Кишечная микробиота и ожирение

Разбираем бактерии на «хорошие» и «плохие», ищем к ним подход и учимся есть так, чтобы снижать, а не набирать вес.

Пожалуй, самая «модная» сегодня тема в медицине — микробиом человека. Поэтому, прежде чем непосредственно перейти к теме разговора, для начала давайте внесем ясность в терминологию: привычную, но устаревшую «микрофлору» вытеснила более логичная «микробиота». Новый термин «микробиом» — это собирательное название микроорганизмов, находящихся в симбиозе с организмом хозяина, и совокупность геномов микробных популяций в человеке. Различают микробиом кожи, полости рта, кишечника и далее по списку. Бóльшая часть человеческого микробиома населяет пищеварительный тракт, и особенно много микроорганизмов сконцентрировано в толстом кишечнике.

Микробиота кишечника — это микроорганизмы, которые живут в желудочно-кишечном тракте в симбиозе с человеком.

Она представлена не только бактериями, но и вирусами, археями и грибами. Бактерии делятся на полезных (которые помогают нашему организму, выполняя ряд жизненно важных функций), условно-патогенных (которые в норме находятся в кишечнике в небольшом количестве, но при снижении иммунитета и увеличении их популяции могут приводить к ряду заболеваний) и патогенных (которые приносят вред здоровью человека).

Нормофлора, или полезная микрофлора (бифидобактерии, бактероиды, лактобактерии, фузобактерии, кишечная палочка, энтерококки, стафилококки), обеспечивает ряд важных функций, в том числе защитную и иммуногенную. Бактерии также участвуют в обмене веществ.

Благодаря ферментам микроорганизмов переваривается клетчатка, которая без их помощи не усваивается. После анаэробного расщепления клетчатки образуется водород, двуокись углерода, метан и летучие жирные кислоты. Так появляется еще одна важная функция — выработка и снабжение организма энергией или энергетическим субстратом. Но этот процесс может быть «сломан» из-за нарушения баланса микробиоты.

Причинами дисбаланса могут быть:

неправильная еда: жирная пища, бедная клетчаткой, и еда, обработанная промышленным способом (консерванты и различные химические добавки не только препятствуют порче продуктов, но и угнетают кишечную микробиоту);
гиподинамия (недостаточная подвижность);
агрессивное медицинское воздействие на организм (антибиотики, антигистаминные препараты, НПВС, химиотерапия);
нарушение циркадных ритмов (режима сна и бодрствования);
недостаток воды;
стрессы.

По мнению ученых, снижение разнообразия микробиоты является одной из причин ожирения, а прием жирной пищи, бедной клетчаткой, способствует этому.

Многочисленные данные о влиянии микробиоты на уровне гормонального ответа позволили сформировать представление о том, что кишечная микробиота является, по сути, «виртуальным эндокринным органом». Влияние биологически активных веществ со свойствами нейромедиаторов, которые вырабатывает целый ряд бактерий, распространяется далеко за пределы желудочно-кишечного тракта. Так, Lactobacillus rhamnosus PL60 вырабатывают конъюгированную форму линолевой кислоты, предотвращающую ожирение. В одном эксперименте манипулирование составом микробиоты изменяло в плазме крови концентрацию триптофана — предшественника серотонина, ключевого нейромедиатора вегетативной и центральной нервной системы. Через неизвестные пока механизмы микробиота кишечника осуществляет контроль над гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой системой. Также оказалось, что состав микробиоты определяет экспрессию генов, ответственных за регуляцию аппетита гипоталамусом, экспрессию генов сигнальных молекул в тонкой кишке, влияющих на метаболизм, а также генов, задействованных в липогенезе и метаболизме глюкозы, регуляции обмена адипоцитов и накоплении жировой ткани.

Исследования взаимосвязи между кишечными микробами, ожирением, инсулинорезистентностью и метаболическим синдромом показали сложное взаимодействие между рационом хозяина, генетикой и динамикой состава микробиома.

