Dołącz do czytelników
Brak wyników

Probiotyki w sporcie

12 kwietnia 2018

NR 13 (Grudzień 2017)

Mikrobiota jelitowa – strażnik równowagi funkcjonalnej przewodu pokarmowego i sekrecji wybranych hormonów u zawodowych sportowców

0 340

Przewód pokarmowy człowieka jest skolonizowany przez liczne mikroorganizmy, w tym bakterie, archeowce, wirusy oraz eukaryota, określane mianem mikrobioty jelitowej [1, 2]. Należą tutaj głównie bakterie typów Firmicutes oraz Bacteroidetes oraz mniej liczne Proteobacteria, Actinobacteria i Fuscobacteria [3].
 

Mikrobiota jelitowa równowaga funkcjonalna przewodu pokarmowego

Integralność bariery jelitowej gwarantuje stabilność struktury i funkcji tej części przewodu pokarmowego. Kluczowym elementem bariery jelitowej jest zespół wyspecjalizowanych połączeń pomiędzy komórkami nabłonkowymi jelita, tj. złącza mechaniczne (desmosomy, połączenia przylegające, adherent juntions), komunikacyjne (połączenia szczelinowe, GAP junctions) oraz ścisłe (połączenia zamykające, tight junctions). To one zapewniają selektywną przepuszczalność bariery, warunkującą transport bierny małych cząsteczek rozpuszczalnych w wodzie drogą paracelularną (międzykomórkową) [4]. Kluczowe dla przepuszczalności bariery są złącza ścisłe. Są to kompleksy utworzone z czterech przezbłonowych białek, tj. klaudyn, okludyn, białek adhezyjnych (junctional adhesion molecules, JAM) i triceluliny. W cytozolu białka te łączą się z zonuliną (białkami zonula occludens), które połączone są z cytoszkieletem enterocytów. W wyniku fosforylacji łańcuchów lekkich miozyny dochodzi do skurczu aktyny, rozluźnienia struktury złącza ścisłego i w konsekwencji transportu międzykomórkowego [6].

 

Ryc. 1. Budowa bariery jelitowej (na podstawie 4)

 

Co więcej, bariera stanowi wrota dla produktów metabolizmu bakterii znajdujących się w świetle jelita, elementów układu immunologicznego oraz cząsteczek składników żywności [7].

Sportowcy doświadczają bólów brzucha, biegunek, nudności/wymiotów. Dane literaturowe pokazują, że nawet ponad 90% osób zawodowo uprawiających sport, zwłaszcza dyscyplin wytrzymałościowych, cierpi z powodu zaburzeń pracy jelit [8]. Te czynnościowe zaburzenia wynikają z niedostatecznego zaopatrzenia jelit w tlen oraz składniki odżywcze, a przez to upośledzonej eliminacji zbędnych metabolitów z komórek jelitowych i w konsekwencji rozwoju stanu zapalnego [9].

Oszacowano, że po godzinie intensywnego treningu kolarskiego u sportowca pracującego przy 70% maksymalnego poboru tlenu dochodzi do istotnego niedokrwienia narządów jamy brzusznej [10], które przy 50% spadku wywołuje rozszczelnienie bariery jelitowej [11]. Co więcej, niedokrwienie trzewiów generuje stres oksydacyjny i prowadzi do syntezy wolnych rodników tlenowych, dodatkowo uszkadzających integralność bariery jelitowej [12]. Konsekwentnie w mechanizmie zwiększenia transkrypcji genów kodujących cytokiny prozapalne, jak np. TNF-α, IFN-γ czy IL-1β, następuje intensywna aktywacja GALT [11]. W wyniku utraty integralności bariery jelitowej bakterie jelitowe i ich endotoksyny (lipopolisacharyd, LPS) przedostają się do krążenia, co w konsekwencji wywołać może endotoksemię. Przykładowo, u maratończyków czy triatlonistów stężenie LPS we krwi może wynosić nawet 284 pg/ml i manifestować się jako nieprzyjemne objawy ze strony przewodu pokarmowego [8]. W innych badaniach z udziałem maratończyków zauważono, że jedynie u blisko 20% stężenie LPS jest w normie, a nawet u 2% może być śmiertelnie wysokie [13]. Co równie istotne, wydzielane w odpowiedzi na stres fizyczny przez nadnercza hormony steroidowe zmniejszają ekspresje receptorów narzędziowych (Toll-like Receptors, TLRs), co finalnie obniża zdolności ustroju do produkcji cytokin przeciwzapalnych i hamuje odpowiedź przeciwdrobnoustrojową gospodarza [14]. 

