Forskning i tarmmikrobiomet på KU FOOD – sundhed og sygdom
Ved Institut for Fødevarevidenskab på Københavns Universitet (KU FOOD) forskes i tarmmikrobiomet (tarmfloraen) i forhold til både sundhed og sygdom. Der er meget, vi spiser, som kroppen ikke umiddelbart kan nedbryde. Vi er derfor afhængige af, at vores tarmmikrober, nedbryder føden for os, så vi kan trække energien ud af maden.
De grundlæggende årsager til, at vi er interesserede i tarmmikrobiomet, er at forstå fødevarer og deres ernæringspotentiale i kroppen samt forstå hvordan samspillet mellem vores kost og tarmmikrober påvirker sundhed og sygdom. De mikrober, vi har i vores tarm, er også vigtige for ”uddannelsen” af vores immunsystem, ligesom de beskytter os mod sygdomsfremkaldende mikroorganismer, producerer forskellige vitaminer og omdanner en masse komponenter fra vores kost til bioaktive stoffer.
I slutningen af 00’erne begyndte forskningsverdenen for alvor at interessere sig for tarm-mikrobiomet, fordi man fandt ud af, at ubalance i tarm-mikrobiomet kan være årsag til en række sygdomme, bl.a.: overvægt, metabolisk syndrom, type-2 diabetes, type-1 diabetes og inflammatorisk tarmsygdom – og listen fortsætter. Efter disse opdagelser skiftede dele af forskningen i retning af at forstå, hvordan man bevarer balancen i tarm-mikrobiomet, hvad der egentlig er normalen, samt hvordan vi aktivt kan påvirke tarm-mikrobiomet.
Uden forståelse af tarm-mikrobiomet og dets funktion, vil vi mangle en dybdegående forståelse af, hvordan fødevarer fungerer i mennesker. Hvis vi vil forstå, hvilken indflydelse det har på os mennesker, når vi sætter et måltid eller en fødevare sammen, skal vi med andre ord vide, hvad tarm-mikrobiomet betyder for sundhed og sygdom.
Vi ved, at kortkædede fedtsyrer som acetat, propionat og butyrat spiller en væsentlig rolle for vores sundhed. Fx er propionat involveret i vores fornemmelse af mæthed, dvs. når tarm-mikrobiomet producerer meget propionat, så vil vi via forskellige receptorer og immunsignalering føle mæthed i længere tid. Butyrat fungerer som næring for vores epitelceller, så hvis mikroorganismerne i ens tarm producerer meget butyrat, er epitelcellelaget mere ”tæt” og der er bedre kontrol med hvilke stoffer, der bevæger sig fra tarmen til blodbanen. Acetat optages over epitelcellelaget til blodbanen og dækker typisk ca. 10% af vores daglige energibehov. Både acetat, propionat og butyrat produceres af vores tarmmikrober, primært ud fra ufordøjelige kulhydrater fra vores kost f.eks. plantefibre.
Bakteriofager er virus, der angriber bakterier. Vi har ligeså mange bakteriofager i vores tarme, som vi har bakterier, og de er ret specifikke i den forstand, at en bakteriofag angriber en lille specifik gruppe af bakterier. Disse bakteriofager kan vi ekstrahere og karakterisere og dermed bruge dem til at manipulere tarmbiomet med. Vi skubber med andre ord til mikrobiomets sammensætning og kan på den måde påvirke værtens fænotype. Vi har vist i dyreforsøg, at sætter vi mus på en højfedt-diæt og giver dem bakteriofager fra mus, der er på en lavfedt-diæt, så udvikler musene ikke metabolisk syndrom, dvs. de får ikke type-2 diabetes, som de normalt ville udvikle, når de er på en højfedt-diæt i lang tid. Andre har vist, at bakteriofager kan bruges til at dræbe en bakterie, der spiller en stor rolle i udvikling af alkoholisk hepatitis (en leversygdom) og på den måde forhindr eller forsinke, at sygdommen udvikler sig. Så vi kan lave ret specifik og målrettet manipulering, hvor vi ændrer biomet med bakterievirus og dermed bekæmper sygdom.
Probiotika er mikroorganismer, der giver en positiv sundhedseffekt, hvis de indtages i tilstrækkelige mængder. En udfordring ift. mange typer probiotika er at sikre overlevelse af probiotika før indtagelse og under passage af mavetarmkanalen. Så længe probiotika opbevares meget koldt, er det ganske holdbart, men så snart man opbevarer bakterierne ved stuetemperatur - fx i en butik eller i et fødevareprodukt, vil de ofte dø. Dernæst kommer probiotika efter indtagelse ned i maven, hvor der er en lav pH-værdi, som ofte slår de probiotiske bakterier ihjel. Det er derfor en udfordring at bevare de sunde bakterier i probiotika, så de kan nå til den ønskede position i kroppen og udøve den ønskede effekt. På KU FOOD forsker vi i at indkapsle probiotika, så man kan opbevare og indtage det på en måde, der sikrer god overlevelse af den probiotiske bakterie, så den når frem til tynd- eller tyktarmen i levnende tilstand.
