Flora usus: dapatkan lebih banyak energi dari lebih sedikit makanan

2024 Pengarang: Seth Attwood | [email protected]. Terakhir diubah: 2023-12-16 16:08

Pemeriksaan seorang wanita dengan keluhan diare persisten dan nyeri perut akut mengungkapkan peradangan akut usus besar yang disebabkan oleh Clostridia. Mengingat resistensi bakteri terhadap antibiotik, pasien ditawari metode terapi eksperimental, tetapi efektif - transplantasi mikrobiota donor (mikroflora usus).

Setelah memasukkan 600 ml suspensi tinja donor ke dalam usus pasien, kekambuhan penyakit tidak lagi diamati - mikrobiota donor berhasil menggantikan patogen dan menempati ceruknya. Namun, setahun kemudian, wanita itu mengeluh kepada dokter tentang kenaikan berat badan yang cepat, sementara sepanjang hidupnya sebelum transplantasi dia memiliki berat badan yang normal dan stabil. Dari saat prosedur, kenaikannya adalah 15 kg, dan berat badan total mencapai 77 kg dengan tinggi 155 cm. Meskipun kebugaran dan diet, berat badan pasien segera melebihi 80 kg. Dokter mencatat bahwa donor yang umumnya sehat juga kelebihan berat badan dan memungkinkan kemungkinan "kontaminasi" obesitas melalui mikrobiota. Sepintas, asumsi berani seperti itu memiliki dasar bukti yang kuat. Pada artikel ini, saya akan berbicara tentang efek mikrobiota pada pencernaan, dan mengapa keanekaragaman spesiesnya berkurang, dan keseragaman meningkatkan risiko obesitas.

glagolas.

pengantar

Probabilitas mewarisi obesitas mencapai 80%, tetapi perbedaan individu dalam genom inti menyumbang kurang dari 2% dari variabilitas berat badan dalam populasi. Selain itu, genom nuklir diturunkan ke anak hampir sama dari setiap orang tua, tetapi anak-anak mewarisi obesitas dengan frekuensi yang jauh lebih tinggi dari ibu mereka. Fenomena ini sering dijelaskan oleh pengaruh pada metabolisme mitokondria, yang memiliki DNA sendiri dan yang tidak ada di kepala sperma, oleh karena itu, genom mitokondria diwarisi oleh embrio hanya dari sel telur ibu. Namun, hasil studi genom mitokondria menjelaskan lebih sedikit kasus pewarisan obesitas. Jadi, jika pewarisan penyakit ini hanya sebagian dimediasi oleh genom nuklir dan mitokondria, maka mungkin obesitas ditularkan ke anak-anak terutama melalui genom manusia ketiga - mikrobioma (satu set gen mikrobiota), yang juga diwarisi dari ibu?

Warisan dan variabilitas mikrobioma

Perkembangan intrauterin disertai dengan kemandulan mutlak janin, yang untuk pertama kalinya menerima mikrobiota, mengatasi jalan lahir selama persalinan alami. Oleh karena itu, bayi yang lahir secara alami memiliki mikrobiota yang lebih beragam daripada yang diekstraksi melalui operasi caesar. Juga, penelitian telah menunjukkan bahwa anak-anak yang lahir melalui operasi caesar memiliki risiko obesitas yang lebih besar. Namun demikian, komposisi mikrobiota pada anak-anak ini secara bertahap menjadi normal dalam kondisi menyusui, yang memastikan dominasi bifidobacteria dan lactobacilli, yang menekan populasi bakterioid oportunistik dan clostridia. Kelahiran alami dan menyusui membentuk tulang punggung mikrobiota, yang biasanya berlangsung seumur hidup. Pengayaan lebih lanjut dari mikrobiota dengan jenis bakteri lain tergantung pada gaya hidup.