Biorąc pod uwagę szereg funkcji pełnionych w organizmie przez zespół mikroorganizmów jelitowych, w tym kontrolę nad mechanizmami odporności [15], uwalnianiem hormonów [16] oraz stresem oksydacyjnym [17–19], to właśnie mikrobiota jelitowa jest punktem uchwytu dla poprawy funkcji bariery jelitowej u zawodowych sportowców. 

W licznych analizach naukowych udowodniono, że wysoka liczebność gatunków bakterii z rodzajów Lactobacillus oraz Bifidobacterium wprowadza równowagę w obrębie mikrobioty jelitowej [20–22], łagodzi przebieg zaburzeń przewodu pokarmowego [23] oraz zakażeń górnych dróg oddechowych u zawodowych sportowców [24]. Należy jednak pamiętać, że skutki działania probiotyków są specyficzne względem szczepów stosowanych bakterii. Przykładowo wykazano, że suplementacja Lactobacillus casei Shirota powoduje wzrost aktywności komórek Nk u zdrowych osób [24], podczas gdy podaż probiotyku zawierającego Streptococcus thermophilus FP4 oraz Bifidobacterium breve BR03 istotnie obniża stężenie krążącej IL-6 u osób uprawiających ćwiczenia wytrzymałościowe (naruszające strukturę mięśni) [25]. Z kolei 14-tygodniowa suplementacja preparatem wieloszczepowym zawierającym Bifidobacterium bifidum W23, Bifidobacterium lactis W51, Enterococcus faecium W54, Lactobacillus acidophilus W22, Lactobacillus brevis W63 i Lactococcus lactis W58 zmniejszyła o blisko 25% stężenie zonuliny w kale – markera zwiększonej przepuszczalności jelitowej [9]. Literatura naukowa podaje, że przynajmniej kilka szczepów probiotycznych, w tym Lactobacillus plantarum (szczepy CGMCC nr 1258, DSM 2648 oraz WCFS1) [26–28], Bacteroides thetaiotaomicron ATCC29184 [29], Escherichia coli Nissle 1917 [30], Bifidobacterium longum SP 07/3 oraz Lactobacillus rhamnosus GG [31] ma udokumentowaną skuteczność zachowania integralności bariery jelitowej. 
Homeostaza mikrobioty jelitowej sprawia, że roślinne polisacharydy dostarczane wraz z dietą przekształcane są do krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych (Short-chain fatty acids, SCFAs), w tym kwasów octowego, propionowego oraz masłowego. Substancje te są podstawowym źródłem energii dla kolonocytów [32], a ich dostępność zapobiega degradacji tych komórek w przebiegu niedokrwienia narządów jamy brzusznej podczas wysiłku fizycznego [33]. Synteza SCFAs determinuje skład mikrobioty, perystaltykę przewodu pokarmowego oraz przepuszczalność jelitową [34]. W licznych analizach udowodniono, że zwiększenie syntezy maślanu reguluje funkcje neutrofilów, hamuje wywołaną przez cytokiny prozapalne ekspresję molekuł adhezyjnych i powoduje wzrost produkcji białek budujących złącza ścisłe bariery jelitowej [35]. Wraz z kwasem propionowym maślan wywołuje wzrost przeznabłonkowego oporu elektrycznego, co ujemnie koreluje z przepuszczalnością jelitową, a tym samym zapobiega rozwojowi stanu zapalnego na poziomie tkanki przewodu pokarmowego [36]. 

