Чревният микробиом е по-пластичен през първите две години след раждането, което позволява на пробиотиците да оставят своя отпечатък. Можем ли да използваме това, за да подобрим здравето на бебетата?

Дженифър Т. Смиловиц и Даяна Азар Тафт
1 юни 2020 г.

През есента на 2018 г. екип от изследователи от Научния институт Weizmann в Израел публикува констатации, че коктейлът от 11 щама Lactobacillus и Bifidobacterium е имал минимално непосредствено въздействие и никакъв траен ефект върху състава на чревния микробиом на мишки или хора . В действителност, пробиотичните бактерии не са открити при нито един от четиринадесетте възрастни участници, след като добавката приключи.

микробиомът

Тези неотдавнашни открития получиха доста преса и добавиха към нарастващите настроения сред обществеността, че пробиотиците - живи микроорганизми, за които се предполага, че предоставят ползи на човешкия гостоприемник - не работят. Десетилетия изследвания показват, че повечето пробиотици не са в състояние да колонизират или да упражняват трайни ползи в човешките черва. Някои критици дори предполагат, че пробиотиците може да не са обещаващ начин за лечение на болести или подобряване на здравето и здравето по друг начин. Но ние си помислихме: „Не изхвърляйте бебето с водата за баня - нашата работа показва, че правилният пробиотик може да действа в червата на бебето.“ Констатациите, които публикувахме през 2017 г., показаха, че храненето на кърмените бебета с пробиотик, който включва специфичен щам на Bifidobacterium longum subspecies infantis (B. infantis EVC001), води до 10 000 000-кратно средно увеличение на нивата на фекални B. infantis. Това ниво се запазва един месец след консумацията на добавката и нивата остават повишени до една година след лечението.

За да разберем защо микробиомът на бебешките черва се е променил толкова драстично през миналия век, ние се опитахме да разберем как се образува микробиомът на бебешките черва.

Колонизирането на червата на бебето от B. infantis имаше защитни ефекти, като по-ниски нива на потенциални чревни патогени и фекален ендотоксин, компонент на външната мембрана на Грам-отрицателни организми, за който е известно, че предизвиква възпаление. Също така установихме, че кърмачетата, на които е даден пробиотикът B. infantis, са намалили чревното възпаление в сравнение с кърмачетата, които не са получавали пробиотика. Чревните микробиоми на бебета, допълнени с B. infantis, съдържаха по-малко гени на антибиотична резистентност - признак на по-малко патогени - и показаха по-малко разграждане на муцин, гликопротеин, секретиран от чревния епител, който предпазва епителните клетки от директен контакт с чревните микроби. Тези данни подкрепят по-ранни констатации от Марк Ъндърууд и колеги от Калифорнийския университет, Дейвис. През 2013 г. екипът на Ъндърууд показа, че храненето на недоносените бебета с различен щам, B. infantis ATCC15697, води до по-голямо увеличение на фекалните Bifidobacterium и намалени нива на потенциални патогени в сравнение с кърмачета, получаващи пробиотик, съдържащ B. lactis.

Докато научната общност и обществеността се бореха с многократни констатации, че пробиотичните добавки, приемани от възрастни, не са последователни при ефективното колонизиране на червата или придаването на полза, сега имаме убедителни доказателства, че микробиомите на червата на бебетата реагират невероятно добре на специфични щамове на B. infantis. Въпросът беше защо.

Произход на микробиома

Съвети за детския микробиом могат да бъдат намерени в вековни статии за коменсални бактерии в изпражненията на бебето. WR Logan, клиничен патолог в изследователската лаборатория на Кралския колеж по лекари в Единбург, е първият, който съобщава преди 100 години, че бактериите във фекалните цитонамазки от кърмачета са почти монокултура на Bacillus bifidus, която днес е известна като рода Bifidobacterium. Фекалните цитонамазки от бебета, хранени с адаптирано мляко по това време, за разлика от тях, имаха разнообразие от бактерии, с относително малко Bifidobacterium - по-подобно на микробното разнообразие, открито при днешните кърмени бебета.

