Les 1: Onderzoek naar gezonde bacteriën in de darm-microbiota
Uitleg van het artikel: Dietary Pectin-Derived Acidic Oligosaccharides Improve the
Pulomnary Bacterial Clearance of Pseudomonas aeruginosa Infection in Mice
Pseudomonas aeruginosa veroorzaakt ernstige longinfecties.
Voor gezonde mensen is dat meestal geen groot probleem, maar voor patiënten
met cystische fibrose (taaislijmziekte) en een verzwakt immuunsysteem kan deze
bacterie jarenlang in de longen blijven zitten. Dit leidt tot: voortdurende
ontsteking, beschadiging van longweefsel, verslechtering van de ademhaling en
soms ademhalingsfalen.
Waarom kan het lichaam die bacterie niet gewoon opruimen? Patiënten met
ernstige Pseudomonas-infecties vaak een bepaald type immuunreactie hebben,
een Th2-respons. Terwijl patiënten die beter met de infectie omgaan vaker een
Th1-reszpons hebben.
Th1 (bacteriën) -> geven IFN-γ (interferon gamma) af -> dat cytokine activeert
vooral macrofagen.
Th2 (parasieten en allergieën) -> produceren IL-4 -> bestrijden van wormen,
stimuleren van allergische reacties.
In dit artikel wilden de onderzoekers het immuunsysteem van Th2-
dominant naar Th1-dominant verschuiven.
Waar komt de darm in dit verhaal vandaan? De infectie zit in de longen, maar de
behandeling zit in de darm. De darmmicrobiota en het immuunsysteem
voortdurend met elkaar communiceren. De gut-lung axis (darm-long-as).
Bacteriën in de darm maken stoffen. Die stoffen komen in de bloedbaan, bij
immuuncellen, uiteindelijk zelfs in de longen terecht, dus verander de darm ->
verander het immuunsysteem -> verander de reactie in de long. Dat is de
hypothese van het artikel.
pAOS = pectin-derived acidic oligosaccharides. Dat zijn kleine koolhydraatketens
afkomstig uit pectine (een plantaardige vezel). Je lichaam verteert ze niet, in
plaats daarvan eten darmbacteriën het op. Daarom noemt men ze prebiotica.
Prebiotica voeden gunstige bacteriën. De onderzoekers verwachtten dat pAOS de
groei van nuttige bacteriën zouden stimuleren en op die manier indirect het
immuunsysteem zouden beïnvloeden.
Wat deden de onderzoekers precies? De onderzoekers verdeelden jonge muizen
in twee groepen. Eén groep kreeg een standaarddieet, terwijl de andere groep
gedurende vijf weken een dieet kreeg dat verrijkt was met 5% pAOS. Daarna
analyseerden zij de darmmicrobiota en de hoeveelheid korte-keten-vetzuren in de
feces. Vervolgens infecteerden zij de muizen met Pseudomonas aeruginosa en
onderzochten zij hoe sterk de ontstekingsreactie was, hoe het immuunsysteem
reageerde en hoe snel de bacteriën uit de longen verdwenen. Twee weken later
1
,werden de overlevende dieren opnieuw geïnfecteerd om te bekijken of hetzelfde
effect ook tijdens een tweede infectie aanwezig was.
Wat gebeurde er in de darm na het gebruik van pAOS? Na vijf weken zagen de
onderzoekers duidelijke toename van:
Bifidobacterium = stimuleert immuuncellen, bevorderd Th1-resacties,
reguleert ontsteking. Dus meer Bifidobacterium betekent vaak een sterker
en beter gereguleerd immuunsysteem.
Sutterella wadsworthia
Clostridium XIVa= stimuleert Treg-cellen (regulatoire T-cellen) voorkomen
dat een otsteking te sterk wordt. Ze produceren IL-10 die werkt als een
rem op ontsteking.
Wat zijn korte-keten-vetzuren en waarom maten de onderzoekers die? Wanneer
darmbacteriën voedingsvezels afbreken, produceren zij korte-keten-vetzuren
(SCFA’s) a zoals butyraat en propionaat. Ze vertellen immuuncellen hoe ze zich
moeten ontwikkelen, hoe sterk ze moeten reageren en wanneer ze moeten
stoppen. Butyraat kan macrofagen activeren, bacteriedoding verbeteren en
ontsteking controleren. Propionaat kan T-cellen beïnvloeden, immuunreacties
reguleren.