Forskerne på KU FOOD har arbejdet med forskellige fødevarematricer, fx chokolade, hvor de har indarbejdet frysetørrede bakterier. Det giver en ekstremt god holdbarhed af traditionelle typer probiotika som forskellige bifidobakterier og lactobaciller. Vores øgede viden om hvilke mikroorganismer, der karakteriserer et sundt og stabilt tarm-mikrobiom har ført til en stor interesse i at udvikle såkaldte ”next generation probiotics”. En udfordring med disse mikroorganismer er, at de typisk ikke tåler ilt. Vi har derfor udviklet teknikker til at indkapsle fx bakterien Akkermansia muciniphila i chokolade. Bl.a. type-2 diabetes patienter har ofte et ret lavt niveau af Akkermansia muciniphila, og tilsyneladende så er denne bakterie vigtig for at holde tarm-barrieren tæt. Det gode ved chokolade er, at der er meget lav vandaktivitet, så bakterien forbliver inaktiv. I maven beskytter chokoladens fedt bakterien mod den lave pH i maven. Dermed når bakterien frem til der hvor den skal virke. Og så er det meget nemt at få folk til at spise chokolade.
Tarmmikrobiomets sammensætning er ekstremt komplekst. Endvidere er det meget dyrt at udføre studier i mennesker og selvom dyremodeller give mange muligheder, så skal brugen af forsøgsdyr begrænses så meget som muligt, så vi kun bruger dem til studier, hvor der ikke er andre muligheder. Vi har derfor udviklet kunstige modeller (in vitro modeller) af både mave/tyndtarm og kolon. Disse modeller kan bruges til at studere fx overlevelse af probiotika, undersøge effekten af forskellige kost-komponenter på tarmmikrobiomets sammensætning eller studere interaktioner mellem sygdomsfremkaldende mikroorganismer og fx bakteriofager.
Et normalt tarm-mikrobiom består af 100-200 forskellige bakterier, mens der på tværs af mange mennesker findes mere end 10.000 forskellige bakterier. Nogle af disse bakterier er markant forskellige, mens andre er stort set ens med hensyn til hvad de vil, kan og gør. Bakterierne kommunikerer med hinanden og omverden - fx det menneske, de har bolig i ved at metabolisere eller omdanne organiske molekyler. For at forstå bakteriers rolle i fordøjelse af fødevare og sundhed er det nødvendigt både at analysere hvilke bakterier, der er tilstede, hvad de er i stand til at gøre, og hvad de så rent faktisk producerer. Her bruger man DNA-analyser som kan identificere, hvilke bakterier der er tilstede, men også hvilke gener, og dermed hvilke enzymer de producerer. Desuden bruger man metabolom-analyser til at kortlægge hvilke metabolitter og i hvilke koncentrationer der er tilstede. Koblingen af alle disse data sker gennem multivariate-mønster genkendelses-teknikker, der bredt anvendes til billed-genkendelse og e-mail spamfilte, men altså også mikrobiom-metabolom analyser. Når teknikken bliver brugt i biologiske systemer kaldes det for bioinformatik og kemometri.
Rasmussen, T.S.; Mentzel, C.M.J.; Kot, W.; Castro-Mejía, J.; Zuffa, S.; Swann, J.; Hansen, L.H.; Vogensen, F.K.; Hansen, A.K.; Nielsen, D.S. (2020). Faecal virome transplantation decreases symptoms of type-2-diabetes and obesity in a murine model. Gut, in press (doi: 10.1136/gutjnl-2019-320005)
Castro-Mejía, J.L.; O’Ferrall, S.; Krych, Ł.; O’Mahony, E.; Namusoke, H.; Lanyero, B.; Kot, W.; Nabukeera-Barungi, N.; Michaelsen, K.F.; Mølgaard, C.; Friis, H.; Grenov, B.; Nielsen, D.S. (2020). Restitution of gut microbiota in Ugandan children administered with probiotics (Lactobacillus rhamnosus GG and Bifidobacterium animalis subsp. lactis BB-12) during treatment for severe acute malnutrition. Gut Microbes, in press (doi: 10.1080/19490976.2020)
Jakob Stokholm, Martin Blaser, Jonathan Thorsen, Rasmussen, Morten, Johannes Waage, Rebecca Vinding, Ann-Marie Schoos, Asja Kunø, Nadia Fink, Bo Chawes, Klaus Bønnelykke, Asker Brejnrod, Martin Mortensen, Waleed Al-Soud, Søren Sørensen, and Hans Bisgaard. Maturation of the gut microbiome and risk of asthma in childhood. Nature Communications, 1(9):141, 2018
Vil du vide mere om vores forskning i tarmbiomet og relaterede sundheds-effekter?
Så kontakt professor Dennis Sandris Nielsen (dn@food.ku.dk) og
Lektor Morten Arendt Rasmussen (mortenr@food.ku.dk)
Dennis Sandris Nielsen