Productie van microbiële metabolieten

Er wordt veel onderzoek gedaan naar de productie van microbiële metabolieten. Dit beperkt zich op dit moment hoofdzakelijk tot de zogenaamde korte-keten vetzuren (azijnzuur, propionzuur en boterzuur). Van de vetzuren is bekend dat boterzuur noodzakelijk is voor een gezonde darm. Ten eerste verkrijgen epitheel cellen in vivo ongeveer 70% van hun energie uit boterzuur. Tevens is aangetoond dat boterzuur de vorming van colon kanker tegen gaat. Ook de twee andere vetzuren hebben elders in het lichaam een functie. Met name bij landbouwdieren dragen deze vetzuren bij tot zo'n 30% van de dagelijks noodzakelijke energie.

Deze korte-keten vetzuren worden voornamelijk geproduceerd door fermentatie van koolhydraten ((polymeren van) suikers). Daarnaast vind er in de dikke darm ook fermentatie van eiwitten plaats. Dit geeft aanleiding tot de productie van allerlei kwalijke stoffen, zoals bijvoorbeeld ammoniak en fenolische verbindingen, maar ook het zeer stinkende gas H2S, dat een rotte-eieren geur heeft. Sommige van deze stoffen kunnen de darmwand irriteren, waardoor cellen in de darmwand afsterven en de barrière-functie (het afsluiten van de 'buitenwereld', de inhoud van de darm, voor het lichaam) verloren gaat, doordat de afgestorven cellen 'gaten' laten vallen in de één-cellige laag van de darmwand.

Andere kwalijke stoffen kunnen na opname in het lichaam de lever beschadigen of migraine aanvallen veroorzaken. Door de productie van deze toxische verbindingen is het wenselijk om eiwit-fermentatie te voorkomen en koolhydraat fermentatie te bevorderen, zodat er met name gezondheidsbevorderende microbiële metabolieten geproduceerd worden.

In een project in TIM-2, TNO's in vitro model van de dikke darm (zie artikel op Kennislink over dit model), is gekeken in hoeverre dit in vitro model een bruikbaar model is om de metabole activiteit van de microbiota, na toevoeging van lactulose (een koolhydraat), te bestuderen in vergelijking met een experiment met humane vrijwilligers. Uit dit project bleek dat er verschillen in activiteit die in TIM-2 samples te meten waren, terwijl die verschillen afwezig waren in in vivo samples (faeces samples) (zie afbeelding 4).

Er zit een groot tijdsverschil tussen de plaats van fermentatie van lactulose (het begin van de colon) en de plaats van analyse in het in vivo experiment de faeces (is net woord voor poep). Dit kan oplopen tot 36 uur. In die tijd worden de meeste metabolieten geproduceerd door de microbiota in het begin van de colon opgenomen door het lichaam en is er in het faeces geen verschil te meten. TIM-2 echter staat sampelen toe op de plek van fermentatie, waardoor er wel een duidelijk verschil was aan te tonen.

Het bleek zelfs mogelijk met moleculaire DNA-technieken om de micro- organismen verantwoordelijk voor fermentatie van lactulose aan te tonen. Dit is een goed voorbeeld van het gebruik van in vitro modellen om het werkingsmechanisme van bepaalde dieet componenten te bestuderen. Hieruit bleek dus dat er na toedienen van lactulose heel weinig boterzuur werd geproduceerd. Op zich, gezien het gezondheidsbevorderende effect van boterzuur, is dit natuurlijk niet een gewenst effect. Maar gelukkig zitten er in een normaal dagelijks dieet voldoende andere componenten die wel aanleiding tot boterzuur productie geven. Maar juist om het mechanisme van lactulose te onderzoeken waren deze andere componenten weggelaten uit het onderzoek in TIM-2.

Afb 4. Procentuele productie van de korte-keten vetzuren azijnzuur, propionzuur en boterzuur in TIM-2 en in humane proefpersonen vóór (controle) en ná een dieet met 10 gram lactulose per dag (lactulose). De monsters uit TIM-2 laten een duidelijk verschil zien in metaboliet productie, terwijl de faeces monsters van de humane vrijwilligers juist helemaal geen verschil tonen.

In een ander project is ook met behulp van TIM-2 gekeken is naar de productie van allerlei microbiële metabolieten. Hierbij is naast korte-keten vetzuren ook gekeken naar een beperkte set van andere metabolieten, met name toxische verbindingen van eiwit-fermentatie zoals ammoniak en fenolische verbindingen. Daarnaast is het model geïnfecteerd met een pathogeen, Clostridium difficile, om te kijken naar het effect van een overgroei van dit micro-organisme op de darmgezonheidsstatus. Uit dat project is naar voren gekomen dat de metabole activiteit van de microbiota te sturen is naar een meer gezondheidsbevorderende activiteit.

Productie van verscheidene toxische metabolieten (door Cl. difficile) kon verlaagd of tot nul terug gebracht worden na toevoeging van een koolhydraat (zie afbeelding 5). Hoewel het precieze werkingsmechanisme nog niet opgehelderd is, is dit een belangrijke eerste stap, die het in de toekomst mogelijk moet maken om dit soort processen nader te bestuderen.

Afb 5. Effect van een koolhydraat op de productie van het toxische metaboliet ammoniak in TIM-2. Het toevoegen van een pathogeen (Clostridium difficile) verhoogt de productie van ammoniak ten opzichte van de controle. Het toevoegen van een koolhydraat verlaagt de productie, zowel met als zonder Clostridium difficile tot een niveau lager dan de controle. Het toedienen van een koolhydraat werkt in dit geval gezondheidsbevorderend omdat het de productie van het schadelijke ammoniak tegengaat.
Terug naar het overzicht