4.1: Мікробіом кишечника та його вплив на мозок

Last updated
Save as PDF

Page ID: 72955

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Раніше вважалося, що мікроорганізми несуть одноосібну відповідальність за вироблення хвороби/патології. Однак зовсім недавно багато різних дослідників і вчених почали переоцінювати це поняття про те, що мікроби були тільки присутні або тільки корисні при вивченні захворювань.

Вчені знали протягом дуже тривалого періоду часу, що існує ряд мікробіоти, яка складається з усіх бактерій, вірусів та еукаріотів (тобто грибів), які або ростуть у тілі, або на тілі (1014 бактерій всередині; 1010 бактерій на шкірі; і оцінковий квадрильйон віруси). Оскільки мікробіота присутня на людях протягом майже всього нашого життя, сучасні теорії зараз підкреслюють можливість того, що мікробіота також може відігравати певну роль у здоров'ї, а не лише у захворюваннях. Концептуально гени, кодовані всією мікробіотою, відомі разом як мікробіом. Оскільки кількість бактерій у кишечнику значно перевищує всі інші мікробіоти, більшість досліджень почали досліджувати роль, яку мікробіом кишечника може мати у здоров'ї та захворюваннях, і, що ще важливіше, у здоров'ї мозку та захворюваннях.

Зокрема, у всіх галузях біології виникає тема, що орган (наприклад, шкіра) може бути колонізований різними типами мікробів, і ця колонізація не повинна бути однорідною у певному органі. Хоча багато з цих кишкових бактерій можна лікувати фармакологічно, щоб їх усунути, це не завжди може бути найкращим лікуванням. З точки зору дослідження, одне ключове питання, яке домінує, чи може контроль нашого мікробіома кишечника виробляти зміни в нашій біології, фізіології та навіть поведінці?

Які фактори впливають на мікробіом кишечника?

Зараз виявлено багато факторів, що впливають на мікробіом кишечника. Як показано на малюнку\(\PageIndex{1}\), генетика людини, типи ліків або антибіотиків, які вони приймають, гігієна, фізична активність та інші фактори, всі відіграють певну роль у підтримці або, якщо вони змінені, зміні мікробіому кишечника.

Малюнок\(\PageIndex{1}\)

«Нормальний» мікробіом кишечника

Оскільки кишечник є анаеробним середовищем, більшість видів кишкових бактерій виявилися анаеробними. Між 500-1000 різних видів бактерій було виявлено в кишечнику за допомогою генетичного секвенування, хоча ці види належать до дуже невеликої кількості філи. У більшості здорових дорослих людей найпоширеніші філи включають Бактеріодети (грам (-) стрижні) та Firmicutes (грам (+)), хоча інші філи, такі як протеобактерії, Verrumicrobia та Actinobacteria, також були ідентифіковані.

Малюнок\(\PageIndex{2}\). Мікробна щільність в кишечнику. Загалом у кишечнику людини проживає 10 ¹⁴ мікроорганізмів, що налічують понад 500 унікальних видів. У шлунку більшість складають лактобактерії, що становлять приблизно від 10 ² до 10 ³. У дванадцятипалій кишці зустрічаються стрептококи і лактобактерії, з концентрацією 10 ⁴ або 10 ⁵. Коли ми опускаємося повз тосту кишку і в клубову кишку, концентрація бактерій різко зростає - тут проживає до десяти мільйонів бактерій. Такі бактерії, як ентеробактерії, ентерокок, фекаліс, бактероїди, біфідобактерії, пептокок, пептостептокок, румінокок, клостридії та лактобактерії. Ці бактерії також поширені в товстій кишці та апендиксі, але концентрації мікроорганізмів знову збільшуються, до 10 ⁹ до 10 ¹². Існує загальна тенденція, що складність і концентрація бактерій збільшується, коли ми опускаємося по шлунково-кишковому тракту.

Часто дослідники не тільки вимірюють типові бактерії, що мешкають в різних відділах шлунково-кишкового тракту (ШКТ) тракту, але й вимірюють мікробну щільність в різних областях кишечника. Як показано на малюнку\(\PageIndex{2}\)., типи резидентних або комменсальних бактерій, виявлених у просвіті областей кишечника, а також щільність бактерій (цифри праворуч) показують щільність. Не дивно, що чисельність, а також складність бактерій збільшується дистально вниз по довжині шлунково-кишкового тракту. Ця складність почалася при народженні і триває протягом усього розвитку в дорослому віці.

Але які види бактерій переважають?

У мікробіоті кишечника переважають бактерії, з яких основні підрозділи бактерій складаються в основному з Bacteriodetes і Firmicutes. Як згадувалося раніше, здається, існує різниця бактерій між людьми, хоча існує припущення, що люди зазвичай мають мікробіоту кишечника, яка домінує (домінуючим бактеріальним відбитком кожної людини називають ентеротипом). Домінуючі бактеріальні ентеротипи у здорової людини зазвичай складаються з пологів Bacteroides, Prevotella або Ruminococcus (у кожного є всі 3 роду бактерій, але співвідношення між кожною людиною буде відрізнятися. від наявності більш-менш кожного роду).

