Rola mikrobioty jelit w utrzymaniu prawidłowej masy ciała

Rola mikrobioty jelit w utrzymaniu prawidłowej masy ciała The role of intestinal microorganisms to maintain a healthy body weight Renata Barczyńska 1, Katarzyna Śliżewska 2, Zdzisława Libudzisz 2, Mieczysław Litwin 3 1 Instytut Chemii, Ochrony Środowiska i Biotechnologii, Wydział Matematyczno-Przyrodniczy, Akademia im. Jana Długosza w Częstochowie 2 Instytut Technologii Fermentacji i Mikrobiologii, Wydział Biotechnologii i Nauk o Żywności, Politechnika Łódzka 3 Klinika Nefrologii, Transplantacji Nerek i Nadciśnienia Tętniczego, Instytut Pomnik - Centrum Zdrowia Dziecka, Warszawa Badania nad rolą mikrobioty jelit w utrzymaniu prawidłowej masy ciała realizowane są w ramach projektu na temat: Dekstryny ze skrobi ziemniaczanej i kukurydzianej jako substancje aktywujące rozwój bakterii Bacteroides i ograniczające wzrost Firmicutes, odpowiedzialne za występowanie otyłości i zespołu metabolicznego (badania in vitro i in vivo na zwierzętach) finansowanego przez NCN, projekt Sonata STRESZCZENIE W artykule omówiono wpływ diety wysoko białkowej i wysoko błonnikowej na ilość oraz proporcję mikroorganizmów jelitowych należących do typów Bacteroidetes, Actinobacteria i Firmicutes oraz rolę tych bakterii w utrzymaniu prawidłowej masy ciała. Za najistotniejszy uznano fakt, iż u osób z podwyższoną masą ciała występuje wyższa liczba bakterii należących do typu Firmicutes, natomiast u osób o prawidłowej masie ciała dominują szczepy Bacteroidetes i Actinobacteria. Jednak istotny jest również udział rodzajów bakterii należących do poszczególnych typów, czyli tzw. enterotyp. W obrębie Bacteroidetes uważa się za korzystny wysoki udział Prevotella (enterotyp Prevotella) indukowany dietą wysokobłonnikową, z kolei dieta zawierająca duże ilości białek i tłuszczy wywołuje inherencje bakterii do enterotypu Bacteroides. Konsekwencją nieprawidłowego układu mikrobioty jelit, wynikającego z niewłaściwej diety, może być zmniejszenie produkcji krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych (SCFA), które stymulują rozwój komórek nabłonka jelit, odżywiają enterocyty, wpływają na ich dojrzewanie i prawidłowe różnicowanie, regulują metabolizm glukozy i lipidów, wpływają na obniżenie ph, jak również są dodatkowym źródłem energii dla gospodarza. Prebiotyki selektywnie aktywują korzystne dla człowieka mikroorganizmy i zwiększają produkcję określonych SCFA. Właściwości te wskazują na potencjalne zastosowanie prebiotyków w profilaktyce chorób i kontroli funkcjonowania jelita grubego. SŁOWA KLUCZOWE: MIKROBIOTA JELIT OTYŁOŚĆ SCFA PREBIOTYKI ABSTRACT The article discusses the impact of high protein and fiber diet for the number and proportion of intestinal bacteria belonging to Bacteroidetes, Actinobacteria and Firmicutes phylum and their role in maintaining a healthy body weight. The most important fact was that in persons with increased body weight the presence of bacteria belonging to Firmicutes phylum was higher and for persons with normal body weight the Bacteroidetes and Actinobacteria strains were predominant. However, an important contribution is a class of bacteria belonging to particular phylum s, ex. enterotype. Within Bacteroidetes a high proportion of Prevotella (enterotype Prevotella) is considered beneficial when induced by high fiber diet, in turn, a diet containing a large amount of protein and fat is causing bacteria affiliation to enterotype Bacteroides. A consequence of the abnormal gut microbiota, resulting from improper diet, may be reduced production of short chain fatty acids (SCFA), which stimulate the growth of intestinal epithelial cells, nourish enterocytes, affecting their normal maturation and differentiation, regulate glucose and lipid metabolism, lowering the ph affect as well are an additional source of energy to the host. Prebiotics selectively activate human beneficial microorganisms and increase the production of certain SCFA. They can be successfully used in the prevention of diseases and controlling functions of the large intestine and thus properly administer gut microbiota. KEY WORDS: MICROBIOTA OF INTESTINES OBESITY SCFA PREBIOTICS Mikrobiota jelit Obecnie wiadomo, że istotną rolę w prawidłowym funkcjonowaniu organizmu człowieka odgrywa mikrobiota jelit. Mikroorganizmy występujące w przewodzie pokarmowym ludzi tworzą złożony ekosystem (stanowiący około 10 14 /g komórek mikroorganizmów, należących nawet do 1000 różnych gatunków) 1. Bakterie te należą do 8 z poznanych typów i są to głównie gatunki należące do typu Firmicutes, ich udział mieści się w granicach od 46 do 60%, jak również należące do typów Bacteroidetes i Actinobacteria, które łącznie stanowią od 8 do 28% 2. Poznano wiele funkcji mikrobioty jelit, do których możemy zaliczyć: utrzymanie homeostazy organizmu, syntezę witamin, regulacje procesów wchłaniania mikroi makroelementów, unieszkodliwianie toksyn oraz substancji potencjalnie szkodliwych, fermentację niestra- www.standardy.pl/pediatria 55

