Ваши кишечные бактерии могут изменять, сколько калорий вы усваиваете

Количество калорий, указанное на упаковке продукта, может показаться простой мерой энергии, которую вы получите при его употреблении. Однако цифра на этикетке не обязательно совпадает с калориями, которые ваше тело фактически усваивает. Одна из причин заключается в том, что пищеварение включает не только расщепление пищи. Это также зависит от триллионов микроорганизмов, живущих в вашей пищеварительной системе.

Исследователи из Аризонского государственного университета разработали математическую модель, которая исследует эту часто упускаемую часть пищеварения. Известная как DAMM (сокращение от digestion, absorption and microbial metabolism — пищеварение, усвоение и микробный метаболизм), модель отслеживает, как пища движется по пищеварительному тракту, сколько энергии организм поглощает непосредственно, и как кишечные микробы обрабатывают остаток. Она также оценивает, какие продукты пищеварения всасываются, а какие покидают организм в виде отходов.

Отчитывая взаимосвязь между диетой, человеческим пищеварением и кишечными бактериями, исследователи надеются улучшить наше понимание ожирения, диабета и других метаболических расстройств. При дальнейшей разработке этот подход может в конечном итоге помочь медицинским работникам создавать диеты, адаптированные к отдельным пациентам.

"Пищеварение — это не просто человеческий процесс, это сотрудничество между нашим организмом и триллионами микробов, живущих в кишечнике, — сказала профессор Роза Крайджмальник-Браун. — DAMM дает нам мощный новый способ количественно оценить, как эти микробные партнеры способствуют здоровью человека и энергетическому балансу, а также указывает на важность правильного питания наших кишечных микробов."

Крайджмальник-Браун является директором Центра здоровья через микробиомы Biodesign ASU и профессором в школе устойчивого проектирования и окружающей среды университета.

Исследовательская группа также включала профессора ASU Брюса Риттмана, директора Центра экологической биотехнологии Swette из Biodesign и регентского профессора экологической инженерии, а также первого автора Тейлора Дэвиса, аспиранта ASU. Ученые из Трансляционного научно-исследовательского института AdventHealth в Орландо, Флорида, сотрудничали в проекте.

Более 100 лет ученые используют систему, основанную на параметрах Этвотера, для оценки того, сколько энергии люди могут получить из пищи. Этот метод назначает средние значения калорий для каждого грамма жира, углеводов и белков, а затем использует эти значения для расчета общей доступной энергии.

Хотя этот подход практичен и широко используется, он не может полностью объяснить, что происходит во время пищеварения. В частности, он не учитывает, как различные продукты питают кишечные бактерии или как эти бактерии превращают непереваренный материал в вещества, которые организм может использовать для энергии.

Одним важным примером являются короткоцепочечные жирные кислоты. Эти соединения производятся, когда микробы в толстой кишке расщепляют клетчатку и другие компоненты пищи, которые проходят через верхний пищеварительный тракт без абсорбции. Некоторые из этих жирных кислот могут попадать в кровоток и обеспечивать дополнительные калории.

Для лучшего понимания этих взаимодействий исследователи опирались на более ранее исследование контролируемой диеты, исследующее, как микробиом кишечника влияет на энергетический баланс человека. Микробиом кишечника состоит из огромного сообщества бактерий и других микроорганизмов, населяющих пищеварительную систему.

В клиническом исследовании здоровые взрослые люди следовали одному из двух тщательно разработанных планов питания. Первый представлял собой диету, улучшающую микробиом, содержащую значительное количество клетчатки и резистентного крахмала (менее переработанные продукты и продукты с большим размером частиц). Резистентный крахмал — это тип углевода, который избегает большей части обычного пищеварения в тонком кишечнике, позволяя ему достичь толстой кишки, где микробы могут его расщепить.

Второй план питания был похож на типичную западную диету с более низким содержанием клетчатки и резистентного крахмала (более переработанные продукты и меньший размер частиц).

Несмотря на то, что обе диеты были разработаны для исследования, участники усвоили заметно различные количества энергии. Те, кто потребляет западную диету, усвоили примерно на 116 больше калорий в день, чем те, кто ел диету, богатую клетчаткой.

Возможно, не менее интересным является то, что люди, следующие диете с более высоким содержанием клетчатки, не сообщали о том, что чувствуют большей голод.

Вывод показывает, что количество энергии, которую люди получают из пищи, зависит отчасти от ее состава и того, как она движется по пищеварительной системе. Различия в переработке пищи, содержании клетчатки и микробной активности могут все влиять на конечный результат.

"То, что действительно уникально в модели DAMM, это то, что она количественно связывает человеческий метаболизм с метаболизмом микроорганизмов в толстой кишке таким образом, который совпадает с результатами клинического исследования и обеспечивает фундаментальное понимание того, как микробное сообщество работает в партнерстве с человеческим организмом, — сказал Риттман.

