Mikrobiota. Wpływ bakterii jelitowych na organizm

Mikrobiota jelitowa to wszystkie mikroorganizmy bytujące w jelicie grubym. Spośród nich najlepiej rozpoznane są bakterie, których u zdrowego człowieka występuje ponad 1000 gatunków. Skład i liczebność mikrobioty są ściśle powiązane ze zdrowiem, nastrojem i funkcjonowaniem mózgu. Dowiedz się, jaki wpływ na organizm mają bakterie jelitowe.

Mikrobiota to pula mikroorganizmów różnego rodzaju, które żyją w organizmie gospodarza i na jego powierzchni. Mikrobiom znaczy to samo co mikrobiota. Oba pojęcia stosuje się zamiennie. Odchodzi się natomiast od pojęcia „mikroflora”, które sugeruje, że mikroorganizmy bytujące w ciele gospodarza mają pochodzenie roślinne.

W skład mikrobioty człowieka wchodzą nie tylko bakterie, ale też wirusy, archeony i organizmy eukariotyczne. Jednak różnorodność i rola bakterii jest najlepiej zbadana. Bakterie bytujące w organizmie człowieka zostały zidentyfikowane dzięki sekwencjonowaniu genów. Odkrycia te pozwoliły na zrozumienie relacji między mikrobiomem a żywicielem.

Spis treści

1. Mikrobiota jelitowa - charakterystyka
2. Mikrobiota jelitowa - skład w różnych okresach życia
3. Mikrobiota jelitowa - wpływ na organizm

Mikrobiota jelitowa - charakterystyka

Mikrobiom jelitowy to jeden z elementów mikrobiomu całego organizmu, który ma ogromne znaczenie dla homeostazy ciała człowieka.

Za bakterie jelitowe uznaje się te bytujące w jelicie grubym. Zdrowy dorosły człowiek zazwyczaj jest siedliskiem ponad 1000 gatunków bakterii należących do stosunkowo niewielu znanych typów bakterii. Przeważają bakterie beztlenowe typów Bacteroidetes i Firmicutes.

Zmienność mikrobioty jelitowej

Mikrobiota jelitowa jest zmienna – nie jest identyczna zarówno u różnych osób, jak i u tej samej osoby w różnym czasie. Różnice między osobnikami są bardzo wyraźne.

Wiadomo, że ogólna różnorodność mikrobioty jelitowej człowieka zmienia się przez całe życie. Stale zwiększa się od urodzenia do około 12 roku życia, pozostając względnie stabilną przez całą dorosłość, a następnie zmniejszając się w późniejszych latach.

Jedno z badań wykazało, że w ciągu roku bez stosowania antybiotykoterapii około 70% mikrobioty pozostaje niezmienione. Obserwacje wykazały, że niektóre gatunki prawdopodobnie są stabilne przez dziesięciolecia, jeśli nie przez całe życie osobnika, o czym świadczy identyfikacja tych samych gatunków bakterii wśród członków rodziny, ale nie między osobami niespokrewnionymi.

Zatem część bakterii pozostaje niezmienna u osób zdrowych, a część podlega zmianom w ciągu życia. Czynniki zewnętrzne także zmieniają mikrobiom w czasie. Należą do nich m.in.:

• infekcje,
• przyjmowane leki,
• styl życia
• i zmiany w diecie.

Badanie LifeLines Deep wykorzystujące sekwencjonowanie genomu bakterii przeprowadzone na ponad 1000 osobach wykazało, że dieta jest głównym modulatorem zmienności mikrobiomu jelitowego.

Przyczyny zmniejszenia różnorodności mikrobioty jelitowej

Mikrobiom jelit jest bardzo bogaty w porównaniu z innymi miejscami w organizmie. Duże zróżnicowanie mikrobioty jelitowej jest cechą osób zdrowych. Stany chorobowe prowadzą do jej zubożenia pod względem różnorodności gatunkowej.

