Vliv střevního mikrobiomu na svalovou sílu: Nová zjištění o bakterii Roseburia inulinivorans
Nová zjištění naznačují pozitivní souvislost mezi množstvím bakterie Roseburia inulinivorans ve střevě a svalovou silou u myší a lidí. Mechanismus této souvislosti však zatím není plně objasněn.
S přibývajícím věkem dochází k úbytku svalové hmoty a síly. Tento proces je významným faktorem vedoucím k celkové křehkosti, invaliditě a zhoršeným zdravotním výsledkům u starších dospělých. Cvičení a správná výživa jsou sice známými protiopatřeními, nicméně mají své limity, zvláště u osob, které jsou příliš křehké nebo nemocné, aby mohly efektivně cvičit. Z tohoto důvodu vědci hledají takzvaná mimetika cvičení – terapie, které by mohly replikovat některé přínosy fyzické aktivity bez nutnosti svalové námahy. Potřeba takových terapií vzrostla i s nástupem léčiv jako Ozempic a dalších agonistů GLP-1 receptorů, u nichž bylo pozorováno snížení svalové hmoty doprovázející úbytek tělesné hmotnosti.
Během posledního desetiletí výzkum ukázal, že střevní mikrobiom má širší funkci než jen trávení potravy. Produkuje řadu molekul, které ovlivňují metabolismus, záněty a funkci tkání v celém těle, včetně svalů. Dosud však nebyl u lidí ani zvířat kauzálně spojen žádný specifický bakteriální druh se svalovou silou.
Výzkum na lidských kohortách a zvířecích modelech
Pro překlenutí této mezery vědci z University of Almería a University of Granada, společně s výzkumníky z Leiden University Medical Center (LUMC, Nizozemsko), shromáždili vzorky stolice od dvou lidských kohort. Jednalo se o 33 starších dospělých a 90 mladých dospělých. Vzorky byly analyzovány a bakteriální DNA sekvenována. Složení mikrobiomu bylo následně porovnáno se dvěma metrikami fyzické výkonnosti: silou stisku ruky a maximální spotřebou kyslíku během cvičení (VO₂ peak), která měří kardiorespirační zdatnost.
Výzkumníci se zaměřili na rod Roseburia, který zpočátku vykazoval pozitivní asociace s výsledky souvisejícími se svaly. Následně se podrobněji zabývali druhovou úrovní a porovnávali tři druhy Roseburia: R. inulinivorans, R. faecis a R. intestinalis. U starších dospělých vykazovali ti, u nichž byl ve stolici detekován R. inulinivorans, o 29 % vyšší sílu stisku ruky ve srovnání s těmi bez této bakterie. Nebyl přitom pozorován odpovídající rozdíl v hodnotě VO₂ peak. Další dva zmíněné druhy nevykazovaly významnou souvislost se silou stisku ruky.
U mladých dospělých bylo vyšší množství R. inulinivorans pozitivně spojeno jak se silou stisku ruky, tak s VO₂ peak. R. inulinivorans a R. intestinalis také korelovaly se silou při leg pressu a bench pressu. Autoři uvádějí, že nebyla zjištěna významná korelace mezi množstvím Roseburia a příjmem potravy (energie, sacharidů, tuků, bílkovin nebo vlákniny), což snižuje pravděpodobnost, že by strava byla ovlivňujícím faktorem.
Pro posun od korelace ke kauzalitě podávali autoři živé bakterie Roseburia myším a měřili, zda to změní svalovou sílu. Třiceti dvěma samcům myší (ve věku 6 týdnů) byl nejprve po dobu 2 týdnů podáván širokospektrální antibiotický koktejl k depleci jejich nativních střevních bakterií. Myši byly následně randomizovány do čtyř skupin (osm myší v každé): kontrolní skupina s vehikulem, R. faecis, R. intestinalis nebo R. inulinivorans, podávané třikrát týdně po dobu 8 týdnů.
