Ключовий камінь метаболізму для науки
Мікробіота кишечника взаємодіє з клітинами в нашому кишечнику, впливаючи на нашу харчову поведінку та здоров’я. Коли діалог порушений, виникають запалення та порушення обміну речовин.
Ми не самі ... Одноклітинні мікроскопічні істоти, бактерії, населяють нашу Землю більше 3 мільярдів років. Така тривалість еволюції пояснювала б надзвичайну різноманітність цього мікроскопічного світу і особливо його величезну здатність пристосовуватися до майже всіх середовищ, навіть найнеприязніших. Ми, які з'явилися на планеті довго після цих мікроорганізмів, ми є одним із таких середовищ !
З народження бактерії колонізують наше тіло «з голови до ніг». Вони особливо вражають нашу травну систему, де утворюють нашу кишкову мікробіоти. Тому ми живемо в симбіозі з мільярдами мільярдів бактерій, абсолютно нешкідливих і навіть корисних для нашого здоров’я. Ці мікроорганізми представляють величезне дерево класифікації, розбите на типи, класи, порядки, родини, роди та види. Що відповідає кільком тисячам видів бактерій. У нашому організмі цей мікросвіт працює з нашими клітинами, щоб живити, розмножуватися, виживати та поширюватися. Які вигоди ми отримуємо взамін ?
Кишкові бактерії беруть активну участь у нашій поведінці - не лише їжі. Щоб побачити, як вони працюють, ми повинні спочатку виявити молекулярні механізми взаємодії вищого організму - нашого власного - з мікробіотою. На нашому тілі бактерії присутні у всьому епітелії (зовнішні шари клітин тканини, що контактують із зовнішнім середовищем), включаючи, очевидно, шкіру, де, відповідно до частин, що піддаються впливу повітря, тепла або вологості, розвиваються різні бактеріальні спільноти. На легеневому, вагінальному або навіть кишковому епітелії є інші популяції, також дуже різні між собою, оскільки вони піддаються умовам харчування, оксигенації, вологості та кислотності, які також відрізняються.
Хороший кілограм бактерій
Більшість бактерій мешкає в нашому кишечнику, особливо в товстій кишці. Ця мікробіота на 90% складається з двох типів: твердих речовин та бактеріоідів. Типи протеобактерій та актинобактерій у меншості, але, мабуть, дуже важливі для нашого організму, оскільки вони були обрані для співіснування лише в нашому кишечнику.
У кожного з нас є близько 400 різних видів бактерій, які мають свої гени, хоча деякі є спільними для різних видів. На одну особу припадає від 300 000 до 800 000 бактеріальних генів. Цей генетичний різновид значно перевищує наш власний, наші клітини мають близько 20 000 генів. Наслідок: якщо ми отримуємо користь від присутності цих бактерій у нашому травному тракті, генетичний потенціал мікробного світу такий, що він також здатний контролювати функціонування наших клітин для задоволення власних інтересів, тобто розмножуватися та поширюватися.
Через кілька годин після народження різні групи бактерій оселяються в нашому травному тракті в певному порядку і організовують себе, щоб створити “екологію”, стабільну з часом. Все це поступово впроваджується протягом перших двох-трьох років життя, поки ми не отримаємо дієту, яка не сильно відрізняється щодня. Тоді бактеріальне співтовариство майже ідентичне протягом усього нашого життя, якщо ми не споживаємо антибіотики або не страждаємо захворюваннями, що модифікують кишкову флору, такими як ожиріння та діабет.
У новонароджених енергоефективність, а саме здатність накопичувати енергію, що потрапляється, є низькою, але вона зростає в дитинстві. Ми виростаємо, приймаючи величезну кількість енергії ... тим не менше, ми не використовуємо її повністю, бо не знаємо, як це зробити. Тоді колонізація кишечника мікробіотою відіграє важливу роль: вона дозволяє нам накопичувати більше енергії, дозволяючи кишечнику збільшувати поглинання поживних речовин, а також відновлюючи енергію з харчових волокон, яку самі наші клітини не можуть розкласти.
