Автор (и):

книга

Grzegorz W Telega
Детска болница в Уисконсин от 2000 г.
Директор на програмата, Чернодробна трансплантационна хепатология, Детска болница в Уисконсин
Вижте пълната биография на автора

Въведение

Човешкото черво е сложна екосистема, поддържана чрез взаимодействие на множество видове микробиота, човешки организъм и погълнатите субстрати. Смята се, че броят на бактериалните клетки, колонизиращи човешкото черво, надвишава броя на човешките клетки в останалата част от тялото. Между 10 до 100 трилиона бактерии, съществуващи в червата, принадлежат към 10 вида и поне 15000 признати вида. Два фила доминират числено чревния микробиом: Firmicutes и Bacteroides ([1], [2], 3).

Фагите и вирусите служат като хищници на чревната екосистема. Те са важни при междувидовия генен трансфер. Такъв генен трансфер е документиран в много in vitro системи и може да е отговорен за развитието на нови черти, включително антибиотична резистентност или промяна в имунологичните свойства на бактериалните протеини (1,2, [3]).

Човешкото черво също е домакин на Архея, новооткрито царство на организмите, за които е известно, че обитават термални отвори на дъното на морето или горещи вулканични извори. Methanobrevibacter smithii е доминиращ вид Archaea в червата на човека (1,2).

Неотдавнашният напредък в разбирането на чревния микробиом е свързан с развитието на рибозомна РНК (SSU рРНК; 16S рРНК) секвениране в Бактерии и Археи. Значението на тази технология произтича от факта, че по-голямата част от чревната микробиота не може да оцелее in vitro. Последователността на рибозомната РНК позволява класификация и изследване на бактериите, без да се изолират в култура (1, [4]).

При здрави индивиди съставът на чревните бактерии също е забележително стабилен през целия живот. По-специално има само незначителни промени в бактериалния състав от времето на отбиване от кърмата до зряла възраст. Чревната флора има тенденция да се върне към хомеостатичен баланс след нарушение. Факторите на околната среда, като излагане на антибиотици, промяна в диетата или операция, могат да повлияят на състава на чревната флора, но след отстраняване на нарушението съставът на бактериалните видове се връща към изходното ниво в рамките на 6-52 седмици (1,2, [5]). Чревният микробиом е адаптивен в смисъл, че експресията на бактериални гени и активността на метаболитните пътища се влияе от етапа на развитие на гостоприемника, наличието на хранителни вещества и присъствието на други микробни видове (2).

За разлика от стабилността на флората на индивида, има съществени различия в състава на бактериалната флора между индивидите (1,2, [6]).

Чревният микробиом има ензимни способности, които не са кодирани в човешки или животински геном. Това позволява на организма достъп до разширен набор от биохимични пътища, които зависят от микробния генетичен състав. Метагеномният анализ се фокусира върху всички биохимични пътища, които са активни в дадена екосистема с разбирането, че различните организми имат способността да извършват само ограничен брой химични реакции (Фигура 1). Някои пътища могат да бъдат излишни, тъй като много видове извършват еднакви химични реакции, често се конкурират за ограничени ресурси. Някои пътища ще бъдат достъпни само за няколко вида, като често субстратите, които иначе не са налични, навлизат в циркулацията в екосистемата. От метагеномна гледна точка чревният микробиом е система от биохимични реакции, при които човек и бактерии се допълват взаимно ([7], [8]).

Фигура 1. Понятие за метагеномни комплементарни метаболитни пътища в екосистемата, състояща се от човешка и чревна микробиота. От биохимична гледна точка хората са почти идентични. Много метаболитни пътища са често срещани, когато се сравняват микроби на различни индивиди. Често различни организми могат да участват в различни аспекти на един и същ метаболитен път. Като цяло разнообразието от микробни метаболитни пътища значително надвишава разликите между отделните хора.

В чревната екосистема са описани множество взаимоотношения човек/бактерии и бактерии/бактерии. Тези взаимоотношения обхващат всички известни междувидови взаимоотношения, вариращи от патогенни до коменсални и мутуалистични ([9]).

