Tarmmikrobiomøkologi

Av: Zach Aanderud Ph.D.

Denne artikkelen beskriver den grunnleggende økologien til tarmmikrobiomet. Fremhever de tre mest betydelige fordelene med tarmmikrobiomet ditt, inkludert beskyttelse mot hjerne-tarmmikrobiomkjemikalier

I hver av tykktarmene våre bor det billioner av mikroorganismer som til sammen skaper et støtteorgan i sentrum av helsen vår kalt tarmmikrobiomet. Tarmen vår huser den høyeste tettheten av mikroorganismer, som hovedsakelig tilhører bakterier, men også sopp, archaea og protister, fra ethvert biom eller mikrobiom på jorden. Over 5000 forskjellige arter av mikroorganismer som veier omtrent 2 kg eller 4,4 lbs – nesten dobbelt så tunge som hjernen vår – lever inne i fordøyelseskanalen vår (Bäckhed et al 2005; Sekirov et al 2009; Sender et al 2016). Vi er selv like deler av bakterier og mennesker, med celletallet i mikrobiomet vårt likt med våre egne celler.

Videre, hvis vi undersøker genene som er ansvarlige for aktiviteten, kan tarmmikrobiotaen vår uttrykke ≥ 100 ganger flere gener enn vårt eget genom med 3,3 millioner unike kodende gener sammenlignet med de 23 000 genene i hele vårt menneskelige genom (Amon og Sanderson 2017) .

Men før vi fokuserer på de mange forskjellige og essensielle funksjonene på grunn av vårt genetiske mangfold av tarmmikrobiomer, må vi diskutere økologien til fordøyelseskanalene våre. På et basalt nivå skjer fordøyelsen vår i et økosystem der levende (dvs. mage-tarmkanalen vår, tarmmikrobiom) og ikke-levende komponenter (dvs. maten vi spiser) samhandler. La oss bryte ned hver enkelt av disse komponentene.

Mage-tarmkanalen

Selv om tilgjengeligheten av næringsstoffer er høyest proksimalt til absorpsjonssteder, inneholder magen og tynntarmen relativt små mengder mikroorganismer. Antall mikrobielle er begrenset i disse områdene på grunn av den lave pH-verdien i mageinnholdet, den mikrobielle toksisiteten til gallesaltene og den relativt raske flyten av fordøyelsen. Oppover 90 % av fordøyelsen skjer på disse stedene med relativt høye konsentrasjoner av oksygen (Rinninella et al 2019).

I motsetning til dette beholder tykktarmen i den distale enden av mage-tarmkanalen og fortsetter å fordøye maten din seks ganger lenger enn tynntarmen og utfører flere andre tjenester for oss i et miljø med lite oksygen. Inne i tarmen din danner tarmepitelcellene et lag eller luminal overflate eller slimhinne i mage-tarmkanalen. Dette laget har to hovedfunksjoner: absorberer nyttige stoffer i kroppen og begrenser inntreden av skadelige stoffer eller mikroorganismer. For å utføre disse oppgavene på en hensiktsmessig måte, genererer tarmepitelceller en tarmslimhinnebarriere av tarmslimhinnen mellom kroppen og tarmen som forhindrer ukontrollert translokasjon av luminalt innhold inn i kroppen på riktig måte og huser bakterier i tykktarmen.

Tarmmikrobiom

Over 99 % av tarmmikrobiomet vårt er plassert i tykktarmen med bakterier som enten er slimhinne-assosierte bakterier som har en langsiktig innvirkning på immunforsvaret og metabolsk helse på grunn av nærheten til epitelet (Juge 2022), eller mer forbigående fri. -levende bakterier som passerer gjennom tykktarmene våre daglig. Bakteriene som okkuperer en nisje i slimhinnen, er ekte innbyggere i tykktarmen vår, mens de frittlevende bakteriene bare «haiker» gjennom tarmene våre. I tykktarmen, et miljø med lite oksygen, vil du finne anaerobe bakterier dominert av bakteriefilene Bacillota (tidligere Firmicutes), Bacteroidota, Actinomycetota og Psuedomonadota (tidligere Proteobacteria) og slekter Bacteroides, Clostridium, Faecalibacterium, Eubacterium, Ruminococcus, Peptococcus, Peptostrptococcus og Bifidobacterium (Rinninella et al 2019) . Andre slekter som Escherichia og Lactobacillus er til stede i mindre grad.