Тези поразителни промени в състава на чревния микробиом, наблюдавани през миналия век, бяха в съответствие с неотдавнашната ни констатация, че фекалното рН при кърмачетата се е увеличило драстично от рН 5,0 до 6,5 през последните 100 години, промяна, свързана с очевидна загуба на Bifidobacterium и съпътстващо увеличаване на потенциалните патогени. Намаляването на Bifidobacterium в чревния микробиом на кърмачета е вероятно неволно следствие от медицински практики, които могат да спасят животи, но не подпомагат растежа на Bifidobacterium. Такива медицински практики включват лечение с антибиотици, към които Bifidobacterium са чувствителни; адаптирано мляко, което не осигурява специфичната храна, която бактерията изисква; и по-голям брой доставки на цезарово сечение, които заобикалят пътя, по който бактерията се прехвърля от майка на бебе. Тези медицински практики са замесени в повишения риск от алергични и автоимунни заболявания, преобладаващи в богатите на ресурси държави. Намаляването на Bifidobacterium и увеличаването на провоспалителните микроби в ранна детска възраст се предлага да се случи по време на критичния прозорец на развитието на имунната система и по този начин може да увеличи риска от имунни заболявания по-късно в живота.

За да разберем защо микробиомът на детските черва се е променил толкова драстично през миналия век, ние се опитахме да разберем как се формира тази общност. Колонизацията на микробиома на бебето в червата започва при раждането с излагане на микроби на майката - предимно вагинални и фекални микроби за вагинално родени бебета или предимно микроби от кожата, устата и околната среда при бебета, родени чрез цезарово сечение. След раждането бебетата са бомбардирани от голям набор от микроби, открити в околната среда, включително в майчиното мляко, но видовете, които продължават да стават трайни членове на микробната общност, често са тези, предавани от майките на бебетата чрез физически контакт.

Децата продължават да придобиват видове микробиоми в червата от своите майки и други в общността през ранния живот. Това е в контраст с чревния микробиом на възрастен, който е стабилен и се противопоставя на промените до голяма степен, защото наличното пространство и храна вече се използват от установените микроби - екологичните ниши просто са заети в червата на възрастните. По този начин има смисъл, че пробиотикът има по-голям шанс да продължи да съществува в червата на бебето, където е изправен пред по-малка конкуренция и следователно е по-вероятно да има храна, която може да консумира, и място, където може да расте. Пробиотикът е само още един източник на излагане на нови бактерии за бебето.

Разпознавайки това, ние започнахме да се чудим: В нашите проучвания каква екологична ниша запълва B. infantis, която поддържа нейната устойчивост при кърмачета дълго след спиране на приложението на пробиотици?

Променящият се детски микробиом

В исторически план микробиомът на кърмачетата на кърмачето е почти монокултура на Bifidobacterium (J Pathol Bacteriol, 18: 527-51, 1913). Хранените с адаптирано мляко микробиоми са много по-разнообразни. Кърменият микробиом на кърмачетата и микробиомът на кърмачетата, хранени с адаптирано мляко, сега са по-сходни с историческия микробиом на кърмачетата, хранени с адаптирано мляко, въпреки че съвременните кърмени бебета имат повече Bifidobacterium от съвременните кърмачета.

Поставяне на сцената

Основен фактор за определяне кои бактерии процъфтяват в червата е наличието на техните въглехидратни източници на храна. По този начин, за да работи пробиотик при кърмаче, трябва да бъдат подбрани микроорганизми, така че източникът на храна, който използват най-ефективно, да съответства на наличния - храна, която присъства и не се консумира вече от други бактерии. Поставихме за цел да определим какви въглехидрати B. infantis консумира в червата на бебето.

Естествено се насочихме към кърмата, която от милиони години е единствената храна, която може изключително да подхранва и защитава бебетата през първите шест месеца от живота. Човешкото мляко доставя хранителни вещества, както и нехранителни, биоактивни молекули, включително въглехидрати, известни като олигозахариди в човешкото мляко (HMO). Още в средата на 19-те години Пол Дьорд, световноизвестен биохимик, диетолог и педиатър от болницата на Университета в Пенсилвания, и колегите несъзнателно се позовават на HMO, когато предлагат съществуването на „бифидусен фактор“, нещо уникално в кърма, хранена с Bifidobacterium. Докато хората не могат да смилат HMO, се оказва, че Bifidobacterium, особено B. infantis, може. През 2007 г. нашата група в UC Davis използва инструменти, базирани на масова спектрометрия, съчетани с микробиология, за да покаже, че B. infantis поглъща HMO като единствен енергиен източник, докато други видове Bifidobacterium консумират само някои HMO в допълнение към растителни, животински, и въглехидрати, получени от гостоприемника.

HMO са разнообразен клас сложни въглехидратни молекули, синтезирани от млечната жлеза. С приблизително 200 различни молекулни вида, те представляват третия най-разпространен твърд компонент в кърмата след лактоза и мазнини. Тъй като HMO са сложни и се различават по структура, производството им е скъпо. Настоящите храни за кърмачета могат да съдържат една или две прости HMO структури, но с част от концентрацията, открита в кърмата. Храните за кърмачета нямат изобилието и сложността на HMO за селективно хранене на полезни чревни микроби и за свързване и неутрализиране на патогени от червата.

