Έντερο: Όταν τελειώνουν οι φυτικές ίνες, τα βακτήρια μπορεί να «τρέφονται» από την προστατευτική βλέννα

Η κατανάλωση περισσότερων φυτικών τροφών συνδέεται ευρέως με καλύτερη υγεία, αλλά οι επιστήμονες εξακολουθούν να διερευνούν τους λόγους. Νέα έρευνα δείχνει ότι οι φυτικές ίνες δεν είναι η μόνη παράμετρος: ορισμένες φυτικές πρωτεΐνες που αντιστέκονται στην πέψη μπορεί επίσης να επηρεάζουν σημαντικά τα βακτήρια του εντέρου και τις ουσίες που παράγουν, οι οποίες μπορεί να είναι ωφέλιμες ή δυνητικά επιβλαβείς.

Οι φυτικές διατροφές υποστηρίζουν την υγεία του πεπτικού συστήματος, τη λειτουργία του ανοσοποιητικού, τον μεταβολισμό και την καρδιαγγειακή υγεία. Ένας από τους λόγους είναι ότι συμβάλλουν στη διατήρηση μιας ποικιλόμορφης κοινότητας μικροοργανισμών στο έντερο, γνωστής ως εντερικό μικροβίωμα. Πολλά από αυτά τα βακτήρια είναι ωφέλιμα και βοηθούν στη διάσπαση συστατικών της τροφής που το ανθρώπινο πεπτικό σύστημα δεν μπορεί να επεξεργαστεί μόνο του.

Οι φυτικές ίνες είναι ιδιαίτερα σημαντικές, επειδή αποτελούν τροφή για τα μικρόβια του εντέρου. Τα φυτά περιέχουν επίσης φυτοχημικές ουσίες, φυσικές ενώσεις που συχνά δίνουν στα φρούτα και τα λαχανικά τα έντονα χρώματά τους και τα προστατεύουν από περιβαλλοντικές απειλές. Οι ενώσεις αυτές μπορεί να συμβάλλουν και στην ανθρώπινη υγεία. Ωστόσο, οι ερευνητές μόλις έχουν αρχίσει να κατανοούν τις σύνθετες χημικές αλληλεπιδράσεις που προκύπτουν όταν τα βακτήρια του εντέρου μεταβολίζουν φυτικές τροφές.

Δύο μελέτες με επικεφαλής την Jenna AbuSalim και τον Joshua Rabinowitz, διευθυντή του παραρτήματος του Princeton του Ludwig Institute for Cancer Research, προσφέρουν νέα στοιχεία. Η μία, που δημοσιεύθηκε στο Proceedings of the National Academy of Sciences, δείχνει πώς οι φυτικές ίνες και ορισμένες πρωτεΐνες επηρεάζουν τα βακτήρια του εντέρου, ευνοώντας την παραγωγή ωφέλιμων αντί δυνητικά επιβλαβών ουσιών. Η δεύτερη, που δημοσιεύθηκε στο Nature Metabolism τον Ιούνιο, αμφισβητεί την πάγια αντίληψη ότι πολλές σημαντικές χημικές ενώσεις που κυκλοφορούν στον οργανισμό προέρχονται αποκλειστικά από τα εντερικά μικρόβια.

«Σε πολλούς τομείς της ιατρικής αυξάνεται το ενδιαφέρον για την τροποποίηση του ανθρώπινου μικροβιώματος ή για τη χρήση των μεταβολικών προϊόντων του ως θεραπείας», δήλωσε ο Rabinowitz. «Η διατροφή υπόσχεται πολλά ως τρόπος ελέγχου του μικροβιώματος και των προϊόντων του. Για να σχεδιάσουμε, όμως, αποτελεσματικές θεραπευτικές παρεμβάσεις, πρέπει να κατανοήσουμε ποια συστατικά της διατροφής ελέγχουν ποια μικροβιακά προϊόντα».

