A csont egészségének prebiotikus és probiotikus szabályozása: a bél és a mikrobiom szerepe

Laura McCabe

Michigani Állami Egyetem, Élettani Tanszék, Radiológiai Tanszék, Biomedical Imaging Research Center, Biomedical Physical Science Building, 567 Wilson Road, East Lansing, MI 48824

Robert A. Britton

Baylori Orvostudományi Főiskola, Molekuláris Virológiai és Mikrobiológiai Tanszék, Alkek Metagenomikai és Mikrobiomkutatási Központ, One Baylor Plaza, Houston, Texas 77030, (713) 798-6189, [email protected]

Narayanan Parameswaran

Michigani Állami Egyetem, Élettani Tanszék, Orvosbiológiai Fizikai Tudomány épület, 567 Wilson Road, East Lansing, MI 48824, (517) 884-5115, ude.usm@wsemarap

Absztrakt

A bélmikrobiómának az egészséghez és a betegségekhez való hozzájárulásának megértése terén elért legújabb fejlemények nagy érdeklődést váltottak ki a mikrobák bőségének és/vagy aktivitásuk modulálására irányuló stratégiák kidolgozása iránt, hogy javítsák az emberi egészség egészét és megelőzzék az olyan patológiákat, mint az oszteoporózis. A csont olyan szerv, amelyet a bél régóta ismerten szabályoz a kalcium, a kulcscsont ásványi anyag felszívódása révén. Egyértelmű azonban, hogy a bél és mikrobiomjának modulációja számos állatmodellben (zebra halak, rágcsálók, csirke) és emberekben befolyásolhatja a csontsűrűséget és az erőt. Ezt bizonyítják a mikrobiom ablációs antibiotikum-kezeléssel vagy csíra nélküli egérfeltételek alkalmazásával végzett vizsgálatai, valamint a mikrobiómák aktivitását és összetételét prebiotikus és/vagy probiotikus kezeléssel moduláló vizsgálatok. Ez az áttekintés az új és izgalmas terület legújabb fejleményeit tárgyalja.

Bevezetés

Az emberi testben lakó mikrobaközösségek egészségének és betegségeinek közelmúltbeli előrelépése nagy lelkesedést váltott ki a mikrobák emberi egészség javítása érdekében történő felhasználásáról. Noha a mikrobák az emberi test nagy részét kolonizálják, a bélmikrobiota messze a legnagyobb konzorcium, amely az emberhez kapcsolódik, és a mikrobiómák kutatásában oroszlánrész figyelmet kapott. A megváltozott mikrobaközösségek és a bélrendszerrel közvetlenül összefüggő betegségek, például az elhízás, a cukorbetegség és a gyulladásos bélbetegségek összefüggését alaposan tanulmányozták mind állatmodellekben, mind humán alanyokban. Egyre világosabbá vált azonban, hogy a bél mikrobiota fontos szerepet játszik a belektől távoli helyek, köztük a bőr, a tüdő, az artériák és a csontok egészségében.

A csont olyan szerv, amelyet a bél régóta ismerten szabályoz a kulcscsont ásványi anyag, a kalcium felszívódása révén. Egyre több tanulmány utal arra, hogy további módszerek léteznek a csontok egészségének szabályozására, beleértve a mikrobiómát is. Számos kutatócsoport tanulmányozta a mikrobiom szerepét és annak csontra gyakorolt hatását különféle megközelítések felhasználásával, amelyek 1) a mikrobiota közvetlen megváltoztatására, 2) prebiotikumokkal történő kezelésre választották ki bizonyos baktériumok növekedését a GI traktusban és 3 ) probiotikumokkal végzett kezelés a hasznos baktériumok közvetlen bejuttatására a GI traktusba. Itt áttekintjük ezeket a tanulmányokat, arra összpontosítva, hogy a bélkörnyezet hogyan befolyásolhatja a csontok egészségét.