Основной вопрос, который родился в ходе исследований: что же в первую очередь определяет состав микробиоты — генетика человека или среда? Ответ был дан в исследовании, опубликованном в 2018 году в журнале Nature. Изначально целью работы было проверить влияние на состав микробиоты кишечника индивидуально-персонализированной диеты, подобранной по генетическому профилю. Но в итоге авторы получили совсем другую информацию: оказалось, что на состав микробиоты генетика человека влияет весьма незначительно — всего лишь на 2%. Основную же роль играют внешние факторы, и прежде всего питание. То есть утверждение «мы то, что мы едим» в очередной раз подтверждает свою состоятельность. Кроме того, у пациентов измеряли биохимические показатели, уровень артериального давления, индекс массы тела. Так вот: связь всех этих клинических показателей с геномом микробиоты оказалась даже прочнее, чем связь с собственными генами.

Ряд исследований показал, что кишечный микробиом играет решающую роль в увеличении веса и ожирении. Исследования на мышах и крысах с избыточным весом и ожирением выявили большую разницу в их кишечной абсорбции и составе микробиомов, что связано с 50%-м уменьшением Bacteroidetes и пропорциональным увеличением Firmicutes и Archaea.

Исходя из результатов экспериментов мы можем предположить, что в организме есть популяция бактерий, отвечающих за ожирение, и популяция, отвечающая за снижение массы тела.

И прием жирной с пониженным содержанием клетчатки пищи способствует изменениям кишечной микробиоты в сторону увеличения популяции бактерий, способствующих избыточному весу. Разумеется, мы не можем сказать, что дисбиоз — единственная причина ожирения, так как это полиэтиологический процесс.

Тем не менее, он вкупе с другими предрасполагающими генетическими, экологическими и социальными факторами может привести к метаболическим нарушениям в организме.

Один из механизмов, с помощью которого кишечные бактерии влияют на наши талии, представляется следующим образом: при поступлении пищевой клетчатки кишечные бактерии выделяют вещества, называемые короткоцепочечными жирными кислотами (КЦЖК). КЦЖК отправляют сигнал в желудок и кишечник о том, что пища в изобилии. В ответ на это желудочно-кишечный тракт усиливает перистальтику. Пища перемещается по ЖКТ быстрее, так что времени для извлечения калорий меньше. С другой стороны, когда количество КЦЖК низкое, моторика ЖКТ уменьшается. Это происходит потому, что тело сигнализирует: пищи недостаточно, нужно увеличить поглощение калорий.

Кишечные бактерии производят короткоцепочечные жирные кислоты лишь тогда, когда питаются определенным типом сложного углевода — пищевой клетчаткой. Питание с высоким содержанием пребиотического волокна увеличивает КЦЖК. Моторика кишечника усиливается — поглощение калорий уменьшается. Питание без адекватного количества пищевых волокон приводит к уменьшению синтеза КЦЖК. Бактерии сигнализируют о дефиците продовольствия, а ЖКТ в ответ усиливает поглощение калорий. Таков основной принцип механизма увеличения усвоения калорий.

Типичная западная диета — это переизбыток калорий при почти полном отсутствии пищевых волокон. Из-за этого даже при поступлении огромного количества калорий бактерии посылают сигнал в ЖКТ в том, что еды мало, так как в качестве «еды» бактерии распознают только пищевые волокна.

Так пищеварительная система перестраивается в режим активного поглощения — делает все возможное, чтобы извлечь как можно больше калорий из пищи.

Этот механизм — одна из фундаментальных причин ожирения. Оно возникает тогда, когда поступление и образование энергии превышает ее потребность, а остаток неиспользованных ресурсов депонируется в жировой ткани. Чтобы избежать проблем, необходимо тщательно следить за своим образом жизни. Положительным моментом становится то, что микробиоту можно реставрировать и обновлять. Но здесь есть свои нюансы.

У каждого на слуху многообразие аптечных пробиотиков. Казалось бы, принимай и проблема решена, но научные исследования показывают, что не всегда микрофлора, хорошо работающая в пробирке, будет работать в организме. Значительная часть препарата разрушится соляной кислотой в желудке, к тому же пробиотики из капсулы — чужаки-инородцы для микробиологического сообщества нашего организма. Прижиться сможет лишь 10%. Так что эффективность этих дорогостоящих препаратов преувеличивать не стоит.

