Обстеження жінки зі скаргами на безперервний пронос і гострий біль у животі виявило гостре запалення товстої кишки, викликане клостридиями. Враховуючи стійкість бактерій до антибіотиків, пацієнтці запропоновано експериментальний, але ефективний метод терапії – трансплантація донорської мікробіоти (кишкова мікрофлора). Після введення в кишечник пацієнтки 600 мл суспензії донорського калу рецидивів захворювання більше не спостерігалося – мікробіота донора успішно витіснила патоген і зайняла його ніші. Однак через рік жінка поскаржилася лікареві на швидкий набір ваги, в той час як все життя до трансплантації вона мала нормальну і стабільну масу тіла. З моменту проведення процедури надбавка склала 15 кг, а загальна маса тіла досягла 77 кг при зрості 155 див. Незважаючи на тренінг і дієту вага пацієнтки незабаром перевищив 80 кг. Лікар звернув увагу, що в цілому здоровий донор також має надлишкову масу тіла і допустив можливість “зараження” ожирінням через мікробіоту. На перший погляд настільки сміливе припущення має серйозну доказову базу. У цій статті я розповім про вплив мікробіоти на травлення, і чому її видову різноманітність знижує, а одноманітність збільшує ризик ожиріння.
Введення
Ймовірність успадкування ожиріння досягає 80%, однак індивідуальні відмінності в ядерному геномі обумовлюють менше 2% мінливості маси тіла в популяції. Крім того, ядерний геном передається дитині майже порівну від кожного батька, але діти успадковують ожиріння з помітно більшою частотою від матерів. Цей феномен часто пояснюється впливом на метаболізм мітохондрій, у яких своя ДНК і які відсутні в головці сперматозоїда, тому мітохондріальний геном успадковується ембріоном тільки з яйцеклітини матері. Проте результати дослідження мітохондріального геному пояснюють ще менше випадків успадкування ожиріння. Таким чином, якщо спадкування даного захворювання лише частково опосередковано ядерних і митохондриальным геномами, то може бути ожиріння передається дітям в основному через третій геном людини – мікробіом (сукупність генів мікробіоти), який також успадковується від матері?
Спадковість і мінливість мікробіома
Внутрішньоутробний розвиток супроводжується абсолютною стерильністю плоду, який вперше отримує мікробіоту, долаючи родові шляхи під час природних пологів. Тому діти, народжені природним шляхом, мають більш різноманітну мікробіоту, ніж витягнуті з допомогою кесаревого розтину. Тим не менш склад мікробіоти у тих і інших дітей поступово нормалізується за умови наявності грудного вигодовування, яке забезпечує домінування біфідобактерій і лактобацил, що пригнічують популяції умовно-патогенних бактериоидов і клостридій. Народження природним шляхом і грудне вигодовування формує видовий кістяк мікробіоти, який зазвичай зберігається на все життя. Подальше збагачення мікробіоти іншими видами бактерій залежить від способу життя.
Так, наприклад, відвідування дитячого саду є значущим і незалежним чинником збільшує видове різноманіття мікробіоти. З іншого боку, широке застосування антибіотиків і антисептиків, а також суворі санітарні стандарти і норми гігієни знижують інтенсивність обміну мікробіотою між людьми та її різноманітність (докладно про роль даних чинників у розвитку інфекцій у дітей та запаху з рота писав тут). Таким чином можна говорити про наследуемости і мінливості мікробіома.
Структура мікробіоти
З віком чисельність бактеріальних клітин в кишечнику поступово досягає 100 трильйонів, що перевищує кількість власних клітин організму дорослої людини в 10 разів. При цьому, завдяки малим розмірам бактерій, вся мікробіота важить до 2 кг і вміщується в товстій кишці.
Близько 60% вмісту прямої кишки – мікроорганізми, колонії яких розростаються на волокнах рослинної їжі (клітковині), використовуючи їх в якості їжі й каркаса, формуючи тим самим комкообразную консистенцію фекалій. Незважаючи на значну чисельність бактерій, їх взаємодії з організмом людини довгий час розглядалася вченими строго в рамках комменсализма, при якому організм отримує користь від взаємовідносини, а макроорганізм не отримує ні користі, ні шкоди. Однак з розвитком методів генотипування уявлення про микробиоте значно змінилися.