Jadi, misalnya, mengunjungi taman kanak-kanak merupakan faktor yang signifikan dan independen dalam meningkatkan keanekaragaman spesies mikrobiota. Di sisi lain, meluasnya penggunaan antibiotik dan antiseptik, serta standar sanitasi dan kebersihan yang ketat, mengurangi nilai tukar mikrobiota antara manusia dan keanekaragamannya (baca lebih lanjut tentang efek antibiotik pada mikrobiota dan bau mulut di sini). Dengan demikian, kita dapat berbicara tentang heritabilitas dan variabilitas mikrobioma.

Struktur mikrobiota

Seiring bertambahnya usia, jumlah sel bakteri di usus secara bertahap mencapai 100 triliun, yang melebihi jumlah sel tubuh sendiri pada orang dewasa sebanyak 10 kali lipat. Pada saat yang sama, karena ukuran bakteri yang kecil, seluruh mikrobiota memiliki berat hingga 2 kg dan muat di usus besar.

Sekitar 60% dari isi rektum adalah mikroorganisme, koloni yang tumbuh pada serat makanan nabati (selulosa), menggunakannya sebagai makanan dan kerangka, sehingga membentuk konsistensi feses yang kental. Terlepas dari jumlah bakteri yang signifikan, interaksi mereka dengan tubuh manusia telah lama dipertimbangkan oleh para ilmuwan secara ketat dalam kerangka komensalisme, di mana mikroorganisme mendapat manfaat dari hubungan tersebut, dan makroorganisme tidak menerima manfaat atau kerugian. Namun, dengan berkembangnya metode genotipe, konsep mikrobiota telah berubah secara signifikan.

Ditemukan bahwa keanekaragaman spesies mikrobiota mencapai 300-700 spesies mikroorganisme, dan total genomnya terdiri dari 10 juta gen, yang 300 kali lebih besar dari genom manusia. Penjumlahan gen mikrobioma seperti itu dan perbandingan jumlah mereka dengan yang ada pada manusia bukan hanya semboyan di sini. Banyak gen bakteri secara fungsional melengkapi genom nuklir manusia, dan interaksi antarspesies mikroorganisme begitu dekat sehingga beberapa spesies secara harfiah tidak dapat hidup tanpa satu sama lain. Penemuan terbaru ke arah ini memungkinkan untuk berbicara tentang hubungan yang saling menguntungkan antara manusia dan mikrobiota, dan totalitas gennya disebut mikrobioma atau genom manusia ketiga. Sebagai ilustrasi, saya akan memberikan contoh spesifik.

Fisiologi mikrobiota

Dengan makanan nabati, kita mengkonsumsi polimer fruktosa (fructans), yang kita tidak memiliki enzim sendiri untuk dipecah menjadi gula sederhana. Fruktan yang tidak diobati tidak diserap, dan akumulasinya di usus menyebabkan gangguan parah, dan di rongga mulut mereka digunakan oleh bakteri karies untuk menempel pada email gigi. Kami dibantu oleh bifidobacteria dan lactobacilli, yang memiliki gen enzim untuk memecah fruktan menjadi laktat dan asetat. Metabolit ini menciptakan kondisi yang lebih asam yang mengurangi proliferasi bakteri oportunistik yang peka terhadap asam dan menyebabkan diare. Selain itu, laktat dan asetat menggunakan jenis mikroflora ramah lainnya sebagai sumber energi, yang menghasilkan butirat - sumber energi utama untuk sel epitel usus dan penghambat penetrasi patogen intraseluler ke dalamnya, dan senyawa ini juga mengurangi risiko mengembangkan kolitis ulserativa dan kanker usus besar. Jadi, hanya beberapa jenis bakteri yang mensintesis zat penyembuhan dari komponen makanan yang berbahaya bagi tubuh, dan, melindungi ceruk mereka dari pesaing, sebagai bonus bagi seseorang, menekan pertumbuhan patogen di ususnya! Sekarang bayangkan bagaimana lusinan dan ratusan spesies mikroorganisme digabungkan menjadi rantai metabolisme yang lebih panjang dan bercabang yang menghasilkan asam amino esensial, vitamin, dan metabolit lainnya, sehingga memodulasi pencernaan, kekebalan, dan bahkan perilaku kita, termasuk makanan.

