• Sundhedsfremmende bioaktiv kost

    Chr. Hansen og Institut for Systembiologi, byder dig velkommen til projektet ”Sundhedsfremmende bioaktiv kost”. Projektet er udarbejdet af Eva Roitmann i samarbejde med begge partnere. Gennem projektet vil du bl.a. lære om, hvordan probiotiske bakterier hjælper din krop med at holde dig sund.

    Projektet indeholder en række artikler der kan benyttes enkeltvis eller som et samlet undervisningsforløb. Materialet er specielt velegnet til undervisning i biologi og bioteknologi. Teorien er suppleret af to eksperimentelle øvelser, der primært henvender sig til biologi og bioteknologi.

    For at navigere i projektet kan menuen i venstre side. En oversigt over projektets teoriafsnit og øvelser ses nedenfor:

     

    Teori

    • Fordøjelseskanalen
    • Mavetarmsystemet
    • Probiotika
    • Præbiotika
    • Probiotika i praksis
    • Analysemetoder


    Øvelser

    • Undersøgelse af forskellige probiotiske stammer
    • Mælkesyrebakterier og holdbarhed

    God fornøjelse!

  • Velkommen

    Velkommen til et projekt om sundhedsfremmende bioaktiv kost!

    I dag er samfundet meget fokuseret på, at folk skal leve sundt. Man er bevidst om, at kosten har stor indflydelse på, om vi har det godt. Det er ikke kun fordi, vi skal have den rigtige mængde essentielle stoffer, dvs. kulhydrater, fedtstoffer, proteiner, vitaminer og mineraler, men også fordi der i kosten findes bioaktive komponenter. Bioaktive komponenter kan enten påvirke kroppen på en god eller på en dårlig måde. En række stoffer har således en negativ virkning på kroppen såsom kræftfremkaldende farvestoffer. Der findes også masser af sundhedsfremmende komponenter i kosten, og dette projekt handler om to sådanne komponenter, nemlig probiotika (hovedsageligt sunde bakterier) og præbiotika (som regel fibre).

    Figur 1.Kosten har stor indflydelse på vores sundhed. Det skyldes bl.a. at kosten påvirker tarmfloraen. En balanceret tarmflora kan fx opnås ved at spise yoghurt, som indeholder (evt. probiotiske) mælkesyrebakterier og jordbær, som indeholder (evt. præbiotiske) fibre. 

    Både probiotika og præbiotika hjælper til at holde maven sund ved at skabe en balanceret tarmflora. Det er vigtigt med en sund mave, for det er netop her, at kroppen er meget udsat for farlige komponenter, da vores mad indeholder utallige mikroorganismer og potentielt skadelige stoffer. Desuden ligger 70 % af immunsystemet i mavetarmkanalen, og en sund tarmflora påvirker immunsystemet på en god måde.

    Figur 2.Probiotika og præbiotika virker ved at skabe en sund tarmflora (hovedsageligt i tyktarmen).

    Den sunde tarmflora hjælper med at opretholde helbredet på mange måder.

    For det første trives de sunde bakterier rigtig godt i tarmen, hvilket medfører, at de udkonkurrerer andre evt. farlige bakterier. Desuden producerer de sunde bakterier også en form for naturlig antibiotika, som angriber de farlige bakterier.

    For det andet påvirker de sunde bakterier som nævnt immunsystemet. De får fx visse immunceller til at producere en masse antistof, IgA, som udsendes i tarmen og får farlige bakterier til at klumpe sig sammen, så de bliver uskadelige. Det menes, at de sunde bakterier også kan få immunceller til at være mere opmærksomme, så de evt. kan genkende cancerceller og lignende, hvilket dog endnu ikke er endegyldigt bevist. Mange sygdomme såsom astma og allergi skyldes et forkert immunrespons. Det er altså din egen krop og dine egne celler, der angriber dig ved disse sygdomme. Her kan de sunde bakterier i tarmen i nogle tilfælde få immunsystemet til at opføre sig ordentligt.

    Derudover har de sunde bakterier også et stofskifte (metabolisme), der er gavlig for os. Dvs. at bakterierne producerer stoffer, der hjælper os, og optager eller nedbryder stoffer, som vi ikke skal bruge. De kan fx hjælpe mod diarré, for bakterierne er gode til at optage vand. Der er også mange sygdomsfremkaldende stoffer, de kan nedbryde, fx stoffer der kan forårsage cancer. Bakterierne kan også hjælpe på forhøjet blodkolesterol ved at få mere kolesterol til at udskilles.

     

    Figur 3. Mikroskopibilleder af nogle af de sunde bakterier – øverst ses bifidobakterier, nederst lactobacilli. Billederne er fra Rowett Institute of Health and Nutrition, University of Aberdeen.

    Udover at kende til, hvordan bioaktive komponenter påvirker kroppen, er det også interessant at vide, hvordan de produceres og anvendes i praksis. Dette beskrives i afsnittet om probiotika i praksis, med Chr. Hansen som case.

    Rigtig god fornøjelse med projektet.

  • Teori

    Teoridelen af projektet består af seks artikler. De første to om fordøjelseskanalen og mavetarmkanalen er introducerende. De næste to om probiotika og præbiotika er en beskrivelse af disse komponenter og deres funktion og virkemåder i kroppen. Det næste afsnit om probiotika i praksis perspektiverer probiotika til, hvordan de produceres i industrien, og hvilke produkter de indgår i. Det sidste afsnit redegør for, hvilke analysemetoder, der anvendes til at forske i probiotika og præbiotika, og hvorfor de er så svære at undersøge. Afsnittet om analysemetoder beskriver også de forskellige teknikker, der anvendes i forsøgene.

    For at navigere i projektets teoretiske del kan menuen i venstre side anvendes.

     

    Teori

    • Fordøjelseskanalen
    • Mavetarmsystemet
    • Probiotika
    • Præbiotika
    • Probiotika i praksis
    • Analysemetoder

    Rigtig god fornøjelse med den teoretiske del af materialet!

    For at forstå, hvordan bioaktive stoffer i kosten virker, er det vigtigt at kende til fordøjelseskanalens fysiologi. Maden skal nemlig gennem fordøjelsessystemet, og de bioaktive stoffer i kosten fungerer ved at ændre eller forbedre fordøjelsesmekanismer eller mavetarmsystemet. I denne artikel beskrives fordøjelseskanalen.

    Det er som bekendt i fordøjelseskanalen, at kroppen forarbejder den mad, vi indtager. Fordøjelseskanalen har både til opgave at fordøje og optage (absorbere) nærringstofferne i maden, beskytte kroppen mod eksterne og interne trusler og at regulere stofbalancen både i kroppen og i madklumpen (fx ved at styre konsistensen, så man undgår forstoppelse eller diarré).

    Fordøjelseskanalen kan inddeles i organer, som er i direkte kontakt med den indtagne føde, dvs. munden, spiserøret, mavesækken og tarmene, og hjælpeorganer, såsom spytkirtlerne i munden, bugspytkirtlen, leveren og galdeblæren. Organerne, som spiller en rolle i forbindelse med bevægelse, fordøjelse eller absorption af føden, udgør tilsammen det, der kaldes mavetarmkanalen. Hjælpeorganerne opbevarer og/eller frigiver (secernerer) væsker til mavetarmkanalen. Disse væsker hjælper hovedsageligt med fordøjelse og absorption.

    Mavetarmkanalen har en særlig opbygning, som er essentielt for, at fordøjelseskanalen kan fungere ordentligt. Længest mod lumen (tarmens hulrum) består mavetarmkanalens af et lag specialiserede overfladeceller (epitelet), dele af immunsystemet og tarmfloraen (mikrobiotaen). De tre bestanddele af mavetarmsystemet skal fungere i ligevægt for at være en funktionel enhed. Ingen af bestanddelene kan fungere normalt, hvis en af de to andre er defekt. Mavetarmsystemet er beskrevet i artiklen ”Mavetarmsystemet”.

    Figur 1. Fordøjelseskanalens roller består i at fordøje og absorbere maden, regulere stofbalancen i kroppen og beskytte kroppen mod både eksterne og interne trusler.

    Mavetarmkanalen

    Det gælder for kroppens organer (såvel som for alle kroppens øvrige komponenter), at de er opbygget på en helt speciel måde for at kunne udføre netop den opgave, de hver især har. I det følgende bliver mavens, tyndtarmens og tyktarmens fysiologi beskrevet.

    Overordnet er både mavesækken, tyndtarmen og tyktarmen opbygget ens. De har en indre passage (som kaldes lumen), hvor maden kommer igennem. Det yderste lag celler, som er i kontakt med lumen og dermed føden, kaldes lamina epithelialis, hvilket beskrives i artiklen ”Mavetarmsystemet”. Det næste lag (lamina propria) indeholder kapillærer og lymfekar. Her udveksles der næringsstoffer og hormoner mellem lumen, blodet og kroppen, mens lymfesystemet renser området. Derunder findes et tyndt lag muskler (lamina muscularis mucosa). Disse tre komponenter (lamina epitelialis, lamina propria og lamina muscularis mucosa) udgør tilsammen det, der kaldes tunica mucosa (mucosa betyder slimhinde på dansk). Under tunica mucosa findes tela submucosa, som består af bindevæv, mere lymfevæv og nerver. Disse nerver regulerer bevægelser af kanalen (kaldet peristaltikken) og kan stimulere frigivelsen af hormoner. Uden om disse lag er tunica muscularis externa, der består af et tykkere muskellag med muskler på langs og rundt om organet, så der kan laves forskellige bevægelser – både nogle, der blander maden, og nogle, der sender maden videre. Bevægelserne styres af det autonome nervesystem. Til sidst kommer det yderste lag ( tunica serosa eller tunica adventitia alt efter hvor man er i mavetarmkanalen), som omgiver og forbinder vævet til det omkringliggende væv.

    For at få den størst mulige overflade til absorption af næringsstoffer er tyndtarmens indre opbygning ret speciel. Efter absorption føres næringsstofferne hovedsageligt med blodet videre til leveren og resten af kroppen. Større fedtopløselige molekyler føres med lymfen og kommer ikke direkte til leveren men derimod direkte ud i blodet efterfølgende.

    Figur 2.  Fordøjelseskanalens opbygning. Mavetarmsystemet i tyndtarmen og tyktarmen består af immunforsvaret, tarmfloraen og epitelcellerne. 

    Tyndtarmens indre overflade ligger i store folder (plicae), som på sig har milliarder af en slags mikroskopiske ’fingre’, der hedder villi. Disse villi har celler (epitelet) med en overflade med endnu mindre ’fingre’ eller ’hår’-lignende strukturer på sig, kaldet mikrovilli. Tyktarmen har derimod ikke samme omfang af folder og fingre, og dens epitelceller er relativt glatte.

     

    Fordøjelsen

    Føden indeholder næringsstoffer, der for det meste er utilgængelige for kroppen før fordøjelse, da de optræder fx i form af makromolekyler eller mineraler, der er koblet til andre molekyler. Makromolekylerne skal nedbrydes til mindre enheder og mineralerne skal i nogle tilfælde frigives. Fordøjelseskanalen tjener til at nedbryde maden, optage maden i kroppen og til sidst udstøde resterne.

     

    Mad bliver fordøjet både kemisk vha. enzymer og opløsningsstoffer (såsom vand og syre) og mekanisk af fx tænder og muskler i mavesækken og tarmen.

     

    Munden

    Fordøjelsen starter allerede i munden. Der bider tænderne maden i mindre stykker, mens spytkirtlerne udleder en enzymholdig væske. Denne væske indeholder enkelte fordøjelsesenzymer, såsom α-amylase, der nedbryder α-(1,4)-glykosidbindinger, som holder glukosemolekylerne sammen i stivelse (den overvejende kulhydratkilde for mennesker).

     

    Mavesækken

    Maden føres videre ind i spiserøret og ned i mavesækken. I mavesækken produceres der saltsyre (HCl), som giver en lav pH på omkring 2. Det sure miljø denaturerer proteiner (får dem til at folde sig ud), så de kan angribes af proteaser. Disse findes i mavesækken som proenzymer (enzymer, der efter spaltning bliver aktive), hvoraf et eksempel er pepsinogen. Dette proenzym aktiveres af HCl og omdanne herved til pepsin. Fælles for proteaser er, at de spalter proteiner på bestemte steder. Pepsin spalter fx ved aromatiske aminosyrer (tryptofan, tyrosin og phenylalanin). Enzymet gastrisk lipase, som delvist spalter fedtstoffer, er også til stede. Den lave pH hjælper desuden til at dræbe de fleste mikroorganismer i føden, da de ikke kan tåle syrebehandling.

    Saltsyreproduktionen er grundigt reguleret ved, at der er kemoreceptorer, som kan registrere kemien i maden og strækreceptorer, som reagerer på, hvor meget mavesækken er udspilet. Ved tilstedeværelsen af føde gives der nervesignaler til udsendelse af hormoner fra lokale celler, som så kan tænde eller slukke for saltsyreproduktionen.

     

    Tyndtarmen

    Efter behandling af føden i mavesækken føres madklumpen (chymus) videre til tolvfingertarmen (duodenum), som udgør det første stykke af tyndtarmen. Her segmenteres og blandes madklumpen vha. muskler i tarmen. Der tilføres væsker fra tarmepitelet, bugspytkirtlen og galdeblæren for at hjælpe med fordøjelsen og absorptionen af maden. Desuden neutraliserer disse væsker saltsyren, så den ikke skader tarmvæggen, der ikke kan tåle syre. Når madklumpen er blevet behandlet med fordøjelsessekreter, kan tarmen optage de nedbrudte næringsstoffer gennem tarmepitelet. Herfra føres stofferne via blodet videre til leveren, som spiller en stor rolle i reguleringen af særligt sukkerniveauerne i blodet.

     

    Hjælpeorganerne

    Bugspytkirtlen har to funktioner – en endokrin og en exokrin funktion. De endokrine celler producerer hormoner som fx insulin og glukagon, der regulerer blodsukkeret (se også artiklen ”Blodsukkerregulering og diabetes”). De producerer også andre hormoner, som styrer mæthedsfornemmelsen og giver signaler til igangsættelse eller standsning af fordøjelsesmekanismerne. Den exokrine funktion har med fordøjelsen at gøre. De exokrine celler udskiller en væske med bicarbonat, som neutraliserer pH i madklumpen fra mavesækken, og fordøjelsesenzymer, som især nedbryder proteiner og fedtstoffer.

    Til tolvfingertarmen udskilles galde, som produceres i leveren og sendes til galdeblæren, hvor den bliver oplagret og koncentreret. Galde består især af galdesyrer og galdesalte, som hjælper til nedbrydning og absorption af fedtstoffer og andre fedtopløselige stoffer såsom nogle af vitaminerne. Galdesalte kan emulgere fedt, dvs. opdele fedtet i mindre fedtdråber, så det nærmest “opløses” og så de kan lægge sig helt op ad tarmenvæggen og afgive sit indhold til blodet eller lymfen. Denne egenskab ved galdesalte og syrer skyldes, at de har en vandelskende (hydrofil) ende, som binder til vand og en vandskyende (hydrofob) ende, som binder til fedt. Denne emulgering af fedtet gør, at enzymer kan angribe og nedbryde fedtet, hvorefter fedtet kan absorberes over tarmvæggen.

     

    Gennem dannelsen af galde, taber kroppen også mindre mængder cholesterol. Galdesalte og galdesyrer produceres nemlig ud fra kolesterol, og galden indeholder også en vis mængde fri kolesterol. Forskellen mellem galdesalte og galdesyrer er deres opløselighed. Galdesyrer er neutralt ladede mens galdesalte har smidt en proton og er derfor negativt ladede. Størstedelen af galden, som leveren secernerer ud i tarmene, er konjugerede galdesalte. Konjugering er binding af galden til en ekstremt hydrofil (vandopløselig) gruppe, fx taurin eller sulfat. Galdesalte er som sagt negativt ladede og sammen med konjugeringen, bliver stofferne meget vandopløselige. Det gør dem gode til at opholde sig både i fedt og i vand, hvilket også er deres rolle i fedtoptagelsen, nemlig lige i området mellem fedtdråben og vandet omkring. Her hjælper de lipaser, så fedtkomponenterne kan blive optaget. Efter de har gjort deres job kan de ukonjugerede galdesalte binde til en proton og blive til en galdesyrer, hvorved de passivt kan bevæge sig igennem væggen i tyktarmen. De konjugerede galdesalte skal derimod længere ned i tarmene, hvor størstedelen bliver optaget af en receptor i slutningen af tyndtarmen, da galden ikke passivt kan bevæge sig igennem lipidmembranerne i tarmvæggen. Den smule af galden, som ikke optages i tyndtarmene, kan bakterierne i tyktarmen først dekonjugere og dernæst dehydroxylere (fjerne en OH gruppe), så molekylerne gøres lipofile. Sidste trin omdanner galden til sekundære galdesyrer. Disse kan så enten passivt blive optaget i tarmene eller blive udskilt fra kroppen som en del af fæces.

