باکتری‌های روده چگونه میزان کالری جذب‌شده را تغییر می‌دهند؟

تعداد کالری روی بسته‌بندی مواد غذایی لزوماً نشان‌دهنده میزان انرژی دریافتی از آن نیست و محققان دریافته‌اند که چگونه باکتری‌های روده می‌توانند میزان انرژی جذب‌شده توسط بدن را تغییر دهند. منبع: Shutterstock

محققان دانشگاه ایالتی آریزونا مدلی ریاضی توسعه داده‌اند که این بخش اغلب نادیده گرفته‌شده از هضم را بررسی می‌کند. این مدل که با نام DAMM (مخفف هضم، جذب و متابولیسم میکروبی) شناخته می‌شود، نحوه حرکت غذا در دستگاه گوارش، میزان انرژی که بدن مستقیماً جذب می‌کند و نحوه پردازش مواد باقی‌مانده توسط باکتری‌های روده را ردیابی می‌کند. همچنین تخمین می‌زند که کدام محصولات هضم جذب می‌شوند و کدام به عنوان ضایعات از بدن خارج می‌شوند.

با در نظر گرفتن رابطه بین رژیم غذایی، هضم انسان و باکتری‌های روده، محققان امیدوارند درک ما را از چاقی، دیابت و سایر اختلالات متابولیک بهبود بخشند. با توسعه بیشتر، این رویکرد می‌تواند در نهایت به متخصصان مراقبت‌های بهداشتی کمک کند تا رژیم‌های غذایی متناسب با بیماران فردی ایجاد کنند.

پروفسور روزا کراجمالنیک-براون گفت: «هضم فقط یک فرآیند انسانی نیست، بلکه یک همکاری بین بدن ما و تریلیون‌ها میکروارگانیسم زنده در روده است. DAMM یک روش جدید قدرتمند برای کمی‌سازی نحوه مشارکت این شرکای میکروبی در سلامت انسان و تعادل انرژی به ما می‌دهد و همچنین بر اهمیت تغذیه مناسب میکروارگانیسم‌های روده تأکید می‌کند.»

کرایجمالنیک-براون مدیر مرکز بیودیزاین دانشگاه ASU برای سلامت از طریق میکروبیوم و استاد مدرسه مهندسی پایدار و محیط زیست دانشگاه است.

تیم تحقیقاتی شامل پروفسور بروس ریتمن، مدیر مرکز بیودیزاین سوئیت برای بیوتکنولوژی محیط زیست و استاد برجسته مهندسی محیط زیست دانشگاه ASU و همچنین تیلور دیویس، دستیار تحقیقاتی فارغ‌التحصیل دانشگاه ASU بود. دانشمندان موسسه تحقیقاتی ترجمه‌ای AdventHealth در اورلاندو، فلوریدا، در این پروژه همکاری کردند.

نتایج این تحقیق در PLOS One منتشر شده است.

چرا شمارش سنتی کالری بخشی از تصویر را از دست می‌دهد

دانشمندان برای بیش از 100 سال از سیستمی بر اساس پارامترهای آتواتر برای تخمین میزان انرژی که افراد می‌توانند از غذا دریافت کنند استفاده کرده‌اند. این روش مقادیر متوسط کالری را به هر گرم چربی، کربوهیدرات و پروتئین اختصاص می‌دهد و سپس از این مقادیر برای محاسبه کل انرژی موجود استفاده می‌کند.

اگرچه این رویکرد عملی و پرکاربرد است، اما نمی‌تواند به‌طور کامل آنچه در طول هضم اتفاق می‌افتد را توضیح دهد. به‌ویژه، این روش حساب نمی‌کند که چگونه غذاهای مختلف به باکتری‌های روده غذا می‌دهند یا چگونه این باکتری‌ها مواد هضم‌نشده را به موادی که بدن می‌تواند از آن برای انرژی استفاده کند، تبدیل می‌کنند.

یک مثال مهم شامل اسیدهای چرب با زنجیره کوتاه است. این ترکیبات زمانی تولید می‌شوند که میکروارگانیسم‌های روده فیبر و سایر اجزای غذایی را که بدون جذب از دستگاه گوارش فوقانی عبور می‌کنند، تجزیه می‌کنند. برخی از این اسیدهای چرب می‌توانند وارد جریان خون شوند و انرژی اضافی را فراهم کنند.

برای درک بهتر این تعاملات، محققان بر اساس یک مطالعه کنترل‌شده رژیم غذایی قبلی که تأثیر میکروبیوم روده بر تعادل انرژی انسان را بررسی می‌کند، کار کردند. میکروبیوم روده شامل جامعه عظیمی از باکتری‌ها و سایر میکروارگانیسم‌هایی است که در دستگاه گوارش زندگی می‌کنند.

