Prebiotyki. Część I – Historia, mechanizmy działania, wymagania, efekty zdrowotne.

Istotną częścią mechanizmu działania prebiotyków jest proces fermentacji w jelicie grubym oraz zmiany zachodzące w obrębie mikroflory jelitowej. Ludzka okrężnica jest jednym z najintensywniej kolonizowanych przez drobnoustroje oraz metabolicznie aktywnych organów w całym ciele. Znajduje się w nim ponad 1000 różnych gatunków bakterii z populacjami liczącymi do 10¹¹-10¹² j.t.k./g treści pokarmowej. Środowisko jelita grubego jest korzystne dla wzrostu drobnoustrojów ze względu na stosunkowo wolne tempo pasażu jelitowego, odpowiedni odczyn oraz niemalże nieograniczony dostęp do substancji odżywczych. Tak więc bakterie posiadające praktycznie wyłącznie metabolizm sacharolityczny (czyli pozbawione aktywności proteolitycznej), mogą być uznane za potencjalnie korzystne dla organizmu człowieka. Taki profil metaboliczny jest charakterystyczny właśnie dla bakterii kwasu mlekowego (Lactobacillus) oraz bifidobakterii (Bifidobacterium).

Wraz z systemem odpornościowym jelit, mikroflora jelitowa stanowi barierę zapobiegającą przedostawaniu się bakterii chorobotwórczych do przewodu pokarmowego oraz hamuje jego kolonizację przez patogeny. Głównym źródłem pożywienia dla mikroflory jelitowej jest śluz przewodu pokarmowego oraz węglowodany pochodzące z diety, które nie zostały strawione w jego górnym odcinku. Są to m.in. skrobia, polisacharydy nieskrobiowe (celuloza, hemiceluloza, pektyny), alkohole cukrowe oraz oligosacharydy niepodlegające trawieniu. Głównym szlakiem metabolicznym mikroflory jelit jest rozkład heksoz nietrawionych węglowodanów do pirogronianów. Wykorzystuje ona wiele enzymów hydrolizujących węglowodany z wytworzeniem wodoru, metanu, dwutlenku węgla, mleczanów oraz krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych (KKT). Składniki odżywcze, które stymulują proces fermentacji powodują przyrost masy bakteryjnej, a co się z tym wiąże – masę oraz objętość kału, wpływając pozytywnie na pasaż jelitowy. Szacuje się, że ok. 30 g bakterii jest w stanie przefermentować 100 g węglowodanów. Proces fermentacji, a zwłaszcza produkcji krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych jest niezwykle istotny zarówno dla pracy jelit, jak i funkcjonowania całego ustroju. Komórki nabłonkowe jelita grubego preferują pochodne kwasu masłowego jako źródło energii, nawet jeśli dostępne są takie substraty jak glukoza czy glutamina. Maślany są uważane za kluczowe składniki odżywcze determinujące aktywność metaboliczną i wzrost kolonocytów i przypuszcza się, że mogą stanowić jeden z głównych czynników ochronnych przed chorobami okrężnicy. Procesy fermentacyjne i produkcja KKT hamują również wzrost i rozwój drobnoustrojów chorobotwórczych, głównie poprzez zmniejszenie pH kału, co zmniejsza aktywność szkodliwych enzymów proteolitycznych patogenów. Kwaśny odczyn zmniejsza również degradację peptydów, w związku z czym powstaje mniej potencjalnie toksycznych substancji  takich jak amoniak, aminy oraz związki fenolowe.

Szereg czynników może wpływać na skład mikroflory jelitowej. Jest to między innymi stan fizjologiczny gospodarza (stres, wiek, płeć, stan zdrowia, styl życia), skład ilościowy oraz jakościowy diety, warunki środowiskowe, warunki higieniczne czy w końcu stosowane leki (antybiotyki, środki przeczyszczające lub zapierające, leki regulujące pracę jelit, inhibitory pompy protonowej itd.). Uznanie pozytywnego wpływu niektórych drobnoustrojów na zdrowie człowieka wprowadziło wiele zmian w dietetyce oraz rzuciło nowe światło na dotychczasowe metody żywienia człowieka.

