Darmflora: haal meer energie uit minder voedsel

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-16 16:13

Onderzoek van een vrouw met klachten van aanhoudende diarree en acute buikpijn onthulde acute ontsteking van de dikke darm veroorzaakt door Clostridia. Gezien de resistentie van de bacteriën tegen antibiotica, kreeg de patiënt een experimentele, maar effectieve therapiemethode aangeboden - transplantatie van donormicrobiota (intestinale microflora).

Na de introductie van 600 ml van een suspensie van donoruitwerpselen in de darmen van de patiënt, werden geen terugvallen van de ziekte meer waargenomen - de microbiota van de donor verdrong met succes de ziekteverwekker en bezette zijn niches. Een jaar later klaagde de vrouw echter bij de dokter over de snelle gewichtstoename, terwijl ze haar hele leven voor de transplantatie een normaal en stabiel lichaamsgewicht had. Vanaf het moment van de procedure was de toename 15 kg en het totale lichaamsgewicht bereikte 77 kg met een lengte van 155 cm Ondanks fitness en dieet was het gewicht van de patiënt al snel meer dan 80 kg. De arts merkte op dat een over het algemeen gezonde donor ook overgewicht heeft en de mogelijkheid van "besmetting" van obesitas via de microbiota mogelijk maakte. Op het eerste gezicht heeft zo'n gewaagde veronderstelling een solide bewijsbasis. In dit artikel zal ik het hebben over het effect van microbiota op de spijsvertering, en waarom de soortendiversiteit afneemt en uniformiteit het risico op obesitas verhoogt.

glagola's.

Invoering

De kans om zwaarlijvigheid te erven bereikt 80%, maar individuele verschillen in het nucleaire genoom zijn verantwoordelijk voor minder dan 2% van de variabiliteit in lichaamsgewicht in de populatie. Bovendien wordt het nucleaire genoom bijna gelijkelijk van elke ouder aan het kind doorgegeven, maar kinderen erven obesitas met een significant hogere frequentie van hun moeder. Dit fenomeen wordt vaak verklaard door de invloed op het metabolisme van mitochondriën, die hun eigen DNA hebben en die afwezig zijn in de zaadkop; daarom wordt het mitochondriale genoom alleen door het embryo geërfd van het moederei. De resultaten van een studie van het mitochondriale genoom verklaren echter nog minder gevallen van overerving van obesitas. Dus als de overerving van deze ziekte slechts gedeeltelijk wordt gemedieerd door de nucleaire en mitochondriale genomen, dan wordt obesitas misschien voornamelijk op kinderen overgedragen via het derde menselijke genoom - het microbioom (een reeks genen van de microbiota), dat ook wordt geërfd van de moeder?

Overerving en variabiliteit van het microbioom

Intra-uteriene ontwikkeling gaat gepaard met absolute steriliteit van de foetus, die voor het eerst microbiota ontvangt en het geboortekanaal overwint tijdens een natuurlijke bevalling. Daarom hebben natuurlijk geboren baby's een meer diverse microbiota dan baby's die via een keizersnede worden geëxtraheerd. Ook hebben onderzoeken aangetoond dat kinderen die met een keizersnede zijn geboren een groter risico hebben op obesitas. Niettemin normaliseert de samenstelling van de microbiota bij deze kinderen geleidelijk aan onder de voorwaarde van borstvoeding, wat zorgt voor de dominantie van bifidobacteriën en lactobacillen, die de populaties van opportunistische bacterioïden en clostridia onderdrukken. Natuurlijke geboorte en borstvoeding vormen de ruggengraat van de microbiota, die meestal levenslang aanhoudt. Verdere verrijking van de microbiota met andere soorten bacteriën hangt af van de levensstijl.

Zo is bijvoorbeeld het bezoeken van de kleuterschool een belangrijke en onafhankelijke factor bij het vergroten van de soortendiversiteit van de microbiota. Aan de andere kant verminderen het wijdverbreide gebruik van antibiotica en antiseptica, evenals strikte sanitaire en hygiënische normen, de uitwisseling van microbiota tussen mensen en de diversiteit ervan (lees hier meer over het effect van antibiotica op microbiota en slechte adem). We kunnen dus praten over de erfelijkheid en variabiliteit van het microbioom.

Microbiota structuur

Met de leeftijd bereikt het aantal bacteriële cellen in de darm geleidelijk 100 biljoen, wat 10 keer meer is dan het aantal lichaamseigen cellen bij een volwassene. Tegelijkertijd weegt de hele microbiota vanwege de kleine omvang van bacteriën tot 2 kg en past in de dikke darm.