1. A mikrobiom hatása a csontra

A gyomor-bél traktus a testen átfutó „külső” csövének tekinthető, amely lehetővé teszi a szervezet számára, hogy mintát vegyen a környezetből és felvegye a tápanyagokat. Az étel mellett a „külső” magában foglalja az idegen sejteket és részecskéket, például baktériumokat, vírusokat és gombákat, amelyek bejutnak a szervezetbe, és elfoglalhatják a bél mikrobiomjában. A bél mikrobiota több, alapvető szerepet játszik az emberi és állati egészségben, ezért elfeledett szervként emlegették (1,2). A bél mikrobioma, amelyet a mikrobiota kollektív genetikai anyagaként határoznak meg, becslések szerint 3-8 millió egyedi gént tartalmaz, amelyek az emberek genetikai kapacitását> 100-szorosára bővítik (3,4). Noha a legtöbb munka a vastagbél mikrobiotájára összpontosított, a bél minden szakaszát növekvő sűrűségű mikrobákkal gyarmatosítják a duodenumból a disztális vastagbélbe. A vastagbél tartalmaz

10 12 -10 13 baktérium/gramm széklet; egyértelmű, hogy sokkal több baktérium van a bélrendszerünkben, mint a sejtek a testünkben. Az e közösségek által nyújtott tevékenységek egy része magában foglalja az immunrendszer érlelését és szabályozását, az emésztés és az alapvető táplálék tápanyagok felszabadulását, a bélsorompó funkció támogatását és a kórokozók inváziójának elnyomásának képességét. Ezenkívül a mikrobák hozzájárulnak a vizeletben és a székletben kimutatott metabolitok becsült 10-35% -ának termeléséhez (5,6). Ez tovább hangsúlyozza a mikrobiota fő hatását az állatok és az emberek egészségére.

Egészen a közelmúltig a mikrobiota és a terápiás baktériumok csontfiziológiában és egészségben betöltött szerepét nagyrészt figyelmen kívül hagyták. Kevés tanulmány tesztelte közvetlenül, hogy a baktériumpopulációk hogyan hatnak a csontra, bár néhány közös témát javasoltak. Három fő terület, ahol a mikrobiota csontra gyakorolt hatását vizsgálják, a tápanyagok megszerzése (kalcium és foszfát), az immunreguláció és a közvetlen hatások kis molekulák, például szerotonin vagy ösztrogénszerű molekulák előállítása révén. Noha van néhány jelentés arról, hogy az egyes baktériumok (általában probiotikumok) befolyásolják a csontfiziológia több aspektusát, messze nem értjük a bél mikrobiota és a csontok egészségének összetett kölcsönhatását.

Míg olyan tanulmányokat publikáltak, amelyek bizonyítják, hogy a probiotikumok és a prebiotikumok hatással lehetnek a csontok egészségére, a legközvetlenebb bizonyíték arra, hogy a bél mikrobiota kölcsönhatásba lép a gazdával a csontsűrűség modulálása érdekében, egy olyan vizsgálatból származott, amely csíramentes egereket hasonlított össze olyan állatokkal, amelyeket hagyományosan olyan körülmények között tartottak, tipikus bélközösség (konvencionálisan megemelkedett vagy CONV-R jelöléssel) (7). A csíra mentes egereknél a combcsont trabekuláris csontmennyiségének frakciója 50% -kal nőtt, a kortikális csont pedig megnövekedett a CONV-R állatokhoz képest. A hisztomorfometria kimutatta, hogy a CONV-R állatok csontterületenként megnövekedett oszteoklaszt-számmal rendelkeznek a csíra nélküli állatokhoz képest (7), ami arra utal, hogy a bél mikrobiota jelenlétében fokozott a csont katabolikus aktivitása.

2. Prebiotikus hatások a csontra

A bél dysbiosis, amelyet a bél mikrobiális ökológiájának egészségtelen állapotba történő elmozdulásaként definiálnak, betegségekkel és csontvesztéssel áll összefüggésben. Miközben kezdjük megérteni a dysbiosissal járó mikrobiális összetétel változását, a funkcionális változásokat sokkal kevésbé értjük. A baktériumok különféle géneket fejeznek ki, amelyek modulálhatók a környezeti változásokra reagálva. Ezen gének közül sok olyan enzimeket kódol, amelyek szerepet játszanak a metabolitok, például rövid láncú zsírsavak (SCFA, azaz: butirát), elágazó láncú zsírsavak, epesav-származékok és vitaminok termelésében. A metabolikus termékek baktériumhatással történő képződése a szubsztrát elérhetőségétől függ. Ezeket a szubsztrátumokat részben a prebiotikumok biztosítják, ezért a prebiotikumok kritikus összetevők, amelyek felhasználhatók a bél mikrobiota által termelt metabolitok típusának módosítására.

