Flora intestinale: ottieni più energia da meno cibo

2024 Autore: Seth Attwood | [email protected]. Ultima modifica: 2023-12-16 16:08

L'esame di una donna con disturbi di diarrea persistente e dolore addominale acuto ha rivelato un'infiammazione acuta del colon causata da Clostridi. Data la resistenza dei batteri agli antibiotici, al paziente è stato offerto un metodo di terapia sperimentale, ma efficace: il trapianto del microbiota del donatore (microflora intestinale).

Dopo l'introduzione di 600 ml di una sospensione di feci del donatore nell'intestino del paziente, non sono state più osservate ricadute della malattia: il microbiota del donatore ha spostato con successo l'agente patogeno e ha occupato le sue nicchie. Tuttavia, un anno dopo, la donna si è lamentata con il medico per il rapido aumento di peso, mentre per tutta la vita prima del trapianto aveva un peso corporeo normale e stabile. Dal momento della procedura, l'aumento è stato di 15 kg e il peso corporeo totale ha raggiunto i 77 kg con un'altezza di 155 cm Nonostante l'idoneità e la dieta, il peso del paziente ha presto superato gli 80 kg. Il medico ha osservato che un donatore generalmente sano è anche sovrappeso e ha consentito la possibilità di "contaminazione" dell'obesità attraverso il microbiota. A prima vista, un'ipotesi così audace ha una solida base di prove. In questo articolo parlerò dell'effetto del microbiota sulla digestione e del motivo per cui la sua diversità di specie diminuisce e l'uniformità aumenta il rischio di obesità.

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introduzione

La probabilità di ereditare l'obesità raggiunge l'80%, ma le differenze individuali nel genoma nucleare rappresentano meno del 2% della variabilità del peso corporeo nella popolazione. Inoltre, il genoma nucleare viene trasmesso al bambino in modo quasi uguale da ciascun genitore, ma i bambini ereditano l'obesità con una frequenza significativamente maggiore dalle loro madri. Questo fenomeno è spesso spiegato dall'influenza sul metabolismo dei mitocondri, che hanno un proprio DNA e che sono assenti nella testa dello spermatozoo; quindi, il genoma mitocondriale viene ereditato dall'embrione solo dall'uovo materno. Tuttavia, i risultati di uno studio sul genoma mitocondriale spiegano ancora meno casi di ereditarietà dell'obesità. Quindi, se l'ereditarietà di questa malattia è solo parzialmente mediata dai genomi nucleare e mitocondriale, allora forse l'obesità viene trasmessa ai bambini principalmente attraverso il terzo genoma umano - il microbioma (un insieme di geni del microbiota), che è anche ereditato da la madre?

Eredità e variabilità del microbioma

Lo sviluppo intrauterino è accompagnato dall'assoluta sterilità del feto, che per la prima volta riceve il microbiota, superando il canale del parto durante il parto naturale. Pertanto, i bambini nati naturalmente hanno un microbiota più diversificato rispetto a quelli estratti dal taglio cesareo. Inoltre, gli studi hanno dimostrato che i bambini nati da taglio cesareo hanno un rischio maggiore di obesità. Tuttavia, la composizione del microbiota in questi bambini si sta gradualmente normalizzando sotto la condizione dell'allattamento al seno, che garantisce il predominio di bifidobatteri e lattobacilli, che sopprimono le popolazioni di batterioidi opportunisti e clostridi. Il parto naturale e l'allattamento al seno costituiscono la spina dorsale del microbiota, che di solito dura per tutta la vita. L'ulteriore arricchimento del microbiota con altri tipi di batteri dipende dallo stile di vita.

Quindi, ad esempio, visitare l'asilo è un fattore significativo e indipendente nell'aumentare la diversità delle specie del microbiota. D'altra parte, l'uso diffuso di antibiotici e antisettici, oltre a rigidi standard sanitari e igienici, riducono il tasso di scambio del microbiota tra le persone e la sua diversità (leggi di più sull'effetto degli antibiotici sul microbiota e sull'alitosi qui). Quindi, possiamo parlare dell'ereditarietà e della variabilità del microbioma.

Struttura del microbiota

Con l'età, il numero di cellule batteriche nell'intestino raggiunge gradualmente i 100 trilioni, che supera di 10 volte il numero delle cellule del corpo di un adulto. Allo stesso tempo, a causa delle ridotte dimensioni dei batteri, l'intero microbiota pesa fino a 2 kg e si adatta all'intestino crasso.

