Współpraca jelit i mózgu - modulowanie psychiki, mięśni i układu odpornościowego

W ostatnich latach, dzięki intensywnym badaniom, nasi mikrobiologiczni współmieszkańcy jelit zrobili niemalże sensacyjną karierę. Jeszcze kilkadziesiąt lat temu były one mało znane i uważano je co najwyżej za pomocników w trawieniu i dostawców kilku witamin. Obecnie sytuacja ta uległa gruntownej zmianie. Każdego roku badania nad mikrobiomem ujawniają zdumionej opinii publicznej odkrycia, które wcześniej mało kto kojarzył z florą jelitową znaną jako mikrobiom. Nie wszystko zostało zbadane w najdrobniejszych szczegółach. Wiele wiemy jedynie z eksperymentów na zwierzętach, których wyniki można przenosić na ludzi jedynie z zachowaniem ostrożności. Niemniej jednak mamy już dość kompleksowy przegląd tego, co robi i może robić flora jelitowa.

Flora jelitowa jest zróżnicowana i unikalna jak odcisk palca

Każdy człowiek ma typową florę jelitową, która powinna być tak unikalna jak odcisk palca. Jest to jedno z podstawowych odkryć Human Microbiome Project, który postawił sobie za cel przeanalizowanie złożonego ekosystemu zwanego ludzkim mikrobiomem jak największej liczby osób. Badacze zwrócili szczególną uwagę na florę jelitową, ponieważ jest ona prawdopodobnie najważniejszą częścią mikrobiomu. Jest ona głównie domem dla bakterii, ale także wirusów i grzybów. Do tej pory zidentyfikowano około 1000 różnych gatunków bakterii. Ponieważ metody identyfikacji są stale udoskonalane, należy się spodziewać, że liczba nowo odkrytych bakteryjnych współmieszkańców jeszcze wzrośnie. Pomimo dużej zmienności, naukowcy zidentyfikowali również wzorce w składzie flory jelitowej, które można pogrupować w trzy typy flory jelitowej znane jako enterotypy. Naukowcy pracują obecnie nad skorelowaniem tych indywidualnych enterotypów z pewnymi cechami ludzkimi.

Jelita rozmawiają z mózgiem - co robi oś jelitowo-mózgowa

Termin "oś jelitowo-mózgowa" opisuje ścieżkę komunikacji między jelitami a mózgiem, która przez długi czas pozostawała niezauważona i nie była również uważana za możliwą. Jest to nic innego jak kontrola funkcji mózgu przez jelita. Dla wielu jest to nadal trudne do strawienia, ponieważ nadaje terminowi "przeczucie" zupełnie nowe znaczenie. Co więc kryje się za osią jelitowo-mózgową i jak powinniśmy sobie wyobrażać, że funkcje mózgu są kontrolowane przez jelita? Oczywiście rozmowy między jelitami a mózgiem nie należy wyobrażać sobie w sensie dosłownym. Nawet jeśli natura komunikacji nie została jeszcze wyjaśniona we wszystkich częściach lub przeszła etap obserwacji eksperymentalnych na zwierzętach, dzisiejsze badania uważają, że jelito z jego florą jelitową może kontaktować się z mózgiem w celu wymiany informacji na co najmniej trzy sposoby. Należą do nich w szczególności nerw błędny, który łączy jelita z mózgiem w sposób komunikacyjny. Ważną rolę odgrywają również hormony i neuroprzekaźniki, takie jak serotonina, dopamina czy melatonina. Wszystkie one są produkowane w jelitach i działają w komórkach nerwowych mózgu. Ponadto w komunikacji biorą udział produkty przemiany materii bakterii jelitowych. Na przykład kwas masłowy może zmieniać właściwości bariery krew-mózg. Cząsteczki immunologiczne i cytokiny wytwarzane przez bakterie jelitowe mogą również wpływać na fizjologię komórek nerwowych.

Mikrobiom jelitowy wpływa na psychikę - mogą istnieć psychobiotyki

Badania nad składem i funkcją flory jelitowej wskazują, że charakter jej składu wpływa na funkcjonowanie mózgu i równowagę psychiczną. Jeśli flora jelitowa jest zaburzona, a bakterie o szkodliwym wpływie zyskują przewagę, koreluje to z zaburzeniami samopoczucia psychicznego, aż po choroby psychiczne, takie jak depresja, co udowodniła grupa naukowców z Belgii. Naukowcy zbadali 1000 próbek kału pod kątem ich składu mikrobiologicznego i skorelowali to ze zdrowiem psychicznym ich właścicieli. W procesie tym zidentyfikowali szczepy bakterii, które występują częściej u osób o dobrym zdrowiu psychicznym. I odwrotnie, brak tych bakterii wskazywał na zaburzenia psychiczne, w tym depresję. Staje się to ekscytujące, jeśli chodzi o leczenie zaburzeń psychicznych poprzez ukierunkowane podawanie takich bakterii. Nie ma jeszcze wystarczających danych na ten temat, które pozwoliłyby na terapeutyczne wykorzystanie koktajlu psychoaktywnych bakterii jako psychobiotyków. W każdym razie byłoby to pożądane, ponieważ dostępne obecnie leki psychotropowe mają swoje wady.

