Hệ thực vật đường ruột: nhận được nhiều năng lượng hơn từ thức ăn ít hơn

2024 Tác giả: Seth Attwood | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2023-12-16 16:20

Khám một người phụ nữ với biểu hiện tiêu chảy dai dẳng và đau bụng cấp cho thấy bị viêm đại tràng cấp do Clostridia. Do sự kháng thuốc của vi khuẩn với thuốc kháng sinh, bệnh nhân được cung cấp một phương pháp điều trị thử nghiệm nhưng hiệu quả - cấy ghép hệ vi sinh vật hiến tặng (hệ vi sinh đường ruột).

Sau khi đưa 600 ml hỗn dịch phân của người hiến tặng vào ruột bệnh nhân, bệnh tái phát không còn nữa - hệ vi sinh vật của người hiến tặng đã di chuyển thành công mầm bệnh và chiếm các hốc của nó. Tuy nhiên, một năm sau, người phụ nữ này phàn nàn với bác sĩ về việc tăng cân nhanh chóng, trong khi cả đời trước khi cấy ghép, cô có trọng lượng cơ thể bình thường và ổn định. Tính từ thời điểm làm thủ thuật, bệnh nhân tăng 15 kg, tổng trọng lượng cơ thể đạt 77 kg với chiều cao 155 cm, mặc dù tập thể dục và ăn kiêng nhưng cân nặng của bệnh nhân đã sớm vượt ngưỡng 80 kg. Bác sĩ lưu ý rằng một người hiến tặng nói chung khỏe mạnh cũng bị thừa cân và cho phép khả năng "lây nhiễm" bệnh béo phì qua hệ vi sinh vật. Thoạt nhìn, một giả định táo bạo như vậy có cơ sở bằng chứng chắc chắn. Trong bài viết này, tôi sẽ nói về ảnh hưởng của hệ vi sinh vật đối với tiêu hóa, và tại sao tính đa dạng loài của nó giảm đi, và tính đồng nhất lại làm tăng nguy cơ béo phì.

glagolas.

Giới thiệu

Xác suất thừa kế béo phì đạt tới 80%, nhưng sự khác biệt của từng cá thể trong bộ gen hạt nhân chỉ chiếm ít hơn 2% sự thay đổi về trọng lượng cơ thể trong quần thể. Ngoài ra, bộ gen hạt nhân được truyền cho con hầu như bằng nhau từ mỗi cha mẹ, nhưng trẻ em lại thừa hưởng bệnh béo phì với tần suất cao hơn đáng kể từ mẹ của chúng. Hiện tượng này thường được giải thích là do ảnh hưởng đến sự trao đổi chất của ty thể, có DNA riêng của chúng và không có trong đầu tinh trùng, do đó, bộ gen của ty thể chỉ được thừa hưởng bởi phôi thai từ trứng của mẹ. Tuy nhiên, kết quả của một cuộc nghiên cứu về bộ gen ty thể giải thích được ít trường hợp thừa hưởng bệnh béo phì hơn. Do đó, nếu sự di truyền của căn bệnh này chỉ qua trung gian một phần của bộ gen nhân và ti thể, thì có thể bệnh béo phì được truyền sang trẻ em chủ yếu thông qua bộ gen thứ ba của con người - hệ vi sinh vật (một tập hợp các gen của hệ vi sinh vật), cũng được di truyền từ người mẹ?