A csontfelépítés és az mineralizáció változásain túl fontos a tényleges csontszilárdság mérése is. A prebiotikumok, például az FOS, számos rágcsáló-vizsgálatban, beleértve az OVX modelleket is, megnövelték a csont szilárdságát (43). Hasonlóképpen, a GOS dózisa függően növelte a patkány sípcsontját és a combcsont erősségét (44,45). Ezenkívül az Anoecthochilus formosanus, egy prebiotikus gyógynövény és az inulin is növeli a csont szilárdságát a 12 hetes OVX patkányokban (46). Ezt a csontszilárdságra gyakorolt hatást a csontmennyiség jelentős változásának hiányában figyelték meg, ami arra utal, hogy a prebiotikumok megváltoztathatják az extracelluláris mátrix anyag tulajdonságait.

A prebiotikumok csontforgalomra gyakorolt hatásaival kapcsolatban számos tanulmány azt jelzi, hogy a prebiotikumok befolyásolhatják az oszteoblaszt és/vagy az oszteoklaszt aktivitását, a válasz valószínűleg az alkalmazott állapottól és a prebiotikumtól függ. Egyes tanulmányok szerint a csontképződés fokozott. Például az agave fruktánok és az inulin 6 héttel a kezelés után növelik a nőstény egerek szérum oszteokalcin szintjét (23). A kalciummal együtt adott GOS/FOS kombináció növelte a csont mineralizációját és sűrűségét, és ami még fontosabb, fokozta az oszteoblaszt felületét (47). Ezzel szemben az inulin és a FOS csökkentette a csont reszorpció/képződés arányát OVX patkányokban (26). Hasonlóképpen, a 4 hetes FOS vagy DFAIII csökkentette a reszorpciós markereket a gastrektomizált patkányokban (25). Ez utóbbi rágcsáló-vizsgálatokkal összhangban egy menopauzás posztmenopauzás nőknél (átlagéletkor 61 év) végzett randomizált intervenciós vizsgálat azt mutatta, hogy 24 hónap rövid láncú FOS-kezelés csökkentette a szérum- és vizeletcsont-forgalom markereit (42).

A csont egészségének optimális prebiotikus kezelését vizsgáló vizsgálatok kombinálták a prebiotikumokat más csontot javító vegyületekkel/tevékenységekkel. Például a FOS-kezelés (70 napig) maximalizálja a szója-izoflavon kezelés hatását a BMD-re OVX patkányokban, így a legalacsonyabb izoflavon dózis 10 ug/g/nap hatékony. A kombináció fokozta a csont szilárdságára gyakorolt hatást 20 ug/g/nap vagy annál nagyobb dózis esetén is. Úgy tűnt, hogy ez a hatás a csontfelszívódás csökkenésének, nem pedig a fokozott csontképződésnek köszönhető (43). Egy másik tanulmány megvizsgálta a DFAIII kezeléssel végzett testmozgás csontok egészségére gyakorolt hatását. A kombináció a combcsont kalciumtartalmának, erejének és teljes BMD-jének még nagyobb növekedését eredményezte (48). Egyes prebiotikumok együttesen hatékonyabbak, mint mások, és a prebiotikumok és/vagy funkcionális ételek egyes kombinációi még nagyobb hatásokat mutatnak, mint önmagában adva. A vizsgálatok közötti eltérések a dózis, az életkor, a kezelés hossza és/vagy a rágcsáló-modell törzsének, hátterének és nemének különbségéből fakadhatnak.

A prebiotikumok megváltoztathatják a mikrobiom összetételét is, ami befolyásolhatja az SCFA termelését és megváltoztathatja a csontok egészségét. Az olyan vegyületek, mint az FOS és a GOS, ismerten növelik a bifidobaktériumok arányát a gyomor-bél traktusban (44, 45). Kimutatták, hogy az inulin és az FOS megváltoztatja a baktériumfajok számát mind a proximális, mind a disztális bélben, jelentősen megnövelve a bifidobaktériumokat, a lactobacillusokat (csak a proximális bélben) és az eubacteriumokat, miközben a disztális bélben csökken a clostridia (51). Úgy gondolják, hogy a bifidobaktériumok szintjének stimulálása az izoflavon konjugátumok növekvő hasadásához vezet metabolitjaik termeléséhez, ezáltal növelve a fitoösztrogének (azaz a daidzein) biohasznosulását. A bél mikrobiomjában a prebiotikum által kiváltott változások és a csontsűrűség fokozása között még nem találtunk közvetlen kapcsolatot, de az aktív kutatások területe.

