Role of the intestinal microbiota in the pathogenesis of multiple sclerosis. Part 1. Clinical and experimental evidence for the involvement of the gut microbiota in the development of multiple sclerosis

Full Text

Список сокращений

EDSS — Expanded Disability Status Scale (расширенная шкала оценки степени инвалидизации); GF — Germ-free; HLA — Human leukocyte antigens (лейкоцитарные антигены человека); IL-17 — интерлейкин-17; SPF — Specific pathogen free (свободный от специфического патогена); ГЭБ — гематоэнцефалический барьер; ЖКТ — желудочно-кишечный тракт; КС — кесарево сечение; ПИТРС — препараты, изменяющие течение рассеянного склероза; РС — рассеянный склероз; РРРС — ремиттирующе-рецидивирующий рассеянный склероз; ЦНС — центральная нервная система; ЭАЭ — экспериментальный аллергический/аутоиммунный энцефаломиелит.

Введение

Рассеянный склероз (РС) характеризуется как хроническое аутоиммунное заболевание, при котором поражается миелиновая оболочка нервных волокон головного и спинного мозга, и по Международному классификатору болезней 10-го пересмотра (МКБ-10), это заболевание относится к VI классу, блок G35-G37 — демиелинизирующие болезни центральной нервной системы (ЦНС). Однако при этом заболевании также отмечаются повреждение аксонов и гибель нейронов [1], и нейродегенерация становится причиной прогрессирования РС.

Обычно РС манифестирует в молодом и даже детском возрасте, приводит к необратимой инвалидности, требует высоких затрат на лечение и уход за пациентами [2–6]. РС чаще возникает у женщин, чем у мужчин, с примерным соотношением 3 : 1 [7, 8], предполагая вовлеченность половых гормонов в развитие заболевания [9].

РС — гетерогенное заболевание по течению [10–12], клиническим симптомам [13–15], патоморфологическим изменениям, а также по локализации очагов повреждения в спинном и головном мозге [16–21].

Выяснению патогенеза заболевания способствовали исследования на модели РС — экспериментальном аллергическом/аутоиммунном энцефаломиелите (ЭАЭ) у лабораторных животных. Эти исследования показали, что аутоиммунные механизмы играют основную роль при РС и запускаются вследствие дисбаланса между провоспалительными и регуляторными компонентами иммунной системы [22]. Эта точка зрения нашла подтверждение в клинических исследованиях.

Аутореактивные олигоклональные Т-клетки и макрофаги с периферии мигрируют через нарушенный гематоэнцефалический барьер, повторно активируются резидентными антигенпредставляющими клетками (микроглия, макрофаги) и способствуют развитию нейровоспаления. Хотя ведущая роль в патогенезе РС отводится миелин-специфическим CD4⁺ Т-клеткам — T хелперам 17 и 1 (Th17 и Th1) [18], в очагах воспаления обнаруживаются также CD8⁺ T-клетки, В-клетки, активированные моноциты [23], клетки врожденной иммунной системы так же вовлекаются в патологические процессы [24, 25].

Считается, что демиелинизация и нейродегенерация при РС — следствие повреждающего действия аутоиммунных реакций, нейровоспаления, эксайтотоксичности и окислительного стресса [26, 27]. На начальных этапах РС доминируют иммуноопосредованные и воспалительные процессы, приводящие к повреждению миелиновой оболочки, однако по мере прогрессирования заболевания возрастает вклад эксайтотоксичности и окислительного стресса, которые способствуют увеличению объема нейродегенерации [11]. Существует также точка зрения, что первично происходит гибель олигодендроцитов, а воспаление и аутоиммунные реакции развиваются вторично [3, 28].

Этиология РС до настоящего времени полностью не установлена, при этом признается, что для развития заболевания необходимо сочетание генетической восприимчивости и экологических триггеров [29, 30].

Генетические факторы риска РС включают аллели Human leukocyte antigens — HLA (HLA-DRB1 * 1501, DR4 и DR3) и более 100 других минорных аллелей риска, преимущественно в генах, связанных с регуляцией иммунитета: факторы транскрипции (FoxP3), молекулы адгезии (Activated leukocyte cell adhesion molecule — ALCAM или CD166), хемокины, цитокины и их рецепторы (IL2R-IL2, IL7RA-IL7), антиген дифференцировки T-лимфоцитов (CD6), мембранные белки суперсемейства иммуноглобулинов (CD80, CD86), костимулирующий белок антигенпредставляющих клеток (CD40 или TNFRSF5 — Tumor necrosis factor superfamily receptor 5), гены микроРНК [31–36].

