REVIEW

Postbioticele – introducere, clasificare şi beneficii asupra sănătăţii

 Postbiotics – introduction, classification and health benefits

Simona Vlădăreanu, Mihai Cristian

First published: 23 iunie 2018

Editorial Group: MEDICHUB MEDIA

DOI: 10.26416/Peri.2.2.2018.1816

Abstract

Postbiotics or paraprobiotics are a non-viable bacterial product or a metabolic byproduct that are secreted from live bacteria, or products that are released after the chemical or mechanical lysis of bacteria – such as enzymes, organic acids, and peptides. In this article we’d like to accommodate our readers to the postbiotic concept, the methods used to obtain and identify postbiotics, classes of postbiotics and their use in the food industry.

Keywords
paraprobiotics, concept, methods used

Rezumat

Postbioticele sau paraprobioticele sunt produse bacteriene neviabile, metaboliţi care sunt secretaţi de bacteriile vii sau produşi eliberaţi după liza chimică ori mecanică a acestora, cum ar fi enzime, acizi organici sau peptide. În acest articol am vrea să prezentăm cititorilor revistei noastre conceptul de postbiotice, metodele folosite pentru identificarea lor, clasele de postbiotice şi rolul lor în industria alimentară.

Introducere

Postbioticele sunt factori solubili secretaţi de bacterii vii sau rezultaţi în urma proceselor de liză ale acestora. Locul lor de acţiune este intestinul subţire, unde împreună cu pre- şi postbioticele influenţează microbiota intestinală(1).

Microbiota intestinală reprezintă totalitatea microorganismelor de la nivelul intestinului subţire şi al celui gros, capabile să producă molecule de semnalizare, cu roluri importante în reglarea funcţionării normale a organismului. Este alcătuită din mai mult de 100 de trilioane de celule bacteriene, având aproximativ 1000 de specii bacteriene(2).

Microbiota intestinală este o parte importantă a corpului, având numeroase funcţii şi, în acelaşi timp, prin dezechilibrele care au loc la nivelul său, este implicată în multiple patologii.

Compoziţia microbiotei intestinale începe să se alcătuiască încă dinaintea naşterii(3).

Mai departe, este influenţată de diverşi factori, cum ar fi modul naşterii, alimentaţia, alăptarea sau hrănirea cu formule de lapte. În jurul vârstei de 2-3 ani, compoziţia microbiotei se stabilizează şi începe să semene cu cea a adultului; chiar şi după maturizare pot apărea modificări, fie din cauza tipului de alimentaţie – vegetarian sau nu, hipo- sau normocaloric –, fie din cauza medicaţiei administrate sau din cauza mediului unde locuieşte persoana respectivă(4).

Rolurile microbiotei sunt diverse, cel mai frecvent fiind cel de barieră mecanică şi biologică activă, menită să protejeze organismul de agresiuni infecţioase la acest nivel(5).

Modificarea calitativă şi cantitativă a microbiotei, urmată de alterarea structurii mucoasei intestinale, conduce la creşterea permeabilităţii acesteia pentru bacterii tolerate imunologic, care, coroborată cu inflamaţia intestinală patologică şi stimularea în exces a răspunsului imun, determină iniţierea unor procese cu repercusiuni la nivel local şi sistemic: boli intestinale, hepatice, tulburări metabolice (dislipidemii, diabet), afecţiuni reumatologice sau neuropsihiatrice (anxietate, depresie)(6).

Astfel, identificarea noilor clase de postbiotice şi a căilor responsabile de producerea acestora ar trebui să conducă la o mai bună înţelegere mecanică a rolului pe care îl au probioticele, prebioticele şi postbioticele specifice în restabilirea compoziţiei şi a funcţiei microbiotei intestinale(7).

În ciuda faptului că mecanismele implicate în dobândirea efectelor benefice pentru sănătate ale postbioticelor nu sunt încă pe deplin elucidate, datele ştiinţifice au dovedit că postbioticele au diferite proprietăţi funcţionale, cum ar fi: antimicrobial, antioxidant şi imunomodulator. Aceste proprietăţi pot afecta într-un mod pozitiv homeostazia microbiotei sau metabolismul gazdei şi căile acestuia de semnalizare, în acest fel influenţând căi fiziologice specifice, neurohormonale, reglatorii, imunologice şi anumite reacţii metabolice(8).

În prezent există informaţii destul de vaste despre elementele fundamentale, terapeutice şi aspectele tehnologice ale bacteriilor „bune”. Cele mai multe studii s-au focalizat însă asupra celulelor întregi (celule vii sau celule inactivate termic) ori asupra componentelor membranei/peretelui celular, iar în ceea ce priveşte fracţia intracelulară solubilă (adică postbioticele), literatura de specialitate s-a axat mai puţin asupra lor(9).