Circa il 60% del contenuto del retto sono microrganismi, le cui colonie crescono sulle fibre del cibo vegetale (cellulosa), usandole come cibo e scheletro, formando così una consistenza grumosa di feci. Nonostante il numero significativo di batteri, la loro interazione con il corpo umano è stata a lungo considerata dagli scienziati rigorosamente nell'ambito del commensalismo, in cui il microrganismo beneficia della relazione e il macroorganismo non riceve né benefici né danni. Tuttavia, con lo sviluppo dei metodi di genotipizzazione, il concetto di microbiota è cambiato in modo significativo.

È stato scoperto che la diversità delle specie del microbiota raggiunge 300-700 specie di microrganismi e il loro genoma totale è costituito da 10 milioni di geni, che è 300 volte più grande del genoma umano. Una tale somma dei geni del microbioma e un confronto del loro numero con quello nell'uomo non è solo uno slogan qui. Molti geni batterici completano funzionalmente il genoma nucleare umano e l'interazione interspecie dei microrganismi è così stretta che alcune specie letteralmente non possono vivere l'una senza l'altra. Recenti scoperte in questa direzione hanno permesso di parlare della relazione reciprocamente vantaggiosa tra l'uomo e il microbiota, e la totalità dei suoi geni è chiamata microbioma o terzo genoma umano. Per illustrare, farò un esempio specifico.

Fisiologia del microbiota

Con i cibi vegetali, consumiamo polimeri di fruttosio (fruttani), che non abbiamo i nostri enzimi per abbattere in zuccheri semplici. I fruttani non trattati non vengono assorbiti e il loro accumulo nell'intestino provoca gravi disturbi e nella cavità orale vengono utilizzati dai batteri cariati per attaccarsi allo smalto dei denti. Siamo aiutati dai bifidobatteri e dai lattobacilli, che hanno geni enzimatici per la scissione dei fruttani in lattato e acetato. Questi metaboliti creano condizioni più acide che riducono la proliferazione di batteri opportunisti acido-sensibili e causa di diarrea. Inoltre, il lattato e l'acetato utilizzano altri tipi di microflora amichevole come fonte di energia, che producono butirrato - la principale fonte di energia per le cellule epiteliali intestinali e un inibitore della penetrazione di agenti patogeni intracellulari in esse, e questo composto riduce anche il rischio di sviluppare colite ulcerosa e cancro del colon. Quindi, solo alcuni tipi di batteri sintetizzano una sostanza curativa da componenti alimentari pericolosi per il corpo e, proteggendo la loro nicchia dai concorrenti, come bonus per una persona, sopprimono la crescita di agenti patogeni nel suo intestino! Ora immagina come decine e centinaia di specie di microrganismi si combinano in catene metaboliche più lunghe e ramificate che producono aminoacidi essenziali, vitamine e altri metaboliti, modulando così la digestione, l'immunità e persino il nostro comportamento, compreso il cibo.

Microbiota e obesità

L'effetto significativo del microbiota sull'obesità è stato inizialmente dimostrato in condizioni completamente prive di microrganismi e allevate in condizioni sterili. Tipicamente, i topi sterili hanno in genere il 42% in meno di tessuto adiposo rispetto a topi comparabili con microflora. Allo stesso tempo, i topi sterili più magri consumano il 29% in più di cibo rispetto alle loro controparti più complete con microflora. I ricercatori hanno trasferito la microflora da topi normali a topi sterili e hanno osservato un aumento del 57% del tessuto adiposo entro due settimane, nonostante una diminuzione del 27% nell'assunzione di cibo!

Gli autori hanno concluso che la microflora aiuta a estrarre più energia da meno cibo. Allo stesso tempo, l'efficienza energetica della digestione con la microflora aumenta così tanto che l'eccesso di calorie risultante viene immagazzinato nel tessuto adiposo.

I risultati ottenuti in questo studio sono dovuti alla bassa varietà di glicosidasi sintetizzate indipendentemente dal corpo dei mammiferi - enzimi per la scissione dei legami in molecole di carboidrati complessi come la fibra vegetale. Per confronto, se nel nostro genoma ci sono solo 20 geni per la sintesi delle glicosidasi, allora la sola specie batterioide sintetizza 261 tipi di glicosidasi e l'intero microbioma contiene 250.000 geni per la sintesi di questi enzimi. Pertanto, in assenza di microbiota, la fibra ricca di energia lascia il corpo con le feci, non soddisfacendo il fabbisogno calorico, quindi i topi sterili mangiano di più e pesano meno rispetto alle loro controparti con microflora normale. I risultati di questi studi fanno nascere inconsapevolmente l'idea di un metodo per curare l'obesità mediante la distruzione totale del microbiota con gli antibiotici. Tuttavia, la coevoluzione dell'uomo e del microbiota è andata così lontano che l'attuazione di questa idea è impossibile e, da un punto di vista clinico, è molto pericolosa.

