Darmgezondheid krijgt de laatste jaren steeds meer aandacht van onderzoeks-instituten en voedingsbedrijven. Uit onderzoek blijkt namelijk herhaaldelijk dat componenten in ons dieet de gezondheid van de darm positief of negatief kunnen beïnvloeden. Voorbeelden van die componenten zijn de micro-organismen lactobacil en bifidobacterie, zogenaamde probiotica. Hiervan wordt vermoed, dat ze de gezondheid van de darm bevorderen. Daarom worden ze aan voedingsmiddelen toegevoegd.

Deze micro-organismen komen van nature in onze dikke darm voor, en maken daar deel uit van de complexe microbiota in het maag-darm kanaal (zie ook het artikel “De microbiota in het maag-darm kanaal” elders op Kennislink). De nadruk lag voorheen op onderzoek naar de lactobacillen, maar tegenwoordig staat ook de bifidobacterie steeds meer in de aandacht.

Waarom zijn bifidobacteriën gezond?

De overtuiging dat bifidobacteriën gezondheidsbevorderend zijn, komt voort uit onderzoek naar babyvoeding. Baby’s die borstvoeding krijgen, hebben over het algemeen een hogere weerstand, dan degenen die met de fles gevoed worden. De eerste groep zuigelingen heeft daardoor minder vaak last van infecties (die vaak samengaan met diarrhee). Een belangrijke oorzaak hiervoor, vermoeden sommige wetenschappers, is dat baby’s die aan de borst voeden, meer bifidobacteriën in hun dikke darm hebben. De hypothese is dan, dat de aanwezigheid van bifidobacteriën ervoor zorgt, dat andere (ziekteverwekkende) micro-organismen niet of minder goed kunnen groeien.

Echter, de hoeveelheid bifidobacteriën is slechts één van de factoren die een rol spelen bij de verhoogde weerstand van baby’s die de borst krijgen. Als het al een rol speelt. Een andere belangrijke factor is dat moedermelk veel antilichamen bevat, die de infectieveroorzakende-bacteriën (pathogenen) neutraliseren. Bovendien bevat moedermelk allerlei korte ketens van koolhydraten, de zogenaamde oligosacchariden. Deze oligosacchariden zitten zo in elkaar dat ze lijken op aanhechtingspunten (receptoren) in de darmwand waar pathogene micro-organismen kunnen binden. De oligosacchariden in de darm van de borstgevoede baby, gaan als het ware competitie aan met de receptoren op de darmwand, wat betreft de binding van de micro-organismen. De pathogenen gaan vervolgens met de korte koolhydraatketens de darm uit. Het gevolg is dat de bacteriën die aan de oligosacchariden binden, geen infecties kunnen veroorzaken.

Nog een afweerverhogende factor is dat moedermelk een aantal enzymen bevat, die de groei van micro-organismen remmen: namelijk lactoferrine en lysozym. Lactoferrine bindt ijzer, een element dat micro-organismen nodig hebben. Hierdoor is het niet beschikbaar is voor de pathogenen. Lysozym werkt anti-microbieel omdat het de celwand van micro-organismen afbreekt. Helaas is lysozym ook actief tegen gezonde micro-organismen, maar dat is de prijs die Moeder Natuur heeft moeten betalen om er voor te zorgen dat in ieder geval de slechte micro-organismen zoveel mogelijk gedood worden.

Ook bifidobacteriën blijken inderdaad de groei van andere micro-organismen te beïnvloeden. Ze produceren namelijk azijnzuur en melkzuur. Hierdoor verlaagt de zuurgraad in de dikke darm, en kunnen pathogenen minder goed groeien. (Bifido-bacteriën kunnen zelf overigens wel tegen een lagere zuurgraad.) Naast deze indirecte invloed, is er ook een direct effect van azijn- en melkzuur: de stoffen zelf remmen de groei van pathogenen. Flesvoeding buffert de darmomgeving veel meer dan moedermelk. Met als gevolg dat de zuurtegraad in de dikke darm hoger is bij koemelkbaby’s dan bij moedermelkzuigelingen.

