Spis treści:

1. Mikrobiota jelitowa
2. Drogi komunikacji
   2.1. Ścieżka neuronalna
   2.2. Ścieżka endokrynna
   2.3. Ścieżka metaboliczna
   2.4. Ścieżka immunologiczna
3. Znaczenie dla organizmu
4. Mikrobiota i choroby układu nerwowego
   4.1. Stwardnienie rozsiane
   4.2. Choroba Parkinsona
   4.2. Stres i depresja
   4.3. Zaburzenia ze spektrum autyzmu
5. Podsumowanie

 

Oś jelita-mózg (ang. gut-brain axis) to niemal jednokierunkowa sieć komunikacyjna pomiędzy jelitami a ośrodkowym układem nerwowym (OUN). “Niemal jednokierunkowa”, gdyż aż 90% informacji przekazywanych jest z jelit do mózgu. Obejmuje ona m.in. endokrynne, metaboliczne i immunologiczne drogi komunikacji pomiędzy mikrobiotą jelit a mózgiem. Drobnoustroje oddziałują w ten sposób na nastrój, funkcje poznawcze oraz zdrowie psychiczne.

Dysfunkcje żołądkowo-jelitowe to częste objawy lęku, depresji, zaburzeń ze spektrum autyzmu oraz wielu innych schorzeń. Z drugiej strony chorobom układu pokarmowego, takim jak chociażby zespół jelita drażliwego, mogą towarzyszyć zaburzenia psychiczne. Jest to związane ze zmianami w kompozycji mirobioty jelit. Odpowiednia dieta usprawnia jej działanie układu pokarmowego, a tym samym wpływa na funkcje poznawcze, co zostało udowodnione w wielu pracach naukowych. Wszystkie te zależności wskazują na istnienie komunikacji pomiędzy mikrobiotą jelit a mózgiem, a więc na istnienie osi jelita-mózg.

 

1. Mikrobiota jelitowa

Mikrobiota jelitowa tworzona jest przede wszystkim przez bakterie, ale też przez grzyby, archea, pierwotniaki i wirusy. Początkowo szacowano, że liczebność tych organizmów jest aż dziesięciokrotnie większa niż liczba wszystkich komórek ludzkiego organizmu. Wyniki nowszych badań wskazują jednak, że ten stosunek jest zdecydowanie mniejszy i wynosi 1,3:1. Drobnoustroje te odgrywają kluczową rolę w absorpcji składników odżywczych i mineralnych, w syntezie enzymów, witamin, aminokwasów oraz krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych (SCFAs, ang. short-chain fatty acids).

Główne gromady zamieszkujące jelita to bakterie typu Firmicutes i Bacteroidetes, a w następnej kolejności Proteobacteria oraz Actinobacteria i Fusobacteria. Te symbiotyczne mikroorganizmy komunikują się ze sobą oraz z gospodarzem i odgrywają ważną rolę w utrzymaniu zdrowia całego organizmu. Na rozwój i zmiany w mikrobiocie jelit mają wpływ przede wszystkim czynniki takie jak: poród, sposób karmienia w okresie niemowlęcym, ekspozycja na stres, środowisko, dieta, leki oraz wiek.

Mikroorganizmy kolonizujące jelito współtworzą barierę jelitową. Oprócz nich w jej tworzeniu biorą udział: warstwa komórek nabłonka, układ krwionośny, układ chłonny, jelitowy układ nerwowy i układ immunologiczny związany z błoną śluzową jelita (GALT, ang. gut-associated lymphoid tissue). Komórki nabłonka zapewniają barierze jelitowej selektywną przepuszczalność, dzięki czemu niepożądane antygeny nie dostają się do GALT i nie dochodzi do stanu zapalnego. Zwiększenie przepuszczalności jelit może być czynnikiem predysponującym do rozwoju wielu jednostek chorobowych.

 

2. Drogi komunikacji

2.1. Ścieżka neuronalna

Do mechanizmów neuronalnej komunikacji pomiędzy jelitami a mózgiem można zaliczyć enteryczny (jelitowy) układ nerwowy z neurotransmiterami: serotoniną, acetylocholiną oraz kortykoliberyną. Jelitowy układ nerwowy koordynuje pracę jelit i reaguje na metabolity, które powstają w wyniku aktywności mikrobioty jelitowej.

Kolejnym elementem tej ścieżki jest autonomiczny układ nerwowy (AUN). Istotną linię komunikacji w osi jelita-mózg stanowi nerw błędny, będący X nerwem czaszkowym. Nerw ten składa się z włókien eferentnych i aferentnych. Włókna aferentne zbierają informacje z narządów trzewnych, w tym z przewodu pokarmowego, a następnie przekazują je do mózgu. Włókna eferentne przekazują informację zwrotną. Pierwszą strukturą mózgu otrzymującą sygnał z X nerwu czaszkowego jest jądro pasma samotnego, znajdujące się w rdzeniu przedłużonym.