رژیم غذایی پرفیبر منجر به جذب 116 کالری کمتر در روز شد

در مطالعه بالینی، بزرگسالان سالم یکی از دو برنامه غذایی طراحی‌شده را دنبال کردند. اولین برنامه غذایی یک رژیم غذایی تقویت‌کننده میکروبیوم بود که حاوی مقدار قابل توجهی فیبر و نشاسته مقاوم بود (مواد غذایی کمتر فرآوری‌شده و با اندازه ذرات بزرگتر). نشاسته مقاوم نوعی کربوهیدرات است که از هضم معمول در روده کوچک فرار می‌کند و به روده بزرگ می‌رسد، جایی که میکروارگانیسم‌ها می‌توانند آن را تجزیه کنند.

برنامه غذایی دوم شبیه به رژیم غذایی معمول غربی بود که حاوی فیبر و نشاسته مقاوم کمتری بود (مواد غذایی بیشتر فرآوری‌شده و با اندازه ذرات کوچکتر).

با وجود اینکه هر دو رژیم غذایی برای مطالعه طراحی شده بودند، شرکت‌کنندگان مقادیر متفاوتی از انرژی را جذب کردند. کسانی که رژیم غذایی غربی را مصرف می‌کردند، حدود 116 کالری بیشتر در روز نسبت به کسانی که رژیم غذایی غنی از فیبر را مصرف می‌کردند، جذب کردند.

شاید جالب‌تر اینکه، افرادی که رژیم غذایی پرفیبر را دنبال می‌کردند، احساس گرسنگی بیشتری گزارش نکردند.

این یافته‌ها نشان می‌دهد که میزان انرژی که افراد از غذا دریافت می‌کنند تا حدی به ترکیب آن و نحوه حرکت آن در دستگاه گوارش بستگی دارد. تفاوت در فرآوری غذا، محتوای فیبر و فعالیت میکروبی می‌تواند بر نتیجه نهایی تأثیر بگذارد.

ریتمن گفت: «نکته واقعاً منحصربه‌فرد در مورد مدل DAMM این است که متابولیسم انسان را به طور کمی با متابولیسم میکروارگانیسم‌های روده در روشی که با نتایج مطالعه بالینی مطابقت دارد و بینش اساسی در مورد نحوه کار جامعه میکروبی در مشارکت با میزبان انسانی ارائه می‌دهد، پیوند می‌دهد.»

باکتری‌های روده می‌توانند حدود 140 کالری در روز تامین کنند

مدل DAMM روش دقیق‌تری برای پیگیری انرژی موجود در غذا از لحظه ورود به دستگاه گوارش ارائه می‌دهد.

اول، محتوای پروتئین، کربوهیدرات و چربی رژیم غذایی فرد را بررسی می‌کند و تخمین می‌زند که چه مقدار انرژی قابل استفاده در دستگاه گوارش فوقانی جذب می‌شود.

سپس مواد باقی‌مانده را که به روده بزرگ می‌روند، ردیابی می‌کند. در اینجا، باکتری‌های روده مواد مغذی را که قبلاً هضم نشده بودند، تجزیه می‌کنند و ترکیباتی مانند اسیدهای چرب با زنجیره کوتاه تولید می‌کنند. بدن می‌تواند برخی از این ترکیبات را از طریق روده بزرگ جذب کرده و از آن به عنوان منبع انرژی دیگری استفاده کند.

این مدل همچنین تولید متان توسط میکروارگانیسم‌های خاصی به نام متانوژن‌ها را در نظر می‌گیرد که متان را به عنوان بخشی از متابولیسم خود تولید می‌کنند.

بر اساس محاسبات محققان، اسیدهای چرب با زنجیره کوتاه جذب‌شده از روده بزرگ به طور متوسط حدود 140 کالری در روز تامین می‌کنند. این نشان‌دهنده حدود 7.4 درصد از کل انرژی قابل استفاده به دست آمده از غذا است.

به طور کلی، مدل تخمین زد که حدود 85 درصد از انرژی قابل استفاده از دستگاه گوارش فوقانی و حدود 15 درصد از دستگاه گوارش تحتانی به دست می‌آید که در آن میکروارگانیسم‌ها اهمیت ویژه‌ای دارند.

این یافته‌ها بر این نکته تأکید می‌کند که چرا محاسبات سنتی کالری نمی‌توانند به‌طور کامل هضم انسان را توصیف کنند. سهم قابل توجهی از انرژی موجود برای بدن تحت تأثیر فرآیندهای میکروبی قرار دارد که محاسبات برچسب مواد غذایی معمولی به طور صریح اندازه‌گیری نمی‌کنند.

هنگامی که تیم پیش‌بینی‌های DAMM را با اندازه‌گیری‌های واقعی از مطالعه کنترل‌شده رژیم غذایی مقایسه کرد، مدل تخمین‌هایی تولید کرد که به جذب کالری مشاهده‌شده نزدیک‌تر از آن‌هایی بود که با استفاده از رویکرد آتواتر معمولی تولید شده بود.

