การหมักใยอาหารโดยจุลินทรีย์และการผลิตกรดไขมันสายสั้น

เมื่อใยอาหารที่หมักได้และคาร์โบไฮเดรตเชิงซ้อนที่ทนต่อการย่อยเข้าสู่ลำไส้ใหญ่ แบคทีเรียในลำไส้ที่อาศัยในสภาวะไร้ออกซิเจนจะย่อยสลายสารเหล่านี้และผลิตกรดไขมันสายสั้น ซึ่งส่วนใหญ่ได้แก่ อะซิเตต โพรพิโอเนต และบิวทิเรต พร้อมกับก๊าซต่างๆ การหมักโดยจุลินทรีย์นี้เป็นกลไกทางชีวเคมีหลักที่เชื่อมโยงคาร์โบไฮเดรตที่ไม่สามารถย่อยได้เข้ากับสรีรวิทยาของโฮสต์

Definition

การหมักใยอาหารโดยจุลินทรีย์คือการสลายคาร์โบไฮเดรตที่ไม่สามารถย่อยได้แบบไม่ใช้ออกซิเจนโดยแบคทีเรียในลำไส้ใหญ่ ซึ่งให้ผลผลิตเป็นกรดไขมันสายสั้น (กรดอินทรีย์ที่มีคาร์บอนสองถึงหกอะตอม โดยหลักคืออะซิเตต โพรพิโอเนต และบิวทิเรต) พร้อมกับก๊าซต่างๆ เช่น ไฮโดรเจน คาร์บอนไดออกไซด์ และมีเทน

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงวิธีการที่จุลินทรีย์ในลำไส้ใหญ่หมักคาร์โบไฮเดรตที่ไม่สามารถย่อยได้ กรดไขมันสายสั้นหลักที่ผลิตขึ้นและสัดส่วนโมลโดยประมาณ ชะตากรรมทางเมตาบอลิซึมของกรดเหล่านี้ในเซลล์ลำไส้ใหญ่และตับ และผลที่ตามมาของการมีใยอาหารน้อยต่อชุมชนจุลินทรีย์และเยื่อเมือก เป็นภาพรวมเชิงกลไกภายในสาขาชีวเคมีโภชนาการ ไม่ใช่คำแนะนำทางคลินิก

Core questions

• แบคทีเรียในลำไส้ใหญ่หมักใยอาหารอย่างไร และได้กรดไขมันสายสั้นชนิดใดบ้าง?
• ชะตากรรมทางเมตาบอลิซึมและบทบาทการส่งสัญญาณของอะซิเตต โพรพิโอเนต และบิวทิเรตคืออะไร?
• เกิดอะไรขึ้นกับจุลินทรีย์และเยื่อเมือกเมื่อใยอาหารที่หมักได้มีน้อย?

Key concepts

• การหมักแบบไม่ใช้ออกซิเจน
• อะซิเตต โพรพิโอเนต บิวทิเรต
• การแลกเปลี่ยนสารอาหารระหว่างจุลินทรีย์
• บิวทิเรตเป็นเชื้อเพลิงสำหรับเซลล์ลำไส้ใหญ่
• ตัวรับ SCFA (FFAR2/FFAR3)
• จุลินทรีย์ที่ย่อยสลายเมือก

Mechanisms

แบคทีเรียไม่ใช้ออกซิเจนที่ย่อยน้ำตาลจะไฮโดรไลซ์คาร์โบไฮเดรตที่ไม่สามารถย่อยได้ให้เป็นโมโนแซ็กคาไรด์ และหมักสารเหล่านี้ผ่านวิถีไกลโคไลซิสและวิถีที่เกี่ยวข้องไปเป็นกรดไขมันสายสั้น โดยทั่วไปจะมีอัตราส่วนอะซิเตต:โพรพิโอเนต:บิวทิเรตประมาณ 60:20:20 โดยมีการแลกเปลี่ยนสารอาหารระหว่างสปีชีส์ที่เชื่อมโยงผู้ย่อยสลายหลักเข้ากับผู้ผลิตบิวทิเรต บิวทิเรตเป็นสารตั้งต้นพลังงานที่เซลล์ลำไส้ใหญ่ (colonocytes) ชอบใช้อะซิเตตและโพรพิโอเนตจะถูกดูดซึมและเข้าสู่ตับและส่วนปลาย และกรดไขมันสายสั้นยังทำหน้าที่เป็นโมเลกุลส่งสัญญาณที่ตัวรับกรดไขมันอิสระซึ่งมีอิทธิพลต่อการหลั่งฮอร์โมนในลำไส้และเมตาบอลิซึมของโฮสต์ เมื่อใยอาหารที่หมักได้มีจำกัด จุลินทรีย์บางส่วนจะเปลี่ยนไปย่อยสลายไกลโคโปรตีนเมือกของโฮสต์ ซึ่งอาจทำให้เยื่อเมือกในลำไส้ใหญ่สึกกร่อนได้ในแบบจำลองการทดลอง

