Parengta pagal Turroni F., Ventura M., Buttó L.F. et al. Molecular dialogue between the human gut microbiota and the host: a Lactobacillus and Bifidobacterium perspective. Cellular and Molecular Life Sciences 2013. DOI 10.1007/s00018-013-1318-0.
Įvadas
Žmogaus žarnyne egzistuoja didelė ekosistema, kurią sudaro įvairūs mikroorganizmai, turintys įtakos žmogaus fiziologijai, imuninei sistemai, bendrai sveikatos būklei. Tarp daugybės mikroorganizmų dalis jų yra išskirtinai svarbūs sveikatai ir veikia kaip probiotikai. Probiotikai – tai išgrynintos žarnyno bakterijos, pritaikytos vartoti, siekiant užtikrinti normalią žarnyno mikroflorą. Genetikai nustatinėja naujas probiotikų panaudojimo galimybes, aiškindamiesi, kaip žarnyno mikroflora veikia žmogaus fiziologiją ir imuninę sistemą.
Šiame straipsnyje, atkreipdami dėmesį į bifidobakterijas ir laktobacilas, apžvelgsime jau dabar žinomus ryšius tarp žmogaus žarnyno ir jo mikrofloros.
Žmogaus žarnyno mikroflora
Žmogaus žarnyną yra kolonizavusios įvairios bakterijos, kurių kiekis gerokai didesnis už somatinių ir germinacinių žmogaus ląstelių kiekį. Naujausiomis technologijomis nustatyta, kad visame virškinimo trakte yra įvairių rūšių bakterijų, šimtai rūšių ant odos, tūkstančiai – burnos ertmėje ir žarnyne. Žarnyno bakterijos turi įtakos žmogaus fiziologijai, imuninės sistemos funkcionavimui, mitybai. Simbiotinis ryšys tarp žarnyno mikrofloros ir žmogaus organizmo yra ilgai besivystęs procesas, kuris svarbus dėl vykstančių metabolinių procesų ir kitų reikšmingų veiksnių tiek bakterijoms, tiek žmogaus organizmui.
Veiksniai, sutrikdantys žarnyno mikrofloros pusiausvyrą, gali būti labai įvairūs – nutukimas, visą gyvenimą trunkančios ar sunkios ligos, pavyzdžiui, uždegiminės žarnyno ligos, storosios žarnos vėžys, sukeliančios žarnyno disbiozę. Nustatyta, kad žarnyno mikrofloros pusiausvyra yra labai svarbi bendrajai ir žarnyno sveikatai.
Remiantis Pasaulio sveikatos organizacijos ir Jungtinių Amerikos Valstijų maisto ir vaistų administracijos kriterijais, probiotikai yra mikroorganizmai, gaminami kaip maisto papildai, galintys pagerinti sveikatos būklę. Šiuo metu probiotikams gaminti dažnai naudojamos Lactobacilus ir Bifodobacterium. Abiejų genčių bakterijos yra įprastinė žarnyno mikroflora. Manoma, kad probiotikai įvairiomis atliekamomis funkcijomis turi teigiamos įtakos žmogaus sveikatai. Šios funkcijos skiriamos į kelias grupes – gebėjimas stiprinti žarnyno gleivinės barjerą, skatinti imuninės sistemos atsaką į uždegimą ir veikti antagonistiškai patogenus, gaminant antimikrobines medžiagas arba konkurencingai jungiantis su žarnyno gleivinėje esančiais receptoriais, neleidžiant prisijungti patogeninėms bakterijoms.
Siekiant išsiaiškinti probiotikų veikimo mechanizmus, kuriais šios bakterijos turi įtakos žmogaus sveikatai, atliekama daugybė mokslinių tyrimų. Tokios analizės vadinamos probiogenomika. Tiriami įvairūs genai, baltymai, metabolinės medžiagos, norint suprasti probiotikų ir mikrofloros, tarpusavio įvairių bakterijų ir mikroorganizmų bei žmogaus ryšius.