Mikrobiota dan obesitas

Efek signifikan mikrobiota pada obesitas pertama kali ditunjukkan pada kondisi tanpa mikroorganisme dan dibesarkan dalam kondisi steril. Biasanya, tikus steril biasanya memiliki jaringan adiposa 42% lebih sedikit daripada tikus yang sebanding dengan mikroflora. Pada saat yang sama, tikus steril yang lebih kurus mengkonsumsi makanan 29% lebih banyak daripada rekan mereka yang lebih lengkap dengan mikroflora. Para peneliti memindahkan mikroflora dari tikus normal ke tikus steril dan mengamati peningkatan 57% pada jaringan adiposa dalam waktu dua minggu, meskipun terjadi penurunan asupan makanan sebesar 27%!

Para penulis menyimpulkan bahwa mikroflora membantu mengekstrak lebih banyak energi dari lebih sedikit makanan. Pada saat yang sama, efisiensi energi pencernaan dengan mikroflora meningkat sedemikian rupa sehingga kelebihan kalori yang dihasilkan disimpan dalam jaringan adiposa.

Hasil yang diperoleh dalam penelitian ini adalah karena rendahnya variasi glikosidase yang disintesis secara independen oleh tubuh mamalia - enzim untuk memutuskan ikatan pada molekul karbohidrat kompleks seperti serat tumbuhan. Sebagai perbandingan, jika dalam genom kita hanya ada 20 gen untuk sintesis glikosidase, maka spesies bakterioid saja mensintesis 261 jenis glikosidase, dan seluruh mikrobioma mengandung 250.000 gen untuk sintesis enzim ini. Jadi, dengan tidak adanya mikrobiota, serat yang kaya energi meninggalkan tubuh dengan kotoran, tidak memenuhi kebutuhan kalori, sehingga tikus steril makan lebih banyak dan beratnya lebih sedikit daripada rekan-rekan mereka dengan mikroflora normal. Hasil penelitian tersebut tanpa disadari memunculkan ide tentang metode pengobatan obesitas dengan penghancuran total mikrobiota dengan antibiotik. Namun, ko-evolusi manusia dan mikrobiota telah berjalan sejauh ini sehingga implementasi ide ini tidak mungkin, dan dari sudut pandang klinis, ini sangat berbahaya.

Pertama, tidak seperti tikus, kita tidak bisa hidup dalam kondisi steril. Lingkungan mengandung banyak mikroorganisme patogen yang akan dengan senang hati menempati relung yang bebas dari mikroflora alami. Misalnya, seorang wanita yang kasus klinisnya diberikan di awal artikel mendapat infeksi Clostridia setelah dirawat karena vaginosis bakterial dengan antibiotik dosis tinggi. Kedua, saya telah menyebutkan bahwa tanpa mikrobiota, kita tidak dapat memecah fruktan sendiri, yang akumulasinya penuh dengan gangguan pencernaan yang parah. Dan akhirnya, ketiga, penggunaan antibiotik dalam praktik menunjukkan efek sebaliknya - obesitas diperburuk, dan mikrobiota komposisi yang lebih beragam dan kaya melindungi terhadap obesitas.

Antibiotik dan obesitas

Sejak pertengahan abad terakhir, antibiotik telah banyak digunakan di bidang pertanian untuk mempercepat pertambahan berat badan ternak. Untuk tujuan ini, persiapan ditambahkan ke pakan secara berkelanjutan, akibatnya 70% dari antibiotik yang dihasilkan dihabiskan untuk peternakan.