    Al galden, som bliver optaget i tarmene både passivt og aktivt, sendes til leveren igen, hvor den på ny kan indgå i fedtoptagelsen. Dette kaldes den enterohepatiske cirkulation af galde (kommer fra entero og hepato, som betyder henholdsvis tarm og lever). Bakterierne i tarmene spiller derfor en vigtig rolle i at sikre at kroppen udnytter og ikke taber en masse energi i form af cholesterol, da det er en dyr energikilde at smide ud med fæces.

     

    Tyktarmen

    Når den fordøjelige del af maden er absorberet i tyndtarmen sendes madklumpen videre. Nu er den en vandholdig blanding med ufordøjelige stoffer såsom fibre. Mange af disse fibre bliver nedbrudt og brugt som energikilde af mikrobiotaen (tarmfloraen), der er essentiel for tarmens funktion (læs også artiklen ”Mavetarmsystemet”). Tyktarmens største rolle er at få madklumpen til at have den rigtige konsistens, og der suges ca. 90-95 % af vandindholdet ud af madklumpen. Denne reabsorbtion af vand og salte i tyktarmen er vigtigt, for at kroppen ikke mister en masse vand og ioner. For eksempel kan diarré være dødeligt, fordi man dehydrerer, og det er faktisk den næsthyppigste dødsårsag blandt børn i verden. Derudover er tyktarmen også det sted, hvor bestemte vitaminer optages, såsom vitamin K og adskillige B-vitaminer. Madklumpen passerer langsomt tyktarmen i løbet af 12-70 timer og føres videre til endetarmen, som til sidst udstøder madklumpen som fæces.

    Figur 3. Mavetarmkanalens forskellige lag.

    Figur 4. Tarmens opbygning. 

    Figur 5.  Under fordøjelsen nedbrydes makromolekyler af fordøjelsesenzymer til mindre enheder. Kulhydrater nedbrydes til monosakkarider, som kan optages over tarmvæggen. Proteiner nedbrydes først til udfoldede peptider (korte kæder af aminosyrer) og dernæst til di- og tripeptider og frie aminosyrer, som kan optages over tarmvæggen. Fedtmolekyler nedbrydes til glycerol, frie fedtsyrer og monoacylglyceroler (glycerol med en enkelt fri fedtsyre på). Disse skal yderligere emulgeres af galde til miceller for at kunne absorberes.

    Figur 6.  I munden nedbrydes maden mekanisk af tænderne og kemisk af spyt med α-amylase.

    Figur 7. I mavesækken tilføres saltsyre til maden. Derved denaturerer proteinerne, de fleste mikroorganismer dræbes, og der aktiveres enzymer, som hjælper til fordøjelse af proteiner og fedtstoffer.

     

    Figur 8. Det er især i tyndtarmen, at fordøjelsen og absorptionen af føden forløber. I tolvfingertarmen tilføres galde, bugspyt og væske fra epitelet, som fordøjer maden. Maden føres videre og absorberes i tyndtarmen. Stofferne overføres til blodet og sendes videre til leveren.

    De tre komponenter af mavetarmsystemet, epitelet, immunsystemet og mikrobiotaen (tarmfloraen), fungerer i en slags alliance. De har gennem tiden udviklet sig sammen, sådan at ingen af de tre komponenter kan fungere optimalt uden hjælp fra de to andre. Forståelsen af, hvordan denne alliance virker, vil kunne give indsigt i mange af menneskets sygdomme og muligvis også i, hvordan de kureres eller undgås. Probiotika er en af de formodede muligheder til at undgå og evt. behandle sygdomme, som kommer af en ikke-fungerende mavetarmkanal. Dette emne beskrives i artiklen “Probiotika”.

    Figur 1. Mavetarmsystemet består af tarmvæggen, mikrobiotaen og immunsystemet, som fungerer i en slags alliance. Hvis mikrobiotaen forbedres (fx ved tilføjelse af probiotika), vil det kunne påvirke de andre komponenter.

    Epitelet  

    Der findes et lag meget specialiserede celler på kroppens ydre og indre overflader, fx i munden, i tarmen eller i lungerne. Dette lag kaldes et epitelcellelag. I mavesækken og tarmen er epitelet i kontakt med lumen og har mange roller, som udføres af forskellige slags celler med hver sin opgave. Både i mave- og tarmepitelet findes bl.a. følgende:

    • Celler som producerer slim, der kan beskytte overfladen, kaldet bægerceller.
    • Endokrine celler, der producerer hormoner, som fx regulerer udskillelsen af forskellige stoffer og optagelsen af næringsstoffer fra lumen
    • Exokrine celler, der producerer fordøjelsesenzymer

    Derudover har mavesækken celler, der producerer saltsyre, mens tarmen har flere andre specielle celler i epitelet. Epithelet i tarmkanalen kaldes enterocytter (enter- og entero- = tarm eller mave) og udgør samlet alle de forskellige slags epithelceller i tarmen. Derudover er der også celler, der producerer stoffer, som bekæmper en bred vifte af mikroorganismer.

    Ud over at producere og optage stoffer har enterocytterne også en utrolig vigtig beskyttelsesfunktion. For det første fungerer de i sig selv som en fysisk barriere, idet de ligesom alle andre celler i kroppen har en membran. Membranen på epitelceller har specifikke transportmekanismer for udvalgte små molekyler. Alle andre strukturer og stoffer har svært ved at trænge igennem membranen. For det andet udskiftes cellerne i tarmepitelet hver 2.-5. dag.

    Figur 2. Epitelet i tarmen, enterocytterne, har mange forskellige funktioner: absorberende celler, slimproducerende celler, enzymproducerende celler (exokrine celler), celler der producerer mikroorganisme-bekæmpende stoffer og hormonproducerende celler (endokrine celler).  

    Cellerne dannes neden for villierne, vandrer op langs dem og til sidst udstødes og transporteres ud af kroppen med fæces. Det er en utrolig effektiv rensning af tarmen, idet alle de bakterier eller farlige stoffer, der har knyttet sig til enterocytterne, bliver udstødt sammen med dem. I øvrigt har de yderste celler, som hele tiden er i kontakt med giftstoffer og farlige mikroorganismer, størst tendens til at mutere og danne kræft (læs fx afsnittene biologiske mekanismer i kræft og gener involveret i kræft i projektet “Mennesket på en DNA-chip”). Det er derfor hensigtsmæssigt, at de har kort levetid og erstattes af nye, sunde celler. Dette giver dog i sig selv en øget risiko for kræft, da der i delene væv er større risiko for fejlreplikationer, som til tider kan medføre kræft. Udskiftningen kan også bruges som et udskillelsessystem af de stoffer, der ikke er brug for i kroppen. Disse stoffer oplagres i enterocytterne og mistes, når cellerne afstødes. Dette system hjælper altså med at opretholde kroppens stofbalance.

     

    Immunsystemet  

    I mavetarmkanalen findes en stor del af kroppens immunforsvar. Dette skyldes at mavetarmkanalen er et meget udsat sted, da vævet hele tiden er i kontakt med fremmedlegemer fra miljøet omkring os.

    Immunsystemet er som bekendt kroppens forsvar mod skadelige organismer og stoffer. Det beskytter mod invaderende patogener, som kommer udefra, samtidig med at det kontrollerer kroppens egne celler. Det er vigtigt, at der holdes øje med kroppens egne celler, da de kan blive skadet, mutere og evt. udvikle sig til kræftceller. Hvis de udvikler sig til kræftceller, sørger immunsystemet for at komme af med de skadende celler ved at inducere celledød af cellen.

    Figur 3: Epitelet udskifter sig selv hver 2.-5. dag. Det er en god forsvarsmekanisme og hjælper med at opretholde kroppens stofbalance.Immunsystemet

    Immunsystemet er inddelt i to dele, nemlig det uspecifikke immunsystem, som uspecifikt beskytter mod alt fremmed, og det specifikke immunsystem, som genkender fremmede, uønskede molekyler og strukturer, og specifikt danner et enormt angreb mod disse for at udrydde dem. Læs mere om immunforsvaret i artiklen ”Immunforsvaret”.

     

    Det uspecifikke immunsystem

    Det uspecifikke immunsystem bekæmper alt fremmed såsom vira, mikroorganismer, farlige stoffer og kroppens egne dårlige celler. Det udgøres af de første forsvarsbarrierer hud og slimhinder, der er udgjort både af en fysisk og en kemisk barriere. Cellernes tætte cellekontakter og overflader udgør den fysiske barriere mens den kemiske er udgjort af fx lav pH i maven eller forskellige enzymer, såsom lysosymer (se evt. projektet “Antimikrobielle peptider“).

    Det uspecifikke immunsystem kan også mobilisere forskellige immunceller, som “spiser” fremmede strukturer/celler ved fagocytose. Blandt disse celler findes bl.a. neutrofile granulocytter, makrofager og dendritiske celler. De har alle såkaldte “Pattern Recognition Receptorers (PRR) på overfladen, som binder fremmede strukturer (ved at genkende PAMPs – Pathogen Associated Molecylar Patterns) og celler, der er ændrede (ved at genkende DAMPs – Damage Associated Molecular Patterns) og nedbryder dem.

    Figur 4. Det uspecifikke immunsystem består af huden og slimhinder med  enzymer og bestemte celler med PRRs (“Pattern Recognition Receptorers”), som “spiser” uvelkomne gæster.

    Det specifikke immunsystem

    Hvis du vil læse en lidt mere detaljeret version kan du kigge under ekstra materiale i afsnittet “Det specifikke immunsystem”.

    Det specifikke immunsystem er mere specifikt og effektivt. Det aktiveres, så snart det uspecifikke immunforsvar bliver aktiveret af netop det system og kan være med til at bekæmpe mere genstridige infektioner. De egenskaber, som gør det stærkere end det uspecifikke immunsystem, er følgende:

    • Det virker specifikt mod et bestemt patogen med et bestemt respons.
    • Det kan genkende patogener, som det allerede er stødt på, fordi det danner hukommelsesceller (det er derfor mere effektivt mod efterfølgende udsættelse for samme patogen, hvorfor det også kaldes det adaptive immunsystem, da det kan adaptere til infektionstypen). Det er i øvrigt denne egenskab, der benyttes i udviklingen af vacciner (beskrives også senere).

    I mavetarmkanalen kan det specifikke immunforsvar danne tre former for respons: et systemisk respons, et tolerogent respons og et IgA-respons.

     

    Det systemiske respons

    Det systemiske respons (knyttet til blodet) har som formål at alarmere resten af kroppen, når der er noget farligt til stede. Ved det systemiske respons er T-cellerne centrale. T-cellerne registrerer en trussel enten på overfladen af kroppens egne, syge celler eller på overfladen af celler (en antigen-præsenterende celle) fra det uspecifikke immunsystem, som har “spist” patogenet. Ved registrering af en trussel, aktiveres T-cellerne, og de prolifererer til effektorceller og få hukommelsesceller. T-hukommelsescellerne beholder antigenspecificitet hele livet. Når kroppen udsættes for det samme specifikke antigen en anden gang, reagerer hukommelsescellerne hurtigt på det, hvorved deprolifererer og danner flere hukommelsesceller og effektorceller.

    Figur 5. Det uspecifikke immunsystem har celler, der “spiser” uvelkomne gæster ved fagocytose, som ovenfor. Strukturerne kommer ind i fagocytterne (de “spisende” celler fra det uspecifikke immunsystem), hvor de nedbrydes og resterne udstødes.

     

    Der findes forskellige slags effektorceller, som har hver deres rolle. Nogle T-effektorceller vil virke direkte på syge celler og få dem til at undergå celledød, mens andre T-effektorceller hovedsageligt virker ved at aktivere det uspecifikke immunsystem eller andre komponenter af det specifikke immunsystem. Alt i alt resulterer aktiveringen af T-celler i, at truslen mod kroppen elimineres.

     

    Det tolerogene respons

    Det er meget vigtigt, at immunsystemet ikke bliver aggressivt overfor ufarlige strukturer og mikroorganismer. Det er der mindst to grunde til: den ene er, at de ufarlige ting kan være gavnlige for kroppen og helst skal blive der, den anden er, at immunsystemet kan være farligt for kroppen, fordi det kan nedbryde kroppens eget væv i kampen (fx ved kronisk inflammation). Derfor er der et respons, det tolerogene respons, som nedregulerer de destruktive responser.

    Ved det tolerogene respons optager dendritiske celler harmløse antigener og stimulerer differentieringen af T-hjælpercellerne (Th) til regulatoriske Th-celler (Treg). Treg sikrer kroppens tolerance overfor harmløse antigener ved at udskille cytokiner, der nedregulerer andre slags T-celler på tre forskellige måder:

    Det specifikke immunsystem

    Hvis du vil læse en lidt mere detaljeret version kan du kigge under ekstra materiale i afsnittet “Det specifikke immunsystem”.

    Det specifikke immunsystem er mere specifikt og effektivt. Det aktiveres, så snart det uspecifikke immunforsvar bliver aktiveret af netop det system og kan være med til at bekæmpe mere genstridige infektioner. De egenskaber, som gør det stærkere end det uspecifikke immunsystem, er følgende:

    • Det virker specifikt mod et bestemt patogen med et bestemt respons.
    • Det kan genkende patogener, som det allerede er stødt på, fordi det danner hukommelsesceller (det er derfor mere effektivt mod efterfølgende udsættelse for samme patogen, hvorfor det også kaldes det adaptive immunsystem, da det kan adaptere til infektionstypen). Det er i øvrigt denne egenskab, der benyttes i udviklingen af vacciner (beskrives også senere).

    I mavetarmkanalen kan det specifikke immunforsvar danne tre former for respons: et systemisk respons, et tolerogent respons og et IgA-respons.

     

    Det systemiske respons

    Det systemiske respons (knyttet til blodet) har som formål at alarmere resten af kroppen, når der er noget farligt til stede. Ved det systemiske respons er T-cellerne centrale. T-cellerne registrerer en trussel enten på overfladen af kroppens egne, syge celler eller på overfladen af celler (en antigen-præsenterende celle) fra det uspecifikke immunsystem, som har “spist” patogenet. Ved registrering af en trussel, aktiveres T-cellerne, og de prolifererer til effektorceller og få hukommelsesceller. T-hukommelsescellerne beholder antigenspecificitet hele livet. Når kroppen udsættes for det samme specifikke antigen en anden gang, reagerer hukommelsescellerne hurtigt på det, hvorved deprolifererer og danner flere hukommelsesceller og effektorceller. Der findes forskellige slags effektorceller, som har hver deres rolle. Nogle T-effektorceller vil virke direkte på syge celler og få dem til at undergå celledød, mens andre T-effektorceller hovedsageligt virker ved at aktivere det uspecifikke immunsystem eller andre komponenter af det specifikke immunsystem. Alt i alt resulterer aktiveringen af T-celler i, at truslen mod kroppen elimineres.

    • Formeringen af T-celler hæmmes
    • T-celler sættes ude af stand til at reagere på antigen-præsenterende celler
    • Der induceres programmeret celledød (apoptose) i reaktive T-celler.

    Det tolerogene respons er især vigtigt i mavetarmkanalen, fordi der bor så mange mikroorganismer, som er essentielle for, at fordøjelseskanalen fungerer ordentligt, og disse mikroorganismer skal ikke dræbes.

    Figur 6. Figuren viser opbygningen af immunsystemet i mavetarmkanalen. Der ses lumen med mikroorganismer og slim. Der er immunceller som fx porøse M-celler og dendritiske celler (med en “arm” mellem epitelcellerne). Dendritiske celler kan optage komponenter fra lumen, så de andre immunceller kan bestemme, hvilket respons der skal startes. Under epitelet er lymfevæv med B- og T-celler.

    Figur 7. Det tolerogene respons nedregulerer immunresponser, for at de gavnlige strukturer og kroppens eget væv ikke nedbrydes. T-hjælperceller bliver til regulatoriske hjælperceller ved kontakt med harmløst antigen.Tolerance via cytokiner induceres på tre måder –  formeringen af andre T-celler hæmmes, T-celler sættes ude af stand til at reagere på antigen-præsenterende celler, og der induceres apoptose i andre T-celler.

