Arnold Berstad.
Av Arnold Berstad, Jan Raa og Jørgen Valeur, Unger-Vetlesens institutt, Lovisenberg Diakonale Sykehus, Oslo
Tryptofan er en «essensiell» aminosyre: Mennesket kan ikke lage den selv, men må ha den tilført i maten. Det er en aromatisk aminosyre (Figur 1), som i tillegg til å være byggesten i biosyntesen av proteiner, kan omdannes til en rekke metabolitter av stor klinisk betydning.
Mest kjent er den enzymatiske omdanningen til serotonin. I de senere år har det vært rettet stor og økende oppmerksomhet mot den medisinske betydningen av den enzymatiske oksidasjon av tryptofan og dannelsen av indolforbindelser som går under fellesbetegnelsen kynureniner. Både for høy produksjon av kynureniner og medfølgende mangel på substrat (tryptofan) for produksjon av serotonin kan være årsak til en rekke sykelige tilstander. I tilegg kommer det at selve oksidasjonen påvirker kroppens redoksbalanse.
Jan Raa
IDO er det mest sentrale enzymet i den enzymatiske omdanningen av tryptofan i tarmen. Enzymet katalyserer oksidasjon av tryptofan til kynurenin i en reaksjon som produserer peroksid og gir opphav til svært reaktive og potensielt skadelige oksygen- og hydroksylradikaler. IDO-reaksjonen kan derfor bidra til det som med en fellesbetegnelse blir kalt oksidativt stress (1;2). Oksygen- og hydroksylradikaler som dannes som følge av IDO-reaksjonen, vil påskynde oksidasjonen av nitrogenmonoksid (NO) til nitritt (NO2) og av toverdige jernforbindelser til treverdige. De reaktive oksygenproduktene har antimikrobiell effekt, men kan også skade mitokondrier og føre til økt produksjon av inflammasjonsfremmende cytokiner (TNF-α, IL-6) (3;4).
Jørgen Valeur
Skadelige effekter av IDO-reaksjonen kan motvirkes av askorbinsyre (vitamin C) og av antioksidanter som finnes i mange planter. De fleste antioksidanter i planter faller innenfor hovedgruppene polyfenoler, karotenoider og flavanoider. Mest kjent er kurkumin i gurkemeie, katekiner i grønn te, resveratrol i rødvin, og epigallokatekiner i kakao. Matplanter i korsblomstfamilien, som for eksempel kål og brokkoli (Brassica-slekten), inneholder – i tillegg til fenoliske antioksidanter – glukosinolater som spaltes i magesekken til tiocyanater som bidrar til å kontrollere redoksbalansen i tarm, for eksempel ved å aktivere den redoksregulerende transkripsjonsfaktoren Nrf2 (5). Glukosinolater gir også opphav til indolprodukter som er identiske med noen av dem som dannes ved enzymatisk nedbrytning av tryptofan i tarm, for eksempel indol-3-karbinol og 3,3-diindolylmetan (5).
Økt produksjon av peroksid og reaktivt oksygen som følge av IDO-aktivering kan tenkes å forstyrre det finjusterte samspillet mellom oksidanter og antioksidanter, samtidig som tryptofan- og kynurennivåene endres. Kanskje kan slike forstyrrelser i redoks- og tryptofan/kynurenin-balansen samt endret nivå av tryptofan og tryptofanmetabolitter «forklare» abdominale og systemiske symptomer ved irritabel tarm-syndrom (IBS)? Tryptofan har i så fall avgjørende – «essensiell» – betydning også i IBS-patogenesen.