Clinical relevance

กรดไขมันสายสั้นเป็นจุดสนใจของการวิจัยเกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างอาหารและไมโครไบโอมกับสุขภาพเมตาบอลิซึมและลำไส้ และวิถีการหมักอธิบายว่าทำไมใยอาหารที่หมักได้จึงมีฤทธิ์ทางสรีรวิทยา บทความนี้สรุปกลไกและผลการทดลองเพื่อการอ้างอิง และไม่ได้ให้คำแนะนำด้านอาหารหรือการรักษาเฉพาะบุคคล

Evidence & guidelines

ความเข้าใจเชิงกลไกส่วนใหญ่ได้มาจากระบบการหมักในหลอดทดลองและแบบจำลองสัตว์ โดยมีหลักฐานในมนุษย์จากการศึกษาการให้อาหารแบบควบคุมและการศึกษาเชิงสังเกตการณ์ บทวิจารณ์เตือนว่าการแปลกลไกของกรดไขมันสายสั้นไปสู่ผลลัพธ์ด้านสุขภาพยังคงเป็นประเด็นที่กำลังมีการศึกษาอย่างต่อเนื่อง

History

ความเข้าใจที่ว่าลำไส้ใหญ่เป็นอวัยวะที่ทำการหมักและผลิตกรดไขมันสายสั้นที่สามารถดูดซึมได้นั้นพัฒนาขึ้นในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ 20 ซึ่งได้ปรับเปลี่ยนมุมมองของใยอาหารจากสารที่เฉื่อยชาไปเป็นสารตั้งต้นที่ออกฤทธิ์สำหรับระบบนิเวศจุลินทรีย์ที่มีความสำคัญต่อเมตาบอลิซึม งานวิจัยในภายหลังได้เชื่อมโยงการขาดใยอาหารกับการเสื่อมสภาพของชั้นเมือกและการติดเชื้อของเชื้อโรคในแบบจำลองควบคุม

Debates

กรดไขมันสายสั้นส่งผลโดยตรงต่อผลลัพธ์ทางเมตาบอลิซึมของโฮสต์มากน้อยเพียงใด?

กรดไขมันสายสั้นส่งสัญญาณผ่านตัวรับเฉพาะและทำหน้าที่เป็นสารตั้งต้นพลังงาน แต่ขอบเขตที่การผลิตของพวกมันอธิบายประโยชน์ทางเมตาบอลิซึมของใยอาหารในมนุษย์ เทียบกับผลกระทบอื่นๆ ของอาหารที่อุดมด้วยใยอาหาร ยังคงเป็นที่ถกเถียงกันอยู่

Key figures

• Gijs den Besten
• Emanuel Canfora
• Mahesh Desai
• Eric Martens

Seminal works

• den-besten-2013
• canfora-2015
• desai-2016

Frequently asked questions

การหมักใยอาหารผลิตกรดไขมันสายสั้นชนิดใดบ้าง?

ส่วนใหญ่คืออะซิเตต โพรพิโอเนต และบิวทิเรต โดยทั่วไปมีอัตราส่วนโมลประมาณ 60:20:20 พร้อมกับก๊าซต่างๆ เช่น ไฮโดรเจนและคาร์บอนไดออกไซด์

ทำไมบิวทิเรตจึงถือว่ามีความสำคัญเป็นพิเศษ?

บิวทิเรตเป็นแหล่งพลังงานที่เซลล์บุลำไส้ใหญ่ (colonocytes) ชอบใช้ และมีการศึกษาบทบาทของมันในการรักษาอุปสรรคของลำไส้และการควบคุมการทำงานของเซลล์ในท้องถิ่น