Mikrobota jelitowa a kontrola uwalniania hormonów stresu

Dane literaturowe wskazują, że nawet 60% zawodowych sportowców doświadcza stresu na poziomie komórkowym, wywołanego przez intensywny trening oraz niewystarczający czas regeneracji organizmu [37]. Najbardziej narażeni są zawodnicy sportów wytrzymałościowych, tj. pływacy, wioślarze, kolarze, maratończycy czy triatloniści [38]. Fizjologiczne manifestacje stresu obejmują kliniczne wskaźniki hormonalne oraz zespoły objawów, do których należą wspomniane wcześniej dysfunkcje przewodu pokarmowego, ale również przemęczenie, spadek formy i zaburzenia emocjonalne [37]. 

Podczas intensywnego wysiłku fizycznego pień mózgu odbiera obwodowe sygnały świadczące o zaburzeniach homeostazy organizmu. Należą tutaj między innymi niemiarowy oddech, zaburzenia równowagi energetycznej, odwodnienie czy ból w obrębie jamy brzusznej. W odpowiedzi na te stresory dochodzi do aktywacji neuronów autonomicznego układu nerwowego (AUN) oraz osi podwzgórze–przysadka–nadercza (PPN). Część współczulna AUN aktywuje mechanizmy „walki-ucieczki” w każdej tkance, powodując wzrost wydzielania katecholamin (norepinefryny i epinefryny). Jednoczasowo podwzgórze syntetyzuje hormon uwalniający kortykotropinę (corticotrophin-releasing hormone, CRH) oraz wazopresynę (Argininę Vasopressin, AVP), które stymulują przysadkę do sekrecji hormonu adrenokortykotropowego (Adrenocorticotropic Hormone, ACTH) i w konsekwencji nadnercza do wydzielenia glukokortykoidów. Kora nadnerczy jest unerwiana przez neurony współczulne AUN co dodatkowo wywołuje wzrost produkcji hormonów kortykosteroidowych [39]. Udowodniono, że jedynie wysiłek na poziomie powyżej 60% VO2max wywołuje aktywację osi PPN [40]. W wieloletnich badaniach prowadzonych przez zespół Lehmann’s [41,42] zaobserwowano, że nawet u 80% zawodowych sportowców dochodzi do nadprodukcji ACTH, natomiast stężenie tego hormonu jest wysokie zarówno przed jak i po sesji treningowej u zawodników trenujących na poziomie przynajmniej 80% wydolności [43]. 

Mikrobiota jelitowa pełni w organizmie człowieka szereg kluczowych funkcji definiowanych wspólnie jako działanie troficzne, metaboliczne i immunologiczne (44). W omawianym temacie najistotniejszą jest kontrola, jaką narząd bakteryjny wraz z pozostałymi składowymi bariery jelitowej ma nad uwalnianiem hormonów stresu. Stresory (np. intensywny trening) wywołują bowiem aktywację AUN, a ten połączony jest z enterycznym (in. jelitowym) układem nerwowym (Enteric Nervous System, ENS) poprzez tzw. oś mózgowo-jelitową. Ten dwukierunkowy szlak wymiany sygnałów nie tylko nerwowych – poprzez nerw błędny – ale i za pośrednictwem mediatorów biochemicznych gwarantuje udział bariery jelitowej w odpowiedzi na stres komórkowy generowany przez ćwiczenia fizyczne [45].