FUNKCJE MIKROBIOTY JELIT Troficzna: Ochronna: Metaboliczna: Proliferacja i różnicowanie komórek nabłonka okrężnicy Proliferacja śródbłonkowych limfocytów Tworzenie bariery przed kolonizacją przez bakterie patogenne Stymulacja produkcji substancji hamujących adhezję patogenów do nabłonka jelit Obniżenie ph treści jelit, poprzez produkcję kwasów organicznych Konkurencja o substancje odżywcze Rozkład resztek pokarmowych na drodze fermentacji z wytworzeniem SCFA Synteza witamin Zwiększenie przyswajalności składników mineralnych RYC. 1 Funkcja mikrobioty jelit 4. wionych pokarmów, a tym samym produkcję ważnych dla organizmu krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych 3 (Ryc.1). Przewód pokarmowy płodu jest jałowy. Po urodzeniu do kolonizacji przewodu pokarmowego człowieka dochodzi w przeciągu kilku godzin. Proces ten nie zachodzi identycznie u wszystkich dzieci. Pierwotny wpływ na mikrobiotę układu pokarmowego dzieci ma sposób porodu, otoczenie szpitalne, rodzaj pokarmu, towarzyszące schorzenia i podawane leki 5. W początkowym okresie życia przewód pokarmowy zasiedlany jest przez bakterie należące do rodzaju Lactobacillus, Staphylococcus, Enterococcus, Escherichia, Enterobacter, Bifidobacterium, Bacteroides, Clostridium i Eubacterium 6,7. Intensywny etap kolonizacji przewodu pokarmowego człowieka trwa do około drugiego roku życia. Po tym czasie mikrobiota dziecka zaczyna upodabniać się do tej, jaka występuje u dorosłych 8. U osób starszych następuje kolejna zmiana w składzie i ilości drobnoustrojów. Obserwuje się znaczne zmniejszenie liczby bakterii z rodzaju Bacteroides i Bifidobacterium, a dominować zaczynają Clostridium, Eubacterium i Fusobacterium. Wynikiem tego jest podwyższenie ph treści jelita do wartości ok. 7,0-7,5, co może być przyczyną schorzeń układu pokarmowego u ludzi w wieku podeszłym 8. Ekosystem jelitowy ewoluował wraz z człowiekiem przez tysiące lat. Zmieniał się wraz z poprawą warunków życia ludzi, ze zmianą diety, rozwojem kultury, a także z postępem medycyny. Pomimo, że skład mikroorganizmów jelitowych zmienia się w trakcie życia człowieka, to u zdrowych dorosłych jest dosyć stabilny i ma charakter klimaksowy: w przewadze znajdują się mikroorganizmy korzystne (autochtoniczne) dla zdrowia 9. Jednak układ ilościowy i jakościowy mikroorganizmów jelitowych może ulec zmianie, a nawet zniszczeniu pod wpływem czynników egzogennych i endogennych. Do czynników mających wpływ na rodzaj i proporcję mikrobioty jelit możemy zaliczyć: wiek człowieka, region zamieszkania, nawyki kulturowe, antybiotykoterapię, przebyte choroby, obce mikroorganizmy i przede wszystkim dietę. Wpływ diety na układ mikrobioty jelit W ciągu ostatnich lat obserwuje się znaczny wzrost częstości występowania otyłości, zarówno w krajach wysoko uprzemysłowionych, jak i rozwijających się. W 2008 roku około 1,5 miliarda ludzi miało nadwagę (BMI 25), a ponad 500 milionów było otyłych (BMI 30). Stanowi to blisko 30% populacji całego świata 10. Główną przyczyną otyłości jest zbyt wysoka podaż kalorii w stosunku do zbyt niskiego wydatkowania energii. Coraz częściej podkreśla się rolę mikrobioty jelit w utrzymaniu prawidłowej masy ciała 10. Czy zatem niewłaściwe odżywianie się generuje nieodpowiednie proporcje mirobioty jelit, a w konsekwencji może powodować otyłość? Uznaje się, iż szczególnie istotne jest zachowanie określonej proporcji szczepów Bacteroidetes i Firmicutes 11,12. Badania zespołów Backhed, Gordona, De Filippo także wskazują, że otyłość ludzi prawdopodobnie związana jest ze składem i proporcją mikrobioty jelit 11,13-15. Bäckhed i współpracownicy określili udział bakterii Bacteroidetes i Firmicutes u myszy o podwyższonej i o prawidłowej masie ciała. Stwierdzili, że udział Bacteroidetes jest znacznie mniejszy u myszy otyłych (20%), natomiast u myszy szczupłych udział tych bakterii był większy i wynosił do 40% 13,14. Również Flessner i wsp. wykazali, iż podawanie myszom diety o wysokiej zawartości tłuszczy zwierzęcych, a niskiej zawartości błonnika pokarmowego skutkowało zmniejszeniem ilości szczepów Bacteroidetes, a wzrostem Firmicutes 16. Badania prowadzone na dwunastoosobowej grupie ludzi otyłych, z których część stosowała dietę o ograni- 56 STANDARDY MEDYCZNE/PEDIATRIA 2013 T. 1 55-62