Бактерии так же, как и мы, любят комфорт. Здоровый сон очень важен для микромира: кишечная микрофлора чувствительна к суточным колебаниям, влияющим на ее состав и функции. Эти циркадные ритмы влияют на метаболический гомеостаз, но механизмы, с помощью которых ритмические изменения микробиоты влияют на разницу в активности хозяина, остаются неизвестными. Микробиом посредством суточных колебаний естественным образом влияет на физиологические процессы организма хозяина и на его восприимчивость к болезни, выступая в роли внутренних часов.

Прием антибиотиков и нарушения дневного цикла пищевого поведения приводят к нарушению суточной ритмичности микрофлоры кишечника и создают временную десинхронизацию циркадных функций печени.

Например, изучали (на мышах), как суточные ритмы кишечной микробиоты влияют на такую функцию печени, как способность обезвреживать токсины. Для этого они использовали передозировку препарата ацетаминофен (парацетамол), который в некоторых случаях может метаболизироваться с образованием токсичных для печени продуктов. Оказалось, что высокая доза ацетаминофена менее токсична в начале дня и более токсична вечером. Заключили, что изменение детоксицирующей функции печени в течение суток зависит от микробиоты. Полагают, что это открытие можно экстраполировать на метаболизм лекарственных средств в принципе: время суток, когда принято лекарство, может значительно влиять на его эффективность и риск развития побочных эффектов.

Можно предположить, что суточные ритмы в жизни кишечной микрофлоры влияют на обмен веществ и здоровье человека, и игнорирование этих ритмов (например, прием пищи в ночное время) может приводить к развитию различных заболеваний.

Простые правила, чтобы не навредить микробиоте:

обязательна еда, богатая клетчаткой (это основная еда микрофлоры) и легким белком;
правильный баланс воды (микрофлора тоже хочет пить);
исключение антибиотиков, консервантов и всего того, что является ядом для нашего организма.

Помните, что у нас с микробиотой общее здоровье, и диета рассматривается как один из основных факторов в развитии и сохранении его на протяжении всей жизни.

Источник

07.08.2019 03:24

Иммунитет, ожирение и кишечный микробиом

Иммунные Т-клетки помогают поддерживать стройность за счет регуляции кишечной микробиоты

Примечание редактора. Многие наверняка уже слышали или читали о том, что именно микрофлора кишечного тракта (кишечный микробиом) принимает активное участие в созревании клеток иммунной системы, 70-80% из которых находятся в кишечнике, а также стимулирует ответную иммунную реакцию. Именно поэтому, многие исследования посвящены иммуномодулирующей активности определенных штаммов кишечных бактерий, в т.ч. пробиотических. Иными словами, основная масса работ сосредоточена на вопросе влияния микроорганизмов на иммунитет. Однако предлагаемый здесь материал описывает результаты исследования, имеющего обратный порядок взаимодействия → теперь иммунитет регулирует кишечную микробиоту. Хотя с учетом выше сказанного, одно другого не исключает…

ИССЛЕДОВАНИЕ

Исследователи в области здравоохранения из Университета штата Юта, США, определили особый класс бактерий из кишечника, который предотвращает ожирение у мышей, предполагая, что эти же микробы могут аналогичным образом контролировать вес у людей. Полезные бактерии из рода Клостридий (Clostridia), являются частью микробиома – вместе с триллионами других бактерий и прочих микроорганизмов, которые населяют кишечник.

Опубликованное в июле 2019 г. в онлайн-журнале Science исследование показало, что у здоровых мышей есть много клостридий – классы от 20 до 30 бактерий – но те, у кого нарушена иммунная система, с возрастом теряют эти микробы из кишечника. Даже при правильном питании мыши неизбежно страдают ожирением. Возвращение этого класса микробов животным позволило им оставаться стройными.

Джун Раунд (June Round), доктор медицины, доцент кафедры патологи медицинского факультета Университета штата Юта, является соавтором исследования вместе с профессором и доктором медицины В. Заком Стивенсоном (W. Zac Stephens), а также доктором медицины Чарисс Петерсен, которая в свое время возглавляла это исследование аспирантом.