Mniejszą różnorodność bakteryjną zaobserwowano u osób z:

• nieswoistym zapaleniem jelit,
• łuszczycowym zapaleniem stawów,
• cukrzycą typu 1,
• atopią,
• celiakią,
• otyłością,
• cukrzycą typu 2
• i sztywnością tętnic w porównaniu z osobami zdrowymi.

Związek między zmniejszoną różnorodnością a chorobami wskazuje, że bogaty w gatunki ekosystem jelit jest bardziej odporny na wpływy środowiska.

Główne typy bakterii jelitowych

Różnorodność uznaje się za dobry wskaźnik „zdrowego jelita”. Główne typy bakterii jelitowych pod względem liczebności to:

• Firmicutes,
• Bacteroidetes,
• Actinobacteria,
• Proteobacteria,
• Verrucomicrobia
• i Fusobacteria.

Wraz z wiekiem naturalnie zmienia się skład mikrobiomu jelitowego. Zależy on głównie od diety.

U 2-3-latków, jak i u osób dorosłych dominują te same bakterie, co wynika z faktu, iż dzieci w wieku około 3 lat jedzą już dokładnie te same produkty spożywcze co dorośli.

Mikrobiota jelitowa - skład w różnych okresach życia

Mikrobiota jelitowa - wpływ na organizm

Mikrobiota jelit oddziałuje na fizjologię organizmu w bardzo wielu aspektach. Klasycznie jej rolę postrzega się głównie w trawieniu składników pokarmowych, które są niestrawne dla enzymów układu pokarmowego. Jest to jednak dopiero wierzchołek góry lodowej. Zmiany składu mikrobiomu (dysbioza) występują w przypadku licznych chorób.

Często nie jest jednak jasne, czy to zmieniona mikrobiota wpływa na wywołanie choroby, czy stan chorobowy odbija się negatywnie na składzie bakterii jelitowych. Jakie znaczenie mają bakterie jelitowe dla organizmu?

Mikrobiota a oś jelita-mózg

Często można spotkać się z powiedzeniem, że jelita to nasz drugi mózg. Jest ono jak najbardziej zasadne. W organizmie zachodzi dwukierunkowa sygnalizacja między mikrobiotą jelitową, jelitami i mózgiem. Odbywa się ona za pośrednictwem szlaków neuronalnych obejmujących ośrodkowy i jelitowy układ nerwowy oraz układ krążenia.

W sygnalizację przez układ krążenia zaangażowane są:

• oś podwzgórze – przysadka – nadnercza,
• regulatory układu odpornościowego,
• hormony,
• neuroprzekaźniki
• i metabolity bakteryjne, takie jak krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe.

Badania przedkliniczne wykazały wpływ mikroflory jelitowej na:

• odruchy nocyceptywne (odruchy w odpowiedzi na bodźce uszkadzające tkanki),
• przyjmowanie pokarmów,
• zachowania emocjonalne i społeczne,
• reakcję na stres
• i neurochemię mózgu.

W badaniach na myszach wykazano, że mikrobiota jest niezbędna do rozwoju społecznego myszy, bierze udział w zaburzeniach neurorozwojowych, w tym zaburzeniach ze spektrum autyzmu.

Udowodniono, że myszy nieposiadające mikrobioty jelitowej wykazują przesadną reakcję na stres w porównaniu ze zwierzętami kontrolnymi. Myszy te wykazują również zwiększoną aktywność ruchową i mniej nasilone zachowania lękowe w porównaniu z myszami kontrolnymi.

Natomiast podanie probiotyku L. rhamnosus (JB-1) myszom zmniejszyło poziom kortykosteronu wydzielanego w stresie i zachowania związane z lękiem.

Dane te silnie podkreślają znaczenie osi mikrobiom-jelito-mózg dla prawidłowego rozwoju i funkcji neurologicznych.

Dlaczego mikrobiom wpływa na mózg?

