Діагностика мікробіомів між наукою та практикою; •
PD Dr. вип. нац. Андреас Шверц - Інститут харчових наук, Університет Гіссена
Інститут мікроекології ім. Герборна
За останні роки дослідження мікробіомів досягли величезних успіхів. Але як можна застосувати наукові результати на практиці? Лікар. У своїй лекції на симпозіумі з мікроекології Андреас Шверц узагальнив основні висновки останніх років і показав можливості практичного застосування для лікарів.
Центральним питанням у дослідженні мікробіомів є: Як визначається нормальний мікробіом? І чи існують етнічні чи регіональні відмінності у складі нормального мікробіома?
Різноманітність в кишечнику у різних етнічних груп
Щоб пояснити питання, вчені порівняли бактерії в одязі крісел фермерів з Малаві, Африка, з бактеріями корінних американських індіанців з Венесуели та американських міст. Результат дослідження 1: "У перші два роки життя різноманітність бактерій приблизно однакова", - повідомив Шверц. Перші відмінності в різноманітності бактеріального складу можна побачити приблизно з двох років. Зі збільшенням віку стало ясно, що серед індіанців з регіону Амазонки високий ступінь різноманітності зберігався до старості. На другому місці були вихідці з сільського Малаві, тоді як американці підняли тил у цьому порівнянні.
Швейцарський ніж у кишечнику
"Мені подобається порівнювати результат із швейцарським ножем", - пояснив Шверц. "Хоча у амазонських індіанців у кишечнику є безліч різних ножів та пилок, репертуар інструментів міських американців обмежений одним-двома ножами".
Але чому це так? Чому одна група населення має набагато різноманітнішу кишкову флору, ніж інша? "Той, хто їсть західну їжу більш-менш, щодня їсть одне і те ж", - відповів на своє запитання Андреас Шверц. «Для бактерій у кишечнику немає різниці, їмо ми рис, картоплю чи макарони». Західна дієта нехтує харчовими волокнами, які є важливими для бактеріального різноманіття: «Бактеріальне різноманіття зменшується, оскільки ми не годуємо бактерії достатньо різноманітними . "
Індійці Амазонки, навпаки, покладаються на успіх у полюванні чи пошук їстівних рослин для свого раціону. "Бактеріальний" швейцарський армійський ніж "і, отже, бактеріальні метаболічні здібності повинні бути набагато ширшими для цих людей, ніж для американців", - говорить Шверц.
Мікробіом у веганів, вегетаріанців та "всебічних"
Але як дієта західноцивілізованої людини формує його кишковий мікробіом? Шверц та його колеги з Інституту мікроекології в Герборні досліджували, чи і, якщо так, як різниться склад кишкового мікробіома в залежності від дієти. 2 Вони порівняли зразки калу у веганів, вегетаріанців та “всебічних” - біологи називають останніх всеїдними.
Результат: «Якщо ви подивитесь на великі групи бактерій, ви не побачите жодних суттєвих відмінностей», - повідомив Шверц і далі: «Однак, якщо ви подивитеся на появу різних бактерій протягом декількох днів, картина виглядає набагато барвистішою у веганів, ніж у всеїдний ". Це було б пов'язано з більш різноманітним харчуванням вегана порівняно з всеїдним, пояснив Шверц. Великі відмінності в бактеріальній колонізації кишечника спричинені різними харчовими волокнами.
Ще один цікавий аспект дослідження виявив: у веганів немає лактобактерій у випорожненнях. "Це явище легко пояснити, - каже Шверц, - оскільки вегани не вживають молочних продуктів, молочнокислим бактеріям не вистачає основних харчових основ".
Ожиріння через кишкових бактерій?
Шверц представив дані Національного інституту охорони здоров'я США з 1985 по 2006 рік, які показують, що жителі Північної Америки товстіють. Десять років тому кожен третій-четвертий чоловік у США страждав ожирінням, що відповідає індексу маси тіла (ІМТ) понад 30. З глобальної точки зору тенденція продовжується.
З 2010 року ожиріння також зростає в Німеччині, Фінляндії та Великобританії. Країна з найбільш густим населенням - Мексика. "Мексика визнала проблему і була першою країною у світі, яка запровадила податок на цукор", - заявив Шверц. З позитивним сальдо: "Середній ІМТ зменшився після введення податку".
Однією з причин введення податку на цукор було: Населення з надмірною вагою спричиняє великі витрати на охорону здоров'я. Оскільки ожиріння, як правило, не позбавлене наслідків. Екстремальне ожиріння часто призводить до серцево-судинних, легеневих, шлунково-кишкових та опорно-рухових апаратів. Проблеми з гормонами, ниркова недостатність та психосоціальні проблеми також часто зустрічаються при ожирінні.