Πώς οι φυτικές τροφές επηρεάζουν τις ουσίες που παράγει το έντερο

Στη μελέτη που δημοσιεύθηκε στο PNAS, οι ερευνητές εξέτασαν μια ομάδα ουσιών που ονομάζονται φαινολικοί μεταβολίτες. Οι μεταβολίτες είναι χημικές ουσίες που σχηματίζονται όταν ο οργανισμός ή οι μικροοργανισμοί διασπούν και επεξεργάζονται θρεπτικά συστατικά. Ορισμένοι είναι απαραίτητοι για τη φυσιολογική λειτουργία του οργανισμού, ενώ άλλοι μπορεί να συμβάλουν σε προβλήματα υγείας όταν συσσωρεύονται.

Οι φαινολικοί μεταβολίτες που εξέτασε η ομάδα παράγονται όταν τα βακτήρια του εντέρου επεξεργάζονται δύο αμινοξέα, την τυροσίνη και τη φαινυλαλανίνη. Τα αμινοξέα είναι τα δομικά συστατικά των πρωτεϊνών, όμως οι ενώσεις που τελικά παράγονται από αυτά μπορεί να έχουν πολύ διαφορετικές επιδράσεις στην υγεία.

Δύο μεταβολίτες που προέρχονται από τη φαινυλαλανίνη, το φαινυλοπροπιονικό οξύ και το ιππουρικό οξύ, συνδέονται με υγιές σωματικό βάρος και καλύτερη υγεία του εντέρου. Αντίθετα, δύο ενώσεις που προέρχονται από την τυροσίνη, το p-κρεζυλοθειικό και το φαινολοθειικό, έχουν συνδεθεί με χειρότερες εκβάσεις σε ασθενείς με καρκίνο και με επιβλαβείς επιδράσεις σε όλο τον οργανισμό σε ανθρώπους με νεφρική νόσο.

Οι ερευνητές θέλησαν να κατανοήσουν αν διαφορετικά συστατικά των φυτικών τροφών μπορούν να επηρεάσουν το ποιες από αυτές τις ουσίες παράγουν τα μικρόβια του εντέρου.

«Οι μελέτες μας έδειξαν ότι τόσο οι φυτικές ίνες όσο και οι δύσπεπτες πρωτεΐνες των φυτών —τις οποίες αποκαλούμε “πρωτεΐνες που μιμούνται τις ίνες” ή Prif— μετατοπίζουν την ισορροπία των φαινολικών μεταβολιτών: μειώνουν τις επιβλαβείς ενώσεις που προέρχονται από την τυροσίνη και ευνοούν τις ωφέλιμες που προέρχονται από τη φαινυλαλανίνη», δήλωσε η AbuSalim.

Οι φυτικές πρωτεΐνες που συνεργάζονται με τις ίνες

Τα οφέλη των φυτικών ινών έχουν μελετηθεί εκτενώς, όμως οι επιστήμονες έχουν δώσει πολύ λιγότερη προσοχή στις φυτικές πρωτεΐνες που περνούν από το πεπτικό σύστημα χωρίς να διασπαστούν πλήρως.

Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι αυτές οι δύσπεπτες πρωτεΐνες, τις οποίες ονομάζουν Prif, μπορούν να φτάσουν στο εντερικό μικροβίωμα και να χρησιμοποιηθούν από τα βακτήρια στον μεταβολισμό τους. Έτσι, επηρεάζουν ποια μικρόβια ευδοκιμούν και ποιες χημικές ενώσεις παράγονται.

Σημαντικό είναι ότι οι πρωτεΐνες αυτές δεν δρουν μεμονωμένα. Συνεργάζονται με τις φυτικές ίνες και αλλάζουν τον τρόπο με τον οποίο τα βακτήρια του εντέρου επεξεργάζονται τα θρεπτικά συστατικά, στρέφοντας τη δραστηριότητά τους προς την παραγωγή ωφέλιμων φαινολικών μεταβολιτών.

Το εύρημα υποδηλώνει ότι η διατροφική αξία των φυτικών τροφών μπορεί να εξαρτάται από περισσότερα πράγματα από τις γνωστές ποσότητες φυτικών ινών, βιταμινών και μετάλλων. Η ποσότητα και το είδος της πρωτεΐνης που διαφεύγει της πέψης ενδέχεται επίσης να καθορίζουν την επίδραση μιας τροφής στο εντερικό μικροβίωμα.