Подсчитано, что потенциально может быть 350 генов-кандидатов предрасположенности вне MHC (Maior histocompatibility complex) [37], в частности гены, участвующие в метаболизме витамина D [34, 38].

Исследования GWAS (Genome-wide association studies) выявили более 200 генетических полиморфизмов — факторов риска РС [39]. Однако носительство определенных полиморфных вариантов генов может также влиять на возраст манифестации заболевания и его тяжесть. Например показано, что полиморфизм rs948854 в промоторе гена галанина — это гендер-специфический фактор риска [40], который ассоциируется с возрастом дебюта РС [41], а полиморфизм rs2821557 в гене KCNA3 (Potassium voltage-gated channel subfamily A member 3) связан с тяжестью РС [42].

Тем не менее, как показано на монозиготных близнецах, генетические факторы обусловливают лишь 30–35 % риска, и считается, что факторы окружающей среды вносят более существенный вклад в риск развития РС [43–45].

Среди средовых факторов обсуждается роль географического фактора (широта, солнечная освещенность), неблагоприятных воздействий в ранней жизни, образа жизни (гигиена, использование антибиотиков, диетические привычки, особенно употребление высококалорийной и соленой пищи, курение), ожирения в детском возрасте, дефицита витаминов D₃ и А, стрессов, инфекций [46–59].

Так как вирусные и бактериальные инфекции — наиболее частый триггер РС у генетически предрасположенных лиц, была предложена инфекционная гипотеза происхождения РС [60, 61], хотя специфического возбудителя заболевания не обнаружено. Наибольшая связь с РС выявлена для вируса Эпштейна – Барр, вирусов герпеса человека 1-го и 6-го типа и ретровирусов [62–66]. В качестве триггеров отмечались также Mycoplasma pneumoniae и Chlamydia pneumoniae, хотя их роль при РС остается спорной [67, 68]. Считается, что вирусные и бактериальные инфекции также могут быть ответственны за рецидивы РС [69, 70].

РС имеет высокую распространенность в Европе и Северной Америке, особенно среди людей с высоким социально-экономическим статусом, и низкую — в странах Азии [71, 72]. Однако эпидемиологические исследования демонстрируют неуклонный рост заболеваемости даже в странах, где ранее РС встречался редко [73, 74], участились случаи заболевания РС детей и подростков [75]. Это объясняют несколькими причинами.

Во-первых, с точки зрения «гигиенической гипотезы» Страчана [76], предполагающей, что изменившийся стиль жизни в современном обществе (высокий уровень гигиены, малочисленные семьи, отсутствие контакта с животными) и достижения медицины (использование антибиотиков, вакцинация и пр.) обусловливают встречу с инфекциями в более позднем возрасте [77]. Это влияет на «биографию» иммунной системы и приводит к срыву иммунной толерантности [78]. Например, U. Leibowitz и соавт. [46] показали, что дети, живущие в лучших гигиенических условиях, более подвержены рассеянному склерозу. Инфицирование вирусом Эпштейна – Барр в раннем детском возрасте протекает бессимптомно, а в подростковом возрасте сопровождается инфекционным мононуклеозом, что, как известно, повышает риск развития РС [79].

Во-вторых, переходом на так называемую западную диету — употребление пищи с высоким содержанием жиров, сахара и соли, но низким содержанием растительных волокон [52, 80]. В частности, с распространением «западной диеты» в Японии связывают рост заболевания РС в этой стране [81]. Диета может косвенно влиять на баланс Treg/Th17 клеток в слизистой оболочке кишечника и активировать воспаление как локально в кишечнике, так и системное воспаление. D. Gimeno и соавт. [82] показали, что для людей из развитых стран характерно наличие стойкого вялотекущего воспаления, проявляющегося хроническим повышением С-реактивного белка или интерлейкина-6 (IL-6) при отсутствии каких-либо клинически очевидных воспалительных стимулов.