روش قدیمی معمولاً کالری جذب‌شده توسط شرکت‌کنندگان را دست کم می‌گرفت. با گنجاندن متابولیسم میکروبی، DAMM تخمین دقیق‌تری از انرژی به دست آمده از رژیم‌های مختلف ارائه داد.

چگونه فیبر معادله کالری را تغییر می‌دهد

یکی از برجسته‌ترین ویژگی‌های مدل توانایی آن در حساب کردن تفاوت بین رژیم‌های غذایی است.

رژیم غذایی تقویت‌کننده میکروبیوم فیبر و سایر مواد تخمیرپذیر بیشتری را به روده بزرگ می‌رساند. این به باکتری‌های روده مواد بیشتری برای تجزیه می‌دهد و تولید اسیدهای چرب با زنجیره کوتاه را افزایش می‌دهد.

DAMM این افزایش را پیش‌بینی کرد که با الگوی مشاهده‌شده در آزمایش بالینی کنترل‌شده سازگار بود. شرکت‌کنندگانی که رژیم غذایی تقویت‌کننده میکروبیوم را مصرف می‌کردند، سطوح بالاتری از اسیدهای چرب با زنجیره کوتاه را در اندازه‌گیری‌های خون و مدفوع خود داشتند.

این ترکیبات مهم هستند زیرا نشان می‌دهند که چگونه فعالیت میکروبی و متابولیسم انسان به طور تنگاتنگی به هم مرتبط هستند. باکتری‌های روده می‌توانند اجزای غذایی را که در غیر این صورت از دستگاه گوارش عبور می‌کردند، به مولکول‌هایی که بدن می‌تواند از آن‌ها جذب و استفاده کند، تبدیل کنند.

با این حال، تولید بیشتر این ترکیبات لزوماً به معنای جذب کالری بیشتر نیست.

در واقع، شرکت‌کنندگانی که رژیم غذایی پرفیبر را دنبال می‌کردند، کالری خالص کمتری نسبت به کسانی که رژیم غذایی غربی را مصرف می‌کردند، جذب کردند، حتی اگر رژیم غذایی پرفیبر فعالیت میکروبی بیشتری را تقویت کرده و تولید اسیدهای چرب با زنجیره کوتاه را افزایش داده بود.

این تناقض ظاهری زمانی درک می‌شود که مراحل مختلف هضم را به‌طور جداگانه بررسی کنیم. اگرچه باکتری‌های روده می‌توانند انرژی اضافی تولید کنند، اما میزان انرژی که بدن مستقیماً از غذا استخراج می‌کند نیز مهم است.

DAMM به محققان کمک می‌کند تا بین این سهم‌ها تمایز قائل شوند. این مدل تخمین می‌زند که چه مقدار انرژی بدن قبل از رسیدن غذا به روده بزرگ استخراج می‌کند، چه مقدار انرژی میکروارگانیسم‌ها از مواد باقی‌مانده تولید می‌کنند و چه مقدار در نهایت جذب یا دفع می‌شود.

به‌سوی رژیم‌های غذایی شخصی‌تر و تغذیه بهتر

با آوردن هضم انسان و متابولیسم میکروبی در یک چارچوب ریاضی واحد، محققان ابزاری ایجاد کرده‌اند که می‌تواند به توضیح اینکه چرا رژیم‌های غذایی مختلف اثرات متفاوتی بر تعادل انرژی بدن دارند، کمک کند.

این رویکرد ممکن است در نهایت درک دانشمندان از چگونگی تأثیر رژیم غذایی بر چاقی، دیابت و سایر شرایط متابولیک را بهبود بخشد. همچنین این امکان را ایجاد می‌کند که برنامه‌های غذایی را طراحی کنیم که نه تنها مواد مغذی موجود در غذا را در نظر بگیرند، بلکه نحوه تعامل آن مواد مغذی با میکروارگانیسم‌های زنده در روده هر فرد را نیز در نظر بگیرند.

در حال حاضر، این مدل یک چارچوب تحقیقاتی است و نه یک روش آماده برای تجویز رژیم‌های غذایی شخصی. مطالعات بیشتری برای تعیین اینکه این مدل در جمعیت‌های مختلف، الگوهای غذایی و ترکیبات میکروبیوم چقدر خوب عمل می‌کند، مورد نیاز است.

محققان همچنین انتظار دارند که با کشف جزئیات بیشتر در مورد نحوه تبادل مواد مغذی و انرژی بین میکروارگانیسم‌ها و بدن انسان، این مدل پیچیده‌تر شود.

دیویس گفت: «مدل DAMM فقط یک ابزار برای مشخص کردن رژیم غذایی نیست. بلکه یک چارچوب طراحی‌شده برای تکامل است. با یادگیری بیشتر در مورد نحوه تعامل رژیم غذایی، متابولیسم و میکروارگانیسم‌ها، بینش‌های جدید را می‌توان در مدل گنجاند و به آن اجازه داد تا با ما همراه با یادگیری ما رشد کند.»