Модель DAMM предлагает более подробный способ отследить энергию, содержащуюся в пище, с момента ее поступления в пищеварительную систему.

Во-первых, она изучает содержание белков, углеводов и жиров в рационе человека и оценивает, сколько полезной энергии всасывается в верхнем желудочно-кишечном тракте.

Затем она отслеживает оставшийся материал, когда он движется в толстую кишку. Здесь кишечные микробы расщепляют питательные вещества, которые избежали более раннего пищеварения, производя соединения, такие как короткоцепочечные жирные кислоты. Организм может усвоить некоторые из этих соединений через толстую кишку и использовать их как еще один источник энергии.

Модель также включает производство метана некоторыми микроорганизмами, называемыми метаногенами, которые вырабатывают метан как часть их метаболизма.

По расчетам исследователей, короткоцепочечные жирные кислоты, поглощенные из толстой кишки, обеспечивали в среднем примерно 140 калорий в день. Это представляет собой примерно 7,4% от общей полезной энергии, полученной из пищи.

В более широком смысле модель оценила, что примерно 85% полезной энергии поступило из верхнего желудочно-кишечного тракта, в то время как примерно 15% поступило из нижнего желудочно-кишечного тракта, где микробы особенно важны.

Эти выводы подчеркивают, почему традиционные расчеты калорий не могут полностью описать пищеварение человека. Значительная доля энергии, доступной организму, зависит от микробных процессов, которые традиционные расчеты пищевых этикеток явно не измеряют.

Когда команда сравнила прогнозы DAMM с фактическими измерениями из исследования контролируемой диеты, модель выдала оценки, которые были ближе к наблюдаемому усвоению калорий, чем те, что производились традиционным методом Этвотера.

Старый метод, как правило, недооценивал, сколько калорий участники усвоили. Включив микробный метаболизм, DAMM обеспечила более точную оценку энергии, полученной из различных диет.

Одной из наиболее показательных особенностей модели является ее способность учитывать различия между диетами.

Диета, улучшающая микробиом, обеспечивала больше клетчатки и другого ферментируемого материала в толстую кишку. Это дало кишечным микробам дополнительные вещества для расщепления, увеличивая их производство короткоцепочечных жирных кислот.

DAMM предсказала это увеличение, согласующееся с моделью, наблюдаемой в контролируемом клиническом исследовании. Участники, потребляющие диету, улучшающую микробиом, имели более высокие уровни короткоцепочечных жирных кислот в измерениях, полученных из их кровяной сыворотки и фекалий.

Эти соединения важны, потому что они иллюстрируют, насколько тесно связаны микробная активность и метаболизм человека. Кишечные бактерии могут превращать компоненты пищи, которые иначе проходили бы через пищеварительную систему, в молекулы, которые организм может усвоить и использовать для энергии.

Однако производство большего количества этих соединений не обязательно означает усвоение большего количества калорий в целом.

В действительности, участники, следующие диете, улучшающей микробиом, усвоили меньше калорий в целом, чем те, кто ел западную диету, несмотря на то, что диета с более высоким содержанием клетчатки поддерживала большую микробную активность и повышенное производство короткоцепочечных жирных кислот.

Это кажущееся противоречие становится легче понять при изучении различных этапов пищеварения отдельно. Хотя кишечные микробы могут генерировать дополнительную полезную энергию, количество, поглощенное непосредственно из пищи в верхнем пищеварительном тракте, также имеет значение.

DAMM помогает исследователям различать эти вклады. Она оценивает, сколько энергии организм извлекает перед тем, как пища достигает толстой кишки, сколько энергии микробы производят из оставшегося материала, и сколько в конечном итоге поглощается или выводится.

Привнеся пищеварение человека и микробный метаболизм в единую математическую структуру, исследователи создали инструмент, который может помочь объяснить, почему различные диеты оказывают разные эффекты на энергетический баланс организма.

Этот подход может в конечном итоге улучшить понимание учеными того, как диета влияет на ожирение, диабет и другие метаболические состояния. Это также поднимает возможность разработки планов питания, которые учитывают не только питательные вещества в пище, но и то, как эти питательные вещества взаимодействуют с микробами, живущими внутри кишечника каждого человека.

Пока что модель предоставляет исследовательскую структуру, а не готовый к использованию метод для назначения персонализированных диет. Потребуются дополнительные исследования, чтобы определить, насколько хорошо она работает в различных популяциях, пищевых привычках и составах микробиома.

Исследователи также ожидают, что модель станет более сложной по мере того, как ученые раскрывают дополнительные детали о том, как микроорганизмы и человеческое тело обмениваются питательными веществами и энергией.

"Модель DAMM — это больше, чем просто инструмент для характеристики диеты, — сказал Дэвис. — Это структура, предназначенная для эволюции. По мере того, как мы узнаем больше о том, как взаимодействуют диета, метаболизм и микробы, новые идеи могут быть включены в модель, позволяя ей развиваться вместе с нами по мере обучения."