Коренные микробы и особенности пищеварения
Термин «холобионт» объединяет организм хозяина и его коренных микробов (indibiome), совокупность генетического материала в системе хозяин-микроб дает более точное описание сложной системы и за счет возможностей направленного изменения микробиоты позволяет исправлять состояния характеризующиеся как дистресс.
Непереносимость лактозы — набор симптомов, проявляющихся как дискомфорт, вздутие кишечника, жидкий стул и диарея при употреблении молока или продуктов содержащих лактозу. Симптомы связывают с активным ростом бактерий в нижних отделах кишечника, в случае, если лактоза не переварилась ферментом (лактазой) нашего организма в верхних отделах.
Исследование эффекта непереносимости лактозы (НЛ) натолкнуло на размышления об эволюции пищеварения, выявило наличие противоречий в описании специалистами и подсказало некоторые решения для улучшения здоровья гика. По многим параметрам НЛ не является хорошей моделью для других видов реакций на продукты, что не мешает на основе нижеприведенного материала строить весьма правдоподобные гипотезы о взаимодействии генов нашего организма и генами микробов населяющих наш кишечник.
Пищеварение 101
Процесс переваривания пищи в организме человека начинается во рту с фермента амилазы, расщепляющего сложные углеводы (крахмал) до более простых сахаров, затем в желудке пепсин и другие ферменты расщепляют белки, далее, в двенадцатиперстной кишке ферменты поджелудочной железы расщепляют жиры. белки, углеводы и нуклеиновые кислоты, в следующем отделе, тонком кишечнике, ферменты секретируются самими клетками кишечника и отвечают за расщепления оставшихся сахаров и жиров, и, наконец, в толстой кишке бактерии занимаются расщеплением сложных полисахаридов (пищевых волокон). Эволюционно сложилось так, что множество различных бактерий в кишечнике используются для расщепления огромного количества вариантов связей в полисахаридах. В базе данных ферментов для работы с полисахаридами (CaZymes) бактерии лидируют, у них 12743 различных ферментов, а эукариоты представлены всего 243 ферментами. Простая интерпретация такова: растения строят свои клеточные стенки тысячами разным способов, и для макро-организма совсем не выгодно самому эволюционировать и под каждое растение иметь новый ген, гораздо экономичнее носить с собой арсенал бактерий, емкость генома которых превосходит нашу на порядки, и более того, бактерии могут быстро делиться, а значит мутировать и обмениваться генетическим материалом горизонтально.
Непереносимость лактозы
Млекопитающие теряют способность переваривать лактозу при достижении определенного возраста, в связи с окончанием грудного вскармливания. Одним из важнейших событий в развитии общества скотоводов стало обретение и распространение генетической мутации способствующей перевариванию лактозы во взрослом возрасте. Достаточно хорошо исследована генетика европейцев, показано, что существует характерная генетическая мутация у европейского населения, при наличии которой ген лактазы, фермента ответственного за переваривание лактозы в тонком кишечнике, экспрессируется и во взрослом возрасте. Согласно имеющимся данным лактозная непереносимость может быть связана с коморбидностью широкого спектра заболеваний: от остеопороза, связанного с недостатком кальция, до воспалительных заболеваний кишечника (ВЗК), так как предполагается, что системное раздражение кишечника увеличивает риск ВЗК.
Бактерии кишечника являются основным фактором создающим симптомы, предполагается, что состав микробиоты связан с тяжестью проявления НЛ, или же наоборот определенный состав может нивелировать эффекты лактозы. Предварительные данные эпидемиологических исследований выявили ассоциации бактериальных видов с наличием симптомов. В связи с этим концепция коренных микробов (см. Коренные микробы) обретает новые грани смысла.
Поле для анализа данных
Одна из публикаций (см. Коренные микробы влагалища) вызвала бурное обсуждение на тему уместности подобных статей на Хабр, предлагаю коллегам интересующимся анализом данных присоединиться к исследованию темы. Интересно, что систематически вопрос непереносимости лактозы не изучен, так как ЛН не является заболеванием и по большей части относится обычными врачами в ту же категорию, что и аллергии на отдельные продукты.
Возможно системно подойти к вопросу с точки зрения данных: провести текст майнинг литературы (более 3000 статей), выбрать все известные генетические полиморфизмы человека, ассоциированные с переносимостью лактозы (по оценкам не менее нескольких десятков), составить базу данных частот мутаций в различных этносах, сделать с помощью подходов текст-майнинга карту области знаний, где будут связаны между собой заболевания, генотипы, методики проведения тестирования НЛ, микробные таксоны и симптомы. Может быть проведен анализ геномов кишечных бактерий и метагеномных данных для создания ортологии бета-галактозидаз и их встречаемости у кишечных бактерий.
