediný cyklus antibiotik vede ke snížení diverzity lidské mikroflóry během 4 let. Metaanalýza studií z roku 2017 na téměř 500 000 lidech zjistila, že užívání antibiotik v dětství významně zvyšuje riziko obezity v pozdějším věku, přičemž dávka antibiotik pozitivně koreluje s obezitou. K očekávanému poklesu tělesné hmotnosti v důsledku potlačení mikrobioty tedy nedochází, ale v budoucnu je naopak pozorován rozvoj obezity. Antibiotika, která selektivně ničí zástupce normální mikroflóry na ně citlivé, pravděpodobně tvoří jakousi „mikrobiotu obezity“.

Koncept kontinuálního metabolického řetězce a „mikrobioty obezity“

Kompletní mikrobiota je nepřetržitý metabolický řetězec reakcí, které štěpí energeticky bohatou vlákninu na energeticky chudé sloučeniny. V tomto případě je každý přechodný metabolit, který stále obsahuje energii, asimilován další bakterií v metabolickém řetězci, která je schopná syntetizovat enzymy pro svůj rozklad a absorbovat svou část energie. Finálními metabolity fungování kontinuálního metabolického řetězce jsou mastné kyseliny s krátkým řetězcem, které jsou katabolizovány především střevními buňkami a nejsou sublimovány v tukové tkáni a některé z nich dokonce inhibují lipogenezi a potlačují chuť k jídlu. Plnohodnotná mikrobiota tak téměř úplně využívá energii vlákniny a chrání hostitele před obezitou, i když zneužívá rychlé sacharidy.

Na rozdíl od běžné mikroflóry je „obezitní mikroflóra“monotónní kvůli chybějícím druhům, rodům či celým rodinám bakterií, proto není schopna vytvořit souvislý metabolický řetězec. Vzhledem k tomu, že různé druhy vlákniny jsou štěpeny mnoha zástupci mikrobioty, absence některých z nich neblokuje začátek metabolického řetězce a vláknina je bezpečně štěpena na přechodné metabolity. Na druhé straně nepřítomnost bakteriálních druhů, které specificky štěpí intermediární metabolity, vede k akumulaci metabolitů ve střevním lumen. Na rozdíl od vlákniny jsou intermediární metabolity schopny tělo vstřebat, včetně zvýšení zásob tukové tkáně. „Mikrobiota obezity“tedy obsahuje jakési mezery, kterými „proudí“energie do lidského těla.

Údajnou "mikrobiotu obezity" podpořily experimenty s transplantací fekálií od lidí různé postavy sterilním myším. Aby se vyloučily další faktory, byla mikrobiota pro transplantaci získána z 8 dvojčat, jejichž páry se lišily přítomností a nepřítomností obezity, a myši, které obdržely mikrobiotu od lidí s různou postavou, žily odděleně. Mikrobiota pocházející z obézních dvojčat měla řídké druhové složení ve srovnání s rozmanitější mikrobiotou dvojčat s normálním tělem.

Výsledkem experimentu bylo, že myši, které dostaly „mikrobiotu obezity“, vykazovaly významný přírůstek tělesného tuku již 8. den po transplantaci. Masa tuku u myší, které dostávaly mikrobiotu od dvojčat s normální tělesnou hmotností, přitom zůstala po celou dobu experimentu bez výrazných změn.

Autoři této studie se navíc rozhodli otestovat nakažlivost obezity. Za tímto účelem byly myši získané jako výsledek transplantace různé mikroflóry umístěny po 5 dnech do společné klece. Kontrola tělesné hmotnosti a tělesného složení v 10. den soužití ukázala, že myši, které dostaly „mikrobiotu obezity“, přibraly v první části experimentu méně tuku než podobné myši (žily v izolaci) a prakticky se nelišily od kohabitujících myši, které dostaly mikrobiotu od dvojčat s normální postavou. Analýza mikrobiomů ukázala zvýšení diverzity mikroflóry u myší, které zpočátku obdržely jednotnou „mikrobiotu obezity“. Důležité je, že hubené myši, které zpočátku dostávaly různorodou mikroflóru, se od svých spolubydlících nenakazily obezitou.

Analýza metabolitů ve střevě ukázala, že po soužití u myší, které zpočátku dostaly „obézní mikrobiotu“, došlo k poklesu disacharidů a zvýšení mastných kyselin s krátkým řetězcem. Bylo tedy zjištěno, že různorodá mikrobiota chrání před rozvojem obezity a transplantace nebo přirozený přenos takové mikrobioty na obézní myši vede k normalizaci tělesné hmotnosti.

Závěr

Je třeba poznamenat, že myši jsou koprofágy, což značně usnadňuje přirozenou výměnu mikroflóry mezi kohabitujícími. Výsledky studií o mikrobiotě a epidemiologii obezity u lidí lze ale vysvětlit i výměnou mikroflóry prostřednictvím sociálních interakcí. Výše jsem mluvil o tom, jak chození do školky zvyšuje diverzitu mikrobioty, ale výměna mikroflóry může probíhat i prostřednictvím jiných sociálních vazeb a potenciálně ovlivnit riziko obezity. Například analýza lékařských záznamů 1 519 rodin amerického vojenského personálu umožnila zjistit, že index tělesné hmotnosti rodinných příslušníků po přidělení na novou služebnu do 24 měsíců se změnil v souladu s ukazateli populace Oblast. Autoři této a 45 dalších podobných studií naznačují, že rozdíly v naší postavě od těla v bezprostředním okolí mohou zvýšit psychické nepohodlí, a to zase ovlivňuje stravovací návyky a fyzickou aktivitu. Pokusy prokázat tento kauzální vztah jsou však zatím neúspěšné. Mezitím může tento jev vysvětlit výměna mikrobioty prostřednictvím prostředí a přímých kontaktů.

V této souvislosti může být zajímavá i moje životní zkušenost. Já sám jsem stále drish a pořekadlo "ne pro koně krmit" je o mně! A od té doby, co jsem poznal svou ženu, začala rok od roku hubnout. Pravda, nikdy neměla obezitu, ale od začátku našeho vztahu znatelně zhubla. Ještě jako studentka vtipkovala, že jsem ji nakazil svými červy, ale jakmile jsem dostal práci v laboratoři, všechno jsem zkontroloval a nic takového jsem nenašel. Tehdy jsem poprvé naznačil, že by to mohlo být ve zvláštnostech mé mikroflóry, kterou si moje žena postupně osvojila. Bohužel je nemožné tyto rysy studovat v naší laboratoři, a tak jsem vzorek svého „vnitřního světa“poslal do Atlasu k rozboru. O výsledcích rozboru se rozepíšu v příštím článku, ve kterém budu podrobně hovořit o metodách korekce mikrobioty za účelem snížení tělesné hmotnosti (upd: příběh o výsledcích).