Termin prebiotyk został zaproponowany w 1995 roku i zdefiniowany jako niestrawione składniki żywności, które pozytywnie wpływają na organizm gospodarza przez wybiórczą stymulację wzrostu bądź aktywności jednego lub kilku rodzajów bakterii zasiedlających jelito grube. Definicję tę zaktualizowali w 2004 roku jej pierwotni autorzy Gibson i Roberfroid określając prebiotyk jako wybiórczo fermentowany składnik żywności powodujący swoiste zmiany w składzie i/lub aktywności drobnoustrojów przewodu pokarmowego o działaniu korzystnym na stan zdrowia i samopoczucie gospodarza. Obowiązującą definicją formalną jest termin z 2007 roku opracowany przez WHO oraz FAO, charakteryzujący prebiotyk jako „niezdolne do życia składniki pokarmowe, które wywierają korzystny wpływ na zdrowie gospodarza w związku z modulacją zespołu mikroorganizmów jelitowych”. W związku z dynamicznym rozwojem tej dziedziny nauki możemy się jednak spodziewać dalszego rozwoju terminologii dotyczącej prebiotyków.

Podobnie jak w przypadku probiotyków, aby móc opisać dany składnik żywności, produkt lub preparat handlowy terminem prebiotyk, musi on wykazywać pewne określone właściwości. Po pierwsze prebiotyk ma za zadanie wybiórczo stymulować rozwój oraz aktywność wybranych szczepów drobnoustrojów posiadających pozytywny wpływ na stan zdrowia, wykazując jednocześnie bezpośrednie korzystne działanie miejscowe w obrębie docelowego odcinka przewodu pokarmowego człowieka (jelita grubego). Stymulacja ta musi wykazywać charakter selektywny, dotyczący wyłącznie jednego lub większej ilości ściśle określonych pożytecznych szczepów bakterii zasiedlających okrężnicę. Jako że prebiotyk powinien pozostać niestrawiony (lub jedynie częściowo strawiony), musi być on odporny na hydrolizę oraz bezpośrednie działanie enzymów trawiennych zawartych w przewodzie pokarmowym, nie ulegać wchłanianiu we wcześniejszych jego odcinkach oraz być trwały i stabilny w produkcji oraz przetwórstwie spożywczym. Wskazane jest również, by obniżał pH treści jelitowej, utrudniając tym samym kolonizację przez szczepy patogenne. Wraz z przedstawieniem definicji w 2007 roku FAO/WHO, ustalono również oficjalne wymagania pozwalające zakwalifikować substancję jako prebiotyk oraz dopuścić ją do obrotu. Przede wszystkim należy scharakteryzować samą substancję pod względem fizykochemicznym, podając jej skład chemiczny, budowę i strukturę, czystość, źródło oraz pochodzenie. Prebiotyk nie może być organizmem żywym (w odróżnieniu od probiotyków), nie może być również lekiem. Jest to najczęściej składnik żywności, którego właściwości biologiczne zostały udowodnione w badaniach in vitro, w których określono schemat dawkowania i stosowane stężenia. Ponadto wymagane są badania toksykologiczne określające bezpieczeństwo stosowania danej substancji, wykonywane na zwierzętach lub ludziach (tzw. badania pierwszej fazy), o ile badany produkt nie znajduje się już na liście substancji zaliczanych do bezpiecznych (lista GRAS). Ostatnim etapem kwalifikacji są podwójne zaślepione, randomizowane badania kontrolowane na ludziach (RTC) wystarczające, aby potwierdzić skuteczność produktu. Jeśli w toku tych badań nie stwierdzono krytycznych przeciwskazań do stosowania przez ludzi, dokładnie scharakteryzowano działania niepożądane, określono dawkowanie i wykluczono trwały lub negatywny wpływ na mikriobiotę człowieka, dana substancja lub produkt może zostać zaklasyfikowany jako prebiotyk.

Jedną z miar pozwalających dość precyzyjnie scharakteryzować prebiotyk w kierunku selektywności stymulacji drobnoustrojów jest tzw. indeks prebiotyczny, który definiuje się jako zmianę proporcji korzystnych bakterii (z rodzajów Bifidobacterium i Lactobacillus) i tych uważanych za niepożądane (bakterie z rodzajów Clostridium i Bacteroides) oraz oblicza zgodnie ze wzorem:

To właśnie wspomniane rodzaje Bifidobacterium oraz Lactobacillus są głównym „punktem uchwytu” dla prebiotyków. Zazwyczaj zmiany ilościowe w większej części dotyczą Bifidobacterium, co ma związek z tym, że znajduje się ich więcej w przewodzie pokarmowym człowieka, w porównaniu do bakterii z rodzaju Lactobacillus. Dodatkowo bifidobakterie wykazują preferencje pokarmowe w kierunku oligosacharydów, które są jednymi z najczęściej stosowanych substancji prebiotycznych.

