Vi khuẩn đường ruột là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học

Khái niệm về vi khuẩn đường ruột

Vi khuẩn đường ruột là cộng đồng vi sinh vật sống chủ yếu trong đại tràng của con người, bao gồm hàng nghìn loài vi khuẩn khác nhau cùng tồn tại và tương tác với cơ thể chủ. Tổng thể các loài vi sinh này được gọi là hệ vi sinh vật đường ruột (gut microbiota), và tập hợp toàn bộ vật liệu di truyền của chúng được gọi là hệ gen vi sinh vật đường ruột (gut microbiome).

Trung bình, hệ vi sinh vật đường ruột ở người trưởng thành chứa khoảng 100 nghìn tỷ tế bào vi khuẩn, với tổng khối lượng từ 1–2 kg. Mặc dù số lượng tế bào vi khuẩn gần tương đương với số lượng tế bào người trong cơ thể, nhưng hệ gen vi sinh vượt trội gấp hàng trăm lần về số lượng gen, cho phép thực hiện nhiều chức năng sinh lý mà cơ thể người không thể tự đảm nhận.

Vi khuẩn đường ruột không chỉ đóng vai trò là cộng sinh mà còn điều tiết các hoạt động sinh học then chốt như tiêu hóa thức ăn phức tạp, tổng hợp vitamin, duy trì cân bằng miễn dịch và thậm chí ảnh hưởng đến trục não–ruột. Sự ổn định và đa dạng của hệ vi sinh này có liên hệ chặt chẽ với tình trạng sức khỏe toàn thân.

Phân loại vi khuẩn đường ruột

Vi khuẩn đường ruột được phân loại chủ yếu dựa trên đặc điểm sinh học và di truyền, với bốn ngành vi khuẩn chính thường gặp nhất là Firmicutes, Bacteroidetes, Actinobacteria và Proteobacteria. Trong đó, Firmicutes và Bacteroidetes chiếm hơn 90% tổng số vi khuẩn ở ruột người trưởng thành.

Mỗi ngành gồm nhiều chi (genus) khác nhau với chức năng riêng biệt. Ví dụ, nhóm Bacteroides có khả năng phân giải polysaccharide phức tạp, trong khi Lactobacillus và Bifidobacterium thuộc nhóm lợi khuẩn có vai trò lên men carbohydrate và sản xuất acid béo chuỗi ngắn.

Bảng dưới đây tổng hợp một số nhóm vi khuẩn đường ruột phổ biến và chức năng chính của chúng:

Chi vi khuẩn	Thuộc ngành	Chức năng chính
Bacteroides	Bacteroidetes	Tiêu hóa polysaccharide, điều hòa miễn dịch
Lactobacillus	Firmicutes	Sản xuất acid lactic, ức chế vi khuẩn gây bệnh
Clostridium spp. (nhóm IV và XIVa)	Firmicutes	Sản xuất butyrate, điều hòa viêm
Bifidobacterium	Actinobacteria	Lên men chất xơ, hỗ trợ miễn dịch niêm mạc

Sự phát triển của hệ vi sinh vật đường ruột theo độ tuổi

Hệ vi sinh vật đường ruột không phải là một hệ thống cố định mà phát triển và thay đổi theo từng giai đoạn của đời người. Trẻ sinh ra qua đường âm đạo thường nhận vi khuẩn đầu tiên từ hệ sinh dục của mẹ (như Lactobacillus), trong khi trẻ sinh mổ thường có hệ vi sinh ban đầu giống với da mẹ (Staphylococcus, Corynebacterium).

Trong những tháng đầu đời, chế độ nuôi dưỡng đóng vai trò quan trọng. Trẻ bú sữa mẹ có hệ vi sinh khác biệt so với trẻ bú sữa công thức, với sự chiếm ưu thế của Bifidobacterium do sữa mẹ chứa prebiotic tự nhiên là oligosaccharide.

Khoảng từ 2 đến 3 tuổi, hệ vi sinh vật đường ruột dần ổn định và đạt độ đa dạng giống người lớn. Tuy nhiên, sau đó hệ vi sinh vẫn tiếp tục thay đổi do ảnh hưởng từ:

• Chế độ ăn uống
• Môi trường sống và vệ sinh
• Việc sử dụng thuốc kháng sinh
• Các bệnh lý nhiễm trùng hoặc viêm

Đến tuổi già, hệ vi sinh có xu hướng giảm về đa dạng và lợi khuẩn, làm tăng nguy cơ viêm hệ thống và các bệnh chuyển hóa mãn tính.