Din mat

Til syvende og sist er 60 % av den tørre massen av avføringen vår tarmmikrobiombakterier. Karbon- og energibehovet til det enorme antallet bakterier i tarmen vår dekkes av flere kilder: komplekse diettpolyfenoler, fordøyelige fibre, andre karbohydrater, proteiner og fett som har unnsluppet fordøyelsen, komponenter av vertssekret (muciner) og utslettet epitel. celler. Den forbløffende graden av bakteriemangfold i tykktarmen indikerer et mangfold av økologiske nisjer som skapes ikke bare av vår egen fysiologi, men også gjennom utviklingen av komplekse næringsnett der biproduktene til én bakterie kan bli substratet for andre bakterier (Walter 2008) ). Kostholdet vårt bestemmer hvilke typer mat som bidrar til å diversifisere mikrobiomet vårt.

Tarmmikrobiomet gir en mengde essensielle helsefordeler, og denne artikkelen vil fremheve tre – å styrke immunforsvaret vårt, generere vitaminer/bekjempe giftstoffer og generere nevrotransmittere som påvirker vår mentale velvære.

Immunforsterkning

Et sunt tarmmikrobiom er et enormt løft for immunsystemet ditt, eller det komplekse nettverket av organer, celler og proteiner som forsvarer kroppen vår mot infeksjon. De bakterielle beboerne i tykktarmene våre endrer tarmkjemien, okkuperer hele plassen i tarmen og skiller ut antimikrobielle proteiner unntatt potensielle patogener. Bakteriene i tarmene våre metaboliserer mat gjennom gjæring og genererer kortkjedede fettsyrer (SCFA) som eddiksyre, smørsyre og propionsyre. Disse SCFA-ene forbedrer vertens antibakterielle immunrespons ved å senke mage-pH og hemme veksten av skadelige patogener som Clostridium difficile (Ouyang et al 2022) . Clostridium difficile er et opportunistisk diarépatogen som er ansvarlig for betydelig sykelighet og dødelighet over hele verden, ofte indusert av antibiotikabehandlinger (Gregory et al 2021).

Maten som støtter økte nivåer av SCFA er diettpolyfenoler, frukto-oligosakkarider og ufordøyelige karbohydrater og fibre som inulin, resistent stivelse, tannkjøtt og pektiner. Videre produserer mange fastboende og forbigående bakterier i våre tarmmikrobiomer små mengder antibakterielle molekyler kalt bakteriociner (f.eks. mikrociner, enterociner og stafylokokker) som har kapasitet til å eliminere spesifikke koloniserende patogener (Heilbronner et al 2021). SCFA bidrar også til å opprettholde integriteten til tarmepitelcellene.

Ubalansen av mikroorganismer eller nedbrytningen av slimhinnebarrieren øker tarmpermeabiliteten til epitel i en prosess som kalles dysbiose. Dessverre forverrer tarmdysbiose flere autoimmune sykdommer, inkludert revmatoid artritt, multippel sklerose og cøliaki (Chang og Choi 2023; Chen og Vitetta 2021). Et sunt tarmmikrobiom bidrar dramatisk til å opprettholde homeostase i kroppen din og støtter et godt fungerende immunsystem.

Vitaminer og giftstoffer

Spesifikke vitaminer, essensielle for helsen vår, genereres bare i tarmmikrobiomene våre. De fleste vitaminer må tilføres eksogent fra eksterne kilder. Vitaminer finnes i ulike matvarer, men det betyr at mangler kan oppstå på grunn av dårlig kosthold.

Uventet kan tarmmikrobiomet vårt syntetisere vitaminer de novo (fra begynnelsen), spesielt oppover 30 % av vitamin K og vitaminer i B-gruppen som riboflavin, niacin og kobalamin (Nysten og Dijick 2023). Vitamin K er nødvendig for bein, kognitiv og hjertehelse, og vitamin B-grupper er nødvendige for å opprettholde generell god helse, påvirke energinivået, hjernefunksjonen og cellemetabolismen.