Було встановлено, що видова різноманітність мікробіоти досягає 300-700 видів мікроорганізмів, а їх сумарний геном складається з 10 мільйонів генів, що в 300 разів перевищує геном людини. Таке підсумовування генів мікробіома і порівняння їх кількості з таким показником у людини тут не для красного слівця. Багато гени бактерій функціонально доповнюють ядерний геном людини, а міжвидове взаємодія мікроорганізмів настільки тісна, що деякі види буквально не можуть жити один без одного. Останні відкриття в цьому напрямку дозволили говорити про взаємовигідних відносинах людини і мікробіоти, а сукупність її генів названа микробиомом або третім геномом людини. Для ілюстрації наведу конкретний приклад.
Фізіологія мікробіоти
З рослинною їжею ми споживаємо полімери фруктози (фруктани), для розщеплення яких на прості цукру у нас немає власних ферментів. Нерасщепленные фруктани не всмоктуються, та їх накопичення в кишечнику викликає важкі розлади, а в ротовій порожнині вони використовуються кариозными бактеріями для прикріплення до зубної емалі. На допомогу нам приходять біфідобактерії та лактобацили, які мають гени ферментів для розщеплення фруктанів до лактату і ацетату. Дані метаболіти створюють більш кислі умови, які знижують розмноження чутливих до кислоти і викликають діарею умовно-патогенних бактерій. Крім того, лактат і ацетат в якості джерела енергії використовують інші види дружній мікрофлори, які виробляють бутират – основне джерело енергії для клітин епітелію кишечника і інгібітор проникнення в них внутрішньоклітинних патогенів, а також це з’єднання знижує ризик розвитку виразкового коліту і раку товстої кишки. Ось так, всього кілька видів бактерій з небезпечних для організму компонентів їжі синтезують цілюща речовина, і, захищаючи свою нішу від конкурентів, в якості бонусу людині, пригнічують ріст патогенів в його кишечнику! А тепер уявіть, як десятки і сотні видів мікроорганізмів об’єднані в більш довгі і розгалужені метаболічні ланцюга, що продукують незамінні амінокислоти, вітаміни та інші метаболіти, тим самим модулируя травлення, імунітет і навіть нашу поведінку, в тому числі харчове.
Мікробіота і ожиріння
Значний вплив мікробіоти на ожиріння вперше було продемонстровано на повністю позбавлених мікроорганізмів і вирощених в стерильних умовах мишах. Характерно, що стерильні миші зазвичай мають на 42% менше жирової тканини, ніж аналогічні миші з мікрофлорою. При цьому більш худі стерильні миші споживають на 29% більше їжі, ніж їх більш повні побратими з мікрофлорою. Дослідники переносили мікрофлору від звичайних мишей до стерильним і протягом двох тижнів спостерігали збільшення жирової тканини на 57%, незважаючи на зниження споживання їжі на 27%!
Автори прийшли до висновку, що мікрофлора допомагає отримувати більше енергії з меншої кількості їжі. При цьому енергоефективність травлення з мікрофлорою підвищується настільки сильно, що отриманий надлишок калорій запасається в жирову тканину.
Отримані в даному дослідженні результати обумовлені низьким різноманітністю самостійно синтезуються організмом людини гликозидаз – ферментів для розщеплення зв’язків у молекулах складних вуглеводів, таких як рослинна клітковина. Для порівняння, якщо в нашому геномі всього 20 генів для синтезу гликозидаз, то один тільки вид бактериоидов синтезує 261 різновид гликозидаз, а весь мікробіом містить 250 000 генів для синтезу даних ферментів. Таким чином, у разі відсутності мікробіоти багата енергією клітковина покидає організм з випорожненнями, не задовольняючи потреби в калоріях, тому стерильні миші їдять більше і важать менше своїх побратимів з нормальною мікрофлорою. Результати даних досліджень мимоволі народжують ідею про спосіб лікування ожиріння тотальним знищенням мікробіоти антибіотиками. Однак розтоків людини і мікробіоти зайшла так далеко, що реалізація даної ідеї неможлива, а з клінічної точки зору – дуже небезпечна.
