Согласно исследованию, проведенному исследователями из Германии и США, для поддержания здорового баланса между поглощением питательных веществ и популяциями бактерий кишечник человека, вероятно, чередует два различных режима сокращения мышц. С помощью моделирования группа под руководством Карен Алим на Технический университет Мюнхена показали, что эти закономерности неразрывно связаны со скоростью жидкости, протекающей через кишечник.
Способы, которыми наша пищеварительная система усваивает питательные вещества, сильно зависят от мышечных сокращений в нашем кишечнике. Это может происходить двумя способами: при перистальтике мышцы, окружающие тонкую кишку, радиально сокращаются и расслабляются. Эти сокращения распространяются волнообразно, направляя по трубке быстрые потоки переваренной пищи. Более слабый транспорт обусловлен сегментацией, когда мышцы на внутренних стенках кишечника сокращаются и расслабляются по схеме, напоминающей волнистую шахматную доску.
Другим важным фактором, влияющим на всасывание питательных веществ в кишечнике, является огромное количество бактерий, живущих внутри кишечника, вместе известных как «микробиота». Эти микробы конкурируют с кишечником, поскольку они поглощают питательные вещества и играют решающую роль в функционировании и общем состоянии кишечника, но также могут вызывать опасные побочные эффекты, если их плотность становится слишком высокой.
Каждое из этих трех явлений было изучено независимо друг от друга в некоторых деталях, но до сих пор исследователи еще не рассмотрели, как они могут быть связаны. Чтобы ответить на этот вопрос, команда Алима смоделировала тонкую кишку в виде полого деформируемого цилиндра, через который протекает насыщенная питательными веществами жидкость. Затем они использовали гидродинамическое моделирование для изучения различий между скоростями потока, создаваемыми перистальтикой и сегментацией, что позволило им отслеживать результирующие эффекты на популяции бактерий, протекающих через кишечник.
Модель показала, что более медленные скорости потока, связанные с сегментацией, заставляют питательные вещества дольше оставаться в кишечнике. Это позволит организму более эффективно усваивать питательные вещества, смешивая неравномерно распределенные питательные вещества в более однородные концентрации. В то же время это позволит микробиоте увеличиться в размерах, прежде чем она будет вымыта из кишечника. Напротив, перистальтика ускорила поток через кишечник, что привело к снижению уровня всасывания питательных веществ и более быстрому вымыванию бактерий.
Съедобная таблетка, напечатанная на 3D-принтере, может сканировать микробиом кишечника
Основываясь на своих результатах, команда Алима предполагает, что кишечник чередует два режима сокращения, чтобы оптимизировать эффективность поглощения питательных веществ, регулируя при этом рост микробиоты. Их открытие предлагает новое понимание сложной динамики, которая связывает микробиоту с мышечными сокращениями в кишечнике, а также дает важное представление о том, как работает наша пищеварительная система. Используя эти результаты, исследователи могут разработать новые способы диагностики и лечения заболеваний, связанных с кишечником.
Команда описывает исследование в Physical Review Letters,.
