CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 HỆ VI SINH VẬT TRONG ĐƯỜNG DẠ DÀY VÀ RUỘT NGƯỜI Vi sinh vật trong hệ tiêu hóa người là một hệ sinh thái rất phức tạp với một sự đa dạng về chủng loại vi sinh vật. Hệ tiêu hóa người hoàn toàn vô trùng khi mới sinh nhưng lại trở thành môi trường chứa vi sinh vật ngay lập tức sau khi sinh ra. Chúng xâm nhập vào cơ thể trẻ sơ sinh thông qua người mẹ trong quá trình sinh sản [1]. Hệ vi sinh vật ở ruột gồm hai loại, vi khuẩn có lợi và vi khuẩn có hại.
Hai hệ vi khuẩn này cân bằng nhau, ở những người khỏe mạnh thì vi khuẩn có lợi chiếm ưu thế và ngược lại ở người đau ốm thì vi khuẩn có hại chiếm ưu thế [1]. Hệ tiêu hóa của người gồm dạ dày, ruột non và ruột già với khoảng 1013 -1014 tế bào vi khuẩn cần thiết cho việc phân giải và tiêu hoá thức ăn. Dạ dày có dịch tiêu hóa có tính acid cao (khoảng pH=2.5), nên nó được xem là một hàng rào hóa học đối với sự xâm nhập của các vi khuẩn lạ vào đường ruột. Người ta thấy rằng số lượng vi khuẩn ở dạ dày rất thấp, mật độ cao nhất khoảng 104 tế bào/mL dịch dạ dày và thức ăn lưu lại tại đây trong khoảng 2.
Nhiều nghiên cứu cho thấy sự tồn tại của Lactobacilli và Streptococci tại dạ dày. Tuy nhiên, không tồn tại bất cứ hệ vi sinh vật nào nổi bật [1]. Ruột non gồm 2 phần chính là hồi tràng và tá tràng được nối với nhau thông qua hỗng tràng [1]. Tá tràng là bộ phận nối tiếp với dạ dày nên cũng không có hệ vi sinh vật nào có khả năng phát triển mạnh do môi trường tại đây có pH khá thấp.
Sau khoảng 4h lưu ở dạ dày và tá tràng, thức ăn được trộn với mật, bicarbonate và enzyme tiêu hoá và được đưa xuống hồi tràng. Từ tá tràng xuống hồi tràng pH bên trong trở nên ít acid hơn, do đó mật độ vi khuẩn tăng dần, có thể đạt từ 105-107 tế bào/gram vật chất bên trong ruột. Tại đây, thức ăn được giữ lại trong khoảng từ 6-8 giờ cho quá trình phân giải [2].1 Sự phân bố vi sinh vật trong đường tiêu hóa người [2] Vị trí của ruột già bắt đầu từ manh tràng (cecum), nơi nối với hồi tràng, gắn với kết tràng lên (ascending colon), kết tràng ngang (transverse colon), kết tràng xuống (descending colon), kết tràng xích ma (sigmoid colon) và trực tràng (rectum). Trong kết tràng, các vi khuẩn hiện diện với số lượng lớn, chúng có thể sử dụng một số sản phẩm của quá trình tiêu hóa thức ăn để làm chất dinh dưỡng và tạo nên môi trường lên men đặc biệt.
Các vi khuẩn hiếu khí tùy nghi (như Escherichia coli) có thể hiện diện ở đây nhưng với số lượng thường nhỏ hơn các vi khuẩn khác, thường ít hơn 107 tế bào/gram khối lượng vật chất bên trong ruột. Hoạt động của các loài vi khuẩn hiếu khí tùy nghi này tiêu thụ khí oxy và tạo nên một môi trường kị khí nghiêm ngặt cho ruột già. Điều kiện này thuận lợi cho sự phát triển dồi dào của các vi khuẩn kị khí bắt buộc gồm: Clostridium và Bacteroides, khiến cho số lượng của chúng có thể lên đến 1010-1011 tế bào/gram khối lượng vật chất bên trong ruột. Tổng thời gian đi hết hệ tiêu hoá của cơ thể người của thức ăn từ 20-48 giờ tuỳ thuộc vào thể trạng của mỗi người [2].
Tại đây, các vi khuẩn này có thể sản sinh ra một loạt các chất có thể ức chế và kiểm soát sự tăng trưởng của riêng mình, cũng như sự tăng trưởng của các loài khác. Ví dụ, một số vi khuẩn có thể sinh ra các chất kháng khuẩn (bacteriocin). Một 2 trong những sản phẩm tốt nhất của bacteriocin được biết đến là colicin, được sản xuất từ các chủng Escherichia coli. Các acid béo chuỗi ngắn như acid acetic, propionic và butyric cũng có tác dụng ức chế sự tăng sinh của vi khuẩn [3].
Trong ruột người, các vi sinh vật hiện diện ở cả ruột non và ruột già, nhưng phần lớn tập trung ở cuối hồi tràng và kết tràng. Người ta cho rằng có khoảng 50% giống vi khuẩn cư trú ở kết tràng, gồm vài trăm loài vi khuẩn khác nhau. Bacteroides là vi khuẩn kị khí hình que, Gram âm và chiếm khoảng 30% tổng số hệ vi sinh vật. Những nhóm vi khuẩn chiếm ưu thế khác gồm: Bifidobacteria, Lactobacilli, Eubacteria, Clostridia.
Ngoài ra, Enterococci và Coliforms cũng tồn tại ở đây nhưng với tỉ lệ thấp hơn [4]. Qua các nghiên cứu khoa học, người ta ước tính có hơn 400 loài vi khuẩn cư trú trong ruột người, nhưng chỉ 30-40 loài tạo thành 99% hệ vi sinh vật đường ruột. Các nhân tố môi trường, những tác động sinh lý và chế độ ăn uống có thể chi phối sự phân bố hệ vi sinh vật ở ruột. Trong đó, chế độ ăn uống là nhân tố chính điều hòa mật độ và tần số xuất hiện của các loài và các nhóm vi sinh vật định cư trong ruột [3].
Cấu trúc của đường dạ dày – ruột người và sự phân bố các vi sinh vật không gây bệnh chủ yếu được mô tả ở Hình 1. Gần đây, cùng với sự phát triển của các phương pháp tiếp cận mới trong nghiên cứu vi sinh vật, các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng các phương pháp nuôi cấy vi sinh vật truyền thống đã bỏ sót một số lượng đáng kể các vi sinh vật trong hệ vi sinh vật đường ruột so với các phương pháp sinh học phân tử như: FISH hay dot-blot. Sử dụng những kĩ thuật này, các nhà khoa học đã phát hiện được Bifidobacteria chiếm 109-1010 tế bào/gram trọng lượng khô của phân. Trước đây, do những đánh giá không chính xác về tổng số lượng vi sinh vật được nuôi cấy, số lượng Bifidobacteria và Lactobacilli trong phân người trưởng thành đã được đánh giá lần lượt khoảng 10% và 2% tổng số vi sinh vật và gần đây được ước tính lại khoảng 3% và <1% khi sử dụng FISH hoặc dot-blot [5].
Trong quá trình tiêu hóa thực phẩm trong đường dạ dày – ruột, nước rút dần khỏi thức ăn đã được tiêu hóa, các vật chất tiêu hóa này dần dần trở nên cô đặc hơn và sau cùng những phần không tiêu hoá được chuyển đổi thành phân với 1/3 trọng lượng 3 phân là các vi khuẩn. Cùng lúc với quá trình này, các vi sinh vật sống trong ruột già liên tục đào thải ra ngoài theo dòng chảy của vật chất trong đường dạ dày – ruột, những vi khuẩn khi mất đi sẽ được thay thế bởi những thế hệ mới [2].2 SỰ SỐNG SÓT CỦA VI SINH VẬT ĐƯỜNG RUỘT TRONG SUỐT QUÁ TRÌNH TIÊU HÓA Hỗn hợp vi sinh vật được đưa vào khoang miệng và sau đó được chuyển xuống dạ dày. Ở dạ dày do pH rất thấp khoảng 2.5 nên hầu hết vi sinh vật bị tiêu diệt. Điều kiện bất lợi ở dạ dày giúp vật chủ chống lại sự tạp nhiễm của vi sinh vật gây bệnh.
Những vi sinh vật sống sót ở dạ dày sẽ đi vào ruột non và tăng nhanh số lượng ở đây. Hai nhân tố chính của ruột non là muối mật và sự chuyển động của ruột làm kìm hãm số lượng vi sinh vật tăng quá mức trong ruột non. Nhiều đặc điểm liên quan đến sự sống sót của probiotic trong khi di chuyển qua đường dạ dày–ruột đã được nghiên cứu. Trong đó, hai đặc điểm quan trọng nhất là khả năng chịu đựng môi trường acid dạ dày và khả năng chịu đựng nồng độ muối mật trong ruột non của vi sinh vật probiotic.
Gần đây, những gen cảm ứng khi probiotic tiếp xúc với acid và muối mật đã được nhận diện. Những gen này có thể đóng vai trò quan trọng trong sự sống sót của probiotic ở đường dạ dày–ruột [6]. Nhiều loài vi sinh vật có thể sản sinh ra các chất có tác dụng diệt khuẩn hay ức chế sự phát triển của vi sinh vật gây bệnh như: bacteriocin, siderophores, lysozymes, proteases, hydrogen peroxid, acid hữu cơ… Điển hình là nhóm LAB có khả năng sản sinh ra bacteriocin có khả năng kháng các loài vi sinh vật có quan hệ gần. Ngoài ra, chúng còn sản sinh acid lactic, acid acetic, acid propionic, acid butyric… làm môi trường trở nên acid và ức chế sự phát triển của vi khuẩn gây bệnh [6].
Bên cạnh sự chịu đựng môi trường lý hóa của đường dạ dày- ruột, sự bám dính với các tế bào niêm mạc ruột để tạo nên hàng rào sinh học bảo vệ cũng được xem là đặc tính cần thiết đối với sự tồn tại của các chủng probiotic ở đây. Việc gắn vào biểu mô ruột cần thiết cho sự định cư của probiotic và sự tương tác trực tiếp giữa probiotic với các tế bào chủ dẫn đến sự ngăn chặn các tác nhân gây bệnh bằng sự cạnh tranh hoặc điều chỉnh các phản ứng của tế bào chủ. 4 Những tiếp cận dựa trên bộ gen đang bắt đầu khám phá nhiều protein liên kết ở bề mặt tế bào vi khuẩn có chức năng liên kết với dịch nhày và tế bào ruột, một số nghiên cứu đã nhận diện được vài nhân tố kết bám ở L. Ngoài ra, sự kết bám đặc hiệu mannose của L.
plantarum cũng được nhận diện, người ta thấy rằng vi khuẩn gây bệnh đường ruột E. coli có khả năng liên kết với các tế bào biểu mô thông qua các thụ thể mannose. Do đó, các chủng probiotic có khả năng kết bám (như L. plantarum) có thể ngăn cản sự tấn công và sự định cư của E.coli ở những vị trí liên kết và bằng cách đó, sinh vật chủ sẽ được bảo vệ chống lại sự bệnh tật [7].
Bên cạnh đó, thức ăn hay chế độ dinh dưỡng cũng ảnh hưởng đến khả năng sống sót của vi sinh vật trong suốt quá trình tiêu hoá. Chế độ ăn uống giàu carbonhydrate sẽ giúp gia tăng các các vi khuẩn kị khí như Bifidobacteria và Enterococcus trong khi hệ vi khuẩn đường ruột không có sự thay đổi đáng kể với chế độ giàu protein. Vì vậy, những vi sinh vật sống sót được trong đường ruột là những vi sinh vật có khả năng chịu được điều kiện bất lợi của đường ruột. Trước hết là yếu tố pH, đây là yếu tố cần thiết cho sự thích nghi ban đầu của vi sinh vật.3 TỔNG QUAN VỀ PROBIOTIC 1.1 Định nghĩa probiotic “Probiotic” bắt nguồn từ tiếng Hy lạp có nghĩa là “sự sống”.
Khái niệm probiotic đầu tiên xuất phát từ nhà khoa học Eli Metchnikoff, trong cuốn sách “Kéo dài sự sống” của ông đưa ra năm 1908. Ông cho rằng những người nông dân Bulgary sống lâu là nhờ họ tiêu thụ các sản phẩm lên men từ sữa [9].