Sự kế thừa và biến đổi của hệ vi sinh vật

Sự phát triển trong tử cung kèm theo sự vô trùng tuyệt đối của thai nhi, lần đầu tiên thai nhi tiếp nhận hệ vi sinh vật, vượt qua ống sinh trong quá trình sinh nở tự nhiên. Do đó, trẻ sinh ra tự nhiên có hệ vi sinh vật đa dạng hơn so với trẻ sinh ra bằng phương pháp mổ lấy thai. Ngoài ra, các nghiên cứu đã chỉ ra rằng trẻ sinh bằng phương pháp sinh mổ có nguy cơ béo phì cao hơn. Tuy nhiên, thành phần của hệ vi sinh vật ở những trẻ này đang dần bình thường hóa trong điều kiện bú sữa mẹ, điều này đảm bảo sự thống trị của bifidobacteria và lactobacilli, ngăn chặn các quần thể vi khuẩn cơ hội và clostridia. Sinh con tự nhiên và cho con bú tạo thành xương sống của hệ vi sinh vật, thường kéo dài suốt đời. Việc làm giàu thêm hệ vi sinh vật với các loại vi khuẩn khác phụ thuộc vào lối sống.

Vì vậy, ví dụ, đến thăm trường mẫu giáo là một yếu tố quan trọng và độc lập trong việc tăng sự đa dạng về loài của hệ vi sinh vật. Mặt khác, việc sử dụng rộng rãi thuốc kháng sinh và thuốc sát trùng, cũng như các tiêu chuẩn vệ sinh và vệ sinh nghiêm ngặt làm giảm tỷ lệ trao đổi vi sinh vật giữa con người và sự đa dạng của nó (đọc thêm về ảnh hưởng của kháng sinh đối với hệ vi sinh vật và hôi miệng tại đây). Do đó, chúng ta có thể nói về khả năng di truyền và khả năng biến đổi của hệ vi sinh vật.

Cấu trúc hệ vi sinh vật

Theo tuổi tác, số lượng tế bào vi khuẩn trong ruột dần dần đạt 100 nghìn tỷ, vượt quá 10 lần số lượng tế bào của cơ thể ở một người trưởng thành. Đồng thời, do kích thước vi khuẩn nhỏ nên toàn bộ hệ vi sinh vật nặng tới 2 kg nằm gọn trong ruột già.

Khoảng 60% chất chứa trong trực tràng là vi sinh vật, các khuẩn lạc phát triển trên sợi của thức ăn thực vật (xenlulo), sử dụng chúng làm thức ăn và khung xương, do đó tạo thành phân có độ sệt. Mặc dù có số lượng vi khuẩn đáng kể, nhưng sự tương tác của chúng với cơ thể con người từ lâu đã được các nhà khoa học xem xét nghiêm ngặt trong khuôn khổ của thuyết tương sinh, trong đó vi sinh vật được hưởng lợi từ mối quan hệ, còn vi sinh vật vĩ mô không được lợi cũng như không có hại. Tuy nhiên, với sự phát triển của các phương pháp xác định kiểu gen, khái niệm về hệ vi sinh vật đã thay đổi đáng kể.

Người ta nhận thấy rằng sự đa dạng về loài của hệ vi sinh vật lên tới 300-700 loài vi sinh vật, và tổng bộ gen của chúng bao gồm 10 triệu gen, lớn hơn 300 lần so với bộ gen của con người. Việc tổng hợp các gen của quần xã vi sinh vật như vậy và so sánh số lượng của chúng với số lượng gen ở người không chỉ là một từ khóa ở đây. Nhiều gen của vi khuẩn bổ sung chức năng cho bộ gen nhân của con người, và sự tương tác giữa các loài giữa các vi sinh vật gần nhau đến mức một số loài thực sự không thể sống thiếu nhau. Những khám phá gần đây theo hướng này giúp chúng ta có thể nói về mối quan hệ cùng có lợi giữa con người và hệ vi sinh vật, và tổng thể các gen của nó được gọi là hệ vi sinh vật hay hệ gen thứ ba của con người. Để minh họa, tôi sẽ đưa ra một ví dụ cụ thể.