Vitaminer er avgjørende for helsen vår, men andre kjemiske stoffer er ekstremt skadelige for oss. Vi blir konsekvent bombardert med fremmedfrykt (dvs. kjemiske stoffer som ikke normalt finnes i miljøet til levende organismer) fra menneskeskapt generert forurensning til mattilsetningsstoffer og plantevernmidler. Uten vår mikrobiommetabolisme i tarmen, ville mange fremmedlegemer nå giftige konsentrasjoner (Croom 2012). På grunn av det genetiske mangfoldet inneholder en sunn tarm en kraftig metaboliserende kapasitet til å biotransformere et mylder av fremmedlegemer som langt overgår vårt eget metabolske potensial (Dikeocha et al 2022; Abdelsalam et al 2020).

Forbindelse mellom tarm og hjerne

Hjernen din og tarmmikrobiomet er i en kontinuerlig samtale gjennom millioner av nerveceller. Tarm-hjerne-forbindelsen er den biokjemiske signaleringen som oppstår mellom bakteriene som lever i mage-tarmkanalen og sentralnervesystemet. De biokjemiske signalene initieres av nevrotransmittere (Reynoso-Garcia et al 2022) som SCFA (Obata og Pachnis 2016), 5-hydroksytryptamin (5-HT, serotonin), γ-aminosmørsyre (GABA; Pokusaeva et al 2017), og hormoner som kortisol (Valles-Colomer et al 2019). Sammen påvirker tarmen og hjernen direkte eller indirekte følelser, kognisjon og patofysiologi ved hjernesykdommer.

For eksempel genereres 95 % av nevrotransmitteren vår serotonin i tarmen vår, som regulerer følelser (dvs. humør, søvn, fordøyelse, kvalme, helbredelse, beinhelse, blodpropp og seksuell lyst; Terry og Margolis 2017). Andre nevropsykiatriske sykdommer som depressive lidelser er også relatert til tarmdysbiose. Generelt står en reduksjon i Bacillota-bakterier for en nedgang i SCFA med depresjon, som påvirker tarmbarrieren (Huang et al 2018). Videre ble nivåene av bifidobakterier også redusert ved depresjon, og gjeninnføringen av probiotiske arter som Bifidobacterium longum og Bifidobacterium breve reduserte depressiv atferd og økte utskillelsen av 5-hydroksytryptofan og butyrat (Tian et al 2019).

Til syvende og sist, når vi har en magefølelse, sommerfugler i magen, eller vi stoler på tarmen vår, lytter vi delvis til krysstalen mellom tarmmikrobiomet og hjernen.

Sammen med våre tarmmikrobiomer danner vi en «superorganisme». Vi er avhengige av hverandre. Med billioner av celler, tusenvis av forskjellige arter og relativt ubegrenset genfunksjon, utfører tarmmikrobiomene viktige daglige funksjoner i livene våre som vi undervurderer enormt. Vi må sette pris på og pleie mikrobiomene våre slik at vi kan dra full nytte av helsesentrene våre.

om forfatteren

Zach Aanderud har en Ph.D. og er professor i mikrobiell økologi og biogeokjemi ved Brigham Young University. Han er født og oppvokst i Portland, Oregon, og ble utdannet ved BYU, University of California Davis og Michigan State University.

Referanser

Abdelsalam NA et al (2020) Toxicomicrobiomics: det menneskelige mikrobiomet vs. farmasøytiske, kostholdsmessige og miljømessige xenobiotika. Front Pharmacol 11. DOI: 10.3389/fphar.2020.00390

Amon P og Sanderson I (2017) Hva er mikrobiomet. Arch Dis Child Educ Practice Ed 102:258-261. DOI: 10.1136/archdischild-2016-311643

Bäckhed F et al (2005) Vertsbakteriell gjensidighet i den menneskelige tarmen. Science 307: 1915-20. DOI: 10.1126/science.1104816

Chang S og Choi Y (2023) Tarmdysbiose i autoimmune sykdommer: assosiasjon med dødelighet. Frontcelle infiserer Microbiol 31. DOI: 10.3389/fcimb.2023.1157918

Chen J og Vitetta L (2021) Intestinal dysbiose ved cøliaki: redusert buyturatproduksjon kan lette utbruddet av sykdommen. PNAS 118: 41 e2113655118. DOI: 10.1073/pnas.2113655118

Croom E (2012) Metabolisme av xenobiotika i menneskelige miljøer. Prog Mol Biol Transl Sci 112: 31-88. DOI: 10.1016/B978-0-12-415813-9.00003-9