Maar moedermelk bevordert de groei van bifidobacteriën met name door de hierin aanwezige voedingsstoffen, die noodzakelijk zijn voor deze bacterie om te kunnen leven. Flesvoeding (gebaseerd op koemelk) bevat die voedingsstof niet. Het ‘bifidovoedsel’ waar het om gaat, is het al eerder genoemde oligosaccharide. Andere micro-organismen zijn veel minder goed in staat oligosacchariden te gebruiken. De bifidobacteriën kunnen zich zo beter handhaven in de dikke darm van de moedermelk-baby, dan andere micro-organismen: de bifido’s groeien harder.

Bifidobacteriën als probiotica

Vanwege de vermoede positieve effecten van bifidobacteriën is er de veel onderzoek gedaan naar deze familie van micro-organismen. Bij de mens zijn er ondertussen zo’n vijftien soorten aangetroffen. De meeste leven in de dikke darm, maar er zijn ook enkele soorten in de mond gevonden.

Bifidobacteriën hebben een karakteristieke vorm, of morfologie, waarbij de cellen in een X- of Y-vorm liggen (Afbeelding 1). De familie bestaat uit verscheidene soorten, en de soorten kunnen weer onderverdeeld worden in verschillende stammen (of isolaten). Deze familie van micro-organismen kan niet of nauwelijks groeien in de aanwezigheid van zuurstof. Dat is de voornaamste reden waarom ze voornamelijk in de dikke darm voorkomen en niet in de andere delen van het maag-darm kanaal. De dikke darm bevat namelijk nagenoeg geen zuurstof, terwijl dat in de maag en de dunne darm wel het geval is. Isolaten (stammen) uit de darm (vaak uit ontlasting), worden dan ook gekweekt onder omstandigheden die zuurstof-vrij zijn. Overigens is het niet zo, dat deze bacteriën niet overleven als ze aan zuurstof worden blootgesteld. Maar ze zijn dan niet in staat om te groeien. Het is maar goed dat ze wel blootstelling aan zuurstof overleven, anders zouden ze nooit op zo’n schaal in de voedingsindustrie gebruikt worden als dat nu het geval is, want in de industrie is het onmogelijk om onder zuurstof-vrije omstandigheden te werken.

De afgelopen decennia is er niet alleen veel onderzoek gedaan naar de invloed van bifidobacteriën op de gezondheid van baby’s, maar ook op die van volwassenen. Zo zijn er aanwijzingen dat bepaalde bifidobacteriën kunnen helpen ontstekingsziektes of kanker in de dikke darm te verminderen (zie ook “Darmgezondheid en de invloed van darmbacteriën hierop” elders op Kennislink). Ook lijken specifieke bifidostammen de ontwikkeling van allergie-reacties bij kleine kinderen te verminderen, of andere immunologische processen te beïnvloeden ter bevordering van de weerstand. De diverse stammen zijn dus behoorlijk verschillend en hebben verschillende biologische activiteiten.

Sommige bifodostammen hebben geen effect op de gezondheid, of juist een negatieve invloed. Ook kan een een bepaalde stam enerzijds een positief effect hebben op bijvoorbeeld dikke darm kanker, maar daarnaast geen invloed uitoefenen op andere ziektes (ontstekingen, allergie). Ondanks die complexiteit is er vanuit de voedingsindustrie en de farmaceutische industrie interesse voor de bifidobacteriën.

De bifido’s worden als zogenaamde probiotica (gezondheidsbevorderende micro-organismen) met name toegevoegd aan zuivelproducten. In een enkel geval wordt een zuivelproduct zelfs geproduceerd met behulp van een bifidobacteriestam, alhoewel het wetenschappelijk gezien onduidelijk is of die stam ook echt positieve effecten op de gezondheid heeft. Ook worden diverse bifidostammen als probiotica verkocht in tablet- of capsulevorm in de drogisterij. Net als voor de zuivelproducten geldt vaak dat de wetenschappelijk onderbouwing ver te zoeken is. Er wordt gewoon uitgegaan van het positieve imago dat de ‘familie Bifido’ heeft gekregen. En dat is jammer, want voor individuele stammen is wel degelijk een positief effect gevonden, maar doordat er ook veel producten op de markt zijn die geen effect hebben, worden ook de wel werkende producten niet echt meer betrouwbaar gevonden.