Hittil har man i medisinen vært mest opptatt av tryptofanets rolle i serotonin-metabolismen. Serotonin er en viktig nevrotransmitter både i tarmen og i sentralnervesystemet. I tarmen regulerer det sekresjon, motilitet og sensibilitet mens det i sentralnervesystemet modulerer humør, kognisjon og søvn. Nevropsykiatriske problemer har blitt tilskrevet for mye eller for lite serotonin. For eksempel har man vist at kortvarig tryptofan-mangel svekker hukommelsen hos friske individer (6). I de senere år har man fokusert mer på tryptofanmetabolismen via kynurenin («kynureninveien»), hvor det meste av tryptofanet kataboliseres av gastrointestinaltraktens IDO. «Overskudd» av tryptofan kataboliseres i leveren, men av en annen dioksygenase enn IDO: Tryptofan-2,3-dioksygenase (TDO). Kun 1% av inntatt tryptofan metaboliseres til serotonin og de to metabolske veiene (serotonin og kynurenin) konkurrerer om substratet (tryptofan) (7). Økt forbruk av tryptofan via kynureninveien, kan føre til for lite tryptofan og serotonin både i sentralnervesystemet og i gastrointestinaltraktus. Hos mus er det klart vist at det kan gi symptomer på angst og dårlig humør (8). Trolig er dette relevant også for mennesker fordi engstelige personer kan ha god nytte av tryptofantilskudd, for eksempel i form av tryptofanrikt eggehvite- og myseproteinhydrolysat (9). Det meste av kroppens serotonin (95%) finnes i tarmen, spesielt proksimalt i tynntarmen. Interessant nok har studier vist at pasienter med IBS har både lav konsentrasjon av serotonin (10) og lite antall serotonin-holdige nevroendokrine (enterokromafine) celler i tynntarmslimhinnen (11). De lave serotoninverdiene i tarmveggen kan være årsak til svekket tynntarmsmotorikk (12). Serotonin brytes ned til 5-hydroksyindol eddiksyre (5-HIAA), som utskilles i i urin. Hos pasienter med IBS er urinutskillelsen lav, forenlig med lav produkson av serotonin (13). I blod derimot, er nivået av serotonin høyt, kanskje på grunn av svekket inaktivering ved opptak til enterocytter, nevroner og blodplater. Flere studier har vist at denne transportfunksjonen (reopptaket) av serotonin (SERT) er svekket ved IBS og at reduseret SERT kan være et resultat av immunaktivering, spesielt økt produksjon av INFγ (interferon gamma) (14;15).
Immunaktivering som medfører økt produksjon av INFγ vil i sin tur resultere i økt IDO-aktivitet (1). Stimulert IDO-oksidasjon av tryptofan har vist seg å være av stor betydning for så vidt forskjellige sykdommer som hjerteinfarkt, Alzheimers sykdom og psykisk utviklingshemming (6;16;17), og tryptofan inngår for eksempel i enkelte behandlingskombinasjoner ved kognitiv svikt hos eldre (18). Aktivering av kynureninveien virker immunmodulerende og er av stor betydning for utvikling av allergiske og autoimmune sykdommer (19;20). Både lokal tryptofanmangel og systemiske metabolitter fra kynureninveien regnes som viktige aktører i dette samspillet. For eksempel mener man at lokal tryptofanmangel i og omkring infiserte celler i tarmslimhinnen begrenser bakterievekst (21).
Intestinal malabsorpsjon kan også være medvirkende. Pasienter med IBS og kronisk fatigue har ofte tegn til lavgradig malabsorbsjon med mangel på jern, vitamin B12, folinsyre og D-vitamin, og vi har tidligere vist at om lag 30 % av IBS-pasientene har malabsorpsjon av fett (22). Ledochowski og medarbeidere viste allerede i 2001 at for høyt nivå av fruktose i tarm kan redusere tilgjengeligheten av tryptofan som substrat for biosyntese av serotonin, og at serotoninmangel og depresjon kan være assosiert med malabsorbsjon av fruktose (23).
Høy kynurenin/tryptofan-ratio er resultat av høy aktivitet i kynureninveien, og dette er kanskje det nærmeste man kommer en biomarkør for IBS (24;25). Men denne ratioen er også høy ved en rekke andre inflammatoriske tilstander og kreftformer der INFγ er økt, enten lokalt eller systemisk (26). Lav tryptofan og høy kynurenin/tryptofan-ratio er derfor ikke spesifikt for IBS, men en høy ratio kan tyde på en tilgrunnliggende lavgradig inflammasjonsprosess. Denne immunaktiveringen med påfølgende høy IDO-aktivitet kan ha en mikrobiell årsak. Brottveit og medarbeidere har nylig beskrevet INFγ-økning i duodenalbiopsier etter inntak av glutenholdig brød hos glutensensitive pasienter uten cøliaki (27). Mekanismene for og konsekvensene av denne INFγ-økningen er ikke klarlagt. Gluten er kun delvis fordøyelig for humane enzymer, og forblir halvfordøyd og uabsorbert i tynntarmen. Ufordøyde glutenpeptider kan være direkte toksiske (28), antimikrobielle og immunmodulerende (29). INFγ-aktivering er en viktig del av det medfødte immunsystemet og kan utløses av mikrober(30;31). Straks de ufordøyde glutenpeptidene kommer til colon, blir de mat for tykktarmens bakterier (32), og spørsmålet er om det er denne glutenstimulerte tarmfloraen som lager IBS-lignende symptomer hos glutensensitive pasienter uten cøliaki. Vår hypotese er at INFγ-aktivering og derav følgende IDO-oksidasjon av tryptofan er en patogenetisk mekanisme ved IBS og at det initiale stimulus kan være mikrobielt.
