tổng quan về tác động của vi sinh vật đƣờng ruột và probiotic lên hệ miễn dịch của ngƣời

Tên viết tắt Tên tiếng anh Tên tiếng việt PPI Proton pump inhibitors Thuốc ức chế bơm proton phosphatidylcholin Phospholipd phosphatidylcholin PRR Pattern recognition receptor Các thụ th

BỘ Y TẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC DƯỢC HÀ NỘI

TRẦN THỊ HOA

TỔNG QUAN VỀ TÁC ĐỘNG CỦA VI SINH VẬT ĐƯỜNG RUỘT VÀ PROBIOTIC

LÊN HỆ MIỄN DỊCH CỦA NGƯỜI

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP DƯỢC SĨ

HÀ NỘI - 2019

LÊN HỆ MIỄN DỊCH CỦA NGƯỜI

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP DƯỢC SĨ

HÀ NỘI - 2019

Sau một thời gian làm đề tài tại bộ môn Vi sinh - Sinh học, em đã có cơ hội được học tập cũng như rút ra rất nhiều kiến thức, kinh nghiệm mà em chưa được biết

Để có kiến thức và kết quả làm đề tài ngày hôm nay, trước hết em xin chân thành cảm ơn thầy Đỗ Ngọc Quang - Giảng viên của trường Đại học Dược Hà Nội đã tận tình giảng dạy và hướng dẫn em làm đề tài

Bên cạnh đó, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô trong bộ môn

Vi sinh - Sinh học đã giúp đỡ và tạo điều kiện giúp em hoàn thành tốt đề tài

Trong quá trình làm đề tài và làm báo cáo, do còn thiếu nhiều kiến thức và kinh nghiệm nên không tránh khỏi thiếu sót, vì vậy em mong được các thầy cô chỉ bảo thêm

để em có thể hiểu hơn nữa về đề tài

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 18 tháng 05 năm 2019 Sinh viên

Trần Thị Hoa

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ VI SINH VẬT ĐƯỜNG RUỘT 2

1.1 Quá trình hình thành hệ vi sinh vật đường ruột 2

1.1.1 Trong quá trình mang thai 3

1.1.2 Trong quá trình sinh 3

1.1.3 Sau khi sinh 4

1.2 Phân bố của hệ vi sinh vật đường ruột ở người trưởng thành 5

1.3.1 Điều kiện sinh 7

1.3.2 Tuổi 8

1.3.3 Chế độ dinh dưỡng 8

1.3.4 Sử dụng thuốc 9

1.3.5 Các yếu tố khác 10

CHƯƠNG 2: ẢNH HƯỞNG CỦA HỆ VI SINH VẬT ĐƯỜNG RUỘT ĐẾN HỆ MIỄN DỊCH ĐƯỜNG RUỘT 12

2.1 Hệ miễn dịch đường ruột nói chung 12

2.2 Cơ chế phân tử của hệ miễn dịch đường ruột đáp ứng với vi khuẩn xâm nhập 17

2.3 Ảnh hưởng của hệ vi sinh đường ruột đến hệ miễn dịch đường ruột 21

2.3.1 Hệ vi sinh vật đường ruột là hàng rào bảo vệ của cơ thể 21

2.3.2 Ảnh hưởng của hệ vi sinh vật đường ruột đến hệ miễn dịch đường ruột 23

2.3.3 Ảnh hưởng đến một số bệnh tự miễn dịch 25

CHƯƠNG 3: ẢNH HƯỞNG CỦA PROBIOTIC ĐẾN HỆ MIỄN DỊCH ĐƯỜNG RUỘT………

27 3.1 Định nghĩa 27

3.2 Tác dụng của probiotic 28

3.3.1 Ngăn chặn vi khuẩn gây bệnh đường ruột 31

3.3.2 Tăng cường chức năng của hàng rào biểu mô 32

3.4 Tiêu chí lựa chọn probiotic 36 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tên viết tắt Tên tiếng anh Tên tiếng việt

PPI Proton pump inhibitors Thuốc ức chế bơm proton

phosphatidylcholin

Phospholipd phosphatidylcholin

PRR Pattern recognition receptor Các thụ thể nhận dạng mẫu PAMPs Pathogen associated

molecular pattern

Các mẫu phân tử liên quan đến vi sinh

vật AMPs Antimicrobial peptides Các peptid kháng khuẩn

APC Antigen presenting cell Các tế bào trình diện kháng nguyên

TNFα Tumour necrosis factor alpha Cytokin

MHC II Major histocompatibility

cmplex class II

Phức hợp hoạt hóa mô

ARN Ribosomal ribonucleic acid Acid ribonucleic

DNA Deoxyribonucleic acid Acid deoxyribonucleic

STAT Signal transducer and

activator of transcription protein family

Yếu tố phiên mã

IL10, 17,

12, 22, 15

ILC Innate lymphocytes Tế bào bạch huyết bẩm sinh

thematosus

RA Rheumatoid arthritis Bệnh viêm khớp dạng thấp GALTs Gut associated lymphoid tisue Các mô lympho gắn với ruột IEC Intestinal epithelial cells Tế bào biểu mô ruột CLR Calcitonin like receptor Thụ thể giống calcitonin

Bảng 2.1: Các sản phẩm của tế bào goblet 13 Bảng 3.1: Các vi sinh vật dùng làm probiotic 27

Hình 1.1: Các yếu tố ảnh hưởng đến sự phát triển của hệ vi sinh vật đường ruột của trẻ

từ sơ sinh đến ba tuổi 2

Hình 1.2: Phân bố của hệ vi sinh vật đường ruột ở người trưởng thành 6

Hình 2.1: Sơ đồ minh họa hàng rào ruột 12

Hình 2.2: Hai lớp chất nhầy của biểu mô 14

Hình 2.3: Điều hòa biểu hiện protein kháng khuẩn 15

Hình 2.4: Cơ chế cảm nhận vi khuẩn ở bề mặt niêm mạc ruột 18

Hình 2.5: Đáp ứng miễn dịch chống lại vi khuẩn xâm nhập 19

Hình 2.6: Sơ đồ biểu diễn các tương tác của hệ vi sinh vật trong ruột khỏe và ruột bị viêm 22

Hình 3.1: Ba mức độ tác dụng của probiotic 28

Hình 3.2: Cơ chế tác dụng của probiotic 30

Hình 3.3: Tác dụng prebiotic và probiotic trên các phản ứng miễn dịch bẩm sinh và thích nghi 35

Cơ thể con người là vật chủ của nhiều vi sinh vật sống trên da, miệng, đường tiêu hóa, đường sinh dục … [39] Trong đó các vi sinh vật sống trong đường tiêu hóa

với hai nghành chủ yếu là Firmicutes và Bacteroides là đa dạng, phong phú và được

hiểu rõ nhất [20] Hệ vi sinh vật đường ruột có vai trò quan trọng trong sự phát triển và chức năng của hệ thống miễn dịch đường ruột Mối quan hệ này được duy trì cân bằng

ở những người khỏe mạnh nhưng với những người có hệ vi sinh vật đường ruột bị suy giảm hoặc rối loạn có thể dẫn đến các bệnh như: viêm ruột, rối loạn đường ruột, béo phì, tiểu đường, bệnh chuyển hóa [29]

Probiotic là các vi sinh vật sống mà khi cung cấp với số lượng thích hợp sẽ mang lại lợi ích sức khỏe cho vật chủ, giúp phục hồi lại số vi khuẩn có lợi sống trong ruột, chống lại sự xâm nhập của vi khuẩn có hại, kích thích chức năng miễn dịch đường ruột chống lại các nhiễm khuẩn đường ruột [8]

Để có một cái nhìn chi tiết về vai trò của vi sinh vật đường ruột và probiotic lên

hệ miễn dịch chúng tôi quyết định thực hiện đề tài ‟ Tổng quan về tác động của vi sinh vật đường ruột và probiotic lên hệ miễn dịch của người ” với mục tiêu hệ thống lại các nghiên cứu về: (i) đặc điểm của vi sinh vật đường tiêu hóa, (ii) vai trò của vi sinh vật đường tiêu hóa lên hệ miễn dịch đường ruột, (iii) ảnh hưởng của probiotic lên hệ miễn dịch đường ruột

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ VI SINH VẬT ĐƯỜNG RUỘT

Cơ thể con người là vật chủ của nhiều loài vi sinh vật sống ở trên da, miệng, … đặc biệt các vi sinh vật sống trong ruột là đa dạng, phong phú và được tìm hiểu rõ nhất Các vi sinh vật này tác động lên cơ thể con người trong suốt cuộc sống [39]

1.1 Quá trình hình thành hệ vi sinh vật đường ruột

Vi sinh vật đường ruột được hình thành trong quá trình mang thai, khi chào đời,

và tiếp tục phát triển trong vòng hai đến ba năm đầu đời của trẻ [14] Trong ba năm đầu đời, sự phát triển của hệ vi sinh đường ruột bị ảnh hưởng bởi trục đường ruột, phơi nhiễm của mẹ và trẻ sơ sinh bao gồm: phương thức sinh, phơi nhiễm kháng sinh và các hình thức cho ăn [70] Quá trình hình thành hệ vi sinh vật đường ruột trong giai đoạn đầu ảnh hưởng đến sự phát triển đường tiêu hóa, miễn dịch, thần kinh, và giảm sự đa dạng vi sinh vật hoặc rối loạn sinh lý trong giai đoạn đầu có liên quan đến rối loạn ở trẻ nhỏ và sau này [14][56]

Hình 1.1: Các yếu tố ảnh hưởng đến sự phát triển của hệ vi sinh vật đường ruột của trẻ

từ sơ sinh đến ba tuổi [70]

Phương thức sinh: tự

nhiên/phẫu thuật

Cai sữa và bổ sung thức ăn rắn

Mô hình cho ăn (bú sữa mẹ, sữa công

thức, bổ sung), tiếp xúc với kháng

sinh, phơi nhiễm môi trường

Hệ vi sinh đường ruột ổn định

1.1.1 Trong quá trình mang thai

Hệ vi sinh vật của thai nhi có thể được hình thành ngay từ trong quá trình mang thai thông qua hàng rào nhau thai Các nghiên cứu gần đây cho thấy sự có mặt của các

loài Enterococcus, Lactobacillus, … trong máu rốn, nước ối, nhau thai và màng bào

thai của thai nhi [64] Sự chuyển tiếp giữa cuộc sống trước và sau sinh là một cửa sổ quan trọng để can thiệp vào chế độ ăn uống của mẹ, đảm bảo sự phát triển bình thường của hệ vi sinh vật của trẻ sơ sinh với những tác động đối với sức khỏe trong cuộc sống trưởng thành [64]

1.1.2 Trong quá trình sinh

Trong quá trình sinh, các vi sinh vật trong âm đạo của người mẹ sẽ góp phần hình thành hệ vi sinh vật của trẻ Các yếu tố như sinh thường, sinh mổ, sinh non đều ảnh hưởng đến hệ vi sinh vật của trẻ [68]

Trẻ sơ sinh sinh ra tự nhiên có hệ vi sinh vật đường ruột giống với hệ vi sinh

vật âm đạo của mẹ [70] Các vi sinh vật thường gặp gồm có: Lactobacillus, Prevotella, dần có sự phân bố lớn hơn của Bifidobacterium và Bacteroides [27][19]

Trẻ sinh mổ có hệ vi sinh đường ruột tương đồng với hệ vi sinh vật trên da của

người mẹ Thành phần chính gồm: Staphylococcus, Corynebacteria,

Propionibacterium spp và tỷ lệ Bifidobacteria, Bacteroides spp thấp hơn so với trẻ

sinh tự nhiên [70] Trẻ sinh mổ tiếp cận với kháng sinh dự phòng trong tử cung dẫn đến thay đổi hệ vi sinh vật đường ruột [27] Trẻ sinh mổ có hệ vi sinh vật kém đa dạng hơn trẻ sinh thường [70] Sự kém đa dạng này dẫn đến làm tăng nguy cơ trẻ mắc bệnh như: viêm ruột hoại tử, bệnh chàm, bệnh suyễn, hội chứng ruột kích thích, béo phì, bệnh tiểu đường [14] Những khác biệt này trong hệ vi sinh vật đường ruột có ảnh

hưởng quan trọng đến sức khỏe vì các chi Bifidobacterium và Lactobacillus được coi

là có lợi cho sức khỏe, trong khi một số Staphylococcus spp và Clostridium spp có

tiềm năng gây bệnh [27]

Việc phơi nhiễm kháng sinh sẽ làm giảm tạm thời sự đa dạng về vi sinh vật đường ruột, dẫn đến làm tăng nguy cơ trẻ bị nhiễm các vi sinh vật gây bệnh Ví dụ

nhiễm Clostridium difficile là một điển hình về việc giảm đa dạng sinh học cho phép

sự phát triển của mầm bệnh trong ruột [68] Kháng sinh làm thay đổi các quá trình trao đổi chất của trẻ như ảnh hưởng đến chuyển hóa cholesterol và lipid, tăng tính nhạy cảm với chế độ ăn nhiều chất béo [19] Việc sử dụng kháng sinh có thể phá vỡ sự phát triển bình thường của hệ vi sinh vật đường ruột, hệ thống miễn dịch và mất nhiều thời gian để phục hồi hệ vi sinh vật làm tăng nguy cơ mắc các bệnh như béo phì, tiểu đường, dị ứng, hen suyễn và bệnh viêm ruột [68] Trẻ sinh non tháng hoặc nhẹ cân có nguy cơ mắc các rối loạn liên quan đến kháng sinh cao nhất [19] Điều trị bằng nhiều loại kháng sinh như: penicillin, ampicillin, cephalexin … , làm tăng tỷ lệ vi sinh vật có

khả năng gây bệnh, giảm tỷ lệ vi sinh vật có lợi như Bifidobacteriaceae và

Lactobacillus spp [14] Ví dụ điều trị bằng kháng sinh ở trẻ sinh non bị viêm ruột làm

tăng γ-Proteobacteria [68]

1.1.3 Sau khi sinh

Sự phát triển của hệ vi sinh vật đường ruột sau khi sinh chịu ảnh hưởng nhiều của chế độ ăn của trẻ [14]

Hệ vi sinh vật đường ruột của trẻ bú sữa mẹ chứa nhiều Bifidobacterium, ngoài

ra còn có Bacteroides, Streptococcus, và Lactobacillus [70][68] Các loài

Bifidobacterium và Lactobacillus được coi là có lợi cho sức khỏe của trẻ Sữa mẹ có

khả năng điều chỉnh sự xâm nhập của vi sinh vật trong ruột trẻ sơ sinh với các thành phần riêng biệt không có trong sữa công thức: hệ vi sinh vật sữa mẹ, các yếu tố kích thích sự phát triển của vi sinh vật và các yếu tố ngăn chặn sự phát triển của vi khuẩn [68]

Bên cạnh việc đáp ứng nhu cầu dinh dưỡng và sinh lý của trẻ sơ sinh, sữa mẹ chứa một số thành phần đặc trưng như oligosaccharides giúp tăng trưởng chọn lọc một

số loại vi sinh vật trong đường ruột: Bifidobacterium sp - B infantis, B bifidum, B

breve và B longum [14] HMO kích thích tăng trưởng Bifidobacterium sp do HMO dễ

bị phân hủy bởi Bifidobacterium sp và cung cấp dinh dưỡng cho các vi sinh vật này

[70] Các vi sinh vật này có vai trò lên men oligosaccharides trong chế độ ăn uống, giúp tăng cường sức khỏe, điều chỉnh hệ thống miễn dịch của trẻ và có thể giúp ngăn ngừa các bệnh như eczema và hen suyễn [12][27] Có thể dự đoán tỷ lệ vi sinh vật đường ruột qua tỷ lệ HMO do mối liên hệ tích cực và tiêu cực giữa HMO và sự phong

phú tương đối của các chi vi sinh vật [14] Hệ vi sinh vật của trẻ bú sữa mẹ có chức năng tổng hợp vitamin B mạnh Bú sữa mẹ giúp cân bằng thành phần của hệ vi sinh đường ruột của trẻ do các vấn đề bất lợi trong cuộc sống [14]

Khi chuyển từ bú sữa mẹ sang ăn các thức ăn rắn, hệ vi sinh vật của trẻ thay đổi

và tương đồng với người trưởng thành Sự có mặt của của các loài Bacteroides spp,

Clostridium và Streptococcus kỵ khí phổ biến hơn [70] Nghiên cứu cho thấy những

thay đổi này liên quan đến ngừng dùng sữa mẹ hơn là chuyển sang các loại thức ăn rắn [14] Dùng sữa mẹ làm chậm sự trưởng thành của hệ vi sinh vật đường ruột [39]

Trẻ bú sữa công thức có hệ vi sinh vật đường ruột khác với trẻ bú sữa mẹ với sự

hiện diện của Staphylococcus, Streptococcus và Clostridium đa dạng hơn [68] Trẻ bị nhiễm Clostridium có nguy cơ mắc các bệnh dị ứng cao hơn như eczema, thở khò khè

tái phát, và viêm da dị ứng [70] Giống như trẻ dùng thức ăn rắn, trẻ bú sữa công thức

có hệ vi sinh vật tương đồng với người trưởng thành [14] Do vậy việc chuyển đổi từ giai đoạn bú sữa công thức sang giai đoạn ăn thức ăn rắn không làm thay đổi nhiều thành phần của hệ vi sinh vật đường ruột [14] Hệ vi sinh vật ở trẻ bú sữa công thức có các chức năng đặc trưng của một hệ vi sinh vật trưởng thành: tổng hợp acid mật, tham gia vào các quá trình chuyển hóa [70]

1.2 Phân bố của hệ vi sinh vật đường ruột ở người trưởng thành

Ước tính rằng hệ vi sinh đường ruột của người trưởng thành chứa khoảng 100 nghìn tỷ vi sinh vật thuộc 1.800 chi và 15.000 - 36.000 loài [17] Ngành chiếm ưu thế

là Firmicutes 53,9%, Bacteroides 35,3%, chiếm tỉ lệ thấp hơn là Proteobacteria 4,5%

và các ngành Verrucomicrobia, Actinobacteria, Tenericutes mỗi ngành 2% và 1%

[20]

Ngành Firmicutes gồm 4 lớp: lớp Clostridia 95%, Mollicutes 4.5%, Bacilli 0.2%, lớp khác 0.3% Phần lớn các vi sinh vật thuộc lớp Clostridia thuộc nhóm XIV (XIVa và XIVb), bao gồm các chi như Eubacterium, Ruminococcus Nhiều vi sinh vật sản xuất butyrate thuộc nhóm Clostridia XIVa như E hallii giúp ngăn ngừa sự tích lũy

lactate trong ruột kết của người [27]

Ngành Bacteroides gồm các lớp: B vulgatus chiếm 31%, Prevotellaceae chiếm 23%, B thetaiotaomicron chiếm 13%, còn lại là các lớp khác [40]

Ngành Proteobacteria gồm 5 lớp: alpha, beta, gamma, delta, epsilon

Proteobacteria [15] Mật độ vi sinh vật thay đổi theo vị trí từ thực quản đến đại tràng,

thực quản chứa 10 ˆ11 tế bào/ml, đại tràng chứa 10 ˆ12 tế bào/ml [40][27]

Hình 1.2: Phân bố của hệ vi sinh vật đường ruột ở người trưởng thành [27]

Các vi sinh vật trong trong thực quản bao gồm Bacteroides, Pseudomonas,

Prevotella, Rothia sp, Streptococcus, trong đó chiếm đa số là Streptococcus Môi

trường thực quản pH < 4.0, tương đối ổn định để vi sinh vật có thể cư trú Môi trường thực quản có thể bị thay đổi do yếu tố bệnh như trào ngược thực quản, làm cho các loài mới xuất hiện Xác định các quần thể vi sinh vật phức tạp trong thực quản để hiểu vai trò của vi sinh vật như là dấu hiệu hoặc các yếu tố gây bệnh trong các bệnh thực quản như viêm thực quản không rõ nguyên nhân, thực quản barrett và ung thư tuyến

thực quản Các H pylori có trong dạ dày cũng có thể làm thay đổi hệ sinh vật thực

quản do ảnh hưởng đến độ axit dạ dày và trào ngược của nó [55]

Các vi sinh vật phổ biến nhất trong dạ dày là Helicobacter pylori, tiếp đó đến

Streptococcus và Prevotella , ngoài ra còn một số vi sinh vật như Lactobacillus,

Enterococcus Helicobacter pylori có thể gây bệnh viêm dạ dày, bệnh loét dạ dày tá

Thực quản pH < 4.0: Bacteroides,

Gemella, Megasphaera, Pseudomonas,

Prevotella, Rothia sps, Streptococcus,

pylori

Ruột non pH 5 - 7:

Bacteroides, Clostridium, Streptococcus, Lactobacillus, γ- Proteobacteria, Enterococcus

tràng và ung thư biểu mô [7] Dạ dày có môi trường pH 2.0, môi trường axit của dạ

dày là không thích hợp với hầu hết các vi sinh vật ngoại trừ các loài Helicobacter, ngoài Helicobacter thì các vi sinh vật trong dạ dày khác phổ biến hơn chỉ ở những

bệnh nhân bị giảm axit như viêm dạ dày teo tiến triển [55]

Thành phần vi sinh vật trong ruột non chủ yếu là Bacteroides, Clostridium,

Streptococcus, Lactobacillus, Enterococcus, γ-Proteobacteria Trong đó vi khuẩn Bacillus thuộc ngành Firmicutes chiếm số lượng đáng kể [17] Có sự khác biệt về phân

bố vi sinh vật giữa các vị trí khác nhau trong ruột non Các chi Bifidobacterium,

Streptococcus, Clostridium, Lactobacillus và Ruminococcus chiếm ưu thế trong lòng

ruột; các chi Clostridium, Lactobacillus, Enterococcus, Akkermansia có trong lớp nhầy

và bề mặt ruột non [27]

Ruột già và đại tràng chứa hơn 70% lượng vi sinh vật đường ruột, nhiều nhất là

hai ngành Firmicutes và Bacteroidetes, ngoài ra còn có các loài khác như

Campylobacter, Salmonella, Vibrio cholera và E coli với số lượng ít hơn [27] Vi

sinh vật kỵ khí nhiều gấp 10 lần vi sinh vật hiếu khí [44] Vi sinh vật ở đại tràng có số

lượng và thành phần phong phú bao gồm: Bacteroides, Prevotella, Clostridium,

Porphyromonas, Eubacterium, Ruminococcus, Streptococcus, Enterococcus, Lactobacillus, Peptostreptococcus, Fusobacteria, Enterobacterium [27] Các loài Prevotella và Clostridium chiếm ưu thế Các vi sinh vật đại tràng có vai trò quan trọng

đối với điều hòa miễn dịch, các rối loạn góp phần gây ra các bệnh như bệnh crohn và

viêm loét đại tràng [44] Manh tràng chủ yếu gồm các loài: Lachnospira, Roseburia,

Butyrivibrio, Ruminococcus, Fecalibacterium, Fusobacteria [27]

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ vi sinh vật đường tiêu hóa

1.3.1 Điều kiện sinh

Trẻ sinh đủ tháng được sinh tự nhiên tại nhà có hệ vi sinh vật đường ruột có lợi

nhất: số lượng Bifidobacteria cao nhất, số lượng C difficile và E coli thấp nhất [56] Trẻ sinh đủ tháng nhưng sinh mổ tại bệnh viện có số lượng vi khuẩn C difficile và E

coli cao hơn Trẻ sinh non tại bệnh viện có số lượng vi khuẩn C difficile cao nhất Một

số nghiên cứu cho thấy 64% trẻ sinh non (thai ít hơn 37 tuần tuổi) bị mắc các bệnh do

vi khuẩn gây ra Điều này dẫn đến việc phải sử dụng kháng sinh và làm thay đổi hệ vi sinh vật đường ruột ở trẻ sinh non [56]

1.3.2 Tuổi

Thành phần vi sinh vật đường tiêu hóa thay đổi theo tuổi Tỷ lệ các vi khuẩn

Lachnospiraceae, Bifidobacteriaceae, Peptostreptococcaceae có xu hướng tăng theo

tuổi trong khi các vi khuẩn Enterobacteriaceae, Staphylococcaceae và

Streptococcaceae lại có xu hướng giảm [39] Các kết quả này cho thấy sự chuyển đổi

từ hệ vi sinh vật vi hiếu khí hoặc hiếu khí tùy tiện ở đường tiêu hóa của người trẻ tuổi sang hệ vi sinh vật kỵ khí nghiêm ngặt ở người lớn tuổi hơn [39]

1.3.3 Chế độ dinh dưỡng

Chế độ dinh dưỡng đóng một vai trò quan trọng trong việc tạo ra sự thay đổi về tính đa dạng trong hệ vi sinh vật đường ruột [27] Chế độ ăn giàu trái cây, rau và chất

xơ dẫn đến đường tiêu hóa chứa nhiều vi sinh vật chuyển hóa carbohydrate không hòa

tan như Ruminococcus bromii, Roseburia và Eubacterium rectale [27].Chế độ ăn giàu

protein động vật, đường, tinh bột và kém chất xơ dẫn đến tăng số lượng Firmicutes

[70] Hệ vi sinh vật đường ruột ở trẻ em tiêu thụ chế độ ăn giàu chất xơ có nhiều vi

khuẩn Prevotella và Xylanibacter Hai loài này có enzyme cần thiết cho quá trình thủy

phân của tinh bột Quá trình lên men của các loại tinh bột này tạo ra một lượng lớn các axit béo mạch ngắn đã được chứng minh trong các nghiên cứu tiền lâm sàng là rất quan trọng đối với điều hòa miễn dịch [70] Acid béo chuỗi ngắn cũng có vai trò ngoài ruột và có thể cải thiện nguy cơ mắc các bệnh và rối loạn hệ thống miễn dịch, chuyển hóa như viêm xương khớp, béo phì, tiểu đường type 2 và bệnh tim mạch [12] Các nghiên cứu dịch tễ học và thực nghiệm cho thấy chất xơ vừa phòng ngừa vừa điều trị cho nhiều rối loạn đường ruột và các bệnh khác, bao gồm bệnh tim mạch, tiểu đường type 2 và béo phì [12]

Protein trong thức ăn là nguồn nitơ chủ yếu của vi sinh vật đường tiêu hóa Quá trình lên men protein ở vi sinh vật có thể tạo ra các sản phẩm có hại cho người Ví dụ chuyển hóa l-peritine, có nhiều trong thị đỏ, tạo ra trimethylamine-N-oxide có thể làm tăng nguy cơ xơ vữa động mạch [12] Một số thực phẩm khi tiêu thụ nhiều có thể làm

giảm sự đa dạng của vi sinh vật đường ruột như sữa có nhiều chất béo, đồ uống có đường [15]

Chế độ dinh dưỡng giàu lipid làm giảm thành phần các vi sinh vật đường ruột

thuộc bộ Bacteroidales và họ Clostridiaceae [27] Các vi sinh vật này tham gia vào

quá trình chuyển hóa acid béo chuỗi ngắn, góp phần tạo cân bằng năng lượng cho cơ thể người, bảo vệ chống lại hội chứng chuyển hóa, đái tháo đường type 2, và xơ vữa động mạch [18]

Chế độ ăn giàu calo, nhiều chất béo, lối sống ít vận động có thể dẫn đến béo phì

và gây ra sự thay đổi trong hệ vi sinh vật đường ruột [12] Ở những người béo phì có

sự gia tăng vi khuẩn ngành Firmicutes, giảm ngành Bacteroidetes và gia tăng các vi khuẩn có thể gây bệnh như Staphylococcus, E coli, Enterobacteriaceae Chế độ ăn

giàu chất béo bão hòa có thể làm tăng số lượng vi khuẩn gây viêm do kích thích sự hình thành các axit mật liên hợp giúp thúc đẩy sự phát triển của các tác nhân gây bệnh này [12]

Chế độ ăn có các sản phẩm như sữa chua, sữa … có chứa các chất cần thiết cho

quá trình lên men như Lactococcus lactis làm tăng sự đa dạng của hệ vi sinh vật đường

ruột [71]

1.3.4 Sử dụng thuốc

Thuốc ức chế bơm proton nằm trong số mười loại thuốc được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới [26] Việc sử dụng PPI đi kèm với những thay đổi sâu sắc trong hệ vi sinh vật đường ruột, những thay đổi này nổi bật hơn so với những thay đổi liên quan đến kháng sinh hoặc các loại thuốc thường được sử dụng khác [26] Các thuốc PPI làm giảm độ acid của dạ dày, dẫn đến tạo điều kiện cho nhiều loài vi sinh vật có thể sinh trưởng được [71] Vi khuẩn đường miệng và vi khuẩn gây bệnh tăng lên trong hệ vi sinh vật đường ruột của người dùng PPI Ở người sử dụng PPI, quan sát thấy có sự gia

tăng đáng kể của vi khuẩn thuộc các chi: Enterococcus, Streptococcus, Staphylococcus [26] Việc sử dụng PPI làm tăng nguy cơ nhiễm C difficile, Salmonella spp, Shigella

spp, Campylobacter spp, và nhiễm trùng đường ruột khác, đặc biệt là tăng nguy cơ

nhiễm Clostridium difficile đến 65% [26]

Việc sử dụng kháng sinh gây tác động ngắn hạn và dài hạn đến hệ vi sinh vật đường ruột Sau khi sử dụng kháng sinh, hệ vi sinh đường ruột bị mất cân bằng, dễ dẫn

đến sự phát triển của các vi khuẩn gây bệnh như Salmonella typhimurium, Clostridium

difficile [71] Việc điều trị H pylori bằng clarithromycin có thể dẫn đến giảm đáng kể

lượng vi khuẩn Actinobacteria [71] Trẻ sơ sinh sử dụng kháng sinh, chủ yếu là amoxicillin trong một tháng đầu đời có thể dẫn đến giảm số lượng Bifidobacteria [56]

Trong một số trường hợp việc hồi phục hoàn toàn hệ vi sinh vật đường tiêu hóa sau khi điều trị bằng kháng sinh có thể kéo dài đến hai năm Ngoài việc làm thay đổi thành phần hệ vi sinh vật đường tiêu hóa, kháng sinh còn gia tăng lượng vi khuẩn kháng thuốc trong cơ thể [71]

Metformin là thuốc điều trị tiểu đường có thể làm giảm các con đường chuyển hóa D- glucarate, D-galactarate và pyruvat trong khi làm tăng chuyển hóa acid béo chuỗi ngắn của vi sinh vật đường ruột [71]

1.3.5 Các yếu tố khác

Trẻ sơ sinh của các bà mẹ hút thuốc trong thời gian mang thai hoặc hiện đang

hút thuốc có sự gia tăng về thành phần Bacteroides và Staphylococcus [39] Ở người trưởng thành, hút thuốc lá làm tăng lượng vi khuẩn Prevotella spp [12] Hút thuốc và

thiếu tập thể dục có tác động đáng kể đến ruột già vì chúng là yếu tố nguy cơ đối với ung thư đại trực tràng Các hạt độc hại trong khói thuốc có thể tiếp cận với ruột già thông qua giải phóng từ phổi và tăng ô nhiễm môi trường góp phần làm tăng các trường hợp viêm ruột [12]

Nhiều yếu tố liên quan đến tình trạng kinh tế xã hội, là yếu tố quyết định quan trọng đối với sức khỏe con người và có thể gián tiếp tác động đến hệ vi sinh vật đường ruột qua nhiều cơ chế, bao gồm phơi nhiễm môi trường (điều kiện nhà ở, ô nhiễm, vv), căng thẳng mãn tính, chế độ ăn uống và hoạt động thể chất [39] Một yếu tố lối sống như căng thẳng có tác động đến hoạt động của đại tràng làm thay đổi cấu trúc hệ vi

sinh đường ruột, làm giảm số lượng Lactobacillus Căng thẳng có thể góp phần vào

hội chứng ruột kích thích, một trong những rối loạn chức năng đường ruột phổ biến nhất và những thay đổi liên quan trong quần thể vi sinh vật thông qua hệ thống thần kinh trung ương [12]

Các yếu tố môi trường khác cũng có thể ảnh hưởng đến sức khỏe thông qua hệ

vi sinh vật đường ruột Phơi nhiễm với vật nuôi có thể làm tăng Clostridium spp [39]

Du lịch, đặc biệt là đến các nước ngoài, làm tăng nguy lây lan các bệnh truyền nhiễm Tình trạng vệ sinh kém ở các nước đang phát triển và vệ sinh cá nhân kém, có thể tạo thuận lợi cho sự lây lan của các tác nhân lây nhiễm, công việc thay đổi hoặc các lý do khác, cũng ảnh hưởng đến sức khỏe đường ruột và làm thay đổi quần thể vi khuẩn đường ruột [12]

CHƯƠNG 2: ẢNH HƯỞNG CỦA HỆ VI SINH VẬT ĐƯỜNG RUỘT ĐẾN HỆ MIỄN DỊCH ĐƯỜNG RUỘT

2.1 Hệ miễn dịch đường ruột nói chung

Hàng rào ruột là một cấu trúc phức tạp ngăn cách môi trường bên trong với môi trường bên ngoài, bao gồm ba thành phần chức năng chính:

- Hệ vi sinh vật sống hội sinh trong ruột [48]

- Biểu mô với các tế bào đảm nhận chức năng khác nhau (tế bào goblet - sản xuất chất nhầy, tế bào paneth - sản xuất các chất kháng khuẩn, tế bào ruột, tế bào nội tiết) [13][48]

- Mô bạch huyết bao gồm các tế bào miễn dịch khác nhau (các tế bào tiết IgA, tế bào đuôi gai, các tế bào tiếp xúc trực tiếp với các kháng nguyên ở ruột, tế bào lympho) [13]

Hình 2.1: Sơ đồ minh họa hàng rào ruột [13].

Biểu mô ruột bao gồm bốn loại tế bào chuyên biệt: tế bào ruột (cấu thành khoảng 80%); tế bào goblet; tế bào paneth tổng hợp chất kháng khuẩn và các chất chống vi trùng khác, các tế bào paneth là các tế bào sống lâu và thường phân bố ở ruột non [1]; tế bào nội tiết tiết ra các hormone peptide có liên quan đến quá trình sửa chữa

mô, tạo mạch, phân biệt tế bào, chịu trách nhiệm cho sự cân bằng và tái tạo tế bào biểu

mô [1][13]

Ruột trong

Biểu

mô

Tế bào Paneth

Tế bào Goblet

Tế bào

ruột

Tế bào đuôi gai

Peptid kháng khuẩn

Vi sinh vật hội

Chất nhầy

Bảng 2.1: Các sản phẩm của tế bào goblet [13]

TFF3 Phục hồi biểu mô và chữa lành vết thương Tạo điều kiện di chuyển tế

bào Tăng độ nhớt của chất nhầy và tính toàn vẹn cấu trúc của các lớp chất nhầy

FcGbp Liên kết kháng thể IgG Ổn định và liên kết với các mạng lưới chất

nhầy mucin 2 của lớp chất nhầy bên trong

Ngoài ra biểu mô ruột chứa các tế bào vi mô có chức năng vận chuyển vi khuẩn

và kháng nguyên đến các tế bào miễn dịch [1] Biểu mô ruột là một hàng rào thấm chọn lọc vì nó cho nước, chất điện giải và các chất dinh dưỡng trong chế độ ăn uống đi qua nhưng ngăn chặn sự xâm nhập bất lợi của các kháng nguyên, vi sinh vật và độc tố của chúng Để thực hiện chức năng này, các tế bào biểu mô ruột được liên kết chặt chẽ với nhau bởi các phức hợp protein khác nhau bao gồm các mối nối chặt chẽ, các mối nối kết nối [13]

Bề mặt tế bào biểu mô ruột được bao phủ bởi hai lớp chất nhầy Lớp chất nhầy bên ngoài có vi sinh vật hội sinh, được tiết ra bởi các tế bào goblet là hàng rào đầu tiên chống lại tổn thương vật lý và hóa học do thức ăn, vi khuẩn và các sản phẩm do vi khuẩn gây ra [32]; lớp chất nhầy bên trong không có vi sinh vật, có chức năng như một hàng rào bảo vệ quan trọng chống lại sự bám dính của vi khuẩn và xâm lấn các tế bào bên dưới biểu mô [32]

Cần thiết cho sự hình thành của một lớp chất nhầy nguyên vẹn và ổn định là các glycoprotein trong đó mucin chiếm ưu thế trong đường ruột [1] Ngoài mucin, chất nhầy gồm: protein liên kết Fc-gamma, protein, carbohydrate, lipid và chứa một lượng

nước cao [1] Phospholipid phosphatidylcholine là một thành phần chất nhầy quan trọng, trong đó các chuỗi axit béo của PC được định hướng đến lòng ruột tạo ra một bề mặt kỵ nước bảo vệ trên đỉnh của lớp chất nhầy Bên cạnh các protein kháng khuẩn, chất nhầy cũng chứa IgA với số lượng lớn và giúp ngăn chặn sự xâm nhập của các vi sinh vật [1] Chất nhầy cung dinh dưỡng cho vi sinh vật, ngăn chặn sự tiếp xúc của vi sinh vật đường ruột và bề mặt biểu mô [60] Ngoài chức năng bảo vệ, chất nhầy còn có khả năng bôi trơn và rất quan trọng để giữ cho bề mặt niêm mạc ngậm nước [1]

Hình 2.2: Hai lớp chất nhầy của biểu mô [32]

Tế bào Paneth là tế bào bài tiết các hạt chứa nhiều loại protein Các protein phong phú nhất trong các hạt là: defensins, lysozym [6] Hai loại protein kháng khuẩn đặc trưng là defensin và cathelicidin Defensins là axit amin dài gồm hai nhóm chính

là α‑defensins và β‑defensins [6] Hai loại có tầm quan trọng ở ruột non là defensin 5

và defensin 6, trong đường ruột chúng được tổng hợp với số lượng lớn bởi các tế bào

Chất kháng khuẩn do tế bào Paneth sản xuất Chất kháng khuẩn do tế bào Goblet sản xuất

Vi khuẩn IgA do tế bào ruột tiết ra

Paneth trong ruột non Ngoài ra α-defensin còn được biểu hiện trong bạch cầu hạt trung tính [1]

Cả α‑defensin và β‑defensin đều có tác dụng kháng khuẩn, có hoạt tính chống lại vi khuẩn gram âm và gram dương Ngoài defensin thì RegIIIγ là một chất kháng khuẩn rất cần thiết cho việc duy trì vùng vô trùng có độ dày khoảng 50 mm trên bề mặt ruột non [1] Một số protein kháng khuẩn bao gồm hầu hết các α-defensin, được biểu hiện và không yêu cầu tín hiệu vi sinh vật cho biểu hiện của chúng Sự biểu hiện của một số protein (REG3γ) được điều khiển bởi các mẫu phân tử liên quan đến vi sinh vật kích hoạt các thụ thể TLR [24]

Hình 2.3: Điều hòa biểu hiện protein kháng khuẩn [24].

Biểu mô niêm mạc ruột có khả năng dung nạp vi sinh vật đường ruột vì khả năng phân biệt vi sinh vật hội sinh với vi sinh vật gây bệnh bằng các mẫu phân tử của chúng, như các mẫu phân tử liên quan đến vi khuẩn và các mẫu phân tử liên quan đến mầm bệnh, thông qua các thụ thể nhận dạng mẫu Hai họ PRR nhiều nhất là các thụ thể oligome hóa liên kết với nucleotide nội bào và các thụ thể hình chuông [32] PRR phát hiện vi sinh vật bằng các cấu trúc đặc trưng cho chúng, ví dụ như lipopolysacarit, peptidoglycan, DNA của vi khuẩn, flagellin [1]

TLR có vai trò nhận dạng qua trung gian của các thành phần có nguồn gốc từ các mầm bệnh và có vai trò trong việc bắt đầu phản ứng miễn dịch bẩm sinh Mỗi TLR

Tế bào

ruột

Tế bào paneth

Biểu hiện phụ thuộc TLR

Biểu hiện phụ thuộc NOD2

2 Vi khuẩn

3 Vi khuẩn bị tiêu diệt + α-defensin, REG3γ:

các chất kháng khuẩn + TLR, NOD2: các thụ thể nhận dạng mẫu

phát hiện các mẫu phân tử liên quan đến vi sinh vật khác nhau có nguồn gốc từ virus,

vi khuẩn, nấm và ký sinh trùng PAMPs như lipoprotein - được phát hiện bởi TLR1, TLR2 và TLR6, ARN chuỗi kép - được phát hiện bởi TLR3, lipopolysacarit - được phát hiện bởi TLR4, flagellin - TLR5, ARN chuỗi đơn và DNA - TLR9 [31] Các loại

tế bào quan trọng nhất biểu hiện TLR bao gồm đại thực bào, tế bào đuôi gai và tế bào lympho B Các đại thực bào đường ruột biểu hiện hầu hết các TLR [72] Tương tác PRR - PAMPs rất quan trọng trong việc duy trì chức năng hàng rào niêm mạc, điều chỉnh việc sản xuất chất nhầy, peptid kháng khuẩn, IgA [9]

Lớp bên dưới biểu mô ruột phát hiện và hạn chế vi khuẩn gây bệnh thông qua

sự hiện diện của các tế bào đuôi gai, đại thực bào, các tế bào bạch huyết [48]

Các đại thực bào có ở niêm mạc trong toàn bộ đường tiêu hóa và chủ yếu nằm dưới lớp biểu mô, do đó có vị trí lý tưởng để bắt và phá hủy bất kỳ vật liệu nào vi phạm hàng rào biểu mô [3][50] Một số đại thực bào có mặt trong các lớp cơ trơn của thành ruột, đóng vai trò quan trọng trong việc điều hòa nhu động ruột Đại thực bào đường ruột thể hiện mức độ cao của các thụ thể MCH lớp II Với biểu hiện cao của MHCII và khả năng tiếp nhận kháng nguyên, đại thực bào ruột cũng đóng vai trò là tế bào trình diện kháng nguyên, tương tác và ảnh hưởng đến sự biệt hóa của tế bào TCD4+ Chúng cũng thể hiện mức độ cao của thụ thể thực bào TREM2, giúp tăng cường khả năng thực bào vi khuẩn gây bệnh [3] Đại thực bào ruột sản xuất nhiều loại cytokine và các yếu tố hòa tan khác giúp duy trì cân bằng nội môi Ví dụ PGE2, kích thích sự tăng sinh của các tế bào biểu mô trong đường ruột qua đó điều chỉnh tính toàn vẹn của hàng rào biểu mô Đại thực bào sản xuất một lượng đáng kể IL10, cũng như một mức độ nhất định TNFα TNFα có thể điều chỉnh sự tăng trưởng của tế bào ruột

và thay đổi tính thấm của hàng rào biểu mô, kích thích sản xuất các enzyme tái tạo mô

để điều chỉnh chức năng tế bào biểu mô [3]

Tế bào đuôi gai và các tế bào khác: các tế bào đuôi gai lấy mẫu vi khuẩn bằng cách kéo dài sợi nhánh vào trong lòng ruột hoặc lấy mẫu kháng nguyên được vận chuyển đến bởi các tế bào vi mô [60] Các tế bào đuôi gai tương tác với các tế bào lympho B và T để tạo ra IgA IgA được tiết ra vận chuyển qua lớp tế bào biểu mô và

liên kết với vi khuẩn, từ đó hạn chế sự xâm nhập của vi khuẩn qua lớp tế bào biểu mô [50]

Niêm mạc ruột chứa các tế bào plasma tiết kháng thể và IgA được tiết ra mỗi ngày Trong lòng ruột, IgA đóng vai trò là hàng rào quan trọng hạn chế sự xâm nhập của các kháng nguyên đường ruột vào niêm mạc ruột, kiểm soát hệ vi sinh vật đường ruột [52]

TCD4 là tế bào đại diện cho tập hợp tế bào T chiếm ưu thế trong ruột Khi các

tế bào TCD4 được kích hoạt chúng tiết ra các cytokine như IL4 để hỗ trợ đáp ứng miễn dịch dịch thể và IFN là công cụ cho phản ứng miễn dịch qua trung gian tế bào [50]

2.2 Cơ chế phân tử của hệ miễn dịch đường ruột đáp ứng với vi khuẩn xâm nhập

Sự xâm nhập của vi sinh vật vào mô sẽ phá vỡ mối quan hệ cộng sinh giữa hệ

vi sinh vật và đường ruột dẫn đến các bệnh lý như bệnh viêm ruột [67] Có 3 cơ chế để hạn chế sự xâm nhập của vi sinh vật vào biểu mô [67]

Hàng rào đầu tiên là hàng rào vật lý hạn chế sự tiếp xúc giữa các vi sinh vật và

bề mặt tế bào biểu mô ruột thông qua việc sản xuất chất nhầy, protein kháng khuẩn và IgA kháng khuẩn [24] Tế bào biểu mô là một thành phần trung tâm của hệ thống miễn dịch của ruột Tương tự như các tế bào miễn dịch, các tế bào biểu mô biểu hiện các thụ thể nhận dạng cho các mẫu phân tử liên quan đến vi khuẩn Do đó, các tế bào biểu mô ruột tạo thành một rào cản, hạn chế sự phát triển của vi khuẩn và khả năng tiếp cận với

bề mặt ruột [10] Kích hoạt các thụ thể nhận dạng mẫu dẫn đến điều hòa sự bài tiết các yếu tố kháng khuẩn, cytokine, chemokine, các tế bào miễn dịch để có tác dụng kháng khuẩn trực tiếp hoặc kích hoạt các phản ứng miễn dịch thích nghi [33] Những phản ứng này thu hút bạch cầu trung tính, kích hoạt các đại thực bào dẫn đến việc tiêu diệt các mầm bệnh [31]

Hình 2.4: Cơ chế cảm nhận vi khuẩn ở bề mặt niêm mạc ruột [60]

Các tế bào Paneth trực tiếp cảm nhận vi khuẩn thông qua kích hoạt protein MyD88 và hạn chế sự xâm nhập của vi khuẩn trên bề mặt niêm mạc Cảm biến phụ thuộc MyD88 biểu hiện một chương trình kháng khuẩn phức tạp để hạn chế số lượng

vi khuẩn ở bề mặt niêm mạc, trong hoặc bên dưới lớp niêm mạc Điều này sẽ giới hạn

số lượng vi khuẩn được di chuyển đến các hạch bạch huyết màng treo ruột thông qua các tế bào đuôi gai [67]

Hầu hết các protein kháng khuẩn tiêu diệt vi sinh vật trực tiếp thông qua sự tấn công enzyme của thành tế bào vi khuẩn hoặc phá vỡ màng bên trong của vi khuẩn [24] Nhiều peptide kháng khuẩn tiêu diệt vi sinh vật bằng cách phá vỡ tính toàn vẹn màng, nhưng một số defensin can thiệp vào quá trình tổng hợp thành tế bào vi khuẩn thông qua tương tác với lipid [6] Hoặc defensin là màng cationic phá vỡ các phân tử của vi khuẩn, nấm và động vật nguyên sinh [9] Ngoài ra, một số protein kháng khuẩn như lipocalin-1 hoạt động bằng cách lấy đi các kim loại nặng thiết yếu như sắt của vi khuẩn [24] Không phải tất cả các peptid kháng khuẩn đều là chất diệt khuẩn Defensin

Lớp chất nhầy bên ngoài

Lớp chất nhầy bên trong

Tế bào ruột

Tế bào paneth

Tế bào đuôi gai

1.Mẫu phân tử liên quan đến vi khuẩn 2.Các thụ thể nhận dạng các mẫu phân tử 3.Peptid kháng khuẩn 4.Vi khuẩn

Biểu mô