Darm microbioom ecologie
Door: Zach Aanderud Ph.D.
Dit artikel beschrijft de basisecologie van het darmmicrobioom. Benadrukt de drie belangrijkste voordelen van je darmmicrobioom, waaronder bescherming tegen chemische stoffen tussen hersenen en darmmicrobioom
In elk van onze dikke darmen leven triljoenen micro-organismen die samen een ondersteunend orgaan in het centrum van onze gezondheid vormen dat het darmmicrobioom wordt genoemd. Onze darmen herbergen de grootste dichtheid aan micro-organismen, voornamelijk bacteriën, maar ook schimmels, archaea en protisten, van alle biomen of microbiomen op aarde. In ons spijsverteringskanaal leven meer dan 5000 verschillende soorten micro-organismen met een gewicht van ongeveer 2 kilo – bijna twee keer zo zwaar als onze hersenen (Bäckhed et al 2005; Sekirov et al 2009; Sender et al 2016). We zijn zelf evenveel bacteriën als mensen, met een celaantal binnen ons microbioom dat gelijk is aan onze eigen cellen.
Als we bovendien de genen onderzoeken die verantwoordelijk zijn voor deze activiteit, kan onze darmmicrobiota ≥ 100 keer meer genen tot expressie brengen dan ons eigen genoom, met 3,3 miljoen unieke coderende genen vergeleken met de 23.000 genen in ons hele menselijke genoom (Amon en Sanderson 2017).
Maar voordat we ons richten op de vele verschillende en essentiële functies die te danken zijn aan de genetische diversiteit van ons darmmicrobioom, moeten we eerst de ecologie van ons spijsverteringskanaal bespreken. Op een basaal niveau vindt onze spijsvertering plaats in een ecosysteem waar levende (d.w.z. ons maagdarmkanaal, darmmicrobioom) en niet-levende componenten (d.w.z. het voedsel dat we eten) op elkaar inwerken. Laten we elk van deze componenten uit elkaar halen.
Maagdarmkanaal
Hoewel de beschikbaarheid van voedingsstoffen het hoogst is proximaal aan de absorptieplaatsen, bevatten de maag en dunne darm relatief kleine aantallen micro-organismen. Microbiële aantallen zijn beperkt in deze gebieden vanwege de lage pH van de maaginhoud, de microbiële toxiciteit van galzouten en de relatief snelle stroom van de spijsvertering. Meer dan 90% van de vertering vindt plaats op deze plaatsen met relatief hoge zuurstofconcentraties (Rinninella et al 2019).
De dikke darm aan het uiteinde van je maagdarmkanaal daarentegen houdt je voedsel zes keer langer vast en blijft het verteren dan de dunne darm en verricht meerdere andere diensten voor ons in een zuurstofarme omgeving. In je darmen vormen je darmepitheelcellen een laag of luminaal oppervlak of bekleding van het maagdarmkanaal. Deze laag heeft twee belangrijke functies: nuttige stoffen in het lichaam opnemen en de toegang van schadelijke stoffen of micro-organismen beperken. Om deze taken naar behoren uit te voeren, vormen darmepitheelcellen een darmslijmvliesbarrière tussen het lichaam en de darm die ongecontroleerde translocatie van de luminale inhoud naar het lichaam voorkomt en bacteriën in de dikke darm huisvest.
Darmmicrobioom
Meer dan 99% van ons darmmicrobioom bevindt zich in de dikke darm. De bacteriën zijn ofwel mucosa-geassocieerde bacteriën die een langdurige invloed hebben op onze immuun- en metabolische gezondheid vanwege de nabijheid van het epitheel (Juge 2022), of meer voorbijgaande vrijlevende bacteriën die dagelijks door onze dikke darm passeren. De bacteriën die een niche bezetten in de slijmvlieslaag zijn echte bewoners van onze dikke darm, terwijl de vrijlevende bacteriën gewoon “meeliften” door onze darmen. In de dikke darm, een zuurstofarme omgeving, vind je anaerobe bacteriën gedomineerd door bacteriële phyla de Bacillota (voorheen de Firmicutes), Bacteroidota, Actinomycetota, en Psuedomonadota (voorheen de Proteobacteriën) en genera Bacteroides, Clostridium, Faecalibacterium, Eubacterium, Ruminococcus, Peptococcus, Peptostrptococcus en Bifidobacterium (Rinninella et al 2019). Andere geslachten zoals Escherichia en Lactobacillus zijn in mindere mate aanwezig.