Обе причины конвергируют в концепции патогенеза РС, рассматривающей микробиоту кишечника в качестве причинного фактора аутоиммунного процесса, и в настоящее время потенциальная роль индигенных кишечных бактерий в патогенезе РС — одна из наиболее обсуждаемых гипотез [30, 83, 84].

Общие факторы, влияющие на развитие РС и на состав кишечной микробиоты, поддерживают эту точку зрения (табл. 1) и позволяют предположить, что изменение состава микробиоты кишечника (дисбиоз) может влиять на все этапы патогенеза РС.

Таблица 1. Общие факторы, влияющие на развитие рассеянного склероза (РС) и состав микробиоты

Table 1. Common factors affecting multiple sclerosis development and microbiota composition

В данном обзоре будут рассмотрены имеющиеся на сегодняшний день данные о роли микробиоты кишечника как фактора предрасположенности, триггера, а также поддержания и прогрессирования патологических процессов при РС. В первой части настоящей статьи представлены данные исследования кишечного микробиома при РС и экспериментальные доказательства вовлечения кишечной микробиоты в патогенез РС.

Микробиота кишечника и ее функции

Разработанные эффективные и доступные технологии секвенирования ДНК позволили обнаружить, что все слизистые поверхности, а также кожа животных и людей заселены сообществами микроорганизмов, которые оказывают существенное влияние на жизнедеятельность организма хозяина [115]. Наибольшее разнообразие и плотность микроорганизмов наблюдается в пищеварительном тракте. Среди микроорганизмов, населяющих кишечник, доминируют бактерии, но присутствуют также археи, вирусы и бактериофаги, простейшие и грибы [116, 117], то есть просвет кишечника является богатым источником антигенного разнообразия [118], которое стимулирует образование определенных подмножеств иммунных клеток или генерирует специфические иммунные ответы [119].

В ходе Международного проекта «Human Microbiome Project» [115] осуществлено наиболее полное исследование бактерий, населяющих кишечник здорового человека. Выявлено, что почти 95 % всех кишечных бактерий относятся к двум доминирующим филумам Firmicutes, Bacteroidetes и менее представленным филумам Actinobacteria, Proteobacteria и Verrucomicrobia [116, 119–121]. Более 70 % всех микробов в организме человека находятся в толстой кишке [122].

Сообщество микроорганизмов, обитающее в желудочно-кишечном тракте (ЖКТ) человека и животных, составляет микробиоту кишечника [123]. Это около 100 трлн клеток, что почти в 10 раз больше, чем количество клеток организма человека [124], при этом совокупный геном микроорганизмов (микробиом) превышает геном человека в 100 раз [125]. Бактериальный геном может кодировать свыше 5000 полипептидов и белков и обладает большими метаболическими возможностями [126].

Миробиота кишечника насчитывает свыше 1000 различных видов [127, 128], метаболически и иммунологически она интегрирована с хозяином [126], до 36 % малых молекул, циркулирующих в крови человека, происходит из микробиома кишечника [129], поэтому ее часто рассматривают как функциональный орган, состоящий из прокариотических клеток [126].

В ходе эволюции с большинством микроорганизмов установились взаимовыгодные симбиотические (полезные виды) или комменсальные (безвредные виды) отношения [123]. Считается, что бактерии родов Lactobacillus, Bifidobacterium, Bacteroides и Clostridium кластеров XIVa и IVa, в том числе Eubacterium, Faecalibacterium, Roseburia связаны с хорошим самочувствием и здоровьем хозяина [128]. В кишечнике обитают также оппортунистические (патобионты) и патогенные виды, которые при определенных условиях вызывают у хозяина различные заболевания [130, 131].

На состав кишечной микробиоты влияют комбинации геномных локусов хозяина и факторов окружающей среды [132], она относительно стабильна у отдельных индивидов во взрослом возрасте, но варьирует между индивидами, включая соотношение доминантных филумов и разнообразие родов/видов [123].

Существует пространственное распределение бактериальных сообществ вдоль пищеварительного тракта, каждый отдельный вид высокоприспособлен к колонизации определенных экологических ниш ЖКТ и к выполнению определенных функций. В соответствии с питательным, химическим и иммунологическим градиентами микробное разнообразие увеличивается от желудка к толстой кишке по видовому составу и количеству, достигающему максимальной плотности до 10¹³–10¹⁴ в нижних отделах кишечника [133]. Терминальный отдел подвздошной кишки представляет зону, в которой аэробные виды микроорганизмов сменяются анаэробными [134].