Wat gebeurde er met het immuunsysteem? De onderzoekers zagen dat de
immuunrespons verschoof van een Th2-profiel naar een Th1-profiel. Dit bleek uit
een hogere productie van IFN-γ, een typisch Th1-cytokine, en een lagere
productie van IL-4, een typisch Th2-cytokine. Omdat een Th1-respons effectiever
is tegen bacteriële infecties, interpreteerden de onderzoekers dit als een gunstige
verandering van het immuunsysteem.
Hoe wisten de onderzoekers zeker dat er een Th1-verschuiving was? Naast
cytokinen onderzochten zij ook de expressie van de genen t-bet en gata3. Het
gen t-bet stimuleert de ontwikkeling van Th1-cellen, terwijl gata3 de ontwikkeling
van Th2-cellen bevordert. Bij de pAOS-groep werd meer t-bet en minder gata3
gevonden. Dit bevestigde dat de immuunrespons daadwerkelijk in de richting van
een Th1-profiel was verschoven.
Wat gebeurde er met de macrofagen? Macrofagen zijn immuuncellen die
bacteriën kunnen opnemen en vernietigen. De onderzoekers ontdekten dat pAOS
de activatie van M1-macrofagen stimuleerden. M1-macrofagen zijn
gespecialiseerd in het bestrijden van micro-organismen en produceren
antimicrobiële stoffen. M2 repareert weefsels, bestrijd bacteriën minder actief.
Meer M1-activatie bij pAOS. Daardoor werden de bacteriën efficiënter bestreden
dan bij de controlegroep.
Wat gebeurde er met de ontsteking? Hoewel de afweerreactie sterker werd,
zagen de onderzoekers geen toename van schadelijke ontsteking. Integendeel,
de concentratie van TNF-α, een sterk pro-inflammatoir cytokine, daalde, terwijl
de concentratie van IL-10, een anti-inflammatoir cytokine, toenam. Dit betekent
dat pAOS niet alleen de afweer versterkten, maar ook hielpen om de
ontstekingsreactie onder controle te houden.
2
,Het belangrijkste resultaat was dat muizen die pAOS kregen de bacteriën sneller
uit hun longen verwijderden dan de controlegroep. Dit effect werd zowel tijdens
de eerste infectie als tijdens een tweede infectie waargenomen. De onderzoekers
concludeerden daarom dat pAOS via veranderingen in de darmmicrobiota het
immuunsysteem kunnen versterken en zo de weerstand tegen Pseudomonas
aeruginosa verbeteren.
De darm-microbiota is de verzameling van alle micro-organismen die in de darm
leven. Kenmerken:
- Ongeveer 1 liter bacteriën in de dikke darm
- Honderden bacteriesoorten
- Miljoenen bacterie genen
- Zeer hoge metabole activiteit
- Complex ecosysteem waarin bacteriën met elkaar en met de gastheer
interacteren.
Waarom is de darm-microbiota belangrijk?
- Helpt bij het verteren van voedsel (veel voedingsvezels kunnen wij zelf niet
afbreken, bacteriën beschikken over enzymen die dat wel kunnen)
- Produceert gezonde stoffen (SCFA’s) Korte- keten vetzuren:
1. Acetaat: kan door het lichaam gebruikt worden als energiebron
2. Propionaat: wordt opgenomen door lever en spelt een rol bij
energiemetabolisme
3. Butyraat: wordt gebruikt als brandstof door darmcellen, verminderd de
ontsteking, versterkt darmwand
4. Lactaat: kan later omgezet worden naar andere nuttige stoffen
- Vitamines (sommige darm bacteriën produceren vitamines bijvoorbeeld
vitamine K of B-12)
- Concurreren met pathogenen (goede bacteriën maken de voedingstoffen
op, nemen de ruimte en produceren antimicrobiële stoffen, dit heet
competitieve exclusie)
- Trainen het immuunsysteem
- Helpen darmfunctie
- Gut-barrier
Akkermansia muciniphila is een van de bekende goede darm bacteriën. Deze
bacterie leeft in de slijmlaag van de darm. Ze breekt mucine af, belangrijkste
bestanddeel van de slijmlaag. Hierdoor stimuleert ze de productie van nieuwe
slijm, voortdurende vernieuwing van de slijmlaag. Akkermansia stimuleert de
vorming en het behoud van tight junctions. Hierdoor wordt de darmbarrière
sterker, neemt de doorlaatbaarheid van de darm af, kunnen minder schadelijke
stoffen vanuit de darm in het lichaam terechtkomen. Dit leidt tot minder
ontstekingsreacties. Een belangrijke stof hierbij is LPS (lipopolysaccharide), een
onderdeel van de buitenwand van Gram-negatieve bacteriën. Wanneer LPS
vanuit de darm in de bloedbaan terechtkomt, kan dit chronische laaggradige
3
, ontstekingen veroorzaken. Een sterkere darmbarrière zorgt ervoor dat minder LPS
het lichaam binnendringt. Daardoor ontstaat minder ontsteking.