czonej zawartości tłuszczów, a część dietę ograniczoną w sacharydy, wykazały, że chociaż u osób z obydwu grup, dominującymi bakteriami jelitowymi były Firmicutes i Bacteroidetes, to jednak u osób otyłych udział Bacteroidetes stanowił tylko od 1 do 5%, a u osób szczupłych aż 20%. Podczas stosowania diety o ograniczonej zawartości tłuszczy udział Bacteroidetes wzrastał, a Firmicutes stopniowo obniżał się 11. W ostatnio opublikowanych badaniach wykazano, że dieta w zależności od udziału polisacharydów i błonnika pokarmowego oraz białek i tłuszczy zwierzęcych warunkuje przynależności mikrobioty jelit do dwóch odmiennych enterotypów Bacteroides lub Prevotella, które pośrednio mogą mieć wpływ na masę ciała 17. Kolonizacja enterotypem Bacteroides jest wynikiem długotrwałego spożywania diety typu Western, bogatej w białka i tłuszcze, natomiast kolonizacja enterotypem Prevotella dotyczy osób spożywających dietę o wysokiej zawartości sacharydów i błonnika pokarmowego, a ubogiej w tłuszcze i białka zwierzęce 17. Zarówno Bacteroides jak i Prevotella należą do typu Bacteroidetes. Wskazuje to, że istotne są nie tylko proporcje Firmicutes i Bacteroidetes, ale również wzajemne relacje określonych rodzajów bakterii w obrębie typu Bacteroidetes. Konsekwencje nieprawidłowego składu mikrobioty jelit De Filippo i wsp. porównali skład mikrobioty jelitowej dzieci w wieku od 1 roku do 6 lat żyjących w skrajnie odmiennych warunkach 15. Pierwsza grupa dzieci pochodziła z wiejskich terenów Afryki (Burkina Faso), druga grupa to dzieci pochodzące z Włoch (Florencja). Badacze chcieli oszacować korelację pomiędzy stosowaną dietą, a składem mikroorganizmów jelitowych. Dieta dzieci pochodzących z Afryki była uboga w mięso, lecz zawierała znaczne ilości warzyw, skrobi i błonnika pokarmowego. Kaloryczność spożywanych pokarmów wynosiła około 672,2 kcal u dzieci w wieku 1-2 lat i 996 kcal u dzieci w wieku 2-6 lat. Natomiast dzieci pochodzące z Europy odżywiały się głównie mięsem, w ich diecie znajdowało się dużo tłuszczy zwierzęcych, cukrów prostych, a uboga była w warzywa i błonnik pokarmowy. Kaloryczność spożywanych pokarmów wynosiła około 1068,7 kcal u dzieci w wieku 1-2 lat i 1512,7 kcal u dzieci w wieku 2-6 lat. Wykazano, że niezależnie od stosowanej diety w przewodzie pokarmowym dominowały typy bakterii Actinobacteria, Bacteroidetes i Firmicutes, jednak ich proporcje były różne i zależne od diety. U dzieci z Burkina Faso dominowały Actinobacteria i Bacteroidetes, stanowiąc odpowiednio 10,1% i 73%, natomiast bakterie z typu Firmicutes stanowiły 10% (Ryc. 2). Podaż energii u tych dzieci była wystarczająca dla utrzymania prawidłowej masy ciała, a w obrębie typu Bacteroidetes dominującymi bakteriami były Prevotella (53%), co wskazuje na przynależność mikrobioty tych dzieci do enterotypu Prevotella. U dzieci pochodzących z Florencji, stwierdzono większą masę ciała i większą częstość otyłości, a układ mikroorganizmów jelitowych był odmienny niż w przypadku dzieci z rolniczych terenów Afryki. Wykazano, że dominowały bakterie z typu Firmicutes (51%), a Actinobacteria i Bacteroidetes, stanowiły odpowiednio 6,7 i 27% (Ryc. 3). Istotną rolę w utrzymaniu prawidłowej masy ciała może mieć obecność i odpowiednia ilość szczepów należących do rodzaju Bifidobacterium. U siedmioletnich dzieci z rozwijającą się nadwagą zaobserwowano obniżenie liczby korzystnych dla zdrowia bakterii Bifidobacterium spp. i jednocześnie podwyższenie liczby Staphylococcus aureus 18. Rodzaj i proporcje występujących w jelitach mikroorganizmów, czyli tzw. enterotyp decyduje o produktach metabolizmu, mających ważne konsekwencje dla gospodarza; produkty te mogą być korzystne lub szkodliwe. Korzystnymi są krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe (SCFA), tworzone w wyniku bakteryjnej fermentacji nietrawionych przez enzymy ludzkie sacharydów. masłowy stymuluje rozwój tkanki nabłonka jelit, od- 20% 2% 4% 4% Prevotella 53% Xylanibacter 20% Bacteroidetes 73% Acetitomaculum 2% 53% 15% Faecalibacterium 4% Subdoligranulum 4% Firmicutes 10% Inne 15% RYC. 2 Udział szczepów bakterii jelitowych dzieci z Burkina Faso 15 www.standardy.pl/pediatria 57