W badaniach naukowych zademonstrowano, że mikrobiota jelitowa w odpowiedzi na stres doświadczany na poziomie komórkowym kontroluje syntezę hormonów stresu. U zwierząt zauważono, że myszy pozbawione mikrobioty jelitowej (tzw. germ-free, gnotobiotyczne) poddawane działaniu czynników stresogennych reagują uwolnieniem większych ilości ACTH w porównaniu do gryzoni z prawidłowo skolonizowanym jelitem [46], natomiast transplantacja mikrobioty i kolonizacja jelit tych zwierząt przez Bacillus infantis wywołuje normalizację działania osi PPN [47]. W innych badaniach zauważono, że zakażenie zwierząt gnotobiotycznych bakteriami z rodzaju Clostridium wywołuje istotny wzrost stężenia wolnych katecholamin [48]. 
Układ pokarmowy człowieka w odpowiedzi na stres reaguje uwalnianiem neuroprzekaźników hamujących lub stymulujących sekrecję hormonów stresu. Należą tutaj kwas γ-aminomasłowy (Gamma-aminobutyric acid, GABA), neuropeptyd Y oraz dopamina (49). GABA jest hamującym neurotransmiterem produkowanym z wytwarzanego przez mikorbiotę jelitową glutaminanu (Glu). Najbardziej efektywnymi producentami Glu są Corynebacterium glutamicum, Brevibacterium lactofermentum oraz Brevibacterium flavum [50], ale również bakterie fermentacji mlekowej reprezentowane przez gatunki Lactobacillus plantarum, Lactobacillus paracasei czy Lactococcus lactis [51]. W wyniku dekarboksylacji Glu powstaje GABA, którego stężenie rośnie nawet w przypadku umiarkowanej aktywności fizycznej, prowadząc do normalizacji rytmu serca i ciśnienia tętniczego krwi (39). Choć przynajmniej kilka szczepów bakterii rodzajów Lactobacillus oraz Bifidobacterium syntetyzuje GABA [52], za najskuteczniejszy w produkcji neuroprzekaźnika uznawany jest szczep probiotyczny Lactobacillus brevis DPC6108 [53]. W badaniach eksperymentalnych zaobserwowano również, że suplementacja probiotykiem zawierającym Lactobacillus rhamnosus JB-1 reguluje ekspresję receptorów dla GABA, co w konsekwencji prowadzi do redukcji syntezy hormonów steroidowych w nadnerczach [54]. 

Neuropeptyd Y jest białkiem produkowanym wzdłuż całej osi mózgowo-jelitowej, głównie przez komórki ENS. Jest to jeden z najbardziej kluczowych neuroprzekaźników odpowiedzialnych za status immunologiczny oraz odporność na stres fizyczny [55]. Peptyd jest uwalniany w przewodzie pokarmowym i hamuje działanie osi PPN. Forbes et al. [56] zauważyli, że delecja genu dla neuropeptydu Y wywołuje nadprodukcję kortykosteronu u testowanych myszy. Z kolei w badaniu z udziałem wioślarzy wykazano, że stężenie białka po intensywnym treningu rośnie [57]. Również dopamina, prekursor norepinefryny i epinefryny, produkowana jest w przewodzie pokarmowym w odpowiedzi na stres komórkowy [58]. Regularne ćwiczenia fizyczne (1–2 godziny dziennie) wywołują wzrost stężenia tego neuroprzekaźnika w mózgu [59]. Co więcej, w badaniach na modelu zwierzęcych zauważono, że gryzonie pozbawione patogenów jelitowych miały istotnie więcej biologicznie aktywnych form dopaminy oraz norepinefryny w jelicie w porównaniu do zwierząt germ-free [48]. 

Co ciekawe, mikrobiota jelitowa oddziałuje z hormonami stresu w błonie śluzowej przewodu pokarmowego. Norepinefryna wpływa dodatnio na rozwój mikroflory patogennej, w tym Bordatella spp., Campylobacter jejuni, Helicobacter pylori, Listeria spp. czy Salmonella enterica spp. W przypadku zwiększenia liczebności E. coli czy Salmonella typhimurium udowodniono, że norepinefryna zwiększa przyleganie bakterii do śluzówki jelita w mechanizmie wzrostu ekspresji czynników związanych z wirulencją tych mikroorganizmów [60]. Dodatkowo wyniki najnowszych badań przeprowadzonych u zwierząt podają, że intensywny wysiłek fizyczny wywołuje zmniejszenie liczebności bakterii wykazujących dzi...

Pozostałe 70% treści dostępne jest tylko dla Prenumeratorów

Co zyskasz, kupując prenumeratę?
  • 6 wydań magazynu "Body Challenge"
  • Dodatkowe artykuły niepublikowane w formie papierowej
  • Szybki wgląd do filmów instruktażowych oraz planów treningowych i dietetycznych
  • Dostęp do wszystkich archiwalnych wydań magazynu oraz dodatków specjalnych
  • ...i wiele więcej!
Sprawdź

Przypisy