Όταν μειώνονται οι φυτικές ίνες, τα βακτήρια μπορεί να καταναλώνουν την προστατευτική βλέννα

Ένα από τα πιο ενδιαφέροντα ευρήματα αφορά την προέλευση των πρώτων υλών που χρησιμοποιούν τα βακτήρια του εντέρου για να παράγουν επιβλαβείς μεταβολίτες.

Για να το διερευνήσουν, οι ερευνητές επισήμαναν πρωτεΐνες με σταθερά, μη ραδιενεργά ισότοπα, ώστε να παρακολουθήσουν πού ακριβώς κατευθύνονταν και πώς επεξεργάζονταν στο πεπτικό σύστημα ποντικών. Η τεχνική αυτή προσδίδει στα μόρια μια ανιχνεύσιμη χημική υπογραφή, χωρίς να τα καθιστά ραδιενεργά.

Τα πειράματα αποκάλυψαν μια σημαντική διαφορά ανάμεσα στις πηγές των ωφέλιμων και των επιβλαβών φαινολών.

Οι δυνητικά επιβλαβείς φαινόλες προέρχονταν από τη διάσπαση πρωτεϊνών του οργανισμού από τα βακτήρια του εντέρου, μεταξύ άλλων πρωτεϊνών που βρίσκονται στο στρώμα βλέννας το οποίο καλύπτει το έντερο. Αυτή η προστατευτική βλέννα συμβάλλει στον διαχωρισμό των εντερικών μικροβίων από τα κύτταρα που επενδύουν το έντερο και αποτελεί μέρος της φυσικής άμυνας του οργανισμού.

Αντίθετα, οι ωφέλιμες φαινόλες παράγονταν σχεδόν αποκλειστικά από δύσπεπτες πρωτεΐνες που προέρχονταν από την τροφή.

Οι φυτικές ίνες περιόρισαν τη διάσπαση της προστατευτικής βλέννας του εντέρου από τα βακτήρια, μειώνοντας την παραγωγή επιβλαβών φαινολών. Οι δύσπεπτες φυτικές πρωτεΐνες (Prif), με τη σειρά τους, παρείχαν περισσότερη πρωτεΐνη από τη διατροφή στα βακτήρια του εντέρου, ενθαρρύνοντάς τα να παράγουν ωφέλιμες ενώσεις.

Μαζί, τα ευρήματα δείχνουν δύο συμπληρωματικούς τρόπους με τους οποίους οι φυτικές τροφές μπορούν να επηρεάσουν τη χημεία του εντέρου. Οι φυτικές ίνες αποθαρρύνουν τα βακτήρια από το να καταναλώνουν πρωτεΐνες της προστατευτικής βλέννας, ενώ οι Prif προσφέρουν εναλλακτική πηγή θρεπτικών συστατικών που υποστηρίζει την παραγωγή πιο υγιεινών μεταβολιτών.

«Πιστεύουμε ότι οι Prif αποτελούν μια αναδυόμενη κατηγορία διατροφικών θρεπτικών συστατικών που διαμορφώνουν τη σύνθεση του εντερικού μικροβιώματος και θα μπορούσαν να έχουν ευρεία επίδραση στη μεταβολική υγεία», δήλωσε η AbuSalim.

Τα ευρήματα ενδέχεται στο μέλλον να επηρεάσουν τις διατροφικές ετικέτες και τις συστάσεις. «Οι συσκευασίες τροφίμων μπορεί κάποια στιγμή να αναγράφουν τις Prif ακριβώς κάτω από τις φυτικές ίνες», δήλωσε ο Rabinowitz.

Μια δεύτερη μελέτη αμφισβητεί όσα γνωρίζαμε για τα βακτήρια του εντέρου

Η συμπληρωματική μελέτη στο Nature Metabolism εξέτασε ένα ακόμη σημαντικό ερώτημα: Είναι πράγματι τα βακτήρια του εντέρου υπεύθυνα για την παραγωγή όλων των μεταβολιτών που παραδοσιακά τους αποδίδονται;

Εκτός από τους φαινολικούς μεταβολίτες, οι ερευνητές εξέτασαν τους ινδολικούς μεταβολίτες, οι οποίοι σχηματίζονται από την τρυπτοφάνη, ένα ακόμη αμινοξύ που περιέχεται στις διατροφικές πρωτεΐνες.

