Прескочи към главното съдържание на страницата

Архив


БРОЙ 5 2016

Значение на червата и тяхната микрофлора за развитие на затлъстяването

виж като PDF
Текст A
проф. И. Даскалова, дмн, д-р Ц. Тотомирова
Клиника по Ендокринология и болести на обмяната, ВМА – гр. София


Понастоящем се наблюдава значително увеличаване на честотата на затлъстяването и наднорменото тегло – факт, който не може напълно да бъде обяснен с промените в хранителните навици на населението или с намаления енергиен разход на фона на ограничена физическа активност.

Изследванията в тази насока през последните години се фокусират върху чревната микрофлора (микробиота), като я приемат за допълнителен фактор на околната среда, който повлиява енергийното извличане от приеманата храна, регулира периферния метаболизъм и така води до увеличаване на телесното тегло[1]. Животински модели на обезитет доказват, че промените в мик­робиотата са свързани с развитие на обезитет, инсулинова резистентност и диабет в гостоприемника по няколко механизма:

  • Повишаване на енергийния прием от храна.
  • Промяна в метаболизма на мастните киселини.
  • Отлагането им в мастната тъкан и черния дроб.
  • Регулиране на секрецията на пептид YY и GLP-1.
  • Активиране на оста липополизахариди–toll-like рецептор 4.
  • Модулиране на интегритета на чревната бариера чрез GLP-2.


За първи път Gordon и сътр. инициират изследване на чревната микрофлора като фактор на околната среда, повлияващ натрупването на мастна тъкан и развитието на обезитет[2]. Те експериментално доказват, че мишките без микроорганизми (germ-free) (отглеждани в отсъствието на микроорганизми) имат 40% по-малко обща телесна мазнина, в сравнение с конвенционално отглежданите мишки, дори и когато техният калориен прием е с 29% повече в сравнение с конвенционално отглежданите животни.

Човешкият гастроинтестинален тракт съдържа значимо количество микроорганизми, от които бактериите са най-многобройни и разнообразни. Геномът на микробиома (наричан още микробиом) надвишава човешкия геном близо 100 пъти[3]. По този начин чревната микробиота може да бъде разгледана като екстериоризиран орган, който има значение за цялостния метаболизъм и за конвертирането на храната в нутриенти и енергия. Броят микроорганизми надхвърля 10 бактерии и се доминира от анаеробната микрофлора и съдържа 500-1 000 различни вида[14]. 99% от населяващите микроорганизми принадлежат на 40 вида. Бактериалната плътност се променя прогресивно по хода на тънките черва от около 10 в йеюнум до 10 колония-образуващи единици на грам луминално съдържимо в илеалния край, с преобладаване на Грам-отрицателните аероби и някои облигатни анаероби[4,7]. В колона бактериалното число достига до 10 колония-образуващи единици на грам с преобладаване на анаеробите[12]. Установено е, че 60% от фекалната масa се състои от бактерии[4].

Три различни разреда бактерии доминират в гастроинтестиналното съдържимо – Firmicutes (Грам-положителни),Bacteroidetes (Грам-отрицателни), Actinobacteria (Грам- положителни). Firmicutes са най-разнообразно представеният бактериален разред и съдържа над 200 вида, включително – Lactobacillus, Myco­plasma, Bacillus и Clostridium.

Bacteroidetes и Actinobacteria са по-малко разнообразни във видово отношение.

При вътреутробното развитие гастроинтестиналният тракт на фетуса е стерилен и се колонизира с микроби при преминаването през родилния канал. Веднага след раждане детето е изложено на няколко източника на бактерии от околната среда – кожа, уста, майчино мляко. Тези начални микроорганизми се променят динамично през първите месеци живот. Чревната мик­рофлора се модулира през първите 1-2 години и това съвпада с преминаването от хранене с високомаслено мляко към плътна високовъглехидрат­на диета. До 4-годишна възраст чревната микрофлора е напълно развита и остава сравнително постоянна в живота на индивида. Окончателното съотношение на видовете се повлиява от генотипа на гостоприемника (човешкия организъм), физиологията му и множество други фактори на средата[5,6].

