Ny doktorgrad om kosthold og tarmbakterier: kaffe er bra for helsen

I tarmen vår bor det billioner av bakterier i avanserte bakteriesamfunn, som kalles mikrobiotaen. Bakteriene hjelper oss med å bryte ned mat og ta opp næringsstoffer, og er en viktig del av immunsystemet vårt gjennom å beskytte oss mot andre, skadelige bakterier og sopp.  

Samtidig påvirkes de nyttige tarmbakteriene av hva du spiser. 

Med bedre kunnskap om hvordan ulike typer tarmbakterier påvirkes av ulikt næringsinntak, kan vi få en enda bedre forståelse av hva som er bra for kroppen å spise og hvordan vi kan opprettholde stabile bakteriesamfunn som beskytter oss mot sykdommer.  

Kosthold viktig for immunrespons og stoffskifte 

I en ny doktorgrad fra NMBU har stipendiat Sergio Rocha gjennomført studier der kontrollert kosthold har vist seg å ha effekt på bakteriesammensetningen i tarmen på mus. Kostholdet har vært en utløsende faktor for regulering av immunrespons og stoffskifte.  

Rocha har blant annet sammenlignet mikrobiotaen ved inntak av mat med høyt fettinnhold versus lavt fettinnhold, og kaffeinntak tilsvarende lavt og moderat kaffeforbruk hos mennesker.  

– I denne studien har vi vist at det er en sammenheng mellom kosthold, mikrobiotaen i tarmen, immunresponsen og helse. En balansert bakteriesammensetning i tarmen er viktig for å unngå tilstander som overvekt, diabetes type 2 og betennelser. For å få til det må vi har et balansert kosthold, slik at vi kan sørge for god næring både til oss selv og til tarmbakteriene våre, sier Rocha. 

Immunsystemet reagerte på høy-fett-diett 

I arbeidet med doktorgraden ble to grupper av mus matet med henholdsvis en lav-fett-diett og en høy-fett-diett. Fôringsforsøket pågikk i 18 uker. 

Ingen av de to diettene inneholdt løselige fibre, for å unngå dette som bakenforliggende faktor og mulig feilkilde i forsøkene. 

Rocha forteller at de observerte forstyrrelser i mikrobiotaen hos musene som gikk på en diett med høyt fettinnhold. Denne typen forstyrrelser i bakteriesammensetningen i tarmen, også kalt dysbiose, kan gi seg utslag i sykdommer.  

–I mikrobiotaen hos musene på høy-fett-dietten så vi en forskyvning mot dysbiose, forklarer han.  

– Hos disse musene observerte vi også en aktivering av immunrespons tilsvarende den vi normalt serdersom det er sykdomsfremkallende bakterier i tarmen. Vi så også en økt produksjon av en type signalmolekyler som aktiverer betennelse i kroppen, og økt ROS-produksjon langs tarmen, sier Rocha.  

ROS står for reaktive oksygenforbindelser (også kalt frie radikaler), som potensielt kan være skadelig for levende organismer. Forskerne gjennomførte en kartlegging av bakteriesamfunn i tarmen assosiert med reaktive oksygenarter (ROS) som en del av analysen. 

Kaffe kan hjelpe tarmbakteriene 

I en påfølgende studie fikk musene som gikk på høy-fett-dietten også kaffe inkludert i kostholdet. De ble igjen delt inn i grupper som fikk forskjellige doser kaffe. Kaffedosene representerte lavt og moderat kaffeforbruk hos mennesker, tilsvarende henholdsvis én og fem kopper per dag.  

Resultatet antydet at kaffe demper den ubalansen i tarmen som var forårsaket av høy-fett-dietten hos noen bakteriegrupper.  

Hos undergruppen med mus på høy-fett-diett som ble gitt moderate kaffedoser, så forskerne en bakteriesammensetning som lignet mer på den hos musene som ble fôret med en lav-fett-diett.  

Immunrespons og produksjon av frie radikaler ble også redusert med kaffe, noe som indikerte gjenoppretting av tarmbarrieren. 

Forsvarsmekanisme i tarmen 

En balansert og mangfoldig sammensetning av bakterier i tarmen er viktig for helsen vår. Ikke minst er det viktig for immunsystemet, som har utviklet seg til å tåle gunstige bakterier og unngå overvekst av skadelige.  