Бактерии в кишечнике образуют микроколонии или биопленки [135]. Считается, что у здоровых людей большинство бактерий не контактирует с эпителием кишечника [136, 137], а колонизирует внешний слой слизи, обращенный к просвету кишечника, или остатки пищи [138]. Слои слизи функционируют как механический барьер, отделяющий просветные бактерии от эпителия [139, 140].

Для изучения влияния микробиоты кишечника на физиологию хозяина используются безмикробные (germ-free — GF) мыши и мыши, не содержащие патогенов (specific pathogen free — SPF) [141]. Эти исследования показали важную роль кишечных бактерий в нормальном развитии ЖКТ, иммунной системы кишечника, а также для созревания иммунной системы, развития нервной системы в младенчестве и ее функционирования в дальнейшей жизни, для поддержания целостности гематоэнцефалического барьера (ГЭБ), процесса миелинизации и пр. [142–149].

Кишечная микробиота играет большую роль в поддержании нормальных физиологических процессов, выполняя две основные функции — защитную и метаболическую.

Защитная функция кишечной микробиоты включает поддержание колонизационой резистентности, целостности барьеров и иммунного гомеостаза (подробно рассмотрена в обзорах [150, 151]).

Метаболическая функция заключается в участии кишечной микробиоты в обмене веществ и энергии, а также в эндокринных ответах хозяина. Кроме того, бактерии, населяющие кишечник, синтезируют витамины, аминокислоты, нейротрансмиттеры, короткоцепочечные жирные кислоты, модифицируют желчные кислоты; ферментируют сложные полисахариды, белки и жиры; обеспечивают поглощение кальция, магния, железа и других веществ, утилизируют ксенобиотики, изменяют метаболизм и биодоступность лекарств. Эти функции кишечного микробиома рассмотрены подробно в обзорах [119, 152–154].

Таким образом, сбалансированный состав кишечной микробиоты (состояние эубиоза) обеспечивает жизнедеятельность организма и поддержание здоровья хозяина, однако при изменении таксономического состава микробного сообщества и его функциональных свойств (состояние дисбиоза), могут создаваться условия для развития заболеваний. В настоящее время показана связь изменений 12 бактериальных родов (Bacteroides, Bifidobacterium, Clostridium, Enterococcus, Escherichia, Faecalibacterium, Fusobacterium, Lactobacillus, Prevotella, Staphylococcus, Streptococcus, Veillonella) в составе микробиомов различных слизистых поверхностей организма (кишечника, ротовой полости, респираторного тракта, урогенитального тракта, кожи) при широком спектре заболеваний, включая воспалительные, онкологические, аллергические, сердечно-сосудистые, психические, нейродегенеративные, аутоиммунные и др. [155]. Характерные изменения этих и других родов бактерий отмечаются при рассеянном склерозе.

Изменения кишечного микробиома при рассеянном склерозе

Традиционно для исследования бактерий используются методы культивирования и полимеразной цепной реакции (ПЦР), однако в последние 10–15 лет все чаще для этой цели применяют методы секвенирования гена 16S рРНК. На сегодняшний день опубликованы данные около 30 исследований кишечного микробиома пациентов с РС из разных географических регионов, выполненных на разном количестве пациентов, а также детях и взрослых, с различным течением РС и разными методами определения микробиома (табл. 2).

Таблица 2. Характеристика исследований, в которых изучался состав микробиома/микробиоты кишечника у пациентов с рассеянным склерозом (РС)

Table 2. Characteristics of studies investigating the composition of the microbiome/gut microbiota in patients with multiple sclerosis

Примечание. БЛ — без лечения, РРРС — ремиттирующе-рецидивирующий рассеянный склероз, ВПРС — вторично-прогрессирующий рассеянный склероз, ППРС — первично-прогрессирующий рассеянный склероз, ПРС — прогрессирующие формы рассеянного склероза, БК — болезнь Крона, ЯК — язвенный колит, РА — ревматоидный артрит, ЕП — европейского происхождения, ИП — испанского происхождения, АА — афроамериканцы, ПИТРС — препараты, изменяющие течение рассеянного склероза, IFNβ — интерферон β, ГА — глатирамера ацетат, ДМФ — диметилфумарат, EDA — имеются признаки активности болезни, NEDA — отсутствуют признаки активности болезни, ? — нет данных.