Установените микробиоти зависят от начина на раждане, типа на хранене на бебето, хоспитализации, недоносеност, антибиотична употреба. По време на естественото раждане децата бързо биват колонизирани от микроби от родовия канал, докато родените с цезарово сечение се колонизират от микроби от околната среда, от майката, от въздуха, предавани от обслужващия персонал. В резултат на това децата, родени с цезарово сечение, имат по-малко интестинални Bifidobacteria и Bacteroidetes (два вида, които се смятат за протективни срещу обезитет) и по-често се колонизират от Clostridium difficile, в сравнение с бебетата, родени по естествен път[7]. Бебетата, хранени с изкуствени храни, по-често се колонизират от Enterobacteriaceae, C. difficile, Bacteroides и Streptococcus, в сравнение с кърмените деца, които предоминантно се колонизират от Staphylococcus, Streptococcus, Lacto­ba­ci­llus и Bifidobacterium.

Генетичните фактори оказват съществено влияние върху съотношението на видовете. Микробиотите на моногенните близнаци, живеещи поотделно, показват по-значимо сходство в сравнение с неродственици. Същевременно, околната среда има сравнително по-малко значение – така например съпрузите не показват сигнификантно по-значимо сходство на бактериите в сравнение с неродственици, независимо от живота в сходна среда и при сходни хранителни навици[5].

Изследванията при мишки доказват, че микробиотата директно повлиява гостоприемника към повишаване на чернодробния триацилглицерол и глюкозна продукция. Чревната микрофлора супресира експресията на индуцирания от глада адипозен фактор (FIAF, fasting induced adipose factor, наричан още ангиопоетин подобен протеин 4) и подтискайки този инхибитор на липопротеинлипазата (LPL) повишава липопротеинлипазната активност. Това повишаване води до поемане на по-голямо количество мастни киселини и акумулиране на триацилглицерол в адипозните клетки[7].

Друг начин за повлияване на енергийното натрупване на гостоприемника е бактериалната ферментация на сложните въглехидрати от храната до монозахариди и мастни киселини с къси вериги. Тези късоверижни мастни киселини се свързват с G-протеин куп­лиран рецептор 4 (GPR41), който се експресира от ентероендокринните клетки в червата. Активирането на GPR41 опосредства продукцията на пептит YY (PYY) – хормон на ентероендокринните клетки, който в норма инхибира чревния мотилитет, повишава интестиналното транзиторно време и намалява екстракцията на енергия от диетата и така повлиява периферната утилизация на глюкоза[8].

Понастоящем се доказва, че чревното съдържимо може да се промени при завишаване на телесното тег­ло. Установено е, че пълните хора имат по-малко Bacteroidetes и повече Fermicutes в сравнение със слабите, като при нискокалорийна диета с ограничение на въглехидрати или мазнини Bacteroidetes се увеличават, Fermicutes намаляват. Тези данни определят връзката между обезитет и разнообразието на чревната микрофлора. Повишаването на Bacteroidetes се съпровожда със сигнификантно намаление на телесното тегло, но не и с общия калориен прием, което говори за взаимодействие между диета, чревна микрофлора и метаболизъм на гостоприемника[9].

Както обезитетът, така и захарният диабет се характеризират с нискостепенно възпаление с неясен произход. При in vitro изследвания и при животински модели повишаването на проинфламаторните цитокини, като TNFα, води до инсулинова резистентност на тъканите[10].

Скорошни изследвания показват, че чревните бактерии могат да инициират възпалително състояние при обезитет и инсулинова резистентност, чрез активиране на липополизахариди (LPS), които се образуват непрекъснато в червата чрез лиза на Грам-негативните бактерии. Липополизахаридите тригерират инфламаторните процеси чрез свързване към CD14 toll-like рецептор-4 (TLR-4), рецепторен комплекс на повърхността на естествените имунни клетки.

Cani и сътр. демонстрират как бактериалните липополизахариди се явяват като фактор, свързан с микробиотата, който потенциира секрецията на проинфламаторни цитокини[11]. Ролята на липополизахаридите за тригериране на системното възпаление се доказва и при здрави човешки контроли. Anderson и сътр. установяват, че сходна степен на ендотоксинемия повишава TNFα и IL-6 концентрациите и промотират инсулинова резистентност, а също и, че диетата с високо мастно и въглехидратно съдържание индуцира сигнификантно постпрандиална плазмено липополизахаридно повишаване[12].

Различни нутриенти имат различна способност за индуциране на ендотоксиемичен и инфламаторен отговор, като мазнините, вероятно и фруктозата, имат най-голям потенциал в това отношение. Увеличаването на плазмените ендотоксини може да произтича от повишение на липополизахаридната продукция от микробиотата или от повишената интестинална липополизахаридна абсорбция. Малко се знае за механизмите, регулиращи липополизахаридната абсорбция. Ghoshal и сътр. показват, че ендотоксинемията се секретира активно в кръвта заедно с формирането и секрецията на хиломикрони при животински модели и културелни ентероцити, и че той не просто се транслоцира в резултат на нарушение на интестиналната бариера, и че блокирането на секрецията на хиломикрони блокира и липополизахарид­ната секреция[13].