9% 23% 4% Alistipes 4% Bacteroides 23% Bacteroidetes 27% Roseburia 5% 22% 12% 5% 25% Acetitomaculum 12% Faecalibacterium 25% Subdoligranulum 9% Inne 22% Firmicutes 51% RYC. 3 Udział szczepów bakterii jelitowych dzieci z Florencji 15 umol/g kału 60 40 20 0 Suma SCFA octowy propionowy Dzieci BF Dzieci EU masłowy RYC. 4 Rodzaj i ilość krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych w jelitach dzieci z Burkina Faso (BF) oraz w jelitach dzieci z Florencji (EU) 15 żywia komórki jelit, wpływa na ich dojrzewanie i prawidłowe różnicowanie; kwas propionowy wpływa pozytywnie na rozwój hepatocytów, kwas octowy na rozwój tkanek obwodowych. SCFA regulują także metabolizm glukozy i lipidów, obniżają ph treści jelit, a tym samym wspomagają absorpcję związków mineralnych, poprzez zwiększenie ich rozpuszczalności 19. Spożywanie przez dzieci z populacji europejskiej diety bogatej głównie w mięso, tłuszcze zwierzęce, cukry proste, a ubogiej w warzywa i błonnik, skutkuje przewagą szczepów z typu Firmicutes nad szczepami Bacteroidetes, a tym samym zmniejszeniem produkcji cennych dla organizmu krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych 15 (Ryc. 4). Stężenie wszystkich SCFA produkowanych przez mikrobiotę jelitową dzieci z Włoch spożywających typową dietę krajów zachodnioeuropejskich był o połowę niższy niż wytworzonych w jelicie grubym dzieci pochodzących z Burkina Faso, u których w diecie znajdowała się duża ilość trudno przyswajalnych sacharydów i błonnika pokarmowego 15 (Ryc. 4). Dieta wysoko błonnikowa, uboga w cukry proste i tłuszcze pochodzenia zwierzęcego prawdopodobnie może selektywnie stymulować produkcję SCFA 15. Wysoka koncentracja SCFA, jaką wykazano u dzieci z rejonów Burkina Faso, stanowi dodatkowe źródło energii dla gospodarza i u dzieci tych pomimo niskiej podaży kalorii obserwowano prawidłowy rozwój. Krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe, np. kwas propionowy może być wykorzystywany de novo jako źródło syntezy glukozy lub lipidów i służy jako dodatkowe źródło energii dla organizmu 20. Spożywanie diety wysokobiałkowej lecz o niskiej zawartości błonnika niekorzystnie wpływa na skład mikrobioty jelit poprzez zmniejszenie liczebności bakterii Roseburia i Eubacterium, a w konsekwencji prowadzi do obniżenia produkcji krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych (nawet o 50% mniej kwasu masłowego) (Ryc.5), wzrostu ph treści jelit, obniżenia stężenia kwasu ferulowego oraz wzrostu stężenia niebezpiecznych dla zdrowia metabolitów np. N-nitrozozwiązków 21. Dieta, w skład której wchodzą głównie białka pochodzenia zwierzęcego stymuluje rozwój mikroorganizmów proteolitycznych, szczególnie szczepów należących do rodzaju Bacillus, Proteus, Pseudomonas, Clostridium (zarówno u dzieci jak i u osób dorosłych). Stosowanie takiej diety może powodować, iż ilość korzystnego kwasu masłowego stymulującego rozwój tkanki nabłonka jelit jest znacznie mniejsza 22. Pośrednio SCFA mogą wpływać na wydzielanie peptydu YY (PYY peptyd ten jest syntetyzowany i wydzielany przez komórki L jelita krętego i okrężnicy i wykazuje działanie pobudzające ośrodek sytości) 22. U osób otyłych stężenie PYY jest niższe 23. Opisane powyżej wyniki badań dowiodły jak ważny jest udział w diecie błonnika pokarmowego i oligosacharydów korzystnie modyfikujących zespół mikroorganizmów jelitowych. Substancje te spełniają funkcje probiotyczne. Prebiotyki Do substancji stymulujących rozwój niektórych grup bakterii z typu Actinobacteria i Bacteroidetes, które są korzystne 58 STANDARDY MEDYCZNE/PEDIATRIA 2013 T. 1 55-62

