Jak wynika z badania przeprowadzonego przez naukowców z Niemiec i USA, aby zachować zdrową równowagę między wchłanianiem składników odżywczych a populacją bakterii, ludzkie jelita prawdopodobnie naprzemiennie korzystają z dwóch różnych wzorców skurczu mięśni. Poprzez symulacje zespół kierowany przez Karen Alim na Uniwersytet Techniczny w Monachium wykazali, że te wzorce są nierozerwalnie powiązane z prędkością płynu przepływającego przez jelita.
Na sposób, w jaki nasz układ trawienny wchłania składniki odżywcze, duży wpływ mają skurcze mięśni w jelitach. Może się to zdarzyć na dwa możliwe sposoby: w perystaltyce mięśnie otaczające jelito cienkie promieniowo kurczą się i rozluźniają. Skurcze te rozprzestrzeniają się jako fala, powodując szybki przepływ strawionego pokarmu wzdłuż rurki. Słabszy transport wynika z segmentacji – podczas której mięśnie wewnętrznych ścian jelita kurczą się i rozluźniają, tworząc wzór przypominający falującą szachownicę.
Innym kluczowym czynnikiem wpływającym na wchłanianie składników odżywczych w jelitach jest ogromna liczba bakterii żyjących w jelitach, zwanych łącznie „mikrobiotą”. Drobnoustroje te konkurują z jelitami, wchłaniając składniki odżywcze i odgrywają kluczową rolę w funkcjonowaniu i ogólnym zdrowiu jelit, ale mogą również wywoływać niebezpieczne skutki uboczne, jeśli ich gęstość staje się zbyt duża.
Każde z tych trzech zjawisk zostało szczegółowo zbadane niezależnie, ale jak dotąd badacze nie zastanawiali się, w jaki sposób mogą być ze sobą powiązane. Aby odpowiedzieć na to pytanie, zespół Alima stworzył model jelita cienkiego jako pustego, odkształcalnego cylindra, przez który przepływa płyn bogaty w składniki odżywcze. Następnie wykorzystali symulacje dynamiki płynów, aby zbadać różnice między prędkościami przepływu generowanymi przez perystaltykę i segmentację, co umożliwiło im monitorowanie wynikającego z tego wpływu na populacje bakterii przepływających przez jelita.
Model wykazał, że wolniejsze prędkości przepływu związane z segmentacją powodowały, że składniki odżywcze dłużej pozostawały w jelitach. Umożliwiłoby to organizmowi skuteczniejsze wchłanianie składników odżywczych poprzez mieszanie nierównomiernie rozłożonych składników odżywczych w bardziej jednolite stężenia. Jednocześnie umożliwiłoby to wzrost mikroflory, zanim zostanie wypłukana z jelit. Natomiast perystaltyka przyspiesza przepływ przez jelita, co prowadzi do niższego poziomu wchłaniania składników odżywczych i szybszego wypłukiwania bakterii.
Jadalna pigułka wydrukowana w 3D może skanować mikrobiom jelitowy
Na podstawie wyników zespół Alima sugeruje, że jelita naprzemiennie korzystają z dwóch wzorców skurczu, aby zoptymalizować efektywność wchłaniania składników odżywczych, regulując jednocześnie wzrost mikroflory. Ich odkrycie pozwala na nowe zrozumienie złożonej dynamiki łączącej mikroflorę ze skurczami mięśni w jelitach, a także zapewnia ważny wgląd w sposób działania naszego układu trawiennego. Wykorzystując te wyniki, naukowcy mogliby opracować nowe sposoby diagnozowania i leczenia chorób jelit.
Zespół opisuje badanie w Physical Review Letters.