Друг вероятен механизъм, свързващ микробиотата и хроничното възпаление, може да е бионаличността на бутират и установяването, че пълните хора се характеризират с намалени нива на плазмения бутират. Освен познатите свойства на бутирата, като естествен енергиен източник за епителните клетки на колона, той има и противовъзпалителни способности. Диетите, съдържащи големи количества несмилаеми въглехидрати, стимулират растежа на определени бутират-продуциращи бактерии и от там водят до повишаване на плазмените нива на бутират.

Чревната микробиота повлиява метаболизма на гостоприемника и възпалителното състояние чрез модулиране на натрупването на мастни киселини. Lactobacillus и Bifidobacteria могат да синтезират от свободна линоленова киселина биоактивен изомер на конюгирана линоленова киселина, която има антидиабетно, антиатеросклеротино, имуномудолиращо и антиобезно действие. Чревната микробиота синтезира голямо количество глюкозни хидролази, които разграждат комплексните растителни полизахариди до монозахариди и късоверижни мастни киселини, главно ацетат, пропионат и бутират. Те представляват важен източник за de novo липогенезата, тези късоверижни свободни мастни киселини са лиганди за G-протеин куплирани рецептора GPR41 и GPR43. При това свързване се стимулира образуването на пептид YY, който инхибира чревният мотилитет и намалява интестиналното транзиторно време, като така променя нутриентната абсорбция.

Червата осъществяват връзка с части от хипоталамуса, които контролират енергийния баланс по пътя на неврални и ендокринни връзки. Чревните хормони се произвеждат от специализирани ентероендокринни клетки, като представляват около 1% от чревната мукоза.

Инкретините са чревни хормони, които потенциират глюкозоиндуцираната инсулинова секреция. Двата основни инкретина са гастричния инхибиторен пептид – GIP (gastric inhibitory peptid) и глюкагон-подобния пептид 1 – GLP-1 (glucagon like peptide – 1). GIP се секретира от К клетките на горната част на тънките черва (дуоденум и проксимален йеюнум) в отговор на орален прием на въглехидрати и липиди. GLP-1 е главно продуциран от мукозните L клетки, локализирани в дисталните черва (илеум и колон), но също и панкреасните α-клетки, както и от невроните в някои части на мозъка. GLP-1 секрецията е редуцирана при тип 2 захарен диабет, както и при пълни хора в сравнение със слаби здрави контроли. Възможно е и различното съотношение на видовете в чревната микробиота да допринася за редукцията на GLP-1 секрецията.

GLP-1 се секретира бифазно с начално бързо повишаване, което се появява след 15-30 мин. поемане на храната – този бърз пик настъпва преди нутриентите да достигнат илеум, което потвърждава, че не само директната стимулация на L клетки е отговорна за GLP-1 секрецията. Съществуват допълнителни пептиди и невротранс­митери, които потенцират GLP-1 секрецията. GIP се освобождава, когато нутриентите навлязат в горната част на червата и доказано стимулират първия пик на GLP-1 секрецията. Същият ефект вероятно има и автономната нервна система.

Вторият пик на GLP-1 секрецията се смята, че е резултат между директното взаимодействие между нутриенти и L-клетки. Така различното съотношение на нутриентите резултира в освобождаването на различни пептиди, като глюкозата и мазнините стимулират GLP-1 секрецията, а протеините не променят освобождаването на GLP-1.

Промяната в чревните пептиди е един от възможните механизми, по които модулирането на чревната мик­рофлора чрез специфичен диетичен режим може да доведе до подобрение в метаболитния контрол. Така например храненето на плъховете с пребиотични фибри (олигофруктоза) води до увеличаване на йеюналната GIP концентрация и цекалния GLP-1. Приемът на пребиотици, съдържащи късоверижни олигозахариди, води до намаление на приема на храна, натрупването на мастна тъкан и хепаталната стеатоза както при нормални, така и при обезни плъхове.