Οι ουσίες αυτές έχουν προσελκύσει έντονο επιστημονικό ενδιαφέρον, επειδή συμμετέχουν σε βιολογικές διαδικασίες που συνδέονται με τη φλεγμονή, τη λειτουργία του ανοσοποιητικού και τις ασθένειες. Οι ερευνητές έχουν μελετήσει τη συμμετοχή τους στη φλεγμονώδη νόσο του εντέρου, στις νευροεκφυλιστικές διαταραχές και στον καρκίνο. Έχει επίσης διαπιστωθεί ότι ορισμένοι ινδολικοί μεταβολίτες επηρεάζουν την εξάπλωση του καρκίνου και την ικανότητα του ανοσοποιητικού να επιτίθεται στους όγκους.

Οι επιστήμονες θεωρούσαν γενικά ότι οι πηγές αυτών των ενώσεων ήταν τα βακτήρια του εντέρου. Η αντίληψη αυτή ενίσχυσε τις προσπάθειες ανάπτυξης προβιοτικών και διατροφικών παρεμβάσεων που αυξάνουν την παραγωγή δυνητικά ωφέλιμων ινδολικών μεταβολιτών.

Η προσέγγιση αυτή, όμως, βασίζεται σε μια σημαντική παραδοχή: ότι τα εντερικά μικρόβια παράγουν τις περισσότερες ή όλες τις ενώσεις που οι ερευνητές θέλουν να επηρεάσουν. Αν τα ίδια τα κύτταρα του οργανισμού παράγουν σημαντικές ποσότητες αυτών των μεταβολιτών, η αλλαγή του μικροβιώματος ενδέχεται να μην είναι ο αποτελεσματικότερος τρόπος για τον έλεγχο των επιπέδων τους.

Ο οργανισμός μπορεί να παράγει ενώσεις που αποδίδονταν στα μικρόβια

Για να διερευνήσει το ζήτημα, η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε ιχνηθέτηση ισοτόπων σε ποντίκια, αρουραίους και ανθρώπινα κύτταρα, προκειμένου να παρακολουθήσει πώς παράγονται διαφορετικοί μεταβολίτες.

Τα αποτελέσματα αμφισβήτησαν την καθιερωμένη αντίληψη: τα κύτταρα των θηλαστικών μπορούσαν να παράγουν πολλούς φαινολικούς και ινδολικούς μεταβολίτες ανεξάρτητα από τα εντερικά βακτήρια.

Μεταξύ αυτών ήταν το ινδολ-3-γαλακτικό και το ινδολ-3-οξικό οξύ, δύο βιολογικά σημαντικές ενώσεις που θεωρούνταν μέχρι τώρα προϊόντα μικροβιακού μεταβολισμού.

Οι ερευνητές εξέτασαν επίσης τι συμβαίνει όταν τα αντιβιοτικά διαταράσσουν το εντερικό μικροβίωμα. Αν ορισμένοι μεταβολίτες εξαρτώνταν αποκλειστικά από τα βακτήρια του εντέρου, τα επίπεδά τους αναμενόταν να μειωθούν απότομα όταν αυτά περιορίζονταν.

Ωστόσο, πολλοί μεταβολίτες παρέμειναν σε σημαντικά επίπεδα στο αίμα ποντικών που είχαν λάβει αντιβιοτικά. Παρόμοιο μοτίβο παρατηρήθηκε σε δείγματα από ασθενείς που λάμβαναν αντιβιοτικά, μεταξύ των οποίων και άτομα που υποβάλλονταν σε θεραπεία για καρκίνο.

Άλλες ενώσεις παρουσίασαν διαφορετική συμπεριφορά. Τα επίπεδα του ινδολ-3-προπιονικού οξέος και του p-κρεζυλοθειικού, που παράγονται αποκλειστικά από μικρόβια, μειώθηκαν μετά τη θεραπεία με αντιβιοτικά.