    IgA-responset

    Ved IgA-responset er B-cellerne i spil. B-celler har antistoffer på overfladen. Antistoffer er proteiner, som genkender og binder antigener. Antistoffer har to dele. Den ene del, er altid den samme og bestemmer, hvilken af de fem eksisterende typer det tilhører (IgA, IgM, IgG, IgD og IgE). Den anden del er variabel og afgør, hvilket antigen det binder til. Hvert unikt antistof binder et specifikt antigen, fx kan et bestemt IgA molekyle binde til et antigen fra en specifik bakterie, mens et andet IgA molekyle binder til et antigen fra en svamp.

    B-celler aktiveres ved to aktiveringstrin: først binder et specifikt antistof på overfladen til et antigen, og derefter stimuleres B-cellen enten af T-hjælper celler eller af dele af komplement systemet (se artiklen om vacciner under Malaria for mere information herom). Ved aktivering, prolifererer (deler og specialiserer) B-cellen sig og bliver til antistofproducerende plasmaceller (effektorceller) eller hukommelsesceller.

    Ligesom T-hukommelsesceller beholder B-hukommelsesceller antigenspecificiteten fra den oprindeligt aktiverede celle, hvilket hos mennesker kan vare hele livet. Plasmaceller producerer store mængder af det specifikke antistof (i tarmen IgA antistof), som kan bindes til antigenet (ca. 2000 antistoffer per sekund i deres 5-7 dages levetid). IgA’s primære funktion er at hindre mikroorganismer i at klæbe sig til og trænge igennem slimhindeoverflader. Dette opnås ved at dække dem med antistof, hvorved binding forhindre og de bliver efterfølgende udskilt med fæces. IgA kan også binde sig til patogenet, hvorved det vil fagocyteres og nedbrydes af celler fra det uspecifikke immunsystem.

    Evnen til at danne hukommelsesceller benyttes i øvrigt ved vacciner, hvor kroppen udsættes for et antigen, som er gjort harmløst, hvorved der dannes hukommelsesceller. Ved næste møde med samme antigen, vil kroppen allerede have disse antistoffer i blodet og derfor kunne reagere hurtigt for straks at udrydde kilden.

    Figur 8. IgA-responset. Ved aktivering producerer B-cellerne store mængder antistof, der udrydder patogener fx ved at dække hele patogenet med antistof, så de kan udskilles med fæces. IgA kan også binde sig til dem, hvorved celler fra det uspecifikke uspecifikke immunsystem fagocyterer og nedbryder dem.

    Mikrobiotaen

    En vigtig del af mavetarmsystemet er tarmfloraen, som også kaldes mikroflora og mikrobiota. Mikrobiota omfatter de mikroorganismer, der lever i en sund mavetarmkanal. Selvom tarmflora og mikroflora er de mest anvendte betegnelser, er det nyere navn mikrobiota mest korrekt, siden flora hentyder til planter, mens biota er mikrobielt liv.

     

    Hvad er mikrobiotaen?

    Mikrobiotaen, der især består af bakterier, indeholder omkring 1014 prokaryote celler. De udgør omkring 10 gange flere celler end det totale antal eukaryote celler i menneskekroppen (de er så også meget mindre end eukaryoter). Disse utrolig mange mikroorganismer har en enorm vigtig rolle i menneskets mavetarmkanal, og uden dem overlever mennesket ikke længe. Nobelprismodtageren Joshua Lederberg har endda foreslået at bruge benævnelsen ”mikrobiom” for at beskrive det samlede genom for menneskets mikrobiota, idet man for forståelse af et genetisk syn på Homo sapiens må inkludere generne i mikrobiotaen.

    Figur 9. Immunsystemet kan huske, når det har været udsat for et specielt antigen, og reagerer hurtigere og kraftigere ved næste udsættelse for samme antigen. Dette benyttes ved udvikling af vacciner.

    Det har været svært at definere den ”normale” mikrobiota, fordi den varierer så meget fra person til person (afhængig af kost, hygiejne, køn, alder og forældre). Den er meget kompleks, og der er problemer med isolering og identificering af bakterierne (kun under halvdelen af bakterierne fra tarmen, munden og huden har været dyrket i laboratorier). Det skyldes også mangel på molekylære teknikker i laboratoriet, fordi det er svært at efterligne miljøet i en tyktarm.

    Mikrobiotaen etableres ved fødslen og ændres gennem livet. Den har forskellig sammensætning af bakterier i forskellige stadier af livet: ved amning, som voksen og som ældre (efter 50-års alderen). Der bor mindst 500 forskellige bakteriestammer i mavetarmkanalen. Bakterierne trives i tarmen, fordi forholdene i tarmen er så godt som optimale. Temperaturen er 37 grader, pH ligger på omkring 8, og der er mange næringsstoffer i lumen. Bakterierne kæmper imidlertid konstant mod hinanden og mod nyankommne bakterier for at kunne overleve. På trods af denne hårde kamp er mikrobiotaens sammensætning hos det enkelte individ meget stabil.

    Figur 10. Billede af bifidobakterier, som findes i mikrobiotaen. Billedet er fra Rowett Institute of Health and Nutrition, University of Aberdeen.

    Bakteriestammerne kan inddeles i kategorier: sundhedsfremmende, neutrale eller patogene. Der er dog mange bakteriearter, som ligger inden for flere kategorier. Forholdet mellem bakterie og vært er nemlig stammespecifikt og afhænger også af miljøet (mange stammer, som normalt er neutrale, kan gå hen og blive patogene, hvis der for eksempel forekommer et sår i tarmen). Således kan bakterien E. coli både være neutral, sundhedsfremmende eller patogen, afhængig af forholdene i tarmen og af hvilken stamme, der omtales. Bifidobakterier og lactobacillus opfattes generelt som sundhedsfremmende, men igen afhænger det af, hvilken stamme der betragtes.

    Mikrobiotaens koncentration og sammensætning ændres igennem mavetarmkanalen. Mavesækken indeholder kun få bakteriearter med et antal på 100 colony forming units (CFU)/mL, som udgøres af fakultative anaerober(aerob eller anaerob, afhængig af miljøet). Tyndtarmen har en koncentration på 104-108 CFU/mL af disse fakultative anaerober. Desuden er der få anaerobe arter. Modsat indeholder tyktarmen et komplekst og dynamisk økosystem med stor diversitet og med langt den største koncentration af levende bakterier på 1011-1012 CFU/mL. Der findes stort set kun anaerober i tyktarmen. De mindre koncentrationer i mavesækken og tyndtarmen skyldes sandsynligvis sammensætningen af mavesyre, galde og bugspytkirtel-sekreter, som gør, at de fleste mikroorganismer ikke koloniserer her.

    Mikrobiotaens koncentration og sammensætning ændres igennem mavetarmkanalen. Mavesækken indeholder kun få bakteriearter med et antal på 100 colony forming units (CFU)/mL, som udgøres af fakultative anaerober (aerob eller anaerob, afhængig af miljøet). Tyndtarmen har en koncentration på 104-108 CFU/mL af disse fakultative anaerober. Desuden er der få anaerobe arter. Modsat indeholder tyktarmen et komplekst og dynamisk økosystem med stor diversitet og med langt den største koncentration af levende bakterier på 1011-1012 CFU/mL. Der findes stort set kun anaerober i tyktarmen. De mindre koncentrationer i mavesækken og tyndtarmen skyldes sandsynligvis sammensætningen af mavesyre, galde og bugspytkirtel-sekreter, som gør, at de fleste mikroorganismer ikke koloniserer her.

    Figur 11. Bakteriestammer inden for samme art kan have forskellige egenskaber. Bakterierne er overordnet inddelt i grupper, hvor de fleste inden for arten enten er sundhedsskadelige, -neutrale eller -fremmende.

    Mikrobiotaens betydning

    Mikrobiotaen har stor betydning for fordøjelseskanalen, hvor den påvirker immunsystemet og har vigtige fysiologiske og metaboliske roller. Mikrobiotaen kan faktisk betragtes som et organ, der erhverves efter fødslen (postnatalt).

    For at forstå mikrobiotaens betydning kan man sammenligne almindelige mus med kimfri mus, som ikke har nogen mikrobiota. Det ses bl.a., at mikrobiotaen påvirker værtens genekspression, der regulerer næringsoptagelse og metabolisme samt postnatal modning af fx tarmepitelet og immunsystemet.

     

    Næringsoptagelsen påvirkes af mikrobiotaen. For eksempel skal kimfri mus indtage 30 % mere energi for at opretholde kropsvægten end mus med normal mikrobiota. Hos kimfri mus er der også større ekspression af gener involveret i absorption af kulhydrater, i nedbrydning og absorption af komplekse fedtstoffer og i absorption og lagring af mikronæringsstoffer (fx mineraler og vitaminer). Dette tyder på, at musekroppen arbejder hårdt på at få så meget som muligt ud af den indtagne mad. Kimfri mus har også mindsket vandabsorption i tarmen i forhold til normale mus, hvilket medfører diarré.

    Kimfri mus har fysiologiske forskelle i forhold til normale mus. De har en deform tarm, hvor tyndtarmen vejer mindre sandsynligvis pga. manglende immunceller og en op mod 8 gange større caecum (det første stykke af tyktarmen, hvor tyndtarmen udmunder) end normalt pga. tilbageholdelse af vand. De kimfri mus har mindsket bevægelighed af tarmen, og de har et unormalt tarmepitel med mindre overfladeareal.

     

    Mikrobiotaen påvirker desuden immunsystemet. Immunsystemet er nemlig fra fødslen umodent, og det menes, at den postnatale (’efter fødslen’) etablering af en balanceret mikrobiota påvirker immunsystemets funktioner markant. Hos de kimfri mus blev det observeret, at lymfeknuderne er underudviklede, at der er et reduceret antal immunceller i epitelet, og at der kun er få T-celler og IgA-producerende B-celler under epitelet. Desuden er epitelcellecyklusen forlænget, og immunsystemets organer uden for mavetarmkanalen, milten og brislen (thymus), er mindre i størrelse. Mindsket mikrobiel kontakt i den tidlige barndom associeres i øvrigt med den stigende forekomst af allergi i den vestlige verden.

    Figur 12. Koncentration og sammensætning af bakterier.

    Figur 13. Kimfri mus bruges til at undersøge mikrobiotaens betydning.

    Klinisk

    Mikrobiotaen kan ændres via kosten. Ved ændring af mikrobiotaen vil epitelet og immunsystemet også påvirkes. For at opnå et velfungerende mavetarmsystem kan man derfor stile mod en sundhedsfremmende ændring af mikrobiotaen. Det kan både fremme mikrobiotaens egne funktioner og styrke epitelet og immunsystemet.

    Vores sundhed er meget afhængig af, hvad vi spiser. Det er både fordi, vi skal have de rigtige mængder kulhydrat, fedt, protein, mineraler og vitaminer, men også fordi det, vi spiser, har indflydelse på mavetarmkanalens velvære. Mange sygdomme skyldes en svækket mavetarmkanal, og det er derfor vigtigt at holde den sund. Mikrobiotaen er afgørende for, om mavetarmkanalen fungerer ordentligt. Man kan derfor forsøge at ændre mikrobiotaens sammensætning af de forskellige bakterier, så den bliver sundere. Det kan gøres enten ved at spise sundhedsfremmende bakterier og håbe på, at de bosætter sig i tarmen, eller ved at indtage visse fibre som de sunde bakterier i tarmen “spiser”. Denne artikel handler om de sundhedsfremmende bakterier, man kan spise, og om hvordan deres sundhedsfremmende effekt opstår i mavetarmkanalen.

    Figur 1. Kosten er vigtig, hvis man skal ændre sammensætningen af mikrobiotaen. De sundhedsfremmende bakterier kan fremmes ved at indtage disse bakterier eller ved at spise de fibre, som de sundhedsfremmende bakterier lever af.   

    Hvad er probiotika?

    Ordet probiotika kommer fra græsk, hvor ”pro-” betyder til fordel for, og ”bios” oversættes til liv. Probiotika kan defineres som ”levende mikroorganismer som tilført i passende mængder udfører en sundhedsfremmende effekt på værten”. Her handler det om bakterier, som findes i menneskets mavetarmkanal, og som indtages oralt. Definitionen er meget bred for at dække, at det kan dreje sig om alle former for mikroorganismer (ikke kun bakterier), målorganer (ikke kun tarmen), værter (også andre end mennesker), indtagelsesmetoder (ikke kun oralt) osv. (Probiotika er som regel mikroorganismer, der findes i den naturlige mikrobiota).

    Figur 2.  Den sundhedsfremmende virkning og bakteriens klassificering som probiotika afhænger af stammen. For eksempel er det ikke alle Lactobacillus acidophilus, der er sundhedsfremmende, men kun specifikke stammer såsom LA-5.  

    Til at starte med var tanken om probiotika, at de generelt fremmede sundheden ved at erstatte skadelige bakterier med sunde bakterier i mikrobiotaen. Nu ved man, at de har mange andre sundhedsfremmende egenskaber. Bl.a. virker de på specifikke dele af immunsystemet, og det undersøges i dag, hvordan de eventuelt kan anvendes mod bestemte lidelser som fx forhøjet blodtryk, forhøjet blodkolesterol, tyktarmskræft og laktoseintolerance, enten forebyggende eller behandlende.

    For at kunne klassificere en bakteriestamme som værende probiotika, skal bestemte kriterier være opfyldte. Fælles for alle probiotika gælder:

    • De skal være velkarakteriserede på slægt-, art- og stammeniveau fxBifidobacterium (slægt) longum (art) NCC2705 (stamme) – to forskellige stammer inden for samme art er ikke nødvendigvis begge probiotiske
    • De skal være grundigt studeret med henblik på bakteriestammens effekter i værten og på sikkerheden ved at indtage dem. Det skal også vides i hvilke mængder, de skal tilføres for at være sundhedsfremmende.

    For probiotika til menneskets mavetarmkanal gælder desuden:

    • De må ikke have nogen patogene træk, dvs. de skal være uskadelige
    • De skal kunne overleve oral indtagelse og kunne kolonisere tarmen. De må altså ikke blive nedbrudt ved fordøjelsen, dvs. de skal kunne tåle den lave pH i maven, galde, fordøjelsesenzymer mm. (se også ”Fordøjelseskanalen”)
    • De skal have en dokumenteret effekt, fx være antipatogene, have indvirkning på immunresponser eller have et stofskifte (metabolisme), der er gavnligt for mennesket

    De fleste probiotiske bakterier er mælkesyrebakterier – en gruppe af bakterier, som ved fermentering af kulhydrater danner mælkesyre. Mange af de probiotiske bakteriestammer, der anvendes i dag, findes naturligt i menneskets mikrobiota (se artiklen ”Mavetarmsystemet”).

    Figur 3. De fleste probiotika er mælkesyrebakterier. På mikroskopibillederne ses øverst Bifidobacterium og nederst Lactobacillus. Billederne er fra Rowett Institute of Health and Nutrition, University of Aberdeen.

    De mest kendte og studerede probiotika er stammer inden for slægten Bifidobacterium og Lactobacillus. På artniveau anvendes især B. longumL. acidophilus og L. plantarum som probiotika i kosttilskud. Disse findes alle tre i den normale tarmflora. Hos mennesket findes bifidobakterier i store mængder i tyktarmen, hvor de udgør 10 % af mikrobiotaen og 3-6 % af mikroorganismerne i afføringen (fæces). Lactobacillus findes især i den nederste del af tyndtarmen i relativt små mængder og udøver hovedsageligt sine effekter her. Selvom Bifidobacterium er den mest signifikante sundhedsfremmende bakterieart i tyktarmen, er det dogLactobacilli, der anvendes mest i kosttilskud. Det skyldes, at Lactobacillus er nemmere at holde i live i fødevarerne, da den er fakultativ anaerob, mens bifidobakterier udelukkende er anaerobe.

    Hvordan virker probiotika?

    Sundhedsfremmende bakterier adskiller sig ikke meget fra patogene bakterier, og de fleste af livsstrategierne er på mange måder ens. Forskellen er dog, at mens de patogene bakterier får immunforsvaret til at reagere eller producere og udsende stoffer, som dræber vores celler, så vil de sunde bakterier interagere med vores celler i et sundhedsfremmende forhold i form af metabolitter.

    Læs mere om bakterier generelt under ekstra materiale.