Mikrobiom jelitowy wytwarza krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe, które wpływają na integralność bariery krew-mózg poprzez zwiększanie produkcji białek ścisłych połączeń – klaudyny-5 i okludyny.

Połączenia ścisłe, to takie połączenia między dwiema komórkami organizmu (w tym przypadku nabłonka jelit), które zamykają przestrzeń między tymi komórkami, sprawiają, że komórki są bardzo mocno do siebie przymocowane.

Białka te są ułożone w pasma, tworząc rozgałęzioną sieć. Muszą występować na powierzchni obu sąsiadujących komórek, aby były w stanie się ze sobą połączyć.

Istnienie prawidłowo funkcjonujących ścisłych połączeń między komórkami nabłonka jelit, a zatem zwiększona integralność bariery krew-mózg, ogranicza wnikanie niepożądanych metabolitów pomiędzy komórki, do przestrzeni zewnątrzkomórkowej.

W przypadku zaburzonej integralności komórek nabłonka substancje szkodliwe z płynu międzykomórkowego dostają się do krwi, a następnie do mózgu. Zjawisko to wpływa niekorzystnie na funkcjonowanie mózgu, zdolności poznawcze i nastrój.

Wpływ mikrobiomu na psychikę

Badania dostarczają dowodów na to, że mikrobiota jelitowa może modulować reakcję na stres, a także ma wpływ na lęk, depresję i procesy poznawcze.

Liczne badania kontrolowane placebo wykazują, że przyjmowanie bakterii probiotycznych powoduje znaczące zmiany w aktywności mózgu ocenianej za pomocą funkcjonalnego rezonansu magnetycznego, koncentracji, przetwarzaniu emocji i wrażeń.

W wielu doświadczeniach wykazano korzystny wpływ przyjmowania probiotyków na nastrój u osób z problemami psychologicznymi, tendencją do smutku i złych myśli, lęków i depresji.

Wiele osób uzależnionych od alkoholu wykazuje zmiany w przepuszczalności jelit i mikrobiomie jelitowym. Zwiększona przepuszczalność jelit u tych osób była istotnie związana z wyższymi wynikami depresji, lęku i głodu alkoholowego po 3 tygodniach abstynencji.

Mikrobiota jelitowa a trawienie

Mikrobiota jelitowa jest integralną częścią trawienia i odżywiania żywiciela i może wytwarzać składniki odżywcze z substratów, które w przeciwnym razie są niestrawne przez gospodarza.

Bakterie jelitowe rozkładają błonnik, niektóre białka, sacharydy i polifenole. Drobnoustroje uwalniają krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe z niestrawnego dla układu pokarmowego błonnika, które są ważnym źródłem energii dla błony śluzowej jelit i mają kluczowe znaczenie dla modulowania odpowiedzi immunologicznej i powstawania guzów w jelitach.

Mikrobiota jelitowa a odporność

Interakcje między mikrobiotą a układem odpornościowym gospodarza są liczne i złożone. Rolą układu immunologicznego jest nauka rozpoznawania bakterii komensalnych („dobrych”) i patogennych (chorobotwórczych).

Z kolei mikrobiota jest integralną częścią edukacji układu odpornościowego do prawidłowego funkcjonowania.

Mikrobiota wpływa na homeostazę immunologiczną wewnątrz i na zewnątrz jelita. Uczestniczy m.in. w różnicowaniu komórek T regulatorowych układu immunologicznego. Mechanizmy te mają duże znaczenie dla patogenezy i leczenia chorób o podłożu zapalnym.

Rola bakterii komensalnych

Komensalne bakterie i probiotyki mogą promować integralność barier jelitowych. Dzięki temu bakterie chorobotwórcze i ich metabolity mają dużo mniejszą szanse na przeniknięcie do układu krążenia.