У лабораторії "аксенові" миші (позбавлені будь-яких кишкових бактерій, їх вирощують у стерильних умовах) їдять у три-п’ять разів більше, ніж "звичайні" миші. Але, як не парадоксально, аксенні миші тонші, ніж "звичайні" миші. Це пояснюється дуже низькою енергетичною ефективністю, пов’язаною з відсутністю кишкових бактерій.
Більше енергії
Тому значна частина того, що ми їмо, не поглинається безпосередньо нашими клітинами і спочатку повинна засвоюватися нашими кишковими бактеріями, щоб ми мали від цього користь. Чи впливає ця функція травлення флорою на наше здоров'я? Так, він регулює, зокрема, нашу вагу, що визначається різницею між поглиненою та усуненою енергією.
Механізми, що дозволяють мозку контролювати споживання їжі, дуже складні і вимагають регулювання балансу між дефіцитом енергії, отже, потребою в їжі та надлишковою енергією, яка, зокрема, відповідає енергії, що зберігається в тканині. Щоб реагувати на брак енергії, тобто на зменшення запасів жиру або на надмірне зменшення глюкози, що циркулює в крові, мозок наказує тілу знаходити їжу. Потім він перетравлюється, всмоктується кишечником, потім поживні речовини накопичуються в крові і заповнюють запаси енергії.
Під час їжі підвищення рівня цукру в крові, кількості глюкози в крові, визначається мозку (в черепі), який надсилає нервові та гормональні сигнали до периферичних тканин і, таким чином, сприяє збереженню крові. форма глікогену в печінці та м’язах, або перетворення його в ліпіди в жировій тканині. Накопичена енергія відновлюється пізніше за потреби, наприклад, під час фізичних вправ або коли ми спимо, і особливо для підтримки температури тіла протягом усього життя.
З плекси, підключеного до мозку
Однак останніми роками ми показали, що фізіологічні механізми та нервово-гормональні сигнали, що контролюють розподіл глюкози в тканинах організму під час годування, починаються в кишечнику ... і не тільки в мозку. Кишечник не тільки поглинає їжу, але й відчуває кількість та якість таких поживних речовин, як глюкоза та жир. А органом, який повідомляє мозку про засвоєння поживних речовин, є кишкова або кишкова нервова система. Він складається з 300 до 600 мільйонів нейронів, які оточують кишечник і нервові розгалуження проникають в кишечник у ворсинки. Останні, функцією яких є поглинання поживних речовин за рахунок значного збільшення поверхні контакту між внутрішнім середовищем організму та просвітом кишечника, складаються з епітеліальних клітин, судинних клітин, імунних клітин та нервових продовжень кишкових нейронів (див. Орієнтири, сторінка 6).
Таким чином, декілька мереж нервових клітин, зокрема в підслизовій та міентеріальній плекси (що містять м’язи) кишечника, утворюють «другий мозок», пов’язаний з «першим» мозком - в черепі - через блукаючий нерв. Тому він "пов'язаний" з центром контролю харчової поведінки, гіпоталамусом.
Під час засвоєння їжі вчені продемонстрували "рефлекторну" систему між цими нейронними мережами та органами, що регулюють енергетичний обмін, такими як печінка, підшлункова залоза, м'язи та судини. Коли він поглинає поживні речовини, кишечник виділяє гормони, звані інкретинами, які посилюють повідомлення блукаючого нерва. Це, зокрема, gip (шлунковий інгібуючий пептид) та glp -1 (глюкагоноподібний пептид), що виділяються ендокринними клітинами кишечника. Glp -1 сильно стимулює блукаючий нерв при поглинанні глюкози. Цей нерв безпосередньо підключений до мозку, який посилає назад нові сигнали, що сприяють секреції інсуліну підшлунковою залозою - саме цей гормон, крім усього іншого, повідомляє мозку про те, що рівень цукру в крові зростає і, таким чином, стимулює насичення. Недавні дослідження показали, що мікробіота кишечника регулює вивільнення glp -1 та проліферацію ендокринних клітин у кишечнику, що його секретують, тим самим посилюючи зв'язок між "двома" мозку та зупиняючи їжу.
