Ekologi för tarmens mikrobiom

Av: Zach Aanderud Ph.d.

I denna artikel beskrivs den grundläggande ekologin hos tarmens mikrobiom. Lyfter fram de tre viktigaste fördelarna med ditt tarmmikrobiom, inklusive skydd mot kemiska effekter mellan hjärnan och tarmmikrobiomet

I var och en av våra tjocktarmar lever biljoner mikroorganismer som tillsammans skapar ett stödjande organ i centrum för vår hälsa som kallas tarmmikrobiom. I vår tarm finns den högsta tätheten av mikroorganismer, främst bakterier, men även svampar, arkéer och protister, av alla biomer eller mikrobiomer på jorden. Över 5 000 olika arter av mikroorganismer som väger cirka 2 kg – nästan dubbelt så mycket som vår hjärna – lever i vår matsmältningskanal (Bäckhed et al 2005; Sekirov et al 2009; Sender et al 2016). Vi är själva lika delar bakterier och människor, och antalet celler i vårt mikrobiom är lika stort som antalet celler i våra egna celler.

Om vi dessutom undersöker vilka gener som är ansvariga för aktiviteten kan vår tarmmikrobiota uttrycka ≥ 100 gånger fler gener än vårt eget genom med 3,3 miljoner unika kodande gener jämfört med de 23 000 generna i hela vårt mänskliga genom (Amon och Sanderson 2017).

Men innan vi fokuserar på de många olika och viktiga funktioner som beror på vår genetiska mångfald i tarmmikrobiomet, måste vi diskutera ekologin i våra matsmältningskanaler. På en grundläggande nivå sker vår matsmältning i ett ekosystem där levande (dvs. vår mag-tarmkanal, tarmmikrobiom) och icke-levande komponenter (dvs. den mat vi äter) samverkar. Låt oss gå igenom var och en av dessa komponenter.

Mag-tarmkanalen

Även om näringstillgången är högst i närheten av absorptionsplatserna, innehåller magsäcken och tunntarmen ett relativt litet antal mikroorganismer. Antalet mikroorganismer är begränsat i dessa områden på grund av maginnehållets låga pH-värde, gallsalternas mikrobiella toxicitet och det relativt snabba flödet av matsmältningsämnen. Upp till 90% av nedbrytningen sker på dessa platser med relativt höga koncentrationer av syre (Rinninella et al 2019).

Tjocktarmen, som ligger längst ut i mag-tarmkanalen, håller däremot kvar och fortsätter att smälta maten sex gånger längre än tunntarmen och utför flera andra tjänster åt oss i en syrefattig miljö. I tarmen bildar tarmepitelcellerna ett lager eller en luminal yta eller ett foder i mag-tarmkanalen. Detta lager har två huvudfunktioner: att absorbera nyttiga ämnen i kroppen och att hindra skadliga ämnen eller mikroorganismer från att tränga in. För att dessa uppgifter ska kunna utföras på rätt sätt skapar tarmepitelcellerna en barriär av tarmslemhinna mellan kroppen och tarmen som förhindrar okontrollerad translokation av luminalt innehåll in i kroppen och stänger in bakterier i tjocktarmen.

Tarmmikrobiomet

Över 99 % av vårt tarmmikrobiom finns i tjocktarmen, där bakterierna antingen är mucosaassocierade bakterier som har en långsiktig inverkan på vårt immunförsvar och vår metaboliska hälsa på grund av närheten till epitelet (Juge 2022), eller mer övergående fritt levande bakterier som dagligen passerar genom tjocktarmen. De bakterier som har en nisch i slemhinneskiktet är verkliga invånare i tjocktarmen medan de fritt levande bakterierna bara ”liftar” genom våra tarmar. I tjocktarmen, som är en syrefattig miljö, finns anaeroba bakterier som domineras av bakteriegrupperna Bacillota (tidigare Firmicutes), Bacteroidota, Actinomycetota och Psuedomonadota (tidigare Proteobacteria) och släktena Bacteroides, Clostridium, Faecalibacterium, Eubacterium, Ruminococcus, Peptococcus, Peptostrptococcus och Bifidobacterium (Rinninella et al 2019). Andra släkten som Escherichia och Lactobacillus förekommer i mindre utsträckning.

