Tarmbakterieflora kan have betydning for glukose- og fedtmetabolisme

Moderne gensekventeringsteknikker har givet mulighed for at klassificere bakterier på ny og bestemme bakterier, som vanskeligt kan dyrkes. Disse nye teknikker, der er baseret på sekventering af artsspecifik variabilitet i genet 16S rDNA og senest teknikker til metagenomisk shotgun-sekventering, anvendes nu til karakterisering af den humane bakterieflora, herunder tarmbakterier [1]. Det har vist sig, at ændringer i tarmfloraens komposition og funktion er associeret med fænotypisk morbiditet. I denne statusartikel belyses tarmbakteriernes rolle i forhold til glukose- og lipidmetabolismen samt sygdomme, der er knyttet hertil, specielt type 2-diabetes (T2DM) og fedme.

ENTEROTYPER

Ved fødslen koloniseres den nyfødtes sterile tarm med bakterier fra omgivelserne, og i løbet af de første leveår nærmer gastrointestinalkanalens flora sig det komplekse økosystem, som findes hos voksne med op mod 1012 mikrober pr. ml tarmindhold [2]. I 2010 offentliggjorde det europæiske forskningskonsortium MetaHit »Our second genome«, der er et bakteriegenatlas skabt på basis af shot-gun-sekventering af fækal DNA fra danske og spanske forsøgspersoner. Konsortiet fandt, at det kollektive humane tarmmikrobiom indeholdt 3,3 mio. mikrobielle gener, hvilket svarer til ca. 1.000 bakteriearter, hvoraf omkring 15% er kernearter, der forekommer i tarmfloraen hos næsten alle mennesker [3].

For at forstå den nye tarmbakterieforskning er det relevant at se på det hierarki, som levende organismer klassificeres efter: Bacteria er et blandt tre domæner (de andre to er Eucarya og Archaea), og under bakteriedomænet rangerer flere underenheder: rækker, slægter, arter etc. som vist i Figur 1. Mens læger ofte beskæftiger sig med bakterier på artsniveau i klinikken, undersøger man i den moderne tarmbakterieforskning bakterieenheder på alle niveauer i hierarkiet. ### 1012061501###

Størstedelen af det voksne menneskes intestinale flora udgøres af de tre bakterierækker Bacteroidetes, Firmicutes og Actinobacteria, som hver rummer multiple underenheder [4]. MetaHit-konsortiet foreslog i 2011, at tarmfloraen hos ethvert menneske på tværs af kontinenter kunne stratificeres til en af tre enterotyper (sammensætninger af bakterier domineret af tre forskellige bakterieslægter med hver deres substratpræference og enzymkapacitet) [4]. Senere blev dette modificeret til to enterotyper, defineret ved ratioen mellem forekomsten af de to slægter Bacteroides og Prevotella, og det blev samtidig påvist, at disse enterotyper var associeret med personens kostsammensætning i det forudgående år [5]. For ganske nylig er det påvist, at 22 tarmbakteriearter, men ikke enterotyper er associeret med forskellige metaboliske træk [6].

Tarmfloraen hos overvægtige personer eller patienter med T2DM adskiller sig kompositionelt fra floraen hos raske, glukosetolerante mennesker [7, 8]. I et netop publiceret studie kunne man endda med stor specificitet ud fra det bakterielle DNA i fæcesprøver udpege patienter med T2DM i en gruppe kinesere [8]. Kendetegnende for bakteriekompositionen hos patienterne med T2DM var bl.a. en nedsat mængde af butyratproducerende bakterier og en moderat dysbiose, dvs. forstyrrelse i balancen mellem bakterierne [8]. Hvorvidt disse forskelle i tarmbakteriefloraen er et resultat af eller en årsag til den metaboliske fænotype, er ikke endeligt afklaret, men det er påvist, at visse metaboliske egenskaber kan overføres ved en fæcestransplantation. I et studie fra 2006 transplanterede man fæces fra henholdsvis adipøse og slanke mus til sterilt opfostrede og identisk ernærede mus; musene, som fik fæces fra adipøse donormus, udviklede mere kropsfedt og øget energioptag fra kosten end musene, som fik fæces fra slanke donormus [9]. I et studie med mennesker observerede man øget insulinsensitivitet hos 18 mandlige patienter med metabolisk syndrom, efter at de havde fået en fæcestransplantation fra slanke, raske donorer [10]. Disse resultater taler for, at tarmbakteriefloraen kan betragtes som et ekstra organ, der kan udøve en positiv eller negativ virkning på metabolisme og sundhed.