Doordat Akkermansia de darmbarrière versterkt en ontstekingen vermindert, kan
het lichaam voedingsstoffen efficiënter verwerken. Hierdoor wordt de
stofwisseling gunstig beïnvloed.
Bij diabetes type 2 ontstaat vaak insulineresistentie. Dit betekent dat
lichaamscellen minder goed reageren op insuline. Normaal zorgt insuline ervoor
dat glucose uit het bloed wordt opgenomen door de cellen. Bij insulineresistentie
gebeurt dit minder goed, waardoor de bloedsuikerspiegel stijgt. Onderzoek laat
zien dat een hogere hoeveelheid Akkermansia vaak samenhangt met minder
ontsteking, een sterkere darmbarrière, een betere insulinegevoeligheid. Daardoor
reageren lichaamscellen beter op insuline en kan glucose gemakkelijker uit het
bloed worden opgenomen. Dit verlaagt het risico op diabetes type 2. Chronische
ontsteking kan leiden tot insulineresistentie. Ontstekingsmediatoren zoals TNF-α
en IL-6 verstoren de insulinesignalering in cellen, waardoor cellen minder goed
reageren op insuline. Hierdoor blijft meer glucose in het bloed aanwezig.
Microbiota = Met microbiota bedoelen we alle micro-organismen die aanwezig
zijn in een bepaalde omgeving, bijvoorbeeld in de darm. Bij darmmicrobiota gaat
het dus om de samenstelling van de bacteriële gemeenschap: welke bacteriën
aanwezig zijn en in welke hoeveelheden. Dit wordt vaak onderzocht met behulp
van 16S rRNA-analyse, omdat daarmee bacteriesoorten kunnen worden
geïdentificeerd. (Bifidobacterium, Akkermansia, Lactobacillus)
Microbioom = Met microbioom bedoelen we alle genen van deze microbiële
gemeenschap. Het microbioom geeft informatie over de mogelijke functies van
de bacteriën. Op basis van de aanwezige genen kan bijvoorbeeld worden
voorspeld of bacteriën vezels kunnen afbreken, vitamines kunnen produceren of
korte-keten vetzuren kunnen vormen. Het microbioom wordt meestal onderzocht
met metagenomics.
Dit onderscheid is belangrijk, omdat twee mensen een vergelijkbare microbiota
kunnen hebben, terwijl hun microbioom toch verschilt doordat de bacteriën
verschillende genen bevatten.
Microbioomonderzoek levert enorme hoeveelheden data op. Een enkel monster
kan honderden bacteriële groepen bevatten. Daarom wordt vaak gewerkt met
een OTU-tabel.
OTU staat voor Operational Taxonomic Unit. Een OTU kun je zien als een
bacteriegroep die tijdens de analyse wordt onderscheiden. Elke rij van een OTU-
tabel stelt een bacteriegroep voor en elke kolom een monster. In de tabel staat
vervolgens hoeveel van iedere bacteriegroep aanwezig is in elk monster.
Naast microbiota-data verzamelen onderzoekers vaak ook metadata. Dit zijn
aanvullende gegevens over het monster of de proefpersoon, zoals: leeftijd,
geslacht, dieet, ziekte, BMI, concentraties van metabolieten, ontstekingsmarkers.