Зміни мікробіоти кишечника та мікробіому кишечника

Цікаво, що хоча кожен має загальну «основну» групу бактерій, як зазначено в попередньому розділі, вплив способу життя на мікробіоту (тобто зміни в харчуванні та фізіологічному статусі), схоже, має здатність швидко змінювати типи та кількість бактерій, що живуть у кишечнику. Це пропонує як терапевтичну можливість, впроваджуючи нові бактерії, які можуть бути корисними завдяки пробіотикам, які містять бактерії, здатні колонізувати кишечник.

З самого раннього віку розвитку, наші але показують великі зміни в бактеріальних пологах і їх кількості 2 під час розвитку, знову змінюється залежно від зміни способу життя і старіння. Стабільність мікробіоти кишечника та зміни типів бактерій стають важливим фактором, який все частіше впливає на стан нашого здоров'я і може сприяти нейродегенеративним процесам (та іншим змінам мозку), як показано в Главі 2.

Малюнок\(\PageIndex{3}\). Зміни розвитку. Ілюстрація типового розвитку колонізації кишечника бактеріями. Початкові колонії бактерій, які осідають, залежать від способу доставки. У перший тиждень життя TLR знижується, що може дозволити утворення стійких бактеріальних колоній в кишечнику. Протягом перших 6 місяців, оскільки діти піддаються твердої їжі, різноманітність мікробіоти збільшується. Імунна система здатна диференціювати різницю між патогенними і корисними бактеріями. Хвороба, як видається, корелює з концентрацією бактерій і складом.

Як показано на малюнку\(\PageIndex{3}\). вище, ранні бактеріальні колонізатори кишечника, такі як лактобактерії тощо, є аеробними і, швидше за все, походять з материнських джерел - вони майже повністю унікальні та різні до першого року життя. Бактероїди та ентеробактерії є анаеробними бактеріями і, як правило, домінують пізніше у віці 1-6 місяців. Одним з найцікавіших аспектів колонізації кишечника є те, що джерело бактерій залежить від навколишнього середовища, оскільки немовлята, народжені через кес-розтин, як правило, мають колонізацію стафілококом, коринебактерією, Propionibacterium spp тощо, які зазвичай зустрічаються на шкіра. Це відрізняється від бактерій, що містяться в кишечнику немовлят, народжених через вагінальні пологи, оскільки на ранніх стадіях домінують лактобактерії, превотелла та Sneathia. Зверніть увагу, що незалежно від походження та початкової колонізації, ця стабільність у кишечнику досягається приблизно 1-2 років і зберігається у дорослому віці - де існує унікальний баланс між бактеріоїдетами та фірмікутами, поки людина залишається здоровою, але може бути змінена шляхом алергії, ожиріння, ліки та інші, щоб змінити цей баланс, як показано на малюнку\(\PageIndex{3}\).

Дисбактеріоз: основи

Дисбактеріоз являє собою дисбаланс в нормальному мікробному співтоваристві в організмі. Експерименти показують, що у дорослих популяції бактерій, вірусів і еукаріотів залишаються відносно стабільними. Однак ця стабільність виникає лише у здорових людей, і ці популяції можуть змінюватися з дієтою, захворюваннями, лікуванням та впливом на навколишнє середовище. Наприклад, було показано, що віруси кишечника (розширення вірусних геномів) мають стабільність > 95% у своїх послідовностях протягом року у здорових людей - однак це змінюється зі змінами в харчуванні людини.

Вплив дієти на мікробіом кишечника

У моделей мишей - перехід дієти з низьким вмістом жиру, рослинним полісахаридом, багатим на дієту з високим вмістом жиру, високим вмістом цукру (Westernized), здатної змінити вміст бактерій протягом дня (Turnbaugh et al., 2009 Science Translational Medicine)
У дослідженнях на людях — подібні зміни мікробіоти кишечника спостерігалися протягом 24 годин (Wu et al, 2011 Science).
Це дослідження показало, що дієта корелює зі зміною бактерій - домінують бактероїди з високим вмістом жирів, домінують багаті вуглеводами дієти Превотелла.

У тваринних моделям ожиріння, індукованих дієтою, спостерігається зсув домінантної кишкової філи зі зменшенням бактероїдетів і збільшенням Firmicutes. Подібні результати були показані в дослідженнях близнюків людини зі зниженням бактероїдетів, але збільшенням актинобактерій. Зсув між цими двома філами призводить до збільшення здатності до збільшення енергії з їжі, але також призводить до запальних реакцій. Змінюючи мікробіоту кишечника в моделями тварин, цього, здається, достатньо, щоб викликати ожиріння як фенотип (Turnbaugh et al., 2006 та 2008). Ці дані свідчать про те, що мікробіота кишечника здатна не тільки реагувати на зміни в харчуванні, але також може викликати фенотипи, такі як ожиріння.