В большинстве работ при сравнении состава микробиома пациентов с РС и контрольных лиц не обнаружено различий в альфа-разнообразии, некоторое снижение — отмечается при активном течении РС [158]. В основном авторы отмечают различия в общей структуре микробиома кишечника как у пациентов с ремиттирующим типом РС, так и с прогрессирующими его типами [167, 177, 179], и бóльшую, чем у здоровых лиц, межиндивидуальную вариабельность [157]. Нет полного совпадения выявленных изменений состава кишечного микробиома, описанных в разных исследованиях, и вектор изменений численности одних и тех же таксонов может быть противоположным у пациентов с РС из разных географических регионов даже в пределах одной страны [163, 180].

В табл. 3 представлены наиболее часто описываемые изменения состава кишечного микробиома пациентов с РС на уровне филума и рода. Как свидетельствует табл. 3, на уровне филумов отмечается как увеличение, так и уменьшение численности при РС, изменения выявлены в составе 8 филумов. На уровне рода данные более однородные, при этом часть бактериальных родов в составе 6 филумов (кроме Euryarchaeota и Verrucomicrobia) увеличивается, а другая часть — уменьшается. Исключение составляет род Parabacteroides, изменение численности которого в ряде исследований как увеличивается [160, 168, 176, 181], так и уменьшается [157, 158, 162, 163].

Наиболее однозначные и многочисленные изменения отмечаются по филумам Verrucomicrobia и Euryarchaeota, возрастание доли которых признано характерным изменением состава кишечной микробиоты пациентов с РС. Увеличение численности этих филумов происходит вследствие расширения единственного представителя — рода Methanobrevibacter (M. smithii) в филуме Euryarchaeota [159, 160, 176, 181] и рода Akkermansia (A. muciniphila) в филуме Verrucomicrobia [156, 159, 160–162, 164, 167, 171, 179, 180]. Однако при трактовке полученных результатов авторы не так единодушны во мнении. Если увеличение доли Methanobrevibacter рассматривается как негативный признак, поскольку у детей с РС при наличии Methanobrevibacter сокращалось время до рецидива [160], и метан-продуцирующие Methanobrevibacter ассоциируются с запорами у пациентов [159], то увеличение численности A. muciniphila авторы трактуют по-разному, в зависимости от наблюдаемых эффектов.

Так, P. Galluzzo и соавт. [180] выявили увеличение Akkermansia у пациентов с высокой оценкой по расширенной шкале статуса инвалидности (EDSS = 5–7.5), они отмечают провоспалительное действие Akkermansia. Напротив, L.M. Cox и соавт. [179] наблюдали отрицательную корреляцию Akkermansia с EDSS у пациентов с ремиттирующим РС. Так как выделенные от пациентов с РС штаммы Akkermansia при переносе мышам ослабляли тяжесть ЭАЭ и это сопровождалось снижением числа RORγT+ γδ Т-клеток и продуцирующих IL-17 γδ Т-клеток, авторы оценивают увеличение Akkermansia как протективный признак [179].

Мнение о негативном влиянии повышенного уровня Akkermansia и ее провоспалительном действии при РС, в соответствии с данными P. Galluzzo и соавт. [180], высказывают другие авторы, отмечая возрастание доли Akkermansia у пациентов с первично прогрессирующим типом РС [167], а также положительную корреляцию численности Akkermansia с уровнем Th1-клеток [166] и с экспрессией провоспалительных генов в Т-клетках [159]. Скорее о негативной роли Akkermansia при РС также свидетельствуют данные А. Vallino и соавт. [184] о повышении уровня анти-A. muciniphila иммуноглобулина G (IgG) в спинномозговой жидкости пациентов с РС, который коррелировал с оценкой по шкале EDSS.

Наибольшие изменения на уровне рода отмечаются в структуре филума Firmicutes. Среди наиболее часто описываемых отличий состава микробиома кишечника пациентов с РС в филуме Firmicutes — уменьшение численности бутират-продуцирующих Clostridium кластеров IV и XIVа [157, 158, 160, 175, 178], рода Faecalibacterium [156, 157, 170, 172, 173, 175, 176, 181]; S. Miyake и соавт. [157] и H. Tremlett и соавт. [160] наблюдали уменьшение численности этих бактерий на уровне вида (Faecalibacterium prausnitzii). К числу бактериальных родов с уменьшенной численностью при РС относятся также Roseburia, Lachnospira и Dialister (см. табл. 3).