Din mat

I slutändan består 60 % av torrmassan i vår avföring av bakterier från tarmens mikrobiom. Kol- och energibehovet hos det enorma antalet bakterier i vår tarm tillgodoses av flera källor: komplexa polyfenoler från kosten, smältbara fibrer, andra kolhydrater, proteiner och fetter som har undgått matsmältningen, komponenter i värdsekret (muciner) och slungade epitelceller. Den häpnadsväckande bakteriemångfalden i tjocktarmen visar på en mängd ekologiska nischer som skapas inte bara av vår egen fysiologi utan också genom utvecklingen av komplexa näringsvävar där biprodukter från en bakterie kan bli substrat för andra bakterier (Walter 2008). Vår kost avgör vilka typer av livsmedel som bidrar till att diversifiera vårt mikrobiom.

Tarmmikrobiomet ger en uppsjö av viktiga hälsofördelar, och den här artikeln kommer att belysa tre av dem – att stärka vårt immunförsvar, generera vitaminer/bekämpa toxiner och generera neurotransmittorer som påverkar vårt mentala välbefinnande.

Immunförsvaret stärks

Ett friskt tarmmikrobiom är en enorm boost för ditt immunförsvar, eller det komplexa nätverk av organ, celler och proteiner som försvarar vår kropp mot infektioner. Bakterierna i tjocktarmen förändrar tarmkemin, upptar hela utrymmet i tarmen och utsöndrar antimikrobiella proteiner som stänger ute potentiella patogener. Bakterierna i våra tarmar metaboliserar maten genom fermentering och genererar kortkedjiga fettsyror (SCFA) som ättiksyra, smörsyra och propionsyra. Dessa SCFA förbättrar värdens antibakteriella immunsvar genom att sänka pH-värdet i magsäcken och hämma tillväxten av skadliga patogener som Clostridium difficile (Ouyang et al 2022). Clostridium difficile är en opportunistisk diarrépatogen som orsakar betydande sjuklighet och dödlighet världen över, ofta orsakad av antibiotikabehandlingar (Gregory et al 2021).

De livsmedel som bidrar till ökade nivåer av SCFA är polyfenoler, frukto-oligosackarider samt osmältbara kolhydrater och fibrer som inulin, resistent stärkelse, gummi och pektiner. Dessutom producerar många inhemska och tillfälliga bakterier i våra tarmmikrobiomer små mängder antibakteriella molekyler som kallas bakteriociner (t.ex. microcins, enterocins och staphylococcins) som har förmågan att eliminera specifika koloniserande patogener (Heilbronner et al 2021). SCFA hjälper också till att upprätthålla integriteten hos tarmepitelcellerna.

Obalans mellan mikroorganismer eller nedbrytning av slemhinnans barriär ökar epitelets permeabilitet i tarmen i en process som kallas dysbios. Tyvärr förvärrar tarmdysbios flera autoimmuna sjukdomar, inklusive reumatoid artrit, multipel skleros och celiaki (Chang och Choi 2023; Chen och Vitetta 2021). Ett friskt tarmmikrobiom bidrar på ett dramatiskt sätt till att upprätthålla homeostas i kroppen och stöder ett välfungerande immunsystem.

Vitaminer och toxiner

Specifika vitaminer, som är viktiga för vår hälsa, genereras endast i våra tarmmikrobiomer. De flesta vitaminer måste tillföras exogent från externa källor. Vitaminer finns i olika livsmedel, men det innebär att brist kan uppstå på grund av dåliga kostvanor.

Oväntat nog kan vår tarmmikrobiom syntetisera vitaminer de novo (från början), särskilt upp till 30 % av vitamin K och vitaminer i B-gruppen som riboflavin, niacin och kobalamin (Nysten och Dijick 2023). K-vitamin är nödvändigt för benhälsa, kognitiva funktioner och hjärthälsa, och B-vitaminer är nödvändiga för att upprätthålla en god allmänhälsa och påverkar energinivåer, hjärnfunktion och cellmetabolism.