Чревен микробиом и енергиен метаболизъм - изследвания върху животни

Моделът без микробни мишки предоставя възможност за изучаване на енергийния метаболизъм при липса на чревни бактерии. В сравнение с конвенционално отглежданите мишки, мишките без микроби имат приблизително 40% по-ниско тегло. Това несъответствие не е свързано с разлика в приема на храна или в разхода на енергия в покой. Мишките без микроби ще постигнат нормално телесно тегло, след като бъдат прехвърлени в нормална (нестерилна) среда и се колонизират от чревна микробиота. Въз основа на този експеримент изследователят предположи, че чревната микробиота може да увеличи бионаличността на някои хранителни субстрати. Всъщност по-нататъшни проучвания показват повишено усвояване на диетични монозахариди. Интересното е, че чревната микробиота също увеличава инсулиновата резистентност, увеличава производството на липиди в черния дроб, променя състава на жлъчните киселини и увеличава целостта на чревния епител. Тези метаболитни и ендокринни промени водят до повишено отлагане на телесни мазнини. Механизмът на тези промени все още не е напълно разбран (10).

Индуцираният на гладно мастен фактор (Fiaf) е един от медиаторите, свързващи чревната флора с мастната тъкан. Без микробни мишки има повишени нива на циркулиращ Fiaf. Fiaf инхибира ендотелната липопротеинова липаза, която е отговорна за освобождаването на триглицериди от циркулиращите хиломикрони и VLDL. Следователно има по-малко триглицериди за отлагане в мастната тъкан (Фигура 2). Колонизирането на мишки без микроби от конвенционална чревна флора води до потискане на Fiaf чрез все още неизвестен механизъм. Впоследствие трансферът на триглицериди от хиломикрони и VLDL в мастната тъкан се увеличава (Фигура 3). Потвърждението на хипотезата на Fiaf идва от подобни експерименти върху нокаутиращи мишки на Fiaf (Fiaf -/-). В този модел мишките без микроби Fiaf -/- са имали тегло, което не се различава от конвенционално отгледаните мишки. Това предполага, че ефектът на чревните бактерии върху отлагането на мазнини се медиира от Fiaf (Фигура 4) ([10]).

Фигура 2. Без микробни мишки има високи нива на Fiaf (индуциран от гладно мастен фактор). Fiaf действа като инхибитор на LPL (липопротеинова липаза) и намалява усвояването на TG (тигликерид) от адипоцитите.
Фигура 3. Колонизацията на червата намалява нивата на Fiaf и води до активиране на LPL и трансфер на триглицериди в мастната тъкан.

Аденозин монофосфат-активираната протеин киназа (AMPK) се активира като вътреклетъчен молекулярен медиатор на метаболитен стрес. AMPK се регулира нагоре по време на метаболитен стрес, увеличава използването на енергия и намалява съхранението на енергия. AMPK увеличава бета окисляването на мастните киселини, което води до изчерпване на запасите от мазнини и гликоген. Активността на AMPK се увеличава при мишка без микроби, което води до намалено отлагане на мазнини въпреки нормалния прием на калории. Механизмът на активиране на AMPK в среда без микроби все още е неизвестен ([11]).

Хората имат ограничен генен репертоар за храносмилане и усвояване на сложни въглехидрати. Бактериите са способни да метаболизират сложни въглехидрати и да произвеждат късоверижни мастни киселини (SCFA) като ацетат, пропионат и бутират. Късоверижните мастни киселини могат лесно да се абсорбират чрез дифузия и да допринесат за повишен калоричен добив на храна. SCFA може да се свърже с рецептор, свързан с G-протеин (Gpr41/42), тази молекула регулира секрецията на пептид YY (PYY). PYY забавя подвижността на стомашно-чревния тракт и засилва абсорбцията на SCFA. Повишената енергийна реколта води до положителен енергиен баланс и с течение на времето води до затлъстяване (Фигура 4) ([12], [13]). SCFA, които се произвеждат от чревна микробиота, могат да имат ефект върху невронната комуникация между мозъка и червата ([14]).

Фигура 4. Без микроби Fiaf -/- мишките напълняват със същата скорост като конвенционално отгледаните мишки.
Фигура 5. Късоверижните мастни киселини се произвеждат от чревни бактерии. Лошо усвоимите сложни въглехидрати служат като субстрати. Освен това те взаимодействат с протеин Gpr 41/42 и влияят върху секрецията на PYY.

Поглед върху същността на индивидуалните вариации в енергийната реколта се предоставя чрез проучвания за съвместна колонизация. Модел без микробни мишки позволява колонизация на мишки с избрани видове микроби. Това позволява изследване на приноса на видовете микроби за енергийната реколта от диетата. Някои бактериални видове си сътрудничат, за да увеличат добива на енергия. Например M. smithi и B. Thetaiotaomicron събират повече енергия от стандартната диета, когато животното е колонизирано с комбинация от тези две, отколкото когато всеки вид колонизира животно поотделно. Добавянето на Arhaea към повечето модели на бактериална колонизация повишава ефективността на ферментацията чрез отстраняване на H2 (3, [15]).