Пищевые аллергии и непереносимости
Оценка экономического обременения от пищевых аллергий и непереносимостей в США — 25 млрд. долларов в год (ссылка), и это только для детей в возрасте до 16 лет. Стоит различать аллергии и непереносимости, аллергия подразумевает, что пищевой компонент становится антигеном и при увеличении дозы или частоты воздействия аллергена развивающаяся реакция иммунной системы может привести к летальному исходу, самыми распространенными аллергенами являются орехи и морепродукты. Пищевая непереносимость проявляется при отсутствии значительной реакции со стороны иммунной системы, однако в результате неполного или неверного пищеварения компоненты продуктов вызывают такие симптомы как тошнота, диарея, газообразование. Считается, что непереносимость отдельных компонентов гораздо более распространена и дозозависима: до какого-то количества организм способен усвоить пищевой компонент, а выше определенного порога возникают симптомы. Самым распространенным примером пищевой непереносимости является непереносимость лактозы (НЛ).
У взрослого человека, хорошо усваивающего молоко, фермент ответственный за переваривание лактозы (лактаза) обнаруживается в ворсинках энтероцитов тонкого кишечника, в случае НЛ фермент определяется лишь в редких энтероцитах внутри одной и той же ворсинки. Возможность переваривания лактозы определяется в основном уровнем экспрессии гена, а значит определяется генетически.
Генетика непереносимости лактозы
Частота НЛ и возраст ее проявления зависит зависит от этноса (Heyman, 2006; Swallow, 2003). Среди испанцев частота до 8- процентов, Ашкенази 60–80%, Азиаты и Американские индейцы до 100%. Обратная ситуация сложилась среди Северо-Европейских этносов (Johnson, 1981), где НЛ встречается у 2%. В большинстве работ обнаруживается один и тот же полиморфизм отвечающий за поддержание высокого уровня лактазы (C/T-13910). Этот полиморфизм расположенный выше гена лактазы в геноме на 13.9 тысяч пар оснований объясняет большинство случаев переносимости лактозы в европейской популяции (Enattah et al., 2007). К настоящему времени известны по крайней мере 8 уникальных нуклеотидных полиморфизмов, характерных для той или иной расы, связанные с непереносимостью лактозы (Torniainen et al., 2009).
Несмотря на то, что сами симптомы исчезают при отказе от употребления молока, американское общество гастроэнтерологов считает, что полученные показатели коморбидности указывают на значимость исследования вопроса НЛ.
Существует ряд свидетельств ассоциации НЛ и заболеваний, в частности остеопороза, депрессии, боли в животе, синдром раздраженного кишечника и непереносимость фруктозы (Schiffner et al., 2016).
Определение непереносимости лактозы
Клинические методики определения непереносимости лактозы включают в себя следующие методы:
1) Тест на непереносимость лактозы. Проводится измерение глюкозы в крови через два часа после употребления напитка с лактозой. Если уровень глюкозы не повысился, значит лактоза не переварилась.
2) Дыхательный тест на водород. После употребления напитка с лактозой измеряется концентрация водорода в выдыхаемом воздухе. В случае непереносимости, его уровни будут повышены, т.к. лактоза будет метаболизирована в толстом кишечнике до водорода, который затем выводится через дыхание.
3) 13C-тест — тест на концентрацию модифицированного углерода, проводится после употребления напитка с 13C-меченной лактозой. В случае ее переваривания в тонком кишечнике, в крови можно детектировать 13С-меченную глюкозу.
4) Тест на кислотность кала. Для детей, которые не могут пройти вышеуказанные тесты в силу совсем юного возраста, используется тест на кислотность кала. Ферментирование лактозы в толстом кишечнике приводит к закислению кала (за счет молочной кислоты).
Роль микробиоты
Роль микробиоты в развитии и тяжести симптомов не до конца выяснена. Предполагается, что непереваренная лактоза поступает из тонкого кишечника в толстый ферментируется микробиотой кишечника. В процессе ферментации образуются короткоцепочечные жирные кислоты, водород, метан и углекислый газ, тем самым увеличивается внутрикишечное давление и время кишечного транзита. Закисление содержимого толстой кишки и увеличение осмотической нагрузки приводит к увеличению секреции электролитов и жидкости, что и вызывает к жидкий стулу и диарею.
Существуют исследования, которые показывают повышение цитотоксичности фекальных вод у лиц с НЛ (Windey et al.,2015). Группа Кэмпбелла в Великобритании разрабатывает теорию о специфических бактериальных токсинах (Campbell et al., 2010), предполагая, что определенный состав микрофлоры, при попадании такого высоко-энергетического ресурса как лактоза, приводит к наработке низко- или высоко- молекулярных бактериальных токсинов, вызывающих симптомы.
Первые эпидемиологические исследования выявили (Kurilshikov et. al 2016) связь генетического полиморфизма, состава микробиоты и проявления симптомов. Однако в целом вопрос влияния состава микробиоты как фактора в проявлении симптомов НЛ не изучен.
