Изменение микробиома кишечника при воспалительных заболеваниях кишечника
Бойкова Д.В., студент
4 курс, Лечебный факультет ФГАОУВО РНИМУ им. Н.И. Пирогова МЗ РФ
Габибуллаев Р.М., студент
4 курс, Лечебный факультет ФГАОУ ВО РНИМУ им. Н.И. Пирогова МЗ РФ
Идрисова М.А., студент
4 курс, Лечебный факультет ФГАОУ ВО РНИМУ им. Н.И. Пирогова МЗ РФ
Аннотация
Число пациентов с ВЗК постоянно растет в западных странах, и в последние десятилетия эта тенденция переместилась в новые индустриальные страны Азии и Южной Америки. Изменение микробной структуры и функции кишечника связано с патогенезом различных заболеваний, включая воспалительные заболевания кишечника. Достижения в технологии секвенирования ДНК и биоинформатике революционизировали наше понимание микробиома кишечника. В данной статье обобщены последние данные о бактериоме, микобиоме и вироме кишечника при болезни Крона и язвенном колите.
Ключевые слова: воспалительные заболевания кишечника, болезнь Крона, язвенный колит, микробиом, виром, микобиом.
Annotation
The number of patients with IBD is steadily increasing in Western countries, and in recent decades this trend has shifted to newly industrialized countries in Asia and South America. Changes in gut microbial structure and function have been linked to the pathogenesis of various diseases, including inflammatory bowel disease. Advances in DNA sequencing technology and bioinformatics have revolutionized our understanding of the gut microbiome. This article summarizes recent data on the bacteriome, mycobiome, and virome of the gut in Crohn's disease and ulcerative colitis.
Key words: inflammatory bowel disease, Crohn's disease, ulcerative colitis, microbiome, virome, mycobiome.
Актуальность
В нормальных условиях в-окисление бутирата потребляет кислород в колоноцитах и поддерживает анаэробную среду в просвете. Истощение бутират-продуцирующих бактерий приводит к анаэробному гликолизу в колоноцитах и увеличивает диффузию кислорода в просвет, что приводит к расширению люминального факультативного анаэроба.
Дисбиоз при ВЗК характеризуется снижением обилия представителей типа Firmicutes (например, Faecalibacterium, Roseburia и Ruminococcus) и увеличением типа Proteobacteria (например, Enterobacteriaceae). Общая структура микобиоты кишечника заметно отличается у пациентов с ВЗК, особенно с болезнью Крона, по сравнению со здоровыми людьми.
Увеличение рода Candida является основным фактором, способствующим изменению микобиома у японских пациентов с болезнью Крона (БК), а увеличение рода Saccharomyces характерно для западных пациентов. Виром кишечника, который в основном состоит из бактериофагов (фагов), влияет на гомеостаз кишечника и патогенные условия через взаимодействие с бактериальным сообществом кишечника. Было высказано предположение об изменениях в кишечном вироме у пациентов с ВЗК. Это может изменить либо иммуногенность бактерий, что влияет на взаимодействие бактерий и хозяина, либо функции бактерий, такие как устойчивость к антибиотикам и синтез токсинов.
Введение
Воспалительные заболевания кишечника (ВЗК), включающие болезнь Крона (БК) и язвенный колит (ЯК), представляют собой сложные хронические воспалительные заболевания желудочно-кишечного тракта (ЖКТ) с неизвестной этиологией. Число пациентов с ВЗК постоянно растет в западных странах, и в последние десятилетия эта тенденция переместилась в новые индустриальные страны Азии и Южной Америки [1, 2]. Это явление связано с вестернизацией рациона питания и окружающей среды, которые изменяют микробиом кишечника и повышают риск возникновения ВЗК у генетически восприимчивых людей [1, 2].