    Når først probiotika er nået ned i tarmen og har bosat sig der, kan de gavne ved at gøre forskellige ting:

    • beskytte mod de patogene bakterier og deres effekter
    • stimulere immunfunktioner
    • producere gavnlige stoffer for kroppen (fx kortkædede fedtsyrer, vitaminer ellerenzymer, hvis virkning gavner organismen)

    Det er dog forskelligt fra stamme til stamme, hvad den gør bedst. Mens én stamme kan være god til at stimulere immunsystemet og producere vitaminer, kan en anden stamme være bedre til at beskytte mod patogene bakterier og producere kortkædede fedtsyrer.

    Figur 4.  Probiotika virker sundhedsfremmende på forskellige måder. De beskytter mod patogene bakterier og deres effekter, de stimulerer immunsystemet og styrker epitelets barrierefunktioner. Desuden producerer de gavnlige stoffer for kroppen (fx kortkædede fedtsyrer, vitaminer ellerenzymer).

    Hæmning af patogene bakterier

    Patogene bakterier i mavetarmkanalen kan være årsag til adskillige lidelser bl.a. diarré eller forstoppelse, kræft, leverskader, infektioner samt hjerneskader. Den måde, hvorpå patogene bakterierne kan fremkalde disse lidelser, sker gennem deres produktion af giftige og kræftfremkaldende stoffer (toksiner og carcinogener). Derudover er bakterierne gode til at beskytte sig selv og blive der, hvor de gør skade. Desuden giver de anledning til forrådnelse og betændelse.

    Probiotika afbalancerer mikrobiotaen, så der kommer flere sundhedsfremmende eller neutrale bakterier, og derved kan de nedsætte væksten af andre uønskede bakterier. Probiotika kan hjælpe til at mindske mængden af patogene bakterier i tarmen på mange måder.

    Probiotika er gode til at overleve i tarmen, og andre bakterier har derfor svært ved at komme til. Deres gode overlevelsesevne skyldes både, at de ikke angribes af immunsystemet, og at de er gode til at sidde fast på tarmvæggen (adhære) og danne biofilm (læs mere om adhæring og biofilm under “Om bakterier generelt” i ekstra materialet).

    Figur 5. Probiotika beskytter mod patogener på flere måder. De er gode til at overleve, da de ikke angribes af immunsystemet, er gode til at blive siddende i tarmen og ikke er kræsne. Dette medfølger, at de udkonkurrerer andre mikroorganismer. Derudover gør de miljøet surt, hvilket gør det sværere for mange bakterier at overleve. De producerer desuden antimikrobielle stoffer, som angriber andre mikroorganismer.

    Derudover er de sjældent kræsne – nogle slægter (især bifidobakterier) kan leve på mange forskellige kulhydratkilder (se også artiklen ”Præbiotika”), mens andre slægter (såsom lactobacilli) ikke kræver jern, hvilket er essentielt for adskillige patogene bakterier. Dermed vil de sunde bakterier udkonkurrere andre bakterier ved at spise al maden og ved at optage plads på tarmvæggen og i lumen. De gavnlige bakterier har også strategier, som er direkte rettet mod de andre bakterier. De producerer nemlig antimikrobielle stoffer som fx peptider med bakteriehæmmende og -dræbende effekt. Derudover gør de sunde bakterier også tarmmiljøet surt for de andre bakterier – bogstaveligt talt. Som nævnt er de fleste probiotika er nemlig mælkesyrebakterier. De producerer mælkesyre, hvormed de nedsætter pH, hvilket reducerer vækstbetingelser for mange andre bakterier.

    Interaktion med immunsystemet og anden beskyttelse af kroppen

    Probiotika kan regulere og styrke immunsystemet.  Stofferne interagerer med nogle af immunsystemets celler i tarmen (herunder dendritiske celler, T-celler og B-celler – se afsnittet “Mavetarmsystemet”) og påvirker derved cellernes genekspression. På den måde reguleres mængden af immunceller, dvs. celledelingshastigheden og celledifferentieringen, og hvilke proteiner, der udskilles, såsom antistoffer eller cytokiner. Denne påvirkning kan ofte være udført af kort-kædede fedtsyrer, som omtales længere nede. Overordnet set fremmer probiotika IgA-produktionen, øger fagocytosen (en vigtig forsvarsmekanisme) og ændrer balancen mellem Th-effektorcellerne og cytokinproduktionen (se afsnittet ”Mavetarmsystemet” for at genopfriske begreberne), alt sammen ved at øge immun aktiveringen.

    Probiotika kan også beskytte kroppen uden at interagere med immunsystemet. Dette sker især ved vedligeholdelse af tarmens barrierefunktioner, ved øgning af epitelcelledeling, og som ovenfor beskrevet ved hæmning af patogen vækst. Tarmens barriere styrkes bl.a. gennem forøgelse af tarmens egne slimproduktion, og ved at probiotika udgør en fysisk barriere, så antigener ikke kommer i kontakt med kroppens celler. Slimproduktionen kan stimuleres gennem produktion af kortkædede fedtsyrer, som nedsætter pH. De dannede kortkædede fedtsyrer hjælper også til at stimulere epitelcelledelingen. Dette reducerer oplagring af toxiner eller carcinogene stoffer og beskytter dermed mod tyktarmskræft. Herudover mindskes muligheden for, at patogene stammer invaderer kroppen.

    Gavnlig metabolisme

    Mikrobiotaen nedbryder føde, som er ufordøjelig for værten. Denne føde kan fx være komplekse kulhydrater. Disse omdannes bl.a. til kortkædede fedtsyrer i tarmen, hvor mere end 95 % af disse optages af værten. Bifidobakterier og laktobacilli syntetiserer især acetat og laktat, som senere omdannes til butyrat og optages over tarmepitelet. Kortkædede fedtsyrer er enormt vigtige. De har som nævnt en rolle i at forsvare kroppen ved at opretholde den fysiske barriere i tarmen, ved at stimulere epitelcelledelingen samt ved at styre immunresponset. Derudover regulerer kortkædede fedtsyrer epitelcelle-transportprocesser, vækst og celledifferentiering, og de giver energi til muskler, hjerte, nyre, hjerne og tyktarmens celler (kolonocytter).

    Desuden omdannes komplekse kulhydrater også til bestemte aminosyrer, polyaminer, vitaminer og antioxidanter. Det vides fx, at genomet forBifidobacterium longum NCC2705 har kapacitet til at syntetisere adskillige B-vitaminer som fx folinsyre, thiamin og nicotinat. Disse vitaminer kan absorberes og bruges af kroppen.

    Mikrobiotaen er altså vigtig for fordøjelsen og dermed optagelsen af en stor del af vores energi og essentielle nærringsstoffer. Men for meget af noget er ikke godt for kroppen. Og i et overflodssamfund som det vi lever i, i dag, er et af de største problemer af en sådan slags. Her har ny forskning vist en positiv sammenhæng mellem et særligt miljø af probiotika i tarmene og nedsættelse af cholesterol niveauerne i blodet.

    Undersøgelser tyder på, at probiotika kan have en gavnlig effekt på nedsættelse af blodets cholesterol.

    Figur 6. Probiotika har en metabolisme, der er gavnlig for værten. Bl.a. producerer de kortkædede fedtsyrer (hjælper til beskyttelse, energi, vækst, differentiering, epitelcelletransportprocesser), vitaminer (især B-vitaminer, såsom folat) og medvirker til større udskillelse af kolesterol (fx vha. enzymet galdesalt hydrolase).

    For højt cholesterol i blodet kan være en stor risikofaktor for at udvikle forskellige hjerte-kar-sygdomme, hvilket årligt dræber millioner af mennesker verden rundt og der bliver derfor forsket meget i, hvordan man naturligt kan nedsætte dette. Probiotika har vist sig at kunne gøre dette gennem følgende mekanismer:

    • Gennem assimilation (inkorporering som en del af cellen) af cholesterol under væksten af mælkesyrebakterierne, hvorved der er mindre cholesterol til rådighed for kroppen at optage. Da kroppen hele tiden udskiller og forbruger cholesterol men ikke længere kan optage den samme mængde, vil blodets cholesterol niveau falde.
    • Ved at binde cholesterol på overfladen
    • Ved at danne korte frie fedtsyrer som kan påvirke metabolismen af cholesterol (såkaldte SCFA, Short Chain Fatty Acids). SCFA dannet af mikrobiota i tarmene kan findes overalt i kroppen og kan derfor have meget omfattende virkningsmekanismer. Særligt de to stoffer acetat og propionat har indvirkning på cholesterol dannelsen i leveren ved at påvirke de enzymer, der danner cholesterol ud fra acetyl-CoA (acetyl Co-enzym A, en vigtig metabolit for kroppens celler). Ved at hæmme nysyntesen af cholesterol, nedsættes den totale mængde af cholesterol i kroppen.

    Alt dette har til effekt at sænke cholesterolniveauerne i blodet men er ikke et slankemiddel, da tilstedeværelsen af mikrobiotika som sagt er vigtig for en balanceret optag af forskellige nærringsstoffer.

     

    Hvad kan probiotika bruges til?

    Probiotika har som beskrevet mange mekanismer, der bidrager til at hjælpe værten, men hvad kan vi bruge det til? Probiotika har gennem mange år vakt interesse som et kosttilskud, der generelt fremmer menneskets sundhed. I et stort forsøg med 571 sunde børn på 1-6 år blev det fx observeret, at gruppen med probiotisk kost havde mindst fravær, idet der var 16 % forskel i fraværet fra dagsinstitution mellem dem og kontrolgruppen.

    Derudover kan man evt. også bruge probiotika som et forebyggende og eventuelt behandlende kosttilskud mod forskellige specifikke lidelser herunder forhøjet blodkolesterol (og dermed hjerte-/karsygdomme), respiratoriske infektioner, allergier, diarré, laktoseintolerance, kræft, inflammatorisk tarmsygdom, infektioner ved operationer, mm. Der er dog rigtigt mange krav der skal opfyldes før et lægemiddel eller stof kan blive klassificeret som terapeutisk, mange af hvilke probiotika endnu ikke opfylder. Det største problem er, at probiotika virker forskelligt fra menneske til menneske. Mens nogle bliver bedre, reagerer andre kun minimalt, men der er dog generel enighed om probiotikas positive effekter.

    Der skal, som sagt, stadig mange undersøgelser til, før probiotika kan blive anerkendt terapeutisk. Der er dog stort potentiale inden for probiotikas anvendelse, idet probiotika udgør en forholdsvis naturlig måde at regulere kroppen på gennem afbalancering af mikrobiotaen og interaktioner med tarmepitelet og immunsystemet. Der er desuden udsigt til, at man senere vil kunne fremstille genmodificerede probiotika, som har potentiale til at producere terapeutiske molekyler in situ – dvs. der hvor de skal bruges – eller til at kunne fungere som bærere af vacciner.

    Tarmfloraen (mikrobiotaen) er sammensat af mange forskellige slags bakterier (over 500 forskellige), og menneskets sundhed påvirkes af, hvordan sammensætningen af disse bakterier er. Baggrunden for at alle disse mange forskellige stammer kan trives fælles i tarmen er til dels, at de ikke alle “spiser” det samme. Det er ofte sådan, at en bestemt stamme kan bruge adskillige forskellige fødevarekomponenter som energikilde, men den foretrækker som regel ét bestemt stof, som den vokser ekstra godt på. Den vil derfor prøve at indfange dette stof, så det ikke er til stede for de andre bakterier. Den pågældende bakteriestamme vil derfor formere sig, så antallet af andre bakteriestammer mindskes med tiden.

    Dette kan vi udnytte ved at spise den mad, de gavnlige bakterier kan lide. Herved sikres, at det er disse bakterier, der dominerer i vores mavetarmkanal. Disse interessante fødevarekomponenter kaldes præbiotika og karakteriseres ved, at de selektivt spises af en eller flere sundhedsfremmende bakteriestammer. Det kan være mere effektivt at indtage den mad, sundhedsfremmende bakterier spiser (præbiotika), end selve bakterien (probiotika), da bakterierne er svære at få ført levende til tarmen samt at få dem til at blive der.

    Figur 1. Vi kan forbedre vores mikrobiota ved at spise den mad, sundhedsfremmende bakterier godt kan lide. Sundhedsfremmende bakterier vinder over andre bakterier ved at være gode til at bruge den bestemte fødevarekomponent som energikilde.

    Hvad er præbiotika?

    Den første definition af præbiotika kom i 1995, men som et naturligt led i forskningen er den blevet ændret adskillige gange. I 2007 var den: ”Præbiotika er en selektivt fermenteret fødevarekomponent, som giver specifikke ændringer i sammensætningen og/eller i aktiviteten af mavetarmkanalens mikrobiota, og herved medfører gavnlig effekt på værtens sundhed”.

    I praksis har det vist sig, at de fleste af de fødevarekomponenter, som udviser præbiotisk effekt, er komplekse kulhydrater, dvs. det man i daglig tale kalder fibre.

    En fødevarekomponent skal opfylde forskellige krav for at kunne blive klassificeret som et præbiotikum. Disse krav ændres og tilpasses over årene for at sikre, at klassificeringen er så præcis som muligt. Dette er vigtigt for at kunne give garanti for sundhedsfremmende egenskaber i en fødevare, der er mærket med, at den indeholder præbiotika eller kostfibre.

    For det første skal fødevarekomponenten kunne overleve værtens fordøjelse og absorption, sådan at stoffet rent faktisk er til stede der, hvor bakterierne er (i den nederste del af tyndtarmen og i tyktarmen). Fødevarekomponenten behøver dog ikke at være fuldstændig intakt.

    Figur 2. I praksis har det vist sig, at de fleste præbiotika er det, der til daglig kaldes fibre. For eksempel indeholder løg den fiber, der kaldes inulin (OBS! ikke insulin).

    Derudover er vi kun interesserede i, at det er de sunde bakterier, der fremmes ved indtag af præbiotika. Fødevarekomponenten skal altså kun stimulere væksten og/eller aktiviteten af én eller flere af de sundhedsfremmende bakteriestammer.

    Det er også vigtigt, at sundhedsfremmende effekter er dokumenterede. Præbiotika menes at have en effekt på mange lidelser, heriblandt mange af de vestlige livsstilssygdomme såsom diabetes, hjerte-/karsygdomme og forstyrrelser af mavetarmkanalen. Disse lidelser kan til dels skyldes en dårlig kost, bl.a. med for få fibre.

    Hvad kendetegner et præbiotikum?

    Fødevarekomponenter, der er undersøgt med henblik på præbiotisk effekt, kan inddeles i tre grupper. Første gruppe opfylder de ovennævnte krav og er med sikkerhed præbiotika. Den anden gruppe er fødevarekomponenter, som opfylder nogle af kravene, men ikke kan benævnes som præbiotika. Tredje gruppe består af stoffer, der har udvist præbiotisk potentiale, men hvor undersøgelserne er for sparsomme til, at de kan komme med i gruppe 2. Indtil videre er der identificeret adskillige fødevarekomponenter, som tilhører gruppe 1: inulin (OBS: ikke insulin), fruktooligosakkarider(FOS), transgalaktooligosakkarider (TOS) og galaktooligosakkarider (GOS). Det er alle komplekse kulhydrater, dvs. kostfibre, og dem indtager man i ganske almindelig mad. For eksempel findes inulin og FOS bl.a. i løg, hvidløg og asparges. FOS findes også i større mængder i bananer, artiskok, hvede og tomater.

    Figur 3. Der stilles krav før en fødevarekomponent kan klassificeres som præbiotisk. Fødevarekomponenten skal kunne overleve fordøjelse og absorption, skal selektivt stimulere bestemte sundhedsfremmende bakterier i mikrobiotaen, og skal have en dokumenteret effekt.

    Byggestenene i fibrene fra gruppe 1 er monosakkariderne glukose, galaktose og fruktose. De findes også alle i de fordøjelige kulhydrater (glukose i stivelse, fruktose og glukose i frugtsukker, galaktose og glukose i laktose – læs mere om dette i artiklen ”Stivelse og amylaser”). For eksempel er inulin bygget op af mellem 10 til 60 fruktose-enheder og et enkelt glukosemolekyle. I gruppe 2 findes også fibre med monosakkaridet xylose som byggesten. I øvrigt findes der i gruppe 3 også enkelte stoffer, fx peptider, som ikke er kulhydrater. Her er beviset for præbiotisk effekt dog for mangelfuldt.