Sinh lý học hệ vi sinh vật

Với thực phẩm từ thực vật, chúng ta tiêu thụ các polyme fructose (fructan), mà chúng ta không có enzym riêng để phân hủy thành đường đơn. Các đường fructan không được xử lý sẽ không được hấp thụ, và sự tích tụ của chúng trong ruột gây ra các rối loạn nghiêm trọng, và trong khoang miệng, chúng được các vi khuẩn nguy hiểm sử dụng để bám vào men răng. Chúng tôi được giúp đỡ bởi vi khuẩn bifidobacteria và lactobacilli, chúng có gen enzyme để phân tách fructan thành lactate và acetate. Các chất chuyển hóa này tạo ra các điều kiện có tính axit hơn làm giảm sự gia tăng của các vi khuẩn cơ hội nhạy cảm với axit và gây tiêu chảy. Ngoài ra, lactate và acetate sử dụng các loại vi sinh thân thiện khác như một nguồn năng lượng, sản xuất butyrate - nguồn năng lượng chính cho các tế bào biểu mô ruột và là chất ức chế sự xâm nhập của các mầm bệnh nội bào vào chúng, và hợp chất này cũng làm giảm nguy cơ phát triển viêm loét đại tràng và ung thư ruột kết. Vì vậy, chỉ cần một vài loại vi khuẩn tổng hợp một chất chữa bệnh từ các thành phần thực phẩm nguy hiểm cho cơ thể, và, bảo vệ thị trường ngách của họ khỏi các đối thủ cạnh tranh, như một phần thưởng cho một người, ngăn chặn sự phát triển của mầm bệnh trong đường ruột của anh ta! Bây giờ hãy tưởng tượng cách hàng chục và hàng trăm loài vi sinh vật được kết hợp thành chuỗi trao đổi chất dài hơn và nhiều nhánh hơn để tạo ra các axit amin thiết yếu, vitamin và các chất chuyển hóa khác, do đó điều chỉnh quá trình tiêu hóa, miễn dịch và thậm chí cả hành vi của chúng ta, bao gồm cả thức ăn.

Hệ vi sinh vật và bệnh béo phì

Tác động đáng kể của hệ vi sinh vật đối với bệnh béo phì lần đầu tiên được chứng minh khi hoàn toàn không có vi sinh vật và được nuôi trong điều kiện vô trùng. Thông thường, những con chuột vô trùng thường có ít mô mỡ hơn 42% so với những con chuột có hệ vi sinh tương đương. Đồng thời, những con chuột vô trùng mỏng hơn tiêu thụ nhiều thức ăn hơn 29% so với những con chuột đồng loại có hệ vi sinh hoàn chỉnh hơn. Các nhà nghiên cứu đã chuyển hệ vi sinh từ chuột bình thường sang chuột vô trùng và quan sát thấy mô mỡ tăng 57% trong vòng hai tuần, mặc dù lượng thức ăn giảm 27%!

Các tác giả kết luận rằng hệ vi sinh giúp chiết xuất nhiều năng lượng hơn từ ít thức ăn hơn. Đồng thời, hiệu quả năng lượng của quá trình tiêu hóa với hệ vi sinh tăng lên rất nhiều, dẫn đến lượng calo dư thừa được lưu trữ trong mô mỡ.

Kết quả thu được trong nghiên cứu này là do cơ thể động vật có vú có ít glycosidase tổng hợp độc lập - các enzym phân cắt các liên kết trong các phân tử carbohydrate phức tạp như chất xơ thực vật. Để so sánh, nếu trong bộ gen của chúng ta chỉ có 20 gen tổng hợp glycosidase, thì chỉ riêng loài vi khuẩn đã tổng hợp 261 loại glycosidase, và toàn bộ hệ vi sinh vật chứa 250.000 gen tổng hợp các enzym này. Do đó, khi thiếu hệ vi sinh, chất xơ giàu năng lượng sẽ đi ra ngoài cơ thể theo phân, không đáp ứng nhu cầu calo nên chuột vô trùng ăn nhiều hơn và nhẹ cân hơn so với đồng loại có hệ vi sinh bình thường. Kết quả của những nghiên cứu này đã vô tình làm nảy sinh ý tưởng về một phương pháp điều trị bệnh béo phì bằng cách tiêu diệt hoàn toàn hệ vi sinh vật bằng thuốc kháng sinh. Tuy nhiên, quá trình đồng tiến hóa của con người và hệ vi sinh vật đã đi quá xa khiến cho việc thực hiện ý tưởng này là không thể, và theo quan điểm lâm sàng, nó rất nguy hiểm.