Стомашната by pass операция резултира в подобрение на гликемичния контрол и редукция на телесното тегло. Част от позитивните ефекти се дължат на промени в чревните хормони. Няколко проучвания доказват повишение на плазмените нива на PYY и/или GLP-1 агонист още в първите дни след операцията[14]. Основна причина за промените в чревните пептиди е промяната в чревната анатомия. Така например след операция нутриентите достигат дисталната част на тънките черва много по-бързо, ускорявайки освобождаването на GLP-1 и така подобрявайки глюкозния метаболизъм. Промяната в микробните съотношения след операция също могат да допринесат за повишеното освобождаване на чревни хормони.

Установено е, че петдневен курс орални антибиотици модифицират човешкото чревно съдържимо за 4 седмици преди да се възстанови оригиналното съотношение на микроорганизмите, а за някои видове са необходими до 6 месеца. Употребата на антибиотици с цел промяна на чревната микробиота при генетично дебели мишки води до редукция на телесното тегло, подобрение на гликемията на гладно и глюкозния толеранс, предполагайки, че чревните микробиоти могат да бъдат таргет за лечение на метаболитните заболявания[15]. Чревната микробиота понастоящем се повлиява чрез прием на пробиотици (живи бактерии, които се дават перорално и позволяват колонизация на колон) и пребиотици (несмилаеми олигозахариди, като инсулин или олигофруктоза, които се ферментират от микробиотата на колона и стимулират растежа на благоприятните коменсални организми като Bifidobacterium и Lactobacillus). Тяхната потенциална употреба може да има значение за регулиране и лечение на затлъстяването и свързаните с него усложнения.
   

  
  

книгопис:
1.    Vrienze A., F. Holleman, E. Zoetendal, W de Vos, J. Hoekstra, M. Nieuwdorp. The environment within: how gut microbiota may influence metabolism and body composition. Diabetologia, 2010, 606-613.
2.    Lay R., P.Turnbaugh, S. Klein, J. Gordon. Microbial ecology: human gut microbes associated with obesity. Nature, 2006, 444: 1022-1023.
3.    Dethlefsen L., M. Fall-Ngai, DA. Rellman. An ecological and evolutionary perspective on human-microbe mutualism and disease. Nature, 2007, 449: 818-819.
4.    Neish AS. Microbes in gastrointestinal health and disease. Gastroenterology, 2009, 136: 65-80.
5.    Zoetendal E., A. Akkermans, W. de Vos. The host genotype affects the bacterial community in the human gastrointestinal tract. Microb Ecol Health Dis, 2001, 13: 129-134.
6.    Palmer C., Е. Bik, D. Digiulio, D. Relam, P. Brown. Development of the human infant intestinal microbiota. Plos Biol, 2007; 5: e177.
7.    Penders J., C. Thijs, C. Vink, F. Stelma, B. Snijders, I. Kummeling, P. van den Brandt, E. Stobberingh. Factors influencing the composition of the intestinal microbiota in early infancy. Pediatrics 2006;118:511–521
8.    Backhed F., J. Manchester, C. Semenkovich, J. Gordon. Mechanisms underlying the resistance to diet induced obesity in germ-free mice, Proc Natl Acad Sci USA, 2007, 104: 979-984.
9.    Nadal I., A. Santacruz, A. Macros. Shifts in Clostridia bacteroides and immunoglobulin – coating fecal bacteria associated with weight loss in obese adolescents. Int J Obes, 2008, 33: 758-767
10.    Hotamisligil G., Inflammation and metabolic disorders, Nature, 2006, 444: 860-867.
11.    Cani P., N. Delzenne. Gut microflora as a target for energy and metabolic homeostasis. Curr Opin Clin Nutr Metab Care, 2007, 10: 729-734.
12.    Anderson P., N. Mehta, M. Wolfe, C. Hinkle, L. Pruscino, L. Comiskey, J. Tabita-Martinez, K. Sellers, M. Rickels, R. Ahima, M. Reilly. Innate immunity modulates adipokines in humans J Clin Endocrinol Metab 2007; 92: 2272–2279.
13.    Ghoshal S., J. Witta, J. Zhong, W. de Villiers, E. Eckhardt. Chylomicrons promote intestinal absorption of lipopolysaccharides. J Lipid Res 2009;50:90–97.
14.    Korner J., W. Inabnet, G. Febres. Prospective study of gut hormone and metabolic changes after adjustable gastric binding and Roux-en Y gastric by-pass. Int J Obes, 2009, 33: 786 – 795.
15.    Membrez M., F. Blancher, M. Jaquet. Gut microbiota modulation with norfloxacin and ampicillin enhances glucose tolerance in mice. FASEB, 2008, J 22: 2416 – 2426.