По-перше, на відміну від мишей ми не можемо дозволити собі жити в стерильних умовах. Навколишнє середовище містить безліч патогенних мікроорганізмів, які будуть раді зайняти ніші, звільнені від природної мікрофлори. Наприклад, жінка, клінічний випадок якої наведений на початку статті, отримала інфекцію клостридиями як раз після лікування бактеріального вагінозу високими дозами антибіотиків. По-друге, я вже згадував, що без мікробіоти ми не здатні самостійно розщеплювати фруктани, накопичення яких загрожує важкими розладами травлення. І нарешті, по-третє, застосування антибіотиків на практиці показує протилежний ефект – ожиріння посилюється, а більш різноманітна і багата за складом мікробіота – захищає від ожиріння.
Антибіотики і ожиріння
Ще із середини минулого століття антибіотики широко застосовуються в сільському господарстві для прискорення набору ваги худоби. З цією метою прапараты додаються до корму на постійній основі, в результаті чого 70% вироблених антибіотиків витрачається на тваринництво.
Позитивний вплив антибіотиків на масу тіла довгий час пояснювали профілактикою інфекцій, адже здорове тварина швидше набирає вагу. Але пізніше було доведено, що дана залежність опосредованна змінами у складі мікробіоти. Аналогічне вплив антибіотиків на масу тіла у людини вважалося малоймовірним, так як антибіотикотерапія застосовується короткочасно і епізодично. Між тим 10 років тому в дослідженнях було встановлено, що навіть одноразовий курс антибіотиків веде до зниження різноманітності мікробіоти людини протягом 4-х років. Проведений в 2017 році мета-аналіз досліджень на майже 500 000 людей констатував значний вплив застосування антибіотиків в дитинстві на збільшення ризику розвитку ожиріння у старшому віці, при цьому доза антибіотика позитивно корелювала зі ступенем ожиріння. Таким чином, очікуваного зниження маси тіла в результаті придушення мікробіоти не відбувається, а в перспективі, навпаки, спостерігається розвиток ожиріння. Імовірно, антибіотики, вибірково знищуючи чутливих до них представників нормальної мікрофлори, формують свого роду “мікробіоту ожиріння”.
Концепція безперервної метаболічної ланцюга і “мікробіота ожиріння”
Повноцінна мікробіота являє собою безперервну метаболічну ланцюг реакцій розщеплення багатою енергією клітковини до бідних енергією з’єднань. При цьому кожен проміжний ще містить енергію метаболіт засвоюється в черговий метаболічної ланцюга бактерією, здатної синтезувати ферменти для його розщеплення, поглинаючи свою порцію енергії. Кінцевими метаболітами функціонування безперервної метаболічної ланцюга є коротколанцюгові жирні кислоти, які в основному катаболізуються клітинами кишечника і не сублімуються в жировій тканині, а деякі з них навіть інгібують ліпогенез і пригнічують апетит. Таким чином повноцінна мікробіота практично повністю утилізують енергію клітковини і захищає господаря від ожиріння, навіть якщо той зловживає швидкими вуглеводами.
На відміну від нормальної мікрофлори, “мікробіота ожиріння” одноманітна з-за відсутніх видів, пологів або цілих сімейств бактерій, тому не здатна утворити безперервну метаболічну ланцюг. Так як різні види клітковини розщеплюються багатьма представниками мікробіоти, то відсутність деяких з них не блокує початок метаболічної ланцюга і харчові волокна благополучно розщеплюються до проміжних метаболітів. У свою чергу відсутність видів бактерій, специфічно розщеплюють проміжні метаболіти, що веде до накопичення останніх в просвіті кишки. На відміну від клітковини, проміжні метаболіти здатні засвоюватися організмом, в тому числі збільшуючи запаси жирової тканини. Таким чином “мікробіота ожиріння” містить свого роду дірки, через які енергія “витікає” в організм людини.