Τα αποτελέσματα προσφέρουν επιπλέον ενδείξεις ότι ορισμένοι μεταβολίτες εξαρτώνται από τα εντερικά βακτήρια, ενώ άλλοι μπορούν να παραχθούν και από τις μεταβολικές διεργασίες του ίδιου του οργανισμού.

Η διάκριση αυτή έχει σημασία, επειδή μπορεί να αλλάξει τον τρόπο με τον οποίο οι ερευνητές αναπτύσσουν θεραπείες που στοχεύουν στην αύξηση των ωφέλιμων μεταβολιτών ή στη μείωση των επιβλαβών.

Τι σημαίνουν τα ευρήματα για τη διατροφή και τις μελλοντικές θεραπείες

Συνολικά, οι δύο μελέτες προσφέρουν μια πιο λεπτομερή εικόνα για την αλληλεπίδραση της διατροφής, των μικροβίων του εντέρου και του μεταβολισμού του ίδιου του οργανισμού.

Η πρώτη αναδεικνύει μια παραγνωρισμένη κατηγορία φυτικών πρωτεϊνών που συνεργάζεται με τις φυτικές ίνες και επηρεάζει τη δραστηριότητα των βακτηρίων, ενδεχομένως μετατοπίζοντας την ισορροπία μακριά από επιβλαβή μεταβολικά προϊόντα. Η δεύτερη δείχνει ότι ο οργανισμός μπορεί να παράγει πολλές ενώσεις που θεωρούνταν ότι προέρχονται αποκλειστικά από τα εντερικά βακτήρια.

Και τα δύο ευρήματα έχουν σημασία για την έρευνα σχετικά με τα μεταβολικά νοσήματα, την υγεία του πεπτικού συστήματος, τον καρκίνο και άλλες παθήσεις που σχετίζονται με το μικροβίωμα.

Υποδηλώνουν επίσης ότι οι προσπάθειες τροποποίησης της χημείας του εντέρου μέσω διατροφής, προβιοτικών ή άλλων θεραπειών θα πρέπει να λαμβάνουν υπόψη τόσο τη μικροβιακή δραστηριότητα όσο και τις μεταβολικές δυνατότητες του ίδιου του οργανισμού.

Μεγάλο μέρος των πειραματικών στοιχείων προέρχεται από μελέτες σε ζώα και εργαστηριακές μελέτες. Θα χρειαστεί, επομένως, περισσότερη έρευνα για να διαπιστωθεί πώς επηρεάζουν αυτοί οι μηχανισμοί τη μακροπρόθεσμη υγεία των ανθρώπων.

Παρόλα αυτά, η καλύτερη κατανόηση της σχέσης ανάμεσα στα διαφορετικά συστατικά των τροφών και τον μικροβιακό μεταβολισμό θα μπορούσε στο μέλλον να κάνει τις διατροφικές συμβουλές πιο συγκεκριμένες και να βοηθήσει τους ερευνητές να εντοπίσουν νέες θεραπευτικές στρατηγικές.

«Πέρα από αυτό», δήλωσε ο Rabinowitz, «μια σαφέστερη εικόνα του τρόπου με τον οποίο διαφορετικές τροφές αλληλεπιδρούν με το μικροβίωμα και ρυθμίζουν την παραγωγή βακτηριακών μεταβολιτών θα βοηθήσει τους διατροφολόγους και τους γιατρούς να διατυπώνουν πιο στοχευμένες οδηγίες για την πρόληψη και τη θεραπεία ασθενειών».

Οι μελέτες χρηματοδοτήθηκαν από το Ludwig Institute for Cancer Research, τα National Institutes of Health, το National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases, το Princeton Alliance for Collaborative Research and Innovation και το Princeton University.

Ο Joshua Rabinowitz είναι επίσης καθηγητής στο Τμήμα Χημείας και στο Lewis-Sigler Institute for Integrative Genomics, καθώς και μέλος του Rutgers Cancer Institute.