Uw eten
Uiteindelijk bestaat 60% van de droge massa van onze ontlasting uit darmmicrobiële bacteriën. In de behoefte aan koolstof en energie van de enorme aantallen bacteriën in onze darmen wordt voorzien door verschillende bronnen: complexe polyfenolen uit de voeding, verteerbare vezels, andere koolhydraten, eiwitten en vetten die aan de spijsvertering zijn ontsnapt, bestanddelen van afscheidingen van gastheren (mucinen) en afgestroopte epitheelcellen. De verbazingwekkende mate van bacteriële diversiteit in de dikke darm wijst op een veelheid aan ecologische niches die niet alleen door onze eigen fysiologie worden gecreëerd, maar ook door de ontwikkeling van complexe voedselwebben waarbij de bijproducten van de ene bacterie het substraat kunnen worden voor andere bacteriën (Walter 2008). Onze voeding bepaalt de soorten voedsel die ons microbioom helpen diversifiëren.
Het darmmicrobioom biedt een overvloed aan essentiële voordelen voor de gezondheid en in dit artikel worden er drie uitgelicht: het versterken van ons immuunsysteem, het aanmaken van vitaminen en het bestrijden van gifstoffen en het aanmaken van neurotransmitters die ons mentale welzijn beïnvloeden.
Immuunversterking
Een gezond darmmicrobioom is een enorme stimulans voor je immuunsysteem, of het complexe netwerk van organen, cellen en eiwitten die ons lichaam verdedigen tegen infecties. De bacteriële bewoners van onze dikke darmen veranderen de darmchemie, nemen de ruimte in de darm volledig in beslag en scheiden antimicrobiële eiwitten af die potentiële ziekteverwekkers buitensluiten. De bacteriën in onze darmen metaboliseren voedsel door fermentatie en genereren vetzuren met een korte keten (SCFA) zoals azijnzuur, boterzuur en propionzuur. Deze SCFA’s versterken de antibacteriële immuunrespons van de gastheer door de pH van de maag te verlagen en de groei van schadelijke ziekteverwekkers zoals Clostridium difficile te remmen (Ouyang et al 2022). Clostridium difficile is een opportunistische diarreeziekteverwekker die wereldwijd verantwoordelijk is voor een aanzienlijke morbiditeit en mortaliteit die vaak wordt veroorzaakt door antibioticabehandelingen (Gregory et al 2021).
De voedingsmiddelen die verhoogde SCFA-niveaus ondersteunen zijn voedingspolyfenolen, fructo-oligosachariden en onverteerbare koolhydraten en vezels zoals inuline, resistent zetmeel, gommen en pectines. Bovendien produceren veel inheemse en voorbijgaande bacteriën in onze darmmicrobiomen kleine hoeveelheden antibacteriële moleculen die bacteriocines worden genoemd (bijv. microcins, enterocins en staphylococcins) die in staat zijn om specifieke koloniserende ziekteverwekkers te elimineren (Heilbronner et al 2021). SCFA helpt ook de integriteit van de darmepitheelcellen te behouden.
Het verstoorde evenwicht van micro-organismen of de afbraak van de slijmvliesbarrière verhoogt de doorlaatbaarheid van het epitheel in een proces dat dysbiose wordt genoemd. Helaas verergert darmdysbiose meerdere auto-immuunziekten, waaronder reumatoïde artritis, multiple sclerose en coeliakie (Chang en Choi 2023; Chen en Vitetta 2021). Een gezond darmmicrobioom helpt enorm om de homeostase in je lichaam te behouden en ondersteunt een goed functionerend immuunsysteem.
Vitaminen en giftige stoffen
Specifieke vitamines, die essentieel zijn voor onze gezondheid, worden alleen aangemaakt in ons darmmicrobioom. De meeste vitamines moeten exogeen worden geleverd door externe bronnen. Vitamines zitten in verschillende voedingsmiddelen, maar dat betekent dat er tekorten kunnen ontstaan door slechte voeding.
Onverwacht kan ons darmmicrobioom vitamines de novo (vanaf het begin) synthetiseren, vooral meer dan 30% van vitamine K en vitamines uit de B-groep zoals riboflavine, niacine en cobalamine (Nysten en Dijick 2023). Vitamine K is nodig voor botten, cognitieve functies en de gezondheid van het hart, en vitamine B-groepen zijn nodig voor een goede algehele gezondheid en hebben invloed op het energieniveau, de hersenfunctie en de celstofwisseling.
