För att upprätthålla en hälsosam balans mellan näringsabsorption och bakteriepopulationer, växlar den mänskliga tarmen sannolikt mellan två distinkta mönster av muskelsammandragning, enligt en studie av forskare i Tyskland och USA. Genom simuleringar har ett team ledd av Karen Alim vid Tekniska Universitetet i München visade att dessa mönster är naturligt kopplade till hastigheten på vätskan som strömmar genom tarmen.
Det sätt på vilket våra matsmältningssystem absorberar näringsämnen påverkas kraftigt av muskelsammandragningar i våra tarmar. Detta kan ske på två möjliga sätt: i peristaltiken drar musklerna runt tunntarmen ihop sig radiellt och slappnar av. Dessa sammandragningar fortplantar sig som en våg och driver snabba flöden av smält mat längs röret. Svagare transport drivs av segmentering – där musklerna på tarmens innerväggar drar ihop sig och slappnar av i ett mönster som liknar en porlande schackbräda.
En annan avgörande faktor bakom näringsupptaget i tarmen är det stora antalet bakterier som lever inuti tarmarna, tillsammans kända som "mikrobiotan". Dessa mikrober konkurrerar med tarmen eftersom de absorberar näringsämnen och spelar en avgörande roll för tarmens funktion och allmänna hälsa – men kan också utlösa farliga biverkningar om deras täthet blir för hög.
Vart och ett av dessa tre fenomen har studerats oberoende i detalj – men hittills har forskare ännu inte övervägt hur de kan hänga ihop. För att besvara denna fråga, modellerade Alims team tunntarmen som en ihålig, deformerbar cylinder med en näringshaltig vätska som strömmar igenom. De använde sedan vätskedynamiksimuleringar för att undersöka skillnaderna mellan flödeshastigheter som genereras av peristaltik och segmentering, vilket gör att de kan övervaka de resulterande effekterna på populationer av bakterier som strömmar genom tarmen.
Modellen visade att de lägre flödeshastigheterna i samband med segmentering gjorde att näringsämnen stannade kvar i tarmen längre. Detta skulle tillåta kroppen att absorbera näringsämnen mer effektivt genom att blanda ojämnt spridda näringsämnen till mer enhetliga koncentrationer. Samtidigt skulle det tillåta mikrobiotan att växa sig större innan den spolas ut ur tarmen. Däremot påskyndade peristaltiken flödeshastigheterna genom tarmen – vilket ledde till lägre nivåer av näringsabsorption, samtidigt som bakterier spolas ut i snabbare takt.
3D-printade ätbara piller kan skanna tarmmikrobiomet
Från deras resultat föreslår Alims team att tarmen växlar mellan de två sammandragningsmönstren för att optimera effektiviteten av näringsupptaget, samtidigt som det reglerar tillväxten av mikrobiota. Deras upptäckt ger en ny förståelse för den komplexa dynamiken som kopplar mikrobiotan till muskelsammandragningar i tarmen, och ger också viktig insikt i hur våra matsmältningssystem fungerar. Genom att dra från dessa resultat kan forskare utveckla nya sätt att diagnostisera och behandla tarmrelaterade sjukdomar.
Teamet beskriver studien i Fysiska granskningsbrev.