Laktobacilos ir bifidobakterijos
Žarnyne skaičiuojami trilijonai bakterijų, kurios skirstomos į 5 rūšis: Firmicutes, Bacteroidetes, Actinobacteria, Proteobacteria ir Fusobacteria. Jų koncentracija žarnyne yra įvairi. Suaugusio žmogaus žarnyne vyraujanti bakterijų rūšis yra Firmicutes, retkarčiais net iki 90 proc. visų esančių bakterijų. Vaikų žarnyne yra mažiau rūšių bakterijų, vyrauja Actinobacteria ir bifidobakterijos. Mikroorganizmų rūšių pasiskirstymas priklauso nuo įvairių veiksnių – pH, tulžies rūgšties, peristaltikos aktyvumo, gleivių, aplinkos veiksnių – mitybos ir medikamentų ir pačių mikroorganizmų – adhezijos galimybių, bakterijų išskiriamų fermentų, metabolinio aktyvumo, baktericidinių medžiagų gamybos.
Tik gimusio žmogaus žarnynas yra sterilus, tačiau iškart po gimimo jis greitai kolonizuojamas. Natūralūs mikroorganizmų šaltiniai – mamos gimdymo takai, aplinkos veiksniai.
Nustatyta daug veiksnių, kurie atsakingi už mikrofloros skirtumus tarp vaikų ir suaugusiųjų – gyvenimo būdas, aplinka, mityba, gestacinis amžius, gydymas antibiotikais. Gimdymo kelias taip pat turi didelės įtakos – gimstant natūraliais gimdymo keliais dominuoja laktobacilos. Tai rodo, kad laktobacilos yra kolonizavusios sveikos moters urogenitalinę sistemą ir tai yra normali mikroflora. Didelę dalį su laktobacilomis sudaro ir bifidobakterijos, kurios vyrauja normaliai žindytų vaikų žarnyne.
Kitas svarbus mikroorganizmų natūralus šaltinis yra žmogaus pienas. Nustatyta, kad jame esantys oligosacharidai yra labai svarbūs vystantis vaiko žarnyno mikroflorai.
Žarnyno mikroflora yra svarbi skaidant polisacharidus, glikozaminoglikanus, apsaugo žarnyną nuo patogeninių mikroorganizmų. Normalios žarnyno mikrofloros gaminami elementai reikalingi ir žmogaus imuninės sistemos vystymuisi. Įrodyta, kad žarnyno mikroflora yra svarbi IgA gamybai, taip pat T ląstelių populiacijai. In vitro įrodyta, kad laktobacilos gali skatinti žmogaus imuninės sistemos atsaką aktyvinant T ląsteles ir slopinant uždegimą. Taip pat įrodyta, kad žmogaus žarnyno bakterijos gamina medžiagas, kurios skatina imuninės sistemos atsaką ir apsaugo nuo uždegimo. Mokslininko Mazmaniano komanda iškėlė hipotezę, kad žmogaus genomas nekoduoja visų būtinų imuninės sistemos vystymosi grandžių, tai gali priklausyti nuo žarnyno mikrofloros gaminamų metabolitų. Ši hipotezė padėjo atrasti pagrindines mikroorganizmų molekules, tokias kaip kapsulės polisacharidus, kurie svarbūs imuninei sistemai.
Žarnyno mikroflora svarbi ir vitaminų gamybai, tulžies rūgščių metabolizmui. Pagrindinės trumpųjų grandinių riebalų rūgštys gaminamos iš mikroorganizmų išskiriamų elementų žarnyne. Butiratas yra vienas pagrindinių epitelinių ląstelių energijos šaltinių.
Žarnyno mikroflora ir ligos
Keliuose tyrimuose ištirtas galimas ryšys tarp žarnyno mikrofloros sudėties ir įvairių ligų, tokių kaip nekrotizuojantis enterokolitas, 1 ir 2 tipo cukrinis diabetas, dirgliosios žarnos sindromas, atopinės ligos, alergijos ir storosios žarnos vėžys. Šių ligų patogenezėje svarbi disbiozė, kuri apibūdinama kaip mikrofloros pusiausvyros sutrikimas, lemiantis metabolinius pokyčius ir sutrikdytus bakterijų tarpusavio ryšius. Manoma, kad yra daug veiksnių, galinčių sukelti mikrofloros pasikeitimus virškinimo trakte – antibiotikų vartojimas, psichologinis stresas, radiacija, sutrikusi žarnyno peristaltika, mitybos įpročiai.