Selectieve groeisubstraten voor bifidobacteriën: prebiotica

Het aantal bifidobacteriën in de dikke darm kan verhoogd worden door het eten van voedingsmiddelen, of het nemen van pillen, waaraan het micro-organisme is toegevoegd. De productie van azijn- en melkzuur in de dikke darm neemt als gevolg hiervan toe en de groei van pathogene micro-organismen wordt geremd. Dit effect houdt echter maar enkele dagen stand, aangezien de opgegeten bifidobacteriën niet aangepast zijn aan de omgevingsfactoren in de dikke darm. Ze worden vaak binnen twee tot drie dagen weer uit de darm gespoeld. Voor een langdurig effect zou je dus elke dag een nieuwe lading bifidobacteriën tot je moeten nemen.

Maar het kan ook anders. In plaats van de bacteriën op te nemen via voedsel, kan je ook de reeds in de darm aanwezige bifidobacteriën in groei en aantal laten toenemen, door ze de juiste voedingsstoffen (substraten) te geven. Het voedingssubstraat dat je via het dieet kunt verstrekken aan de natuurlijke bifido’s, mag daarbij niet (of nauwelijks) bruikbaar zijn voor de andere micro-organismen in de darm. Zulke selectieve groeisubstraten voor bifidobacteriën heten prebiotica.

De bifidofamilie is tot zo ver bekend de enige bacteriesoort die het enzym fructose-6-fosfaat fosfoketolase maakt (afbeelding 2, route twee). Dit enzym is betrokken bij de omzetting van suikers in azijnzuur (acetaat) en melkzuur (lactaat), waarbij energie (ATP) ontstaat (afbeelding 2). Door dit enzym kunnen bifidobacteriën heel efficiënt omspringen met substraten en er veel energie uithalen. Met name substraten die bestaan uit fructose-eenheden (een bepaald type koolhydraat), zijn daarom geschikt als selectief groeisubstraat. Voorbeelden hiervan zijn inuline en fructo-oligosacchariden (FOS) (afbeelding 3).

Inuline en FOS zijn niet-verteerbare koolhydraten die van nature voorkomen in planten, voornamelijk in groenten, fruit, tarwe en haver. In de industrie worden ze voornamelijk gewonnen uit cichoreiwortel. FOS en inuline bestaan uit een keten van fructose-eenheden, zonder zijtakken en met een glucosemolecuul aan het begin. De ketenlengte kan variëren van twee tot zestig fructose-eenheden, die aan elkaar zijn gebonden door b(2-1) verbindingen. Het verschil tussen inuline en FOS is de ketenlengte van het molecuuldeel dat uit fructose-eenheden bestaat. Fructo-oligosacchariden hebben maximaal tien eenheden. Daarboven wordt de koolhydraatketen tot de inulinegroep gerekend. Van beide substraten is bekend dat het de hoeveelheid bifidobacteriën in de dikke darm vergroot.

Hoewel ze van nature in allerlei voedsel voorkomen, worden beide prebiotica ook toegevoegd aan andere voedingsmiddelen. Vitaalbrood van Albert Heijn, bijvoorbeeld, bevat inuline. Met drie sneetjes van dit brood heb je voldoende inuline opgenomen om te mogen aannemen dat je de bifidobacteriën in je dikke darm stimuleert. Naast inuline en FOS bestaan er nog een aantal natuurlijke en op chemische wijze nagemaakte stoffen, waarvan uit onderzoek bekend is dat ze bifidobacteriën stimuleren, bijvoorbeeld de galacto-oligosacchariden. Al deze stoffen worden onderzocht op geschiktheid om ze aan voedingsmiddelen toe te voegen. Op deze manier kan je functionele voedingen maken: voedsel met een additionele functie (in dit geval verhoging van bifidobacteriën), naast de hoofdfunctie opname van noodzakelijke voedingsstoffen.