Взаимодействието между организма, диетата и микробиотата може да доведе до промяна на енергийната реколта. Генетично затлъстелите ob/ob мишки имат хомозиготна мутация на лептинов ген и в резултат на това повишават калорийния прием. Интересното е, че чревната флора на мишките ob/ob се различава от тази на дивия тип или хетерозиготни ob/+ мишки. Ob/ob мишките са увеличили популацията на Firmicutes и Arhaea. Чревната флора на ob/ob мишките има повишен капацитет за разграждане на полизахариди, повишено производство на CCFA и повишена ефективност на ферментация. В резултат на това енергийната реколта при ob/ob мишки от стандартната диета може да бъде до 50% по-висока, отколкото при мишки от див тип. Предаването на чревната флора от ob/ob мишки в мишки без микроби увеличава телесната маса и телесните мазнини. Този ефект надвишава наддаването на тегло и телесните мазнини при мишки без микроби, колонизирани с чревна флора от мишки от див тип. В заключение микробиотата на ob/ob мишките допринася за прекомерно наддаване на тегло чрез увеличаване на енергийната реколта ([16], [17], [18]).

Само диетата може да окаже влияние върху енергийната реколта. Мишките, хранени с високо съдържание на мазнини и диета с високо съдържание на захар (предназначена да симулира „западна диета“), разшириха популацията на Mollicutes за сметка на Bacteroides. Промяната в състава на микробиотата води до повишена енергийна реколта. Повишаването на ефективността на ферментацията на фруктоза и N-ацетил-галактозиди изглежда е механизъм за повишена енергийна реколта ([19]).

Разбира се, чревната микробиота не е единствената, дори не основна причина за затлъстяването. В крайна сметка мишките без микроби ob/ob са все още затлъстели, а мишките без микроби могат да станат затлъстели на диета с високо съдържание на мазнини.

Чревен микробиом и енергиен метаболизъм - човешки данни.

Бактериалната флора се наследява предимно от майката, въпреки че има известно предаване на бактерии между членовете на семейството. Тази хипотеза се подкрепя от доказателствата, че няма съществена разлика в състава на чревната флора между монозиготни и дизиготни тийнейджъри ([20]). Постулирано е въздействието на наследената от майката флора върху развитието на човешкото затлъстяване ([21]). Ефектът на микробиотата може да бъде частично отговорен за повишен процент на затлъстяване при деца, родени чрез цезарово сечение ([22]).

Ролята на микробиотата в увеличаването на енергийната реколта е доказана при хората. Затлъстяването корелира с по-ниски нива на Bacteroides и по-високи нива на Actinobacteria. Метагеномният анализ на микробиотата показва свръхекспресия на гени, отговорни за обработката на въглехидрати при затлъстели индивиди ([23]). Съотношението Bacteroides/Firmicutes се предполага, че е фактор за развитието на затлъстяването ([24]). Загубата на тегло и постоянното използване на нискокалорична диета води до промени в бактериалния състав, но метаболитното значение на това е неизвестно.

Оправдан е известен скептицизъм по отношение на въздействието на микробиотата върху затлъстяването при хора, тъй като неотдавнашният анализ на микробиомите на изпражненията от големи метагеномни проби не установи връзка между ИТМ и таксономичния състав на микробиома. В този анализ съотношението Bacteroidetes към Firmicutes не е свързано със затлъстяване или ИТМ, а разнообразието на чревната микробиома в общността не е свързано с ИТМ ([25]).

Затлъстяване и възпаление.

Известно е, че бактериалните липо-полизахариди (LPS) предизвикват възпалителни реакции. Тези отговори се медиират чрез CD14 молекула, която служи като LPS рецептор. Чревната флора е основен източник на циркулиращ LPS. Промените в чревната флора могат да повлияят нивата на LPS. При мишки след 4 седмици диета с високо съдържание на мазнини нивата на LPS се увеличават пропорционално на броя на LPS, произвеждащи бактерии в червата. Аз хората дори 3 дни диета с високо съдържание на мазнини може да доведе до повишаване на нивата на LPS. Антибиотиците намаляват нивата на LPS при мишки, хранени с високо съдържание на мазнини. При този животински модел антибиотиците намаляват маркерите на възпалението и подобряват чревната пропускливост. Антибиотиците също подобряват непоносимостта към глюкоза, намаляват наддаването на тегло и намаляват висцералната мастна тъкан ([26]).

