artikel

Preventie dikkedarmkanker

Algemeen

Bifidobacteriën zijn van fundamenteel belang in de dikke darm van de mens. Het stimuleren van de in het colon aanwezige bifidobacteriën is dan ook een van de belangrijkste gezondheidsbevorderende eigenschappen die worden toegeschreven aan de consumptie van onverteerbare suikerpolymeren, zoals prebiotische fructanen. Het promotie-onderzoek van ir. Gwen Falony (Vrije Universiteit Brussel) brengt meer duidelijkheid over de microbiële achtergrond van dit stimulerende effect.

Inuline-type fructanen – polymeren van fructose: korte polymeren of oligofructose en lange polymeren of inuline, zie figuur 1 – zijn prebiotica. Dit wil zeggen, onverteerbare levensmiddelenbestanddelen die de gezondheid van de mens bevorderen door selectief de groei en/of activiteit van een beperkt aantal colonbacteriën te stimuleren. Ze komen onder meer voor in uien, knoflook, prei, bananen en cichorei. In het menselijk colon (dikke darm) worden ze gefermenteerd door de daar aanwezige microbiële gemeenschap, de colonmicrobiota. Deze fermentatie zorgt voor een toename van de bifidobacteriënpopulatie, ook wel het bifidogeen-effect genoemd.

Daarnaast wordt ook een stijging van de productie van boterzuur (butyraat) in het colon vastgesteld, het zogenaamd butyrogeen-effect. Zowel de aanwezigheid van bifidobacteriën als de productie van boterzuur zijn essentieel voor een goede (darm)gezondheid. De microbiële achtergrond van beide effecten bleef tot voor kort echter onduidelijk, voornamelijk omdat bifidobacteriën geen boterzuur produceren. Bovendien blijkt het vermogen inuline-type fructanen te metaboliseren niet wijdverspreid te zijn onder de in het colon aanwezige boterzuurproducenten.

Fructaanfermentatie bifidobacteriën
Al geruime tijd worden in de onderzoeksgroep Industriële Microbiologie en Voedingsbiotechnologie van de Vrije Universiteit Brussel onder leiding van Prof. Dr. ir. Luc De Vuyst kinetische studies uitgevoerd in laboratoriumfermentoren om groei, koolhydraatconsumptie en metabolietproductie van verscheidene colonbacteriën in kaart te brengen. Zo werden tijdens de studie onder meer achttien bifidobacteriën opgegroeid op fructose, oligofructose en inuline [1]. Een statistische analyse van de bekomen dataset toonde het bestaan aan van vier clusters onder de bestudeerde bifidobacteriën (figuur 2). Bifidobacteriën behorende tot een eerste cluster (A) waren niet in staat tot oligofructose- of inulineafbraak. Bacteriën ingedeeld in een tweede cluster (B) degradeerden oligofructose, waarbij kortere ketens sneller verbruikt werden dan langere [preferentieel afbraakmechanisme (figuur 3A)].

Ze groeiden echter niet op inuline. Fructoseconsumptie gebeurde bij deze bifidobacteriën sneller dan oligofructoseafbraak. Een derde cluster (C) bestond uit bifidobacteriën die alle oligofructosefracties gelijktijdig afbraken [niet-preferentieel afbraakmechanisme (figuur 3B)] en in staat waren tot partiële inulinedegradatie (figuur 3C). Afbraak van oligofructose gebeurde aanzienlijk sneller dan fructoseconsumptie. Een vierde, kleiner cluster (D) was samengesteld uit stammen die snelle oligofructoseafbraak en fructoseconsumptie combineerden. Ook deze stammen waren in staat om inuline – althans partieel – af te breken.

Over alle clusters heen werd een metabolische verschuiving naar een hogere productie van azijnzuur (acetaat), mierenzuur en ethanol – ten koste van melkzuur (lactaat) – vastgesteld wanneer de bacteriën groeiden op een voor hen trager metaboliseerbaar substraat. De fenotypische variatie die door het VUB-team werd vastgesteld betreffende de mogelijkheden van bifidobacteriën om inuline-type fructanen te metaboliseren, zou kunnen wijzen op nichespecifieke adaptatie en kan een invloed hebben op de specificiteit van bifidobacteriële stimulatie door inuline of oligofructose. Verschillende subgroepen binnen de bifidobacteriële colonpopulatie zouden gestimuleerd kunnen worden door verschillende fracties inuline-type fructanen, wat zich kan vertalen in verschillen betreffende de gezondheidsbevorderende eigenschappen van bepaalde fracties van deze prebiotica.

Ook colonbacteriën
Hoewel het bifidogeen-effect van inuline-type fructanen door de jaren heen voornamelijk werd toegeschreven aan de selectieve fermentatie van deze substraten door bifidobacteriën – waarbij verondersteld werd dat andere colonbacteriën niet in staat waren fructanen af te breken – bleek uit IMDO-onderzoek dat de mogelijkheid tot fructaandegradatie wijder verspreid is onder de colonmicrobiota dan aanvankelijk gedacht. Naast bifidobacteriën bleken ook lactobacillen [2], Bacteroides [3, 4] en bepaalde boterzuurproducenten [5, 6] in staat te zijn om te groeien op oligofructose.

Sommige stammen konden inuline zelfs volledig metaboliseren, in tegenstelling tot wat werd waargenomen onder de bifidobacteriën. Kenmerkend was dat alle niet-bifidobacteriële fructaandegradeerders gebruikmaakten van een niet-preferentieel afbraakmechanisme; vergelijkbaar met dat van Bifidobacterium longum subsp. infantis LMG 11570 (figuur 3B). Opvallend was hierbij dat in alle gevallen tijdens de fructaandegradatie substantiële hoeveelheden vrije fructose in het fermentatiemedium werden teruggevonden, wat lijkt te wijzen op extracellulaire ketenafbraak.

