Hoe voeding onze darmmicrobiota en zijn werking beïnvloedt

Transcriptie

1 Tijdschr. voor Geneeskunde, 71, nr. 20, doi: /TVG Postgraduaat Onderwijs in de Interne Geneeskunde KU Leuven 1 Hoe voeding onze darmmicrobiota en zijn werking beïnvloedt C. Matthys 2, 3, 4, K. Morren 2, 3 Samenvatting Volwassenen hebben een unieke en stabiele darmflora, de kern ervan blijft doorheen de jaren constant. In utero is het maag-darmkanaal steriel. Daarna vindt er een snelle fase plaats waarbij er na enkele dagen concentraties aan bacteriën worden behaald die gelijkaardig zijn aan deze bij een volwassen persoon. De darmflora van ouderen blijkt echter complexer te zijn en omvat grote interindividuele verschillen. De darmflora wordt geassocieerd met verschillende aandoeningen. Dysbiose zou aan de basis liggen hiervan en op die manier geassocieerd zijn met voedingsallergieën, inflammatoir darmlijden (IBD), diabetes mellitus type 1 en astma. De mate waarin voeding een rol speelt in het huishouden van de darmflora, is reeds uitgebreid beschreven op basis van ecologische studies. Dergelijke studies tonen aan dat regio s met een verhoogde vezelconsumptie een gezonder darmflorapatroon vertonen. Klinische interventies tonen aan dat men de samenstelling en de diversiteit van de darmflora kan veranderen, maar deze interventies zijn van korte duur en/of bekomen een grote variabiliteit in de resultaten. Het belang van de oorspronkelijke samenstelling en de hoeveelheid darmflora blijkt de doeltreffendheid van de interventie te beïnvloeden. Samenvattend kan men stellen dat een voedingspatroon rijk aan groenten en fruit, maar laag in vlees geassocieerd wordt met een grotere verscheidenheid in microbiota. Inleiding Gezonde volwassenen hebben een unieke en stabiele darmflora, de kern ervan blijft doorheen de jaren constant. De basis voor de samenstelling van onze darmflora wordt echter reeds bij de geboorte bepaald. In utero is het maag-darmkanaal steriel. Daarna vindt er een snelle fase plaats waarbij er na enkele dagen concentraties aan bacteriën worden behaald die gelijkaardig zijn aan deze bij volwassenen. De darmflora van ouderen blijkt echter complexer te zijn, er zijn 1 Centrum voor Postgraduaat Onderwijs in de Interne Geneeskunde, KU Leuven; thema: Onze voeding in tijden van ziekte en gezondheid: meer dan een hype? 2 Klinische en Experimentele Endocrinologie, KU Leuven. 3 Competentiecentrum klinische voeding, dienst IG endocrinologie, UZ Leuven campus Gasthuisberg. 4 Correspondentieadres: prof. dr. ir. C. Matthys, competentiecentrum klinische voeding, dienst IG endocrinologie, UZ Leuven campus Gasthuisberg, Herestraat 49, 3000 Leuven; christophe.matthys@uzleuven.be namelijk grotere interindividuele verschillen. Bij het ouder worden kan zowel de samenstelling als de metabole functie van de darmflora veranderen (1, 2). Een gezonde darm bestaat voornamelijk (90%) uit Firmicutes en Bacteroidetes (1, 3). Firmicutes prausnitzii, die behoort tot Clostridium cluster IV (Firmicutes-stam), is het meest aanwezig in gezonde darmen (1). Microbiota die gezondheidsbevorderend zijn, fermenteren meestal koolhydraten en produceren geen toxinen. Hiertoe behoren o.a. Bifidobacterium, Lactobacillus en Bacteroides (2, 4, 5). Deze microbiota halen hun energie om te groeien en te reproduceren uit koolhydraten (6). De fermentatie ervan leidt tot de productie van korteketenvetzuren (hoofdzakelijk butyraat, acetaat en propionaat), lactaat en gas. Lactaat wordt door de darmbacteriën grotendeels omgezet in acetaat en propionaat (4). Bij de fermentatie van peptiden en proteïnen worden er minder korteketenvetzuren geproduceerd en bovendien worden er aminen, ammonia en fenolische verbindingen gevormd waarvan sommige schadelijk zijn en onder bepaalde omstandigheden kunnen leiden tot de vorming van carcinogenen (6).