– I dette arbeidet har vi sett spesifikt på effekten av å bruke kosthold for å påvirke mikrobiotaen spesielt i tynntarmen, en del av tarmen som ikke inkluderes i mange tilsvarende studier, forteller Rocha.  

– Gjennom studiene viste vi at det finnes en forsvarsmekanisme i tynntarmen som arbeider med å unngå tilbakestrømning av bakterier fra tykktarmen.  Dersom denne forsvarsmekanismen ikke er tilstede, vil det føre til alvorlig ubalanse i mikrobiotasamfunn i tynntarmen. Vi viste også at det eksisterer en lignende mekanisme i tykktarmen. 

– I et større perspektiv demonstrerte vi viktigheten av et balansert kosthold for å fremme en balansert mikrobiota. På denne måten kan utviklingen av metabolske sykdommer kontrolleres slik at immunforsvaret ikke initierer en inflammatorisk respons. Dette vil igjen kunne reduserer faren for andre komplikasjoner, som for eksempel tykktarmskreft, sier Rocha.  

Summary of the thesis in English:

The gastrointestinal tract harbors trillions of bacteria. Host and microbiota co-evolved in a mutualism relationship with a certain degree of dependency, where the host provides a nutrient-rich environment and benefits from microbiota metabolism. While the intestinal epithelial layer needs to be thin enough to allow the passage of nutrients, it is also the primary defense barrier in the intestine to prevent the passage of undesired material, such as pathogens. The immune system has evolved in the direction to tolerate beneficial bacteria and avoid the overgrowth of harmful ones. A balanced and diverse microbiota, and a continuous interaction with the immune system, are the key to the intestinal homeostasis. Although host genetics and environment are relevant, diet is an obvious modulating factor for microbiota composition and by consequence in regulating the immune response and host metabolism.

This thesis presents studies where diet proves to have a relevant effect on microbiota modulation and how microbiota-dependent mechanism affects the host.

In paper I, we fed mice with a low-fat diet (LFD) and a high-fat diet (HFD). We performed a long-term experiment; both diets were lacking soluble fibers, to avoid it as a cofounder; we analyzed the small intestine in the different sections, and not as a whole; and we included microbiota sequencing associated with reactive oxygen species (ROS) as part of ours analysis. The microbiota in mice fed HFD shifted towards dysbiosis and the affected gut barrier allowed the passage of bacteria into the lamina propria. We also observed the activation of immune response pathways related to the presence of pathogens, increased production of pro-inflammatory cytokines and increased ROS production along the intestine. Paper II was an extension of the previous study, where mice fed HFD received different dosages of coffee representing low and moderate coffee consumption by humans. Results suggested that coffee attenuates the microbial dysbiosis caused by HFD in a dose-depended matter for some bacterial groups. In fact, moderate coffee group presented a microbiota profile more similar to mice fed LFD. Immune response and ROS production were also ameliorated by coffee, indicating the restoring of the gut barrier.

iv In paper III, we demonstrated that the production of ROS by epithelial cells in ileum plays an important role in the intestinal homeostasis. The number of microbiota in the ileum is larger than in the rest of the small intestine, possibly due to its proximity to the large intestine. In mice deficient in iNOS and NOX1, peroxynitrite production in the ileum was diminished and the bacterial load was increased, with a composition resembling cecum. The ROS production in ileum may therefore be of relevance to prevent bacterial reflux from the large intestine and regulate bacterial community. Lastly, in paper IV, we sought to understand in more detail the role of NOX1 in the colon. Under infection, pro-inflammatory cytokines activate NOX2 to enhance the production of peroxynitrite. However, during low-grade inflammation, it is plausible that NOX1 is the primary source of peroxynitrite. We used a low dose of DSS to induce low-grade inflammation in the colon of wild type mice and mice deficient in NOX1. In the absence of NOX1, we observed a reduced peroxynitrite production, a mildly increased inflammatory response and a microbial profile characteristic of pro-inflammation. We therefore propose that NOX1 has a role in shaping the colonic microbiota, which may have a consequence for intestinal health.