Aptarsime keletą pagrindinių ligų, kurių patogenezėje yra svarbi disbiozė.
Autoimuninės ligos
Autoimuninės ligos vystosi, kai žmogaus imuninė sistema atakuoja ir pažeidžia organizmo savas ląsteles ir audinius, pavyzdžiui, 1 tipo cukrinis diabetas, celiakija, uždegiminės žarnyno ligos, alerginė astma. Daugelio šių ligų tiksli etiologija vis dar nėra žinoma, tačiau manoma, kad disbiozė gali būti reikšmingas patogenezinis veiksnys. Celiakija yra plonojo žarnyno uždegiminė liga, kai sutrinka baltymų skaidymas. Išmatų mikrofloros analizė parodė reikšmingai sumažėjusius bifidobakterijų, Clostridium histolyticum, C. lituseburense ir Faecalibacterium prausnitzii kiekius, o padidėjusius Bacteroides / Prevotella rūšių kiekius.
1 tipo cukrinis diabetas – tai insulino trūkumas, nulemtas imuninio kasos beta ląstelių pažeidimo, manoma, susijęs su aplinkos veiksniais. Tačiau tyrimuose su žiurkėmis nustatyta, kad žarnyno mikrofloros pasikeitimai turi reikšmingos įtakos 1 tipo cukrinio diabeto progresavimui.
Uždegiminės žarnyno ligos
Šiuo metu nėra visiškai aiškus genetinis polinkis sirgti uždegiminėmis žarnyno ligomis. Tyrimai su gyvūnais parodė, kad kliniškai nustatomas gleivinės uždegimas gali būti susijęs su imuninės sistemos nepakankamumu. Šie atradimai paskatino ieškoti žarnyno uždegiminių ligų etiologinių veiksnių. Nustatyta, kad gyvūno žarnyne bakterijos gali sukelti gleivinės uždegimą, ir tik tada pradeda vystytis kolitas. Kaip minėta anksčiau, manoma, kad disbiozė galėtų būti pagrindinė žarnyno uždegiminių ligų vystymosi priežastis. Esant aktyviai uždegiminei žarnyno ligai, nustatyta, kad sumažėja Clostridium leptum, Eubacterium ir bifidobakterijų. Taip pat nustatyta, kad žarnyno mikrofloros gaminamos medžiagos, tokios kaip butiratas, dalyvauja reguliuojant imuninę sistemą, kai sergama uždegiminėmis žarnyno ligomis.
Alerginės ligos ir žarnyno mikroflora
Vakarų pasaulyje alerginių ligų paplitimas vis didėja, be to, tai viena dažniausių lėtinių ligų grupių vaikystėje. Didėja sergamumas atopinėmis ligomis – alerginiu rinokonjunktyvitu, astma, atopine egzema. Šios ligos dažnai susijusios su 2 tipo T helperių ląstelių (Th2) citokinais IL-4, IL-5, IL-3, kurie skatina IgE gamybą. Nustatyta, kad pirmasis alergijos pasireiškimo kelias dažniausiai būna per virškinimo traktą – maisto alergija yra pagrindinė suaugusių žmonių problema, kurie serga atopine egzema. Pažeista žarnyno barjerinė funkcija leidžia lengviau į gleivinę patekti antigenams, kurie sukelia imuninės sistemos reakciją ir uždegiminių citokinų išsiskyrimą. Tai sukelia alergines reakcijas ir pažeidžia imuninę sistemą.
Esama hipotezių, kad didėjantis alerginių ligų paplitimas išsivysčiusiose šalyse yra susijęs su sumažėjusiais infekciniais veiksniais, kurie provokuotų imuninę sistemą ir imunoreguliacinius mechanizmus per žarnyno mikroflorą. Remiantis kita hipoteze, daugėja žarnyno mikrofloros pakitimų dėl dažnėjančio antibiotikų vartojimo ir netinkamos vaikų mitybos. Abiem atvejais reguliaciniai mechanizmai kontroliuoja Th2 atsaką, kuris susijęs su alerginėmis ligomis. Tačiau vis dar nėra žinoma, kokią įtaką disbiozei gali turėti ankstyvame amžiuje vartoti antibiotikai ar individuali genetika.
Keliuose tyrimuose tirta mikroflora vaikams, kurie serga alerginėmis ligomis. Nustatyta, kad sveiko organizmo žarnyne vyrauja bifidobakterijos.
Bifidobakterijos – sveika žarnyno mikroflora
Mokslininkas Tissieras su komanda praeitame šimtmetyje pirmą kartą išskyrė bifidobakterijas išmatų pasėlyje krūtimi maitintiems vaikams. Nuo pat pradžių bifidobakterijos domino mokslininkus dėl hipotezės, kad jos būtinos sveikam organizmui, tačiau reikėjo detalesnių molekulinių tyrimų. Atliktuose tyrimuose gauta duomenų apie bifidobakterijų poveikį žarnynui. Atrastos molekulės, kurias žmogaus žarnyne gamina būtent bifidobakterijos. Tyrinėjant gausybę bifidobakterijų rūšių, nustatyta, kad jų kolonizacija žarnyne ir metabolinis aktyvumas yra svarbūs normaliai žarnyno mikroflorai ir tai yra viena pagrindinių bakterijų žmogaus gyvenimo pradžioje. Mokslininkai tyrinėjo įvairias bifidobakterijų rūšis – B. longum ssp. longum, B. longum ssp. infantis, B. bifidum ir B. breve. Nustatyta, kad genetiškai šios bakterijos yra prisitaikiusios prie žmogaus žarnyno, išskiria medžiagas, reikalingas sėkmingai žarnyno kolonizacijai ir išgyvenimui jame. Vienas pavyzdžių yra augalų polisacharidai ir mucinas, kuriuos suskaidyti geba tik bifidobakterijos, o paties žmogaus išskiriami fermentai negeba. Tai yra vienas geriausių pavyzdžių, rodančių mikroorganizmų reikšmę mūsų sveikatai.
Glikanai ir glikoproteinai, kuriuos gamina žmogus, yra pagrindinis bakterijų energijos šaltinis, ypač distalinėje storosios žarnos dalyje, kurioje angliavandenių kiekis ribotas. Mucinas yra didelis polimeras, kuris padengia žarnyno gleivinę, suformuodamas pagrindinį gleivinę dengiantį sluoksnį, ir teikia pagrindines žmogaus organizmo gaminamas energijos medžiagas mikrobams. Nustatyta, kad B. bifidum genai atsakingi už mucino metabolizmą ir tam tikrų fermentų sintezę.
Kitas bifidobakterijų prisitaikymas prie žmogaus žarnyno yra skaidyti tam tikras medžiagas, esančias žmogaus piene. Nustatyta, kad B. longum ssp. infantis turi genus, koduojančius fermentų sintezę, kurie skirti skaidyti piene esančias medžiagas, taip pat dalyvauja šlapalo metabolizme. Šlapalas yra svarbus azoto šaltinis žmogaus piene ir tai gali atspindėti dar vieną adaptacijos mechanizmą gyventi specifinėje aplinkoje vaikų žarnyne.
Tolesni tyrimai parodė, kad bifidobakterijos gali išlikti stresinėje aplinkoje, kai padidėja rūgščių išsiskyrimas iš skrandžio, tulžies rūgščių kiekis žarnyne, esant osmotiniams pokyčiams. Šios bakterijos turi genetiškai nustatytus mechanizmus, kaip prisitaikyti nepalankiomis sąlygomis.
Kita svarbi mikrofloros dalis – laktobacilos
Priskaičiuojama apie 145 laktobacilų rūšys, kurios tarpusavyje skiriasi filogenetiškai, fenotipiškai, pagal atliekamas funkcijas. Laktobacilos, aptinkamos žmogaus žarnyne, yra L. acidophilus, L. casei, L. crispatus ir kt. Įdomu, kad laktobacilos nustatytos ir skrandyje, ir plonajame žarnyne. Dalis jų rūšių naudojamos kaip probiotikai. Šios bakterijos, kaip ir bifidobakterijos, taip pat turi įvairius adaptacijos išgyventi žarnyne mechanizmus, dalis jų geba daugintis ir išlikti pasitelkiant laktozę, dalis – cukrų sistemą, dalis jungiasi prie mucino. Nustatyta, kad laktobacilos koduoja fermentus, kurių atliekamos funkcijos leidžia šioms bakterijoms adaptuotis žarnyne. Vienas pavyzdžių – tulžies rūgščių hidrolazė, įvairios baktericidinės medžiagos.
Žarnyno gleivinė ir probiotikai
Kaip minėta, probiotikų bakterijos, žarnyne gamindamos specifines molekules, kurios gali būti metabolitai, baltymai, polisacharidai, kitos medžiagos, turinčios įtaką imuninei sistemai, atlieka įvairias funkcijas. Nustatyta, kad įgimta ir įgyta imuninė sistema storajame žarnyne yra susijusi su svarbiomis žarnyno funkcijomis, tokiomis kaip naudingųjų medžiagų absorbcija.
Anatomiškai žarnyno gleivinė sudaryta iš vienasluoksnio epitelio, po kuriuo yra lamina propria sluoksnis. Tai sterilus ir sudarytas iš įvairių imuninių ląstelių sluoksnis. Epitelį sudaro didelės stulpelinės ląstelės, kurių pagrindinė funkcija yra medžiagų absorbcija ir apsauginė funkcija nuo bakterijų. Epitelyje esančios Paneto ląstelės turi įtakos įgimtam imunitetui, kadangi geba gaminti antimikrobines medžiagas ir muciną, taip suformuodamos apsauginį gleivinės sluoksnį. Įgytas imunitetas žarnyno gleivinėse sudarytas iš limfoidinio audinio, susijusio su lamina propria, kurį sudaro B ląstelės, makrofagai, dendritinės ir T ląstelės.
Manoma, kad svarbiausias probiotikų veikimas yra per T ląsteles – T helperius ir reguliacines T ląsteles, kurios išskiria uždegiminėse reakcijose dalyvaujančius interleukinus. Makrofagų pagrindinė funkcija yra pašalinti patekusius patogenus, o dendritinės ląstelės dalyvauja tiek įgimtos, tiek įgytos imuninės sistemos reakcijose.
Taigi ryšys tarp žarnyno gleivinės, makrofagų, dendritinių ląstelių, žarnyno mikrofloros yra atsakingas už žarnyno imuninės sistemos vystymąsi. Šį procesą reguliuoja specifiniai receptoriai, kurie atpažįsta bakterijas, tarp jų ir probiotikus.
Bakterijų sienelės dalys ir probiotikai
Manoma, kad probiotikai turi specifines molekules, kurios dengia arba susijungia su mikrobų ląstelėmis. Nustatyta, kad sienelėse esančių makromolekulių struktūra gali tiesiogiai jungtis su žinduolių ląstelėmis ir atlikdamos savo funkcijas turėti teigiamos įtakos sveikatai. Šios mikrobų ekstraceliulinės molekulės yra: polisacharidai, peptidoglikanai, kapsulės polisacharidai, fimbrijos ir pilės, paviršių dengiantys baltymai ir kt. Svarbu paminėti, kad visos šios ląstelių dalys yra ir patogeninėse bakterijose, kurios svarbios išlikimui ir kolonizacijai žmogaus žarnyne. Nustatyta, kad sąveikos tarp mikroorganizmų ir žmogaus ląstelių gali būti įvairios – nuo simbiozės iki komensalizmo.
Aptarsime keletą bakterijų sienelių dalių ir jų įtaką.