2 1354 C. Matthys, K. Morren Algemeen wordt aangenomen dat korteketenvetzuren de gezondheid kunnen beïnvloeden, voornamelijk door een verlaging van de ph van het lumen en de stimulatie van de secretie van mucinen. Dit werkt beschermend tegen pathogene bacteriën (bv. Escherichia coli) en ondersteunt de opname van macro- en micronutriënten (2, 4, 7). Korteketenvetzuren worden tevens als energiebron gebruikt door zowel de darmmucosa als de gastheer. Acetaat en propionaat spelen een rol in de lipo- en de gluconeogenese. Bespreking De darmflora is de meest aanpasbare factor in het menselijke lichaam. Metabolische en immunologische responsen kunnen snel geoptimaliseerd worden om zo de gezondheid en de homeostase intact te houden (1-3). Een mooi voorbeeld hiervan is het effect van een darmfloratransplantatie van obese naar kiemvrije muizen. Eenmaal de kiemvrije muizen de darmflora van de obese muizen hadden ontvangen, werden zij ook obees (8). De samenstelling van de darmflora bij de pasgeborene wordt bepaald door verschillende factoren. Een vaginale geboorte of via een keizersnede wordt als een belangrijke determinant aanzien voor de samenstelling van de darmflora. In de volgende fase zal het gebruik van poedermelk of borstvoeding verder bepalend zijn voor de samenstelling. De darmflora van gezonde baby s uitsluitend gevoed met moedermelk wordt gedomineerd door Bifidobacterium (9). In de volgende levensfasen zullen de introductie van poedermelk en vaste voeding, alsook het type voeding (plantaardig of dierlijk of een combinatie van beide) een belangrijke rol spelen. Het onderzoek naar deze factoren is echter complex en werd nog niet ten gronde uitgewerkt (9). Op basis van ecologische studies kan men een verschil in darmflora in verband brengen met het voedingspatroon. Men heeft vastgesteld dat de diversiteit van de darmflora in een Amerikaanse bevolkingsgroep lager is dan in bevolkingsgroepen uit Malawi (10). In recente studies heeft men aangetoond dat de verschillen in de microbiotastructuur tussen kinderen uit Burkina Faso en Italië volledig te wijten zijn aan het verschil in voedingspatroon. De darmflora van de Afrikaanse kinderen, met een voedingspatroon rijk aan plantaardige vezels, had een significant hoger gehalte aan Prevotella en Xylanibacter en een lager gehalte aan Firmicutes in vergelijking met de Italiaanse kinderen (11). Gelijkaardige resultaten werden gevonden in een internationale studie waarin men personen vergeleek uit Venezuela, Malawi en de Verenigde Staten. Deze ecologische studies suggereren dat koolhydraatrijke voeding het Prevotella-gehalte doet stijgen (11). Schnorr et al. hebben de darmflora van een groep jager-verzamelaars, namelijk de Hadza uit Tanzania, kunnen kenmerken. Het voedingspatroon van deze bevolkingsgroep is het best te vergelijken met dit van onze verre voorouders: het jager-verzamelaardieet (rijk aan vlees in bepaalde perioden en overleven op basis van bessen en vruchten, maar zonder kennis van bewaartechnieken). Men stelde vast dat de darmflora van de Hadza hogere hoeveelheden Prevotella en Treponema had, zelfs niet-geïdentificeerde Bacteriodetes, alsook een gebrek aan Bifidobacteria. De darmflora van de Hadza werd tevens gekenmerkt door een zeer grote diversiteit, waarbij 22% nog niet geïdentificeerd was op het niveau van familie en genus. Deze specifieke samenstelling van de microbiota wordt in verband gebracht met het hoge vezelgehalte in hun voedingspatroon (12). Tot slot kon men op basis van associatiestudies vaststellen dat een gezonder voedingspatroon gerelateerd is aan een hogere diversiteit binnen de darmflora, lagere cholesterolgehalten en een verbeterde insulineresistentie in een Franse groep van volwassen personen met overgewicht en obesitas (13). Naast deze associatiestudie toonden Wu et al. aan dat het enterotype van een Noord-Amerikaanse cohort gerelateerd is aan hun gebruikelijke (langdurige) voedingspatroon. Prevotella was verhoogd bij personen met een voedingspatroon met een hoog vezelgehalte en rijk aan groenten en fruit. Bacteriodes was geassocieerd