Methoden om bifidobacteriën te karakteriseren

In de mens kunnen van nature vijftien bifidobacterie-soorten leven. De diverse stammen hebben verschillende biologische werkingen. Het is dus belangrijk om soorten en stammen goed te kunnen karakteriseren, het liefst met een snelle methode.

Vroeger gebeurde dit op een behoorlijk tijdrovende manier. De bifidobacteriën werden gekweekt in een laboratorium, waarna allerlei biochemische testjes moesten uitwijzen welke suikers ze wel en welke ze niet konden gebruiken om op te groeien. Of welke enzymen de verschillende stammen maakten. Dit onderzoek kon verscheidene weken in beslag nemen en de uitkomst was nooit honderd procent zeker, door gebrekkige technieken.

Tegenwoordig maakt de wetenschap gebruik van moleculaire DNA-technieken. Alle organismen bevatten ribosomen, de eiwit-fabriekjes van de cel. Ribosomen zijn opgebouwd uit verschillende onderdelen. Enkele speciale onderdelen zijn voor de bifidobacterie-analyse van belang. Het zijn drie RNA-moleculen. Alle ribosomen, in alle soorten organismen, hebben zo’n drietal RNA’s. Dus ook die van de bifidobacterie. Zoals alle erfelijke informatie, is ook de code voor deze ribosomale RNA-moleculen afkomstig van het DNA van het organisme (in dit geval de bifidobacterie). Verschillen tussen de RNA’s zijn terug te voeren tot verschillen in DNA-basenvolgorde.

Een van de drie RNA’s van het bifidobacterie-ribosoom is bijzonder geschikt voor de analyse van de verschillende soorten. Het heet 16S-rRNA (kleine r van ribosomaal). De basenvolgorde van 16S-rRNA blijkt nauwelijks verschillen te hebben, als je deze gaat vergelijken met 16S-rRNA’s uit duizenden verschillende bacteriesoorten. De verschillen die er wel zijn, vind je altijd op vaste locaties in het RNA-molecuul (afbeelding 4). En, belangrijker nog, elke stam van de bifidobacterie heeft een karakteristieke basenvolgorde op die variabele locaties.

Daarom worden de variabele delen van de 16S-rRNA-moleculen ingezet om te bepalen tot welke familie en soort een nieuwe geïsoleerde bifidobacterie behoort. Het enige wat een wetenschapper moet doen, is de basenvolgorde (sequentie) van de 16S-rRNA uit de gevonden bifidobacterie bepalen, en vergelijken met de volgordes die bekend zijn en toebehoren aan een bepaalde soort (te vinden in een database). Zo’n sequentiebepaling kost een dag of drie en dat is al een hele vooruitgang ten opzichte van de oude situatie. Toch blijft deze tijdsduur problematisch, als je vele verschillende soorten moet analyseren. Maar ook daarvoor heeft de moleculaire wetenschap een oplossing gevonden. Voor verschillende bacteriefamilies zijn methoden ontwikkeld, die maar circa zes uur analysetijd kosten, inclusief voor de bifidofamilie.

Die snelle analyse vindt plaats met behulp van een scheidingsmethode, de gel-electroforese. Het principe hierachter is eenvoudig: moleculen of delen hiervan, worden gescheiden op basis van grootte en het (daarmee samenhangende) electrische ladingsverschil tussen de moleculen. Een monster van elke stof die wordt geanalyseerd, wordt hierbij aan een kant van de gel opgebracht. Vervolgens veroorzaakt de aansluiting van een plus- en een minpool op tegenoverstaande zijden van de gel een spanningsveld. De moleculen in de monsters zullen van de negatieve naar de positieve pool gaan ‘lopen’, door de negatieve lading van het molecuul. De gel fungeert hierbij als netwerk, waar kleine moleculen gemakkelijk en snel doorheen komen, maar grote veel langzamer. Na een bepaalde tijd hebben de moleculen in de monsters hun maximale afstand gelopen en wordt de procedure stopgezet. Het resultaat zie je in afbeelding 5.