Ролята на LPS в човешките заболявания се предполага от наблюдението, че пациентите с къси черва и документиран чревен бактериален свръхрастеж са повишени. При тази група пациенти нивото на LPS корелира с тежестта на свързаното с TPN чернодробно заболяване. Нараства подкрепата за ролята на чревната микробиота в развитието на възпалителен отговор при затлъстяване ([27], [28]).

Чревна флора и усложнения от затлъстяване

Изглежда, че чревните бактерии влияят върху няколко фактора, водещи до развитие на безалкохолен стеатохепатит при хората. Синтезът на мастни киселини, инсулиновата резистентност, нивата на С-реактивен протеин и производството на VLDL са свързани с промените в чревната флора. Късоверижните мастни киселини, генерирани от микробиота, действаща чрез GPR43 рецептора, са един от основните механизми, свързани с подобряването на отлагането на мазнини, медиирано от инсулин ([29], [30]). По същия начин рисковите фактори за сърдечно-съдови заболявания са свързани с пробиотиците и състава на чревната флора ([31]).

Съставът на микробиотата корелира с инсулиновата резистентност и повишения HOMA индекс ([32], [33]).

Пробиотици

Няколко вида бактерии, особено видове, извършващи млечно-ферментационна ферментация, се считат за полезни за здравето на стомашно-чревния тракт. Тези видове се използват широко за консервиране на храни, базирани на ферментация, като производство на кисело мляко и сирене, производство на мариновани храни и др. Въпреки широкото им разпространение ползите за здравето все още не са ясни при управлението на затлъстяването.

Няколко показани вида бактерии обещават да имат благоприятен ефект върху процеси, замесени в патофизиологията на затлъстяването при животински модели. Добавянето на бифидобактерии при мишки води до по-ниски нива на липо-полизахариди. Бифидобактериите увеличават деконюгацията на жлъчните киселини, което води до изчерпване на пула на жлъчните киселини и намаляване на нивата на холестерола, тъй като холестеролът е субстрат в производството на жлъчни киселини. Изглежда, че пробиотиците подобряват чувствителността към инсулин и окисляването на мастните киселини. Lactobacillus paracasei намалява ефектите от диетата с високо съдържание на мазнини при плъхове ([34]). Подобен ефект е показан за Agaricus blazei при плъхове ([35]). Модифицирането на микробния състав на стомашно-чревния тракт показа защитен ефект върху затлъстяването, свързано със „западната“ (богата на мазнини, високо въглехидратна) диета при мишки ([36]). Отново въздействието на пробиотиците не е установено дори при проучвания върху животни, тъй като пробиотиците обаче не повлияват затлъстяването в няколко други проучвания ([37], [38]).

Предбиотиците се определят като хранителни добавки (слабо усвоими олигозахариди), способни да повлияят на чревната среда и да променят състава на бактериалната флора. Например фрукто-олигозахаридите, хранени с мишки, са увеличили броя на Bifidobacteria. Метаболитните ефекти на пребиотиците са подобни на тези при добавянето на бифидобактерии ([39]).

Няма убедителни данни за ефектите на пробиотиците при затлъстяването при хора.

Въпроси около ролята на микробиотата при затлъстяването.

Чревната микробиота е сравнително нова тема в изследването на затлъстяването. Съществуват множество методологични въпроси относно тестване и анализ на чревна микробиота ([40]). Новите прозрения обаче носят няколко интригуващи въпроса, които могат да бъдат разрешени чрез бъдещи изследвания.

Енергийната реколта, която зависи от състава на бактериалната флора, поставя под въпрос текущата оценка на калоричността на храната. Според модели, включващи метагеномични концепции, калорийната стойност на храната може да се променя от отделен на отделен човек, тъй като енергийната реколта зависи от състава на чревната флора.

Ясно е, че свързаните с гостоприемника фактори и диетата могат да повлияят на микробиотата, а микробиотата може да повлияе на гостоприемника в замяна. Въпреки че проучванията върху животни са изяснили няколко потенциални включени механизма, ние знаем много малко за тези взаимодействия при хората. Не е ясно дали затлъстяването и висококалоричната диета водят до неблагоприятни промени в чревната флора или индивидуалните вариации в чревната флора предразполагат към развитие на затлъстяване ([41]). Изследването е в начален стадий и не трябва да се интерпретира прекомерно в клинични препоръки.