Competitiviteit
Vier bifidobacteriën – elk afkomstig uit een van de hoger beschreven clusters – werden in cocultuur gegroeid met Bacteroides thetaiotaomicron, een darmbacterie die in staat is om zowel oligofructose als inuline niet-preferentieel te metaboliseren [4]. In een fermentatiemedium met inuline als enige toegevoegde energiebron, bleek de waargenomen fenotypische variatie onder bifidobacteriën zich te weerspiegelen in een variatie betreffende hun competitiviteit. Cluster A bifidobacteriën, die niet in staat waren om te groeien op oligofructose of inuline, werden volledig gedomineerd door B. thetaiotaomicron. Bifidobacteriën uit cluster B kregen slechts de overhand nadat oligofructose en korte inulinefracties accumuleerden in het fermentatiemedium. Bifidobacteriën behorende tot cluster C waren competitief vanaf het begin van de fermentatie, dankzij de zeer efficiënte consumptie van korte inulinefracties. Cluster D bifidobacteriën, gekenmerkt door snelle groei op zowel fructose, oligofructose als korte inulinefracties, domineerden de coculturen. Deze identificatie van competitief verschillende subgroepen onder bifidobacteriën opent perspectieven voor de ontwikkeling van synbiotica, combinaties van een prebioticum met een probioticum.

De vaststelling dat sommige subgroepen binnen de bifidobacteriëngemeenschap competitiever zijn dan B. thetaiotaomicron is opvallend, aangezien alleen deze laatste bacterie in staat is te groeien op zowel oligofructose als op (alle fracties van) inuline [4]. Het verschil zit hem in het afbraakmechanisme: bifidobacteriën nemen hele oligofructoseketens eerst op alvorens ze te degraderen (vaak preferentieel afbraakmechanisme); Bacteroides breken inuline-type fructanen extracellulair af (niet-preferentieel afbraakmechanisme), waardoor andere bacteriën gebruik kunnen maken van de vruchten van hun arbeid. Dit laatste vormt dan ook een verklaring voor het bifidogeen-effect van oligofructose en inuline.

Boterzuurvormers
Ook groei, koolhydraatconsumptie en metabolietproductie van vijf recent geïsoleerde butyraatproducerende colonbacteriën, behorende tot de genera Roseburia en Anaerostipes, werden door de VUB-onderzoeksgroep bestudeerd. Azijnzuur, fructose, oligofructose, inuline en lactaat zijn gebruikt als substraten [6]. Een op gaschromatografie gebaseerde methode (CompactGC) voor de online-analyse van H2- en CO2-productie werd uitgewerkt en geïmplementeerd, wat toeliet volledige metabolietprofielen van deze colonbacteriën op te stellen. De methode is geëvalueerd via het berekenen van de koolstof- en elektronenbalansen. De metabolietprofielen van de meeste boterzuurproducenten vertoonden opvallende gelijkenissen. Butyraat, CO2 en H2 waren de voornaamste fermentatieproducten. Slechts enkele species bleken in staat te zijn om oligofructose te metaboliseren, gebruikmakend van een niet-preferentieel afbraakmechanisme. Lactaatconsumptie werd enkel vastgesteld in fermentaties met Anaerostipes. Roseburia inulinivorans

was de enige in deze studie opgenomen bacterie die in staat was om te groeien op zowel fructose, oligofructose als inuline. De eindproducten van fermentaties met deze bacterie waren lactaat, butyraat en CO2, hetgeen wijst op een afwijkend energiemetabolisme in vergelijking met andere Roseburia species. De oligofructoseafbraak was opnieuw niet-preferentieel. In een cocultuur met een cluster D bifidobacterie werd amper metabolietproductie door R. inulinivorans vastgesteld, wat wijst op een gebrekkige competitiviteit van de boterzuurvormer. De analyse van het volledige metabolietspectrum tentoongespreid door de geteste butyraatvormers liet toe een aangepast en stoichiometrisch gebalanceerd metabolisch pad op te stellen voor de biosynthese van boterzuur.

Cross-feeding
Om de precieze achtergrond van het bifidogeen- en butyrogeen-effect van inuline-type fructanen bloot te leggen, werden cocultuurfermentaties uitgevoerd met zowel bifidobacteriën als geselecteerde boterzuurproducerende darmbacteriën, namelijk Anaerostipes caccae en Roseburia intestinalis [5]. Hoewel beide boterzuurvormers niet in staat waren afzonderlijk te groeien in een fermentatiemedium met enkel oligofructose als substraat, werd in aanwezigheid van bifidobacteriën toch butyraatproductie vastgesteld. A. caccae was niet in staat om oligofructose zelf af te breken, maar kon in een cocultuur groeien op het fructose dat door de bifidobacteriën werd vrijgesteld tijdens de fructaandegradatie. R. intestinalis kon oligofructose wel zelf degraderen (niet-preferentieel afbraakmechanisme), maar enkel wanneer azijnzuur in het fermentatiemedium aanwezig was.

In een cocultuur namen de bifidobacteriën dus de voor de boterzuurvormer noodzakelijke acetaatproductie voor hun rekening. Dergelijke vormen van samenwerking tussen bacteriën worden cross-feedingsinteracties genoemd. Ze spelen vermoedelijk een belangrijke rol in het humane colon-ecosysteem en zouden aan de basis liggen van het gecombineerd bifidogeen/butyrogeen-effect dat wordt waargenomen na toevoeging van inuline-type fructanen aan het dieet, hetgeen belangrijk zou kunnen zijn voor onder andere de preventie van colonkanker (dikkedarmkanker).

Reageer op dit artikel