«Теперь, когда мы нашли минимальные бактерии, ответственные за эффект похудения, у нас есть потенциал, чтобы действительно понять, что делают эти микроорганизмы и имеют ли они терапевтическую ценность», – говорит Джун Раунд.

Результаты этого исследования уже указывают в этом направлении. Петерсен и её коллеги обнаружили, что Clostridia предотвращает увеличение веса, блокируя способность кишечника поглощать жир. Мыши, экспериментально обработанные так, чтобы клостридии были единственными бактериями, живущими в их кишечнике, были более худыми с меньшим количеством жира, чем мыши, у которых вообще не было микробиома. У них также был более низкий уровень гена, CD36, который регулирует поглощение организмом жирных кислот.

По словам Раунд, такое понимание может привести к терапевтическому подходу с преимуществами перед существующими способами восстановления здоровой микробиоты, за счет ее трансплантации. Терапевтические средства, основанные на переносе живого микробиома в кишечник, не будут работать эффективно для всех из-за различий в рационе питания и других факторов, которые влияют на то, какие бактерии могут выжить и процветать.

Текущее исследование показало, что одна или несколько молекул, продуцируемых Clostridia, препятствуют всасыванию жира в кишечнике. Следующим шагом является выделение этих молекул и дальнейшая характеристика того, как они работают, чтобы определить, могут ли они стимулировать целенаправленное лечение ожирения, диабета 2 типа и других связанных с этим нарушений обмена веществ.

«Эти бактерии эволюционировали, чтобы жить с нами и приносить нам пользу», – говорит Петерсен. «Нам есть чему поучиться у них».

Открытие, что мыши с ослабленной иммунной системой просто не могли не стать тучными, было открытием, которое могло и не произойти. Однако интуиция вовремя привела Петерсен в лабораторию, чтобы увидеть, что мыши, генетически сконструированные с недостатком myd88, гена, определяющего иммунный ответ, были «такими же толстыми, как блины». Петерсен позволила грызунам стареть дольше, чем обычно, обнаруживая недооцененную связь между иммунитетом и ожирением.

Тем не менее, наблюдение не ответило на вопрос, почему животные стали полнее.

Основываясь на предыдущих исследованиях, проведенных ею в лаборатории Раунд, она подозревала, что тут замешан был микробиом. Она помогла продемонстрировать, что одной из функций иммунной системы является поддержание баланса между разнообразными бактериями в кишечнике. Нарушение защитных сил организма может привести к тому, что некоторые виды бактерий будут доминировать над другими. Иногда сдвиг негативно влияет на здоровье.

Следуя аналогичной логике, Петерсен и её коллеги определили, что ожирение, наблюдаемое у мышей с ослабленным иммунитетом, проистекает из неспособности защитной системы организма должным образом распознавать бактерии. Эти мыши вырабатывали меньше антител, которые обычно цепляются за микробиом, как ракеты, нацеленные на цель. Это изменение сделало кишечник менее гостеприимным для клостридий – иммуноглобулин А (IgA) был неуместно нацелен на виды Clostridia и позволял расти Desulfovibrio. Клостридии подавляли, а Десульфовибрио усиливали абсорбцию липидов хозяином, модулируя экспрессию мембранного белка CD36, что привело к большему поглощению жира, чрезмерному набору веса. Со временем у мышей также развились признаки сахарного диабета 2 типа.

Раунд указала, что согласно исследованиям, люди, страдающие ожирением, также испытывают недостаток в клостридиях, что полностью отражает ситуацию с мышами. Есть также некоторые признаки того, что люди, которые страдают ожирением или имеют диабет 2 типа, могут иметь субоптимальный иммунный ответ. Надежда состоит в том, что понимание этих связей позволит по-новому взглянуть на профилактику и лечение этих распространенных заболеваний.

«Мы столкнулись с относительно неизученным аспектом диабета 2 типа и ожирения», – говорит Раунд. «Эта работа откроет новые перспективы для исследования того, как иммунный ответ регулирует микробиом и метаболические заболевания».

Более детально об исследовании:

Т-клеточная регуляция микробиоты защищает от ожирения

Рис. 1. Врожденная иммунная передача сигналов в Т-клетках регулирует микробиоту для защиты от ожирения.