Інкретини та обмін речовин
Ще цікавіше: було виявлено, що цей харчовий рефлекс, і зокрема роль інкретинів у регулюванні споживання їжі, змінюється у хворих на цукровий діабет та ожиріння. Що було б пов’язано з їх кишковою мікробіотою. Дійсно, генетичний склад флори пацієнтів із ожирінням та діабетиків відрізняється від складу людей без зайвої ваги. У їх калових мікробіотах ми не знаходимо однакової кількості генів бактерій або однакових видів бактерій.
Ці важливі результати узгоджуються з пандеміями діабету та ожиріння, які зараз вирують у всьому світі і які зумовлені не лише генетичними схильностями у людей. Зміна способу життя, особливо харчування, значною мірою відповідає за ці епідемії. Однак склад нашої флори залежить від наших харчових звичок.
Механізми, що пояснюють роль мікробіоти на функції кишечника, зокрема кишкової нервової системи, недостатньо відомі. Однак відомо, що кишкові бактерії мають важливе значення для розвитку кишкової нервової системи при народженні. Проліферація кишкових нейронів та збільшення зв’язків між нервовими клітинами здійснюються протягом перших тижнів до років життя і ефективні лише за наявності кишкової мікробіоти.
У 2011 році команда Джона Краяна з Університету Корка, Ірландія, показала, що ураження електричним струмом, а отже, і зв'язок між кишечником і мозком значно зменшилось у аксенових мишей без мікробіоти. Таким чином, в останньому послаблення кишково-кишкової інформації в мозок зменшилось, що свідчить про те, що мозкові функції, описані під час ентерологічного харчового рефлексу вживання їжі та контролю енергетичного балансу, також були змінені. Тому вчені припустили, що дисбаланс кишкової флори - так званий дисбіоз - бере участь у різних метаболічних порушеннях, включаючи ожиріння та діабет.
Щоб показати це, дослідники знову працювали з аксеновими лабораторними мишами. Вони "колонізували" їх мікробіотою кишок ожирілих мишей і виявили, що тоді вони набрали набагато більше ваги, ніж миші, колонізовані мікробіотою тонких мишей. Отже, флора впливає на харчову поведінку та ожиріння. Різні групи отримали подібні результати щодо виникнення діабету.
Бактерії в жирі
Існує підозра, що мікробіота кишечника відіграє подібну роль у людини. У 2011 році Макс Нівдорп з Амстердамського медичного центру, Нідерланди, та його колеги пересадили кал пацієнтам, які не страждають на діабет, за допомогою внутрішньокишкового зонду особам з діабетом. Через кілька місяців рівень цукру в крові останніх був кращим, їх діабет зник. Введення здорової мікробіоти людини зменшило б вплив "дисбіотичної" мікробіоти.
Як діють бактерії? Ми показали, що фрагменти стінки певних бактерій, таких як ліпополісахариди та пептидоглікани, у більшій кількості циркулюють у крові хворих на цукровий діабет та осіб, які харчуються дієтою, багатою жирами. Ми також знаходимо ці фрагменти, навіть цілі живі бактерії, в тканинах пацієнтів, зокрема в їх жирових запасах. Однак ці елементи іноді викликають запальну реакцію, не викликаючи інфекції: вони дійсно є бактеріями, які не є патогенними для організму, проте запалення блокує дію та секрецію інсуліну, що сприяє розвитку діабету. Фрагменти бактерій також стимулюють проліферацію стовбурових клітин адипоцитів, сприяючи розвитку жирової тканини та ожиріння.