Vai trò của vi khuẩn đường ruột đối với sức khỏe

Vi khuẩn đường ruột có vai trò không thể thiếu trong nhiều chức năng sinh lý của cơ thể. Một trong những chức năng quan trọng nhất là hỗ trợ tiêu hóa, đặc biệt là phân giải các chất xơ và carbohydrate phức tạp không tiêu hóa được bởi enzyme của người. Quá trình này tạo ra các acid béo chuỗi ngắn (short-chain fatty acids – SCFA) như acetate, propionate và butyrate, có vai trò cung cấp năng lượng cho tế bào ruột và điều hòa viêm.

Vi khuẩn đường ruột còn tham gia tổng hợp các vitamin cần thiết như vitamin K, vitamin B12, folate và biotin. Đồng thời, chúng cạnh tranh không gian và dinh dưỡng với vi khuẩn gây bệnh, giúp duy trì cân bằng hệ vi sinh và bảo vệ hàng rào biểu mô ruột.

Hệ vi sinh vật đường ruột cũng ảnh hưởng mạnh mẽ đến hệ miễn dịch. Khoảng 70% tế bào miễn dịch của cơ thể tập trung tại đường tiêu hóa. Sự tương tác giữa vi khuẩn và tế bào miễn dịch giúp huấn luyện hệ thống miễn dịch phản ứng phù hợp, tránh phản ứng quá mức hoặc tự miễn.

Một số vai trò nổi bật của vi khuẩn đường ruột:

• Tiêu hóa polysaccharide phức tạp
• Sản xuất SCFA có lợi
• Kích hoạt hệ miễn dịch tại chỗ và toàn thân
• Ức chế vi khuẩn gây bệnh
• Ảnh hưởng trục ruột–não qua sản xuất serotonin, GABA

Để tìm hiểu sâu hơn, có thể tham khảo nghiên cứu từ Nature Reviews Microbiology – The human gut microbiome.

Mối liên hệ giữa vi khuẩn đường ruột và bệnh tật

Sự mất cân bằng trong hệ vi sinh vật đường ruột, hay còn gọi là rối loạn vi sinh (dysbiosis), có liên quan đến nhiều bệnh lý cả trong và ngoài hệ tiêu hóa. Khi cấu trúc và chức năng hệ vi sinh thay đổi, có thể xảy ra các hiện tượng như viêm mãn tính, tăng tính thấm của ruột, rối loạn chuyển hóa, hoặc rối loạn hệ miễn dịch.

Các bệnh có liên hệ rõ ràng với dysbiosis bao gồm:

• Bệnh viêm ruột (IBD): Bao gồm viêm loét đại tràng và bệnh Crohn, có liên quan đến giảm Faecalibacterium prausnitzii và tăng Escherichia coli gây viêm.
• Hội chứng chuyển hóa: Sự tăng tỷ lệ Firmicutes/Bacteroidetes liên quan đến béo phì và đề kháng insulin.
• Tiểu đường tuýp 2: Một số vi khuẩn gây viêm có thể góp phần vào quá trình kháng insulin thông qua tác động lên trục miễn dịch - chuyển hóa.
• Rối loạn thần kinh: Dysbiosis có thể ảnh hưởng đến trục ruột - não, liên quan đến lo âu, trầm cảm và tự kỷ.

Bảng dưới đây tóm tắt mối liên hệ giữa các loại bệnh và biến đổi hệ vi sinh vật đi kèm:

Bệnh lý	Biến đổi vi sinh vật điển hình
IBD	↓ F. prausnitzii, ↑ Enterobacteriaceae
Béo phì	↑ Firmicutes / ↓ Bacteroidetes
Tiểu đường tuýp 2	↑ Ruminococcus, ↑ Desulfovibrio
Trầm cảm	↓ Bifidobacterium, ↓ Lactobacillus

Trục ruột - não: kết nối giữa vi khuẩn và chức năng thần kinh

Trục ruột - não (gut-brain axis) là hệ thống tín hiệu hai chiều giữa hệ tiêu hóa và hệ thần kinh trung ương, điều phối thông qua dây thần kinh phế vị, hệ nội tiết và miễn dịch. Vi khuẩn đường ruột có thể điều chỉnh hoạt động của trục này bằng cách sản sinh các chất trung gian thần kinh như serotonin, dopamine và GABA.

Khoảng 90% serotonin trong cơ thể được sản xuất tại ruột. Một số chủng vi khuẩn như Escherichia, Enterococcus và Streptococcus có thể ảnh hưởng đến lượng serotonin, qua đó tác động đến tâm trạng và hành vi. Ngoài ra, các acid béo chuỗi ngắn như butyrate cũng đóng vai trò quan trọng trong duy trì hàng rào máu não và kiểm soát viêm thần kinh.

Ngày càng nhiều nghiên cứu cho thấy mối liên hệ giữa rối loạn vi sinh và các bệnh lý thần kinh như:

• Bệnh Alzheimer
• Bệnh Parkinson
• Trầm cảm mãn tính
• Rối loạn phổ tự kỷ

Xem thêm: NCBI – The gut microbiota and the brain–gut axis.

Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ vi sinh vật đường ruột

Hệ vi sinh vật đường ruột rất nhạy cảm với các yếu tố bên ngoài và bên trong cơ thể. Một số yếu tố có thể tác động tích cực hoặc tiêu cực đến cấu trúc và chức năng của hệ vi sinh, làm thay đổi sự cân bằng giữa vi khuẩn có lợi và vi khuẩn gây bệnh.

Các yếu tố chính bao gồm:

• Chế độ ăn uống: Chế độ ăn giàu chất xơ, thực phẩm lên men và polyphenol hỗ trợ lợi khuẩn; trong khi thực phẩm chế biến sẵn, nhiều đường, chất béo bão hòa làm giảm đa dạng vi sinh.
• Kháng sinh: Làm mất cân bằng hệ vi sinh, đặc biệt khi sử dụng kéo dài hoặc không cần thiết, làm tăng nguy cơ bội nhiễm.
• Stress tâm lý và giấc ngủ: Ảnh hưởng đến hệ thần kinh ruột, làm thay đổi mật độ và hoạt động vi khuẩn.
• Hoạt động thể chất: Có liên hệ tích cực với sự đa dạng vi sinh, đặc biệt là tăng số lượng Akkermansia muciniphila.

Ứng dụng lâm sàng: Probiotic, Prebiotic và FMT

Việc điều chỉnh hệ vi sinh vật đường ruột được coi là một hướng đi tiềm năng trong điều trị và phòng ngừa nhiều loại bệnh lý. Một số chiến lược hiện đang được ứng dụng lâm sàng gồm:

• Probiotic: Vi khuẩn sống có lợi, được bổ sung qua thực phẩm như sữa chua, kefir hoặc dạng viên nang. Một số chủng phổ biến gồm Lactobacillus rhamnosus GG, Bifidobacterium breve.
• Prebiotic: Chất xơ không tiêu hóa như inulin, fructooligosaccharide (FOS) và galactooligosaccharide (GOS) nuôi dưỡng lợi khuẩn nội sinh.
• Ghép phân (Fecal Microbiota Transplant – FMT): Truyền vi sinh vật từ phân người khỏe mạnh vào ruột người bệnh. Phương pháp này đã được chứng minh có hiệu quả cao trong điều trị nhiễm Clostridioides difficile tái phát.

Nghiên cứu mới cũng đang phát triển các dạng probiotic thế hệ mới được thiết kế bằng công nghệ sinh học tổng hợp, có thể sản xuất thuốc hoặc điều hòa miễn dịch tại ruột.

Các hướng nghiên cứu tương lai

Hiểu biết về hệ vi sinh vật đường ruột vẫn còn nhiều hạn chế, đặc biệt là ở cấp độ chức năng phân tử. Các hướng nghiên cứu quan trọng đang được quan tâm bao gồm:

• Giải trình tự hệ gen vi sinh vật bằng metagenomics để xác định vai trò của từng loài
• Ứng dụng học máy (machine learning) để phân tích dữ liệu vi sinh lớn và dự đoán mô hình bệnh lý
• Thiết kế probiotic theo cá nhân hóa dựa trên hồ sơ hệ vi sinh
• Nghiên cứu tác động của vi sinh vật đến phản ứng miễn dịch trong ung thư học và điều trị miễn dịch

Sự kết hợp giữa y học hệ thống, công nghệ gen và sinh học tổng hợp được kỳ vọng sẽ mở ra kỷ nguyên mới trong kiểm soát và điều trị bệnh thông qua hệ vi sinh vật đường ruột.

Tài liệu tham khảo

1. Human Microbiome Project Consortium. (2012). "Structure, function and diversity of the healthy human microbiome." Nature, 486(7402), 207–214. Link.
2. Shreiner, A. B., Kao, J. Y., & Young, V. B. (2015). "The gut microbiome in health and in disease." Current Opinion in Gastroenterology, 31(1), 69–75. Link.
3. Lynch, S. V., & Pedersen, O. (2016). "The human intestinal microbiome in health and disease." New England Journal of Medicine, 375(24), 2369–2379. Link.
4. Sender, R., Fuchs, S., & Milo, R. (2016). "Revised estimates for the number of human and bacteria cells in the body." PLoS Biology, 14(8), e1002533. Link.
5. Collins, S. M., Surette, M., & Bercik, P. (2012). "The interplay between the intestinal microbiota and the brain." Nature Reviews Microbiology, 10(11), 735–742. Link.
6. Arrieta, M. C., et al. (2014). "The intestinal microbiome in early life: health and disease." Frontiers in Immunology, 5, 427. Link.