Mat, gener och tarmbakterier

Publicerat i: 
Publicerat 2017-10-29

Tidigare publicerat i Nordisk Nutrition nr 1, 2017

Att utnyttja tarmflorans stora modifierbarhet i hälsofrämjande syfte är bland de största utmaningarna och möjligheterna i framtidens utveckling av individanpassade kostråd. För detta behöver vi bättre förståelse för kostens betydelse för tarmfloran, men också insikt om hur människans gener påverkar tarmfloran, och kanske framför allt hur våra gener och kosten samspelar.

 

>>text: Louise Brunkwall, doktorand, Marju Orho-Melander, professor, Institutionen för kliniska vetenskaper i Malmö, Lunds universitet.

 

Bakterier finns överallt, de finns runt oss men även på och i oss, till exempel på huden, i munnen och i tarmarna. De senaste åren har mer och mer fokus riktats mot tarmbakterierna. Samevolutionen av tarmbakterierna med människan som värd har skapat ett komplext symbiotiskt förhållande som styr och bidrar till ett flertal viktiga fysiologiska funktioner, som energiomsättning, metabolisk signalering, bildning av immunsystemet, och reglering av tarmbarriärens integritet och rörlighet.

Sekvensera DNA

Tack vare tekniska framgångar kan vi idag utvinna DNA ur ett avföringsprov och sekvensera detta, vilket kan ge svar på vilka bakterier som är närvarande, i vilken mängd och i vilket prov. Tidigare fick man odla fram alla enstaka bakterier, en och en, ur varje prov. Detta var både dyrt och långsamt, dessutom är inte alla bakterier odlingsbara.

Två metoder används idag huvudsakligen för att sekvensera tarmfloran (oftast från avföringsprover), antingen sekvensering av 16S ribosomalt RNA eller så kallad metagenomisk sekvensering, där alla mikroorganismer sekvenseras i sin helhet. Den sistnämnda är dyrare men ger ett mer heltäckande resultat.

Med de nya sekvenseringsteknikerna kan man snabbt och relativt billigt undersöka bakterierna hos ett större antal individer och mer exakt än tidigare. Detta har öppnat upp för helt nya typer av studier. Dessutom har man avlat fram möss som lever helt utan bakterier, så kallade ”germ-free mice”. Dessa två framsteg har lett till helt nya insikter om tarmflorans betydelse för vår hälsa och risk för sjukdom.

Varför olika resultat i olika studier?

Några av våra största folkhälsoproblem är övervikt, fetma och associerade sjukdomar som typ 2-diabetes och hjärt-kärlsjukdom. De är sjukdomar som inte bara försämrar livskvaliteten hos individen men också kostar samhället enorma summor varje år i form av minskad arbetskraft och ökade sjukvårdskostnader.

Det vanligaste måttet på övervikt och fetma är BMI (body mass index), det vill säga hur mycket man väger i förhållanden till sin längd. BMI har i flera mindre studier på tvillingar och bakteriefria möss visat sig ha en stor effekt på tarmfloran. Man har sett i tvillingstudier att den tvilling som väger mer har en mindre artrik tarmflora och att möss som fick tarmflora från den överviktiga tvillingen gick upp mer i vikt än de som fick tarmflora från den smala (1).

Dessa resultat fick mycket uppmärksamhet och många drog slutsatsen att detta gällde för alla. Men när man tittar på tarmfloran i förhållandet till BMI i större studier eller metaanalyser av många mindre studier ser man inte alls lika stora skillnader. Det finns en statistiskt signifikant skillnad men den är förmodligen för liten för att vara kliniskt relevant. Detta beror med stor sannolikhet på att när man studerar tvillingar är deras genetik och livsstil mycket mer lik än när man studerar en grupp personer med helt olika genetik och livsstil. Detta gör att effekten av tarmfloran blir stor i jämförelse med om man analyserar en större grupp människor, där mycket annat skiljer sig mellan individerna, förutom deras vikt.

Tarmfloran i populationsstudier

Några av de första populationsbaserade tarmflorastudierna publicerades 2016 i den prestigefyllda tidskriften Science. I två kohorter med cirka 1 000 personer i varje, en från Belgien och en från Holland, studerades sambanden mellan olika delar av livsstilen och den totala sammansättningen av tarmbakterier. Studierna rapporterade att medicinering, ett flertal kliniska parametrar, tarmrelaterat välmående, kost och andra livsstilsfaktorer hade samband med sammansättningen av tarmbakterier (2).