umol/l 100 80 60 40 20 0 Suma SCFA octowy propionowy RYC. 5 Rodzaj i ilość krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych w jelitach osób dorosłych spożywających dietę o wysokiej zawartości węglowodanów i błonnika (M) oraz osób dorosłych spożywających dietę wysokobiałkową (HPLC) 21 dla zdrowia mikrobioty, zaliczamy prebiotyki. Prebiotyk definiowany jest jako niezdolny do życia składnik pokarmowy, który wywiera korzystny wpływ na zdrowie gospodarza w wyniku modulacji składu zespołu mikroorganizmów jelitowych 24. Swoją skuteczność prebiotyki zawdzięczają temu, że nie są hydrolizowane i wchłaniane w górnych odcinkach przewodu pokarmowego, dzięki czemu w niezmienionej postaci docierają do jelita grubego, gdzie stanowią pożywkę dla korzystnych dla zdrowia bakterii 25. W jelicie grubym, prebiotyki przy udziale bakterii ulegają fermentacji. Produktami tych przemian są głównie SCFA, CO 2, i wodór 26. Czynnikami przemawiającymi za korzystnym działaniem prebiotyków są takie właściwości jak 24,27-29 : hamowanie rozwoju drobnoustrojów patogennych w wyniku obniżenia ph, przez co środowisko staje się nieprzyjazne dla patogenów, skracanie czasu pasażu jelitowego i przyspieszanie przemiany materii, obniżanie poziomu cholesterolu oraz odpowiedzi glikemicznej gospodarza, obniżanie zapotrzebowania na energię (dzięki temu można ograniczyć spożycie tłuszczów), zwiększanie biodostępności składników mineralnych, przyczyniając się do poprawy stanu kości, zapobieganie tzw. biegunkom podróżnych, zmniejszanie ryzyka chorób układu pokarmowego w tym nowotworów. Mechanizm działania prebiotyków jest złożony (Ryc. 6) i może polegać na 30,31 : wpływie na przebieg procesów biochemicznych zachodzących w jelitach Dorośli M Dorośli HPLC masłowy zwiększeniu liczebności bakterii korzystnych, konkurujących z patogenami blokowaniu receptorów w śluzówce jelit, co zapobiega adhezji przez bakterie chorobotwórcze, odżywianiu kolonocytów przez SCFA, powstające w procesie fermentacji prebiotyków. Rodzaj diety, a w szczególności dodatek do niej prebiotyków, wpływa na skład mikrobioty jelit, a tym samym na kierunek prowadzonych procesów metabolicznych i wytworzone metabolity. Procentowa zawartość SCFA (badanych w modelach in vitro) otrzymanych w wyniku fermentacji β-glukanu, inuliny, pektyn, gumy guar wskazuje iż najwyższa ilość kwasu octowego powstaje w wyniku fermentacji β-glukanu i pektyn natomiast kwasu propionowego z gumy guar, a kwasu masłowego z inuliny 32. Również wartość energetyczna nie trawionych polisacharydów do jakich należą prebiotyki jest znacznie mniejsza niż wartość energetyczna łatwo trawionych sacharydów 33. Wykazano istotny wpływ prebiotyków na produkcję SCFA oraz na ich funkcje w organizmie. U osób z wrzodziejącym zapaleniem jelita grubego zaobserwowano zmniejszoną ilość kwasu masłowego, natomiast podawanie tym osobom diety wzbogaconej w β-glukan z owsa skutkowało zmniejszeniem objawów choroby. masłowy wykazuje działanie ochronne i zapobiega powstawaniu chorób okrężnicy 32. masłowy powstający w wyniku fermentacji otrąb pszennych, skrobi opornej RS4, fruktooligosacharydów bierze także udział w hamowaniu rozwoju komórek nowotworowych i indukcji ich apoptozy, a zatem wykazuje działanie ochronne przed rozwojem nowotworów. Maślan korzystnie wpływa także na różnicowanie niezmienionych nowotworowo komórek nabłonka, promując je i wspierając ich rozwój 32. Prowadzono wiele badań mających na celu zbadanie wpływu prebiotyków na modyfikacje mikrobioty jelit 33. Skrobię oporną typu RS2, RS3, RS4, inulinę, oligofruktozę, galaktooligosacharydy podawano (w zależności od badacza) od 14 do 31 zdrowym osobom w okresie od dwóch do czterech tygodni. Stwierdzono, iż w początkowym okresie podawania prebiotyków, kierunek rozwoju mikroorganizmów był uzależniony od początkowej kompozycji mikrobioty gospodarza, jednak po kilku dniach spożywania diety z prebiotykami następował wzrost liczby komórek bakterii Bifidobacterium (typ Actinobacteria). Dodatkowo w diecie wzbogaconej w skrobie oporną zaobserwowano istotny wzrost Ruminococcus bromii (typ Firmicutes) 33. Spożywanie diety wzbogaconej w prebiotyki, w skrobię oporną typu RS4 oraz oporne dekstryny wpływało na wzrost liczebności korzystnych www.standardy.pl/pediatria 59

