Je leest:

Darmgezondheid en de invloed van darmbacteriën

Darmgezondheid en de invloed van darmbacteriën

Auteur: | 24 april 2003

Darmgezondheid is een onderwerp dat de laatste jaren steeds meer aandacht krijgt van onderzoeksinstituten en voedingsbedrijven. Dit komt omdat steeds vaker uit onderzoek blijkt dat componenten van ons dieet de gezondheid van de darm positief of negatief kunnen beïnvloeden. Het werkingsmechanisme van deze dieet componenten is vaak nog niet achterhaald. Met de ontwikkelde in vitro modellen van het maag-darm kanaal probeert TNO achter deze mechanismen te komen.

Hoewel er ook allerlei stoornissen in de dunne darm op kunnen treden, wordt met ‘darmgezondheid’ in deze publicatie de gezondheid van de dikke darm bedoeld. Want met name ziektes als dikke darm kanker en bepaalde ontstekingsziektes in de darm hebben hun oorsprong op die plaatsen in de darm waar micro-organismen in grote aantallen aanwezig zijn, en dat is voornamelijk in de dikke darm. De ziektes kunnen zich echter daarna verspreiden naar de dunne darm of (in geval van dikke darm kanker) uitzaaien naar het hele lichaam.

De invloed van de microbiota in de darm op darmgezondheid

Darmgezondheid blijkt voor zowel mens als dier een steeds belangrijker item te worden. Er zijn vele aanwijzingen dat er relaties bestaan tussen darmgezondheid en het zich voordoen van allerlei ziekten (zoals dikke darm kanker en ontstekingsziektes in de darm). Tot voor kort werd van de colon (dikke darm) gedacht dat het slechts een opslagplaats voor onverteerbare voedingsbestanddelen was. Echter, de afgelopen 5 tot 10 jaar hebben een drastische verandering in die gedachte gebracht.

Tegenwoordig wordt de dikke darm wel ‘het vergeten orgaan’ genoemd. In de dikke darm zijn een factor 10 meer micro-organismen aanwezig (100 * 1 miljoen * 1 miljoen, ofwel 1014) dan het aantal cellen waaruit ons lichaam is opgebouwd (1013). Het enzymatische (metabole) potentiaal van al die verschillende micro-organismen wordt minstens even groot geschat als dat van de lever. Deze biochemische reacties zijn van belang voor zowel ziekte als gezondheid. Zo blijkt de microbiota in de dikke darm (zie artikel op Kennislink over microbiota) noodzakelijk voor het volledig ontwikkelen van die darm vlak na de geboorte, omdat kiemvrije dieren (dieren zonder een microbiota) geen goed ontwikkelde darm hebben. Daaruit blijkt dat wij in symbiose met onze microbiota leven.

Aan de andere kant is het juist deze microbiota die voor ziektes in de darm zorgt, zoals Ulceratieve colitis (UC), de ziekte van Crohn (CD) en darmkanker. Muize-modellen die ontwikkeld zijn als model voor UC en CD vertonen deze ziektebeelden alleen als de dikke darm geïnfecteerd raakt met de normale microbiota. Kiemvrije muizen ontwikkelen geen ziekte. Voorts zorgt het toedienen van antibiotica bij mensen met deze ziektes voor een verbetering van de ziekte. Ook hieruit blijkt dat de microbiota belangrijk is voor de aanzet of het in stand houden van deze inflammatoire ziektes (ziektes waarbij het immuunsysteem voor allemaal ontstekingen zorgt). Ook bij de ontwikkeling en voorkoming van dikke darm kanker speelt de microbiota in de dikke darm een belangrijke rol.

Recent onderzoek heeft aangetoond dat de microbiota bepaalde enzymatische activiteiten bevatten die precursors (onschadelijke voorlopers) van kankerverwekkende verbindingen om kunnen zetten in eigenlijke schadelijke kankerverwekkende stoffen. Daarentegen zijn er ook studies gepubliceerd die laten zien dat probiotica (gezondheidsbevorderende micro-organismen; zie artikel op Kennislink) dikke darm kanker in proefdieren kan verminderen of voorkomen.

Darmmicrobiota

Er zijn vele micro-organismen aanwezig in de dikke darm (1014). Er wordt geschat dat er meer dan 1000 verschillende species in de dikke darm voorkomen. Echter, slechts een deel daarvan (men schat 10-25%) is bekend en kan op voedingsbodems gekweekt worden.

Door gebruik te maken van nieuwe moleculaire DNA-technieken begint echter steeds meer duidelijk te worden met wat voor complexe ecologie we in de dikke darm te maken hebben. Deze micro-organismen hebben op een complexe manier een interactie met elkaar, de gastheer en die voedingscomponenten van de voeding die in de dikke darm arriveren. Deze onderlinge interacties dicteren de productie van microbiële metabolieten (afbraakproducten van de dieet componenten). De hypothese is dat met name de directe interacties van micro-organismen en de interacties van de geproduceerde metabolieten met de gastheer de gezondheidsstatus van de dikke darm definiëren.

Interactie microbiota-gastheer

Er is een enorme belangstelling om de interactie tussen de microbiota en de gastheer (mens, maar ook dier) te onderzoeken. Recente voorbeelden zijn gepubliceerd op het gebied van de interactie van Bacteroides thetaiotamicron (een micro-organisme uit de dikke darm) met het epitheel van een kiemvrije muis, en de interactie van dit micro-organisme met in vitro celweefselkweken. Hieruit blijkt dat dit micro-organisme een duidelijk effect heeft op de gen-expressie (en daardoor op de activiteit) van epitheelcellen.

Afb 1. Schets van het op elkaar ingrijpen van enzymatische reacties en complexe biochemische routes. klik op de afbeelding voor een grotere versie

Binnen deze projecten wordt gekeken naar veranderingen in expressie van genen. Echter, als gevraagd wordt wat de relatie van de veranderde gen-expressie profielen met ziekte en/of gezondheid is, dan moet men het antwoord schuldig blijven, omdat die relatie nog niet gelegd is. Met andere woorden, de vertaling naar functionele activiteit van het darm-epitheel is nog niet te maken. Maar dat is ook niet zo gek als men zich realiseert dat allerlei enzymen een interactie met elkaar vertonen via allerlei complexe en op elkaar ingrijpende biochemische routes (zie afbeelding 1 voor een indruk van de complexiteit).

Afb 2. Microscopische foto van een celweefselkweek van dikke darm kanker cellen op een filter. Na ongeveer 3 weken is er een ééncellige laag darmepitheel ontstaan.

In vitro celweefselkweek is een goede manier om deze interactie tussen micro-organisme en darmwand te bestuderen om het werkingsmechanisme te achterhalen. Voor de celweefselkweek wordt gebruik gemaakt van een kankercel die uit de dikke darm is geïsoleerd. Een eigenschap van deze kankercellen is dat ze ongelimiteerd doorgroeien en ze kunnen derhalve ook buiten het lichaam ( in vitro) gekweekt worden. Ze worden dan op een poreus filter gekweekt in een chemisch samengesteld medium, waardoor ze na zo’n 21 dagen een één-cellige laag darmepitheel vormen (zie afbeelding 2). Vervolgens kunnen micro-organismen toegevoegd worden en kan men de interactie met het darm-epitheel bestuderen (zie afbeelding 3). Hier zal in een volgend artikel nader op ingegaan worden.

Afb 3. Microscopische opname van micro-organismen die aan het darmepitheel gehecht zitten. De ‘rijstkorrels’ zijn bacteriën van de soort Lactobacillus, een gezondheidsbevorderend micro-organisme.

Productie van microbiële metabolieten

Er wordt veel onderzoek gedaan naar de productie van microbiële metabolieten. Dit beperkt zich op dit moment hoofdzakelijk tot de zogenaamde korte-keten vetzuren (azijnzuur, propionzuur en boterzuur). Van de vetzuren is bekend dat boterzuur noodzakelijk is voor een gezonde darm. Ten eerste verkrijgen epitheel cellen in vivo ongeveer 70% van hun energie uit boterzuur. Tevens is aangetoond dat boterzuur de vorming van colon kanker tegen gaat. Ook de twee andere vetzuren hebben elders in het lichaam een functie. Met name bij landbouwdieren dragen deze vetzuren bij tot zo’n 30% van de dagelijks noodzakelijke energie.

Deze korte-keten vetzuren worden voornamelijk geproduceerd door fermentatie van koolhydraten ((polymeren van) suikers). Daarnaast vind er in de dikke darm ook fermentatie van eiwitten plaats. Dit geeft aanleiding tot de productie van allerlei kwalijke stoffen, zoals bijvoorbeeld ammoniak en fenolische verbindingen, maar ook het zeer stinkende gas H2S, dat een rotte-eieren geur heeft. Sommige van deze stoffen kunnen de darmwand irriteren, waardoor cellen in de darmwand afsterven en de barrière-functie (het afsluiten van de ‘buitenwereld’, de inhoud van de darm, voor het lichaam) verloren gaat, doordat de afgestorven cellen ‘gaten’ laten vallen in de één-cellige laag van de darmwand.

Andere kwalijke stoffen kunnen na opname in het lichaam de lever beschadigen of migraine aanvallen veroorzaken. Door de productie van deze toxische verbindingen is het wenselijk om eiwit-fermentatie te voorkomen en koolhydraat fermentatie te bevorderen, zodat er met name gezondheidsbevorderende microbiële metabolieten geproduceerd worden.

In een project in TIM-2, TNO’s in vitro model van de dikke darm (zie artikel op Kennislink over dit model), is gekeken in hoeverre dit in vitro model een bruikbaar model is om de metabole activiteit van de microbiota, na toevoeging van lactulose (een koolhydraat), te bestuderen in vergelijking met een experiment met humane vrijwilligers. Uit dit project bleek dat er verschillen in activiteit die in TIM-2 samples te meten waren, terwijl die verschillen afwezig waren in in vivo samples (faeces samples) (zie afbeelding 4).

Er zit een groot tijdsverschil tussen de plaats van fermentatie van lactulose (het begin van de colon) en de plaats van analyse in het in vivo experiment de faeces (is net woord voor poep). Dit kan oplopen tot 36 uur. In die tijd worden de meeste metabolieten geproduceerd door de microbiota in het begin van de colon opgenomen door het lichaam en is er in het faeces geen verschil te meten. TIM-2 echter staat sampelen toe op de plek van fermentatie, waardoor er wel een duidelijk verschil was aan te tonen.

Het bleek zelfs mogelijk met moleculaire DNA-technieken om de micro-organismen verantwoordelijk voor fermentatie van lactulose aan te tonen. Dit is een goed voorbeeld van het gebruik van in vitro modellen om het werkingsmechanisme van bepaalde dieet componenten te bestuderen. Hieruit bleek dus dat er na toedienen van lactulose heel weinig boterzuur werd geproduceerd. Op zich, gezien het gezondheidsbevorderende effect van boterzuur, is dit natuurlijk niet een gewenst effect. Maar gelukkig zitten er in een normaal dagelijks dieet voldoende andere componenten die wel aanleiding tot boterzuur productie geven. Maar juist om het mechanisme van lactulose te onderzoeken waren deze andere componenten weggelaten uit het onderzoek in TIM-2.

Afb 4. Procentuele productie van de korte-keten vetzuren azijnzuur, propionzuur en boterzuur in TIM-2 en in humane proefpersonen vóór (controle) en ná een dieet met 10 gram lactulose per dag (lactulose). De monsters uit TIM-2 laten een duidelijk verschil zien in metaboliet productie, terwijl de faeces monsters van de humane vrijwilligers juist helemaal geen verschil tonen.

In een ander project is ook met behulp van TIM-2 gekeken is naar de productie van allerlei microbiële metabolieten. Hierbij is naast korte-keten vetzuren ook gekeken naar een beperkte set van andere metabolieten, met name toxische verbindingen van eiwit-fermentatie zoals ammoniak en fenolische verbindingen. Daarnaast is het model geïnfecteerd met een pathogeen, Clostridium difficile, om te kijken naar het effect van een overgroei van dit micro-organisme op de darmgezonheidsstatus. Uit dat project is naar voren gekomen dat de metabole activiteit van de microbiota te sturen is naar een meer gezondheidsbevorderende activiteit.

Productie van verscheidene toxische metabolieten (door Cl. difficile) kon verlaagd of tot nul terug gebracht worden na toevoeging van een koolhydraat (zie afbeelding 5). Hoewel het precieze werkingsmechanisme nog niet opgehelderd is, is dit een belangrijke eerste stap, die het in de toekomst mogelijk moet maken om dit soort processen nader te bestuderen.

Afb 5. Effect van een koolhydraat op de productie van het toxische metaboliet ammoniak in TIM-2. Het toevoegen van een pathogeen ( Clostridium difficile) verhoogt de productie van ammoniak ten opzichte van de controle. Het toevoegen van een koolhydraat verlaagt de productie, zowel met als zonder Clostridium difficile tot een niveau lager dan de controle. Het toedienen van een koolhydraat werkt in dit geval gezondheidsbevorderend omdat het de productie van het schadelijke ammoniak tegengaat.

Interactie microbiële metabolieten en darmwandfunctie

Naast de directe interactie van micro-organismen met het darmepitheel (zie hierboven) is er ook een interactie van de microbiële metabolieten met de darmwand. We noemden al eerder dat de darmwand afhankelijk is het microbiële metaboliet boterzuur. Maar ook andere metabolieten kunnen de activiteit en de gezondheid van de darmwand beïnvloeden. Bijvoorbeeld H2S remt het gebruik van boterzuur door darmcellen. Dus, alhoewel er dat geval dan wel boterzuur aanwezig is, is de darmwand niet gezond omdat het door de aanwezigheid van H2S het boterzuur niet kan gebruiken.

Doordat de darmwand niet gezond is kunnen micro-organismen zich makkelijker door de darmwand heen verplaatsen en kunnen ze een infectie veroorzaken, of kunnen voedselbestanddelen makkelijker de darmwand passeren en aanleiding geven tot allergische reacties. Men is er daarom langzamerhand van overtuigd dat eiwit-fermentatie (wat leidt tot de productie van de vele verschillende toxische metabolieten) zoveel mogelijk voorkomen dient te worden. En zowel onderzoeksinstellingen als bedrijven zijn op zoek naar dieet componenten die dit kunnen bewerkstelligen..

Ook TNO is een groot project gestart op het gebied van darmgezondheid waarin het effect van verschillende voedingscomponenten op de activiteit en de samenstelling van de microbiota onderzocht wordt, en waar een samenhang gelegd wordt met productie van bepaalde metabolieten en de darmgezondheid door te kijken naar het effect van de microbiële metabolieten op de functie van de darmwand. Een volgend artikel van deze auteur zal hier nader op in gaan.

Voor vragen of opmerkingen n.a.v. dit artikel kunt u mailen met:

Dit artikel is een publicatie van Nederlands Instituut voor Biologie (NIBI).
© Nederlands Instituut voor Biologie (NIBI), sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 24 april 2003

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.