Нижняя часть ЖКТ имеет огромную и сложную экосистему, состоящую из микроорганизмов, таких как бактерии, грибы, вирусы и другие организмы [3-5]. Взаимодействие между микробиомом кишечника и иммунной системой кишечника важно для поддержания гомеостаза ЖКТ, а изменение разнообразия и состава микробиоты кишечника (дисбиоз) играет решающую роль в патогенезе ВЗК [6-8]. В последних исследованиях сообщается о выраженных изменениях в микробиоме и вироме кишечника у пациентов с ВЗК. В данном мини-обзоре обобщены последние данные о бактериоме, микобиоме и вироме кишечника при ВЗК [8-11].
Микробиом кишечника
Бактерии составляют большую часть микробиома кишечника: 100 триллионов клеток и более чем 1 000 видов, и это сообщество включает в себя в 100 раз больше генов, чем геном человека [12]. Более 99% микробиома кишечника составляют виды, относящиеся к 4 типам: Firmicutes (~60%), Bacteroidetes (~20%), Proteobacteria и Actinobacteria [12]. Бактериальная нагрузка самая низкая в верхних отделах ЖКТ (желудок 0 -102 клеток/г содержимого в просвете, двенадцатиперстная кишка - 102, проксимальная подвздошная кишка - 103) и постепенно увеличивается на 107-108 в терминальной части подвздошной кишки и 1012 в толстой кишке [12]. Этот микробный профиль может изменяться такими факторами, как генетика, родовой путь, диета, гигиена, психологический стресс, окружающая среда и образ жизни, инфекции и лекарства, особенно антибиотики [13].
Короткоцепочечные жирные кислоты
Метаболиты микробиома кишечника сильно влияют на благоприятные взаимоотношения и полезные взаимодействия внутри самих микроорганизмов кишечника и с хозяином. Одной из таких групп важнейших метаболитов являются короткоцепочечные жирные кислоты (КЦЖК): пропионат, бутират и ацетаты. В толстой кишке КЦЖК образуются в результате ферментации непереваренных углеводов облигатными анаэробами (в основном Firmicutes и Bacteroidetes), которые сотрудничают с бактериями, специализирующимися на ферментации олигосахаридов (например, Bifidobacterium) [14 -16]. КЦЖК, особенно бутират, являются основным источником энергии для эпителиальных клеток толстой кишки, и, по оценкам, они обеспечивают 10% от общего количества энергии в рационе человека [17]. Бутират и пропионат могут регулировать физиологию кишечника и иммунную функцию, а ацетат выступает в качестве субстрата для липогенеза и глюконеогенеза [18].
Уровень КЦЖК связан с ферментацией и в основном определяется микробным составом. Большая часть ферментации происходит в проксимальной толстой кишке, но микробиота кишечника использует другие субстраты (например, белок или аминокислоты) в дистальной толстой кишке из-за истощения углеводов. Поэтому рН толстой кишки ниже в проксимальном отделе толстой кишки, где ферментация наиболее активна (рН 5,5-6,5), по сравнению с рН в дистальном отделе толстой кишки (рН 6,5 -7,0) [19]. Ферментация аминокислот приводит к образованию ряда потенциально вредных соединений, таких как аммиак, фенолы, паракрезол, некоторые амины и сероводород. Некоторые из этих соединений могут быть связаны с заболеваниями пищеварительной системы, такими как рак толстой кишки или ВЗК. В противоположность этому, высокие люминальные КЦЖК ингибируют рост грамотрицательных Enterobacteriaceae, включая известные патогены Salmonella spp. и Escherichia coli [19, 20], способствуя поддержанию благоприятной среды в толстой кишке.