Zhernakova et al utförde en mer detaljerad analys av den nederländska Lifelines DEEP-kohorten. Man fann att av de 207 variabler som undersöktes, var cirka 60 procent signifikant korrelerade med tarmflorasammansättningen (inklusive 31 kliniska variabler, tolv sjukdomar, 19 läkemedelsgrupper, fyra rökningskategorier och 60 kostfaktorer). Tillsammans förklarade dessa variabler nästan 19 procent av den individuella skillnaden i tarmfloran (3).

Mångfald faktorer

Dessa studier visar att väldigt många hälsa- och miljörelaterade faktorer har ett samband med tarmflorans sammansättning och funktion. Detta är intressant, men också ett problem när man studerar livsstil och sjukdom i förhållande till tarmfloran i en population. Det medför dels att man behöver inkludera ett stort antal individer men också att man behöver ha data av tillräckligt hög kvalitet, för att kunna ta hänsyn till olika aspekter när man räknar på sambanden.

Inom den traditionella epidemiologin är riskfaktorerna för olika sjukdomar ofta relativt väldefinierade, man känner i stor utsträckning till vad som påverkar riskfaktorerna för exempelvis hjärtsjukdom. Dessutom har man i randomiserade kontrollerade studier och med hjälp av genetiska analyser kunnat skilja mellan vissa samband som är orsakssamband och andra som är indirekta samband.

I fråga om tarmbakterier vet vi idag inte så mycket om orsakssambanden, bara att det verkar vara mycket som spelar roll – vilket gör det till ett otroligt spännande, men svårt, forskningsområde.

Kost påverkar tarmbakterier

Kosten har en avgörande roll för tarmflorans artrikedom och sammansättning. Randomiserade kliniskt kontrollerade kostinterventionsstudier har hittills visat att energirestriktion och kost med mycket fibrer och grönsaker är förknippade med förändringar i tarmfloran som anses vara hälsofrämjande (4).

Även i populationsstudier har man observerat att frukt och grönsaker, tillsammans med andra fibrer, är bra för tarmfloran. Man har också observerat att individer som äter mycket fibrer har en artrikare tarmflora. Många av de bakterier som har ett samband med hälsa är just bakterier som bryter ner fibrer. Det finns också bevis för att minskad konsumtion av komplexa kolhydrater kan leda till förlust av tarmbakteriearter som är beroende av dessa substrat som energi. Som en följd av detta minskar produktionen av kortkedjiga fettsyror, som är fermenteringsprodukter av fibrer (5).

Fibrer och fullkorn

Epidemiologiska studier har konsekvent visat negativ association mellan fiberintag och förekomsten av metabola sjukdomar som typ 2-diabetes, och fibrer och fullkorn har visats kunna öka artrikedomen i vår tarmflora.

I flera studier har högt fiberintag visat sig vara associerat med ökade nivåer av Prevotella. Vidare har det observerats att förbättringar i glukosmetabolism efter tre dagars intervention med bröd med kornkärnor var kopplat till anrikning av Prevotella copri i deltagarnas tarmflora, något som ledde till ökad fermentering av komplexa kolhydrater från brödet. Bland de studiedeltagare vars glukosmetabolism inte förbättrades under interventionen var tarmfloran varken berikad med Prevotella copri eller hade ökad potential att fermentera fibrer (6).

Frågan som detta ger upphov till är om man skulle kunna förutspå hur en individ svarar på en viss kostintervention, genom att analysera individens tarmflora. Eftersom det finns stora skillnader i tarmfloran mellan olika individer, skulle denna information i så fall kunna användas för att identifiera individer som kan förväntas svara på specifika kostinterventioner? För att få svar på denna viktiga fråga behövs det fler studier som undersöker vilka faktorer som påverkar tarmflorans mottaglighet för pre- och probiotiska interventioner.

Kortkedjiga fettsyror intressant

Eftersom det finns ökande bevis för de positiva hälsoeffekterna av kortkedjiga fettsyror i tarmen har man också börjat utveckla metoder för att öka tarmens nivåer av dessa fettsyror, utan att konsumera svårsmälta fibrer och därmed utan behov av en effektivt fermenterande tarmflora.