met het typisch westerse voedingspatroon rijk aan dierlijke eiwitten en verzadigde vetzuren (14). Deze studies tonen aan dat de verschillen in de samenstelling van de darmflora sterk geassocieerd zijn met het voedings- en levensstijlpatroon van westerse of eerder rurale bevolkingsgroepen. Op basis van deze associatiestudies kan echter niet aangetoond worden dat een voedingspatroon of specifieke voedingsmiddelen de darmflora kunnen beïnvloeden. Nochtans zijn niet-verteerbare koolhydraten een vaak gebruikt vehikel om de samenstelling van de darmflora te optimaliseren. Daarnaast kan voeding een aantrekkelijke preventieve, maar ook curatieve manier zijn om de darmflora te optimaliseren en vervolgens zoveel mogelijk risicofactoren te minimaliseren. In de context van obesitas en overgewicht heeft men vastgesteld dat het effect van een laagcalorisch

3 Hoe voeding onze darmmicrobiota en zijn werking beïnvloedt 1355 dieet om gewichtsverlies te bekomen en om metabole en inflammatoire parameters te optimaliseren afhankelijk was van de variatie in de darmflora (15). De variatie in de darmflora steeg aanzienlijk en de metabole status verbeterde significant in de groep van deelnemers met een lage verscheidenheid in de darmflora bij het volgen van een laagcalorisch, hoog eiwitdieet gedurende zes weken. Deze verbetering in de darmflora kon men niet vaststellen bij deelnemers met reeds een grote verscheidenheid in de darmflora. Een lage verscheidenheid aan darmflora is tevens gerelateerd aan een ondervertegenwoordiging van Faecalibacterium prausnitzii (gekend voor zijn anti-inflammatoire eigenschappen) en kan gepromoot worden door de consumptie van fructans type inuline (16). Ley et al. stelden vast dat de verhouding Bacteroidetes-Firmicutes steeg bij proefpersonen die gedurende een jaar ofwel een voedingspatroon met een beperkt vetgehalte, ofwel een laagcalorisch voedingspatroon beperkt in koolhydraten volgden. Bij personen met het grootste gewichtsverlies stelde men de grootste verandering in deze verhouding vast (17). Deze en andere bevindingen suggereren dat het metagenome profiel gebruikt kan worden om patiënten te stratificeren in responders en non-responders voor de verschillende voedingsinterventies (18). In twee kortetermijnvoedingsinterventies heeft men gevonden dat de samenstelling van de darmflora snel (binnen de 24 uur) kan veranderen op voorwaarde dat het dieet extreem genoeg is (14, 19). Het langetermijneffect van deze veranderingen is echter nog een vraagteken. In studies bij ondervoede personen heeft men vastgesteld dat de samenstelling van de darmflora geoptimaliseerd kan worden tijdens de interventie, maar de darmflora neemt de oorspronkelijke samenstelling terug aan na de interventie (20, 21). Dit toont aan dat langere interventies of een herstel van de darmflora nodig zijn om ondervoeding optimaal te behandelen in deze situatie. Het veranderen van de samenstelling van de darmflora is mogelijk onder specifieke omstandigheden (afhankelijk van de extremiteit en de duur van de interventie en van de oorspronkelijke samenstelling van de darmflora), maar is tevens gerelateerd aan de samenstelling van de voedingsinterventie. Plantaardige vezels blijken een aan te bevelen vehikel te zijn voor het optimaliseren van de darmflora. Prebiotica kan men beschouwen als katalysator om de diversiteit in de darmflora te optimaliseren, maar het effect van verschillende prebioticastudies is beperkt. Dit is deels te wijten aan het gebruik van eenvoudige moleculaire structuren. Dergelijke structuren promoten enkel specifieke microorganismen. Daarom wordt aangeraden om een verscheidenheid van oplosbare en niet-oplosbare vezels te consumeren. Desondanks hebben prebiotica reeds hun belang aangetoond om de chronische laaggradige inflammatie bij obese patiënten aan te pakken. Probiotica kunnen ook gebruikt worden om de samenstelling van de darmflora aan te passen, maar het effect is opnieuw afhankelijk van de oorspronkelijke samenstelling van de darmflora (18). Naast het optimaliseren van de samenstelling van de darmflora