Neurotransmitery produkowane przez mikroorganizmy znajdujące się w jelitach również stanowią ważne ogniwo neuronalnej ścieżki komunikacji. Są to: acetylocholina, kwas gamma-aminomasłowy (GABA) oraz serotonina.

 

2.2. Ścieżka endokrynna

W warstwie komórek nabłonka jelit rozproszone są komórki enteroendokrynowe (enterocyty). Posiadają one zdolność do wykrywania substancji dostarczanych z pożywieniem oraz metabolitów produkowanych przez bakterie. Same wytwarzają zaś szereg hormonów jelitowych, np. cholecystokininę i somatostatynę oraz biologicznie aktywne peptydy, w odpowiedzi na różnorodne bodźce. Enterocyty tworzą też połączenia z nerwem błędnym za pomocą swoich wypustek, a neuroprzekaźnikiem w tej interakcji jest glutaminian. Połączenia między enterocytami a nerwem błędnym służą głównie do przekazywania informacji o spożytym pokarmie do mózgowia.

 

2.3. Ścieżka metaboliczna

Metabolity (zwłaszcza SCFAs) produkowane przez bakterie wpływają na stan odżywienia enterocytów i mają właściwości immunomodulacyjne. Regulują proces uwalniania białek z tych komórek oraz proces syntezy serotoniny przez komórki chromochłonne jelit, które oddziałują na hormonalną komunikację między jelitami a mózgiem. Serotonina produkowana w jelitach aktywuje aferentne zakończenia nerwowe, które przesyłają informację do OUN. SCFAs mają też zdolność przechodzenia przez barierę krew-mózg. Udowodniono, że wpływają one na homeostazę mikrogleju, która jest niezbędna dla prawidłowego funkcjonowania tkanki nerwowej.

 

2.4. Ścieżka immunologiczna

Istnieje ścisła relacja pomiędzy mikrobiotą jelitową a układem immunologicznym związanym z błoną śluzową jelita. Prawidłowa mikrobiota pomaga zachować integralność nabłonka jelit. W wyniku zaburzenia jej równowagi, rozwoju chorobotwórczych patogenów lub uszkodzenia błony śluzowej jelit może dojść do stanu zapalnego. Na zakończeniach włókien aferentnych nerwu błędnego, który przekazuje informacje z jelit do mózgu, znajdują się receptory dla cytokin prozapalnych produkowanych przez komórki układu immunologicznego. Produkty komórek odpornościowych mogą również pośrednio wpływać na funkcje enterocytów.

 

3. Znaczenie dla organizmu

Kolonizacja jelit przez bakterie oraz komunikacja mikrobioty z mózgiem to czynniki niezbędne dla prawidłowego rozwoju jelitowego i ośrodkowego układu nerwowego. Wyniki badań na modelu zwierzęcym wskazują, że brak mikrobioty jelitowej prowadzi do zmian w ekspresji genów, a tym samym do zaburzeń wydzielania najważniejszych neurotransmiterów. Powoduje również zmiany funkcji sensoryczno-motorycznych jelit oraz opóźnia ich ruchy perystaltyczne. Związki wydzielane przez mikroorganizmy odpowiadają za zachowanie ciągłości nabłonka jelit oraz funkcjonowanie błony śluzowej w odpowiedzi immunologicznej.

Mikrobiota jelit może wpływać na zachowanie. Wpływa bowiem na działanie osi podwzgórze-przysadka-nadnercza (osi HPA), aktywowanej w odpowiedzi na stres. Ma też znaczenie dla funkcjonowania obwodów serotoninergicznych w układzie limbicznym. Wyniki wielu badań wskazują na związek mikrobioty z funkcjami poznawczymi: pamięcią, uwagą oraz uczeniem się.

Dysbioza (zaburzenia w składzie mikrobioty jelitowej), a w konsekwencji wzrost przepuszczalności jelit, prowadzi do uwolnienia prozapalnej endotoksyny – lipopolisacharydu (LPS). Ta niewielka cząsteczka pochodzenia bakteryjnego wpływa na funkcjonowanie OUN. Wzmaga aktywność struktur związanych z przetwarzaniem emocji, takich jak ciało migdałowate. Zarówno LPS, jak i prozapalne cytokiny mogą wpływać na nastrój oraz prowadzić do jego zaburzeń.