Chiar dacă importanţa postbioticelor a fost recent descoperită şi în ciuda faptului că mecanismele lor de acţiune şi structură nu au fost complet identificate, datele despre beneficiile lor asupra sănătăţii au cunoscut o continuă ascensiune. Până în prezent există doar câteva studii despre postbiotice, în special postbioticele sintetizate din speciile de Lactobacillus(10).

Clase de postbiotice

Bacteriile comensale intestinale depind în întregime de gazdă pentru a-şi procura nutrienţii necesari pentru a produce creşterea şi dezvoltarea microbiotei. Totodată, pe parcursul unui ciclu de viaţă, bacteria produce metaboliţi cu greutate moleculară mică; aceşti compuşi joacă un rol esenţial în reglarea proceselor de creştere şi reproducere, stimulează procesele de creştere ale altor microorganisme, comunicarea intercelulară şi oferă protecţie împotriva factorilor de stres. O parte dintre aceşti metaboliţi solubili pot fi secretaţi de bacteriile vii sau secretaţi după liza bacteriană, oferind beneficii fiziologice prin modificarea proceselor celulare şi a căilor metabolice ale gazdei(11).

Deşi aceste beneficii pot diferi de la o bacterie la alta, este posibil (cel puţin teoretic), folosind bioingineria, să se producă probiotice recombinate capabile să exercite o varietate de proprietăţi benefice, deoarece conţin copii biologice ale acestor metaboliţi bioactivi.

În general, postbioticele se pot diferenţia unele de altele, fie prin compoziţia lor elementară (ex.: lipide, proteine, carbohidraţi, vitamine, acizi organici) sau prin proprietăţile lor fiziologice, printre care enumerăm: imunomodulator, antiinflamator, hipocolesterolemiant, antiobezogenic, antihipertensiv, antiproliferativ şi antioxidant(12).

Postbioticele au şi unele caracteristici comune, cum ar fi: aceleaşi limite de siguranţă şi termen de valabilitate mare (până la cinci ani, când este folosit ca ingredient în alimente, băuturi sau suplimente nutriţionale). În plus, într-un studiu realizat de Shenderov (2013) a fost demonstrat faptul că postbioticele au şi alte caracteristici foarte utile, precum absorbţie, metabolizare, distribuţie şi eliminare facile, proprietăţi care pot fi folosite pentru a vizualiza/investiga diferite organe şi ţesuturi ale gazdei, în acest fel activându-se diverse răspunsuri biologice(13).

Mai mult decât atât, o proprietate foarte importantă a postbioticelor este aceea că ele pot mima efectul benefic asupra sănătăţii produs de probiotice, dar fără administrarea de bacterii vii, care pot avea şi efecte adverse nedorite pentru gazdă – efecte demonstrate într-un studiu al lui Tsilingri (2012), care a evidenţiat faptul că probioticele pot induce un răspuns inflamator local asemănător celui indus de Salmonella(14). Mai mult decât atât, există şi alte riscuri asociate administrării de bacterii vii – de exemplu, la pacienţii cu imunosupresie şi la prematuri pot să apară balonare, flatulenţă şi chiar bacteriemie, ca urmare a translocării probioticelor. Din aceste motive, folosirea postbioticelor este văzută ca o alternativă viabilă şi mult mai sigură decât probioticele(15).

Postbioticele s-au obţinut folosind metode de liză celulară, şi aici includem: prin căldură, tratamente enzimatice, extracţie cu ajutorul solvenţilor, ultrasunete. Pe lângă aceste proceduri primare, s-au mai folosit metode precum centrifugare, dializă şi cromatografie.

În ciuda tuturor metodelor folosite pentru detectarea, identificarea şi cuantificarea postbioticelor, este nevoie de cercetări amănunţite asupra metodelor folosite şi a protocoalelor de extracţie pentru a putea identifica postbiotice noi, pentru a înţelege mecanismele de acţiune şi căile de modulaţie ale acestora.

Bioactivitatea postbioticelor şi efectele lor

În ultimii ani s-au realizat mai multe studii, atât in vitro, cât şi in vivo, pentru a evalua bioactivitatea şi efectele asupra sănătăţii, inclusiv ale metaboliţilor intracelulari, precum şi anumite componente ale peretelui celular.