Ongeveer 60% van de inhoud van het rectum zijn micro-organismen, waarvan de kolonies groeien op de vezels van plantaardig voedsel (cellulose), ze gebruiken als voedsel en een skelet, waardoor een klonterige consistentie van ontlasting wordt gevormd. Ondanks het aanzienlijke aantal bacteriën, wordt hun interactie met het menselijk lichaam lange tijd door wetenschappers beschouwd als strikt in het kader van het commensalisme, waarbij het micro-organisme profiteert van de relatie, en het macro-organisme geen voordeel of nadeel ontvangt. Met de ontwikkeling van genotyperingsmethoden is het concept van de microbiota echter aanzienlijk veranderd.

Er werd gevonden dat de soortendiversiteit van microbiota 300-700 soorten micro-organismen bereikt, en hun totale genoom bestaat uit 10 miljoen genen, wat 300 keer groter is dan het menselijk genoom. Een dergelijke optelling van de genen van het microbioom en een vergelijking van hun aantal met die bij mensen is hier niet zomaar een trefwoord. Veel bacteriële genen vullen het menselijke nucleaire genoom functioneel aan, en de interactie tussen soorten tussen micro-organismen is zo nauw dat sommige soorten letterlijk niet zonder elkaar kunnen leven. Recente ontdekkingen in deze richting maakten het mogelijk om te praten over de wederzijds voordelige relatie tussen de mens en de microbiota, en het geheel van zijn genen wordt het microbioom of het derde menselijke genoom genoemd. Ter illustratie zal ik een specifiek voorbeeld geven.

Microbiota fysiologie

Bij plantaardig voedsel consumeren we fructosepolymeren (fructanen), die we zelf niet hebben om af te breken tot enkelvoudige suikers. Onbehandelde fructanen worden niet geabsorbeerd en hun ophoping in de darmen veroorzaakt ernstige aandoeningen en in de mondholte worden ze door carieuze bacteriën gebruikt om zich aan tandglazuur te hechten. We worden geholpen door bifidobacteriën en lactobacillen, die enzymgenen hebben voor het splitsen van fructanen in lactaat en acetaat. Deze metabolieten creëren meer zure omstandigheden die de proliferatie van zuurgevoelige en diarree-veroorzakende opportunistische bacteriën verminderen. Bovendien gebruiken lactaat en acetaat andere soorten vriendelijke microflora als energiebron, die butyraat produceren - de belangrijkste energiebron voor darmepitheelcellen en een remmer van de penetratie van intracellulaire pathogenen erin, en deze verbinding vermindert ook het risico op het ontwikkelen van colitis ulcerosa en darmkanker. Dus slechts een paar soorten bacteriën synthetiseren een genezende substantie uit voedselcomponenten die gevaarlijk zijn voor het lichaam, en, om hun niche te beschermen tegen concurrenten, als een bonus voor een persoon, de groei van ziekteverwekkers in zijn darmen te onderdrukken! Stel je nu voor hoe tientallen en honderden soorten micro-organismen worden gecombineerd tot langere en meer vertakte metabole ketens die essentiële aminozuren, vitamines en andere metabolieten produceren, waardoor de spijsvertering, immuniteit en zelfs ons gedrag, inclusief voedsel, wordt gemoduleerd.

Microbiota en obesitas

Het significante effect van microbiota op obesitas werd voor het eerst aangetoond in volledig verstoken van micro-organismen en gekweekt onder steriele omstandigheden. Typisch, steriele muizen hebben doorgaans 42% minder vetweefsel dan vergelijkbare muizen met microflora. Tegelijkertijd consumeren dunnere steriele muizen 29% meer voedsel dan hun meer complete tegenhangers met microflora. Onderzoekers brachten microflora over van normale naar steriele muizen en zagen binnen twee weken een toename van 57% in vetweefsel, ondanks een afname van 27% in voedselinname!

De auteurs concludeerden dat microflora helpt om meer energie uit minder voedsel te halen. Tegelijkertijd neemt de energie-efficiëntie van de spijsvertering met microflora zo sterk toe dat het resulterende overschot aan calorieën wordt opgeslagen in vetweefsel.

De resultaten die in deze studie zijn verkregen, zijn te wijten aan de lage variëteit aan glycosidasen die onafhankelijk worden gesynthetiseerd door het zoogdierlichaam - enzymen voor het splitsen van bindingen in complexe koolhydraatmoleculen zoals plantaardige vezels. Ter vergelijking: als er in ons genoom slechts 20 genen zijn voor de synthese van glycosidasen, dan synthetiseert alleen de bacterioïde soort 261 soorten glycosidasen, en het hele microbioom bevat 250.000 genen voor de synthese van deze enzymen. Dus, bij afwezigheid van microbiota, verlaten energierijke vezels het lichaam met uitwerpselen en voldoen ze niet aan de caloriebehoeften, dus steriele muizen eten meer en wegen minder dan hun tegenhangers met normale microflora. De resultaten van deze onderzoeken doen ongewild het idee ontstaan van een methode voor de behandeling van obesitas door de totale vernietiging van de microbiota met antibiotica. De co-evolutie van mens en microbiota is echter zo ver gegaan dat de implementatie van dit idee onmogelijk is, en vanuit klinisch oogpunt zeer gevaarlijk.