Метаболізм, психіатрія та неврологія
Давайте підемо трохи далі ... Ми знаємо, що різні неврологічні чи психіатричні синдроми пов’язані із захворюваннями обміну речовин: наприклад, діабетики або люди з ожирінням частіше страждають від депресії або хвороби Альцгеймера. Чи впливає мікробіота їх кишечника також на їх мозок ?
У 2011 р. Свен Петтерссон з Інституту Каролінської, Швеція, та його колеги показали, що соціальна, когнітивна та дослідницька активність аксенових мишей відрізнялася від активності звичайних мишей. Без мікробіоти кишечника миші набагато легше впізнавали своїх однолітків і були менш активними. Мікробіологи показали, що їх гематоенцефалічний бар'єр, стінка, що захищає мозок від потенційно шкідливих або токсичних агентів, був дуже проникним ... Тому їх мозок функціонував менш добре, звідси і когнітивні порушення. Вважається, що мікробіота кишечника зміцнить або збереже цілісність мозкового бар’єру.
Крім того, різні дослідження виявили, що споживання антибіотиків протягом тривалого періоду часу, що врівноважує кишкову флору, сприяє занепокоєнню не тільки у мишей, але й у людей. Наприклад, управління стресом зменшується за відсутності мікробіоти і гіпоталамо-гіпофізарна вісь наднирників, фізіологічна вісь, що вивільняє гормони стресу, змінюється: миші аксенові більш стурбовані.
І навпаки, якщо бактерія, Bifidobacterium infantis (яка існує, зокрема, у пробіотиках і яка була ідентифікована у дітей), колонізує - поодинці - аксенічну мишу, остання зазнає меншого стресу. А ще краще: якщо ми колонізуємо аксенову мишу мікробіотою "сором'язливої" або "екстравертної" миші, вона змінює своє ставлення і представляє соціальну поведінку миші, яка дала їй кишкову флору.
Інші роботи припускають, що існує зв'язок між відсутністю кишкових бактерій та аутизмом. У вагітних жінок тривалий прийом антибіотиків може збільшити ризик аутизму у дитини.
Тому кишкова мікробіота бере участь у розвитку мозку ще до народження. Більшість основних нейрогормональних осей організму, які контролюють наші емоції, реакції та установки, встановлюються у плода та відразу після народження. Повністю функціональна вісь кишечника та мозку в ці часи зменшила б частоту психічних захворювань.
Ці напрямки досліджень є перспективними та знаходяться в стадії розробки з використанням пребіотиків та пробіотиків. Багато з цих засобів, що стимулюють мікробіоти кишечника, не тільки покращать "фізичне" здоров'я, але також будуть корисними для запобігання певним психічним захворюванням.
Загалом, ранні результати свідчать про те, що введення пробіотиків та деяких пребіотиків спричиняє зменшення тривожності та загальне покращення самопочуття та психічного стану людини. Активізуючи нервово-кишкову вісь кишечника та мозку, прийом їжі змінює мікробіоти кишечника, що пояснює добробут, який ми відчуваємо під час повноцінного харчування.
Шоколад і мікробіота
Кишкова флора також братиме участь у пристрастях до їжі, зокрема до шоколаду. Це заохочувало б організм приймати дану їжу. Дійсно, перетравлюючи шоколад, бактерії вивільняють молекули, що діють на вісь кишечника та мозку, і змушують господаря споживати цю їжу. Залучені бактерії розмножуватимуться ще більше, знову збільшуючи споживання їжі, про яку йде мова ... Однак вибір ефективних пробіотиків та пребіотиків та умови їх аналізу у людей ще не є предметом досліджень. Досить наукова та клінічна суворість зробити висновок, що існують диво-зцілення! Подальша робота ще потрібна.
Однак одне можна сказати точно: ми не могли жити поодинці. Мільярди мільярдів бактерій, які колонізують наш організм, життєво важливі для нас. Найближчими десятиліттями ми також зможемо використати генетичний потенціал, який вони представляють, для пошуку нових методів лікування.