zijn er recentelijk ook studies verschenen over voedingscomponenten die de samenstelling van onze darmflora kunnen beïnvloeden in negatieve zin. In een studie bij muizen werden hoge dosissen niet-calorische zoetstoffen toegediend. Het toedienen van deze dosissen was geassocieerd met een gestoord glucosemetabolisme en werd verklaard door de verandering in de samenstelling van de darmflora (22). Uit een andere recente muizenstudie blijkt dat voedingsemulgatoren laaggradige inflammatie kunnen induceren en vervolgens metabole effecten. Om de resultaten van deze studie te vertalen naar mensen, moet verondersteld worden dat alle voedingsmiddelen die de mens op één dag consumeert 0,1% tot 2% van dergelijke emulgatoren bevatten, wat een overschatting is. Deze studie toont echter wel aan dat het consumeren van dergelijke concentraties (zoals bij bepaalde personen) wel mogelijk is. De belangrijkste boodschap is dat men op dagelijkse basis wordt blootgesteld aan verschillende combinaties van deze voedingsadditieven, die mee aanleiding kunnen geven tot de ontwikkeling van metabole aandoeningen, ondanks hun wettelijke bovengrenzen voor consumptie (23). Uiteraard zijn er reeds commerciële initiatieven voor de optimalisatie van onze darmflora. Recentelijk is het Microbiome Diet van Kellman gepubliceerd. Het dieet bestaat uit drie fasen: de vier R en, de metabole boost en de Lifetime Time-up. De eerste fase raadt aan om eerst de ongezonde bacteriën en voedingsmiddelen (suiker, ei, soja, gluten en zuivel) te verwijderen. De ongezonde voedingsmiddelen worden vervangen door voedingsmiddelen die inuline, arabinogalactanen en fructoseoligosachariden (FOS) bevatten (zoals asperge, wortelen, look, prei, tomaten en radijzen) om vervolgens pre- en probiotica te introduceren. In de tweede fase worden sommige voedingsmiddelen (zoals zuivel) opnieuw geïntroduceerd. De derde fase is gelijkaardig aan de tweede, maar gedurende slechts 70% van de tijd moeten de voorgestelde voedingsmiddelen geconsumeerd worden. Ondanks

4 1356 C. Matthys, K. Morren het feit dat dit dieet voor sommige personen zal werken, kan men niet beweren dat dit op iedereen van toepassing is (24). Besluit Samenvattend kan men stellen dat voeding rijk aan groenten en fruit, maar laag in vlees geassocieerd wordt met een grote verscheidenheid aan microbiota, waarbij Prevotella in hogere aantallen aanwezig is dan Bacteroides. Deze laatste wordt geassocieerd met voeding rijk aan eiwitten en dierlijk vet. Bij ouderen wordt Bacteroides ook geassocieerd met ongezondere en minder gevarieerde voeding. Vooral de verandering in de aanbreng van macronutriënten zou bepalend zijn. Voeding rijk aan resistent of onverteerbaar zetmeel en niet-verteerbare oligosachariden ( fructoseoligosachariden (FOS) en galacto-oligosachariden (GOS)) kan door bepaalde microbiota (o.a. Firmicutes prausnitzii, Eubacterium rectale en Lactobacillus) in de dikke darm gebruikt worden om korteketenvetzuren te produceren. Voor toekomstige behandelingen op basis van dieetinterventies is het van belang om rekening te houden met de oorspronkelijke samenstelling van de darmflora, wat uiteraard een vraag is naar de verdere persoonlijke behandeling toe. Mededeling Geen belangenconflict en geen financiële ondersteuning gemeld. Abstract How feeding influences our gut microbiota and their action The composition of the microbiota of adults may be considered as unique, and remains stable during adulthood. In utero, the gastrointestinal tract is sterile. During and after birth, the intestine of the newborn is colonized immediately. Within a few days, the concentrations and composition of the newborn s microbiota are similar to those of an adult. On the other hand, the composition of the microbiota of elderly is more complex and a greater interindividual variability can be observed. The microbiota has been associated with several diseases. Dysbiosis plays a role in the disturbance of the immune system, leading to food allergies, inflammatory bowel disease (IBD), diabetes mellitus type 1 and asthma. The role of the