Dikeocha IJ et al (2022) Pharmacomicrobiomics: innflytelse av tarmmikrobiota på legemiddel- og xenobiotisk metabolisme. FASEB 36:6. DOI: 10.1096/fj.202101986R

Gregory AL, Pensinger DA, Hryckowian AJ (2021) Et kortkjedet fettsyresentrisk syn på Clostridioides difficile patogenese. PLoS Pathog 17: 10 e1009959. DOI 10.1371/journal.ppat.1009959

Heilbronner S et al (2021) De mikrobiomformende rollene til bakteriociner. Nature Reviews Microbiology 19: 726-739. DOI: 10.1038/s41579-021-00569-w

Huang Y et al (2018). Mulig assosiasjon av Firmicutes i tarmmikrobiotaen til pasienter med alvorlig depressiv lidelse. Neuropsychiatr Dis Treat 14: 3329–3337. DOI: 10.2147/NDT.S188340

Juge N (2022) Forholdet mellom slimhinne-assosiert tarmmikrobiota og menneskelig sykdom. Biochem Soc Trans 50(5): 1225-1236. DOI: 10.1042/BST20201201

Knudsen JK et al (2021) Fekal mikrobiotatransplantasjon fra pasienter med depresjon eller friske individer til rotter modulerer humørrelatert atferd. Sci Rep 11: 21869. DOI: 10.1038/s41598-021-01248-9

LeBlanc et al (2013) Bakterier som vitaminleverandører til verten deres: et tarmmikrobiotaperspektiv. Nåværende mening Biotech 24: 2. DOI: 10.1016/j.copbio.2012.08.005

Obata Y og Pachnis V (2016) Effekten av mikrobiota og immunsystemet på utviklingen og organiseringen av det enteriske nervesystemet. Gastroenterology 151: 836–844. DOI: 10.1053/j.gastro.2016.07.044

Ouyang Z et al (2021) Rollen til kortkjedede fettsyrer i Clostridioides difficie- infeksjon: En gjennomgang. Anaerobe 75: 102585 DOI: 10.1016/j.anaerobe.2022.102585

Pokusaeva K, et al (2017). GABA-produserende Bifidobacterium dentium modulerer visceral følsomhet i tarmen. Neurogastroenterol Motil 29: e12904. DOI: 10.1111/nmo.12904

Reynoso-Garcia et al (2022) En komplett guide til menneskelige mikrobiomer: Kroppsnisjer, overføring, utvikling, dysbiose og restaurering. Front Syst Biol 2. DOI: 10.3389/fsysb.2022.951403

Rinninella E et al (2019). Hva er den sunne tarmmikrobiotasammensetningen? Et økosystem i endring på tvers av alder, miljø, kosthold og sykdommer. Mikroorganismer 7: E14. DOI: 10.3390/mikroorganismer7010014

Savage DC (1977) Mikrobiell økologi i mage-tarmkanalen. Annu Rev Microbiol 31:107-33. DOI: 10.1146/annurev.mi.31.100177.000543

Sekirov I, Russell SL, Antunes LC, Finlay BB (2019) Tarmmikrobiota i helse og sykdom. Physiol. Rev. 90:859–904. DOI: 10.1152/physrev.00045.2009.

Sender et al (2016) Reviderte estimater for antall menneske- og bakterieceller i kroppen. PLOS Biol 14:e1002533. DOI: 10.1371/journal.pbio.1002533

Valles-Colomer, M., Falony, G., Darzi, Y., Tigchelaar, EF, Wang, J., Tito, RY, et al. (2019). Det nevroaktive potensialet til den menneskelige tarmmikrobiotaen i livskvalitet og depresjon. Nat. Microbiol. 4, 623–632. doi:10.1038/s41564-018-0337-x

Terry N og Margolis KG (2017) Serotonergiske mekanismer som regulerer GI-kanalen: Eksperimentell bevis og terapeutisk relevans. Handb Exp Pharmacol 239: 319-342. DOI: 10.1007/164_2016_103

Tian P et al (2019) Inntak av Bifidobacterium longum-underarten infantis -stamme CCFM687 regulerte emosjonell atferd og den sentrale BDNF-veien i kronisk stressinduserte depressive mus gjennom å omforme tarmmikrobiotaen. Matfunksjon 10: 7588–7598. DOI: 10.1039/c9fo01630a