     

    Årsagen til, at stofferne kan opfylde det første krav om ikke at fordøjes og absorberes, inden de når den nederste del af tyndtarmen og tyktarmen, er deres kemiske bindinger. For selvom byggestenene som nævnt ofte er de samme som i de fordøjelige kulhydrater, nedbrydes fibrene ikke.

    I kulhydrater kan der være forskellige kemiske bindinger mellem monosakkariderne, som overordnet er inddelt i α- og β-glycosidbindinger (se artikel ”Stivelse og amylaser”). Mennesket kan kun nedbryde specifikke bindinger med de fordøjelsesenzymer, som vi har. Mennesket har enzymet α-amylase til at nedbryde α-(1,4) glycosidbindinger, som findes i stivelse. Derudover har mennesket også andre enzymer til at nedbryde bindingerne i sukrose (almindeligt sukker), i maltose (maltsukker, et nedbrydningsprodukt fra stivelse) og i laktose (mælkesukker). Er der andre slags bindinger mellem monosakkariderne, kan bindingerne ikke brydes, fordi mennesket ikke producerer enzymerne til det. Kulhydrater med andre bindinger vil dermed ende ufordøjet i tarmen, da det kun er monosakkarider, der kan absorberes gennem tarmvæggen.

    Figur 4, Præbiotiske fødevarekomponenter findes naturligt i mange fødevarer, såsom dem vist ovenfor.

    Figur 5. Inulin (ses på figuren) er opbygget af mellem 10 til 60 fruktoseenheder (de femkantede monosakkarider) og en glukoseenhed (den sekskantede enhed til venstre).

    I den nedre del af tyndtarmen og i tyktarmen vil andre kemiske bindinger end ovennævnte kunne brydes af mavetarmkanalens mikrobiota. Det skyldes, at bakterier har andre nedbrydningsenzymer end mennesker. Forskellige bakteriestammer har forskellige fordøjelsesmekanismer, som bestemmer, hvilke stoffer, de kan leve på.  Det er derfor de kemiske bindinger, der afgør, om kulhydratet kan nedbrydes af mikrobiotaen, af enkelte bakteriestammer eller slet ikke. Bindingerne i præbiotika er oftest β-glycosidbindinger, men α-glycosidbindinger forekommer også, såsom α-(1,2)- eller α-(1,6)-glycosidbindinger. For eksempel er bindingerne mellem fruktose-enhederne i  inulin β-(1,2)-glycosidbindinger.

    Der er også noget, der tyder på, at den molare masse har indflydelse på, om en fødevarekomponent er et præbiotikum. Alle stofferne i gruppe 1 og 2 er nemlig relativt små molekyler såsom disakkarider, oligosakkarider eller korte polysakkarider (inulin har mellem 10 og 60 fruktose-enheder med et gennemsnit på 25).

    Figur 6. Mennesket har fordøjelsesenzymer, som kun kan fordøje kulhydrater med bestemte bindinger såsom stivelse med α-(1,4)- og α-(1,6)-glycosidbindinger. Disse bindingstyper er vist på figuren ovenfor. 

    Hvordan virker præbiotika?

    Som det fremgår af definitionen på præbiotika, skal indtagelse af præbiotika medføre en sundhedsfremmende ændring af mikrobiotaen. Dvs. det er faktisk gennem de sundhedsfremmende bakterier i tarmen, at præbiotika virker. Definitionen påpeger ikke specifikke bakteriestammer, men det er ofte bifidobakterie- og lactobacillistammer (som er mælkesyrebakterier), de fremmer. Disse stammer er de samme sundhedsfremmende bakterier, der kan anvendes som probiotika. Den måde, de gavnlige bakterier fremmer sundheden på, er beskrevet i artiklen ”Probiotika”.

    Bakterier i mikrobiotaen er som nævnt i stand til at benytte forskellige kulhydrater som energikilde, og det vil ofte være sådan, at hver bakteriestamme foretrækker kulhydraterne i en bestemt rækkefølge.

    Figur 7. Præbiotika kan nå den nederste del af tarmen, fordi deres bindinger ikke kan brydes af de menneskelige enzymer. Præbiotika har typisk β-glycosidbindinger eller specielle α-glycosidbindinger. Et eksempel på denne slags bindinger kan ses på figuren. Disse bindinger kan til gengæld brydes af bestemte sundhedsfremmende bakterier og udnyttes som energikilde af disse. 

    Det medfører, at selvom to forskellige stammer kan benytte det samme kulhydrat, kan man stadig selektivt fremme den ene bakteriestamme med et bestemt præbiotikum, fordi denne ene stamme vokser bedre på det end den anden.

    Mange af de sundhedsfremmende bakterier har derudover den overlevelsesfordel, at de kan vokse på mange forskellige kulhydrater og er specielt gode til at tage mad fra de andre bakterier. Det skyldes, at store dele af deres genom er dedikeret til netop denne opgave. Genomet koder for mange forskellige fordøjelses- og absorptionsmekanismer til benyttelse af en bred vifte af kulhydrater. For eksempel har man fundet, at flere bifidobakteriers genom (såsom Bifidobacterium longum og Bifidobacterium adolescentis) indeholder omkring 4,5 % kulhydrat-modificerende enzymer, hvorimod niveauet hos andre bakterier (Lactobacillus lactisClostridium perfringens og  Escherichia coli) ligger på omkring 2,5 %. Ud fra dette kunne man gætte på, at bifidobakteriestammer kan benytte flere forskellige kulhydrater end andre bakterier. Sammenlignes fx de kulhydrater, som bifidobakteriestammer og lactobacillusstammer generelt kan vokse på, ses det, at bifidobakterier kan vokse på 11 forskellige oligo- og polysakkarider, hvorimod lactobacillus kan benytte 7 forskellige mono-, di- og trisakkarider.

    Ud over at fremme menneskers (og dyrs) sundhed gennem en stimulering af gavnlige bakterier i mikrobiotaen, har det vist sig, at mange præbiotika faktisk også har andre sundhedsfremmende egenskaber. Disse egenskaber indgår ikke i definitionen af præbiotika. Nogle af disse funktioner udføres dog også af en sund mikrobiota, og det er derfor svært at afgøre, om det er præbiotika selv, der virker.

    Af de sundhedsfremmende egenskaber kan nævnes nogle stykker: Tilstedeværelsen af galde i fæces er forbundet med højere risiko for tyktarmskræft. Fibre (også præbiotika) binder til galdesyrer og mindsker derved indholdet af fri galde, hvilket beskytter mod tyktarmskræft.

    Fibre binder også mange andre stoffer såsom fedtstoffer, giftige stoffer (toksiner), kræftfremkaldende stoffer (carcinogener) og meget mere. Dette medfører mindsket optag af fedtstoffer og mindre kontakt med farlige stoffer.

    Figur 8. En stor del af gavnlige bakteriers genom er dedikeret til kulhydratmetabolismen. 

    Indtag af præbiotika øger desuden produktionen af kortkædede fedtsyrer. Som beskrevet i artiklen ”Probiotika” har kortkædede fedtsyrer mange gavnlige effekter. Bl.a. kan kortkædede fedtsyrer øge epitelcellernes delingshastighed, så de udstødes hurtigere, hvilket giver bedre beskyttelse af kroppen. Kortkædede fedtsyrer kan også forsyne mange af kroppens celler med energi, mindske produktionen af ny kolesterol i leveren og meget mere.

    Derudover menes det, at præbiotika evt. kan reducere mængden af patogener uden at involvere mikrobiotaen. Som beskrevet i artiklen ”Probiotika” har mange patogene bakterier receptorer på overfladen, som skal hjælpe binding til tarmepitelet, hvilket ofte er det første trin i sygdomsudvikling. Der kan fremstilles præbiotika, der binder til disse receptorer og dermed forhindrer patogene bakteriers binding til epitelcellerne.

    På nuværende tidspunkt er der dog ingen præbiotika, hvor det er bevist med tilstrækkelig sandsynlidhed, at de har disse egenskaber. Derfor har præbiotika officielt set kun en effekt på sundheden gennem sin virkning på mikrobiotaen.

    Brug af præbiotika

    Man kan generelt påstå, at indtagelse af præbiotika er sundhedsfremmende. Problemet er dog, at det er svært at generalisere, når det gælder fødevarer, fordi folk reagerer meget forskelligt på kost. Ved medicin reagerer de fleste mennesker nogenlunde ens, men kosten skaber ikke altid den samme reaktion hos alle, fordi vi er så forskellige, og fordi vores mikrobiota varierer så meget fra person til person. Folk, som allerede har en sund mikrobiota, vil ikke få lige så meget gavn af en fiberholdig kost som mennesker med en ubalanceret mikrobiota. Nogle personer vil have enormt meget gavn af at spise fibre, mens andre slet ikke vil få noget ud af det, og disse kan endda risikere at få ondt i maven, opstød, udspilet mave, luft i maven (flatulens) og eventuelt diarré. Derfor vil man ikke kunne bruge præbiotika som decideret behandling mod specifikke sygdomme.

    Det er i øvrigt et generelt princip for mange fødevarekomponenter, fx vitaminer, at hvis man allerede har store mængder af den pågældende fødevarekomponent, vil man ikke kunne optage mere, selv hvis man spiser rigtig meget af komponenten.

    Det har også betydning, hvordan man sammensætter de forskellige præbiotika. Nogle sammensætninger af præbiotika kan give meget større vækst af en eller flere sundhedsfremmende bakteriestammer, end det ville gøre at indtage ét præbiotikum alene.

    Figur 9. Præbiotika har også egenskaber, som ikke involverer mikrobiotaen. Bl.a. binder fibre til mange forskellige stoffer, der kan være skadelige for kroppen. Disse stoffer, fx galde, fedtstoffer, giftige eller kræftfremkaldende stoffer udskilles herved med fæces. Præbiotika kan desuden binde til receptorer på overfladen af patogener. Præbiotika øger også dannelsen af kortkædede fedtsyrer, som har mange sundhedsfremmende effekter i kroppen, som fx epitelcelledeling (bedre beskyttelse), energiforsyning, mindsket kolesterolproduktion. 

    Man mener, at præbiotika også har potentiale til at kunne anvendes med fordel på forskellige stadier i livet, hvor man ved, at mikrobiotaen ændres markant. Således prøver man at styre denne ændring mod en sundere mikrobiota.

    Ved overgangsalderen (dvs. 55-60-års alderen) sker der store ændringer i mikrobiotaen – ofte med et fald af bifidobakterier samt en øgning af andre arter, herunder patogener. Samtidigt observeres der en op til 400 gange højere dødelighed ved mavetarminfektioner hos ældre personer i forhold til yngre, hvilket kan skyldes denne ændring. Det er vist, at nogle præbiotika såsom inulin og FOS kan regulere ældre menneskers mikrobiota og reducere forekomsten af sygdomme.

    Præbiotika til specifikke ændringer i mikrobiotaen kan muligvis også hjælpe på andre perioder i livet. For eksempel har nyfødte, der får modermælkserstatning, en meget anderledes mikrobiota end nyfødte, der får modermælk. De nyfødte, som får modermælk, har en mikrobiota, der er domineret af bifidobakterier og lactobacilli, hvorimod børn, der får modermælkserstatning, har en mikrobiota, der ligner en voksens.

    Mikrobiotaen hos nyfødte er især vigtig, fordi deres immunsystem udvikles i denne periode. Med en dårlig mikrobiota kan immunsystemet underudvikles, hvilket kan skabe følgesygdomme senere i livet såsom allergi og andre autoimmune sygdomme.

    Figur 10. Problemet ved præbiotika er, at det ikke virker ens på alle. Folk med sund mikrobiota får ikke ligeså meget ud af det som folk med ubalanceret mikrobiota. Begyndelsesantallet af sunde bakterier og sammensætningen af præbiotika har  betydning for virkningen. 

    Desuden har nyfødte, som får modermælk, færre infektioner end nyfødte med mælkeerstatning, hvilket kan hænge sammen med forskellene i mikrobiotaen. Ved at tilsætte præbiotika til modermælkserstatning, vil man måske kunne hjælpe de børn, der ikke dier.

     

    Synbiotika

    Siden et bestemt præbiotikum kun kan virke, hvis den/de specifikke bakterier, som benytter det, er til stede i tarmen, kunne man forestille sig, at det ville være fordelagtigt at indtage præ- og probiotika sammen. Sådan en kombination findes. Den kaldes synbiotika. Det defineres som ”en blanding af probiotika og præbiotika, der er gavnlig for værten ved at forbedre overlevelsen og implantationen af levende mikrobielt kosttilskud i mavetarmkanalen ved selektiv stimulering af væksten og/eller ved aktivering af metabolismen af en eller flere sundhedsfremmende bakterier og derigennem forbedre værtens sundhed”.

    For at skabe et godt synbiotikum kunne man prøve at fremstille præbiotika specifikt til et bestemt probiotikum. Man skal altså sikre, at de kemiske bindinger mellem monosakkariderne i fiberen kan brydes af den bestemte probiotiske stamme, og at stammen har absorptionsmekanismerne til at indtage monosakkariderne.

    Figur 11. Indtag af præbiotika menes at være ekstra gavnligt på bestemte stadier i livet. For eksempel ændres mikrobiotaen drastisk ved 55-60 års alderen, og ved indtag af præbiotika kan mikrobiotaen ændres på en sund måde.

    Men spørgsmålet er så: virker synbiotika bedre end probiotika eller præbiotika alene? Det har vist sig, at der ved indtag af pro-, præ- eller synbiotika opstår vidt forskellige responser, og at effekten af synbiotika ikke er bedre i forhold til indtag af probiotika eller præbiotika alene. Det kan evt. forklares ved, at nedbrydningen af præbiotika foregår forskellige steder i tarmen. Mens præbiotika for det meste nedbrydes i tyktarmen og dermed har gavnende effekter der, så menes det, at synbiotika sandsynligvis allerede nedbrydes i den nedre del af tyndtarmen og derfor har helt andre effekter. Det er altså ikke nødvendigvis bedre at indtage både præbiotika og probiotika sammen end at spise dem hver for sig.

    Der forskes også i, om præbiotika i synbiotika kan fungere som en slags kapsel. Et problem ved probiotika er nemlig, at det er svært at bringe bakterierne levende til tyktarmen. Det kan derfor være en mulighed at pakke probiotika ind i en kapsel af præbiotika og derved beskytte probiotika igennem den øvre del af mavetarmkanalen fx mod mavesyren.Mikrobiotaen nedbryder kapslen, og herved frigives probiotikaet fx i tyktarmen, hvor dets effekt kan udøves. På den måde vil det være muligt at få probiotika til den fjerne ende af tyktarmen, hvor mange sygdomme opstår.

     

    Læs mere:

    • En tekst om præbiotika på engelsk kan læses her.
    • Om inulin (på engelsk)

    Figur 12. Mikrobiotaen etableres ved fødslen, og det er derfor et godt tidspunkt at prøve at fremme de sundhedsfremmende bakterier. Dette kan bl.a. gøres ved at spædbørn indtager præbiotika i modermælkserstatning eller at mødrene indtager præbiotika.

    Figur 13. Man kan også indtage kosttilskud med en blanding af probiotika og præbiotika. Blandingen kaldes synbiotika.

    De fleste af de anerkendte probiotika er mælkesyrebakterier, selvom der dog også findes andre organismer, der klassificeres som probiotika og viser sundhedsfremmende effekter. Mælkesyrebakterier er vigtige i hverdagen og anvendes i mange forskellige sammenhænge. Forskellen mellem almindelige mælkesyrebakterier og probiotiske mælkesyrebakterier er, at probiotika er blevet grundigt studeret, og det er bevist, at de har en sundhedsfremmende effekt.

    Probiotika kan indgå i forskellige produkter til mennesker – typisk i yoghurt og kosttilskud (pulvere, kapsler og tabletter som fås på apoteker, helsekostbutikker eller i Matas) og for nylig også i juice. Der findes også sundhedsfremmende mælkesyrebakterier til dyr, som sikrer optimal produktion af dyrene (færre sygdomme, bedre vækst og bedre foderudnyttelse). Bestemte sundhedsfremmende bakterier har også potentiale til at blive rettet mod specifikke lidelser og evt. andre steder end mavetarmkanalen, fx ved urinvejsinfektioner.

    Figur 1. Her ses forskellige produkter, som probotika indgår i – kosttilskudsprodukter øverst og fødevareprodukter nederst (yoghurt, ost og juice). 