Majoritatea postbioticelor descoperite până în prezent sunt derivate din tulpini de Lactobacillus şi Bifidobacterium, dar, de asemenea, s-au sintetizat postbiotice şi din tulpini de Streptococcus şi Faecalibacterium. S-a demonstrat că suplimentarea dietei cu postbiotice a scăzut tensiunea arterială, conferindu-le acestora un efect antihipertensiv. Acest mecanism de protecţie asupra endoteliului nu este încă elucidat, dar se presupune că are legătură cu modificări ale microbiotei, restabilirea funcţiei de barieră intestinală şi stimularea simpatică asupra rinichiului(16).

Postbioticele au şi efect de inhibiţie asupra bacteriilor patogene – Listeria monocytogenes, Salmonella enterica S-100, Escherichia coli E-30 şi specii de Enterococcus rezistente la vancomicină. Mai mult decât atât, s-a identificat şi un efect antioxidant, atât in vitro, cât şi in vivo, la anumiţi metaboliţi expuşi la exopolizaharide specifice din tulpini de Bifidobacterium animalis, care au reuşit să inhibe radicali oxizi şi superoxizi. Acest efect antioxidant a fost întâlnit la diferite enzime bacteriene intracelulare – glutation peroxidază (GPx), superoxid dismutază (SOD), nicotinamid-adenin-dinucleotid (NADH) şi NADH-peroxidază. Pe de altă parte, unii compuşi ai peretelui celular au fost asociaţi cu proprietăţi imunomodulatoare in vitro – acizi lipoproteici, proteine S. În plus, unele postbiotice prezintă mai multe bioactivităţi, putând activa simultan diferite căi de semnalizare intracelulară. Acizii lipoproteici (LTA) dezvoltă mai multe proprietăţi de acest tip, ei având diverse funcţii – antitumorală, antioxidantă şi imunomodulatoare(17).

Rolul hepatoprotector al postbioticelor a fost de asemenea descoperit. În acest sens, o suspensie obţinută după liza peretelui celular al Lactobacillus fermentum BGHV110 a avut capacitatea de a reduce hepatotoxicitatea indusă de acetaminofen în celulele hepatice G2. Acest efect a fost posibil prin activarea autofagiei în celulele G2 prin intermediul activării căii de semnalizare PINK1. Acest efect a fost reprodus şi în alte studii, cum ar fi cel al lui Sharma et al. (2011), care au demonstrat pe animale de laborator efectul hepatoprotector al unei suspensii intracelulare provenite din specii de Enterococcus lactis şi Lactobacillus acidophilus. În plus, cercetătorii au observat faptul că postbioticele au potenţialul de a normaliza nivelurile de glutation şi de a scădea biomarkerii de stres oxidativ.

Un alt efect important a fost descris în studiul lui Canonici et al. (2011), care, folosind o cultură obţinută din Saccharomyces boulardii pe modele in vitro, a observat o creştere a capacităţii de reparare a leziunilor şi a migrării celulare datorate activării receptorilor de colagen a2b1. Aceste date sugerează faptul că postbioticele pot îmbunătăţi semnificativ procesul de reparaţie a epiteliului intestinal după o leziune şi au potenţialul de a fi utilizate într-o gamă largă de afecţiuni gastrointestinale(18).

Bioactivitatea postbioticelor sugerează faptul că aceşti compuşi pot contribui la îmbunătăţirea stării de sănătate, prin activarea multiplelor semnale intracelulare şi prin efectul lor combinat împreună cu alţi metaboliţi şi microorganisme vii.

Importanţa postbioticelor în industria alimentară şi farmaceutică

Industria alimentară este în continuă dezvoltare, căutând permanent să ofere produse noi. Astfel, în ultimii ani s-a elaborat o gamă nouă de produse care conţin probiotice.

Pe de altă parte, o problemă legată de folosirea probioticelor în alimente este legată de faptul că unele tulpini de probiotice au capacitatea de a rezista la acţiunea antibioticelor.

Un alt motiv de îngrijorare legat de folosirea probioticelor este menţinerea viabilităţii bacteriilor pe timpul prelucrării şi depozitării produselor. Viabilitatea bacteriilor folosite în probiotice poate fi influenţată de diverşi factori – interacţiunea cu alte specii microbiene, nivelul de aciditate al produsului, temperatura ambiantă, timpul de fermentaţie etc.(19).

În contrast, postbioticele sunt mult mai stabile decât formele derivate din bacterii vii. De exemplu, peptide cu proprietăţi antimicrobiene, în principal bacilysina şi cholotetaina, produse de Bacillus sp. tulpina CS93, sunt solubile şi rămân active pe un interval mare al pH-ului. În plus, postbioticele pot fi folosite într-un mediu controlat şi standardizat, pe când, în cazul probioticelor, bioactivitatea lor în intestin depinde de activitatea metabolică specifică pentru fiecare tulpină în parte.