Primo, a differenza dei topi, non possiamo permetterci di vivere in condizioni sterili. L'ambiente contiene molti microrganismi patogeni che saranno felici di occupare nicchie libere dalla microflora naturale. Ad esempio, una donna il cui caso clinico è riportato all'inizio dell'articolo ha contratto un'infezione da Clostridia subito dopo essere stata curata per vaginosi batterica con alte dosi di antibiotici. In secondo luogo, ho già detto che senza il microbiota non siamo in grado di scomporre da soli i fruttani, il cui accumulo è irto di gravi disturbi digestivi. E infine, in terzo luogo, l'uso di antibiotici in pratica mostra l'effetto opposto: l'obesità è aggravata e un microbiota più vario e ricco di composizione protegge dall'obesità.

Antibiotici e obesità

Dalla metà del secolo scorso, gli antibiotici sono stati ampiamente utilizzati in agricoltura per accelerare l'aumento di peso del bestiame. A tal fine, i preparati vengono aggiunti in modo continuativo al mangime, per cui il 70% degli antibiotici prodotti viene speso per l'allevamento degli animali.

L'effetto positivo degli antibiotici sul peso corporeo è stato a lungo attribuito alla prevenzione delle infezioni, perché un animale sano aumenta di peso più velocemente. Ma in seguito è stato dimostrato che questa dipendenza è mediata da cambiamenti nella composizione del microbiota. Un effetto simile degli antibiotici sul peso corporeo umano è stato considerato improbabile, poiché la terapia antibiotica viene utilizzata per un breve periodo e sporadicamente. Nel frattempo, 10 anni fa negli studi si è scoperto che anche un singolo ciclo di antibiotici porta a una diminuzione della diversità del microbiota umano entro 4 anni. Una meta-analisi del 2017 di studi su quasi 500.000 persone ha rilevato che l'uso di antibiotici nell'infanzia ha aumentato significativamente il rischio di obesità più avanti nella vita, con una dose di antibiotico correlata positivamente all'obesità. Pertanto, la prevista diminuzione del peso corporeo a causa della soppressione del microbiota non si verifica, ma in futuro, al contrario, si osserva lo sviluppo dell'obesità. Presumibilmente, gli antibiotici, distruggendo selettivamente i rappresentanti della normale microflora a loro sensibili, formano una sorta di "microbiota dell'obesità".

Il concetto di catena metabolica continua e il "microbiota dell'obesità"

Un microbiota completo è una catena metabolica continua di reazioni che scompone la fibra ricca di energia in composti poveri di energia. In questo caso, ogni metabolita intermedio ancora contenente energia viene assimilato dal batterio successivo nella catena metabolica, in grado di sintetizzare enzimi per la sua scomposizione, assorbendo la sua porzione di energia. I metaboliti finali del funzionamento della catena metabolica continua sono gli acidi grassi a catena corta, che sono principalmente catabolizzati dalle cellule intestinali e non sono sublimati nel tessuto adiposo, alcuni addirittura inibiscono la lipogenesi e sopprimono l'appetito. Pertanto, un microbiota a tutti gli effetti utilizza quasi completamente l'energia della fibra e protegge l'ospite dall'obesità, anche se abusa di carboidrati veloci.

A differenza della normale microflora, il "microbiota dell'obesità" è monotono a causa delle specie, dei generi o di intere famiglie di batteri mancanti, quindi non è in grado di formare una catena metabolica continua. Poiché diversi tipi di fibra vengono scomposti da molti rappresentanti del microbiota, l'assenza di alcuni di essi non blocca l'inizio della catena metabolica e la fibra alimentare viene scomposta in modo sicuro in metaboliti intermedi. A sua volta, l'assenza di specie batteriche che abbattono specificamente i metaboliti intermedi porta all'accumulo di questi ultimi nel lume intestinale. A differenza delle fibre, i metaboliti intermedi sono in grado di essere assorbiti dall'organismo, aumentando anche le riserve di tessuto adiposo. Pertanto, il "microbiota dell'obesità" contiene una sorta di lacune attraverso le quali l'energia "fluisce" nel corpo umano.