PREBIOTYKI Zapobieganie zaparciom Wzrost korzystnej mikrobioty Immunomodulacja Wzrost produkcji SCFA Zmniejszenie liczby patogennych bakterii Obniżenie ph Substraty dla enterocytów Wzrost dostępności składników mineralnych Apoptoza komórek prekancerogennych RYC. 6 Sugerowane mechanizmy działania prebiotyków 4, 31. dla zdrowia bifidobakterii 34-36. Bakterie te występują w większej ilości u osób o prawidłowej masie ciała i niewykluczone jest, że bifidobakterie ograniczają rozwój zaburzeń metabolicznych u osób z podwyższoną masą ciała 10. Okazuje się, iż przyjmowanie prebiotyku inuliny przez rok (8g/d) prowadziło do utrzymania prawidłowego BMI 37. Wykazano mniejszy niż w grupie kontrolnej przyrost BMI u badanych dzieci, jednak badanie to mogło być obarczone błędem dotyczącym doboru grup badawczych, dzieci, które spożywały inulinę były w wieku, w którym obserwuje się skok pokwitaniowy, a fizjologicznie związane jest to ze zmniejszeniem tkanki tłuszczowej. Zaobserwowano również wzrost liczby komórek L jelita krętego i okrężnicy u szczurów spożywających dietę wzbogaconą w inulinę 10. W badaniach eksperymentalnych wykazano, że dieta ta ma wpływ na wzrost poziomu PYY i GLP-1 (ang. glucagon-like peptide-1), zmniejsza glikemię, obniża insulinooporność, ilość tkanki tłuszczowej oraz bierze udział w powstawaniu uczucia sytości 10,38. Podsumowanie Wyniki badań wskazują, że odpowiedni układ i wzajemna proporcja mikroorganizmów jelitowych może wspierać utrzymanie prawidłowej masy ciała, a tym samym wzmacniać metody profilaktyki i leczenia otyłości oraz zespołu metabolicznego. Początkowo wykazano, iż istotną rolę w utrzymaniu prawidłowej masy ciała spełnia właściwa proporcja szczepów bakterii należących do typów Firmicutes i Bacteroidetes 13-15. Dalsze badania wskazują jednak, że decydującymi w obrębie Bacteroidetes są rodzaje poszczególnych bakterii. Przewaga ilościowa Prevotella jest charakterystyczna dla osób spo- żywających dietę wysokobłonnikową, a Bacteroides dla osób, u których w diecie znajdują się duże ilości białek i tłuszczy zwierzęcych 17. Interesujący jest fakt, iż mikrobiota jelit wpływa na metabolizm energii i tym samym może przyczyniać się do patogenezy otyłości i zespołu metabolicznego. Okazuje się, że wraz z przeniesieniem mirkobioty jelit od myszy otyłych do myszy germ free przenoszone są cechy fenotypowe warunkujące otyłość oraz zespół metaboliczny 10,39. Jednak ze względu na brak badań klinicznych nie wiadomo, czy obserwowany u myszy efekt będzie można potwierdzić u ludzi. Wykazano również że dysbioza mikrobioty jelit może wywołać de novo lipogenezę w hpatocytach poprzez zwiększenie ekspresji enzymów. Wpływ mikrobioty jelit na tworzenie się niealkoholowego stłuszczenia wątroby (NAFLD) związany jest z ubocznymi prozapalnymi produktami metabolizmu. Lipopolisacharydy (LPS) pochodzące od niektórych bakterii Gram ujemnych powodują ekspresję cytokin zapalnych 39. Doniesienia przedstawione przez Parnell i wsp. sugerują, że bakterie jelitowe z typu Firmicutes mogą przyczyniać się do powstawania NAFLD również poprzez endogenną produkcję etanolu i aldehydu octowego oraz poprzez zwiększenie przepuszczalności jelit 39. Dane wskazują, iż skład mikrobioty jelit jest czynnikiem, który należy uwzględnić przy ocenie ryzyka czynników związanych z otyłością i zespołem metabolicznym 10. Skład i aktywność mikrobioty jelit można regulować odpowiednią dietą, a w szczególności dietą zawierającą duże ilości błonnika pokarmowego i prebiotyków. Prebiotyki wykazują wiele korzystnych funkcji w organizmie człowieka; jedną z nich jest aktywowanie syntezy 60 STANDARDY MEDYCZNE/PEDIATRIA 2013 T. 1 55-62

krótołańcuchowych kwasów tłuszczowych (SCFA). Rodzaj i ilość SCFA uzależniona jest od typu i enterotypu bakterii, a te warunkowane są rodzajem spożywanej diety. Szczepy bakterii należące do enterotypu Prevotella wytwarzają większe ilości SCFA, szczególnie kwasu propionowego i masłowego. Zjawisko to zaobserwowano u dzieci z Burkina Faso, które spożywały dietę bogatą w błonnik pokarmowy, a ubogą w tłuszcze i białka zwierzęce. Wysoka koncentracja SCFA stanowiła dodatkowe źródło energii dla tych dzieci pomimo, iż kaloryczność pokarmów była znacznie niższa niż pokarmów w diecie dzieci pochodzących z Florencji. Jednak nie wiadomo jest, czy po przeniesieniu mikrobioty jelit dzieci z Burkina Faso dzieciom z Florencji spowodowało by jeszcze większy pobór energii u tych drugich. W nielicznych doniesienia literaturowych przedstawionych między innymi przez Delzenne i wsp. wskazano, iż w niektórych przypadkach SCFA mogą przyczyniać się do wzrostu masy ciała 10. Natomiast dieta o dużej zawartości białek i tłuszczy zwierzęcych, a niskiej zawartości błonnika pokarmowego warunkuje obecność enterotypu Bacteroides i znacznie większej ilości bakterii należących do typy Firmicutes. Podwyższoną ilość bakterii z tego typu obserwuje się u osób otyłych. Stosowanie diety wysokobłonnikowej, o niskiej zawartości tłuszczy zwierzęcych przyczynia się