 

4. Mikrobiota i choroby układu nerwowego

Coraz więcej prac naukowych wskazuje na powiązania mikrobioty jelit z chorobami neurodegeneracyjnymi oraz zaburzeniami psychicznymi. Do takich chorób zalicza się przede wszystkim: stwardnienie rozsiane, chorobę Parkinsona, depresję oraz zaburzenia ze spektrum autyzmu.

Ułożenie odpowiedniego planu żywieniowego to jedna z metod, które stosuje się najczęściej w celu leczenia zaburzeń związanych z nieprawidłową pracą mikrobioty jelit. Najbardziej skuteczna jest dieta, która dostarcza składników wspierających rozwój najważniejszych szczepów bakterii jelitowych. Inne metody leczenia to podawanie antybiotyków oraz probiotyków. Jedną z nowszych metod terapeutycznych jest zastosowanie przeszczepu mikrobioty jelitowej.

 

4.1. Stwardnienie rozsiane

Stwardnienie rozsiane (MS, ang. multiple sclerosis) należy do grupy chorób o podłożu autoimmunologicznym. W schorzeniu tym dochodzi do postępującej demielinizacji włókien nerwowych w wyniku reakcji układu odpornościowego na autoantygen. Początkowo uważano, że choroba ta ma swój początek w ośrodkowym układzie nerwowym. Obecnie jej przyczyn poszukuje się pośród czynników środowiskowych, w tym wśród zakażeń jelitowych, które mogą prowadzić do zaburzeń działania układu odpornościowego. Wskazuje się tutaj również na rolę komensalnej mikrobioty jelit, ponieważ u myszy całkowicie pozbawionych bakterii (GF, ang germ-free mice) objawy MS są opóźnione lub nie występują wcale. W związku z tym, że mikrobiota jelit odgrywa ważną rolę w rozwoju układu odpornościowego, opóźnienie symptomów MS u myszy GF może być spowodowane ogólnym niedoborem odporności.

U osób chorych na MS mikrobiota jelitowa wykazuje większe zróżnicowanie niż u osób zdrowych. Często stwierdza się u nich niedobór gatunków bakterii produkujących kwas masłowy, który wspomaga funkcjonowanie bariery jelitowej. Związek ten stymuluje również limfocyty T regulatorowe, odpowiedzialne m.in. za tolerancję immunologiczną. Wyniki badań na modelu zwierzęcym potwierdzają, że wzrost przepuszczalności jelit wywołuje apoptozę oligodendrocytów oraz aktywację mikrogleju, prowadzącą do demielinizacji włókien nerwowych.

 

4.2. Choroba Parkinsona

Na skutek choroby Parkinsona dochodzi do utraty komórek dopaminergicznych istoty czarnej śródmózgowia, czemu towarzyszy odkładanie się alfa-synukleiny oraz tworzenie się depozytów ciałek Lewy’ego we wspomnianych neuronach. Przed wystąpieniem typowych objawów choroby (takich jak drżenie spoczynkowe, ograniczenie sprawności ruchowej) pacjenci często zmagają się z objawami gastrycznymi. Występująca w ich jelitowym układzie nerwowym alfa-synukleinopatia powoduje zaburzenia pracy układu pokarmowego jeszcze zanim patologiczne zmiany pojawią się w OUN. Główną drogą przemieszczania się alfa-synukleiny jest nerw błędny. Procesowi odkładania się tego białka towarzyszy stan zapalny pogłębiający procesy neurodegeneracji. Wyniki badań naukowych wskazują na różnice w składzie mikrobioty jelit osób zdrowych oraz osób cierpiących na chorobę Parkinsona.

 

4.3. Stres i depresja

Przewlekły stan zapalny o niewielkim natężeniu jest często wymieniany jako istotny czynnik wpływający na rozwój depresji. W wyniku zaburzenia ciągłości bariery jelitowej bakterie oraz ich metabolity mogą dostawać się do krwiobiegu i pobudzać odpowiedź immunologiczną. U osób z objawami depresji występuje nadmierna ekspresja czynników prozapalnych. Pobudzają one szlak kinureninowy przemian tryptofanu, przez co zmniejszają produkcję serotoniny. Niedobór tego neuroprzekaźnika odgrywa kluczową rolę w patofizjologii depresji.

Mediatory stanu zapalnego modulują wydzielanie kortykoliberyny, będącej jednym ze składników osi HPA. Pobudzenie tej osi skutkuje ostatecznie podwyższeniem poziomu kortyzolu we krwi, a chronicznie podniesiony poziom tego hormonu ma negatywne skutki dla organizmu.