För detta ändamål har forskare bland annat nyligen utvecklat ett nytt tillförselsystem baserat på en inulin-propionatester, där propionat är kemiskt bunden till en syntetiserad bärarmolekyl av inulin. Inulin är en polymer huvudsakligen bestående av fruktos. Flera gram propionat frigörs när inulinpolymeren fermenteras i proximala kolon, det vill säga den del av tarmen där fermentering av komplexa kolhydrater sker. Sådan riktad tillförsel av propionat har visat sig minska akut energiintag och långsiktig viktökning hos överviktiga vuxna (7).

En andra arvsmassa

Under det senaste decenniet har stora genetiska associationsstudier, så kallade GWAS (”genome wide” associationsstudier), revolutionerat vår förståelse för de genetiska faktorer som påverkar risken för multifaktoriella sjukdomar. Till exempel har man identifierat flera hundra genvarianter som associerar med hjärt-kärlsjukdomar och deras riskfaktorer.

Tarmflorans gener (mikrobiomet) kompletterar de biologiska funktioner som kodas av vår egen arvsmassa och har däribland även kallats vår ”andra arvsmassa”. I en studie som sekvenserade alla bakteriegener i avföringsprover från 1 267 människor skapades en katalog av gener som kodades av dessa individers tarmflora. Totalt hittade man närmare tio miljoner olika gener, vilket är nästan 500 gånger fler än antalet gener i människans kromosomer. Emellertid innehöll varje individuellt prov i genomsnitt 762 665 olika bakteriella gener, alltså ”bara” cirka 40 gånger fler gener jämfört med antalet gener i det mänskliga genomet (8).

År 2014, genomförde Goodrich et al. en studie med tvillingpar för att bedöma den mänskliga tarmflorans ärftlighet. Studien visade att människans genetiska variation påverkar den bakteriella sammansättningen och mångfalden av tarmfloran. Förra året tredubblade samma forskargrupp antalet tvillingpar i studien till 1 126 par, och fann då att minst 20 procent av variationen i tarmflora kunde förklaras av människans genetiska skillnader, varav Christensenellaceae identifierades som den mest ärftliga bakterien (9).

Korrelation gener och tarmflora

Eftersom tarmflorans sammansättning delvis styrs av våra gener är det viktigt att förstå vilka gener som bidrar till detta och på vilket sätt. En intressant fråga är därför om man kan använda GWAS-studier för att studera vilka av människans gener som associerar med tarmflorans sammansättning. Det man då skulle undersöka är vilka genetiska variationer som associerar med tarmfloran genom att screena hela människans arvsmassa för genetiska variationer i en grupp individer, för vilka man också analyserat tarmflorans sammansättning.

Svaret är att detta är möjligt. I den första sådana studien fann man ett signifikant samband mellan variation i genen PLD1, som har förknippats med fetma hos afroamerikaner, och den relativa mängden Akkermansia i studiedeltagarnas tarmflora (10).

Bifidobakterier hos laktosintoleranta

I en annan studie identifierades nio genetiska variationer som förknippades med särskilda bakterier. En av dessa genvarianter finns i genen som kodar för enzymet laktas (LCT-genen) och orsakar laktosintolerans genom att göra att genen inte klarar av att producera laktas. Denna genvariant har man sett associerar med mängden Bifidobakterier i tarmfloran.

Dessutom tyder resultaten på att sambandet mellan genvarianten LCT och Bifidobakterier är beroende av intaget av mejeriprodukter. Bland individer med laktosintolerans ökade mängden Bifidobakterier med ökat intag av mejeriprodukter, medan detta inte var fallet hos individer utan laktosintolerans (figur 1) (11).

Detta fynd är det första exemplet på hur kosten kan modifiera sambandet mellan en genetisk variant relaterad till en metabol sjukdom, och mängden specifika tarmbakterier. Funktionellt tänker man att fyndet kan förklaras av att Bifidobakterier bryter ner laktos och använder det som näring – och att de därför trivs i tarmen hos laktosintoleranta som konsumerar mejeriprodukter med laktos.