Thứ nhất, không giống như chuột, chúng ta không thể sống trong điều kiện vô trùng. Môi trường chứa nhiều vi sinh vật gây bệnh sẽ vui vẻ chiếm giữ các hốc không có hệ vi sinh tự nhiên. Ví dụ, một phụ nữ có trường hợp lâm sàng được đưa ra ở đầu bài báo đã bị nhiễm trùng Clostridia ngay sau khi được điều trị viêm âm đạo do vi khuẩn bằng kháng sinh liều cao. Thứ hai, tôi đã đề cập rằng nếu không có hệ vi sinh vật, chúng ta không thể tự phân hủy đường fructan, sự tích tụ của đường sẽ dẫn đến rối loạn tiêu hóa nghiêm trọng. Và cuối cùng, thứ ba, việc sử dụng kháng sinh trong thực tế cho thấy tác dụng ngược lại - tình trạng béo phì trở nên trầm trọng hơn, và một hệ vi sinh vật đa dạng và giàu thành phần hơn sẽ bảo vệ chống lại bệnh béo phì.

Thuốc kháng sinh và béo phì

Từ giữa thế kỷ trước, thuốc kháng sinh đã được sử dụng rộng rãi trong nông nghiệp để đẩy nhanh tốc độ tăng trọng của vật nuôi. Vì mục đích này, các chế phẩm được bổ sung liên tục vào thức ăn, do đó 70% lượng kháng sinh được sản xuất được sử dụng cho chăn nuôi.

Tác động tích cực của thuốc kháng sinh đối với trọng lượng cơ thể từ lâu đã được cho là do ngăn ngừa nhiễm trùng, vì một con vật khỏe mạnh tăng trọng nhanh hơn. Nhưng sau đó người ta đã chứng minh được rằng sự phụ thuộc này được điều chỉnh bởi những thay đổi trong thành phần của hệ vi sinh vật. Một tác dụng tương tự của thuốc kháng sinh đối với trọng lượng cơ thể người được coi là khó xảy ra, vì liệu pháp kháng sinh được sử dụng trong thời gian ngắn và không thường xuyên. Trong khi đó, 10 năm trước, trong các nghiên cứu, người ta đã phát hiện ra rằng chỉ một đợt kháng sinh cũng có thể làm giảm sự đa dạng của hệ vi sinh vật ở người trong vòng 4 năm. Một phân tích tổng hợp năm 2017 về các nghiên cứu trên gần 500.000 người cho thấy việc sử dụng kháng sinh ở trẻ sơ sinh làm tăng đáng kể nguy cơ béo phì sau này trong cuộc sống, với liều lượng kháng sinh tương quan thuận với béo phì. Do đó, sự sụt giảm trọng lượng cơ thể dự kiến do sự ức chế của hệ vi sinh vật sẽ không xảy ra, nhưng trong tương lai, ngược lại, sự phát triển của bệnh béo phì được quan sát thấy. Có lẽ, thuốc kháng sinh, tiêu diệt có chọn lọc các đại diện của hệ vi sinh bình thường nhạy cảm với chúng, tạo thành một loại "hệ vi sinh vật gây béo phì".