Ten eerste kunnen we het ons, in tegenstelling tot muizen, niet veroorloven om in steriele omstandigheden te leven. De omgeving bevat veel pathogene micro-organismen die graag niches bezetten die vrij zijn van natuurlijke microflora. Een vrouw wiens klinische casus aan het begin van het artikel wordt gegeven, kreeg bijvoorbeeld een infectie met Clostridia net nadat ze was behandeld voor bacteriële vaginose met hoge doses antibiotica. Ten tweede zei ik al dat we zonder microbiota niet in staat zijn om zelf fructanen af te breken, waarvan de ophoping gepaard gaat met ernstige spijsverteringsstoornissen. En tot slot, ten derde, het gebruik van antibiotica in de praktijk laat het tegenovergestelde effect zien - obesitas wordt verergerd, en een meer diverse en rijkere samenstelling van de microbiota beschermt tegen obesitas.

Antibiotica en obesitas

Sinds het midden van de vorige eeuw worden antibiotica op grote schaal gebruikt in de landbouw om de gewichtstoename van vee te versnellen. Hiervoor worden de preparaten doorlopend aan het voer toegevoegd, waardoor 70% van de geproduceerde antibiotica wordt besteed aan de veehouderij.

Het positieve effect van antibiotica op het lichaamsgewicht wordt al lang toegeschreven aan het voorkomen van infecties, omdat een gezond dier sneller aankomt. Maar later bleek dat deze afhankelijkheid gemedieerd wordt door veranderingen in de samenstelling van de microbiota. Een soortgelijk effect van antibiotica op het lichaamsgewicht van de mens werd onwaarschijnlijk geacht, aangezien antibiotische therapie voor een korte tijd en sporadisch wordt gebruikt. Inmiddels is 10 jaar geleden in studies gevonden dat zelfs een enkele antibioticakuur al binnen 4 jaar leidt tot een afname van de diversiteit van de menselijke microbiota. Uit een meta-analyse uit 2017 van onderzoeken onder bijna 500.000 mensen bleek dat het gebruik van antibiotica in de kindertijd het risico op obesitas op latere leeftijd aanzienlijk verhoogde, waarbij de dosis antibiotica positief correleerde met obesitas. De verwachte afname van het lichaamsgewicht als gevolg van onderdrukking van de microbiota treedt dus niet op, maar in de toekomst wordt integendeel de ontwikkeling van obesitas waargenomen. Vermoedelijk vormen antibiotica, die selectief vertegenwoordigers van de normale microflora die voor hen gevoelig zijn, selectief vernietigen, een soort "obesitas-microbiota".

Het concept van de continue metabole keten en de "obesitas-microbiota"

Een complete microbiota is een continue metabole keten van reacties die energierijke vezels afbreekt tot energiearme verbindingen. In dit geval wordt elke intermediaire metaboliet die nog energie bevat, geassimileerd door de volgende bacterie in de metabole keten, die enzymen kan synthetiseren voor zijn afbraak, en zijn deel van de energie absorbeert. De laatste metabolieten van het functioneren van de continue metabole keten zijn vetzuren met een korte keten, die voornamelijk worden afgebroken door darmcellen en niet worden gesublimeerd in vetweefsel, en sommige remmen zelfs de lipogenese en onderdrukken de eetlust. Een volwaardige microbiota gebruikt dus bijna volledig de energie van vezels en beschermt de gastheer tegen zwaarlijvigheid, zelfs als hij snelle koolhydraten misbruikt.

In tegenstelling tot normale microflora, is de "obesitas-microbiota" eentonig vanwege de ontbrekende soorten, geslachten of hele families van bacteriën, daarom is het niet in staat om een continue metabole keten te vormen. Omdat verschillende soorten vezels door veel vertegenwoordigers van de microbiota worden afgebroken, blokkeert de afwezigheid van sommige het begin van de metabole keten niet en worden voedingsvezels veilig afgebroken tot intermediaire metabolieten. Op zijn beurt leidt de afwezigheid van bacteriesoorten die specifiek intermediaire metabolieten afbreken tot de accumulatie van deze laatste in het darmlumen. In tegenstelling tot vezels kunnen intermediaire metabolieten door het lichaam worden opgenomen, inclusief het vergroten van de vetreserves. Zo bevat de "obesitas-microbiota" een soort openingen waardoor energie het menselijk lichaam "stroomt".