3. Probiotikus hatások a csontra

A „probiotikumok” szót eredetileg az „antibiotikumok” antonimájaként hozták létre. A ma probiotikumként elismert baktériumfajokat az ókortól kezdve használták sajtokban és termékek erjesztésére. Az évek során a probiotikumok meghatározását finomították, és ma már „élő mikroorganizmusokként” definiálják, amelyek megfelelő mennyiségben történő beadása bizonyos egészségügyi előnyökkel járhat a gazda számára (52 A Lactobacillus, Bifidobacterium, Escherichia, Enterococcus és Bacillus nemzetségek baktériumait használták probiotikus hatásukra. Ezenkívül élesztőt (Saccharomyces) használtak probiotikumként. A probiotikumokat koncentrált tenyészetekként tejtermékekben (pl. Joghurt) vagy oltóanyagként tejalapú ételekben, vagy étrend-kiegészítőkként por, kapszula vagy tabletta formájában biztosítják. Újabban olyan nem hagyományos termékekhez adták, mint a fogkrém, fagylalt és sör. Az, hogy a probiotikumok hogyan hatnak az egészséges és beteg állatokra és emberekre, intenzív kutatások és érdeklődés a nagyközönség számára. Tekintettel arra, hogy a probiotikumok az élelmiszerboltokban könnyen elérhetők joghurt és más olyan élelmiszerek formájában, amelyek a mindennapi táplálékfelvétel részét képezik, a probiotikumokat különböző körülmények között tesztelik, beleértve a csontok egészségét is.

Tanulmányok azt is megpróbálták megvizsgálni, hogy a probiotikumok és a prebiotikumok, más néven szinbiotikumok kombinációja előnyösebb lehet-e a csontok egészségénél, mint egyik vagy másik. Például egy probiotikum (Bifidobacterium longum) Yacon liszttel vagy anélkül (prebiotikum) adva fokozta a csont ásványianyag-tartalmát patkányokban, bár az erőt nem befolyásolta szignifikánsan (69). Fontos, hogy a prebiotikum hatását a probiotikum jelentősen megnövelte. Meg kell azonban jegyezni, hogy a probiotikum önmagában is jelentős előnyt nyújtott a csont ásványianyag-tartalmának a prebiotikum nélkül is.

A rágcsáló modellek és a baromfi mellett a probiotikumok csontok egészségére gyakorolt hatását zebra hal modelleken is tesztelték. Érdekes módon az L. rhamnosus hozzáadása a normál zebrafish mikroflórához a gerinc gyorsabb meszesedéséhez vezet (74). Ehhez társult az inzulinszerű növekedési faktor (IGF) rendszer L. rhamnosus általi stimulálása. Érdekes lenne kipróbálni, hogy ezek az IGF rendszerre gyakorolt hatások rágcsálóknál és embereknél is megfigyelhetők-e. Különböző vizsgálatokban kimutatták, hogy az L. rhamnosus az oszteocita képződésében részt vevő géneket a zebrai halak MAPK1/3 útján keresztül szabályozza, további molekuláris mechanizmust biztosítva (75).

Következtetések

Számos tanulmány támogatja a bél és mikrobiom szerepét a csontsűrűség és az egészség szabályozásában. A jelenlévő baktériumok mennyiségének közvetlen módosítása (antibiotikumok, csíra nélküli egerek felhasználásával), valamint baktérium szubsztrátok (prebiotikumok) hozzáadása és hasznos baktériumok (probiotikumok) hozzáadása befolyásolhatja a csontok egészségének és a kalcium anyagcseréjének mértékét. Azonban még sok mindent meg kell tanulnunk a jelátviteli utak megértésével kapcsolatban, amelyek a mikrobiómát és a beleket összekapcsolják a csontváz egészségével. A jövőbeni tanulmányoknak azon mechanizmusok azonosítására kell irányulniuk, amelyek révén a mikrobiom szabályozza az oszteoblaszt és az oszteoklaszt aktivitását, mint eszköz az oszteoporózis jövőbeli természetes kezelésének kifejlesztésére. Úgy képzeljük el, hogy a bél-mikrobiom kölcsönhatás modulációja a csontok egészségének javítása érdekében fontos szerepet játszik az emberi egészségben, és lehetővé teszi az orvosok számára, hogy csökkentsék a csontritkulás jelenlegi farmakológiai beavatkozásaitól való függőséget (amelyek nem kívánt mellékhatásokkal járhatnak).