    Interessant info:

    Mælkesyrebakterier har et bredt anvendelsesområde inden for fødevarer. Dette skyldes at de kan fermentere varen, at de ofte giver god smag, og at de øger holdbarheden af varerne grundet deres evne til at udelukke andre bakterier. Blandt andet bruges de til behandling af mælk (for at producere ost, yoghurt, mm.), kød (til fremstilling af fx pølser) og i vinproduktion. Derudover er de også nyttige til behandling af ensilage (dyrefoder fremstillet af syregærede grønne urter såsom umoden korn, roetoppe eller majs). Mælkesyrebakterierne øger holdbarhedenog sikrer færre patogener, især pga. deres mælkesyreproduktion (der sker en hurtig sænkning af pH, hvilket hæmmer gær og skimmel, som kan ødelægge ensilagen).

    Der er dermed et stort marked for bakteriekulturer i verden. Inden for dette felt er danske bioteknologiske virksomheder førende som fx Chr. Hansen, Danisco og Arla Foods, der konkurrerer mod internationale virksomheder som Nestlé, Yakult og Danone.

     

    Case: Chr. Hansen A/S

    Chr. Hansen A/S er grundlagt i 1874 af farmaceuten Christian D.A. Hansen. Han opdagede, hvordan man kunne isolere enzymer til produktion af ost. Dette blev firmaets første produkt. 

    Figur 2. Mælkesyrebakterier anvendes i mange forskellige varer, især for til at øge holdbarheden og fermentere varen. På billederne ses ost, pølser, vin og ensilage.

    I takt med at man begyndte at pasteurisere mælkevarer inden fermentering, opstod et stort marked for mælkesyrebakteriekulturer til produktion af ost og yoghurt, hvilket i dag udgør Chr. Hansen A/S’s største omsætning. Chr. Hansen A/S producerer starterkulturer (rendyrkede bakteriekulturer, som bruges til fremstilling af fødevarer), enzymer, naturlige farvestoffer og sundheds- og ernæringsprodukter såsom probiotika (se evt.en film her).

    Der findes mange sundhedsfremmende bakteriestammer, men det er ikke alle, der faktisk kan anvendes som probiotika. For at en bakteriestamme i praksis kan bruges som probiotika, skal den nemlig have mange andre egenskaber:

    • Den må ikke have en dårlig smag
    • I fermenterede varer (såsom yoghurt) skal den interagere med de andre bakterier i varen på en favorabel måde
    • Den skal have en lang holdbarhed (være stabil, sådan at der er tilstrækkelig store mængder af bakterien i varen, selv efter lang tids opbevaring)
    • Den skal kunne overleve de processer, der udføres for at producere bakterien i stor skala

    Bakteriers smag og interaktion med andre bakterier eller stoffer i varen afhænger af bakteriens gener. Disse egenskaber kan der altså ikke optimeres meget på. Derimod er bakteriens holdbarhed et emne, der forskes meget i at optimere. Det er især et problem i varer, der fx som kosttilskudprodukterne, skal kunne holde sig i flere år.

     

    Produktion af probiotika

    Ved produktion af probiotika er der mange forhold, der skal tages hensyn til. Produktionsproceduren afhænger først og fremmest af, hvilket produkt bakterierne skal indgå i. Skal bakterien for eksempel indgå i yoghurt, er proceduren meget anderledes, end hvis det færdige produkt er en tablet. Det endelige produkt bestemmer nemlig, hvilken bakteriestamme der skal produceres, hvilket medie den skal produceres i, hvor lang tid bakterierne skal være i live og være stabile efter produktion, og hvor omfattende kvalitetskontrollen under produktionen skal være. Dette er beskrevet mere detaljeret i det følgende.

     

    Overordnet

    Produktionen af probiotika foregår i flere trin. Først skal bakterierne opformeres ved fermentering. Herefter centrifugeres de for at fjerne så meget vand som muligt. Så skal de beskyttes af en bestemt blanding af stoffer, som kaldes cryo, hvorefter de nedfryses. Hvis bakterierne fremstilles til tabletter, i pulver eller lignende skal de frysetørres, hvorefter de males til fint pulver, hvori der blandes hjælpestoffer. Derudover er produktionen af kosttilskudsprodukter under omfattende kvalitetskontrol.

    Figur 3. Først opformeres bakterierne ved fermentering. Derefter centrifugeres cellerne for at fjerne vand. Cellerne beskyttes med cryo. Dermed kan cellerne overleve nedkøling til -196°C i flydende nitrogen frysetørring og lang tids opbevaring. Cellerne nedkøles i flydende nitrogen. Bakterierne frysetørres, hvorved vandet går direkte fra fast til gas fase. Til sidst males bakterierne for at adskille dem, hvorefter der blandes hjælpestoffer i. 

    Fermentering

    Det første trin i produktionen er fermenteringen, hvor bakterierne skal vokse, så der kommer store mængder af dem. Fermentering betyder i biokemiske sammenhænge energiproduktion under anaerobiske forhold. Imidlertid defineres fermentering anderledes i den industrielle verden, hvor det hentyder til omdannelsen af organiske stoffer til andre stoffer. Denne omdannelse er ofte udført af mikroorganismer. Under fermenteringen formerer mikroorganismerne sig. Fermentering kan fx som ved fremstilling af øl, vin, yoghurt eller ost udføres for at udnytte, at mikroorganismerne producerer bestemte stoffer. Fermentering kan også udføres for at opformere mikroorganismen. Mikroorganismer kan også genmodificeres, så de producerer bestemte ønskede stoffer – fx som ved fremstillingen af hormonet insulin. Ved fremstillingen af probiotika forsøges dog bare at opformere bakterien, hvormed dannelsen af andre stoffer såsom syre eller CO2 bare er biprodukter.

    Figur 4. Bakterier vokser i faser. I den første fase (a – latensfasen) tager det tid for bakterierne at komme i gang med at dele sig, og der ses ikke stigning i bakterieantal. I næste fase (b – eksponentiel fase) har bakteriene det godt, og hver bakterie deler sig og bliver til to nye, hvorved bakterieantallet vokser eksponentielt. Herefter (c – stationær fase), når bakterierne er ved at løbe tør for næringsstoffer, og der ophobes affaldsstoffer, er der nogle bakterier, der dør, mens andre stadig deler sig, og bakterieantallet er konstant. Til sidst dør bakterierne (d – dødsfasen). 

    Under en fermentering vokser bakterieantallet i forskellige faser. Til at starte med er der kun en lille mængde bakterier, og det tager lidt tid for dem at komme i gang med at formere sig, fordi de skal vænne sig til nye omgivelser. Desuden tager det lidt tid at producere proteiner fra bunden (proteinerne skal til, for at bakterierne kan dele sig). Derfor ændrer bakterieantallet sig ikke i starten. Denne fase kaldes latensfasen. Når først bakterierne er kommet i gang med at dele sig, stiger antallet eksponentielt, fordi hver bakterie bliver til to nye. For eksempel hvis der er én bakterie til at starte med, så er den efter fem generationer blevet til 1*2*2*2*2*2 = 25 = 32. I en fermentering er der dog ikke kun én bakterie, men flere milliarder til at starte med, og man lader dem ikke kun dele sig fem gange, men derimod mange flere gange. Denne fase kaldes den eksponentielle fase. Denne fase stopper dog, når der ikke er så mange næringsstoffer tilbage, og affaldsstofferne fra bakterierne begynder at ophobe sig. Så vil nogle bakterier vokse, mens andre dør resulterende i en fase, hvor der ikke er nogen øgning af det totale antal bakterier. Denne fase kaldes den stationære fase. Når næringsstofferne er væk, og der er endnu flere affaldsstoffer, begynder der at dø flere bakterier, end der dannes nye, og det samlede antal af bakterier falder derfor. Dette kaldes dødsfasen.

    Figur 5. Ved produktion af probiotika til mælkevarer fermenteres bakterierne i mælk og høstes i slutningen af den eksponentielle fase (angivet på figuren) for at sikre, at bakterierne kan vokse videre i den endelige fødevare. 

    Fermenteringen foregår i en stor beholder (fermenteringstank), hvor pH skal holdes konstant, fordi de probiotiske mælkesyrebakterier gør miljøet omkring dem surt. Hvis pH ikke blev holdt konstant, ville bakterierne hæmmes af deres eget affaldsprodukt og dermed ikke vokse så godt.

    Ved produktion af probiotika til mælkevarer skal bakterierne fermenteres i mælk. Således er de vant til at befinde sig i mælk og kan inkorporeres og vokse i mælkevaren uden at få stress og dø. Ved produktion af disse probiotika høstes bakterierne i slutningen af den eksponentielle fase, selvom bakterieantallet er størst i den stationære fase. Dette begrundes i, at bakterierne skal være sunde og kunne vokse videre i fødevaren. Hvis de var høstet i den stationære fase, ville der være en latensfase, før bakterierne voksede igen.

    Figur 6. Ved produktion af probiotika til farmaprodukter fermenteres bakterierne i et medie uden allergener og høstes i starten af den stationære fase, så der er så mange af bakterierne som muligt. Desuden vil bakterierne også have produceret stressfaktorer, som beskytter dem.

    Ved produktion af probiotika til tabletter eller lignende produkter fermenteres bakterierne derimod i et medie, som ikke indeholder allergifremkaldende stoffer. Således kan produktet anvendes af alle, selv allergikere. Disse probiotika høstes i den stationære fase, hvor bakterieantallet er størst. Bakterierne skal nemlig ikke vokse videre i det endelige produkt og har derfor ikke brug for at være i stand til at vokse uden en latensfase. Derudover har bakterierne i den stationære fase produceret stressfaktorer for at undgå at dø (lidt ligesom at vi tager jakke på, når det er koldt). Disse stressfaktorer kan beskytte cellerne i det færdige produkt.

    Afsluttende processer

    Efter fermenteringen skal cellerne centrifugeres for at størstedelen af vandet kan blive fjernet. Centrifugeringskraften og –tiden er meget forskellig bakteriestammerne imellem og er afhængig af stammens slimproduktion.

    Efterbehandlingen af probiotika, der skal indgå i fødevarer er ikke så kompliceret – de skal bare køles ned og opbevares på frost, indtil de tilsættes fødevaren.

    Ved produktion af kosttilskudsprodukter er processen mere kompliceret. Cellerne beskyttes efter centrifugeringen med en bestemt blanding af stoffer (sammensætningen er en virksomhedshemmelighed), kaldet ”cryo protectance” – kryobeskyttelse. Denne beskyttelse er vigtig for at cellerne kan overleve under indfrysningen og efterfølgende frysetørring. Hvis cellerne beskadiges i disse processer, har de svært ved at holde sig i live længe, hvilket kan påvirke produktets holdbarhed.

    Derefter fryses bakterierne ned ved at hælde dem gennem et slags bruserhoved og direkte ned i flydende nitrogen,hvorved der dannes små kugler af bakterier og kryo. Disse kugler skal så frysetørres. Ved frysetørring udsættes kuglerne for meget lavt tryk, sådan at vandet går direkte fra frossen fase til damp (vandet sublimerer). Dermed opnås, at cellerne stadig er frosne, og at de ikke kommer i kontakt med vand i den flydende fase, hvilket aktiverer dem. Var cellerne i kontakt med den flydende vandfase, ville de mærke en stigning i koncentrationen af salte, hvilket er toksisk for cellerne.De frysetørrede kugler skal derefter males (grinding) for at lave dem til pulver. Til sidst blandes hjælpestoffer i og produktet sælges i størrelsesordenen 109 celler pr. kapsel, tablet eller pulverpose.

    Under produktionen af kosttilskudsprodukter, foretages kvalitetskontrol ved mange af procestrinene i henhold til GMP (Good Manufacturing Practice), hvilket er et krav for produktion af lægemidler. Det er hovedsageligt for at teste, at man har den rigtige bakterie (og kun den ene!). Derudover dokumenterer det kvaliteten af produktet. 

    Figur 7. Der udføres kvalitetskontrol ved mange af procestrinene i henhold til GMP. Dette er et krav for produktion af lægemidler.

    Holdbarhed

    Når produktet står på hylderne i supermarkederne og i apotekerne, er det vigtigt, at celleantallet er stabilt, så forbrugerne indtager cellerne i en virksom mængde. Det er især vigtigt for kosttilskudsprodukterne, da de skal kunne holde sig i mere end to år, hvorimod en yoghurt alligevel ikke holder sig længere end 3 uger. Holdbarheden kan øges på flere måder – ved at udvikle en god kryobeskyttelse, ved at undgå at cellerne kommer i kontakt med vand og oxygen, og derudover er det en god ide at opbevare dem ved lav temperatur (i køleskabet). Grunden til, at de ikke skal i kontakt med oxygen, er, at oxygen er meget reaktivt, og ligesom med alle fødevarer, hvis emballage er åbnet, vil produktet hurtigere blive dårligt. Den lave temperatur sikrer lav stofaktivitet, hvormed alle kemiske og biokemiske processer går langsommere. Produktet holder derfor længere. Kosttilskudsprodukterne er ofte emballeret i bestemte beholdere med aluminiumvæg og et vandsugende låg. Aluminium er nemlig fuldstændig impermeabelt for fugt (i modsætning til plast).

    Figur 8. Kosttilskudsprodukterne er emballeret i en aluminiumbeholder, som er impermeabel for fugt. Beholderen har desuden et vandsugende låg. 

    Derefter fryses bakterierne ned ved at hælde dem gennem et slags bruserhoved og direkte ned i flydende nitrogen,hvorved der dannes små kugler af bakterier og kryo. Disse kugler skal så frysetørres. Ved frysetørring udsættes kuglerne for meget lavt tryk, sådan at vandet går direkte fra frossen fase til damp (vandet sublimerer). Dermed opnås, at cellerne stadig er frosne, og at de ikke kommer i kontakt med vand i den flydende fase, hvilket aktiverer dem. Var cellerne i kontakt med den flydende vandfase, ville de mærke en stigning i koncentrationen af salte, hvilket er toksisk for cellerne.De frysetørrede kugler skal derefter males (grinding) for at lave dem til pulver. Til sidst blandes hjælpestoffer i og produktet sælges i størrelsesordenen 109 celler pr. kapsel, tablet eller pulverpose.

    Under produktionen af kosttilskudsprodukter, foretages kvalitetskontrol ved mange af procestrinene i henhold til GMP (Good Manufacturing Practice), hvilket er et krav for produktion af lægemidler. Det er hovedsageligt for at teste, at man har den rigtige bakterie (og kun den ene!). Derudover dokumenterer det kvaliteten af produktet. 

    Probiotika til dyr

    Gennem det 20. århundrede er efterspørgslen på fødevarer steget drastisk, og dette mønster har ikke ændret sig og vil sandsynligvis heller ikke komme til at ændre sig i det 21. århundrede. Det har udfordret fødevaresektoren til at producere større mængder fødevarer på kortere tid. For produktionen af dyr har dette blandt andet betydet, at der er blevet tilført forskellige stoffer til dyrenes mad. Stofferne skal bl.a. bidrage til, at dyrene spiser mere, udnytter deres føde bedre (så de vokser hurtigere og bliver større på samme mængde føde), og at de får færre sygdomme. Disse stoffer har traditionelt set været hormoner, vitaminer, antibiotika eller mineraler, fx kobber og zink. Det har dog vist sig, at den udbredte anvendelse af denne slags stoffer kan have konsekvenser for miljøet, for fødevaresikkerheden og for kvaliteten af fødevarerne. Disse konsekvenser er man først blevet opmærksom på i 80’erne og 90’erne (i størstedelen af det 20. århundrede var folk ikke særlig miljøbevidste, og et ord som miljøforurening blev for eksempel først indført i det danske ordforråd i 1969).

    Et område, der har været i fokus, har været, at brugen af antibiotika kan medføre udvikling af resistente bakterier, hvilket gør det svært at bekæmpe simple mikrobielle infektioner. Dette er en stor trussel mod vores samfund, for vi risikerer, at dyr og mennesker ligesom i gamle dage kan dø af simple infektioner såsom diarré eller halsbetændelse. Resistente bakterier opstår ved, at bakterierne muterer spontant, og en specifik mutation i en bakteries DNA kan medføre, at denne bakterie ikke længere er følsom overfor et bestemt antibiotikum. Ved efterfølgende tilførsel af dette antibiotikum er det kun den resistente bakterie, der overlever. Denne resistente bakterie kan så formere sig, hvormed de ikke-resistente bakterier er blevet udskiftet med resistente bakterier, som ikke kan dræbes af det anvendte antibiotikum.