Efek positif antibiotik pada berat badan telah lama dikaitkan dengan pencegahan infeksi, karena hewan yang sehat menambah berat badan lebih cepat. Tetapi kemudian terbukti bahwa ketergantungan ini dimediasi oleh perubahan komposisi mikrobiota. Efek serupa antibiotik pada berat badan manusia dianggap tidak mungkin, karena terapi antibiotik digunakan untuk waktu yang singkat dan sporadis. Sementara itu, 10 tahun yang lalu dalam penelitian ditemukan bahwa bahkan satu antibiotik saja menyebabkan penurunan keanekaragaman mikrobiota manusia dalam waktu 4 tahun. Sebuah studi meta-analisis 2017 pada hampir 500.000 orang menemukan bahwa penggunaan antibiotik pada masa bayi secara signifikan meningkatkan risiko obesitas di kemudian hari, dengan dosis antibiotik berkorelasi positif dengan obesitas. Dengan demikian, penurunan berat badan yang diharapkan sebagai akibat dari penekanan mikrobiota tidak terjadi, tetapi di masa depan, perkembangan obesitas diamati. Agaknya, antibiotik, yang secara selektif menghancurkan perwakilan mikroflora normal yang sensitif terhadap mereka, membentuk semacam "mikrobiota obesitas".

Konsep rantai metabolisme berkelanjutan dan "mikrobiota obesitas"

Mikrobiota lengkap adalah rantai reaksi metabolisme berkelanjutan yang memecah serat yang kaya energi menjadi senyawa yang miskin energi. Dalam hal ini, setiap metabolit antara yang masih mengandung energi diasimilasi oleh bakteri berikutnya dalam rantai metabolisme, yang mampu mensintesis enzim untuk pemecahannya, menyerap sebagian energinya. Metabolit akhir dari berfungsinya rantai metabolisme berkelanjutan adalah asam lemak rantai pendek, yang terutama dikatabolisme oleh sel-sel usus dan tidak disublimasikan dalam jaringan adiposa, dan beberapa di antaranya bahkan menghambat lipogenesis dan menekan nafsu makan. Dengan demikian, mikrobiota lengkap hampir sepenuhnya menggunakan energi serat dan melindungi inang dari obesitas, bahkan jika ia menyalahgunakan karbohidrat cepat.

Tidak seperti mikroflora normal, "mikrobiota obesitas" bersifat monoton karena hilangnya spesies, genera, atau seluruh famili bakteri, sehingga tidak dapat membentuk rantai metabolisme yang berkesinambungan. Karena berbagai jenis serat dipecah oleh banyak perwakilan mikrobiota, tidak adanya beberapa dari mereka tidak menghalangi awal rantai metabolisme dan serat makanan dengan aman dipecah menjadi metabolit perantara. Pada gilirannya, tidak adanya spesies bakteri yang secara khusus memecah metabolit perantara menyebabkan akumulasi yang terakhir di lumen usus. Berbeda dengan serat, metabolit intermediet mampu diserap oleh tubuh, termasuk meningkatkan cadangan jaringan adiposa. Jadi, "mikrobiota obesitas" mengandung semacam celah di mana energi "mengalir" ke dalam tubuh manusia.

Dugaan "mikrobiota obesitas" telah didukung oleh eksperimen transplantasi feses dari orang-orang dengan tubuh berbeda ke tikus steril. Untuk mengecualikan faktor-faktor lain, mikrobiota untuk transplantasi direkrut dari 8 kembar, yang pasangannya berbeda dalam ada dan tidaknya obesitas, dan tikus, yang menerima mikrobiota dari orang-orang dengan fisik berbeda, hidup terpisah. Mikrobiota yang berasal dari kembar obesitas memiliki komposisi spesies yang jarang dibandingkan dengan mikrobiota yang lebih beragam dari kembar bertubuh normal.

Sebagai hasil percobaan, tikus yang menerima "mikrobiota obesitas" menunjukkan peningkatan lemak tubuh yang signifikan pada hari ke-8 setelah transplantasi. Pada saat yang sama, massa lemak pada tikus yang menerima mikrobiota dari kembar dengan berat badan normal tetap tanpa perubahan signifikan selama percobaan.

Selain itu, penulis penelitian ini memutuskan untuk menguji penularan obesitas. Untuk ini, tikus yang diperoleh sebagai hasil transplantasi mikrobiota yang berbeda ditempatkan di kandang bersama setelah 5 hari. Kontrol berat badan dan komposisi tubuh pada hari ke-10 kohabitasi menunjukkan bahwa tikus yang menerima "mikrobiota obesitas" memperoleh lebih sedikit lemak daripada tikus serupa pada bagian pertama percobaan (hidup dalam isolasi), dan praktis tidak berbeda dari hidup bersama. tikus yang menerima mikrobiota dari kembar dengan fisik normal. Analisis mikrobioma menunjukkan peningkatan keragaman mikrobiota pada tikus yang awalnya menerima "mikrobiota obesitas" yang seragam. Yang penting, tikus kurus yang awalnya menerima beragam mikrobiota tidak tertular obesitas dari orang yang tinggal bersama mereka.

Analisis metabolit di usus menunjukkan bahwa setelah hidup bersama pada tikus yang awalnya menerima "mikrobiota obesitas", terjadi penurunan disakarida dan peningkatan asam lemak rantai pendek. Dengan demikian, ditemukan bahwa mikrobiota yang beragam melindungi terhadap perkembangan obesitas, dan transplantasi atau transfer alami mikrobiota tersebut ke tikus gemuk mengarah pada normalisasi berat badan.

Kesimpulan

Perlu dicatat bahwa tikus adalah koprofag, yang sangat memfasilitasi pertukaran alami mikrobiota antara kohabitan. Namun, hasil studi tentang mikrobiota dan epidemiologi obesitas pada manusia juga dapat dijelaskan dengan pertukaran mikroflora melalui interaksi sosial. Di atas, saya berbicara tentang bagaimana pergi ke taman kanak-kanak meningkatkan keragaman mikrobiota, tetapi pertukaran mikroflora juga dapat terjadi melalui koneksi sosial lainnya dan berpotensi mempengaruhi risiko obesitas. Misalnya, analisis catatan medis dari 1.519 keluarga personel militer Amerika memungkinkan untuk menetapkan bahwa indeks massa tubuh anggota keluarga setelah ditugaskan ke stasiun tugas baru dalam 24 bulan berubah sesuai dengan indikator populasi. daerah. Penulis ini dan 45 penelitian serupa lainnya menunjukkan bahwa perbedaan fisik kita dari lingkungan terdekat dapat meningkatkan ketidaknyamanan psikologis, dan ini, pada gilirannya, mempengaruhi perilaku makan dan aktivitas fisik. Namun, upaya untuk membuktikan hubungan kausal ini sejauh ini tidak berhasil. Sementara itu, pertukaran mikrobiota melalui lingkungan dan kontak langsung dapat menjelaskan fenomena ini.

Dalam konteks ini, pengalaman hidup saya juga bisa menarik. Saya sendiri masih kering dan pepatah "bukan untuk memberi makan kuda" adalah tentang saya! Dan sejak saya bertemu istri saya, dia mulai menurunkan berat badan dari tahun ke tahun. Benar, dia tidak pernah mengalami obesitas, tetapi sejak awal hubungan kami dia kehilangan berat badan secara nyata. Bahkan sebagai siswa, dia bercanda bahwa saya menginfeksinya dengan cacing saya, tetapi segera setelah saya mendapat pekerjaan di laboratorium, saya memeriksa semuanya dan tidak menemukan yang seperti itu. Kemudian, untuk pertama kalinya, saya menyarankan bahwa masalahnya mungkin terletak pada kekhasan mikrobiota saya, yang secara bertahap diadopsi oleh istri saya. Sayangnya, tidak mungkin untuk mempelajari fitur-fitur ini di laboratorium kami, jadi saya mengirim sampel "dunia batin" saya ke Atlas untuk dianalisis. Saya akan menulis tentang hasil analisis di artikel berikutnya, di mana saya akan berbicara secara rinci tentang metode mengoreksi mikrobiota untuk mengurangi berat badan (upd: cerita tentang hasil).