Vitaminer är viktiga för vår hälsa, men andra kemiska ämnen är extremt skadliga för oss. Vi bombarderas ständigt med xenobiotika (dvs. kemiska ämnen som normalt inte förekommer i levande organismers miljö) från antropogent genererade föroreningar till livsmedelstillsatser och bekämpningsmedel. Utan vår tarmmikrobioms metabolism skulle många xenobiotika nå toxiska koncentrationer (Croom 2012). På grund av den genetiska mångfalden innehåller en frisk tarm en kraftfull metaboliseringskapacitet för biotransformering av en myriad av xenobiotika som vida överstiger vår egen metaboliska potential (Dikeocha et al 2022; Abdelsalam et al 2020).

Sambandet mellan tarm och hjärna

Din hjärna och ditt tarmmikrobiom har en kontinuerlig dialog via miljontals nervceller. Kopplingen mellan tarm och hjärna är den biokemiska signalering som sker mellan de bakterier som lever i din mag-tarmkanal och ditt centrala nervsystem. De biokemiska signalerna initieras av neurotransmittorer (Reynoso-Garcia et al 2022) som SCFA (Obata och Pachnis 2016), 5-hydroxytryptamin (5-HT, serotonin), γ-aminosmörsyra (GABA; Pokusaeva et al 2017), och hormoner som kortisol (Valles-Colomer et al 2019). Tillsammans påverkar tarmarna och hjärnan direkt eller indirekt känslor, kognition och patofysiologin vid hjärnsjukdomar.

Till exempel genereras 95 % av vår signalsubstans serotonin i tarmen, som reglerar känslor (dvs. humör, sömn, matsmältning, illamående, läkning, benhälsa, blodkoagulering och sexuell lust; Terry och Margolis 2017). Andra neuropsykiatriska sjukdomar, t.ex. depression, är också relaterade till tarmdysbios. Generellt står en minskning av Bacillota-bakterier för en minskning av SCFA vid depression, vilket påverkar tarmbarriären (Huang et al 2018). Bifidobakterienivåerna minskade också vid depression och återinförandet av probiotiska arter som Bifidobacterium longum och Bifidobacterium breve minskade depressivt beteende och ökade utsöndringen av 5-hydroxitryptofan och butyrat (Tian et al 2019).

I slutändan, när vi har en magkänsla, fjärilar i magen eller litar på vår magkänsla, lyssnar vi delvis på samspelet mellan ditt tarmmikrobiom och hjärnan.

Tillsammans med våra tarmmikrobiomer bildar vi en ”superorganism”. Vi är beroende av varandra. Med biljoner celler, tusentals olika arter och relativt obegränsad genfunktion utför våra tarmmikrobiomer dagligen viktiga funktioner i våra liv som vi i hög grad underskattar. Vi måste uppskatta och vårda våra mikrobiomer så att vi kan dra full nytta av våra hälsocenter.

Om författaren

Zach Aanderud har en doktorsexamen och är professor i mikrobiell ekologi och biogeokemi vid Brigham Young University. Han är född och uppvuxen i Portland, Oregon, och har studerat vid BYU, University of California Davis och Michigan State University.

Referenser

Abdelsalam NA et al (2020) Toxicomicrobiomics: det mänskliga mikrobiomet vs. farmaceutiska, dietära och miljömässiga xenobiotika. Front Pharmacol 11. DOI: 10.3389/fphar.2020.00390

Amon P och Sanderson I (2017) Vad är mikrobiomet? Arch Dis Child Educ Pract Ed 102:258-261. DOI: 10.1136/archdischild-2016-311643

Bäckhed F et al (2005) Host-bacterial mutualism in the human intestine. Vetenskap 307: 1915-20. DOI: 10.1126/science.1104816

Chang S och Choi Y (2023) Tarmdysbios vid autoimmuna sjukdomar: samband med dödlighet. Front Cell Infect Microbiol 31. DOI: 10.3389/fcimb.2023.1157918