do ustalenia korzystnej proporcji mikrobioty jelit Bacteroidetes i Firmicutes jak również w obrębie bakterii Bacteroidetes, korzystnie podwyższonego udziału Prevotella w stosunku do Bacteroides. Badania przeprowadzone na szczurach sugerują, że suplementacja diety prebiotykami pozytywnie ogranicza rozwój otyłości i aktywności niealkoholowego stłuszczenia wątroby (NAFLD) w skutek modyfikacji mikrobioty jelit, redukcji tkanki tłuszczowej poprzez ograniczenie syntezy de novo kwasów tłuszczowych 39,40. Spożywanie substancji prebiotycznych może zatem stanowić jeden z czynników zapobiegania otyłości u dzieci i ograniczenie występowania zaburzeń metabolicznych wtórnych do otyłości. Obecnie brakuje badań klinicznych interwencyjnych z randomizacją, które mogłyby dostarczyć przekonywujących dowodów, iż wyższy udział szczepów należących do typu Bacteroidetes nad Firmicutes warunkuje prawidłową masę ciała, a przedstawione wnioski opierają się głównie na podstawie asocjacji charakterystyki mikrobioty jelit będącej wynikiem spożywania określonej diety i występowaniem nieprawidłowej masy ciała. Dotychczasowe obserwacje nie wskazują na skuteczność zmian dotyczących pojedynczych szczepów bakteryjnych. Dlatego należy podkreślić, że potencjalne zastosowanie prebiotyków ma prowadzić do zmiany mikrobioty, a to oznacza wpływ na więcej niż jeden szczep bakteryjny. Mikrobiota jelitowa powstaje już w pierwszych godzinach życia i zależy od takich czynników jak sposób porodu (naturalny, cesarskie cięcie), żywienie i stosowanie antybiotykoterapii w pierwszym okresie życia. Dlatego kolejnym fascynującym zagadnieniem jest znaczenie mikrobioty jelitowej w programowaniu metabolicznym. dr Renata Barczyńska Wydział Matematyczno-Przyrodniczy Instytut Chemii, Ochrony Środowiska i Biotechnologii Akademia im. Jana Długosza 42-200 Częstochowa, Al. Armii Krajowej 13/15 r.barczynska@gmail.com Autorstwo manuskryptu: Renata Barczyńska - opracowanie koncepcji badania/pracy naukowej, napisanie artykułu Katarzyna Śliżewska - opracowanie koncepcji badania/pracy naukowej, udział w opracowaniu artykułu Zdzisława Libudzisz - opracowanie koncepcji badania/pracy naukowej, merytoryczna recenzja artykułu, nadzór nad ostateczną wersją artykułu Mieczysław Litwin - napisanie artykułu, merytoryczna recenzja artykułu, nadzór nad ostateczną wersją artykułu, PIŚMIENNICTWO 1 Havenaar R. Intestinal health functions of colonic microbial metabolites: a review. J Benef Micro 2011;2:103-114. 2 Egert M, de Graaf AA, Smidt H i wsp. Beyond diversity: functional microbioms of human colon. Trends in Microbiol 2006;14:86-91. 3 Eckburg PB, Bik EM, Bernstein CN i wsp. Diversity of the Human Intestinal Microbial Flora, Science 2005;308:1635-1638. 4 Donovan S, Gibson G, Newburg D. Prebiotics in Infant Nutrition. Mead Johson & Company 2009;1-42. 5 Salminen S, Isolauri E. Intestinal colonization, microbiota, and probiotics. J Ped 2006;149:115-120. 6 Moore TA, Hanson CK, Anderson-Berry A. Colonization of the gastrointestinal tract in neonates: a review. ICAN 2011;3:291-295. 7 Libudzisz Z, Lewandowska M, Gajek A. Mikroorganizmy jelitowe noworodków i dzieci. Standardy Medyczne/Pediatria 2012;9:100-109. 8 Nowak A, Libudzisz Z. Mikroorganizmy jelitowe człowieka. Standardy Medyczne/ Pediatria 2008;5:372-379. 9 Ouwehand A, Isolauri E, Salminen S. The role of the intestinal microflora for the development of the immune system in early childhood. Eur J Nutr 2002;41:32-37 10 Delzenne N, Neyrinck A, Cani PD. Modulation of the gut microbiota by nutrients with prebiotic properties: consequences for host health in the context of obesity and metabolic syndrome. Microbial Cell Factories 2011;1:1-11. 11 Ley RE, Turnbaugh P, Klein S i wsp. Human gut microbes associated with obesity. Nature 2006;444:1022-23. 12 Sanz Y, Santacruz A. Evidence on the role of gut microbes in obesity. Revista Espanola Obesidad 2008;6:256-263. 13 Backhed F, Ding H, Wang T i wsp The gut microbiota as an environmental factor that regulates fat storage. PANAS 2004;101:15718-23. 14 Backhed F, Manchester JK, Semenkovich CF i wsp. Mechanism underlying the resistance to diet-included in germ-free mice. PANAS 2007;101:15718-23. 15 De Filippo C, Cavalieri D, Di Paola M i wsp. Impact of diet in shaping gut microbiota revealed by a comparative study in children from Europe and rual Africa. www.standardy.pl/pediatria 61