Figur 1. Tryptofan, kjemisk formel. Ringstrukturene viser at den er «aromatisk».
Reseptorproteinet AhR (Aryl hydrocarbon Receptor) har vært konservert i fylogenesen av vertebrater i flere hundre millioner år. Tidligere trodde man at det først og fremst hadde betydning for inaktivering av miljøtoksiner, for eksempel xenobiotika, ved å stimulere aktiviteten av cytokrom P (CYP-enzymer). Aktivert AhR fungerer imidlertid også som en intracellulær transkripsjonsfaktor som styrer en rekke livsviktige funksjoner (33) og er blant annet nødvendig for normal intestinal immunfunksjon. Spesielt interessant for oss er det at AhR regulerer tarmslimhinnens barrierefunksjon, tilsynelatende i et system der slimhinnen «smaker» på innholdet i tarmen og regulerer forsvaret deretter. Via AhR-aktivering av lymfoide celler produseres cytokiner (IL-22) som regulerer immunforsvar og toleranseutvikling. Disse lymfoide cellene (forkortet ILC) tilhører det medfødte immunsystemet. Det vil si at denne «gamle» reseptoren (AhR) virker på celler som ligger klar allerede ved fødselen, og det er tydeligvis et «basalt» immunsystem vi her har med å gjøre. En rekke studier har vist at AhR-ligander regulerer antall intraepiteliale og regulatoriske T-celler, cytotoksiske T-celler, antistoffproduserende B-celler og mastceller. Svikt i dette forsvarssystemet kan blant annet gi autoimmunitet og allergi (34).
Siden AhR er en medfødt reseptor i en rekke celler, er det rimelig å anta at det finnes endogene ligander – og det gjør det. Det påvises stadig nye AhR-ligander, og det viser seg at mange av dem faktisk er tryptofan-metabolitter (35). INFγ-indusert tryptofan-degradering kan indusere antimikrobielle og immunmodulerende effekter i epitelceller (29). Tarmfloraens betydning i denne sammenheng er lite utforsket, men mikrobene kan metabolisere tryptofan og gi opphav til AhR-ligander som i sin tur påvirker slimhinneforsvaret. Melkesyrebakterier (L reuteri i tarmen og L acidophilus i vagina) spiser tryptofan som energikilde og produserer indol-3-aldehyd (IAld), en AhR-ligand som aktiverer ILC og frigjør IL-22 som stimulerer produksjon av antimikrobielle peptider, reduserer vekst av Candida albicans, men øker veksten av melkesyrebakterier. Hvis de har valget, spiser bakterier sukker heller enn aminosyrer – og uten tryptofan i «kosten», produserer de ikke IAld – følgen blir mindre laktobasiller og mer Candida (34), som er typisk ved IBS.
Det er også nylig vist at kynurenin aktiverer mastceller via AhR (36) og at AhR er oppregulert ved allergisk rhinitt (37) og kan hemmes med en annen (ikke-toksisk) tryptofanmetabolitt (forkortet ITE) (38). Slike metabolitter er svært interessante med tanke på utvikling av nye behandlingsmuligheter ved allergi. Det finnes imidlertid en rekke AhR-ligander som er mye lettere tilgjengelige og kanskje like interessante: Kålplanter inneholder for eksempel tryptofanholdige substanser (glukosinolater) som magesyren omdanner til potente AhR-ligander som medvirker til gunstig mikrobemiljø i magesekken (39). Et aktuelt spørsmål er derfor: Hvor mye og hvordan påvirkes dette reguleringssystemet av vårt daglige kosthold?