HVORDAN PÅVIRKER TARMBAKTERIERNE
GLUKOSE- OG LIPIDMETABOLISMEN?

I colon fermenterer tarmbakterier ellers ufordøjelige komplekse kulhydrater til kortkædede fedtsyrer: acetat, propionat, butyrat samt en mængde andre metabolitter og gasser [11]. Kortkædede fedtsyrer kan anvendes som energikilde lokalt i kolonocytter eller optages fra tarmen og anvendes til de novo-syntese af glukose eller lipid [11]. Desuden er man for nylig blevet klar over, at kortkædede fedtsyrer er vigtige ligander for G-proteinkoblede receptorer på intestinale endokrine celler, hvorigennem de påvirker glukose- og lipidmetabolisme. Kortkædede fedtsyrer, specielt butyrat, kan hos mus stimulere intestinale endokrine cellers sekretion af tarmhormonerne glucose-dependent insulinotropic polypeptide (GIP), glukagonlignende peptid (GLP)-1, peptid YY (PYY) og leptin [11, 12]. Foder beriget med præbiotika (ikkefordøjelige, men fermenterbare fødemidler, som stimulerer vækst eller aktivitet af gavnlige bakterier) kan tilsvarende øge gnaveres plasmakoncentrationer af GLP-1 og GLP-2 [11, 13]. To ugers præbiotikaadministration til raske mennesker medførte sammenlignet med dextrinmaltose (et formodet uvirksomt stof) et øget postprandialt GLP-1-, GIP- og PYY-respons samt øgede breath hydrogen-niveauer (som udtryk for øget bakteriel fermentering) [14].

GIP og GLP-1 er tarmhormoner, som potenserer glukosestimuleret insulinsekretion og er årsag til ca. 70% af insulinsekretionen efter peroral indtagelse af glukose [15]. Således kan enhver faktor, der øger GIP- og/eller GLP-1-sekretionen, nedsætte det postprandiale plasmaglukoseniveau. GLP-2 virker trofisk på det intestinale epitel og forbedrer epitelets barrierefunktion, herunder dets resistens over for indtrængende bakterier og bakteriekomponenter [16]. PYY reducerer appetitten [17].

Den bakterielle fermentering af kulhydrater til kortkædede fedtsyrer kan være et tveægget sværd for værten: På den ene side synes kortkædede fedtsyrer som skitseret at stimulere et tarmhormonrespons, som virker gavnligt på glukose- og lipidmetabolismen hos mennesker med et moderat eller højt kalorieindtag. På den anden side bidrager fermenteringen til at øge energioptaget fra kosten, hvilket kan medføre vægtøgning og forhøjede lipid- og glukoseniveauer, hvis personen indtager for mange kalorier.

Bakterier og lipopolysakkarider (LPS), som er bestanddele i gramnegative bakteriers ydermembraner, kan translokere fra tarmlumen til blodet og interagere med celler i det innate immunsystem. Således var det muligt at spore bakterielt DNA og LPS i både blod og visceralt fedtvæv hos patienter, som fik foretaget elektiv kolecystektomi [18]; de patienter, som havde et højt niveau af LPS i blodet, havde samtidig en højere inflammationsgrad i deres viscerale fedtvæv [18]. I tråd hermed er det påvist, at LPS-infusion hos mus kan inducere low grade inflammation i lever- og fedtvæv samt insulinresistens i leveren via aktivering af celler i det innate immunsystem [19].

Tarmbakteriefloraens sammensætning har betydning for både produktionen af LPS og tarmepitelets permeabilitet over for dette [16]. Mus, som på en fedtholdig diæt fik forringet tarmepitelbarrierefunktion, low grade inflammation og insulinresistens, havde en karakteristisk tarmbakterieprofil, og ved at modulere denne tarmbakterieprofil med præ- eller antibiotika var det muligt at forbedre disse parametre [13, 20].