PANAS 2010;107:14694-96. 16 Flessner MA, Hoffmann C, Sherrill-Mix SA i wsp. Absence of intestinal microbiota does not protect mice from died-induced obesity. Br J Nutr 2010;104:919-929. 17 Gophana U. The guts of dietary habits. Science 2011;334:45-46. 18 Kalliomaki M, Collado MC, Salminen S i wsp. Early difference in fecal microbiota composition in children may predict overweight. Am J Clin Nutr 2008;87:534-538. 19 Blaut M, Clavel T. Metabolic diversity of the intestinal microbiota: implications for health and disease. J Nutr 2007;137:751-755. 20 Kootte RS, Vrieze A, Holleman F i wsp. The therapeutic potential of manipulating gut microbiota in obesity and type 2 diabetes mellitus. Diabetes, Obesity and Metabolism 2012;14:112-120. 21 Russell WR, Gratz SW, Duncan SH i wsp. High-protein, reduced-carbohydrate weight-loss diets promote metabolite profiles likely to be detrimental to colonic health. Am J Clin Nutr 2011;93:1062-72. 22 Duncan SH, Belenguer A, Holtrop G i wsp. Reduced dietary intake of carbohydrates by obese subjects results in decreased concentrations of butyrate-producing bacteria in feces. Appl Environ Microbiol 2007;73:1073-1078. 23 Dytfeld J, Pupek-Musialik D. Hormony przewodu pokarmowego regulujące łaknienie: oś jelito mózg. Endokrynologia Otyłość i Zaburzenia Materii 2005;1:24-30. 24 FAO Technical Meeting on Prebiotics. Food Quality and Standards Service (AGNS), Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO). FAO Technical Meeting Report 2007;15-16. 25 Kowalska-Duplaga K. Probiotyki i prebiotyki konieczność stosowania czy moda? Świat Medycyny 2003;9/10:13-19. 26 Marteau P. Prebiotics and probiotics for gastrointestinal health. Clinical Nutrition 2001;20:41-45. 27 Socha J, Stolarczyk A. Probiotyki i prebiotyki jako przykład żywności funkcjonalnej, Pediatria Współczesna. Gastroenterologia, Hepatologia i Żywienie Dziecka 2002;4: 15-18. 28 Vernazza CL, Rabiu BA, Gibson GR. Human Colonic Microbiology and the Role of Dietary Intervention: Introduction to Prebiotics. W: Gibson GR, Rastall RA(red). Prebiotics: Development and Application, John Wiley&Sons. Ltd, 2006 29 Roberfroid M. Prebiotics: The Concept Revisited. J Nutr 2007;137:830-837. 30 Rastall RA, Gibson GR, Gill HS i wsp. Modulation of the microbial ecology of the human colon by probiotics, prebiotics and synbiotics to enhance human health: An overview of enabling science and potential applications. FEMS Microbiology Ecology 2005;52:145-152. 31 Ouwehand AC, Derrien M, De Vos W i wsp. Prebiotics and other microbial substrates for Gut functionality. Current Opinion in Biotechnology 2005;16:212-217. 32 Henningsson BS, Björck I, Nyman M. Short-chain fatty acid formation at fermentation of indigestible carbohydrates. Scand J. Nutr/Näringsforskning 2001;45:165-168. 33 Flint HJ, Scott PS, Louis P i wsp. The role of the gut microbiota in nutrition and health. Gastroenterol Hepatol 2012;9:557-589. 34 Barczyńska R, Jochym K, Śliżewska K i wsp. The effect of citric acid-modified enzyme-resistant dextrin on growth and metabolism of selected strains of probiotic and other intestinal bacteria. Journal of Functional Foods 2010;2:26-33. 35 Barczyńska R, Śliżewska K, Jochym K i wsp. The tartaric acid-modified enzyme- -resistant dextrin from potato starch as potential prebiotic. Journal of Functional Foods Accepted 2012. 36 Martinez I, Kim J, Duffy PR i wsp. Resistant starches typ 2 and 4 have differential effects on the composition of the fecal microbiota in human subject. Plos One 2010; 5:e15046. 37 Abrams SA, Griffin IJ, Hawthorne KM i wsp. Effect of prebiotic supplementation and calcium intake on body mass index. J Pediatr 2007;151:293-298. 38 Cani PD, Lecourt E, Dewulf EM i wsp. Gut microbiota fermentation of prebiotics increases satietogenic and incretin gut peptide production with consequences for appetite sensation and glucose response after a meal. Am J Clin Nutr 2009;90:1236-1243. 39 Parnell JA, Raman M, Kevin P i wsp. The potential role of prebiotic fibre for treatment and management ofnon-alcoholic fatty liver disease and associated obesity and insulin resistance. Liver International 2012:701-7011. 40 Diamant M, Blaak EE, de Vos WM. Du nutrient-gut-microbiota interactions play a role in human obesity, insulin resistance and type 2 diabetes? Etiology and Pathophysiology 2010;12:272-281. 62 STANDARDY MEDYCZNE/PEDIATRIA 2013 T. 1 55-62