Bakterie komensalne przyczyniają się do wzmacniania odporności na poziomie jelita głównie poprzez przeciwdziałanie inwazji bakterii chorobotwórczych i wspomaganie rozwoju układu odpornościowego gospodarza.

Dobre bakterie jelitowe utrudniają kolonizację bakterii chorobotwórczych, konkurując z nimi o składniki odżywcze i miejsca przyczepu na powierzchni błony śluzowej okrężnicy.

Bakterie komensalne zapobiegają również inwazji bakterii chorobotwórczych ze względu na obniżenie pH jelit poprzez produkcję mleczanu i krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych (SCFA). Innym sposobem jest wytwarzanie metabolitów, które hamują wzrost lub zabijają potencjalnie patogenne bakterie.

Mimo że mechanizmy oddziaływania mikrobiomu z układem odpornościowym nie są dokładnie zbadane, wiadomo z pewnością, że zdrowa mikrobiota wpływa pozytywnie na odporność zarówno jako bariera biologiczna, jak i poprzez kształtowanie odporności nabytej.

Mikrobiota jelitowa a otyłość

Mikrobiota jelitowa może odgrywać rolę w rozwoju otyłości. Większość badań osób z nadwagą i otyłością wykazuje dysbiozę charakteryzującą się mniejszą różnorodnością mikrobiomu. Przykładem mogą być przeprowadzone badania:

• Myszy z niezasiedlonym przez bakterie przewodem pokarmowym, którym przeszczepia się mikroby kałowe od otyłych ludzi, przybierają na wadze więcej niż myszy, które otrzymują mikroby od ludzi o prawidłowej masie ciała.
• Duże badanie przeprowadzone na bliźniakach z Wielkiej Brytanii wykazało, że rodzaj bakterii Christensenella występował rzadko u osób z nadwagą, a podawany myszom wolnym od własnej mikrobioty zapobiegał przyrostowi masy ciała. Obecność w przewodzie pokarmowym bakterii Christensenella, a także Akkermansia powiązano z mniejszą akumulacją tłuszczu w obrębie narządów wewnętrznych jamy brzusznej.

Większość dowodów potwierdzających tezę o roli mikrobioty w rozwoju otyłości pochodzi z badań na myszach. Jednak jednocześnie obserwuje się, że przyrost masy ciała u ludzi w okresie powyżej 10 lat jest związany z małą różnorodnością mikrobioty, a relację tę pogarsza niskie spożycie błonnika pokarmowego.

Dysbioza mikrobioty jelitowej prawdopodobnie sprzyja otyłości wywołanej dietą i powikłaniom metabolicznym poprzez różne mechanizmy, w tym:

• rozregulowanie odporności,
• zmienioną regulację energii,
• zmienioną regulację hormonów jelitowych
• i mechanizmy prozapalne wywołane przez endotoksyny lipopolisacharydowe, przekraczające barierę jelitową i wchodzące do krążenia wrotnego.

Zwiększenie utleniania kwasów tłuszczowych i wydatku energetycznego oraz zmniejszenie syntezy kwasów tłuszczowych łagodzi tendencję do otyłości.

Stwierdzono, że bakterie Akkermansia muciniphila, Bacteroides acidifaciens, Lactobacillus gasseri i krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe zwiększają utlenianie kwasów tłuszczowych w tkance tłuszczowej.

Inne mechanizmy mikrobiomu sprzyjające kontroli masy ciała to:

• różnicowanie adipocytów,
• zwiększanie termogenezy w mięśniach,
• wzmacnianie ekspresji genów związanych z utlenianiem kwasów tłuszczowych,
• wyciszanie ekspresji genów odpowiedzialnych za syntezę tłuszczu w organizmie.

Literatura podsumowuje, że zachwiana równowaga mikrobioty jelitowej i brak niektórych rodzajów bakterii sprzyja większemu przyrostowi masy ciała przy stosowaniu tej samej diety.