Het tweede hulpmiddel waarmee de analyse plaatsvindt, heeft betrekking op de behandeling van het te analyseren monster, voordat deze op de gel kan worden aangebracht. Hierbij worden restrictie-enzymen gebruikt: deze zijn in staat DNA-moleculen op specifieke plaatsen in het molecuul door midden te knippen. Afhankelijk van de plaats (vooraan, achteraan of in het midden van de basenketen) ontstaan dan delen van het molecuul met verschillende lengtes. Die breng je aan op de gel. Er zijn echter wel veel moleculen nodig om later iets te kunnen zien op de gel. Daarom wordt het stukje DNA dat onder analyse is, altijd eerst vermenigvuldigd (afbeelding 4). Dat gebeurt met behulp van een speciaal enzym: DNA-polymerase.

Wanneer er nu voldoende bifido-^16S-rRNADNA is gemaakt (dat codeert voor het 16S-rRNA), dan kan de analyse starten. Een speciaal restrictie-enzym knipt het ^16S-rRNADNA door, op plaatsen die het herkend (meestal een bepaalde basenvolgorde). Doordat dit DNA-molecuul van de ene bifidobacterie-soort net even anders is, dan dat van een andere soort (door het variabele deel in dit molecuul) zal het molecuul van soort A wel geknipt worden, maar dat van soort B niet. Het gebruik van een aantal verschillende restrictie enzymen, resulteert zo in een ‘vingerafdruk’: een specifiek patroon van in stukken geknipte DNA-moleculen op de gel, als gevolg van knipreacties door karakteristieke restrictie-enzymen.

Door nu die vingerafdruk te vergelijken met vingerafdrukken in een database (net zoals de politie ook echte vingerafdrukken vergelijkt), kan op een hele simpele manier achterhaald worden om welke bifidobacterie-soort het ging. Het grappige is dat er steeds nieuwe bifidobacterie-soorten boven water komen: in 2001 waren er slechts twaalf soorten bekend, in 2002 vijftien. Dus de database van vingerafdrukken wordt steeds groter.

Nog een voordeel van de moleculaire DNA-techniek, is dat de snelheid van de identificatie van elke nieuw ontdekte stam gelijk blijft: de vergelijkende analyse op basis van de ‘vingerafdruk’ kan bijna helemaal met de computer gedaan worden. De oude biochemische manier daarentegen, zou bij het ontdekken van steeds meer soorten die op elkaar lijken, steeds meer tijd in beslag nemen, per analyse. Je moet immers steeds meer testjes doen om twee bijna dezelfde soorten of stammen, nog uit elkaar te kunnen houden.

De moleculaire DNA-technologie heeft er dus niet alleen voor gezorgd dat het nu veel beter, maar ook veel sneller kan. Hierdoor wordt het ook beter mogelijk om de effecten van verschillende soorten en isolaten te bestuderen en een duidelijk onderscheid aan te brengen tussen isolaten die wel een effect hebben op gezondheid en isolaten die dat niet hebben. Dit zou de wetenschap zeer ten goede komen, want er zijn Bifidobacterie stammen, waarvan bewezen is dat ze een gunstig effect hebben op de gezondheid, maar het zou jammer zijn als die in de verdrukking komen omdat er ook veel producten op de markt zijn die geen effect hebben.

Door de stammen in verschillende producten snel te kunnen identificeren met bovenstaande (en andere niet genoemde methoden), zou men aan kunnen geven welke producten wel gezondheidsbevorderend werken en welke niet. Hierdoor kan misschien voorkomen worden dat producten die probiotica bevatten in een negatief daglicht komen te staan. Deze voedingsproducten hebben namelijk de mogelijkheid om sommige ziektes (bijv. allergie) of ‘ongemakkelijkheden’ (bijv. diarrhee) te voorkomen of te verminderen, waardoor de druk op de medische zorg verlicht wordt. Naast het feit dat dit de gemeenschap veel geld zou besparen in de medische zorg is dit natuurlijk ook voor de individuen die anders door een ziekte of ‘ongemakkelijkheid’ getroffen zouden worden een groot voordeel.