Таблица 3. Изменения кишечного микробиома, выявленные на уровне филума и рода у пациентов с рассеянным склерозом (РС)

Table 3. Gut microbiome changes identified at phylum and genus level in patients with multiple sclerosis

* На уровне вида отмечаются как уменьшение, так и увеличение определенных видов.

^# В столбце филума в скобках даны новые названия филумов, хотя описание проводится по старой классификации, так как именно она используется во всех опубликованных работах.

Напротив, численность родов Blautia, Dorea, Ruminococcus, Coprococcus и Streptococcus возрастает при РС, что показано неоднократно. S. Miyake и соавт. [157], I. Cosorich и соавт. [163] и D. Takewaki и соавт. [177] отмечали различия Streptococcus на видовом уровне, но выявили разные виды. C. Miyake и cоавт. [157] идентифицировали S. thermophilus, I. Cosorich и соавт. [163] — S. mitis и S. oralis, тогда как в случае D. Takewaki и соавт. [177] это были S. salivarius, S. parasanguinis, S. anginosus. Несмотря на большую согласованность данных по возрастанию доли рода Streptococcus, имеется также исследование, в котором авторы наблюдали снижение численности этих бактерий у пациентов с РС [181].

В филуме Bacteroidetes чаще описывается уменьшение как в целом филума, так и определенных бактериальных родов. Однонаправленные изменения (уменьшение) рода Prevotella показаны рядом авторов [158, 159, 163, 171]. На уровне вида изменения касались P. copri [157, 173] и P. stercorea [159]. Однако H. Tremlett и соавт. [160] отмечают увеличение обоих видов Prevotella в составе кишечной микробиоты детей, больных РС, по сравнению со здоровыми, не выявив различий на уровне рода.

Кроме того, Q. Zeng и соавт. [172] обнаружили истощение численности группы Prevotella-9, а S. Jangi и соавт. [159], H. Tremlett и соавт. [160] и N. Oezguen и соавт. [168] наблюдали снижение численности другого представителя филума Bacteroidetes — рода Butyricimonas.

Вектор изменений рода Parabacteroides различается в исследованиях (см. табл. 3): показано в равной мере как уменьшение [157, 158, 162, 163], так и увеличение [160, 168, 176, 181] доли этих бактерий. В отдельных работах отмечалось возрастание численности родов Flavobacterium [158, 181], Pedobacter [158], Alistipes [176] и Barnesella [183].

Вероятно, важный факт — неоднократно выявленное увеличение в составе кишечного микробиома пациентов с РС как филума Actinobacteria в целом, так и рода Bifidobacterium в частности [157, 160, 168, 173, 177, 180]. Наличие высокого уровня бифидобактерий в составе кишечной микробиоты у пациентов с РС коррелировало с более высокой оценкой по EDSS [160]. Следует отметить, что увеличение Bifidobacterium при РС не исключительное событие: численность этих бактерий повышается также при неспецифическом язвенном колите [185]. Какое значение имеет это увеличение, неясно, но учитывая, что многие виды бифидобактерий используются в пищевых продуктах, биологически активных добавках и лечебных пробиотиках, получить ответ на этот вопрос необходимо. Примечательно, что численность рода Lactobacillus, так же широко использующегося в пробиотиках, как повышалась [160, 176], так и снижалась [157, 158, 181] у пациентов с РС.

Показана также большая распространенность оппортунистических бактерий филума Proteobacteria в ЖКТ пациентов с РС, например родов Pseudomonas и Mycoplana [158], Acinetobacter [162], Citrobacter, Bilophila, Desulfovibrio [160], Escherichia / Shigella [168], на фоне общего снижения численности Proteobacteria [173, 180].

При определении бактериального состава методами культивирования или ПЦР, оппортунистический штамм Clostridium perfringens типа В (Firmicutes) чаще встречался в ЖКТ больных рассеянным склерозом по сравнению со здоровыми [186]. В той же пропорции Clostridium perfringens выявлялся в другой когорте пациентов с РС [187]. Кроме того, в сыворотке и спинномозговой жидкости некоторых больных обнаружили антитела против эпсилон-токсина, секретируемого C. perfringens, типами B и D [186]. Известно, что эпсилон-токсин этого патобионта может привести к микроангиопатии и нарушению целостности ГЭБ, а также к повреждению нейронов и олигодендроцитов [188–191].