Фолликулярные хелперные T-клетки (TFH) регулируют выработку IgA, что соответствующим образом формирует микробиоту. Утрата данной регуляции приводит к расширению Desulfovibrio, что негативно влияет на колонизацию полезных Clostridia. Функция клостридий направлена на сдерживание экспрессии CD36 и абсорбции липидов. Таким образом, уменьшение полезных клостридий может привести к ожирению.

Микробиота кишечника является критическим фактором, регулирующим метаболизм млекопитающих. Иммунная система хозяина, в свою очередь, может формировать микробиом, частично с помощью антител иммуноглобулина A (IgA).

Прим. ред.: Иммуноглобулин А (IgA) – антитело, которое играет критическую роль в иммунной функции слизистых мембран. Представляет вид белкового соединения плазмы крови, синтезирующегося плазматическими клетками в организме человека и других теплокровных животных в ответ на попадание в него чужеродных или потенциально опасных веществ. Основной функцией IgA является защита слизистых оболочек дыхательных, мочеполовых путей и желудочно-кишечного тракта от инфекций.

Петерсен и соавт. (Petersen et al.) сообщают, что у мышей, дефектных в развитии фолликулярных хелперных Т-клеток (TFH) и выработке кишечного IgA, с возрастом обнаруживаются признаки метаболического синдрома. Эти мыши набирают больше веса, накапливают больше жира и демонстрируют большую резистентность к инсулину по сравнению с контролем. IgA у этих мышей неуместно нацелен на виды Clostridia и позволяет расти Desulfovibrio. Клостридий подавляет, а Десульфовибрио усиливает абсорбцию липидов хозяином, модулируя экспрессию мембранного белка CD36. Лучшее понимание микробных продуктов, которые модулируют абсорбцию липидов, может открыть дверь к будущим методам лечения ожирения и метаболических заболеваний.

Прим. ред.:

Clostridium (Клостридии) – род грамположительных спороносных бактерий. Клостридии входят в состав нормальной микрофлоры человека. Однако некоторые виды клостридий могут быть причиной заболеваний. Клостридии входят в состав нормофлоры желудочно-кишечного тракта и женских половых путей, а также присутствуют иногда на коже и в ротовой полости. Основное место обитания клостридий в человеческом организме – толстая кишка. В подвздошной их популяция в норме составляет 102–104 КОЕ/мл.

Desulfovibrio (Десульфовибрио) – род грамотрицательных, облигатно анаэробных сульфатредуцирующих бактерий. Род содержит около65 действительно опубликованных видов. Обитают в анаэробных осадках пресных и солоноватоводных водоёмов, морей, а также в кишечнике некоторых животных, в навозе и испражнениях.

Структурированная аннотация

Вступление

Микробный метагеном кишечника кодирует разнообразные функции, которые дополняют гены хозяина, участвующие в метаболизме. В поддержку этой идеи, микробиомы кишечника индивидуумов с ожирением характеризуются пониженным видовым богатством и метаболической способностью. Таким образом, поддержание разнообразия и коллективных функциональных возможностей микробиоты, вероятно, жизненно важно для обеспечения оптимального метаболического здоровья на протяжении всей жизни. Одним из механизмов поддержания разнообразной микробиоты является Т-клеточно-зависимая продукция иммуноглобулина A (IgA). Однако связь между IgA и развитием ожирения остается неизвестной. Хотя исследования ожирения и метаболического синдрома выявили прямую роль воспаления, люди с избыточной массой тела также демонстрируют некоторые ослабленные иммунные реакции, такие как пониженные уровни IgA слизистой оболочки. Таким образом, поддержание микробиоты через IgA может влиять на функции как в микробиоме, так и, следовательно, в метаболизме хозяина.

Обоснование

Молодые мыши, у которых T-клетки отключили передачу сигналов Myd88 (T-Myd88 – / – мыши), обнаруживают сниженный ответ фолликулярных T-клеток и дефектное нацеливание IgA на их кишечные бактерии, которые изменяют состав микробиоты. Когда эти нокаутированные мыши постарели, у них развилось ожирение и резистентность к инсулину, несмотря на то, что они питались обычной мышиной диетой.