Кисломолочные продукты
Интересным в ключе влияния коренных микробов является объяснение возможностей людей с НЛ переваривать кисломолочные продукты. Большинство кисломолочных продуктов (кефир, йогурт) по количеству лактозы не сильно отличаются от молока, однако их употребление даже при наличии НЛ не приводит к появлению симптомов.
Важное замечание.
Поскольку тема не обсуждается в учебниках, то часто коллеги приводят необоснованные утверждения, без доказательств, полагая, что только отсутствие лактозы позволяет пить кефир.
Так например, в Журнале «Химия и Жизнь» www.hij.ru/read/articles/all/5394 утверждается, что в кефире нет лактозы. Более того, уважаемый журнал еще и троллит Малышеву (у нас с ней на Хабр уже есть общее прошлое (ссылка)).
В принципе задав вопрос «доктору Гуглу» можно встретить различные толкования, большая часть коллег по-видимому думает, что раз кефир не вызывает реакции, то и лактозы в нем нет.
На самом деле есть.
Оригинальная статья с измерением (молоко 5 г. лактозы, кефир 3.7 г.) (ссылка)
Большая часть работ ссылается на Renner and Renz-Schaven, 1986 или Hallé et al., 1994, где на 100 г. кефира 4 г. лактозы.
Вывод: в кефире достаточно лактозы.
Честно говоря, я сам был удивлен, что в кисломолочных продукта так много лактозы. Тем интереснее было разобраться в деталях. В работе (de Verse et al., 2001) раскрывается механизм, согласно которому, микробная бета-галактозидаза содержащаяся в ферментированных молочных продуктах избегает переваривания в желудке, так как находится в клеточной мембране бактерий и в момент попадания в верхние отделы кишечника осуществляет гидролиз лактозы.
Еще раз. Микробы из ферментированных продуктов дают нам свои ферменты, донося их до верхних отделов кишечника в своих телах. В тонком кишечнике бактериальные ферменты помогают нам переварить лактозу, и она не попадает в толстый кишечник, и следовательно не возникает симптомов НЛ.
Рассуждения
Такие же рассуждения применимы ко многим ферментированным продуктам, для которых в ходе развития человечества были подобраны условия ферментирования. Чаще всего растительны продукты могут ферментироваться indibiom-ом живущим прямо на листьях, как например квашенная капуста. Ферментирование суть внешнее (по отношению к человеческому) пищеварение, и более ферментированые продукты содержат смесь ферментов для наилучшего усвоения продуктов внутри нашего кишечника.
Еще одно наблюдение: бактерии являются фактором, который может как в положительную, так и в отрицательную сторону повлиять на пищевую непереносимость. И по-видимому, существует оптимальная комбинация микробиома кишечника и микробиома продукта, при которых негативные реакции будут отсутствовать.
Заключение
Описанная выше проблема во многом не удостоена должного внимания, так как официально НЛ не считается заболеванием и данные по экономическому отягощению, коморбидности и статистике заболевания достаточно фрагментарны. В то время как многие вопросы решаются сегодня национальными или международными обществами или консорциумами — вопрос лактозной непереносимости остается без внимания. Связанный с этим факт — это разобщенность исследователей и исследований: используются разные технологии оценки, или протоколы оценки НЛ, рассматриваются отдельные полиморфизмы, отсутствует стандартизованный валидированный опросник и координация в направлении эпидемиологических исследований.
Почему это важно
Возможность использовать молоко в пищу считается мощным эволюционным толчком в развитии человечества, появление мутации позволяющей переваривать лактозу по расчетам (Bersaglieri, T. et al. 2004) увеличила количество здорового потомства на 19% у ее обладателей. Пока не существует данных, но очевидно, что микробная часть холобионта так же ко-эволюционировала с человеческим пищеварением, возможно так же компенсируя недостаток лактазы особи с НЛ. Расшифровка механизмов микробной адаптации в случае НЛ позволила бы перейти к исследованию процессов коэволюции.
Данные по коморбидности так же говорят о значимости ЛН в патогенезе многофакторных заболеваний, здесь микробная компенсация и корректный контроль за состоянием непереносимости привел бы к прямым экономическим последствиям — увеличения численности трудоспособного населения.
Исследование ферментированных продуктов, потенциально позволит корректировать микробиоту без использования лекарств или пищевых добавок. Работа с пищевыми непереносимостями с использованием ферментированных продуктов несомненно находится в сфере интересов не только здравоохранения, но и фармацевтики и пищевых компаний.
Лактозная непереносимость является хорошим модельным объектом для исследования и решения вопросов пищевой непереносимости в целом. Хотя механизмы могут отличаться в случае других непереносимостей, сам подход к исследованию вопроса может быть расширен на другие проблемы: обнаружение генетических зависимостей, определение механизмов регуляции активности ферментов, поиск связей с микробиотой кишечника и коррекция микробиоты с целью уменьшения негативных эффектов непереносимости.