 

4.5. Zaburzenia ze spektrum autyzmu

U znacznego odsetka osób cierpiących na zaburzenia ze spektrum autyzmu (ASD, ang. autism spectrum disorder) występują zaburzenia żołądkowo-jelitowe. Skład mikrobioty jelit istotnie odbiega u nich od kompozycji mikrobioty jelit osób zdrowych. Zmiany te powodują zaburzenia w proporcji produkowanych metabolitów. Wyniki wielu badań wskazują na zmniejszenie ilości serotoniny produkowanej z tryptofanu. Dysbioza obserwowana w ASD powoduje pobudzenie GALT, a tym samym produkcję mediatorów prozapalnych. Zwiększają one udział tryptofanu w szlaku kinureninowym, a powstały kwas kinureninowy może przekraczać barierę krew-mózg i działać toksycznie na komórki nerwowe. U osób z ASD dochodzi też do nadmiernej produkcji kwasu glutaminowego, co może prowadzić do apoptozy komórek nerwowych.

 

5. Podsumowanie

Mikrobiota jelit wysyła do mózgu sygnały za pomocą różnych dróg komunikacji. Mózg z kolei może w odpowiedzi regulować funkcje jelit. Ta dwukierunkowa sieć połączeń nazywana jest osią jelitowo-mózgową. Prawidłowa kompozycja mikrobioty jelitowej jest niezbędna do prawidłowego funkcjonowania organizmu. Zmiany w jej składzie mogą doprowadzić do poważnych zaburzeń na poziomie jelit i układu nerwowego. Udowodniono, że zakłócenie działania osi jelita-mózg przyczynia się do wystąpienia poważnych chorób neurodegeneracyjnych, psychicznych czy metabolicznych. Terapie mające na celu poprawę działania mikrobioty jelit, w tym stosowanie odpowiedniej diety, mogą pomóc w leczeniu wielu schorzeń.

Bibliografia:
Adamczyk-Sowa M. et al. Does the Gut Microbiota Influence Immunity and Inflammation in Multiple Sclerosis Pathophysiology? Journal of Immunology Research, 2017
Appleton J. The Gut-Brain Axis: Influence of Microbiota on Mood and Mental Health. Integrative Medicine Research, 2018
Barbara G. et al. Interactions between commensal bacteria and gut sensorimotor function in health and disease. American Journal of Gastroenterology, 2005
Berer K. et al. Commensal microbiota and myelin autoantigen cooperate to trigger autoimmune demyelination. Nature, 2011
Braak H. et al. Gastric α-synuclein immunoreactive inclusions in Meissner’s and Auerbach’s plexuses in cases staged for Parkinson’s disease-related brain pathology. Neuroscience Letters, 2006
Clarke G. et al. The microbiome-gut-brain axis during earlylife regulates the hippocampal serotonergic system in a sex-dependent manner. Molecular Psychiatry, 2013
Eckburg P.B. et al. Diversity of the human intestinal microbial flora. Science, 2005
Forsythe P., Kunze W., Bienenstock J. Moody microbes or fecal phrenology: What do we know about the microbiota-gut-brain axis? BMC Medicine, 2016
Haba R. et al. Lipopolysaccharide affects exploratory behaviors toward novel objects by impairing cognition and/or motivation in mice: Possible role of activation of the central amygdala. Behavioural Brain Research, 2012
Hooper L.V., Littman D.R., Macpherson A.J. Interactions between the microbiota and the immune system. Science, 2012
Husebye E. et al. Influence of microbial species on small intestinal myoelectric activity and transit in germ-free rats. American Journal of Physiology. Gastrointestinal and Liver Physiology, 2001
Miyake S. et al. Dysbiosis in the Gut Microbiota of Patients with Multiple Sclerosis, with a Striking Depletion of Species Belonging to Clostridia XIVa and IV Clusters. PLoS ONE, 2015
Quigley E.M.M. Microbiota-Brain-Gut Axis and Neurodegenerative Diseases. Current Neurology Neuroscience Reports, 2017
Sender R., Fuchs S., Milo R. Revised Estimates for the Number of Human and Bacteria Cells in the Body. PLoS Biology, 2016
Skonieczna-Żydecka K. et al. Mikrobiota jelitowa i składniki pokarmowe jako determinanty funkcji układu nerwowego. Część I. Mikrobiota przewodu pokarmowego. Aktualności Neurologiczne, 2017
Strati F. et al. New evidence on the altered gut microbiota in autism spectrum disorders. Microbiome, 2017
Yirmiya R. Behavioral and psychological effects of immune activation: Implications for depression due to a general medical condition. Current Opinion in Psychiatry, 1997
Żakowicz J. et al. Wpływ mikrobioty jelitowej na mózg, funkcje poznawcze i emocje. Kosmos, 2020

Dodaj komentarz