4
Uitleg van het artikel: Dietary Pectin-Derived Acidic Oligosaccharides Improve the
Pulomnary Bacterial Clearance of Pseudomonas aeruginosa Infection in Mice
Pseudomonas aeruginosa veroorzaakt ernstige longinfecties.
Voor gezonde mensen is dat meestal geen groot probleem, maar voor patiënten
met cystische fibrose (taaislijmziekte) en een verzwakt immuunsysteem kan deze
bacterie jarenlang in de longen blijven zitten. Dit leidt tot: voortdurende
ontsteking, beschadiging van longweefsel, verslechtering van de ademhaling en
soms ademhalingsfalen.
Waarom kan het lichaam die bacterie niet gewoon opruimen? Patiënten met
ernstige Pseudomonas-infecties vaak een bepaald type immuunreactie hebben,
een Th2-respons. Terwijl patiënten die beter met de infectie omgaan vaker een
Th1-reszpons hebben.
Th1 (bacteriën) -> geven IFN-γ (interferon gamma) af -> dat cytokine activeert
vooral macrofagen.
Th2 (parasieten en allergieën) -> produceren IL-4 -> bestrijden van wormen,
stimuleren van allergische reacties.
In dit artikel wilden de onderzoekers het immuunsysteem van Th2-
dominant naar Th1-dominant verschuiven.
Waar komt de darm in dit verhaal vandaan? De infectie zit in de longen, maar de
behandeling zit in de darm. De darmmicrobiota en het immuunsysteem
voortdurend met elkaar communiceren. De gut-lung axis (darm-long-as).
Bacteriën in de darm maken stoffen. Die stoffen komen in de bloedbaan, bij
immuuncellen, uiteindelijk zelfs in de longen terecht, dus verander de darm ->
verander het immuunsysteem -> verander de reactie in de long. Dat is de
hypothese van het artikel.
pAOS = pectin-derived acidic oligosaccharides. Dat zijn kleine koolhydraatketens
afkomstig uit pectine (een plantaardige vezel). Je lichaam verteert ze niet, in
plaats daarvan eten darmbacteriën het op. Daarom noemt men ze prebiotica.
Prebiotica voeden gunstige bacteriën. De onderzoekers verwachtten dat pAOS de
groei van nuttige bacteriën zouden stimuleren en op die manier indirect het
immuunsysteem zouden beïnvloeden.
Wat deden de onderzoekers precies? De onderzoekers verdeelden jonge muizen
in twee groepen. Eén groep kreeg een standaarddieet, terwijl de andere groep
gedurende vijf weken een dieet kreeg dat verrijkt was met 5% pAOS. Daarna
analyseerden zij de darmmicrobiota en de hoeveelheid korte-keten-vetzuren in de
feces. Vervolgens infecteerden zij de muizen met Pseudomonas aeruginosa en
onderzochten zij hoe sterk de ontstekingsreactie was, hoe het immuunsysteem
reageerde en hoe snel de bacteriën uit de longen verdwenen. Twee weken later
1
,werden de overlevende dieren opnieuw geïnfecteerd om te bekijken of hetzelfde
effect ook tijdens een tweede infectie aanwezig was.
Wat gebeurde er in de darm na het gebruik van pAOS? Na vijf weken zagen de
onderzoekers duidelijke toename van:
Bifidobacterium = stimuleert immuuncellen, bevorderd Th1-resacties,
reguleert ontsteking. Dus meer Bifidobacterium betekent vaak een sterker
en beter gereguleerd immuunsysteem.
Sutterella wadsworthia
Clostridium XIVa= stimuleert Treg-cellen (regulatoire T-cellen) voorkomen
dat een otsteking te sterk wordt. Ze produceren IL-10 die werkt als een
rem op ontsteking.
Wat zijn korte-keten-vetzuren en waarom maten de onderzoekers die? Wanneer
darmbacteriën voedingsvezels afbreken, produceren zij korte-keten-vetzuren
(SCFA’s) a zoals butyraat en propionaat. Ze vertellen immuuncellen hoe ze zich
moeten ontwikkelen, hoe sterk ze moeten reageren en wanneer ze moeten
stoppen. Butyraat kan macrofagen activeren, bacteriedoding verbeteren en
ontsteking controleren. Propionaat kan T-cellen beïnvloeden, immuunreacties
reguleren.