Mikrobiota jelitowa a rak jelita grubego

Badania naukowe wykazały, że mikrobiota jelitowa może wpływać na ryzyko wystąpienia i postęp raka jelita grubego poprzez modulację mechanizmów takich jak stany zapalne i uszkodzenie DNA oraz poprzez wytwarzanie metabolitów zaangażowanych w progresję lub supresję guza.

Dysbiozę mikrobioty jelitowej obserwowano u pacjentów z rakiem jelita grubego, ze zmniejszeniem liczby gatunków bakterii komensalnych (bakterie wytwarzające maślan) i wzbogaceniem szkodliwych populacji bakterii (prozapalne patogeny oportunistyczne).

Rak jelita grubego charakteryzuje się zmienioną produkcją metabolitów bakteryjnych bezpośrednio zaangażowanych w metabolizm komórek nowotworowych, w tym krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych i poliamin. Pojawiające się dowody sugerują, że dieta ma istotny wpływ na ryzyko rozwoju tego nowotworu.

Spożycie produktów bogatych w błonnik i suplementacja diety wielonienasyconymi kwasami tłuszczowymi, polifenolami i probiotykami, o których wiadomo, że regulują mikrobiotę jelitową, może być nie tylko potencjalnym mechanizmem zmniejszania ryzyka raka jelita grubego.

Może również wzmacniać odpowiedź na terapię przeciwnowotworową, gdy jest stosowana dodatkowo w konwencjonalnym leczeniu nowotworu jelita grubego.

Mikrobiota jelitowa a choroby jelit

Dysbioza jelitowa i zmniejszenie różnorodności mikrobiomu są regularnie stwierdzane u osób z nieswoistym zapaleniem jelit. Zubożenie mikrobioty w niektóre bakterie i utrata ich funkcji ochronnych może mieć znaczący wpływ na przebieg choroby.

Wiele funkcji ochronnych bakterii, związanych z nieswoistym zapaleniem jelit, wynika z ich zdolności do fermentacji błonnika pokarmowego i do produkcji krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych.

Stan zapalny jelit wpływa na zredukowanie ilości gatunków bakterii komensalnych i stwarza warunki do rozrostu bakterii chorobotwórczych. Te z kolei są zdolne do zwiększonego namnażania się i pogarszania stanu chorych.

Bakterie chorobotwórcze, które potencjalnie pełnią największą rolę w nieswoistym zapaleniu jelit to:

• Escherichia i Shigella,
• a także gatunki Fusobacterium.

U pacjentów obserwuje się duże zmiany mikrobiomu zarówno pod względem ilości gatunków, jak ich proporcji względem siebie.

Mikrobiota jelitowa a układ krążenia

Mikrobiom może oddziaływać zarówno pozytywnie, jak i negatywnie na zdrowie układu krążenia. Korzystny wpływ związany jest z regulacją lipidogramu – podwyższaniem poziomu „dobrego” cholesterolu HDL i obniżaniem poziomu trójglicerydów we krwi. Wiadomo, że przyjmowanie probiotyków, głównie Lactobacilli, pomaga obniżać poziom cholesterolu.

Z drugiej strony dysbioza bakteryjna i nadmiar bakterii patogennych prowadzi do wytwarzania N-tlenku trimetyloaminy (TMAO), który promuje powstawanie blaszki miażdżycowej w naczyniach krwionośnych i może prowadzić do zawałów i udarów.

TMAO powstaje w wyniku metabolizmu choliny i L-karnityny, które są typowymi składnikami diety zawierającej białko zwierzęce i pełnią w organizmie istotne funkcje. Nie wiadomo dokładnie, jakie składniki mikrobiomu odpowiadają za zwiększone wytwarzanie TMAO i wzrost ryzyka chorób serca.

Niektóre źródła postulują, że mogą to być:

• Cytomegalovirus,
• Helicobacter,
• Chlamydia
• i C. pneumoniae.