diet in the composition and volume of the microbiota has been studied mainly in ecological studies. These studies have demonstrated that diets characterized by a high fiber consumption result in a healthier microbiota pattern. Clinical interventions have indicated that the diet influences both the composition and the diversity, but these studies are either short-term or characterized by a high variability in the results. The original composition of the microbiota, before the start of an intervention, influences its efficacy. One can conclude that a diet rich in fruit and vegetables, but low in meat products is associated with a high diversity of microbiota. Literatuur 1. Duncan SH, Flint HJ. Probiotics and prebiotics and health in ageing populations. Maturitas 2013; 75: Magrone T, Jirillo E. The interaction between gut microbiota and age-related changes in immune function and inflammation. Immun Ageing 2013; 10: Candela M, Maccaferri S, Turroni S, Carnevali P, Brigidi P. Functional intestinal microbiome, new frontiers in prebiotic design. Int J Food Microbiol 2010; 140: Power SE, O Toole PW, Stanton C, Ross RP, Fitzgerald GF. Intestinal microbiota, diet and health. Br J Nutr 2014; 111: Sepp E, Kolk H, Loivukene K, Mikelsaar M. Higher blood glucose level associated with body mass index and gut microbiota in elderly people. Microb Ecol Health Dis 2014; Meier R, Havary R, Forbes A. Dietary fibre: metabolism and physiological effects. In: Sobotka L. Basics in clinical nutrition, 4th edition. Prague: Galen, 2012: Ouwehand A, Tijhonen K, Mäkeläinen H, Lahtinen S, Rautonen S. Nutrition and gut health in older people. In: Raats M, De Groot L, van Staveren W. Food for the ageing people. England: Woodhead Publishing Limited & CRC Press, 2009: Turnbaugh PJ, Ley RE, Mahowald MA, Magrini V, Mardis ER, Gordon JI. An obesity-associated gut microbiome with increased capacity for energy harvest. Nature 2006; 444: Subramanian S, Blanton LV, Frese SA, Charbonneau M, Mills DA, Gordon JI. Cultivating healthy growth and nutrition through the gut microbiota. Cell 2015; 161: Yatsunenko T, Rey FE, Manary MJ, et al. Human gut microbiome viewed across age and geography. Nature 2012; 486: De Filippo C, Cavalieri D, Di Paola M, et al. Impact of diet in shaping gut microbiota revealed by a comparative study in children from Europe and rural Africa. Proc Natl Acad Sci U S A 2010; 107:

5 Hoe voeding onze darmmicrobiota en zijn werking beïnvloedt Schnorr SL, Candela M, Rampelli S, et al. Gut microbiome of the Hadza hunter-gatherers. Nat Commun 2014; 5: Kong LC, Holmes BA, Cotillard A, et al. Dietary patterns differently associate with inflammation and gut microbiota in overweight and obese subjects. PLoS One 2014; 9: e Wu GD, Chen J, Hoffmann C, et al. Linking long-term dietary patterns with gut microbial enterotypes. Science 2011; 334: Cotillard A, Kennedy SP, Kong LC, et al. Dietary intervention impact on gut microbial gene richness. Nature 2013; 500: Dewulf EM, Cani PD, Claus SP, et al. Insight into the prebiotic concept: lessons from an exploratory, double blind intervention study with inulin-type fructans in obese women. Gut 2013; 62: Ley RE, Hamady M, Lozupone C, et al. Evolution of mammals and their gut microbes. Science 2008; 320: Dore J, Blottiere H. The influence of diet on the gut microbiota and its consequences for health. Curr Opin Biotechnol 2015; 32: David LA, Maurice CF, Carmody RN, et al. Diet rapidly and reproducibly alters the human gut microbiome. Nature 2014; 505: Smith MI, Yatsunenko T, Manary MJ, et al. Gut microbiomes of Malawian twin pairs discordant for kwashiorkor. Science 2013; 339: Subramanian S, Huq S, Yatsunenko T, et al. Persistent gut microbiota immaturity in malnourished Bangladeshi children. Nature 2014; 510: Suez J, Korem T, Zeevi D, et al. Artificial sweeteners induce glucose intolerance by altering the gut microbiota. Nature 2014; 514: Cani PD. Metabolism: dietary emulsifiers-sweepers of the gut lining? Nat Rev Endocrinol 2015; 11: Beaudreault A. The Microbiome Diet. J Nutr Educ Behav 2015; 47: e5.