Прим. ред.: Нокаутированные мыши от «нокаут гена» (gene knockout)- метод молекулярной генетики, при котором из организма удаляют или делают неработоспособными определенные гены. Таким образом, получают организм, «нокаутный» по неработающим генам.

Мы определили, что развитие возрастного ожирения зависит от микробиоты. Исходя из сходства метаболического фенотипа с заболеванием человека, мы пришли к выводу, что эта модель послужит платформой для понимания того, как взаимодействие между иммунной системой хозяина и микробиотой влияет на метаболическое заболевание.

Прим. ред.: MyD88 (Myeloid differentiation primary response gene (88)) — цитозольный адаптерный белок, один из пяти белков, содержащих домен TIR, участвующих в передаче сигнала от толл-подобных рецепторов (TLR). Участвует в функционировании всех толл-подобных рецепторов за исключением TLR3.

Результаты

Мыши T-Myd88 – / – испытывали заметное увеличение веса в возрасте от 5 до 6 месяцев. Как и у людей, прибавка в весе сопровождалась ожирением печени, воспалительной жировой тканью и резистентностью к инсулину, которые можно было ускорить, посадив мышей на диету с высоким содержанием жиров. Истощение микробиоты за счет лечения антибиотиками спасло от этого увеличения веса. Совместное проживание мышей T-Myd88 – / – переносило прибавку в весе к мышам дикого типа, что позволяет предположить, что состав микробиоты является движущим фактором ожирения. Главной особенностью микробиоты, образовавшейся у мышей T-Myd88 – / -, было снижение колонизации клостридий. Метатранскриптомный анализ также выявил снижение функциональной способности некоторых видов Clostridia. Совместные эксперименты показали, что рост бактериального рода Desulfovibrio может привести к снижению колонизации клостридий. Обновление клостридий в нокаутированных животных избавила их от прибавки в весе. Состав микробиоты при ожирении (или микробиоты ожирения) определялся реакциями дефектных фолликулярных хелперных T-клеток (TFH) и неподходящим IgA-воздействием на клостридии. Колонизация стерильных (безмикробных) мышей защитными Clostridia привела к худобе, чему, в свою очередь, препятствовало добавление Desulfovibrio. T-Myd88 – / – мыши поглощали больше длинноцепочечных жирных кислот (LCFAs), что позволяет предположить, что микробиота регулирует поглощение липидов. У колонизированных клостридиями стерильных животных подавлялся CD36, рецептор, который обеспечивает связывание и поглощение LCFA, тогда как добавление Desulfovibrio усиливало экспрессию этого рецептора. Наконец, инкубация бесклеточного супернатанта, выделенного из клостридий, с эпителиальными клетками кишечника была способна подавлять экспрессию CD36 в культуре, предполагая, что секретируемая бактериальная молекула регулирует экспрессию гена-хозяина.

Заключение

Снижение Т-клеточного ответа в кишках мышей T-Myd88 – / – приводит к потере колонизации и функции клостридий (Clostridia), а также к росту десульфовибрио (Desulfovibrio), что в совокупности приводит к метаболическому заболеванию. Мы наблюдали аналогичные изменения в микробиоте у лиц с метаболическим синдромом и ожирением. Наши результаты показывают противоположные микробные регуляторы экспрессии CD36 и накопления жира в кишечнике. Механизм, с помощью которого Clostridia и Desulfovibrio изменяют CD36, остается неизвестным, и последующие исследования будут необходимы для выяснения этого взаимодействия. Основная работа в области изучения иммунитета при метаболических заболеваниях была сосредоточена на роли хронического воспаления. Тем не менее, эти исследования подчеркивают важность сильного иммунного ответа в желудочно-кишечном тракте для предотвращения метаболического заболевания, которое остается неизученным у людей. Будущие исследования должны быть сосредоточены на изучении взаимодействия между кишечным иммунитетом и микробиотой у лиц с метаболическим заболеванием, поскольку это поможет выявить дополнительные биомаркеры и терапевтические вмешательства.

Источник: Материалы, предоставленные University of Utah Health.

Статья в журнале: Charisse Petersen, June L. Round, et al. T-cell mediated regulation of the microbiota protects against obesity. Science, 2019.

Пожалуйста, авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий.

Источник