Aby zaradzić niedożywieniu u dzieci – które dotyka 200 milionów dzieci na całym świecie – naukowcy z Washington University School of Medicine w St. Louis opracowali żywność terapeutyczną, która odżywia zbiory pożytecznych drobnoustrojów zamieszkujących jelita oraz poprawia wzrost dzieci i inne wskaźniki zdrowia. ich zdrowie. Aby jednak zrozumieć, jak działa ta terapia żywieniowa, zespół badawczy kierowany przez lekarza i naukowca Jeffreya I. Gordona skupił się na reakcji mikrobiomów jelitowych dzieci na terapię.
W swoim najnowszym badaniu naukowcy odkryli potencjalnie dalekosiężne skutki działania określonej bakterii jelitowej, które powiązano z lepszym rozwojem dzieci z Bangladeszu otrzymujących żywność terapeutyczną mającą na celu pielęgnowanie zdrowych drobnoustrojów jelitowych. Ta terapeutyczna żywność ukierunkowana na mikroflorę nazywa się MDCF-2. Szczep bakterii występujący w społecznościach drobnoustrojów jelitowych dzieci posiadał nieznany wcześniej gen zdolny do wytwarzania i metabolizowania kluczowych cząsteczek zaangażowanych w regulację wielu ważnych funkcji, począwszy od apetytu, odpowiedzi immunologicznych, funkcji neuronów i zdolności bakterii chorobotwórczych do wywoływania chorób.
Wyniki opublikowano 25 października w czasopiśmie Science.
„W miarę jak stosujemy nowe terapie w leczeniu niedożywienia u dzieci poprzez naprawę mikrobiomu jelitowego, mamy okazję zbadać wewnętrzne funkcjonowanie naszych partnerów – drobnoustrojów” – powiedział Gordon, profesor uniwersytetu dr Roberta J. Glasera i dyrektor Edison Family Centrum Nauk o Genomie i Biologii Systemów w WashU Medicine. „Odkrywamy, jak drobnoustroje jelitowe wpływają na różne aspekty naszej fizjologii. To badanie pokazuje, że drobnoustroje jelitowe to mistrzowie biochemii posiadający zdolności metaboliczne, o których nie byliśmy świadomi”.
Zdaniem naukowców lepsze zrozumienie wpływu drobnoustrojów jelitowych na nasz organizm może prowadzić do opracowania nowych strategii utrzymania zdrowia ludzkiego i pomóc w opracowywaniu metod leczenia wielu różnych chorób, nie tylko niedożywienia.
W dwóch randomizowanych, kontrolowanych badaniach klinicznych żywności leczniczej u niedożywionych dzieci z Bangladeszu naukowcy zidentyfikowali zbiór drobnoustrojów, których liczebność i wyrażone funkcje korelowały z lepszym wzrostem uczestników badania. Jednym z tych pożytecznych organizmów jest bakteria o nazwie Faecalibacterium prausnitzii.
Współautorzy artykułu – dr Jiye Cheng, adiunkt patologii i immunologii oraz dr Sid Venkatesh, były pracownik naukowy ze stopniem doktora w laboratorium Gordona, obecnie pracujący na Uniwersytecie Waszyngtońskim – badali myszy urodzone w sterylnych warunkach a następnie skolonizowane określonymi społecznościami drobnoustrojów wyhodowanych z mikrobiomów dzieci z Bangladeszu. Odkryli, że poziomy dwóch cząsteczek zwanych oleoiloetanoloamidem (OEA) i palmitoiloetanoloamidem (PEA) były znacznie niższe w jelitach zwierząt skolonizowanych przez zbiorowiska drobnoustrojów zawierające specyficzny szczep F. prausnitzii w porównaniu ze zwierzętami nieposiadającymi tego szczepu. Było to godne uwagi, biorąc pod uwagę, że OEA i PEA to naturalnie występujące lipidowe cząsteczki sygnalizacyjne, o których wiadomo, że odgrywają ważną rolę w regulacji stanu zapalnego, metabolizmu i apetytu.