Flora jelitowa kontroluje wzrost mięśni - bakterie jelitowe działają jak sterydy anaboliczne

Ukierunkowane działania treningowe promują wzrost mięśni i mogą zrekompensować patologiczną lub związaną z wiekiem utratę mięśni. To, czy mikrobiom w jelitach również odgrywa decydującą rolę w tym procesie, nie jest jeszcze w pełni zrozumiałe. Badania na zwierzętach przeprowadzone na myszach wskazują, że mikrobiom w całości wspiera trening budujący mięśnie zwierząt. W tym celu u myszy najpierw całkowicie zniszczono florę bakteryjną za pomocą antybiotyków. Następnie zwierzęta trenowały na bieżni, podobnie jak ich nieleczone osobniki. U zwierząt z nienaruszonym mikrobiomem efekt treningu, mierzony jako przyrost masy mięśniowej, był znacznie większy niż u zwierząt bez mikrobiomu. To, czy za efekt anaboliczny odpowiedzialne są konkretne szczepy bakterii, czy też wytwarzane przez nie substancje anaboliczne, zostanie wyjaśnione w dalszych badaniach.

Mikrobiom moduluje odporność - aktywowana jest niespecyficzna obrona immunologiczna

W jaki sposób układ odpornościowy może szybko reagować na patogeny i chronić ludzi przed infekcjami? Jedną z odpowiedzi jest mikrobiom. Z grubsza rzecz biorąc, układ odpornościowy składa się z dwóch działów: wrodzonego, nieswoistego układu odpornościowego i adaptacyjnego, swoistego układu odpornościowego. Mikrobiom komunikuje się ze strukturami wrodzonego układu odpornościowego zwanymi komórkami dendrytycznymi i wprowadza je w stan ciągłej gotowości do reakcji. Aktywowany w ten sposób wrodzony układ odpornościowy jest w stanie szybko zareagować na intruzów z dróg oddechowych, jelit lub przez skórę, a w drugim etapie zaalarmować specyficzny układ odpornościowy. Jeśli aktywacja nie nastąpi z powodu zaburzeń mikrobiomu, obrona immunologiczna nie może odeprzeć napastnika tak szybko, jak wykazały eksperymenty z myszami bez zarazków. Opóźnia to również aktywację specyficznego układu odpornościowego. Immunolodzy z berlińskiego Charité badają, które biomolekuły są odpowiedzialne za komunikację między mikrobiomem a układem odpornościowym.

Odporność na kolonizację - bakterie jelitowe chronią przed patogenami

Zdrowa flora jelitowa jako część ludzkiego mikrobiomu składa się z dużej liczby mikroorganizmów. Nowoczesne metody analityczne nieustannie odkrywają nowe, nieznane wcześniej gatunki bakterii. Obecnie badania zakładają istnienie co najmniej 1000 różnych bakterii jelitowych oraz w dużej mierze nieznanej liczby wirusów i grzybów. Ta różnorodność mikrobiologiczna jest ważnym składnikiem odporności na kolonizację, która hamuje pojawianie się innych bakterii i chroni przed patogenami. W ten sposób zdrowa flora jelitowa zapewnia, że patogeny nie mogą namnażać się w jelitach i przedostawać się do krwiobiegu przez błonę śluzową jelit.

Mikrobiom jest bioreaktorem - bakterie produkują ważne biomolekuły

Komunikacja między jelitami a mózgiem odbywa się zarówno nerwowo za pośrednictwem nerwu błędnego, jak i humoralnie za pośrednictwem neuroprzekaźników i neurohormonów. Większość przekaźników humoralnych jest produkowana w jelitach przez bakterie jelitowe, ale także w mózgu. Zapewnia to wzajemną komunikację. Serotonina, noradrenalina i dopamina są zaangażowane w komunikację humoralną. Serotonina jest również znana jako hormon szczęścia i znacząco przyczynia się do dobrego samopoczucia psychicznego.
Mniej znane są krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe, które są również produkowane przez bakterie jelitowe. Należą do nich kwas masłowy (butanian) i kwas walerianowy (pentanian), które według badań przeprowadzonych przez uniwersytety w Würzburgu i Marburgu sprawiają, że komórki odpornościowe są bardziej agresywne. Gdyby możliwe było wykorzystanie tego efektu dwóch kwasów tłuszczowych w ukierunkowany sposób terapeutyczny, terapie przeciwnowotworowe mogłyby być bardziej skuteczne. Taką nadzieję mają naukowcy.
Bakterie flory jelitowej produkują również witaminy. Należą do nich biotyna, kwas foliowy, witaminy B2 i B12, a także witamina K. Wiadomo, że znaczna część dziennego zapotrzebowania na witaminę B12 jest wytwarzana przez bakterie jelitowe.

Wniosek: Każdy, kto wierzy, że wszystko już wiadomo o jelitach i ich florze jelitowej i że nic nowego nie można odkryć, jest w błędzie. Obecne programy badawcze bardzo intensywnie poszukują możliwości leczenia niektórych chorób poprzez ukierunkowane zmiany flory jelitowej. Sięga to aż do całkowitego zastąpienia patologicznie zmienionej flory jelitowej zdrową o pożądanych cechach.

Źródło: Valles-Colomer, M., et al. Neuroaktywny potencjał ludzkiej mikroflory jelitowej w jakości życia i depresji. Nat Microbiol 4, 623-632 (2019). https://doi.org/10.1038/s41564-018-0337-x
Taylor R. Valentino, et al. Dysbiosis of the gut microbiome impairs mouse skeletal muscle adaptation to exercise, The Journal of Physiology, First published: 26 September 2021,https://doi.org/10.1113/JP281788
Laura Schaupp et al. Microbiota-Induced Type I Interferons Instruct a Poised Basal State of Dendritic Cells, Cell Volume 181, ISSUE 5, P1080-1096.e19, May 28, 2020DOI:https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.04.022
Maik Luu, et al. Mikrobiologiczne krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe modulują odpowiedzi komórek T CD8 + i poprawiają adoptywną immunoterapię raka. Nature Communications, https://doi.org/10.1038/s41467-021-24331-1