Dane medyczne dotyczące spożycia prebiotyków są wciąż dość ograniczone. Sugeruje się jednak, że prebiotyki mogą znacznie zmniejszać częstotliwość oraz czas trwania zakaźnych oraz poantybiotykowych biegunek, zapobiegać i leczyć zaparcia, zmniejszać stan zapalny oraz objawy związane z chorobami zapalnymi jelit (choroba Leśniowskiego-Crohna, wrzodziejące zapalenie jelita grubego), wywierać działanie ochronne w kierunki zapobiegania nowotworom jelita grubego. Wywołują uczucie sytości, mogą przyczyniać się do utraty wagi i prewencji otyłości. Zwiększają biodostępność i stopień pobierania składników mineralnych z pokarmu, w tym magnezu, wapnia oraz żelaza. Przyczyniają się także do zmniejszenia niektórych czynników ryzyka chorób sercowo-naczyniowych takich jak nadciśnienie tętnicze. Znacznie zwiększają efektywność układu odpornościowego, zapobiegając również jego nadreaktywności objawiającej się np. alergiami dziecięcymi. Prebiotyki mogą również pozytywnie wpływać na gospodarkę cholesterolową organizmu, służąc prewencyjnie w miażdżycy. Zaobserwowano również łagodzenie objawów nietolerancji laktozy podczas stosowania prebiotyków.

Jak widać spożycie prebiotyków może korzystnie przyczynić się do poprawy zdrowia i kondycji człowieka, jak również wspomóc w walce z coraz częstszymi chorobami cywilizacyjnymi. Na rynku dostępne są również synbiotyki, czyli produkty będące połączeniem probiotyku oraz prebiotyku. Wraz z rosnącym trendem poszukiwania przez społeczeństwo zdrowej, ekologicznej żywności obserwuje się znaczny rozwój rynku żywności funkcjonalnej skupionej na prebiotykach, co z pewnością pozytywnie wpłynie nie tylko na zdrowie, ale również podniesienie komfortu życia znacznej części populacji.

mgr farm. Michał Tułaza,

dr n. farm. Aleksandra Karmańska,

dr hab. prof. UM Bolesław Karwowski

Zakład Bromatologii, Uniwersytet Medyczny w Łodzi

Piśmiennictwo:

1. Śliżewska, A. Nowak, R. Barczyńska, Z. Libudzisz: Prebiotyki – definicja, właściwości i zastosowanie w przemyśle. ŻYWNOŚĆ. Nauka. Technologia. Jakość, 2013, 1 (86): 5-20;
2. Ignyś, P. Piątkowska, W. Cichy: Probiotyki i prebiotyki w żywieniu i leczeniu dzieci. Pediatr Pol 2008; 83 (1): 68–75;
3. Kuczyńska, A. Wasilewska, M. Biczysko, T. Banasiewicz, M. Drews: Krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe – mechanizmy działania, potencjalne zastosowania kliniczne oraz zalecenia dietetyczne. Nowiny Lekarskie 2011, 80(4):  299–304;
4. Slavin: Fiber and Prebiotics: Mechanisms and Health Benefits. Nutrients 2013, 5: 1417-1435;
5. Gibson, Roberfroid: Dietary modulation of the human colonic microbiota: introducing the concept of prebiotics.. „J Nutr”. 1995; 125(6):1401-12;
6. Roberfroid: Prebiotics: The Concept Revisited. J. Nutr. March. 2007; 137 (3):830-837;
7. Katharina E. Scholz-Ahrens, Jürgen Schrezenmeir: Inulin and oligofructose and mineral metabolism: the evidence from animal trials, Journal of Nutrition. 2007; 137 (11 Suppl): 2513–2523;
8. Amy R. Lomax, Philip C. Calder: Prebiotics, immune function, infection and inflammation: a review of the evidence, British Journal of Nutrition. 2009; 101 (5): 633–658,
9. Mark S. Geier, Ross N. Butler, Gordon S. Howarth, Probiotics, prebiotics and synbiotics: a role in chemoprevention for colorectal cancer?, Cancer Biology and Therapy. 2006; 5 (10): 1265–1269;
10. Charlotte Hedin, Kevin Whelan, James O. Lindsay: Evidence for the use of probiotics and prebiotics in inflammatory bowel disease: a review of clinical trials, The Proceedings of the Nutrition Society.2007; 66 (3): 307–315;
11. Umang Munjal i inni: Fermentation products of inulin-type fructans reduce proliferation and induce apoptosis in human colon tumour cells of different stages of carcinogenesis, British Journal of Nutrition. 2009; 102 (5):663–671.