Vitamines zijn essentieel voor onze gezondheid, maar andere chemische stoffen zijn zeer schadelijk voor ons. We worden voortdurend gebombardeerd met xenobiotica (chemische stoffen die normaal niet voorkomen in de omgeving van levende organismen), van door de mens veroorzaakte vervuiling tot voedseladditieven en pesticiden. Zonder het metabolisme van ons darmmicrobioom zouden veel xenobiotica toxische concentraties bereiken (Croom 2012). Door de genetische diversiteit bevat een gezonde darm een krachtig metaboliserend vermogen om een groot aantal xenobiotica te biotransformeren, veel meer dan ons eigen metabolische potentieel (Dikeocha et al 2022; Abdelsalam et al 2020).
Darm-hersenverbinding
Je hersenen en je darmmicrobioom zijn voortdurend met elkaar in gesprek via miljoenen zenuwcellen. De darm-hersenverbinding is de biochemische signalering die plaatsvindt tussen de bacteriën in je maag-darmkanaal en je centrale zenuwstelsel. De biochemische signalen worden geïnitieerd door neurotransmitters (Reynoso-Garcia et al 2022) zoals SCFA’s (Obata en Pachnis 2016), 5-hydroxytryptamine (5-HT, serotonine), γ-aminoboterzuur (GABA; Pokusaeva et al 2017), en hormonen zoals cortisol (Valles-Colomer et al 2019). Samen beïnvloeden de darm en de hersenen direct of indirect emotie, cognitie en de pathofysiologie van hersenaandoeningen.
Zo wordt 95% van onze neurotransmitter serotonine aangemaakt in onze darmen, die emoties reguleren (d.w.z. stemming, slaap, spijsvertering, misselijkheid, genezing, botgezondheid, bloedstolling en seksueel verlangen; Terry en Margolis 2017). Andere neuropsychiatrische ziekten zoals depressieve stoornissen zijn ook gerelateerd aan darmdysbiose. Over het algemeen zorgt een afname van Bacillota-bacteriën voor een afname van SCFA’s bij depressie, waardoor de darmbarrière wordt aangetast (Huang et al 2018). Verder waren de niveaus van bifidobacteriën ook verlaagd bij depressie en de herintroductie van probiotische soorten zoals Bifidobacterium longum en Bifidobacterium breve verminderde depressief gedrag en verhoogde de secretie van 5-hydroxytryptofaan en butyraat (Tian et al 2019).
Uiteindelijk, als we een buikgevoel hebben, vlinders in onze buik, of we vertrouwen op ons buikgevoel, luisteren we voor een deel naar de wisselwerking tussen je darmmicrobioom en je hersenen.
Samen met onze darmmicrobiomen vormen we een “superorganisme”. We zijn afhankelijk van elkaar. Met triljoenen cellen, duizenden verschillende soorten en een relatief onbeperkte genfunctie, vervult ons darmmicrobioom essentiële dagelijkse functies in ons leven die we enorm onderschatten. We moeten ons microbioom waarderen en koesteren zodat we optimaal kunnen profiteren van onze gezondheidscentra.
Over de auteur
Zach Aanderud heeft een Ph.D. en is hoogleraar microbiële ecologie en biogeochemie aan de Brigham Young University. Hij is geboren en getogen in Portland, Oregon, en volgde een opleiding aan de BYU, de University of California Davis en de Michigan State University.