Badania wykazały natomiast, że u osób, w których mikrobiomie udział bakterii Prevotella był wyraźnie wyższy, występował problem z podwyższonym stężeniem TMAO. Jednocześnie stężenie tego tlenku było w normie u osób z dużym udziałem bakterii Bacteroides.

Mikrobiota jelitowa a cukrzyca

Badania naukowe potwierdzają rolę mikrobiomu jelitowego w chorobach metabolicznych, w tym cukrzycy typu 2.

Z badań na zwierzętach wynika jasno, że mikrobiom uczestniczy w metabolizmie glukozy. Na podstawie 42 badań obserwacyjnych na ludziach zaproponowano bakterie, których obecność w mikrobiomie sprzyja występowaniu cukrzycy typu 2.

Są to bakterie rodzajów:

• Ruminococcus,
• Fusobacterium
• i Blautia.

Natomiast rodzaje bakterii, których występowanie zmniejsza prawdopodobieństwo cukrzycy typu 2 to:

• Bifidobacterium,
• Bacteroides,
• Faecalibacterium,
• Akkermansia
• i Roseburia.

Do korzystnych w cukrzycy bakterii zalicza się także Lactobacillus, jednak wyniki badań co do nich nie są tak klarowne.

Cukrzyca typu 2 jest związana z podwyższonym poziomem cytokin prozapalnych, chemokin i białek zapalnych. Podczas gdy niektóre drobnoustroje jelitowe i ich metabolity promują stany zapalne o niskim stopniu nasilenia, inne stymulują cytokiny i chemokiny przeciwzapalne.

Bakterie, których występowanie jest powiązane z mniejszym ryzykiem cukrzycy typu 2, mogą przyczyniać się do zwiększonej ekspresji cytokin przeciwzapalnych, które chronią przed insulinoopornością i przywracają wrażliwość komórek na insulinę.

Kolejne cechy związane z cukrzyca typu 2 to stan zapalny o niskim nasileniu oraz zwiększona przepuszczalność jelit. Wykazano, że wskazane bakterie jelitowe redukują produkcję związków prozapalnych i wzmacniają połączenia ścisłe między komórkami nabłonka jelit. W ten sposób redukują ryzyko wystąpienia cukrzycy typu 2.

Mikrobiota jelitowa jest powiązana z cukrzycą typu 2 poprzez wpływ na homeostazę glukozy i insulinooporność w głównych narządach metabolicznych, takich jak:

• wątroba,
• mięśnie
• i tłuszcz.

Mikrobiota i jej produkty mogą modulować hormony jelitowe i enzymy oraz zmniejszać insulinooporność i poprawiać tolerancję glukozy.

Bakterie jelitowe uznane za korzystne w prewencji cukrzycy typu 2 mogą m.in.:

• zwiększać syntezę glikogenu i zmniejszać ekspresję genów związanych z glukoneogenezą w wątrobie,
• poprawiać translokację transportera glukozy-4 (GLUT4) i pobór glukozy stymulowany insuliną,
• zwiększać ekspresję GLUT-4 w mięśniach, co może mieć działanie przeciwcukrzycowe,
• zmniejszać ekspresję wątrobowej monooksygenazy flawinowej 3 (Fmo3), kluczowego enzymu metabolizmu ksenobiotyków, którego zmniejszone wydzielanie zapobiega rozwojowi hiperglikemii i hiperlipidemii u myszy opornych na insulinę,
• regulować ekspresję genów powiązanych z hiperglikemią,
• zwiększać poziom adiponektyny w tłuszczu, poprawiając w ten sposób wrażliwość na insulinę.

Czytaj też:

• Mikrobiom - czym jest i jakie pełni funkcje?
• Jak dbać o mikrobiom podczas antybiotykoterapii?
• Mikrobiota a odporność
• Dysbakterioza - przyczyny, objawy, leczenie

Aleksandra Żyłowska-Mharrab