    Figur 9. Bakterier er af natur forskellige, og nogle vil være mere resistente over for et bestemt stof (fx antibiotika) end andre. Når bakterierne udsættes for det stof, er det kun de resistente bakterier, der overlever og formerer sig. Dette hedder selektion. 

    Antibiotikaresistens kan også overføres mellem bakterier ved at et bestemt DNA-element, som koder for resistens, kan optages af en bakterie, hvorefter denne bakterie selekteres for (dvs. udsættes for antibiotika og overlever). Bakterier benytter specifikke metoder til DNA-overførsel såsom optagelse af fri DNA (fx fra en død bakterie), direkte overførsel mellem levende bakterier eller overførsel medieret af en virus.

    For at undgå mulige risici ved brugen af antibiotika, er der forsket i alternative metoder til at øge dyrenes foderudnyttelse, vækst og sundhed. Et sådant alternativ er brugen af probiotika, somer fordelagtigt på mange måder. For det første fremmer probiotika dyrenes sundhed og styrker deres immunforsvar. Probiotika er derfor pr. definition et alternativ til brugen af antibiotika til dyr. Derudover medfører brugen også en optimeret produktion, fordi dyrenes sundhedstilstand styrkes, og der dermed e færre af dem, der dør. Samtidig vokser de sig hurtigere store og stærke. Derudover tager dyrene nemmere på efter indtag af disse bakterier. Det skyldes, at bakterierne kan nedbryde en stor del af den ufordøjelige mad, sådan at dyrekroppen kan få gavn af en ekstra energikilde. Der er dermed mindre forbrug af fødevarer til dyrene, hvilket giver en mindre belastning af miljøet.

    Figur 10. Probiotika til dyr hjælper dyret med at blive sundere. Ved indtag af probiotika spiser dyret mere, de udnytter deres foder bedre, de har mindre vægttab, de får mindre diarré, og smågrisene har lavere dødelighed.

    Probiotika anvendes allerede i dag til mange forskellige dyr, nemlig svin, drøvtyggere (køer, geder og får) og fjerkræ. Til dyr anvendes for det meste bakterier af Bacillus-slægten i stedet for Lactobacilli og Bifidobakterierne, som anvendes til mennesker. Det skyldes, at dyrefoder som regel pelleteres, dvs. fodermel omdannes til større, faste partikler.  Pelletering forløber ved høj temperatur, hvorved mange mikroorganismer dør. Bacilli kan overleve pelleteringen, fordi de danner sporer, der er meget hårdføre, inaktive strukturer, som indeholder bakteriens DNA. Sporerne kan overleve ekstreme omgivelser, og vil, når de er i gode omgivelser (med næring, god temperatur, osv.), omdannes til ’normale’, aktive bakterieceller.

     

    Læs mere:

    Generelt om mikrobiologi i praksis (lidt om fermentering og biotechnology)

    Figur 11. Pelleteret foder. 

    Generelt om undersøgelse af præbiotika og probiotika

    Det er en sundhedspåstand, når der står, at der er pro- eller præbiotika i en vare. Brug af bioaktive fødevarer som pro- og præbiotika udvisker grænserne mellem lægemidler og fødevarer. Det er derfor vigtigt, at de probiotika og præbiotika, der skal anvendes til mennesker og dyr, er grundigt studerede, inden de anvendes i praksis. For det første skal man vide, om det er sikkert at indtage dem. For det andet er det vigtigt at have dokumenteret, at de rent faktisk har en effekt. En tredje ting er, at forskellige præbiotika eller probiotiske bakteriestammer kan være optimale i bestemte situationer – fx er der specifikke probiotika til stimulering af immunforsvaret, til en sundere og raskere mavetarmkanal (fx mod diarré eller mod mavesår), til gravide kvinder, til spædbørn og meget mere.

    For at studere probiotika og præbiotika og dokumentere deres effekter anvendes i dag mange forskellige undersøgelser og analysemetoder. Man forsøger at klarlægge probiotika-vært, præbiotika-vært og probiotika-præbiotika interaktioner for at forstå deres virkningsmekanismer. Dette er traditionelt set blevet gjort ved at benytte isolerede systemer, hvor der benyttes en enkel fiber eller en ren kultur af den undersøgte bakterie i forskellige sammenhænge med varierende kompleksitet.

    Figur 1. Et laboratorium.

    Ved brug af en enkelt celletype fra værten er det i undersøgelserne relativt nemt at klargøre de molekylære interaktioner mellem bakterien/ fødevarekomponenten og cellen. I sådan et isoleret system er problemet dog, at man ikke får det hele med. Bakterier opfører sig anderledes, når de er isolerede og opdyrkes i laboratoriet end i deres naturlige miljø med specifikke kemiske, fysiske, biologiske og mekaniske forhold. Disse forhold er svære at efterligne i laboratoriet. Det samme gælder for cellekulturen, som er forskellig fra, hvordan den er i kroppen. Man bruger nemlig “udødelige” celler, såsom kræftceller, der vokser godt og hurtigt og cellerne ligger i enkeltlag, hvilket de ikke gør i kroppen. Cellerne har andre miljømæssige forhold i laboratoriet, end de har i kroppen, og cellernes membran er ens på alle sider, hvilket sjældent er tilfældet i kroppen (fx har epitelceller forskellige sider – én der vender ud mod lumen og én, der vender ind mod tarmvæggen). Ved denne metode får man heller ikke med, at der er et samspil med andre celletyper, andre bakterier eller andre komponenter, som findes i et hel-organisme-system.

    Hvis man benytter en intakt vært, burde man få et mere realistisk billede. Der er problemet bare, at mennesker ikke er ens. Det har været svært at definere den “normale” mikrobiota, fordi den varierer så meget fra person til person (afhængig af fx kost, hygiejne, køn, alder og forældre). Den er meget kompleks, og der er problemer med isolering og identificering af bakterierne (under halvdelen af bakterierne fra tarmen, munden og huden har været kultiveret i laboratoriet). Det skyldes også mangel på molekylære teknikker i laboratoriet, fordi det er svært at efterligne miljøet i en tyktarm. Ved undersøgelser på en intakt vært er det også svært at vide, hvad der rent faktisk skyldes behandlingen med pro- eller præbiotika, og hvad der skyldes andre faktorer, som fx forskelle i kostvaner. Desuden er det svært at klarlægge de præcise molekylære interaktioner mellem bakterien/fødevarekomponenten og kroppens celler. Til sidst er der også praktiske problemer, for undersøgelserne tager lang tid, koster mange penge, antallet af forsøgspersoner er ikke højt nok, og der er et højt frafald fra undersøgelserne.

    Det er udfordringer, virksomhederne og universiteterne arbejder hårdt på at løse. Forhåbentligt vil der med tiden blive udviklet nye teknikker, som vil medbringe nye forskningsveje og –muligheder for at udvikle ny og bedre pro- og præbiotika.

  • Øvelse

    I dette projekt er der udviklet to forsøg til laboratoriet. Øvelsesvejledningerne kan downloades her:

    Mælkesyrebakterier og holdbarhed 

    Undersøgelse af forskellige probiotiske stammer

    Til lærerne findes yderligere en vejledning (materialer, udstyr, forberedelse og kort oversigt over tidsplan for forsøgene): Lærervejledning.


    Praktisk gennemgang af metoderne, der anvendes i forsøgene

    Generelt om mikrobiologiske teknikker

    Når man arbejder med bakterier, er det vigtigt at arbejde sterilt, da der ellers kan komme andre bakterier frem, end dem man ønsker at undersøge. Alt udstyr (pipettespidser, podenåle, agarplader mm.) er sterilt, og skal holdes væk fra andre bakterier. Hvis en pipettespids for eksempel har rørt hånden, er det vigtigt, at der tages en ny. Udstyr opbevares i lukkede poser eller beholdere, og man skal kun røre på de steder, der ikke kommer i kontakt med anvendte bakterier og medier.

    HUSK at skrive navn og dato på alle anvendte reagensglas, plader mm. På pladerne skrives der langs kanten på bunden, da lågene kan byttes om.

    Det er vigtigt ikke at indtage mad og drikkevarer, når der arbejdes med bakterierne. Husk at vaske hænder grundigt med sæbe inden I starter. Sprit bordet af og sørg for kun at have de ting fremme, der skal bruges.

    Alle laboratorietimer afsluttes med at vaske hænderne grundigt med sæbe.

     

    Udpladning

    I mikrobiologiens laboratorie er det ofte meget nyttigt at sprede bakterier på specielle plader, som indeholder et medie, bakterierne kan vokse på, og agar, som gør mediet stift. Udpladning kan for eksempel bruges til at tælle antal bakterier i en prøve, til at isolere bakterier, til at undersøge diversiteten af bakterier i en prøve, til at identificere bakterier og meget mere.

    Rent praktisk udføres udpladningen således:

    Der plades ud ved at overføre 0,1 mL fra en fortynding til en plade og sprede væsken hen over pladen med en steriliseret dridalski-spatel. Spatelen skal steriliseres mellem hver udpladning. Det gøres ved at dyppe den i 70 % sprit og føre den hurtigt ind over bunsenbrænderen (det er vigtigt at spatelen tages hurtigt ud af ilden, da den ellers sprænger). Ved denne metode går der ild i spritten, som damper af. Nu er spatelen meget varm, hvilket vil dræbe alle bakterierne, hvis den blev brugt direkte. Derfor sættes spatelen i siden af agarpladen, så der sker en hurtig afkøling.

    Efter udpladning sættes pladerne til inkubering, så bakterierne kan få lov at vokse.

    Her kommer en lille video af, hvordan dette forsøg udføres.

    Her kommer en lille video af, hvordan dette forsøg udføres.

  • Artikler

    Nedenfor findes en række links til relevante artikler, der er bragt i nedenstående tidsskrifter.

     

    Fra Ingeniøren:

    Om jagten på sunde ingredienser

    Om at det er svært at dokumentere probiotikas effekter, og at probiotika muligvis er et alternativ til antibiotika brug til dyr

     

    Fra Aktuel Naturvidenskab:

    Bioaktive stoffer og cellelinjer

    Bioteknologi

    Immunsystemet og fisk

  • Ekstramateriale

    På denne side ligger valgfrit læsestof, til den interesserede læser. Det kan læses i stedet for nogle af afsnittene i teori-delen. Blandt andet kan du få mere at vide om:

    ·       Det specifikke immunsystem

    ·       Bakterier generelt

    Rigtig god fornøjelse!

    Dette er en uddybende tekst om det specifikke immunsystem. For at få sammenhængen med, gentages nogle elementer, som nævnes i artiklen om mavetarmsystemet.

    Det specifikke immunsystem er mere specifikt og effektivt end det uspecifikke immunsystem. Det aktiveres, når et patogen er trængt igennem de første forsvarsmekanismer. De egenskaber, som gør det stærkere end det uspecifikke immunsystem, er følgende:

    • Det kan diskriminere mellem fremmede substanser og egne normale celler.
    • Det agerer specifikt med et bestemt respons mod et bestemt patogen.
    • Det kan genkende patogener, som det allerede er stødt på, fordi det danner hukommelsesceller (det er derfor mere effektivt mod efterfølgende udsættelse for samme patogen). Det er i øvrigt denne egenskab, der benyttes i udviklingen af vacciner.

    Den måde, cellerne kan være specifikke på, genkende og diskriminere gode strukturer fra dårlige, skyldes især et molekyle, som hedder MHC (major histocompatibility complex). De fleste celler i kroppen har dette molekyle på overfladen af deres membran. Cellerne tager stoffer fra cytoplasma og præsenterer dem på overfladen bundet til MHC.

    Figur 1. Figuren viser opbygningen af immunsystemet i mavetarmkanalen. Der ses lumen med mikroorganismer og slim. Der er immunceller såsom porøse M celler (dem med huller) og dendritiske celler (med en “arm” mellem epitelcellerne), der kan optage komponenter fra lumen, så de andre immunceller kan beslutte, hvilket respons der skal startes. Under epitelet er lymfeknuderne med B- og T-celler.

    Normale celler har MHCI, og disse normale celler præsenterer stoffer fra sig selv, mens nogle immunceller (antigenpræsenterende celler) også har MHCII, som bruges til at præsentere molekyler på overfladen fra de emner, disse immunceller har “spist”. Nogle af det specifikke immunsystems celler (T-cellerne) kan så scanne membranoverfladen og se, om molekylerne er farlige eller harmløse. De molekyler, som immuncellerne kan genkende, og som de skaber et immunrespons imod, kaldes antigener. MHCI kan fx præsentere virus- eller cancercelle-antigener, mens MHCII mest præsenterer bakterie- eller svampeantigener.

    I mavetarmkanalen kan det specifikke immunsystem danne tre former for respons: et systemisk respons, et tolerogent respons og et IgA-respons.

     

    Det systemiske respons

    Det systemiske respons er til for at alarmere resten af kroppen, når der er noget farligt til stede. Ved det systemiske respons er T-cellerne centrale. T-cellerne binder til antigen-MHC komplekser med T-celle receptoren (TCR), hvorved de aktiveres og prolifererer til huskeceller og effektorceller. T-cellerne beholder antigenspecificitet hele livet. Når kroppen udsættes for det samme specifikke antigen en anden gang, reagerer huskecellerne hurtigt på det, hvorved de prolifererer og danner flere huskeceller og effektorceller.

    Figur 2. Det specifikke immunsystem kan skelne mellem vores egne celler og fremmede substancer vha. MHCII på overfladen af antigenpræsenterende celler. Det kan også skelne mellem raske og syge celler vha. MHCI på overfladen af de fleste af kroppens egne celler. På denne figur har den raske celle en blå partikel præsenteret på overfladen, mens den syge har en orange partikel.

    Der er to slags T-celler: T cytotoksiske celler (Tc) og T hjælper celler (Th). Tc-celler genkender antigen-MHCI komplekser og eliminerer dermed celler, der har ændret sig (og kan give anledning til cancer) eller er blevet invaderet af patogener. Det gør de enten ved at udsende stoffer, som får cellerne til at dræbe sig selv (induceret apoptose – programmeret celledød) eller ved at aktivere de cellespisende celler, som tilhører det uspecifikke immunsystem (fx makrofagerne). Tc-celler kan også aktiveres af cytokinerTh-celler genkender antigen-MCHII komplekser især på overfladen af dendritiske celler. Th-celler vil derefter kunne omdannes til bestemte effektor Th-celler afhængigt af cytokin-koncentrationen i vævet og af hvilken type antigen, de tidligere har mødt. Effektor Th-cellen udsender cytokiner, som aktiverer andre komponenter af immunsystemet.

    Foreløbig kendes fire typer effektor Th-celler, der funktionelt adskiller sig fra hinanden: Th1, Th2, Th17 og Treg. De fire typer effektorceller skaber hver deres type af immunrespons. Mens Th1, Th2 og Th17 alle hjælper til bekæmpelse af patogener på hver sin måde, så danner Treg grundlaget for det tolerogene respons.

    Figur 3. Der findes to slags T-celler (Tc og Th), som har hver deres rolle.

    Det tolerogene respons

    Det er meget vigtigt, at immunsystemet ikke bliver aggressivt over for ufarlige strukturer og mikroorganismer. Det er der mindst to grunde til: den ene er, at de ufarlige ting kan være gavnlige for kroppen og helst skal blive der, den anden er, at immunsystemet kan være farligt for kroppen, fordi det kan nedbryde kroppens eget væv i kampen (fx ved kronisk inflammation). Derfor er der et respons (kaldes det tolerogene respons), som nedregulerer de destruktive responser.

    Ved det tolerogene respons optager dendritiske celler harmløse antigener og stimulerer differentieringen af T hjælper cellerne til regulatoriske Th-celler (Treg). Treg sikrer kroppens tolerance overfor harmløse antigener ved at secernere cytokiner, der nedregulerer andre slags T-celler på tre forskellige måder:

    • Formeringen af andre T-celler hæmmes
    • Andre T-celler sættes ude af stand til at reagere på antigen-MHC komplekser
    • Der induceres programmeret celledød (apoptose) i andre T-celler.

    Det tolerogene respons er især vigtigt i mavetarmkanalen, fordi der bor så mange mikroorganismer, som er essentielle for, at fordøjelseskanalen fungerer ordentligt, og disse mikroorganismer skal ikke dræbes.