Hos dessa individer kommer laktosen ner till tarmen som en hel molekyl, till skillnad från hos de individer som har laktas, där laktosen redan är nedbruten när den når tarmen. Detta bör vara positivt även för den laktosintoleranta individen, eftersom Bifidobakterierna bryter en del av laktosen, som annars inte bryts ner alls.

Behov av stora studier

Hittills har GWAS-studier kopplade till tarmflora varit mycket små och det finns behov av mycket större studier, inte minst på grund av det stora antalet olika bakterier som innebär att man testar många hypoteser och därmed måste ta hänsyn till detta i de statistiska analyserna. En annan anledning till att stora studier behövs är att det kanske framför allt är intressant att studera om vissa specifika kostfaktorer, som exempelvis fiberintag, modifierar sambanden mellan våra genetiska variationer och tarmfloran. För sådana slutsatser är det viktigt att samla in så bra kostdata som möjligt i tarmflorastudierna.

En annan framtida möjlighet i tarmfloraforskningen är så kallad mikrobiell metagenom GWAS, det vill säga en kartläggning av alla bakteriernas gener, som hittills endast har använts i studier av patogena mikroorganismer. Trots att ett antal analytiska framsteg krävs för att hantera de unika egenskaperna i bakteriernas arvsmassa, skulle ett sådant tillvägagångssätt kunna ge nya spännande insikter om effekterna av bakteriella genvarianter. Tillsammans med genetiska data, skulle man också kunna klarlägga om och hur de är beroende av människans genetiska bakgrund.

Mot individanpassade kostråd?

Trots att många sjukdomar och hälsotillstånd har kopplats till tarmfloran är forskningen om, och därmed vår förståelse för, tarmflorans roll för hälsa och sjukdom fortfarande i ett tidigt stadium. Hittills har tarmflorastudierna varit begränsade i storlek och det finns behov av större interventionsstudier och longitudinella studier.

Att utnyttja tarmflorans stora modifierbarhet i hälsofrämjande syfte är en av de största möjligheterna och utmaningarna i framtidens utveckling av individanpassade kostråd. För detta behöver vi inte bara bättre förståelse för kostens betydelse för tarmfloran, utan också hur våra gener påverkar tarmfloran – och kanske framför allt hur våra gener och kosten samspelar. Mer forskning behövs också för att förstå hur olika probiotiska bakterier eventuellt kan användas för att förbättra de gynnsamma hälsoeffekterna av kosten.

Många stora utmaningar kvarstår i forskningen kring mat, gener och tarmflora, men möjligheterna är ännu större. Speciellt stora är möjligheterna för framgångar inom området kost och hälsa.

Författarna uppger inga jävsförhållanden.

Referenser

1. Turnbaugh PJ, al. A core gut microbiome in obese and lean twins. Nature 2009; 457: 480-484.

2. Falony G, et al. Population-level analysis of gut microbiome variation. Science (New York, NY)2016; 352: 560-564.

3. Zhernakova A, et al. Population-based metagenomics analysis reveals markers for gut microbiome composition and diversity. Science (New York, NY) 2016; 352: 565-569.

4. Tap J, et al. Gut microbiota richness promotes its stability upon increased dietary fibre intake in healthy adults. Environ Microbiol 2015; 17: 4954-4964.

5. Sonnenburg JL, Backhed F. Diet-microbiota interactions as moderators of human metabolism. Nature 2016; 535: 56-64.

6. Kovatcheva-Datchary P, et al. Dietary Fiber-Induced Improvement in Glucose Metabolism Is Associated with Increased Abundance of Prevotella. Cell Metab 2015; 22: 971-982.

7. Chambers ES, et al. Effects of targeted delivery of propionate to the human colon on appetite regulation, body weight maintenance and adiposity in overweight adults. Gut 64: 2015; 1744-1754

8. Li J, Jia H, Cai X, et al. An integrated catalog of reference genes in the human gut microbiome. Nat Biotechnol 2014; 32: 834-841.

9. Goodrich JK, et al. Genetic Determinants of the Gut Microbiome in UK Twins. Cell Host Microbe 2016; 19: 731-743

10. Davenport ER, et al. Genome-Wide Association Studies of the Human Gut Microbiota. PloS one 2015; 10: e0140301.

11. Goodrich JK, et al. Human genetics shape the gut microbiome. Cell 2004; 159: 789-799.

Dela detta:

Taggar:

banner