Чому люди товстіють?
Існує багато причин надмірної надмірної ваги. "Якщо ви вживаєте більше калорій, ніж можете використати, ви набираєте вагу", - говорить Шверц. Однак інші фактори, такі як генетика, гормональний дисбаланс, ліки, навколишнє середовище і, згідно з останніми висновками, а також мікробіота людини, на яку впливає, впливають на простий енергетичний баланс.
У дослідженні 3 вчені давали безмікробним і нормально колонізованим мишам абсолютно однакову їжу протягом восьми тижнів від народження. Вже через тиждень мікробно колонізовані тварини набрали значно більшу вагу, ніж стерильні миші. "Логічним висновком було: бактерії повинні брати участь у збільшенні ваги, оскільки всі інші параметри були незмінними", - говорить Шверц.
Співвідношення твердих речовин/бактеріоідів
На наступному кроці 4 вчені дослідили бактеріальну колонізацію мишей із ожирінням та нормальною вагою. Результат: Вони виявили кореляцію між ІМТ та співвідношенням Firmicutes/Bacteroidetes - тобто співвідношенням, при якому два великі штами бактерій трапляються в кишечнику. "Відкриття тоді часто трактувалося таким чином, що масове ожиріння відбувається не через неправильну поведінку, а через несприятливу бактеріальну колонізацію в кишечнику", - говорить Шверц.
Розчарування було тим більшим, коли перше мета-дослідження показало, що не існує взаємозв'язку між співвідношенням Фірмікутес/Бактероїдети та ожирінням на людському рівні. «При детальному вивченні оригінальних досліджень на мишах також стало очевидним, що кореляція стосується лише одного конкретного типу миші. Ефект не був помітний у інших мишей », - повідомив Шверц.
Це залежить від продуктів метаболізму
Шверц та його колеги також провели дослідження щодо зв'язку між колонізацією бактерій та ожирінням. «Ми змогли показати 30 людям із ожирінням, 30 людям із надмірною вагою та 30 нормальної ваги, що існує зв'язок між бактеріями в кишечнику та ожирінням. 5 Однак відносини між бактеріями не впливають на це. Це набагато більше залежить від того, які речовини виробляють бактерії ”, - пояснив Шверц.
Але які сигнали та речовини відіграють роль при ожирінні? Те, що люди не можуть метаболізувати за допомогою власного ферментативного обладнання, роблять для них бактерії в кишечнику. Крім усього іншого, утворюються жирні кислоти. "Жирні кислоти можуть забезпечити людей додатковими 300 кілокалоріями - це приблизно еквівалентно великій шоколадній плитці на день", - говорить Шверц. "Ми змогли показати нашим випробуваним, що кількість коротколанцюгових жирних кислот значно зросла від тонкої до нормальної ваги до ожиріння".
Дієта впливає на метаболізм кишкових бактерій
Дієта може впливати на те, які речовини виробляють кишкові бактерії. Бактерії більше не виробляють з клітковини прості коротколанцюгові жирні кислоти, такі як оцтова кислота, а більш складні. І вони благотворно впливають на масу тіла », - пояснив Шверц. У цьому контексті головним чином не важливо, які бактерії колонізують кишечник, а які метаболічні можливості мають бактерії.
Ключові види підтримують екосистему в кишечнику
Однак деякі ключові види бактерій займають особливе становище. "Один тип ключів визначає, працює вся система чи ні - подібно до трапецеїдальної арки", - говорить Шверц.
Арка буде триматися, лише якщо ви маєте правильний трапецієподібний камінь. Існують також певні ключові види для екосистем, які дозволяють іншим видам у системі співіснувати.
Слизово-чутливі бактерії є одним із ключових типів, оскільки вони підтримують постійне оновлення захисного шару слизу в кишечнику. Шар слизу, практично позбавлений бактерій, лежить безпосередньо на епітеліальних клітинах кишечника. Далі слідує зовнішня слиз, яка забезпечує хорошу основу для життя деяких видів бактерій. Бактерії зовнішнього слизового шару частково відповідають за непошкоджений внутрішній шар слизу. «Ключові організми в цій системі забезпечують, з одного боку, безперервне розщеплення слизу та стимулювання епітеліальних клітин до реплікації слизу. З іншого боку, бактерії забезпечують клітини епітелію енергією, так що вони навіть здатні утворювати слиз », - пояснив Шверц. Бактерії досягають цього завдяки масляній кислоті, яку вони утворюють. Інтактний шар слизу важливий, щоб патогени не могли проникнути в епітеліальні клітини кишечника і спровокувати інфекцію.
У кишечнику ніщо не працює без ключових організмів
Організму також потрібні певні ключові організми для травлення. "Коли ви щось їсте, далеко не всі ваші бактерії можуть це використовувати", - говорить Шверц. Прикладом цього є клітковина. Бактерія Bifidobacterium adolescentis діє тут як ключовий організм. "Оскільки воно розщеплює харчову клітковину для інших мікроорганізмів, це робить її більш-менш розміром", - пояснив Шверц.
Бактерії, що несуть LPS, сприяють розвитку "негерметичної кишки"
Але повернемось до проблеми ожиріння: "Звичайно, дієта відіграє важливу роль", - говорить Шверц. Дієта з високим вмістом жиру та вуглеводів сприяє ожирінню та може спричинити дисбіоз - несприятливу зміну у бактеріальній спільноті. Тоді переважають бактерії, що несуть ліпополісахарид (LPS). Якщо бактерії потрапляють у кров через проникну кишкову стінку (“негерметична кишка”), організм реагує із запаленням. "Навіть якщо запалення є лише субклінічним, воно впливає на метаболізм", - говорить Шверц.
Тест KyberMetabolic
Зараз Інститут мікроекології в Герборні розробив метод діагностики, за допомогою якого можна оцінити бактеріальний метаболізм у пацієнтів із надмірною вагою або вже страждають ожирінням. З новою діагностикою KyberMetabolic терапевти отримують огляд основних параметрів, пов’язаних з мікробіотою, які можуть призвести до метаболічного синдрому або погіршити метаболічну ситуацію у пацієнтів з явним метаболічним синдромом.
"Ми реєструємо ключові організми", - пояснив Шверц. Також важливо, які коротколанцюгові жирні кислоти виробляють бактерії. “Якщо оцтова кислота підвищена, наприклад, це підвищує апетит. Пропіонова кислота, навпаки, робить прямо навпаки - це призводить до насичення. Ми розробили діагностику KyberMetabolic на основі наукових знахідок за останні кілька років ". Діагностика концентрується на параметрах, що відіграють роль при ожирінні.
Навряд чи будь-які коротколанцюгові жирні кислоти у пацієнтів з Паркінсоном
Ключові бактерії та бактеріальні сигнальні молекули відіграють роль не тільки при ожирінні, але і при хворобі Паркінсона. 6 У своєму дослідженні Шверц та його колеги порівнювали пацієнтів Паркінсона з їх власним віком та молодими здоровими добровольцями. Це показало, що у пацієнтів Паркінсона у зразках калу було значно менше фекальних бактерій, ніж у здорових людей.
"Однак набагато цікавішим за склад мікробіому були метаболіти метаболітів пацієнтів із Паркінсоном", - повідомив Шверц і далі: "Усі коротколанцюгові жирні кислоти значно зменшувались у пацієнтів. Ви повинні знати, що всі хворі на Паркінсона страждають на хронічний запор ".
І саме тут коло замикається, оскільки коротколанцюгові жирні кислоти спільно відповідають за перистальтику кишечника. Вимірювання маркера запалення калу кальпротектину показало: у пацієнтів з Паркінсоном запалена кишка. Також у пацієнтів суттєво підвищувався маркер “негерметичного кишечника” - як і маркери запалення α-1-антитрипсин та лактоферин. Лактоферрин дозволяє зробити висновки про бактеріальну причину запалення. "Отже, у пацієнтів Паркінсона порушений кишковий бар'єр, в якому також задіяна мікробіота", - підсумував Швірц і продовжив: "І це також призводить до терапевтичного підходу. Інші симптоми, характерні для хвороби Паркінсона, можливо, також можна полегшити, лікуючи запалення кишечника та запор ".
Спочатку зв’язок між кишечником та мозком був дивовижним, але був добре вивчений і визнаний. Вчені говорять про вісь кишечника та мозку. "Якщо у вас є проблема з кишечником, вона також незабаром дасть про себе знати в мозку - і навпаки", - говорить Шверц. Зв’язок найбільш відомий, наприклад, у станах великої нервозності, які часто супроводжуються частими відвідуваннями туалету.
Ключові бактерії та продукти метаболізму вказують шлях
Приклади ілюструють: Аналіз мікробіоти дозволяє отримати новий, пов'язаний з причинами підхід до різних клінічних картин.
Шверц: «Найголовніше: які ключові організми існують і які продукти метаболізму виробляють бактерії? Тому що в цей момент ви вже можете втрутитися терапевтично ".
Функцію кишкових бактерій пояснює Dr. Керстін Раш у вашому звіті з медичної практики.