Peptidoglikanai
Bakterijų sienelės komponentai dalyvauja imuninėse reakcijose įvairiais mechanizmais – peptidoglikanai gali būti taikiniai molekulėms, kurios prisijungia toksines medžiagas, taip pat gali būti per receptorius, prie kurių jungiasi įvairios rūgštys, esančios tiek gramteigiamų, tiek gramneigiamų ląstelių sienelėse. Tokie imuninės sistemos aktyvinimo keliai nustatyti L. salivarius bakterijose, kurių tyrimai in vivo parodė, kad šių bakterijų komponentai gali skatinti net IL-10 gamybą.
Kapsulės polisacharidai
Tyrinėjant Bacteroides bakterijas, nustatyta, kad jos gamina kapsulės polisacharidus, kurių dalis dalyvauja reguliuojant imuninę sistemą. Šie atradimai leido nustatyti, kad kapsulės ar egzopolisacharidai yra svarbūs veiksniai bakterijų kolonizacijai, mikroorganizmų ir žmogaus fiziologijai, imuninės sistemos reguliavimui. Svarbus atradimas tas, kad tokiomis pačiomis savybėmis pasižymi ir patogeniniai mikrobai, kurie savo sienelių dalis naudoja bioplėvelėms formuoti, adhezijai prie audinių, antifagocitiniam veikimui.
Kapsulių polisacharidai taip pat nustatyti ir bifidobakterijose, ir laktobacilose. Pastebėta, kad veikiant makrofagams, kapsulės polisacharidai skatina imuninės sistemos slopinimą.
Paviršiaus baltymai
Bakterijos sienelėse yra su sienelėmis susijusių baltymų, kurių funkcija labai įvairi. Žmogaus žarnyno laktobacilos gamina S-baltymą, kurio funkcija yra jungimasis prie žarnyno sienelės gleivinės. Šis baltymas taip pat dalyvauja imuninės sistemos reguliavime, skatindamas antiuždegiminių citokinų išsiskyrimą, taip pat gali aktyvinti įvairius uždegiminius faktorius makrofaguose.
Žmogaus žarnyno ir mikrofloros sąveika
Šiuo metu vis dar plačiai tiriama sąveika tarp probiotikų ir žmogaus žarnyno ląstelių. Dažniausiai tyrimai atliekami su gyvūnais, tik mažoje jų dalyje dalyvavo žmonės.
Viename tyrimų nustatyta, kad L. plantarum porūšis, esant uždegiminei reakcijai, siunčia signalus išskirti IL-6, IL-10 bei T ląstelėms, kurios aktyvinamos dalyvauti imuninėse reakcijose. Kitame tyrime nustatyta, kad pakeitus mitybos įpročius, pasikeitė mikroflora, kuri lėmė lipidų profilio pasikeitimą, gliukoneogenezės ir aminorūgščių metabolizmą.
Apibendrinimas
Probiotikų vartojimas šiuo metu pagrįstas teigiamu poveikiu žarnyno mikrofloros atkūrimui ir pusiausvyros palaikymui tam tikromis sąlygomis, tačiau vis dar trūksta detalesnių duomenų apie jų įtaką sveikatos gerinimui. Siekiant užpildyti šią spragą, atliekama daug mokslinių tyrinėjimų, kuriuose molekuliniu lygiu siekiama išsiaiškinti, kaip probiotikų bakterijos veikia žmogaus bendrąją sveikatą. Taip pat ieškoma naujų biožymenų, kurie leistų atrasti naujų bakterijų, tinkamų būti probiotikais. Šie tyrinėjimai pradėti visai neseniai, tačiau jau pasirodė pirmieji rezultatai, teigiantys, kad įtakos turi mikrobų ląstelių sienelės dalys, kurios dalyvauja žmogaus ląstelių ir mikrofloros tarpusavio sąveikoje ir taip turi įtakos sveikatai.
Probiotikų apibrėžimas nuolat kinta. Tiriamos blogosios ir gerosios bakterijos, mitybos įtaka joms ir jų įtaka sveikatai. Tiriami ir bakterijų rūšių individualūs bruožai, galintys turėti įtakos gerinant sveikatą, o tai garantuoja probiotikų naudos didėjimą atliekant tolesnius tyrimus.
Parengė gyd. Dainora Butkutė
Žurnalas „Internistas“