    IgA-responset

    Ved IgA-responset er B-cellerne i spil. B-celler har antistoffer på overfladen. Antistoffer er proteiner, som genkender og binder antigener. De har én del, som altid er den samme og bestemmer, hvilken af de fem eksisterende typer det tilhører (IgA, IgM, IgG, IgD og IgE), og en anden del, som er variabel og afgør, hvilket antigen det binder til. Hvert unikt antistof binder et specifikt antigen – fx kan ét IgA molekyle binde til et antigen fra en bestemt bakterie, mens et andet IgA molekyle binder til et antigen fra en svamp.

    Figur 4. Det systemiske respons er baseret på T-celler. Der findes T cytotoksiske (Tc)-celler og T hjælper (Th)-celler. På figuren ses, at en Th-celle binder til et MHCII-antigen molekyle med T-celle receptoren. Derved aktiveres den og omdannes til huskeceller og en specifik effektor Th-celle afhængig af, hvilket antigen det er. Dette ses ikke på figuren. Den aktiverede Th-celle udsender cytokiner, som har en bestemt virkning på andre komponenter i kroppen – fx kan de aktivere Tc-celler eller makrofager, som nedbryder patogenet

    B-celler kræver to aktiveringstrin. Det første trin er, at et antistof på overfladen af B-cellen binder direkte til et bestemt antigen. Det andet trin består i stimulering vha. Th2-celler. B-celler er antigen-præsenterende celler, som optagerpatogener og præsenterer fragmenter af dem på overfladen bundet til MHCII. Th2-celler binder til disse antigener. Dette resulterer i aktivering af B-cellen, som prolifererer og bliver til effektorceller og huskeceller.

    Ligesom T-huskeceller beholder B-huskeceller antigenspecificiteten fra den oprindeligt aktiverede celle. Dette varer hele livet hos mennesker. Effektorcellen producerer store mængder af det specifikke antistof (hvilket i tarmen mest er et IgA antistof), som bandt til antigenet i det første trin (ca. 2000 antistoffer pr. sekund i deres 5-7 dages levetid).

    De aktiverede IgA-producerende effektor B-celler kaldes også plasmaceller. IgA’s primære funktion er at hindre mikroorganismer i at klæbe sig til og trænge igennem slimhindeoverflader ved at få dem til at klumpe sammen, hvorefter de vil blive udskilt med fæces. IgA kan også binde sig til patogenet, hvorved det vil fagocyteres og nedbrydes af celler fra det uspecifikke immunsystem.

    Evnen til at danne huskeceller benyttes i øvrigt ved vacciner – man udsætter kroppen for et (harmløst) antigen, hvorved der dannes huskeceller. Ved næste møde med samme antigen, vil kroppen reagere hurtigt og udrydde kilden med det samme.

    Figur 7. IgA-responset. Ved aktivering producerer B-cellerne store mængder antistof, der udrydder patogenerne fx ved at få dem til at klumpe sig sammen, så de kan udskilles med fæces eller ved at binde sig til dem, hvorved celler fra det uspecifikke immunsystem fagocyterer og nedbryder dem.

    Figur 5. Det tolerogene respons nedregulerer immunresponser, for at de gavnlige strukturer og kroppens eget væv ikke nedbrydes. T hjælper celler bliver til regulatoriske hjælper celler ved kontakt med harmløst antigen. Tolerance via cytokiner induceres på tre måder –  formeringen af andre T-celler hæmmes, T-celler sættes ude af stand til at genkende antigen-MHC komplekser, og der induceres apoptose i andre T-celler.

    Figur 6. B-celler kræver to aktiveringstrin. Først skal et antistof på overfladen binde til et antigen, og derefter skal de stimuleres vha. Th2 celler.

    Figur 8. Immunsystemet kan huske, når det har været udsat for et antigen, og reagerer hurtigere og kraftigere ved næste udsættelse for samme antigen. Dette benyttes ved udvikling af vacciner. 

    For at kunne forstå, hvordan probiotika virker, er det vigtigt at vide noget om bakterier generelt. Bakterier er meget vigtige i hverdagen – de findes overalt, i jorden, luften, vandet, maden, kroppen, osv. De har stor indflydelse på mennesket, og selvom man indirekte gennem årtusinder har interesseret sig for dem, var det først i 1600-tallet, at man så en bakterie i mikroskop og ikke før i starten af 1800-tallet, at de havde fået deres navn, ”bakterier”.

    Man skaber ny viden vha. forskning, der som regel er fokuseret på, hvad der økonomisk og socialt set har interesse. Traditionelt set har forskningen omkring bakterier været baseret på, at de giver mennesket infektioner, som kan være dødelige. Man prøvede derfor at finde bakterielle molekyler, som lægemidler kan rette sig mod, såkaldte “drug targets”. Disse drug targets kunne for eksempel være del afbakteriernes struktur eller metabolisme. Disse adskiller sig nemlig fra menneskets, og lægemidlerne derfor kan være specifikke mod bakterier. Det ledte til opdagelsen af penicillin i 1928 og senere til udviklingen af en række andre forskellige antibiotika især i 1950’erne.

    Figur 1. I begyndelsen var forskningen rettet mod at definere bakteriers struktur og metabolisme for at finde ud af, hvordan de kunne udryddes.Strukturen af en bakterie ses på figuren.

    Da man dengang mente, at infektioner var bekæmpet, blev bakterieforskningen trappet ned. Imidlertid er man igen begyndt at interessere sig for bakterier og denne gang især for deres livsstil. Det skyldes dels den stigende antibiotikaresistens hos bakterier, dels at man benytter dem til industriel produktion, og dels at man har fundet ud af, at bakterier også er vigtige for at opretholde sundheden. Nu forskes der derfor både i patogene, neutrale og sundhedsfremmende bakterier.

     

    Bakteriernes livsstil

    Bakteriers livsstilsstrategier er baseret på at have den størst mulige overlevelsesevne. For de fleste bakterier er disse strategier baseret på de samme principper, og probiotika er ingen undtagelse.

    Bakterier specialiserer sig til at eksistere et bestemt sted, så de bliver ekstra gode til at leve lige præcis dér. På den måde kan de udkonkurrere andre bakterier. For eksempel vil en bakterie, som normalt lever i lungen, ofte ikke kunne bosætte sig i urinrøret. På samme måde gælder det for eksempel også for lactobacilli, som for det meste kun findes i den nederste del af tyndtarmen, mens bifidobakterierne kan sætte sig fast i tyktarmen. Til gengæld vil det godt kunne ske at en bakterie, som lever i kyllingens tarm, vil kunne bosætte sig i menneskets tarm, hvilket er tilfældet for Salmonella typhi.

    Figur 2. Bakterier specialiserer sig til at leve et bestemt sted. Nogle kan leve i forskellige værter, men stadig ofte i det samme anatomiske område. Dette giver bakterierne den bedst mulige overlevelsesevne. For eksempel kan en bakterie, der inficerer huden (fx staphylokokker), som regel ikke leve på tænderne og omvendt.

    Bakterier, som er specialiserede i at kolonisere mennesket eller andre dyr, skal igennem flere stadier. Først er de uden for kroppen, derefter skal de igennem kroppens forsvarsmekanismer fx fordøjelsessystemet, hvorefter de bosætter sig og formerer sig. Endelig skal enkelte bakterier videre for at forsøge at kolonisere en ny vært. Det betyder, at bakterierne skal kunne overleve i meget forskellige miljøer, både uden for kroppen (fx i jord, vand og mad), og inden i kroppen. Disse bakterier skal kunne eksistere på flere former, så de er bedst udrustet til, hvad de møder.

    Uden for kroppen og lige når bakterierne kommer ind i kroppen, før de når til det sted, de vil bosætte sig, vil bakterierne møde meget modstand. Derfor har bakterierne forskellige beskyttelsesstrategier. Nogle bakterier vil danne en kapsel rundt om sig. Kapslen er dannet af kulhydrater, som forhindrer stoffer i at komme i direkte kontakt med cellen. Andre bakterier klumper sig sammen vha. korte receptorproteiner, der genkender og binder til hinanden. Dette gør, at selvom de yderste i klumpen angribes og dør, vil de inderste stadig overleve.

    Inde i kroppen kan bakterierne registrere på forskellige stoffer i miljøet, om de befinder sig et sted, hvor de kan bosætte sig, hvorefter de ændrer membranens overflade. Dette sker ved genregulering. De gener, der koder for receptorproteiner eller står for produktionen af en kapsel, bliver nedreguleret, mens andre gener, som er specialiserede i kolonisering, opreguleres.

    Figur 3. Bakterier lever i forskellige stadier alt afhængig af, hvilket miljø de befinder sig i. For at beskytte sig (mod immunsystemet, enzymer eller andre stoffer) kan de for eksempel danne en kapsel eller klumpe sig sammen. Bakterier ændrer stadie ved hjælp af genregulering, efter at de har registreret det miljø, de befinder sig i, og dermed hvilke proteiner, der er behov for at producere.

    Kolonisering

    Kolonisering er utrolig vigtigt for bakterier. Uden evnen til at bosætte og formere sig ville de hurtigt dø. Det er også vigtigt for menneskets sundhed, for uden mikrobiotaen ville vi hurtigt blive syge. For eksempel danner probiotikas evne til at kolonisere tarmen baggrunden for, at probiotika kan udføre sine sundhedsgavnlige opgaver (det er nu ikke alle effekter af probiotika, der kræver, at bakterierne koloniserer tarmen – nogle probiotiske stammer har faktisk også sundhedsfremmende effekter, når de indtages døde). Det er dog ikke så nemt for bakterier at kolonisere noget sted i kroppen, pga. de mange forhindringer.

    Bakterier, som fx probiotika, der vil bosætte sig i tarmen, har det hårdt. Tarmen er en slagmark fyldt med bakterier, som kæmper om mad, om plads til at klæbe sig fast på og om plads i tarmlumen. Derudover skal bakterierne også undgå, at immunsystemet dræber dem, samtidig med at de skal overleve, selvom epitelcellerne, som de sætter sig på, ofte skiftes ud. Alt dette skal i øvrigt udføres, mens tarmen hele tiden bevæger sig og renses ud i gennemsnit ca. en gang om dagen (defækation, ved toiletbesøg).

    Figur 4. Der er mange forhindringer for bakterier i tarmen, og det er ikke nemt for dem at bosætte sig der. Bl.a. skal de kæmpe mod andre mikroorganismer om næringsstoffer, plads i lumen og på epitelet. Derudover skal de overleve, at epitelcellerne udskiftes hver 2.-5. dag, samt at de skal undgå immunsystemet. De skal også modstå bevægelse og udrensning af tarmen samt de kemiske påvirkninger, de udsættes for (fx enzymer, antimikrobielle peptider og pH).

    Det første skridt i koloniseringen er binding til en overflade (adhæsion). Bakterier har ofte flere forskellige mekanismer, de bruger, men hver mekanisme er som regel meget specifik. Bakterier adhærer ved at danne nogle ekstracellullære strukturer (strukturer uden for cellen), som har bindekomponenter (adhesins på engelsk) for enden af strukturen. Strukturerne sidder enten direkte på bakteriens overflade eller er formet som lange hår, kaldet fimbriae (de er ca. lige så lange som bakterien er bred dvs. 2-5 nm), der stikker ud fra overfladen. Bindekomponenterne binder så til bestemte receptorsites, som enten sidder i slimhindelaget, der dækker epitelcellerne, eller direkte på overfladen af epitelcellerne. Bindekomponenterne og receptorsites’ene er ofte glykoproteiner, som generelt har tendens til at klumpe sammen.

    Det næste trin for at kunne blive i tarmen er, at bakterierne skal danne biofilm. Dvs. at de skal formere sig og danne et stærkt fællesskab af samme slags bakterie. Her klæber bakterierne til hinanden ofte vha. ekstracellullære strukturer som før ved adhæsion, blot med en anden specificitet. Når der er mange af samme slags bakterier samlet på det samme sted, kommunikerer de med hinanden vha. quorum sensing og begynder så at producere en masse andre stoffer, som skal hjælpe dem til at blive siddende i tarmen. De producerer bl.a. en ekstracellulær matrix, som både beskytter dem og gør biofilmen mere stiv. Hos patogene bakterier vil denne kommunikationsmetode (quorum sensing) også bidrage til at registere, hvornår de er mange nok til at bruge energi på at producere giftige stoffer og dermed forårsage sygdom. Biofilmdannelsen beskytter bakterierne mod nedbrydende enzymer og immunforsvarets celler og stoffer, da de har svært ved at trænge igennem og ind til bakterierne.

    Figur 5. Bakterierne må adhære til epitelet for at sidde fast. De benytter sig af ekstracellulære strukturer – enten direkte på overfladen eller for enden af længere strukturer kaldet fimbriae – til at binde sig til slimhindelaget eller direkte på epitelcellerne.

    Figur 6. Efter at have sat sig fast formerer bakterierne sig og danner biofilm, som er tætte samlinger af bakterier i ordnede strukturer på enhver form for overflade. Dette gør de ved at kommunikere med hinanden, klæbe til hinanden og danne en ekstracellulær matrix.

  • Ordforklaring

    Aerob/anaerob/fakultativ anaerob: Aerobe organismer kan kun leve, når der er oxygen tilstede, mens anaerober kun kan leve uden oxygen. Fakultative anerober kan leve i et miljø både med og uden oxygen.

    Antigen: de molekyler, som immuncellerne kan genkende og skaber et immunrespons imod.

    CFU (colony forming units): bruges meget i mikrobiologiens laboratorie og er en metode der bruges til at kvantificere bakterier. Ved udpladning af opløsninger med bakterier kommer en masse små prikker på pladerne. Disse prikker kaldes kolonier, og i teorien er hver prik fremkommet af én enkelt bakterie, som har formeret sig og dannet så mange bakterier, at de danner en synlig prik. Denne bakterie kaldes en ”colony forming unit” (CFU). Antallet af CFU’er skulle derfor gerne stemme overens med, hvor mange bakterier, der har været fra start.

    Cytokin: intercellulære signalmolekyler, der er vigtige for immuncellernes kommunikation.

    Enzymer: er proteiner, der fungerer som kroppens biologiske katalysatorer.

    Epitel: et lag specialiserede celler på overflader af forskellige kropsstrukturer. Disse celler har helt specielle roller og kan se meget forskellige ud alt afhængig af, hvor de sidder. Dette kan fx være på indersiden af lungerne, i blodkapillærer, på huden eller i mavetarmkanalen. Cellerne sidder meget tæt og har bl.a. til opgave at beskytte organerne, udsende sekreter, selektivt at absorbere forskellige stoffer og meget mere. Epitelet beskrives i artiklen ”Mavetarmsystemet”.

    Fagocytose: cellers måde at ”spise” større komponenter fra omgivelserne ved at indkapsle komponenten i membranen.

    Fermentering: er en metabolisk metode bakterier bruger til at producere energi fra fx kulhydrater ved en delvis forbrænding. Fermentering står overfor cellulær respiration, hvor oxygen forbruges, og produkterne er energi, vand og CO2.

    Fæces: medicinsk ord for afføring.

    Genekspression: udtryk for hvilke gener, der rent faktisk kommer til udtryk. Det er sådan, at organismer har rigtig mange gener, men det er ikke alle, der bliver udtrykt til protein på samme tid. Genekspressionen er altid nøje reguleret og afhænger af, hvad cellen har brug for at gøre på et bestemt tidspunkt i et bestemt miljø. Læs evt. om det centrale dogme og mikrochipteknologi i projektet “Mennesket på en DNA-mikrochip”.

    Lumen: indre hulrum. I mavetarmkanalen er det der, hvor maden kommer igennem.

    Metabolisme: betegnelse for de kemiske reaktioner, der forløber i en levende organisme, for at opretholde liv.

    Mikrobiota: mikroorganismer, der lever i en rask mavetarmkanal. Beskrives i artiklen ”Mavetarmsystemet”.

    Mikroorganismer: organismer som er mikroskopiske og ikke kan ses af menneskeøjet. De er meget diverse og inkluderer bl.a. bakterier og fungi (svampe).

    Patogen: kommer fra græsk: ”patho” betyder lidelse og suffixet ”-gen” betyder skabende. Patogen betyder derfor sygdomsfremkaldende.

    Stamme: alle organismer klassificeres i- og benævnes ved genus, art og stamme. Det kan eksemplificeres ved mennesket: Homo (genus) sapiens (art), og stammen angiver fx, om man er afrikaner eller asiat.

    ”Vokse”: i mikrobiologiens verden bruges ordet ”vokse” om bakterier, der deler sig og bliver til flere. Det hentyder altså ikke til, at den enkelte bakterie bliver større, men i stedet at bakteriekolonierne bliver større.