Wat gebeurde er met het immuunsysteem? De onderzoekers zagen dat de
immuunrespons verschoof van een Th2-profiel naar een Th1-profiel. Dit bleek uit
een hogere productie van IFN-γ, een typisch Th1-cytokine, en een lagere
productie van IL-4, een typisch Th2-cytokine. Omdat een Th1-respons effectiever
is tegen bacteriële infecties, interpreteerden de onderzoekers dit als een gunstige
verandering van het immuunsysteem.
Hoe wisten de onderzoekers zeker dat er een Th1-verschuiving was? Naast
cytokinen onderzochten zij ook de expressie van de genen t-bet en gata3. Het
gen t-bet stimuleert de ontwikkeling van Th1-cellen, terwijl gata3 de ontwikkeling
van Th2-cellen bevordert. Bij de pAOS-groep werd meer t-bet en minder gata3
gevonden. Dit bevestigde dat de immuunrespons daadwerkelijk in de richting van
een Th1-profiel was verschoven.
Wat gebeurde er met de macrofagen? Macrofagen zijn immuuncellen die
bacteriën kunnen opnemen en vernietigen. De onderzoekers ontdekten dat pAOS
de activatie van M1-macrofagen stimuleerden. M1-macrofagen zijn
gespecialiseerd in het bestrijden van micro-organismen en produceren
antimicrobiële stoffen. M2 repareert weefsels, bestrijd bacteriën minder actief.
Meer M1-activatie bij pAOS. Daardoor werden de bacteriën efficiënter bestreden
dan bij de controlegroep.
Wat gebeurde er met de ontsteking? Hoewel de afweerreactie sterker werd,
zagen de onderzoekers geen toename van schadelijke ontsteking. Integendeel,
de concentratie van TNF-α, een sterk pro-inflammatoir cytokine, daalde, terwijl
de concentratie van IL-10, een anti-inflammatoir cytokine, toenam. Dit betekent
dat pAOS niet alleen de afweer versterkten, maar ook hielpen om de
ontstekingsreactie onder controle te houden.
2
,Het belangrijkste resultaat was dat muizen die pAOS kregen de bacteriën sneller
uit hun longen verwijderden dan de controlegroep. Dit effect werd zowel tijdens
de eerste infectie als tijdens een tweede infectie waargenomen. De onderzoekers
concludeerden daarom dat pAOS via veranderingen in de darmmicrobiota het
immuunsysteem kunnen versterken en zo de weerstand tegen Pseudomonas
aeruginosa verbeteren.
De darm-microbiota is de verzameling van alle micro-organismen die in de darm
leven. Kenmerken:
- Ongeveer 1 liter bacteriën in de dikke darm
- Honderden bacteriesoorten
- Miljoenen bacterie genen
- Zeer hoge metabole activiteit
- Complex ecosysteem waarin bacteriën met elkaar en met de gastheer
interacteren.
Waarom is de darm-microbiota belangrijk?
- Helpt bij het verteren van voedsel (veel voedingsvezels kunnen wij zelf niet
afbreken, bacteriën beschikken over enzymen die dat wel kunnen)
- Produceert gezonde stoffen (SCFA’s) Korte- keten vetzuren:
1. Acetaat: kan door het lichaam gebruikt worden als energiebron
2. Propionaat: wordt opgenomen door lever en spelt een rol bij
energiemetabolisme
3. Butyraat: wordt gebruikt als brandstof door darmcellen, verminderd de
ontsteking, versterkt darmwand
4. Lactaat: kan later omgezet worden naar andere nuttige stoffen
- Vitamines (sommige darm bacteriën produceren vitamines bijvoorbeeld
vitamine K of B-12)
- Concurreren met pathogenen (goede bacteriën maken de voedingstoffen
op, nemen de ruimte en produceren antimicrobiële stoffen, dit heet
competitieve exclusie)
- Trainen het immuunsysteem
- Helpen darmfunctie
- Gut-barrier
Akkermansia muciniphila is een van de bekende goede darm bacteriën. Deze
bacterie leeft in de slijmlaag van de darm. Ze breekt mucine af, belangrijkste
bestanddeel van de slijmlaag. Hierdoor stimuleert ze de productie van nieuwe
slijm, voortdurende vernieuwing van de slijmlaag. Akkermansia stimuleert de
vorming en het behoud van tight junctions. Hierdoor wordt de darmbarrière
sterker, neemt de doorlaatbaarheid van de darm af, kunnen minder schadelijke
stoffen vanuit de darm in het lichaam terechtkomen. Dit leidt tot minder
ontstekingsreacties. Een belangrijke stof hierbij is LPS (lipopolysaccharide), een
onderdeel van de buitenwand van Gram-negatieve bacteriën. Wanneer LPS
vanuit de darm in de bloedbaan terechtkomt, kan dit chronische laaggradige
3
, ontstekingen veroorzaken. Een sterkere darmbarrière zorgt ervoor dat minder LPS
het lichaam binnendringt. Daardoor ontstaat minder ontsteking.