În prezent, în industria farmaceutică sunt folosite următoarele produse: Colibiogen® – „cell free and protein free”, derivat din culturi de Escherichia coli tulpina Laves 1931; conţine aminoacizi, peptide, polizaharide şi acizi graşi. Principalul efect este antiinflamator şi regenerator al mucoasei intestinale.

Del-Immune® este un alt produs care conţine peptide, aminoacizi şi fragmente de ADN din L. rhamosus V tulpina DV – reduce disconfortul gastrointestinal al copiilor cu autism(20).

Studii recente au sugerat că metaboliţii rezultaţi după liza bacteriană – acid hialuronic, sfingomielină, peptidoglicani, acid lipotechoic, acid lactic, acid acetic – pot oferi un spectru larg de acţiune şi pot aduce beneficii majore în afecţiunile dermatologice: eczeme, dermatită atopică, vindecarea cicatricelor şi a arsurilor, protecţie împotriva razelor solare(21).

O aplicaţie majoră a postbioticelor este introducerea acestora în formulele de lapte.

Pe lângă formulele de lapte deja cunoscute, care conţin pre- şi probiotice, produsele de lapte noi obţinute prin procesul de fermentaţie pot reprezenta o alternativă viabilă pentru sugarii cu probleme ale tractului gastrointestinal.

Prin fermentarea laptelui de vacă cu diferite tulpini de bacterii, urmată de un tratament termic scurt, rezultă o formulă de lapte care nu conţine bacterii active, ci doar produşi de fermentaţie.

Deşi afecţiunile gastrointestinale sunt de obicei minore şi inofensive pentru bebeluş, ele îi pot afecta mai mult pe părinţi, deoarece sugarul este inconsolabil, iar aceştia se adresează medicului. De obicei, aceste probleme se rezolvă în timp şi, de aceea, tratamentul medicamentos nu este de primă intenţie. Formulele care conţin postbiotice sunt de mare ajutor în aceste situaţii, în principal datorită faptului că facilitează digestia şi maturaţia intestinului(22).

Concluzii

Postbioticele sunt formate din metaboliţi şi/sau componenţi ai peretelui celular secretaţi de bacterii vii sau rezultaţi din liza bacteriană, cu efecte benefice asupra stării de sănătate a gazdei. Au proprietăţi antiinflamatorii, imunomodulatoare, antiobezogene, antihipertensive, hipocolesteromiante, antiproliferative şi antioxidante. Aceste proprietăţi întăresc afirmaţia că postbioticele îmbunătăţesc starea de sănătate a gazdei prin stimularea unor căi şi răspunsuri intra- şi intercelulare care nu sunt complet elucidate până în prezent.

Studii suplimentare sunt necesare pentru înţelegerea căilor de acţiune ale acestora şi a semnalelor pe care le modulează. După înţelegerea acestora, se pot pune bazele unei producţii sigure şi eficiente de postbiotice, pe scară largă.

Referitor la mecanismele de producţie, este foarte important să se trateze cu mare atenţie fiecare tulpină în parte, fără ca aceasta să se schimbe, pentru a elimina variabilitatea postbioticelor rezultate din tulpini diferite şi efectul factorilor de mediu asupra acestora, care de cele mai multe ori nu poate fi controlat.

În continuare, pentru ca postbioticele să devină un remediu terapeutic de lungă durată, trebuie să se efectueze studii randomizate dublu-orb, pe oameni, dar şi pe animale de laborator, pentru a susţine efectele benefice asupra gazdei.  

Conflict of interests: The authors declare no conflict of interests.