Il presunto "microbiota dell'obesità" è stato supportato da esperimenti sul trapianto di feci da persone di diverso fisico a topi sterili. Per escludere altri fattori, il microbiota per il trapianto è stato reclutato da 8 gemelli, le cui coppie differivano per la presenza e l'assenza di obesità, e i topi, che hanno ricevuto il microbiota da persone con fisici diversi, vivevano separatamente. Il microbiota derivato da gemelli obesi aveva una composizione di specie sparsa rispetto al microbiota più diversificato dei gemelli di corpo normale.

Come risultato dell'esperimento, i topi che hanno ricevuto il "microbiota dell'obesità" hanno mostrato un aumento significativo del grasso corporeo già l'ottavo giorno dopo il trapianto. Allo stesso tempo, la massa di grasso nei topi che hanno ricevuto microbiota da gemelli con peso corporeo normale è rimasta senza cambiamenti significativi durante l'esperimento.

Inoltre, gli autori di questo studio hanno deciso di testare la contagiosità dell'obesità. Per questo, i topi ottenuti a seguito del trapianto di microbiota diversi sono stati posti in una gabbia comune dopo 5 giorni. Il controllo del peso corporeo e della composizione corporea il decimo giorno di convivenza ha mostrato che i topi che hanno ricevuto il "microbiota dell'obesità" hanno guadagnato meno grasso rispetto a topi simili nella prima parte dell'esperimento (che vivono in isolamento), e praticamente non differivano dalla convivenza topi che hanno ricevuto microbiota da gemelli con un fisico normale. L'analisi del microbioma ha mostrato un aumento della diversità del microbiota nei topi che inizialmente hanno ricevuto un "microbiota dell'obesità" uniforme. È importante sottolineare che i topi magri che inizialmente hanno ricevuto un microbiota diversificato non hanno contratto l'obesità dai loro conviventi.

L'analisi dei metaboliti nell'intestino ha mostrato che dopo la convivenza nei topi che inizialmente hanno ricevuto il "microbiota dell'obesità", si è verificata una diminuzione dei disaccaridi e un aumento degli acidi grassi a catena corta. Pertanto, è stato scoperto che un microbiota diversificato protegge dallo sviluppo dell'obesità e il trapianto o il trasferimento naturale di tale microbiota a topi obesi porta a una normalizzazione del peso corporeo.

Conclusione

Va notato che i topi sono coprofagi, il che facilita notevolmente lo scambio naturale del microbiota tra i conviventi. Tuttavia, i risultati degli studi sul microbiota e sull'epidemiologia dell'obesità nell'uomo possono essere spiegati anche dallo scambio di microflora attraverso le interazioni sociali. Sopra, ho parlato di come andare all'asilo aumenti la diversità del microbiota, ma lo scambio di microflora può avvenire anche attraverso altre connessioni sociali e potenzialmente incidere sul rischio di obesità. Ad esempio, un'analisi delle cartelle cliniche di 1.519 famiglie di militari americani ha permesso di stabilire che l'indice di massa corporea dei membri della famiglia dopo essere stati assegnati a una nuova stazione di servizio entro 24 mesi è cambiato secondo gli indicatori della popolazione di l'area. Gli autori di questo e di altri 45 studi simili suggeriscono che le differenze nel nostro fisico rispetto a quello dell'ambiente circostante possono aumentare il disagio psicologico e questo, a sua volta, influisce sul comportamento alimentare e sull'attività fisica. Tuttavia, i tentativi di dimostrare questa relazione causale finora non hanno avuto successo. Nel frattempo, lo scambio di microbiota attraverso l'ambiente e i contatti diretti possono spiegare questo fenomeno.

In questo contesto, anche la mia esperienza di vita può essere interessante. Io stesso sono ancora irriverente e il detto "non per un mangime per cavalli" riguarda me! E da quando ho incontrato mia moglie, ha iniziato a perdere peso di anno in anno. È vero, non ha mai avuto l'obesità, ma dall'inizio della nostra relazione ha perso peso notevolmente. Già da studentessa scherzava dicendo che l'avevo infettata con i miei vermi, ma appena ho trovato lavoro in laboratorio ho controllato tutto e non ho trovato nulla del genere. Poi, per la prima volta, ho suggerito che la questione potrebbe essere nelle peculiarità del mio microbiota, che mia moglie ha gradualmente adottato. Sfortunatamente, è impossibile studiare queste caratteristiche nel nostro laboratorio, quindi ho inviato un campione del mio "mondo interiore" ad Atlas per l'analisi. Scriverò dei risultati dell'analisi nel prossimo articolo, in cui parlerò in dettaglio dei metodi di correzione del microbiota al fine di ridurre il peso corporeo (upd: una storia sui risultati).