Doordat Akkermansia de darmbarrière versterkt en ontstekingen vermindert, kan
het lichaam voedingsstoffen efficiënter verwerken. Hierdoor wordt de
stofwisseling gunstig beïnvloed.
Bij diabetes type 2 ontstaat vaak insulineresistentie. Dit betekent dat
lichaamscellen minder goed reageren op insuline. Normaal zorgt insuline ervoor
dat glucose uit het bloed wordt opgenomen door de cellen. Bij insulineresistentie
gebeurt dit minder goed, waardoor de bloedsuikerspiegel stijgt. Onderzoek laat
zien dat een hogere hoeveelheid Akkermansia vaak samenhangt met minder
ontsteking, een sterkere darmbarrière, een betere insulinegevoeligheid. Daardoor
reageren lichaamscellen beter op insuline en kan glucose gemakkelijker uit het
bloed worden opgenomen. Dit verlaagt het risico op diabetes type 2. Chronische
ontsteking kan leiden tot insulineresistentie. Ontstekingsmediatoren zoals TNF-α
en IL-6 verstoren de insulinesignalering in cellen, waardoor cellen minder goed
reageren op insuline. Hierdoor blijft meer glucose in het bloed aanwezig.
Microbiota = Met microbiota bedoelen we alle micro-organismen die aanwezig
zijn in een bepaalde omgeving, bijvoorbeeld in de darm. Bij darmmicrobiota gaat
het dus om de samenstelling van de bacteriële gemeenschap: welke bacteriën
aanwezig zijn en in welke hoeveelheden. Dit wordt vaak onderzocht met behulp
van 16S rRNA-analyse, omdat daarmee bacteriesoorten kunnen worden
geïdentificeerd. (Bifidobacterium, Akkermansia, Lactobacillus)
Microbioom = Met microbioom bedoelen we alle genen van deze microbiële
gemeenschap. Het microbioom geeft informatie over de mogelijke functies van
de bacteriën. Op basis van de aanwezige genen kan bijvoorbeeld worden
voorspeld of bacteriën vezels kunnen afbreken, vitamines kunnen produceren of
korte-keten vetzuren kunnen vormen. Het microbioom wordt meestal onderzocht
met metagenomics.
Dit onderscheid is belangrijk, omdat twee mensen een vergelijkbare microbiota
kunnen hebben, terwijl hun microbioom toch verschilt doordat de bacteriën
verschillende genen bevatten.
Microbioomonderzoek levert enorme hoeveelheden data op. Een enkel monster
kan honderden bacteriële groepen bevatten. Daarom wordt vaak gewerkt met
een OTU-tabel.
OTU staat voor Operational Taxonomic Unit. Een OTU kun je zien als een
bacteriegroep die tijdens de analyse wordt onderscheiden. Elke rij van een OTU-
tabel stelt een bacteriegroep voor en elke kolom een monster. In de tabel staat
vervolgens hoeveel van iedere bacteriegroep aanwezig is in elk monster.
Naast microbiota-data verzamelen onderzoekers vaak ook metadata. Dit zijn
aanvullende gegevens over het monster of de proefpersoon, zoals: leeftijd,
geslacht, dieet, ziekte, BMI, concentraties van metabolieten, ontstekingsmarkers.
4