Преобладание облигатных анаэробов, таких как представители типа Firmicutes и Bacteroidetes, в толстой кишке тесно связано со строгой анаэробной средой. Эпителиальные клетки толстой кишки (колоноциты) являются основным клеточным источником кислорода в толстой кишке [21, 22], а диффузия кислорода из колоноцитов в просвет строго ограничена. Поверхностные колоноциты содержат менее 1% кислорода, но ткани хозяина содержат от 3% до 10% кислорода. Внутриклеточное гипоксическое состояние колоноцитов опосредовано потреблением кислорода внутри них самих через митохондриальное в-окисление полученного бактериями бутирата до углекислого газа, что представляет собой их основной путь получения энергии [21]. Истощение бутират-продуцирующих бактерий снижает уровень бутирата в просвете, что приводит к метаболической переориентации поверхностных колоноцитов на анаэробный гликолиз и увеличению диффузии кислорода в просвет, тем самым стимулируя расширение люминальных аэробов и/или факультативных анаэробов за счет аэробного дыхания.
Метаболизм триптофана в бактеріях
Триптофан играет важнейшую роль в «балансе» между иммунной толерантностью кишечника и поддержанием кишечной микробиоты. Триптофан может быть преобразован в биологически активные индол - содержащие метаболиты (индол, индоловая кислота, скатол, и триптамин) кишечными бактериями [23], а производные индола, в свою очередь, воздействуют на организм, активируя рецепторы ароматических углеводородов.
Активация рецепторов ароматических углеводородов способствует поддержанию иммунного гомеостаза организма с помощью двух механизмов. Во-первых, рецепторы ароматических углеводородов стимулируют секрецию интерлейкина (IL)-22 CD4+ Т-клетками и врожденными лимфоидными клетками в кишечнике. IL-22 может способствовать высвобождению антимикробных пептидов и преобразовывать микробный состав. Во -вторых, активация рецепторов ароматических углеводородов приводит к дифференцировке интраэпителиальных лимфоцитов и врожденных лимфоидных клеток и играет противовоспалительную роль.
Кроме того, индолакриловая кислота, специфическое производное индола, синтезируемое слизеобразующей бактерией Peptostreptococcus, индуцирует экспрессию генов муцина и активирует фактор транскрипции NFE2L2 [24]. Из этого можно сделать вывод о том, что производное триптофана, вырабатываемое кишечными бактериями, увеличивает выработку слизи и снижает секрецию воспалительных цитокинов. В исследовании на пациентах с ВЗК наблюдался сниженный метаболизм триптофана, предположительно вследствие изменения микробиоты кишечника [25].
С другой стороны, примерно 95% поступающего в организм триптофана расщепляется до эндогенных метаболитов триптофана, таких как кинуренин и кинуреновая кислота, а те, в свою очередь, могут играть роль лигандов к рецепторам ароматических углеводородов.
Метаболизм желчных кислот
Желчные кислоты метаболизируются бактериями кишечника; это основной процесс, обеспечивающий гомеостаз в ЖКТ [26]. Первичные желчные кислоты (ПЖК), образующиеся в печени, такие как холевая кислота и хенодезоксихолевая кислота (ХДХК), вступают в реакцию конъюгации с глицином или таурином для повышения их растворимости перед поступлением в желчевыводящие пути. ПЖК способствуют перевариванию и всасыванию липидов благодаря своим амфифильным свойствам в тонкой кишке. Конъюгированные первичные желчные кислоты метаболизируются двумя опосредованными бактериями процессами - деконъюгацией желчных кислот и 7а-дегидроксилированием [26, 27].
Первый процесс связан с действием гидролаз желчных солей, которые деконъюгируют таурин и глицин из конъюгированных форм и восстанавливают неконъюгированные ПЖК. Гидролазы желчных солей широко синтезируются как грамположительными, так и грамотрицательными бактериями: Clostridium, Bifidobacterium, Bacteroides, Lactobacillus и
Enterococcus. В терминальной части подвздошной кишки 95% деконъюгированных ПЖК реабсорбируются через апикальный натрий - зависимый транспортер желчных солей, а остальные 5% попадают в толстую кишку [28]. Второй процесс (7а-дегидроксилирование) происходит в дистальной части подвздошной кишки и в толстой кишке, в результате которого неконъюгированные ПЖК (холевая кислота и ХДХК) превращаются во вторичные желчные кислоты, такие как дезоксихолевая и литохолевая кислота [26, 27]. В настоящее время известно лишь несколько бактерий, которые обеспечивают этот этап [26]. Урсодезоксихолевая кислота - еще одна вторичная желчная кислота, которая производится в небольших количествах после эпимеризации 7а-гидроксильной группы деконъюгированной ХДХК.