Referenties
Abdelsalam NA et al (2020) Toxicomicrobiomics: het humane microbioom versus farmaceutische, voedings- en omgevingsxenobiotica. Front Pharmacol 11. DOI: 10.3389/fphar.2020.00390
Amon P en Sanderson I (2017) Wat is het microbioom. Arch Dis Child Educ Pract Ed 102:258-261. DOI: 10.1136/archdischild-2016-311643
Bäckhed F et al (2005) Gastheer-bacterieel mutualisme in de menselijke darm. Science 307: 1915-20. DOI: 10.1126/wetenschap.1104816
Chang S en Choi Y (2023) Darmdysbiose bij auto-immuunziekten: associatie met mortaliteit. Front Cell Infect Microbiol 31. DOI: 10.3389/fcimb.2023.1157918
Chen J en Vitetta L (2021) Intestinale dysbiose bij coeliakie: verminderde buyturaatproductie kan het begin van de ziekte vergemakkelijken. PNAS 118: 41 e2113655118. DOI: 10.1073/pnas.2113655118
Croom E (2012) Metabolisme van xenobiotica in de menselijke omgeving. Prog Mol Biol Transl Sci 112: 31-88. DOI: 10.1016/B978-0-12-415813-9.00003-9
Dikeocha IJ et al (2022) Pharmacomicrobiomics: invloed van darmmicrobiota op het metabolisme van geneesmiddelen en xenobiotica. FASEB 36:6. DOI: 10.1096/fj.202101986R
Gregory AL, Pensinger DA, Hryckowian AJ (2021) Een korte keten vetzuur-centrische kijk op Clostridioides difficile pathogenese. PLoS Pathog 17: 10 e1009959. DOI 10.1371/journal.ppat.1009959
Heilbronner S et al (2021) De microbioomvormende rollen van bacteriocinen. Nature Reviews Microbiology 19: 726-739. DOI: 10.1038/s41579-021-00569-w
Huang Y et al (2018). Mogelijke associatie van Firmicutes in de darmmicrobiota van patiënten met depressieve stoornis. Neuropsychiatr Dis Treat 14: 3329-3337. DOI: 10.2147/NDT.S188340
Juge N (2022) Relatie tussen slijmvlies-geassocieerde darmmicrobiota en ziekte bij de mens. Biochem Soc Trans 50(5): 1225-1236. DOI: 10.1042/BST20201201
Knudsen JK et al. (2021) Transplantatie van fecale microbiota van patiënten met depressie of gezonde mensen in ratten moduleert stemmingsgerelateerd gedrag. Sci Rep 11: 21869. DOI: 10.1038/s41598-021-01248-9
LeBlanc et al (2013) Bacteriën als vitamineleveranciers voor hun gastheer: een darmmicrobiotaperspectief. Actuele opinie Biotech 24: 2. DOI: 10.1016/j.copbio.2012.08.005
Obata Y en Pachnis V (2016) Het effect van microbiota en het immuunsysteem op de ontwikkeling en organisatie van het enterisch zenuwstelsel. Gastroenterologie 151: 836-844. DOI: 10.1053/j.gastro.2016.07.044
Ouyang Z et al. (2021) De rol van korte-keten vetzuren in Clostridioides difficie infectie: Een overzicht. Anaerobe 75: 102585 DOI: 10.1016/j.anaerobe.2022.102585
Pokusaeva K, et al (2017). GABA-producerende Bifidobacterium dentium moduleert viscerale gevoeligheid in de darm. Neurogastroenterol Motil 29: e12904. DOI: 10.1111/nmo.12904
Reynoso-Garcia et al (2022) Een complete gids voor menselijke microbiomen: Lichaamsniches, transmissie, ontwikkeling, dysbiose en herstel. Front Syst Biol 2. DOI: 10.3389/fsysb.2022.951403
Rinninella E et al (2019). Wat is de samenstelling van een gezonde darmmicrobiota? Een veranderend ecosysteem voor leeftijd, milieu, voeding en ziekten. Micro-organismen 7: E14. DOI: 10.3390/microorganisms7010014
Savage DC (1977) Microbiële ecologie van het maagdarmkanaal. Annu Rev Microbiol 31:107-33. DOI: 10.1146/annurev.mi.31.100177.000543
Sekirov I, Russell SL, Antunes LC, Finlay BB (2019) Darmmicrobiota in gezondheid en ziekte. Physiol. Rev. 90:859-904. DOI: 10.1152/physrev.00045.2009.
Sender et al. (2016) Herziene schattingen voor het aantal menselijke en bacteriële cellen in het lichaam. PLOS Biol 14:e1002533. DOI: 10.1371/journal.pbio.1002533
Valles-Colomer, M., Falony, G., Darzi, Y., Tigchelaar, E. F., Wang, J., Tito, R. Y., et al. (2019). Het neuroactieve potentieel van de darmmicrobiota bij levenskwaliteit en depressie. Nat. Microbiol. 4, 623-632. doi:10.1038/s41564-018-0337-x
Terry N en Margolis KG (2017) Serotonerge mechanismen die het maag-darmkanaal reguleren: experimenteel bewijs en therapeutische relevantie. Handb Exp Pharmacol 239: 319-342. DOI: 10.1007/164_2016_103
Tian P et al. (2019) Inname van Bifidobacterium longum subspecies infantis stam CCFM687 reguleert emotioneel gedrag en de centrale BDNF pathway in chronisch stress-geïnduceerde depressieve muizen door het opnieuw vormen van de darmmicrobiota. Food Funct 10: 7588-7598. DOI: 10.1039/c9fo01630a