Khái niệm về chuỗi trao đổi chất liên tục và "hệ vi sinh vật béo phì"

Một hệ vi sinh vật hoàn chỉnh là một chuỗi phản ứng trao đổi chất liên tục phá vỡ chất xơ giàu năng lượng thành các hợp chất nghèo năng lượng. Trong trường hợp này, mỗi chất chuyển hóa trung gian vẫn chứa năng lượng sẽ được đồng hóa bởi vi khuẩn tiếp theo trong chuỗi trao đổi chất, có khả năng tổng hợp các enzym để phân hủy, hấp thụ phần năng lượng của nó. Các chất chuyển hóa cuối cùng thực hiện chức năng của chuỗi trao đổi chất liên tục là các axit béo chuỗi ngắn, chủ yếu được dị hóa bởi các tế bào ruột và không thăng hoa trong mô mỡ, và một số trong số chúng thậm chí còn ức chế sự hình thành lipogenesis và ngăn chặn sự thèm ăn. Vì vậy, một hệ vi sinh vật chính thức gần như sử dụng hoàn toàn năng lượng của chất xơ và bảo vệ vật chủ khỏi béo phì, ngay cả khi anh ta lạm dụng carbohydrate nhanh.

Không giống như hệ vi sinh bình thường, "hệ vi sinh vật béo phì" là đơn điệu do thiếu loài, chi hoặc toàn bộ họ vi khuẩn, do đó nó không có khả năng hình thành chuỗi trao đổi chất liên tục. Vì nhiều loại chất xơ khác nhau bị phân hủy bởi nhiều đại diện của hệ vi sinh vật, nên sự thiếu vắng một số loại chất xơ này không ngăn cản sự khởi đầu của chuỗi trao đổi chất và chất xơ thực phẩm được phân hủy một cách an toàn thành các chất chuyển hóa trung gian. Đổi lại, sự vắng mặt của các loài vi khuẩn chuyên phân hủy các chất chuyển hóa trung gian dẫn đến sự tích tụ của chất này trong lòng ruột. Không giống như chất xơ, các chất chuyển hóa trung gian có thể được cơ thể hấp thụ, bao gồm cả việc tăng dự trữ của các mô mỡ. Do đó, "hệ vi sinh vật béo phì" chứa một loại khoảng trống mà qua đó năng lượng "chảy" vào cơ thể con người.

"Hệ vi sinh vật béo phì" được cho là đã được hỗ trợ bởi các thí nghiệm cấy phân từ những người có thể chất khác nhau sang những con chuột vô trùng. Để loại trừ các yếu tố khác, hệ vi sinh vật để cấy ghép đã được tuyển chọn từ 8 cặp song sinh, có các cặp khác nhau về sự có mặt và không bị béo phì, và những con chuột nhận hệ vi sinh vật từ những người có thể chất khác nhau, sống riêng biệt. Hệ vi sinh vật có nguồn gốc từ các cặp song sinh béo phì có thành phần loài thưa thớt hơn so với hệ vi sinh vật đa dạng hơn của các cặp song sinh có thân hình bình thường.

Kết quả của thử nghiệm, những con chuột được nhận "hệ vi sinh vật gây béo phì" cho thấy lượng mỡ cơ thể đã tăng lên đáng kể vào ngày thứ 8 sau khi cấy ghép. Đồng thời, khối lượng chất béo ở những con chuột nhận được hệ vi sinh vật từ các cặp song sinh có trọng lượng cơ thể bình thường vẫn không có thay đổi đáng kể trong suốt thí nghiệm.

Ngoài ra, các tác giả của nghiên cứu này đã quyết định kiểm tra khả năng lây lan của bệnh béo phì. Đối với điều này, những con chuột thu được là kết quả của việc cấy ghép các hệ vi sinh vật khác nhau được đặt trong một lồng chung sau 5 ngày. Việc kiểm soát trọng lượng cơ thể và thành phần cơ thể vào ngày thứ 10 chung sống cho thấy những con chuột được sử dụng "hệ vi sinh vật béo phì" tăng ít chất béo hơn những con chuột tương tự trong phần đầu của thí nghiệm (sống cách ly) và thực tế không khác với sống thử. những con chuột nhận được hệ vi sinh vật từ các cặp song sinh có thể chất bình thường. Phân tích hệ vi sinh vật cho thấy sự gia tăng đa dạng hệ vi sinh vật ở những con chuột ban đầu nhận được một "hệ vi sinh vật béo phì" đồng nhất. Điều quan trọng là, những con chuột gầy ban đầu nhận được một hệ vi sinh vật đa dạng đã không bị béo phì do chúng sống chung.