Galdesekretion er nødvendig for at eliminere affaldsstoffer fra leveren samt stimulere fordøjelsen og optagelsen af lipider og fedtopløselige vitaminer fra tarmen. Samtidig har galdesyrer, især deoxycholsyre, kraftig indvirkning på den intestinale flora bl.a. ved at ændre det intestinale pH og dermed membranintegriteten hos visse bakterier [21]. Inden for de senere år er det blevet klart, at galdesyrer foruden ovenstående funktioner er naturlige ligander for den nukleære farnesoid X-receptor (FXR) og den transmembrane G-proteinkoblede receptor 5 (TGR5), der er lokaliserede på celler både i og uden for det enterohepatiske kredsløb [22, 23]. Ved en stimulering af disse receptorer kan galdesyrer regulere lipid-, glukose- og energihomøostasen samt galdesyrekredsløbet [23]. Modulation af tarmbakteriefloraen hos dyr har stor effekt på såvel den absolutte mængde som den relative fordeling af galdesyrer [22, 24, 25]. Bakterier i ileum og colon medvirker til dekonjugering af galdesalte og dehydroxylering af primære galdesyrer til sekundære. I tråd hermed er det foreslået, at tarmbakteriefloraen påvirker lipid- og glukosemetabolismen ad TGR5- og FXR-medierede signalveje.

Tarmfloraen påvirker utallige andre metaboliske processer herunder fedtsyreoxidation og lipolyse samt metabolismen af kolin, fenol og cresol, der er metabolitter, som hævdes at spille en rolle ved flere sygdomme og inflammatoriske processer. En gennemgang af dette falder uden for rammerne af denne statusartikel, og der henvises i stedet til en oversigtsartikel fra 2012 [7].

MODULATION AF TARMFLORAEN

Man har i flere dyrestudier påvist, at modifikation af tarmfloraens komposition via kost, præbiotika, specifikke genknockouter, fæcestransplantation og antibiotika kan påvirke ovennævnte processer og dermed glukose- og lipidmetabolismen. Der er imidlertid mangel på humane studier, som undersøger de langsigtede metaboliske effekter af en tarmbakteriemodificerende intervention, og som muliggør en vurdering af kausaliteten mellem tarmbakteriekomposition og metabolisk fænotype.

Antibiotikaforbruget i Danmark er stigende [26]. Antibiotika har både kortsigtede og langsigtede virkninger på menneskets tarmbakterieflora [27]. Det er hævdet, at udsættelse for antibiotika i de første seks måneder af livet øger risikoen for overvægt senere i barnealderen [28]. Langvarig antibiotisk behandling af mus fra deres 4.-11. leveuge medførte ændringer i tarmbakteriefloraen på flere taksonomiske niveauer ledsaget af en øget fedtmasse, en øget produktion af kortkædede fedtsyrer og en ændret ekspression af enzymer, der indgår i fedtmetabolismen i levervæv [29]. Omvendt kunne antibiotika forbedre glukosetoleransen og graden af inflammation hos en gruppe
insulinresistente mus, der blev fodret med en fedtholdig diæt fra deres 6.-14. leveuge [20], og hos mennesker har antibiotisk eradikation af enkelte tarmbakteriearter muligvis en profylaktisk effekt på udvikling af T2DM [30].

I et igangværende samarbejde mellem Gentofte Hospital, Rigshospitalet, Biomedicinsk Institut og Novo Nordisk Fondens Metabolismecenter undersøges det, om eradikation af tarmbakterierne hos raske unge mænd ved en bredspektret peroral »antibiotikacocktail« medfører ændringer i glukosemetabolismen, herunder de postprandiale tarm- og pancreashormonniveauer, glukosetolerans og galdeblæretømning. Desuden undersøges sammensætningen af bakterier i fæces, blod og spyt før og efter eradikation vurderet ved både dyrkning og deep metagenomic next-generation sequencing af bakterie-DNA. Endelig undersøges det, om tarmbakterieeradikation påvirker knoglemetabolisme, inflammationsgrad, lipid- og ketonstofmetabolisme, basalstofskifte, fødeindtag og appetitregulering.

KONKLUSION

Nye gensekventeringsbaserede teknikker har forbedret mulighederne for at udforske sammenhængen mellem tarmbakteriefloraen og metaboliske processer og sygdomme. Det er fundet, at bakterierne påvirker glukose- og lipidmetabolismen bl.a. via en indvirkning på tarmhormonsekretion og galdesyrekomposition samt ved en aktivering af immunapparatet. Modulering af tarmbakteriefloraen kunne tænkes at have en plads i fremtidens behandling og forebyggelse af T2DM og fedme, men de langsigtede metaboliske effekter af præbiotika og antibiotikaanvendelse hos mennesker er utilstrækkeligt undersøgt.

KORRESPONDANCE: Kristian Hallundbæk Mikkelsen, Diabetologisk Forskningsenhed, Medicinsk Afdeling F, Gentofte Hospital, Niels Andersens Vej 65,
2900 Hellerup. E-mail: kristianmikkel@gmail.com

ANTAGET: 12. december 2012

FØRST PÅ NETTET: 22. juli 2013

INTERESSEKONFLIKTER: