CÔNG TY TNHH HÓA CHẤT NANO

Vi khuẩn probiotic và chức năng hàng rào của biểu mô ruột

- Lớp tế bào biểu mô, bao gồm các tế bào ruột, trên mỗi tế bào ruột phủ một lớp lông nhung (villi) hình ngón tay, trên mỗi lông nhung lại phủ vố số các vi lông nhung (microvilli). Xen kẽ với các tế bào ruột là các tế bào goblet giữ vai trò tiết niêm dịch (mucin). Giữa các tế bào ruột có những mối nối nhằm gắn chặt các tế bào với nhau (H.2). Có ba kiểu mối nối gắn kết các tế bào biểu mô ruột, đó là: (i) Tight junction: kiểu hình chữ x, gắn chặt hai tế bào với nhau không cho các phân tử thấm qua (impermeable junction), (ii) Gap juction: kiểu then cửa, tạo kênh cho những ion và phân tử nhỏ qua lại giữa hai tế bào (communication junction), (iii) Desmosome: kiểu dây nối để neo chặt hai tế bào với nhau, tạo một mạng lưới chịu lực kéo và đẩy cho các tế bào ruột (anchoring junction). Trong ba kiểu mối nối trên thì kiểu tight junction (TJ) giữ vai trò quan trọng nhất. Độc tố nấm mốc hay vi khuẩn có thể làm suy giảm chức năng của các mối nối trên, gây rò ruột (leaky gut), tăng tính thấm của ruột, làm mất chức năng hàng rào của biểu mô ruột.

- Lớp lamina propia chứa hệ thần kinh ruột, hệ tuần hoàn và hệ miễn dịch ruột. Tổ chức miễn dịch quan trọng của ruột là mô lympho gắn với ruột (GALT = Gut Associated Lymphoid Tissue ). GALT gồm 3 nhóm chính:(i) Mảng Peyer (Peyer’s Patches), là các nang lympho tương tự như các hạch lympho nằm ở biểu mô và lớp dưới biểu mô của ruột, đặc biệt ở ruột hồi. Ở động vật trưởng thành, lympho B chủ yếu ở trong mảng Peyer này. (ii) Tế bào lympho lamina propia (lamina propria lymphocytes), là các tế bào lympho nằm rải rác trong lamina propria. Đa số những tế bào này là các tế bào lympho B tiết IgA. (iii)Tế bào lympho bên trong biểu mô ruột (intraepithelial lymphocytes), là các tế bào lympho nằm giữa các tế bào biểu mô và bên trên các mối nối TJ của biểu mô ruột.
Vi kuẩn probiotic có vai trò quan trọng trong việc nâng cao sức khỏe ruột. Các kiểu tác động của vi khuẩn probiotic được Michaela Mohnl (2014) và Erdan Matur & Evren Eraslan tổng kết như sau: (i) Cạnh tranh với vi khuẩn gây bệnh về không gian, vị trí bám dính và chất dinh dưỡng; (ii) Nâng cao độ hoàn chỉnh của hàng rào biểu mô ruột; (iii) Sản sinh các chất kháng khuẩn; (iv) Biến đổi điểu kiện môi trường trong ruột bởi cách hạ thấp pH thông qua việc sản sinh các acid hữu cơ; (v) Nâng cao chức năng miễn dịch ruột.

E. Matur và E. Eraslan (dẫn theo Chritina L. Ohland và Wallace K. MacNaugton, 2010) cho rằng hàng rào ruột giữ chức năng rất quan trọng trong việc duy trì sức khỏe và sự cân bằng của toàn bộ cơ thể.

H.1: Thành phần của hàng rào biểu mô ruột

(Nguồn: Adam Moeser & Matilda R. Wilson, 2015)

H.2 Một số kiểu mối nối giữa các tế bào biểu mô ruột

Sự phát triển hàng rào ruột về mặt giải phẫu và chức năng bắt đầu từ trong thời kỳ phôi thai. Ở người, tế bào ruột xuất hiện niêm mạc ở tuần thứ 8 và mối nối tight junction (TJ) ở tuần thứ 10 trong thời kỳ mang thai. Hàng rào miễn dịch bắt đầu hoạt động sau khi hình thành tế bào Paneth ở tuần thứ 12. Trong thời gian này tế bào Paneth sản sinh defensin kháng khuẩn và lysozyme (H.3). Niêm dịch bắt đầu biểu thị ở tuần 6,5 trong thời kỳ mang thai và tiếp tục phát triển sau đó. Bằng những thí nghiệm in vitro và in vivo, các nhà khoa học đã chứng minh rằng probiotic có vai trò tăng cường chức năng hàng rào biểu mô ruột.

Cơ chế tác động của vi khuẩn probiotic

đối với chức năng hàng rào biểu mô ruột được Ohland

và K. MacNaughton (2010) tóm tắt ở H.4.

Tùy theo dòng vi khuẩn và mô hình sử dụng, có ba con

đường vi khuẩn probiotic tác động đến chức năng hàng

rào biểu mô ruột, đó là:

H.3: Nhóm tế bào Paneth nằm ở đáy mào ruột (crypt), nơi sản sinh defensins

(ii) Tác động đến hệ miễn dịch ruột và,

H.4: Tóm tắt cơ chế tác động của vi khuẩn và nấm men đến chức năng hàng rào của biểu mô ruột

 

H.4: Tóm tắt cơ chế tác động của vi khuẩn và nấm men đến chức năng

hàng rào của biểu mô ruột

                        (Nguồn: Christina L. Ohland và Wallace K. MacNaughton, 2010)

1/ Tác động trực tiếp đến lớp tế bào biểu mô:

Vi khuẩn probiotic có thể : (i) Thúc đẩy tế bào goblet tăng tiết niêm dịch, nhờ đó hạn chế vi khuẩn chuyển qua lớp niêm dịch này (tế bào goblet là tế bào tiết niêm dịch, nằm xen kẽ với các tế bào biểu mô ruột, chạy dọc suốt chiều dài ruột); (ii) Thúc đẩy tế bào ruột tăng tiết β- defensin vào trong lớp niêm dịch, nhờ đó ngăn trở sự phân chia và phát triển của vi khuẩn hội sinh và vi khuẩn bệnh, cũng như làm tăng sự hoàn thiện của hàng rào biểu mô ruột; (iii) Nâng cao độ bền chặt của mối nối tight junction, từ đó giảm tính thấm đối với vi khuẩn bệnh cũng như các sản phẩm của nó.

2/ Tác động đến năng lực miễn dịch niêm mạc ruột:

Vi khuẩn probiotic có thể kích thích tế bào ruột tăng sản sinh IgA trong lamina propia

(xem H.1) và kích thích sự tiết IgA tiết (secretory IgA: sIgA) vào trong lớp niêm dịch xoang ruột. Những kháng thể này hạn chế sự khu trú của vi khuẩn bệnh ở biểu mô ruột bằng cách gắn kết với vi khuẩn và kháng nguyên của nó, từ đó đảm bảo trạng thái cân bằng của ruột.

3/ Tác động đến thành phần của hệ vi khuẩn ruột:

Probiotic có thể làm thay đổi thành phần hệ vi khuẩn ruột (microbiota) hoặc làm thay đổi biểu thị gene dẫn đến gián tiếp nâng cao chức năng hàng rào thông qua vi khuẩn hội sinh. Ngoài ra, một số chủng vi khuẩn probiotic có thể trực tiếp giết hay ức chế sự sinh trưởng của vi khuẩn bệnh thông qua yếu tố kháng khuẩn như bactericin. Vi khuẩn probiotic cũng có thể tranh dành vị trí bám dính với vi khuẩn bệnh và vi khuẩn hội sinh trên lớp niêm dịch hay trên tế bào biểu mô, nhờ đó ngăn ngừa sự khu trú có hại và góp phần vào việc nâng cao chức năng hàng rào của ruột.

Sau đây xin giải thích rõ thêm một số cơ chế của vi khuẩn probiotic đối với chức năng hàng rào biểu mô ruột theo những tóm tắt ở trên.

- Về lớp niêm dịch (mucous layer):

Niêm dịch có bản chất là glycoprotein có khả năng kháng lại các tác nhân phân giải protein và có tính ưa nước. Niêm dịch là hàng rào đầu tiên mà vi khuẩn gặp để gây bệnh cho cơ thể , vi khuẩn bệnh phải thấm qua đó rồi đi tới tế bào biểu mô. Vi sinh vật đã phát triển những cơ chế khác nhau để phân giải niêm dịch, như khử cầu disulfide (Helibacter pylori), hoạt tính protease (Pseudomonas aeruginosa, Candida albicans và Entamoeba hystolitica) và hoạt tính glycosidase (cộng đồng vi khuẩn ruột) để thâm nhập và lấy các chất dinh dưỡng của niêm dịch.

Bằng các thí nghiệm in vitro đã có các bằng chứng cho thấy vi khuẩn probiotic (một vài loài Lactobacillus) đã có vai trò tăng biểu thị niêm dịch trong một số dòng tế bào người, nhờ đó ngăn trở E.coli xâm nhập và bám dính. Tuy nhiên trong các thí nghiệm in vivo thì các kết quả không nhất quán. Ví dụ: một thí nghiệm trên chuột nhắt hàng ngày cho sử dụng VSL 3 (chế phẩm chứa một số loài Lactobacillus) suốt trong 14 ngày đã không thấy độ dày của niêm dịch thay đổi, trong khi đó ở một thí nghiệm khác trên chuột rat cho sử dụng VSL với liều tương tự suốt trong 7 ngày thì đã thấy một loại niêm dịch ký hiệu là MUC2 tăng lên 60 lần. Như vậy, sản xuất niêm dịch có thể tăng lên bởi probiotic trong thí nghiệm in vivo, nhưng cần có thêm những nghiên cứu để có những kết luận xác đáng.

- Về peptide kháng khuẩn:

Có hai loại peptide kháng khuẩn, một do tế bào ruột của con vật chủ và một do vi khuẩn probiotic sản sinh ra:

+ Peptide kháng khuẩn sản sinh từ tế bào ruột của vật chủ:

Có hai họ peptide kháng khuẩn do tế bào ruột tiết ra, đó là: defensin và cathelicidin. Họ defensin được chia thành hai lớp, α-defensin biểu thị bởi tế bào Paneth (HD-5 và 6) của ruột non và β-defensin biểu thị bởi tế bào biểu mô ruột (từ hBD-1 đến hBD-4). Đây là những peptide nhỏ (3-5 kDa), dạng cationic có hoạt tính kháng khuẩn đối với vi khuẩn, nấm và một số virus. Họ cathelicidin bao gồm những peptide dạng cationic, vòng xoắn α, biểu thị bởi tế bào biểu mô ruột, giúp con vật chống lại vi khuẩn bệnh.

+ Peptide kháng khuẩn của vi khuẩn probiotic:

Đó là bacteriocin và microcin, chúng có hoạt tính tĩnh khuẩn (bacteriostatic) và diệt khuẩn (bactericidal). Khả năng kháng khuẩn của probiotic Lactobacilli chủ yếu theo con đường sản sinh các peptide kháng khuẩn này. Bacteriocin và microcin cũng có thể được sản sinh theo một kiểu đặc trưng theo dòng ở cả vi khuẩn probiotic và vi khuẩn hội sinh. Bacteriocin sản sinh bởi vi khuẩn gram (+), còn microsin thì được sản sinh bởi vi lhuẩn gram (-). Bacteriocin hoặc làm tăng tính thấm của màng trong của vi khuẩn gram (-), dẫn đến làm rối loạn hay cản trở sự tổng hợp thành tế bào, hoặc hình thành các lỗ trên thành tế bào vi khuẩn bệnh bằng cách gắn bacteriocin với peptidoglycan trên thành tế bào. Microsin nhắm tới màng trong, tới các enzyme cấu trúc và tổng hợp DNA và RNA hay những enzyme sinh tổng hợp protein của vi khuẩn bệnh. Tất cả những cơ chế này làm vi khuẩn bệnh bị chết nhanh và đóng góp vào việc duy trì hàng rào ruột không có vi khuẩn bệnh.

Chủng Lactobacillus salivarius sản sinh hai peptide bacteriocin có tên ABP-18, có hoạt tính ức chế sinh trưởng của các loài Bacillus, Listeria, Enterococcus và Staphylococcus. Tuy nhiên, sinh trưởng của hầu hết các loài Lactobacillus lại không bị ức chế bởi những peptide này và tạo ra ưu thế về đặc tính probiotic của chúng. Lactobacillus lactis cũng sản sinh bacterocin có tên lacticin 3147. Các peptide kháng khuẩn này hình thành các lỗ ion có chọn lọc trên thành tế bào vi khuẩn bệnh và là những chất ức chế phổ rộng đối với vi khuẩn gram (+), bao gồm cả Clostridium difficil khó phân lập.

Cũng cần lưu ý rằng, ngoài các peptide kháng khuẩn, vi khuẩn probiotic có thể trực tiếp ức chế sinh trưởng của các vi khuẩn bệnh bằng cách sản sinh các acid béo mạch ngắn. Những acid béo mạch ngắn này có thể làm rối loạn màng ngoài của các vi khuẩn gram (-) như E.coli, P. aeruginosa và S. typhymirium và làm cho sinh trưởng của những vi khuẩn này bị ức chế.

- Về độ bám dính của biểu mô ruột:

Vi khuẩn probiotic cũng đóng góp vào chức năng hàng rào ruột chống lại sự xâm nhập của vi khuẩn bệnh theo kiểu đặc trưng dòng bằng cách cạnh tranh vị trí bám dính trên tế bào biểu mô. Các dòng Lactobacillus có thể trực tiếp cạnh tranh với những vi khuẩn bệnh như Samonella đối vớivị trí bám dính trên niêm dịch của người hay trên bề mặt tế bào Caco-2 (một dòng tế bào ruột của người tiết niêm dịch có tên MUC2).

Tác động ức chế của vi khuẩn probiotic đã được nhận biết trong một vài nghiên cứu in vivo. Trong một mô hình stress mãn tính, chuột xử lý trước với L. rhammosus và L. helveticus đã làm giảm sự bám dính và di chuyển của vi khuẩn hội sinh. Trên mô hình gây shock chảy máu, chuột được xử lý trước với L. rhammosus đã thấy giảm sự di chuyển của vi khuẩn cũng như sự sắp xếp lại của bộ khung actin của tế bào ruột.

- Về IgA tiết (secretory IgA: sIgA):

Mảng Peyer là nơi sản sinh chủ yếu IgA+ của lympho B. IgM+ của lympho B đi vào mảng Peyer, ở dây chúng được hoạt hóa và phân triển thông qua sự tương tác với lympho T và/hay tế bào hình tua (dendritic cells). IL-6, IL-10 và TGF-β trong môi trường cục bộ kích thích tế bào B sản sinh IgA, sau đó biệt phân thành IgA+ của tương bào. Các IgA sau đó đi vào xoang ruột qua tế bào biểu mô theo con đường receptor polyimmunoglobin, ở đây chúng được gọi là IgA tiết (sIgA).

Trong lớp niêm mạc ruột, sIgA bảo vệ biểu mô ruột chống lại sự khu trú và/hay sự xâm nhập bằng cách gắn với kháng nguyên trên vi khuẩn bệnh, tạo một lớp vỏ ưa nước bao quanh vi khuẩn và như vậy loại bỏ được vi khuẩn bệnh theo con đường miễn dịch. Loại bỏ miễn dịch không chỉ bảo vệ biểu mô khỏi sự xâm nhập của vi khuẩn bệnh mà còn ngăn ngừa sự tăng trưởng quá mạnh của vi sinh vật ruột, duy trì trạng thái nội cân bằng ruột (gut homeostasis).

Chuột cho ăn L.casei đã thấy tăng rõ rệt số lượng tế bào sản sinh IgA+ và IL-6 trong lamina propia của ruột non. Chuột xử lý với Bifidobacterium bifidum và B. infantis đã giảm tỷ lệ nhiễm bệnh sau khi cường nhiễm với rotavirus. Thỏ non sau khi xử lý với L. casei đã thấy mức IgA kháng lại độc tố E.coli tăng cao hơn so với đối chứng và tỷ lệ chếtcủa thỏdo vi khuẩn này đãgiảm. Có một điều lý thú là các peptid kháng khuẩn do L. helveticus sản sinh trong quá trình lên men sữa cũng làm tăng sự đáp ứng của sIgA. Đối với những vi khuẩn có lợi như L. casei đã thấy những kháng thể dặc trưng chống lại L.casei đã không sản sinh, chứng tỏ có sự không đáp ứng của hệ miễn dịch ruột đối với các vi khuẩn có lợi.

Tuy nhiên, không phải tất cả các probiotic đều có tác dung bằng nhau trong việc sản xuất sIgA. Một hỗn hợp của L. rhammosus và B. lactis không làm tăng mức sIgA ở chuột, nhưng chuột được cho ăn prebiotic (inulin) hay synbiotic (L. rammosus, B. lactis và inulin) thì lại tăng sản sinh sIgA. Điều này chứng minh sự đa dạng trong kích thích dẫn đến nâng cao sự loại bỏ miễn dịch ruột đối với vi khuẩn bệnh.

- Về mối nối tight junction của biểu mô ruột:

Trong mối nối tight junction (TJ) có hai protein chính là occludin và claudins. Điều khiển

cấu trúc của TJ theo con đường phosphoryl hóa chuỗi myosine II (MLC) và co vòng actomyosin xung quanh mối nối. Một số enzyme như MLC kinase, MAP kinase có thể phosphoryl hóa MLC gây tăng tính thấm. Vi khuẩn bệnh có thể thay đổi chức năng hàng rào bằng cách thay đổi sự phosphoryl hóa MLC. Ví dụ cả E.coli dung huyết và H. pylori có thể hoạt hóa MLC kinase, gây co vòng actomyosin, làm rối loạn protein của TJ, từ đó làm tăng tính thấm. Vi khuẩn bệnh phát triển nhiều cơ chế khác nhau nhằm vô hiệu hóa chức năng của các mối nối tế bào ruột, từ đó dễ dàng thấm qua hàng rào biểu mô ruột. Sự phát triển những cơ chế này đã chứng minh vai trò quan trọng của các mối nối. Một khi chức năng hàng rào ruột bị phá vỡ thì sẽ xẩy ra viêm cấp tính.

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng vi khuẩn probiotic có thể hạn chế sự biến đổi của cấu trúc TJ gây ra bởi stress, bệnh hay cytokine tiền viêm. Một nghiên cứu của Resta-Lenert và Barrett (dẫn theo Christina và Walace, 2010) cho thấy, S. thermophilus và L.acidophilus đã làm tăng TER (transepithelial resistance – một chỉ tiêu đo khả năng thấm qua của biểu mô ruột) và giảm tính thấm của tế bào HT-29 (một dòng tế bào tiết niêm dịch có tên MUC2 và 3) và Caco-2 . Môi trường nuôi cấy vi khuẩn hay vi khuẩn đã bị giết chết bằng kháng sinh hay bằng nhiệt không có thể gây ra bất kỳ một đáp ứng nào tương tự. Điều này cho thấy S. thermophilus và L.acidophilus là những vi khuẩn probiotic có tác dụng nâng cao chức năng hàng rào ruột.

Tác giả: GS. Vũ Duy Giảng
Nguồn tin: Học viện Nông nghiệp Việt Nam