Phân tích các chất chuyển hóa trong ruột cho thấy sau thời gian chung sống ở những con chuột ban đầu nhận được "hệ vi sinh vật béo phì", có sự giảm disaccharide và tăng axit béo chuỗi ngắn. Do đó, người ta thấy rằng một hệ vi sinh vật đa dạng bảo vệ chống lại sự phát triển của bệnh béo phì, và việc cấy ghép hoặc chuyển giao tự nhiên của hệ vi sinh vật đó cho chuột béo phì dẫn đến việc bình thường hóa trọng lượng cơ thể.

Sự kết luận

Cần lưu ý rằng chuột là đại thực bào, điều này tạo điều kiện rất tốt cho sự trao đổi tự nhiên của hệ vi sinh vật giữa các loài sống chung. Tuy nhiên, kết quả của các nghiên cứu về hệ vi sinh vật và dịch tễ học của bệnh béo phì ở người cũng có thể được giải thích bằng sự trao đổi của hệ vi sinh thông qua các tương tác xã hội. Ở trên, tôi đã nói về việc đi nhà trẻ làm tăng sự đa dạng của hệ vi sinh vật, nhưng việc trao đổi hệ vi sinh cũng có thể xảy ra thông qua các kết nối xã hội khác và có khả năng ảnh hưởng đến nguy cơ béo phì. Ví dụ, phân tích hồ sơ y tế của 1.519 gia đình quân nhân Mỹ có thể xác định rằng chỉ số cơ thể của các thành viên trong gia đình sau khi được bổ nhiệm đến một đồn mới trong vòng 24 tháng đã thay đổi theo chỉ số dân số của khu vực. Các tác giả của nghiên cứu này và 45 nghiên cứu tương tự khác gợi ý rằng sự khác biệt về vóc dáng của chúng ta so với môi trường xung quanh có thể làm tăng tâm lý khó chịu, và điều này ảnh hưởng đến hành vi ăn uống và hoạt động thể chất. Tuy nhiên, những nỗ lực chứng minh mối quan hệ nhân quả này cho đến nay vẫn không thành công. Trong khi đó, sự trao đổi của hệ vi sinh vật qua môi trường và những tiếp xúc trực tiếp có thể giải thích hiện tượng này.

Trong bối cảnh này, kinh nghiệm sống của tôi cũng có thể thú vị. Bản thân tôi vẫn đang chết mê chết mệt và câu nói "không cho làm thức ăn cho ngựa" là nói về tôi! Và kể từ khi tôi gặp vợ tôi, cô ấy bắt đầu giảm cân từ năm này qua năm khác. Đúng là cô ấy chưa bao giờ bị béo phì, nhưng từ khi bắt đầu mối quan hệ của chúng tôi, cô ấy đã giảm cân rõ rệt. Ngay cả khi còn là một sinh viên, cô ấy đã nói đùa rằng tôi đã lây nhiễm giun cho cô ấy, nhưng ngay sau khi tôi nhận được một công việc trong phòng thí nghiệm, tôi đã kiểm tra mọi thứ và không tìm thấy gì giống như vậy. Sau đó, lần đầu tiên, tôi cho rằng vấn đề có thể nằm ở những điểm đặc biệt của hệ vi sinh vật của tôi, mà vợ tôi đã dần dần chấp nhận. Thật không may, không thể nghiên cứu những đặc điểm này trong phòng thí nghiệm của chúng tôi, vì vậy tôi đã gửi một mẫu về "thế giới bên trong" của mình tới Atlas để phân tích. Tôi sẽ viết về kết quả phân tích trong bài tiếp theo, trong đó tôi sẽ nói chi tiết về các phương pháp điều chỉnh hệ vi sinh vật để giảm trọng lượng cơ thể (cập nhật: một câu chuyện về kết quả).