Zespół Gordona zastosował szereg narzędzi bioinformatycznych i biochemicznych, aby zidentyfikować enzym – hydrolazę amidu kwasu tłuszczowego (FAAH) – wytwarzany przez szczep bakteryjny i odpowiedzialny za degradację OEA i PEA. Ludzka wersja FAAH jest powszechnie znana ze swojej zdolności do rozkładania określonych typów neuroprzekaźników zwanych endokannabinoidami, a tym samym regulowania aspektów fizjologii człowieka w całym organizmie. W rzeczywistości ludzka wersja tego enzymu jest celem wielu badanych leków, ponieważ odgrywa on rolę w chronicznym bólu, lęku i nastroju, a także w innych stanach neurologicznych.
Cheng i Venkatesh zauważyli, że odkrycie enzymu FAAH F. prausnitzii stanowi pierwszy przykład enzymu drobnoustrojowego tego typu i ujawniło rolę drobnoustrojów w regulowaniu poziomu ważnych cząsteczek zwanych N-acyloetanoloamidami, w tym OEA i PEA, w jelitach .
Analiza próbek kału niedożywionych dzieci zebranych w badaniu klinicznym żywności terapeutycznej wykazała, że leczenie żywnością doprowadziło do obniżenia poziomu OEA, jednocześnie zwiększając liczebność F. prausnitzii i ekspresję jego enzymu. Wyniki te wskazują, że ten jelitowy enzym bakteryjny może zmniejszać jelitową OEA – związek tłumiący apetyt – co jest pożądane u niedożywionych dzieci.
Oprócz zapewnienia nowego wglądu w korzystne działanie terapeutycznej żywności, w artykule opisano, że enzym bakteryjny ma znacznie szerszy zakres możliwości niż ludzki FAAH. Należą do nich wyjątkowa zdolność do syntezy aminokwasów modyfikowanych lipidami, w tym szeregu nowych cząsteczek, które, jak wykazał zespół, działają jako modulatory ludzkich receptorów zaangażowanych w wyczuwanie zewnętrznego środowiska komórek, a także służą jako regulatory odpowiedzi immunologicznych w organizmie. jelita.
Oprócz syntezy ważnych regulatorów funkcji komórki, enzym bakteryjny może kontrolować poziomy innych cząsteczek sygnałowych zawierających lipidy, w tym neuroprzekaźników zaangażowanych w komunikację między neuronami i tak zwanych cząsteczek wykrywających kworum, które są wykorzystywane przez bakterie chorobotwórcze do koordynowania infekcji i zakłócania odpowiedzi immunologiczne gospodarza.
„Struktura ludzkiego i bakteryjnego enzymu FAAH jest bardzo odmienna; stwierdzono, że badane leki hamujące ludzki enzym nie wpływają na enzym bakteryjny” – powiedział Gordon. „Otwiera to drzwi do opracowania nowych terapii w celu selektywnego manipulowania aktywnością i produktami wytwarzanymi przez enzym bakteryjny. To przykład tego, jak u drobnoustrojów rozwinęły się funkcje, które nie są zakodowane w naszych ludzkich genomach, ale nadal są ważne dla normalnych funkcji obecnie wiemy, że mamy dwie różne wersje tego enzymu w dwóch różnych miejscach – w naszych ludzkich komórkach i mikrobiomie jelitowym”.
Gordon i jego kolega, dr Michael Barratt, profesor patologii i immunologii oraz współautor artykułu, podkreślili, że identyfikacja tego enzymu bakteryjnego jelit oferuje nowe możliwości zbadania korzystnych skutków terapeutycznego leczenia żywnością. Barratt zauważył również, że poza przetwarzaniem składników normalnej diety, enzymy tego typu w jelitach mogą pomóc wyjaśnić różnice w reakcjach obserwowanych u poszczególnych osób na niektóre leki podawane doustnie.
„To zdumiewające, jak wiele może zdziałać mikrobiologiczna wersja tego enzymu” – powiedział Gordon. „W naszych przyszłych badaniach jesteśmy zainteresowani sprawdzeniem, czy kuzyni tego enzymu, którzy mogą być zakodowani w genomach innych bakterii, mogą uzupełniać FAAH lub wykonywać zupełnie inne czynności. Organizmy te są mistrzami chemii, a my dopiero zaczynamy zgłębiać te zagadnienia. co mogą zrobić.”
Cheng, Venkatesh, Barratt i Gordon są wynalazcami wniosku pacjenta złożonego przez Washington University w St. Louis, który dotyczy terapeutycznych zastosowań F. prausnitzii FAAH.