Регуляция иммунного и воспалительного ответа
облигатный анаэроб кишечник воспалительный
Регуляторные Т-клетки (Tregs) являются субпопуляцией Т-клеток, которые корригируют работу иммунной системы и обеспечивают тем самым толерантность к аутоантигенам и подавляют рост аутоиммунных заболеваний [29]. Эти клетки, как правило, подавляют или регулируют индукцию и пролиферацию эффекторных Т-клеток. Проведенные исследования показали, что Clostridium через синтез бутирата является сильным индуктором Tregs. У беззародышевых мышей сниженная люминальная концентрация КЦЖК сопровождается нарушением развития кишечных Tregs [31, 32]. Следовательно, снижение относительной численности бактерий, продуцирующих бутират, таких как Faecalibacterium prausnitzii, может привести к нарушению целостности слизистой оболочки [33].
Бактерии кишечника также играют важную роль в индукции эффекторных Т-клеток в ЖКТ. Th17 клетки - это класс CD4+ Т-клеток, которые секретируют IL-17A, IL-17F, IL-21 и IL-22 [34]. Аберрантная регуляция Th17 клеток играет важную роль в патогенезе воспалительных и аутоиммунных заболеваний [34]. Способность некоторых микроорганизмов к адгезии к эпителию слизистой оболочки имеет решающее значение для образования в ней Th17 клеток [35]. Более того, сообщалось, что смесь из 20 бактериальных штаммов, выделенных от пациента с ЯК, стимулировала индукцию Th17 клеток и обладала способностью к адгезии к эпителиальному слою слизистой оболочки [35].
Эпигенетическая модуляция экспрессии генов под действием бутирата
Короткоцепочечные жирные кислоты, в частности бутират, обладают сильным противовоспалительным действием через регуляцию выработки медиаторов воспаления во многих типах клеток [36]. Эти эффекты бутирата связаны с ингибированием активности деацетилазы гистонов. Активность деацетилазы гистонов, в сочетании с гистоновыми ацетилтрансферазами, регулирует степень ацетилирования белков. Ингибируя активность деацетилазы гистонов, бутират вызывает гиперацетилирование гистоновых и негистоновых белков [37, 38]. Гиперацетилирование гистонов приводит к более раскрученной структуре хроматина, тем самым облегчая транскрипционным факторам доступ к промоторным областям определенных генов [39]. Бутират, напротив, снижает активацию транскрипционных факторов, включая NF-kB, и модулирует экспрессию генов.
Изменения кишечного микробиома при ВЗК
Кишечный дисбиоз представляет собой нарушения в составе микробиоты, которая отражает состояние макроорганизма в целом [12]. Важным в патогенезе ВЗК является не наличие определённых родов микроорганизмов в кишечнике, а значительные изменения состава их сообществ. В предыдущих исследованиях с использованием образцов кала у пациентов с ВЗК был выявлен дисбиоз, характеризующийся снижением численности типа Firmicutes (например, Faecalibacterium, Roseburia и Ruminococcus) и увеличением типа Proteobacteria (например, Enterobacteriaceae) [12, 40-43]. Эти изменения более выражены при БК, чем при ЯК [44, 45]. Аналогичные результаты были получены и при исследовании образцов слизи пациентов с БК , у которых численность условно -патогенных бактерий, родов Escherichia, Ruminococcus (R. gnavus) и вида Fusobacteria, значительно повышена, а численность представителей родов Faecalibacterium, Coprococcus и Roseburia, значительно снижена по сравнению со здоровой контрольной группой [6, 7, 45, 46].