Hvis IBS og assosierte helseplager som fibromyalgi og fatigue er en IDO-stimulert konsekvens av en unormal tarmflora, kunne man tenke seg at problemene kan behandles med antibiotika. Interessant nok ser vi av og til forbausende resultater av antibiotika, men vår erfaring er dessverre at pasientene etterpå blir verre enn noen gang. Vi mistenker at de skyldige mikrobene er fakultativt anaerobe og at de er slimproduserende og kanskje «gjemmer seg» i en biofilm av slim (40). Lipopolysakkarid (LPS) fra gramnegative bakterier kan stimulere IDO (41), men LPS og CD14 i blod ser ut til å være normale (upubliserte data), selv om LPS-reseptoren TLR4 kan være oppregulert i colon hos en subgruppe av IBS-pasienter (42). Vi tror derfor at den uheldige tarmfloraen ikke er gramnegativ.
Når antibiotika ikke virker, må vi finne nye muligheter. Diettbehandling (lav-FODMAP- diett) for å «sultefôre» bakteriene har vist seg nyttig (43), men er neppe kurerende. Vi har merket stor interesse for fekal bakterieterapi (en variant av «fecal microbiota transplantation», FMT) etter at vi publiserte resultatene av dette hos pasienter med post-giardiasis IBS (44). Effekten var dessverre forbigående, men dog kanskje bedre enn effekten av rifaksimin, et ikke-absorberbart antibiotikum, som nylig ble omtalt i New England Journal of Medicine (45). Det er imidlertid et stort problem å få den tilførte floraen til å etablere seg hos den nye verten. Disse vanskelighetene kan tenkes å bero på miljøforstyrrelser i vertens «fermenteringskammer» – cøkum. Innholdet i cøkum skal normalt være surt med pH mellom 5 og 6, og graden av acidose i cøkum er relatert til det såkalte redokspotensialet (46). Hvis redokspotensialet ikke er lavt nok (ikke tilstrekkelig anoksisk), får man overvekst av fakultativt anaerobe bakterier og fermenteringsprosessen blir ufullstendig(47;48). For høy oksygentensjon i cøkum gjør at man får dannet reaktive oksygensubstanser (ROS) som vil kunne oksidere NO til NO2 og gi mangel på NO, samtidig som NO2 (og andre oksidasjonsprodukter) kan bli «mat» for en ugunstig bakterieflora (49). Hvis verten ikke har det riktige redokspotensialet i cøkum, kan det kanskje være nok til at ny flora ikke vil etablere seg – uten at vi først gjør noe med vertens redoksmiljø. Dette er en hittil uløst utfordring.
Eksogen tilførsel av tryptofan vil kunne øke mengden av serotonin og gunstige AhR-ligander. Det man da er redd for er at man «kaster olje på bålet», ved at tryptofanoksidasjonen vil øke og gi opphav til mer reaktive oksigenforbindelser. Det er her kombinasjonen med antioksidanter kommer inn. Hvis vi med antioksidanter kan begrense det oksidative stresset, kan det være at den gunstige effekten av økt mengde serotonin og AhR-ligander gjør at totaleffekten av tryptofanadministrasjon blir positiv. Tiocyanater som dannes ved spalting i magen av glukosinolater i kålplanter, kan være av spesiell interesse fordi de aktiverer Nrf2-reseptoren og virker regulerende på redoksnivået (5). Inntak av grønnsaker i kålplanteslekten (Brassica) er forbundet med redusert risiko for kroniske sykdomslidelser (5), og i tidligere tider fikk vi trolig i oss i mye større mengder enn nå for tiden, fordi glukinolatnivåene i kålplanter er lavere nå enn før som følge av kålplanteforedling (50).
IBS er relatert til forstyrret tryptofanmetabolisme med økt oksidativt stress og mangel på tryptofan og tryptofanderiverte AhR-ligander (34). Årsaken kan være dysbiose (51) på grunn av høyt inntak av karbohydrater (43). Hvis mikrobene får det de helst vil ha (sukker), produserer de ikke AhR-ligander som styrker slimhinnens forsvar og barriere. Uten disse AhR-ligandene reduseres ratio mellom melkesyrebakterier og Candida albicans og utviklingen av IBS, allergier og autoimmune sykdommer begunstiges. Når man sier «You AhR what you eat» (52) så betyr det at en rekke lidelser, inkludert IBS, fibromyalgi og fatigue, kan være indirekte konsekvenser av kosten, mediert av den essensielle aminosyren tryptofan og dens mikrobielle metabolitter. Slik sett er det kanskje riktigere å si «You AhR what your microbiota eat».