Бактериалните видове в червата на бебето, способни да консумират HMO, могат да се считат за ориентиран към мляко микробиом (MOM). Въпреки че B. infantis изглежда е най-ефективният консуматор на HMO, други видове Bifidobacterium, по-специално B. breve и B. bifidum, могат и консумират някои HMO, но също така консумират въглехидрати, получени от растения, животни и гостоприемници. . Видовете Bifidobacterium, които колонизират червата, се променят през целия живот в отговор на наличните въглехидрати в диетата на гостоприемника. Например, B. infantis, B. breve и B. bifidum са MOM бифидобактерии, които обикновено се срещат в изпражненията само на кърмачета, докато B. longum и B. adolescentis, които предпочитано консумират въглехидрати от растителни и животински произход, обикновено са открити в изпражненията на възрастни. И все пак има различия и припокриване на видовете, присъстващи на различни етапи от живота.

Основен фактор за определяне кои бактерии процъфтяват в червата е наличието на източник на въглехидратна храна.

За да разберем как допълнителният B. infantis може толкова успешно да надделее над другите микроби в червата на бебето, ние се задълбочихме в неговата стратегия за хранене. Оказва се, че това е придирчив ядец, който вечеря изключително на HMO, а когато HMO са в изобилие, B. infantis ги поглъща грабително. За разлика от други MOM бифидобактерии, B. infantis притежава всички гени, необходими за пълното, вътрешно разграждане на HMO и за предпочитане използва HMO пред всеки друг източник на въглехидрати. Други MOM бифидобактерии като B. bifidum и B. breve щамове показват способности за растеж само с подмножество HMO. По този начин B. infantis има конкурентно предимство, когато кърмата съставлява цялата диета.

Проучване от 2008 г. от колеги от UC Davis и техните сътрудници показа как B. infantis използва бързо HMOs: със свързващи протеини, за да грабне HMOs от лумена на червата и транспортери, за да ги въведе в цитоплазмата, разграждайки ги до монозахариди, които след това ферментират в лактат и ацетат на мастната киселина с къса верига, които се секретират от клетката. Тези крайни продукти поддържат по-ниско рН в чревната среда, подпомагайки транспорта на тези съединения в чревния епител за използване от гостоприемника и създавайки нежелана среда за потенциални патогени. Производството на ацетат също блокира инфилтрацията на токсични молекули, произведени от патогенни бактерии, като засилва чревната бариерна функция и инхибира провъзпалителните и апоптотичните реакции. Последните открития от едно in vitro проучване показват, че количеството на ацетат и лактат, произведени от различни бифидобактериални видове, зависи от това колко добре те консумират наличните за тях въглехидрати. Следователно, хранете микроб, консумиращ въглехидрати, с предпочитания от него въглехидрат и той има по-голям потенциал да произвежда повече от своите защитни крайни продукти.

Друга причина, поради която B. infantis превъзхожда другите бифидобактериални щамове в червата на кърмачетата, е, че цялото му HMO смилане се случва вътре в бактериалната клетка. B. bifidum, от друга страна, усвоява HMOs външно. Това извънклетъчно храносмилане освобождава прости въглехидрати и може да захранва кръстосано други видове Bifidobacterium, но също и да кръстосва и по този начин отваря екологична ниша за други, може би по-малко полезни микроби. Кръстосаното хранене сред микробите разнообразява чревния микробиом, който се счита за полезен при възрастни.

Но има ли предимство да имате почти монокултура на Bifidobacterium при кърмачета? Задавайки този въпрос, фокусът ни се насочи към имунното развитие.

Ориентираният към мляко микробиом

Олигозахаридите от човешко мляко (HMO) са сложни въглехидрати, които микробните видове от млечно ориентирания микробиом (MOM) могат да използват като източник на храна. Bifidobacterium infantis кодира много протеини, които специфично се свързват и транспортират всички видове HMO в своята клетка и ги усвояват вътрешно. Други видове Bifidobacterium усвояват само някои HMO, а някои го правят външно. Разграждането на HMOs от MOM Bifidobacterium води до производството на лактат и късоверижната мастна киселина ацетат, които се секретират в лумена на червата. Тези молекули понижават рН в чревната среда, което подобрява техния транспорт в епитела за използване от гостоприемника и създава нежелана среда за потенциални патогени като Е. coli.