Bibliografie

1. Aguilar-Toalá JE, García-Varela R, García HS, Mata-Haro V, González-Córdova AF, Vallejo-Cordoba B, Hernández-Mendoza A. Postbiotics: An evolving term within the functional foods field. Trends in Food Science & Technology. 2018; doi: 10.1016/j.tifs.2018.03.009, 3-6. 
2. Popa GL, Gheorghe SA, Preda M, Popa MI. The intestinal microbiota reconfigures the of knowledge. Infectio.ro. 2017;49 (1): 5-9.
3. Tap J, Mondot S, Levenez F, et al. Towards the human intestinal microbiota phylogenetic core. Environ Microbiol. 2009; 11(10):2574-84.
4. Parkes GC, Brostoff J, Whelan K, Sanderson JD. Gastrointestinal microbiota in irritable bowel syndrome: their role in its pathogenesis and treatment. Am J Gastroenterol. 2008;103(6):1557-67.
5. Bernardo D, Sanchez B, Al-Hassi HO, Mann ER, Urdaci MC, Knight SC, Margolles A. Microbiota/host crosstalk biomarkers: regulatory response of human intestinal dendritic cells exposed to Lactobacillus extracellular encrypted peptide. PloS ONE. 2012;7: e36262.
6. Sams ER, Whiteley M, Turner KH. “The battle for life”: Pasteur, anthrax, and the first probiotics. J Med Microbiol. 2014;63(Pt 11):1573-4.
7. Ruemmele FM, Bier D, Marteau P, Rechkemmer G, Bourdet-Sicard R, Walker WA, Goulet O. Clinical evidence for immunomodulatory effects of probiotic bacteria. J. Pediatr. Gastroenterol. Nutr. 2009;48,126–141.
8. Aguilar-Toalá JE, García-Varela R, García HS, Mata-Haro V, González-Córdova AF, Vallejo-Cordoba B, Hernández-Mendoza A. Postbiotics: An evolving term within the functional foods field. Trends in Food Science & Technology. 2018; doi: 10.1016/j.tifs.2018.03.009, 9-15.
9. Piemontese P, Gianni ML, Braegger CP, Chirio G, Gruber C, Riedler J, Arslanoglu S, van Stuijvenberg M, Boehm G, Jelinek J, et al. Tolerance and safety evaluation in a large cohort of healthy infants fed an innovative prebiotic formula: A randomized controlled trial. PLoS One. 2011;6, e28010.
10. Collier-Hyams LS, Neish AS. Innate immune relationship between commensal flora and the mammalian instestinal epithelium. Cell Mol Life Sci. 2005;62:1339-48.
11. Aguilar-Toalá JE, García-Varela R, García HS, Mata-Haro V, González-Córdova AF, Vallejo-Cordoba B, Hernández-Mendoza A. Postbiotics: An evolving term within the functional foods field. Trends in Food Science & Technology. 2018; doi: 10.1016/j.tifs.2018.03.009, 20-22.
12. Tsilingiri K, et al. Benef Microbes. 2013; “Postbiotics: what else?” www.ncbi.nlm.nih.gov;
13. Shenderov BA. Metabiotics: novel idea or natural development of probiotic conception. Microbial ecology in Health and Disease. 2013;24.
14. Tsilingiri K, Rescigno M. Postbiotics: what else?. Beneficial Microbes. 2013; March, 4(1): 101-107.
15. Aguilar-Toalá JE, García-Varela R, García HS, Mata-Haro V, González-Córdova AF, Vallejo-Cordoba B, Hernández-Mendoza A. Postbiotics: An evolving term within the functional foods field. Trends in Food Science & Technology. 2018; doi: 10.1016/j.tifs.2018.03.009, 24-25.
16. Arasu MV, Al-Dhabi NA, Rejiniemon TS, Lee KD, Huxley VAJ, Kim DH, Choi KC. Identification and characterization of Lactobacillus brevis P68 with antifungal, antioxidant and probiotic functional properties. Indian Journal of Microbiology. 2015;55, 19-28.
17. Medellin-Pena MJ, Wang H, Johnson R, Anand S, Griffiths MW. Probiotics affect virulence-related gene expression in Escherichia Coli. Applied and Environmental Microbiology. 2007; 73:4259 – 4265.
18. Meijer BJ, Dieleman L.A. Probiotics in the treatment of human inflammatory bowel diseases: update 2011. Journal of Clinical Gastroenterology. 2011;45 Suppl.: S139-144.
19. Hayes M, Stanton C, Fitzgerald GF, Ross RP. Putting microbes to work: dairy fermentation, cell factories and bioactive peptides. Part II: bioactive peptide functions. Biotechnol J. 2007;2:435–49.
20. Aguilar-Toalá JE, García-Varela R, García HS, Mata-Haro V, González-Córdova AF, Vallejo-Cordoba B, Hernández-Mendoza A. Postbiotics: An evolving term within the functional foods field. Trends in Food Science & Technology. 2018; doi: 10.1016/j.tifs.2018.03.009, 27-28.
21. Canocini A, Siret C, Oellegrino E, Pontier-Bres R, Pouyet L, Montero MP, André F. Saccharomyces boulardii improves intestinal cell restitution through activation of the α2β1 integrin collagen receptor. PLoS ONE. 2011;6(3), e18427.https://doi.org/10.1371/journal.pone.0018427
22. Vandenplas Y, Bouritius H, Ludwig T, Huet F, Hourihane J. A novel infant formula, combining scGOS/lcFOS with a specific fermented infant formula, shows lower incidence of colic in infants at 4 weeks of age compared to control formulas. J. Pediatr. Gastroenterol. Nutr. 2014;58, 435.