De vermeende "obesitas-microbiota" is ondersteund door experimenten met de transplantatie van ontlasting van mensen met verschillende lichaamsbouw naar steriele muizen. Om andere factoren uit te sluiten, werd de microbiota voor transplantatie gerekruteerd uit 8 tweelingen, wiens paren verschilden in de aanwezigheid en afwezigheid van obesitas, en muizen, die microbiota kregen van mensen met verschillende lichaamsbouw, leefden apart. De microbiota afgeleid van zwaarlijvige tweelingen had een schaarse soortensamenstelling in vergelijking met de meer diverse microbiota van tweelingen met een normaal lichaam.

Als resultaat van het experiment vertoonden muizen die de "obesitas-microbiota" ontvingen al op de 8e dag na transplantatie een significante toename van lichaamsvet. Tegelijkertijd bleef de vetmassa bij muizen die microbiota kregen van een tweeling met een normaal lichaamsgewicht zonder significante veranderingen gedurende het experiment.

Bovendien besloten de auteurs van deze studie om de besmettelijkheid van obesitas te testen. Hiervoor werden de muizen verkregen als resultaat van transplantatie van verschillende microbiota na 5 dagen in een gemeenschappelijke kooi geplaatst. De controle van het lichaamsgewicht en de lichaamssamenstelling op de 10e dag van samenwonen toonde aan dat muizen die de "obesitas-microbiota" ontvingen, minder vet kregen dan vergelijkbare muizen in het eerste deel van het experiment (afzonderlijk leven), en praktisch niet verschilden van samenwonenden muizen die microbiota kregen van een tweeling met een normaal postuur. Microbioomanalyse toonde een toename van de microbiota-diversiteit aan bij muizen die aanvankelijk een uniforme "obesitas-microbiota" ontvingen. Belangrijk is dat magere muizen die aanvankelijk een diverse microbiota kregen, geen obesitas kregen van hun samenwonenden.

Analyse van metabolieten in de darm toonde aan dat na samenwonen bij muizen die aanvankelijk de "obesitas-microbiota" kregen, er een afname was van disacchariden en een toename van vetzuren met een korte keten. Zo werd gevonden dat een diverse microbiota beschermt tegen de ontwikkeling van obesitas, en de transplantatie of natuurlijke overdracht van dergelijke microbiota naar zwaarlijvige muizen leidt tot een normalisatie van het lichaamsgewicht.

Gevolgtrekking

Opgemerkt moet worden dat muizen coprofagen zijn, wat de natuurlijke uitwisseling van microbiota tussen samenwonenden enorm vergemakkelijkt. De resultaten van onderzoeken naar de microbiota en epidemiologie van obesitas bij mensen kunnen echter ook worden verklaard door de uitwisseling van microflora via sociale interacties. Hierboven heb ik het gehad over hoe naar de kleuterschool gaan de diversiteit van de microbiota vergroot, maar de uitwisseling van microflora kan ook plaatsvinden via andere sociale connecties en mogelijk het risico op obesitas beïnvloeden. Zo maakte een analyse van de medische dossiers van 1.519 families van Amerikaanse militairen het mogelijk om vast te stellen dat de body mass index van familieleden na plaatsing binnen 24 maanden in een nieuwe standplaats veranderde in overeenstemming met de indicatoren van de bevolking van het gebied. De auteurs van deze en 45 andere soortgelijke onderzoeken suggereren dat verschillen in onze lichaamsbouw van die van de directe omgeving psychologisch ongemak kunnen vergroten, en dit heeft op zijn beurt invloed op het eetgedrag en de fysieke activiteit. Pogingen om dit oorzakelijk verband te bewijzen zijn tot dusver echter niet succesvol geweest. Ondertussen kan de uitwisseling van microbiota via de omgeving en directe contacten dit fenomeen verklaren.

In deze context kan mijn levenservaring ook interessant zijn. Zelf ben ik nog drish en het gezegde "niet voor een paardenvoer" gaat over mij! En sinds ik mijn vrouw ontmoette, begon ze van jaar tot jaar af te vallen. Toegegeven, ze heeft nooit zwaarlijvigheid gehad, maar vanaf het begin van onze relatie verloor ze merkbaar gewicht. Zelfs als student grapte ze dat ik haar besmette met mijn wormen, maar zodra ik een baan in het laboratorium kreeg, controleerde ik alles en vond niets van dien aard. Toen suggereerde ik voor het eerst dat de kwestie zou kunnen liggen in de eigenaardigheden van mijn microbiota, die mijn vrouw geleidelijk aan overnam. Helaas is het onmogelijk om deze kenmerken in ons laboratorium te bestuderen, dus heb ik een monster van mijn "innerlijke wereld" naar Atlas gestuurd voor analyse. Over de resultaten van de analyse zal ik in het volgende artikel schrijven, waarin ik in detail zal ingaan op de methoden om de microbiota te corrigeren om het lichaamsgewicht te verminderen (upd: een verhaal over de resultaten).