Žádný z druhů Roseburia nezlepšil čas do vyčerpání při běhu, což je ukazatel vytrvalosti a kardiorespirační zdatnosti. Nicméně, R. inulinivorans způsobil nárůst síly stisku předních končetin o 30 %. Tento efekt přetrvával i po korekci na beztukovou tělesnou hmotu, což znamená, že nebyl způsoben pouze větší velikostí myší. Myši, kterým byl podáván R. inulinivorans, měly také větší průřez svalových vláken (CSA) ve srovnání s kontrolami.
Bylo také zjištěno, že léčba R. inulinivorans posunula sval soleus směrem k vyššímu podílu vláken typu II (rychlá vlákna) ve srovnání s vlákny typu I (pomalá vlákna). Vlákna typu II jsou spojována s výkonem a silou, zatímco vlákna typu I jsou více orientována na vytrvalost. Toto zjištění je v souladu s výsledky získanými v lidské kohortě (zvýšená svalová síla, nikoli vytrvalost).
Hledání mechanismu účinku
Vzhledem k tomu, že druhy Roseburia jsou známými producenty butyrátu, mastné kyseliny s krátkým řetězcem (SCFA), která má protizánětlivé a metabolické signalizační role, byla zřejmá hypotéza, že R. inulinivorans zvyšuje hladiny butyrátu. Autoři změřili SCFA v obsahu slepého střeva a nezjistili žádné významné rozdíly mezi skupinami; butyrát se nepotvrdil jako odpověď.
Následně provedli profilaci aminokyselin a zjistili, že myši léčené R. inulinivorans vykazovaly nejvýraznější změny: hladiny methioninu, leucinu, isoleucinu, alaninu, valinu a lysinu v slepém střevě byly výrazně sníženy ve srovnání s kontrolami. To se jevilo jako paradox: proč by snížení množství aminokyselin vedlo ke zvýšení svalové síly?
Další experimenty, které zahrnovaly široké spektrum všech detekovatelných malých molekul (necílená metabolomika) z plazmy a kosterního svalstva myší, odhalily, že R. inulinivorans byl spojen s výraznějším posunem metabolitů než jiné druhy Roseburia, a to včetně těch souvisejících s metabolismem purinů. Puriny tvoří stavební kameny DNA/RNA a jsou klíčové pro energii (ATP) a metabolismus.
Zatímco tým jasně zdokumentoval metabolické změny, kompletní mechanismus jejich propojení zůstává hypotetický. Zhruba řečeno, když R. inulinivorans vyčerpává aminokyseliny ve střevě, hostitelský organismus může kompenzovat prioritizací alokace aminokyselin do metabolicky důležitých tkání, jako jsou svaly. Mezitím sval aktivuje purinové dráhy k podpoře produkce nukleotidů a dodávky energie za podmínek omezených aminokyselinami, čímž se v podstatě stává efektivnějším. K potvrzení této hypotézy je zapotřebí dalšího výzkumu.
Výskyt bakterie ve vztahu k věku
Nakonec autoři porovnali množství R. inulinivorans mezi věkovými skupinami. V jejich vlastních kohortách měli starší dospělí (65 a více let) významně nižší množství R. inulinivorans než mladí dospělí (18-25 let). Pro ověření těchto zjištění analyzovali soubor dat 3 512 metagenomů stolice od zdravých jedinců. V tomto souboru dat měli dospělí (18-65 let) mírně vyšší množství R. inulinivorans než starší dospělí, přičemž u dalších dvou druhů nebyly zjištěny významné rozdíly. Na druhé straně metaanalýza zahrnující všechny veřejně dostupné kohorty nedosáhla statistické významnosti pro žádný druh Roseburia, ačkoli velikost efektu pro R. inulinivorans měla klesající trend.
Profesor Jonatan Ruiz z Katedry tělesné výchovy a sportu na UGR a výzkumník z Joint University Institute for Sport and Health (iMUDS) uvedl: „Souhrnně naše zjištění poskytují podklady potvrzující existenci osy střevo-svaly, v níž tato identifikovaná bakterie pozitivně moduluje svalový metabolismus a svalovou sílu.“