Gần đây, hệ vi sinh vật đường ruột được các nhà khoa học chú ý nhiều hơn, và có mối quan hệ chặt chẽ với nhiều bệnh tật và sự mất cân bằng hệ vi sinh vật đường ruột. Hệ vi sinh vật đường ruột là các vi sinh vật trong đường ruột của cơ thể con người, các chủng vi khuẩn khác nhau có thể tổng hợp các vitamin cần thiết cho sự phát triển của cơ thể, cũng như tổng hợp amino acid từ chất bã protein, tham gia vào chuyển hóa glucid và protein, và đồng thời thúc đẩy sự hấp thụ các nguyên tố khoáng, đóng vai trò quan trọng trong nhiều quá trình sinh lý.
Nghiên cứu gần đây cho thấy một vai trò bổ sung của hệ vi sinh vật đường ruột là phối hợp nhịp sinh học ngày và đêm của ruột và gan.
Chế độ ăn uống, chu kỳ ăn kiêng/cấm ăn có thể thúc đẩy sự dao động nhịp sinh học của quần thể vi sinh vật trong lòng ruột và các chất chuyển hóa thứ cấp. Những biến động này là cần thiết cho đồng hồ sinh học ngoại vi và điều khiển liên quan đến ổn định glucose, cholesterol, axit béo cũng như yếu tố điều tiết chuyển hóa của gan và ruột có liên quan đến sức khỏe trao đổi chất của chủ thể. Tuy nhiên, việc sử dụng mô hình nghiên cứu loại bỏ vi sinh vật đường ruột để nghiên cứu mối quan hệ giữa hệ vi sinh vật đường ruột và đồng hồ sinh học ngoại vi có những hạn chế, vì mô hình này không thể giải thích liệu sự xáo trộn về động lực học quần thể vi sinh vật do chế độ ăn uống gây ra có ảnh hưởng đến chuyển hóa của chủ thể hay không do sự không khớp với nhịp sinh học.
Cho ăn có thời gian (TRF) có nhiều lợi ích cho sức khỏe chuyển hóa của chủ thể. Trong mô hình chuột ăn uống cao chất béo (dù cho thức ăn là chế độ ăn gây béo nào), TRF giảm béo phì, viêm, cải thiện khả năng dung nạp glucose và ổn định cholesterol, cũng như đảo ngược hội chứng chuyển hóa đã tồn tại trước đó. Hầu hết các nghiên cứu về hệ vi sinh vật đường ruột tập trung vào ruột già hoặc mẫu thay thế dễ tiếp cận hơn – phân. Tuy nhiên, các vùng khác của ruột có vai trò quan trọng hơn trong sự cân bằng chuyển hóa của chủ thể, đặc biệt là hồi tràng có chức năng tiêu hóa và hấp thụ độc đáo cùng với thành phần vi sinh vật. Tuy nhiên, còn rất ít nghiên cứu nhấn mạnh tầm quan trọng của quần thể vi sinh vật hồi tràng và ảnh hưởng của nó đến sức khỏe trao đổi chất của chủ thể.
Vào ngày 5 tháng 7 năm 2022, các nhà khoa học từ Đại học California và các đơn vị khác đã công bố một nghiên cứu dài mang tên “Chế độ ăn uống và mô hình ăn uống điều chỉnh động lực nhịp sinh học của hệ vi sinh vật hồi tràng và bản sao.” Nhóm nghiên cứu đã phân tích hệ thống thành phần và sự thay đổi động lực học của hệ vi sinh vật hồi tràng trong các điều kiện chế độ ăn bình thường, chế độ ăn cao chất béo và chế độ ăn cao chất béo có giới hạn thời gian, nhằm xác định ảnh hưởng của chế độ ăn cao chất béo và thời gian ăn uống đến các chủng vi khuẩn hồi tràng và nhịp sinh học.
Các nhà nghiên cứu trước tiên đã phân tích ảnh hưởng của HFD và TRF đến thành phần vi sinh vật hồi tràng và nhịp sinh học. Họ thu thập mẫu hồi tràng của ba nhóm chuột được cho ăn theo chế độ ăn kiêng cao chất béo có giới hạn thời gian (FT), tự do ăn chế độ ăn cao chất béo (FA) và chế độ ăn bình thường (NA) tại các thời điểm khác nhau trong ngày để nghiên cứu động lực học trong lòng ruột và vi khuẩn bám dính.
Kết quả cho thấy khi calo thức ăn giống nhau, TRF có thể cải thiện trọng lượng cơ thể và mức đường huyết do chế độ ăn cao chất béo gây ra. Chế độ ăn cao chất béo có thể làm giảm đáng kể đa dạng alpha và beta của quần thể vi sinh vật hồi tràng. Thành phần vi sinh vật của nhóm ăn cao chất béo có giới hạn thời gian và nhóm ăn tự do có sự khác biệt nhỏ, cho thấy rằng loại thức ăn ảnh hưởng nhiều hơn đến thành phần vi sinh vật hồi tràng so với phương thức cho ăn. Trong nhóm ăn tự do cao chất béo, Lactobacillus và Clostridium được làm giàu nhiều hơn so với nhóm ăn cao chất béo có giới hạn thời gian. Hơn nữa, sự phong phú của vi sinh vật duy trì dao động nhịp sinh học trong chuột ăn tự do cao chất béo chỉ bằng một nửa so với nhóm ăn bình thường, trong khi chuột ăn cao chất béo có giới hạn thời gian cho thấy độ dao động định kỳ tương tự với nhóm đối chứng, điều này cho thấy nhịp sinh học của vi sinh vật có liên quan đến lợi ích chuyển hóa của TRF.
Nhóm nghiên cứu đã khảo sát sự thay đổi tỉ lệ phong phú tương đối của quần thể vi sinh vật hồi tràng theo thời gian dưới các điều kiện cho ăn và lấy thức ăn khác nhau, nhằm xác định sự dao động chu kỳ của quần thể vi sinh vật hồi tràng và xác định tầm quan trọng của chúng trong chuyển hóa của chủ thể. Kết quả cho thấy trong tất cả các điều kiện thí nghiệm, các chiếm ưu thế đều là Firmicutes, Lactobacillus được phát hiện ở tất cả các nhóm thí nghiệm, có sự giảm đáng kể độ phong phú trong thời gian hoạt động của chuột dưới điều kiện cho ăn nhiều chất béo (khoảng đêm). Hơn nữa, Staphylococcus ở nhóm ăn bình thường và nhóm ăn cao chất béo có giới hạn thời gian đều biểu hiện một sự gia tăng nhanh chóng tại thời điểm bắt đầu đêm.
Tiếp theo, các nhà nghiên cứu đã điều tra xem các gen nhịp sinh học của chủ thể có ảnh hưởng đến thành phần và nhịp sinh học của quần thể vi sinh vật hồi tràng hay không. Họ đã sử dụng chuột đột biến kép Cry1;Cry2 (CDKO) để kiểm tra xem các gen đồng hồ sinh học có quan trọng đối với động lực học của hệ vi sinh vật hay không. Hệ vi sinh vật trong hồi tràng của chuột CDKO-NA hoàn toàn mất đi nhịp, và phân tích PCoA phản ánh sự rối loạn nhịp sinh học trong việc ăn uống và ngủ của những con chuột này, với các vi khuẩn phổ biến nhất được tìm thấy trong hồi tràng là thuộc họ Clostridiaceae và Lactobacillaceae. Những kết quả này cho thấy rằng đồng hồ sinh học phân tử của chủ thể có liên quan đến động lực học của hệ vi sinh vật hồi tràng, việc can thiệp vào đồng hồ sinh học của chủ thể có thể gây rối loạn nhịp sinh học của quần thể vi sinh vật ở hồi tràng bằng cách gây rối loạn mô hình ăn uống.
Vì sự động lực học hàng ngày của hệ vi sinh vật có thể ảnh hưởng đến hệ thống bản sao của gan, các nhà nghiên cứu giả định rằng bản sao hồi tràng cũng sẽ bị ảnh hưởng bởi sự dao động trong lòng ruột. So với NA, bản sao trong chế độ ăn cao chất béo giảm đáng kể, một số bản sao trong FT giữ nguyên. Có 1862 gen mã hóa protein có chu kỳ nhịp sinh học được chồng lấn trong ba nhóm cho ăn. HFD gây rối loạn nhịp của chuột ăn tự do bằng cách gây chuyển pha ánh sáng, trong khi TRF duy trì các bản sao này trong chuột FT. Điều này chỉ ra rằng động lực học trong lòng ruột nhịp nhàng có liên quan đến nhịp sinh học của đồng hồ sinh học ngoại vi của chủ thể. Phân tích sự phong phú chung của các gen chu kỳ giữa nhóm ăn bình thường và nhóm ăn cao chất béo có giới hạn thời gian cho thấy rằng chúng liên quan đến chuyển hóa phospholipid, tự thực bào và nhịp sinh học, trong khi HFD phá vỡ sự ổn định của các gen chủ yếu liên quan đến nhịp sinh học bao gồm Rev-erb, Per3, Clock, Bmal1 và Cry1, tất cả những gen này đều duy trì trong TRF.
Mẫu hồi tràng của chuột có sự khác biệt dưới các điều kiện chế độ ăn và cho ăn khác nhau, điều này có thể cho thấy rằng các kiểu hình chuyển hóa riêng biệt không quyết định hoạt động bản sao của hồi tràng. TRF có tác động lớn hơn đến biểu hiện gen, chẳng hạn như làm tăng số lượng gen DE ở hồi tràng trong FT và FA so với NA và FA. HFD có thể phá vỡ sự thay đổi động lực nhịp sinh học của hệ thống bản sao của các gen DE.
Trong chế độ ăn tự do FA, mức biểu hiện gen tham gia vào phản ứng miễn dịch vi sinh vật giảm, đặc biệt là ⍺-defensins.
TRF cải thiện độ nhạy insulin và béo phì ở chuột ăn HFD, vậy dưới bối cảnh vi sinh vật đường ruột và đồng hồ hồi tràng giữ dao động nhịp sinh học, việc cho ăn như thế nào ảnh hưởng đến các con đường tín hiệu chuyển hóa của ruột? Các nhà nghiên cứu phát hiện rằng chế độ ăn cao chất béo làm rối loạn tín hiệu GLP-1 (hormone chính điều chỉnh glucose trong hồi tràng) và tín hiệu axit mật, nhưng chế độ ăn TRF có thể đảo ngược các con đường tín hiệu bị tổn thương. Mức biểu hiện của Gcg và Dpp4 giảm trong chế độ ăn tự do cao chất béo và mất nhịp. Tuy nhiên, TRF duy trì độ động của cả hai và làm thay đổi biểu hiện gen của các protein vận chuyển khác tham gia vào sự dẫn truyền tín hiệu GLP-1. Hơn nữa, bể axit mật, vận chuyển, tái hấp thu và truyền tín hiệu cũng bị tổn hại trong nhóm ăn tự do cao chất béo nhưng có thể được TRF đảo ngược.
Tóm lại, sự dao động trong thành phần của hệ vi sinh vật đường ruột là rất quan trọng đối với nhịp sinh học ngoại vi bình thường, trong khi cả hai đều bị rối loạn trong tình trạng béo phì do chế độ ăn uống (DIO). Mặc dù cho ăn có thời gian (TRF) duy trì sự đồng bộ của nhịp sinh học, ngăn ngừa sự xuất hiện của DIO, nhưng nó không có nhiều ảnh hưởng đến động lực học của quần thể vi sinh vật đường ruột. Do đó, các vùng khác của ruột, đặc biệt là hồi tràng, trung tâm của tín hiệu glucagon và axit mật có thể đóng vai trò quan trọng trong việc ảnh hưởng đến nhịp sinh học ngoại vi. Nghiên cứu này chứng minh ảnh hưởng của chế độ ăn uống và nhịp ăn uống đến thành phần và bản sao của hệ vi sinh vật hồi tràng ở chuột. DIO đã ức chế động lực nhịp sinh học trong thành phần và bản sao của hệ vi sinh vật hồi tràng. TRF đã phục hồi một phần nhịp sinh học của hệ vi sinh vật hồi tràng và bản sao, tăng cường việc giải phóng GLP-1 và thay đổi bể axit mật hồi tràng và tín hiệu FXR, điều này có thể giải thích cách TRF phát huy lợi ích chuyển hóa của nó.
Nghiên cứu này cung cấp dữ liệu đầy đủ để khám phá nhịp sinh học của hệ vi sinh vật và bản sao hồi tràng, cung cấp cơ sở khoa học cho việc hiểu rõ hơn về vai trò quan trọng của hồi tràng trong mối quan hệ giữa hệ vi sinh vật đường ruột và sự phát sinh bệnh tật, cũng như mở ra hành trình của hồi tràng trên sân khấu của hệ vi sinh vật đường ruột.
Tài liệu tham khảo:
Chế độ ăn uống và mô hình ăn uống điều chỉnh động lực nhịp sinh học của hệ vi sinh vật hồi tràng và bản sao. Cell Rep. 2022 5 tháng 7; 40(1):111008. doi: 10.1016/j.celrep.2022.111008.