Chen J och Vitetta L (2021) Intestinal dysbios vid celiaki: minskad produktion av buyturat kan underlätta uppkomsten av sjukdomen. PNAS 118: 41 e2113655118. DOI: 10.1073/pnas.2113655118

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

Dikeocha IJ et al (2022) Pharmacomicrobiomics: påverkan av tarmmikrobiota på läkemedels- och xenobiotisk metabolism. FASEB 36:6. DOI: 10.1096/fj.202101986R

Gregory AL, Pensinger DA, Hryckowian AJ (2021) En kortkedjig fettsyra-centrerad syn på Clostridioides difficile patogenes. PLoS Pathog 17: 10 e1009959. DOI 10.1371/journal.ppat.1009959

Heilbronner S et al (2021) Bakteriocinernas mikrobiomformande roll. Nature Reviews Microbiology 19: 726-739. DOI: 10.1038/s41579-021-00569-w

Huang Y et al (2018). Möjligt samband mellan Firmicutes och tarmmikrobiotan hos patienter med egentlig depression. Neuropsychiatr Dis Treat 14: 3329-3337. DOI: 10.2147/NDT.S188340

Juge N (2022) Förhållandet mellan mucosa-associerad tarmmikrobiota och sjukdomar hos människor. Biochem Soc Trans 50(5): 1225-1236. DOI: 10.1042/BST20201201

Knudsen JK et al (2021) Fekal mikrobiotatransplantation från patienter med depression eller friska individer till råttor modulerar humörrelaterat beteende. Sci Rep 11: 21869. DOI: 10.1038/s41598-021-01248-9

LeBlanc et al (2013) Bakterier som vitaminleverantörer till sin värd: ett tarmmikrobiotaperspektiv. Aktuellt yttrande Biotech 24: 2. DOI: 10.1016/j.copbio.2012.08.005

Obata Y och Pachnis V (2016) Effekten av mikrobiota och immunsystemet på utvecklingen och organisationen av det enteriska nervsystemet. Gastroenterologi 151: 836-844. DOI: 10.1053/j.gastro.2016.07.044

Ouyang Z et al (2021) Kortkedjiga fettsyrors roll vid infektion med Clostridioides difficie: En översikt. Anaerobe 75: 102585 DOI: 10.1016/j.anaerobe.2022.102585

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

Reynoso-Garcia et al (2022) En komplett guide till mänskliga mikrobiomer: Kroppsnischer, överföring, utveckling, dysbios och restaurering. Front Syst Biol 2. DOI: 10.3389/fsysb.2022.951403

Rinninella E et al (2019). Vad är den hälsosamma sammansättningen av tarmfloran? Ett föränderligt ekosystem som påverkas av ålder, miljö, kost och sjukdomar. Mikroorganismer 7: E14. DOI: 10.3390/microorganisms7010014

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

Sekirov I, Russell SL, Antunes LC, Finlay BB (2019) Gut microbiota in health and disease. Fysiol. Rev. 90:859-904. DOI: 10.1152/physrev.00045.2009.

Sender et al (2016) Reviderade uppskattningar av antalet mänskliga celler och bakterieceller i kroppen. 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., m.fl. (2019). Den neuroaktiva potentialen hos människans tarmmikrobiota i samband med livskvalitet och depression. Nat. Mikrobiol. 4, 623-632. doi:10.1038/s41564-018-0337-x

Terry N och Margolis KG (2017) Serotonergic Mechanisms Regulating the GI Tract: Experimental Evidence and Therapeutic Relevance. Handb Exp Pharmacol 239: 319-342. DOI: 10.1007/164_2016_103

Tian P et al (2019) Intag av Bifidobacterium longum subspecies infantis stam CCFM687 reglerade emotionellt beteende och den centrala BDNF-vägen i kroniska stressinducerade depressiva möss genom omformning av tarmmikrobiotan. Mat Funct 10: 7588-7598. DOI: 10.1039/c9fo01630a