Передбачувана “мікробіота ожиріння” знайшла підтвердження в експериментах по трансплантації фекалій від людей з різною статурою до стерильним мишам. Щоб виключити інші фактори мікробіоту для трансплантації набирали у 8 близнюків, пари яких розрізнялися за наявності і відсутності ожиріння, а миші, що одержали мікробіоту від людей з різною статурою, проживали окремо. Мікробіота, отримана від близнюків з ожирінням, мала убогий видовий склад, порівняно з більш різноманітною мікробіотою близнюків з нормальною статурою.
В результаті експерименту миші, які отримали “мікробіоту ожиріння”, демонстрували значний набір жирової маси тіла вже на 8 добу після трансплантації. У теж час, маса жиру у мишей, що отримали мікробіоту від близнюків з нормальною масою тіла, залишалася без суттєвих змін протягом всього експерименту.
Крім того, автори даного дослідження вирішили перевірити заразність ожиріння. Для цього отриманих в результаті трансплантації різної мікробіоти мишей через 5 днів розмістили у загальній клітці. Контроль маси та складу тіла на 10 добу спільного проживання показав, що миші, які отримали “мікробіоту ожиріння”, набрали менше жиру, ніж аналогічні миші в першій частині експерименту (проживають ізольовано), і практично не відрізнялися від мишей-співмешканців, які отримали мікробіоту від близнюків з нормальною статурою. Аналіз микробиомов демонстрував збільшення різноманітності мікробіоти у мишей, спочатку отримали одноманітну “мікробіоту ожиріння”. Важливо, що початково отримали різноманітну мікробіоту худі миші не заразилися ожирінням від співмешканців.
Аналіз метаболітів в кишці показав, що після спільного проживання у мишей, що отримали “мікробіоту ожиріння”, спостерігалося зниження дисахаридів і збільшення коротколанцюгових жирних кислот. Таким чином, було встановлено, що різноманітна мікробіота захищає від розвитку ожиріння, а трансплантація або природна передача такої мікробіоти до мишей з ожирінням веде до нормалізації маси тіла.
Висновок
Слід врахувати, що миші є копрофагами, що значно полегшує природний обмін мікробіотою між співмешканцями. Тим не менш, результати досліджень мікробіоти та епідеміології ожиріння у людей також можуть бути пояснені обміном мікрофлорою через соціальні взаємодії. Вище я вже розповідав про те, як відвідування дитячого саду збільшує різноманітність мікробіоти, але обмін мікрофлорою може відбуватися і через інші соціальні зв’язки і потенційно впливати на ризик розвитку ожиріння. Так, наприклад, аналіз медичних карт 1519 сімей американських військовослужбовців дозволив встановити, що індекс маси тіла членів сім’ї після призначення на нове місце служби протягом 24 місяців змінювався у відповідності з показниками у населення даного району. Автори цього і ще 45 аналогічних досліджень припускають, що відмінності нашого статури від такого у найближчого оточення можуть збільшувати психологічний дискомфорт, а це в свою чергу впливає на харчову поведінку і фізичну активність. Проте спроби довести дану причинно-наслідковий зв’язок до цих пір не увінчалися успіхом. Між тим обмін мікробіотою через навколишнє середовище і безпосередні контакти може пояснити цей феномен.
В цьому контексті може бути цікавий і мій життєвий досвід. Сам я – той ще дрищ і приказка “не в коня корм” – це про мене! А з тих пір, як я познайомився зі своєю дружиною, вона рік від року стала втрачати вагу. Правда, ожиріння у неї ніколи не було, але з початку наших відносин помітно схудла. Ще в студентські роки вона жартувала, що я її своїми глистами заразив, але як тільки влаштувався на роботу в лабораторію, то все перевірив і нічого такого не виявив. Тоді я вперше і припустив, що справа може бути в особливостях моєї мікробіоти, яку поступово перейняла дружина. На жаль, в нашій лабораторії досліджувати дані особливості неможливо, тому зразок свого “внутрішнього світу” я відправив на аналіз в Сколково. Про результати аналізу напишу в наступній статті, в якій докладно розповім про методи корекції мікробіоти з метою зниження маси тіла. Щоб не пропустити – підписуйтесь на самий цікавий блог про медицину! А якщо у вас немає облікового запису в ЖЖ, підписуйтесь на оновлення Фейсбук, Вконтакте і Телеграм.
Поділіться цікавою інформацією з друзями в соцмережах:
