Мал. 1. Поверхня кишечника - ворсинки і крипти Ліберкюна
Внутрішня поверхня кишечника, його слизова оболонка не гладка, це складний рельєф з виростів (ворсинок) і поглиблень - ліберкюнових крипт (рис. 1). Кількість крипт, крихітних трубочок довжиною 0,25-0,5 мм і діаметром до 0,07 мм, досягає 80-100 на 1 мм 2. Названі вони на честь німецького анатома Йоганна Натаніеля Ліберкюна, описав крипти в 1754 році. Правда, він був четвертим, хто це зробив, першість належить італійському лікаря і біологу Марчелло Мальпігі (1628-1694), що відкрив безліч інших структур, значна частина яких отримала його ім'я.
Отже, епітелій кишечника. Його клітини вистилають ворсинки, всмоктують поживні речовини і виконують деякі інші функції. Епітелій постійно оновлюється завдяки поділу стовбурових і прогеніторних клітин, розташованих на дні крипт. (Прогеніторних називають клітини, які ще не диференціювалися, але вже зробили перші кроки в певному напрямку.) Розподіл клітин, спрямування їх диференціювання і навіть кількість крипт знаходяться під генетичним контролем. Однак, крім генів, на багато аспектів життя господаря - обмін речовин, імунітет, розвиток нервової системи і кровоносних судин - впливають бактерії, що живуть в просвіті його кишечника. У людини їх приблизно 100 трильйонів. Відомо також, що мікробіота допомагає кишковому епітелію відновлюватися після пошкоджень, викликаних імунними розладами. Залишилося тільки з'ясувати, взаємодіють чи мікробні метаболіти зі стовбуровими клітинами кишечника, і якщо так, то як.
Дослідники склали список з 92 молекул - продуктів метаболізму бактерій, що населяють кишечник звичайних мишей. Дія цих молекул перевірили на первинній культурі епітелію ободової кишки. Культура містить різні типи клітин, в тому числі і стовбурові. Скринінг дозволив виділити вісім молекул, що пригнічують клітинний розподіл в умовах, сприятливих для зростання стовбурових і прогеніторних клітин. Самим сильнодіючою речовиною виявився бутират - аніон масляної кислоти; в концентрації 1 мМ він уповільнює проліферацію стовбурових клітин, а при концентраціях 3-10 мМ його дія стає незворотнім і може привести до апоптозу.
Бутират - продукт бактеріальної ферментації харчових волокон, один з найбільш поширених мікробних метаболітів, виявлених в кишечнику ссавців. В основному його синтезують представники пологів Clostridium. Eubacterium і Butyrivibrio. Його концентрація становить близько 5 мМ у миші і приблизно 70 мМ у людини. У такій кількості бутират повинен повбивати всі стовбурові клітини і позбавити кишечник епітелію. Однак не будемо забувати, що справжня слизова оболонка кишечника, на відміну від клітинної культури, рельєфна. Дослідники припустили, що стовбурові клітини рятуються від бутирата, як в нірках, в глибині крипт. Але як це перевірити?
Як ще довести, що крипти обмежують доступ бутирата до стовбурових клітин? Дослідники викликали у мишей виразку кишечника, обробивши його декстран-сульфатом. У місцях дії реактиву слизова оболонка порушена, крипти пошкоджені, стовбурові клітини позбавлені захисту, і виразка заживає повільно. Якщо ввести мишам-язвенникам антибіотик метонідазол, що вбиває бактерії, які виробляють бутират, виразка затягуватися швидше. Якщо мишам, які мають антибіотик, зробити клізму з бутират, загоєння виразки сповільниться навіть за відсутності бактерій.
Від клітинних культур перейшли до мишей. Коли тваринам ввели в кишечник бутират, позначений ізотопом вуглецю 13С, велика частина мітки сконцентрувалася в колоноцитами на вершині крипт. Для засвоєння бутирата необхідний фермент ацил-КоА-дегидрогеназа. У мутантних мишей, позбавлених цього ферменту, зона поділу стовбурових і прогеніторних клітин істотно менше, ніж у тварин дикого типу. Додавання екзогенного бутирата погіршує ситуацію. І виразки слизової кишечника у таких мишей гірше заростають.
Отже, колоноціти, як стражники на воротах, охороняють входи в крипти і не пропускають бутират всередину, до стовбурових клітин (рис. 2).
Мал. 2. Стовбурові клітини захищені від шкідливої дії бутирата природним градієнтом концентрації і активною діяльністю клітин епітелію, які використовують бутират як джерело енергії
Виявилося, що бутират блокує проліферацію, посилюючи активність транскрипційного фактора Foxo3. Цей фактор працює в стовбурових і прогеніторних клітинах і регулює їх розподіл. Активоване Foxo3 зв'язується з промоторами декількох генів, що пригнічують поділ, їх експресія зростає, проліферація сповільнюється. Стовбурові клітини мутантних мишей, позбавлених Foxo3, менш чутливі до рівня бутирата в просвіті кишечника.
Дослідники відзначають, що бутират виявився найпотужнішим інгібітором проліферації стовбурових і прогеніторних клітин. Його короткочасне дію не страшно і можна зупинити, довгострокове може привести до серйозних наслідком. Однак в цьому є глибокий сенс. При пошкоджених колоноцитами, в разі виразки, наприклад, бутират заблокує розподіл стовбурових клітин і не дозволить їм вступити в прямий контакт з Генотоксичність сполуками, які можуть перебувати в просвіті кишечника. Якби активно діляться прогеніторні клітини кинулися з дрібної, пошкодженої крипти назустріч мутагенів, ймовірність розвитку злоякісної пухлини була б досить високою.
Як би там не було, симбіоз між кишковим епітелієм і його мікробіотою куди складніше, ніж просте двостороннє взаємодія. І звичайно, він ще складніше, ніж описано в статті, присвяченій лише одному аспекту їх відносин.
Цікаво, що інші коротколанцюгові жирні кислоти, які утворюються в результаті мікробної ферментації, ацетати і пропіонати, не впливають на розподіл стовбурових клітин кишечника і колоноціти їх не споживають. Звідси, однак, не випливає, що ці речовини нешкідливі. Ацетат, наприклад, становить серйозну проблему, і захисту від нього, на відміну від бутирата, немає.
Як мікроби допомагають розтовстіти
Вчених спонукали на це дослідження відомі дані про те, що при переїданні, ожирінні і метаболічному синдромі змінюється склад кишкової мікрофлори і зростають концентрації мікробних ацетату, пропионата і бутирата. Але при цьому неясно було, чи дійсно ці кислоти впливають на ожиріння або тільки йому супроводжують, а якщо впливають, то який механізм їх дії. А якщо дізнатися механізм, можна впливати на процес. Джеральд Шульман і його колеги працювали з самцями щурів, стійкими до інсуліну і схильними до ожиріння, і виявили, що при споживанні жирної їжі в плазмі крові і фекаліях тварин зростають швидкість освіти і концентрація ацетату, але не пропионата з бутират. Після триденного утримання на жирній дієті рівень ацетату в плазмі зростає приблизно в півтора разу, чотиритижнева дієта збільшує його концентрацію в три рази. Вчені довели, що цей ацетат має мікробне походження. Для цього вони використовували різні способи, всі ми перераховувати не будемо, самими гуманними і естетичними були промивання кишечника сольовим розчином і обробка антибіотиками. Кожна з антимікробних заходів знижувала продукцію ацетату на 75-95%.
Будь-яка з'їдена їжа стимулює секрецію інсуліну, який регулює розподіл глюкози по клітинам. Якщо дати щура вуглеводну гранулу, рівень глюкози в її крові зросте і бета-клітини підшлункової залози виділять відповідну кількість інсуліну. У тварин, які отримували жирну їжу, секреція інсуліну в кілька разів вище, ніж в контролі. Синтез інсуліну можна нормалізувати, якщо пролікувати щурів антибіотиками. Прийом антимікробних препаратів знижує секрецію інсуліну у відповідь на глюкозу на 70%. А якщо тваринам, які отримували звичайний корм, ввести ацетат в артерії, синтез інсуліну буде настільки ж високий, як при жирній дієті.
Для стимуляції парасимпатичної нервової системи ацетат повинен потрапити в мозок, і вчені довели, що з крові він туди дійсно проникає. Щоб переконатися, що ацетат саме звідти командує парасимпатичної системою, його ввели безпосередньо в мозок в такій же концентрації, в якій він, згідно з розрахунками, повинен надходити в цей орган з плазми крові. В результаті інсуліновий відповідь на глюкозу став в три рази сильніше. Отже, ацетат дійсно впливає на синтез інсуліну через центральну нервову систему.
Бажаючи переконатися, що відповідь на ацетатний сигнал проходить з мозку саме по блукаючому нерву, дослідники його перерізали. Ця процедура називається ваготомией. У ваготомірованних щурів введення ацетату викликало приблизно чотириразове скорочення концентрації інсуліну в плазмі в порівнянні з контролем. Значить, вчені мали рацію. Вони наводять безліч інших доказів, ми їх тут опустимо, що не будемо втомлювати читача.
Кільце доказів нарешті замкнулося (рис. 3). Кишкові бактерії жирно що їдять щурів активно синтезують ацетат, який потрапляє в мозок і активує парасимпатичну систему, що викликає посилену секрецію інсуліну і греліну. Виникає порочне коло: чим більше інсуліну виділяється, тим швидше клітини засвоюють всю глюкозу, її концентрація в плазмі падає, виділяється грелін, і тіло хоче їсти. Якщо мова йде про короткому переїданні, ситуація швидко прийде в норму, але, коли вона стає хронічною, надлишок поглинених жирів відкладається в печінці і скелетних м'язах, вони набувають стійкості до інсуліну, а там рукою подати до ожиріння і метаболічного синдрому.
Мал. 3. При надмірному харчуванні ацетат кишкових бактерій стимулює розвиток ожиріння
Як водиться, в кінці роботи дослідники пишуть, що для вивчення всіх можливих фізіологічних ефектів ацетату і інших мікробних метаболітів необхідні подальші дослідження. А вже виявлений механізм - посилена продукція ацетатов під впливом жирної їжі і подальша активація парасимпатичної нервової системи - може послужити мішенню для лікування ожиріння.
Але якщо ацетат дійсно так діє, то як бути любителям маринадів і прихильникам оздоровлення яблучним оцтом?