Богатство и равномерность таксономического состава кишечного микробиома у пациентов во время ремиссии РС и здоровых людей были сопоставимыми [159, 160]. Однако в исследовании J. Chen и соавт. [158] показано, что лишь у некоторых пациентов в стадии ремиссии РС состав кишечного микробиома схож с составом здоровых людей, у других же не отличался от кишечного микробиома находившихся в стадии обострения.

Наименее изученный вопрос — межполовые особенности состава микробиоты кишечника и их связь с различной заболеваемостью и течением РС у женщин и мужчин [7, 8]. Как показано в ряде работ, у здоровых женщин и мужчин состав кишечной микробиоты различается [102–105]. Только в одном исследовании описываются межполовые различия состава кишечной микробиоты у пациентов с РС — у женщин на фоне снижения количественного содержания гормонзависимых лактобацилл и эшерихий отмечался чрезмерный рост малопатогенных атипичных Escherishia coli и Citrobacter spp., тогда как у мужчин на фоне уменьшения E. coli чаще выявлялись Klebsiella sp., Proteus sp., а также Staphylococcus aureus, грибы рода Candida [187].

Таким образом, микробиом кишечника у пациентов с РС характеризуется умеренным дисбиозом, с истощением противовоспалительных и обогащением провоспалительных микроорганизмов [157], при этом выраженность дисбиоза возрастает по мере увеличения длительности и прогрессирования заболевания [180, 187].

Вариабельность результатов в разных исследованиях может быть связана как с различиями в методах секвенирования, географическим регионом исследованных когорт, разными типами течения, так и с индивидуальными характеристиками пациентов (пол, возраст, диета и пр.), вносящими вклад в состав кишечного микробиома [192]. Кроме того, получаемые пациентами препараты, изменяющие течение рассеянного склероза (ПИТРС), также влияют на состав кишечной микробиоты [156, 159, 173, 193, 194], хотя L.M. Cox и соавт. [179] считают, что статус болезни оказывает гораздо большее влияние на микробиом, чем терапия, поскольку препараты, изменяющие течение заболевания, в первую очередь действуют на иммунные механизмы заболевания, а не на кишечник.

Существуют также разногласия в оценке влияния терапии, используемой для лечения пациентов с РС, на состав кишечной микробиоты. В ряде исследований у пациентов, получавших лечение интерфероном β (IFNβ) или глатирамера ацетатом, повышалась численность Prevotella (Prevotella copri), Sutterella, а также Sarcina по сравнению с пациентами, не получавшими ПИТРС [159, 173, 176], что авторами оценивалось как способность лечения корректировать дисбиоз и восстанавливать «здоровую» микробиоту кишечника. Однако ПИТРС могут негативно влиять на определенные симбиотические бактериальные виды и функции ЖКТ, как показано в других исследованиях [193, 194].

Важно, что нарушение таксономической структуры кишечного микробиома приводит к изменению его функциональных свойств. Так, S. Jangi и соавт. [159] наблюдали изменения в микробиоме кишечника у пациентов с РС, которые коррелировали с изменениями в иммунном транскриптоме. Как известно, иммунорегуляторными свойствами обладает спорообразующая фракция кишечных бактерий, которая истощается при РС [164].

Иммунный дисбаланс приводит к повышению проницаемости кишечника и гематоэнцефалического барьера, воспалению и нарушению связей между кишечником и мозгом, что способствует как возникновению, так и прогрессированию РС [195], это подтверждается выявленными различиями микробиома кишечника у пациентов с ремиттирующим и вторично-прогрессирующим типами РС [177].

Среди других функциональных изменений кишечного микробиома пациентов с РС, значимых для патогенеза РС, — увеличение числа бактериальных генов ABC-транспортеров и генов, связанных с липополисахарид-опосредованными молекулярными путями, что может способствовать аутоиммунному ответу посредством молекулярной мимикрии [174].

J. Chen и соавт. [158] определили 10 дифференцированно обогащенных COGs (Clusters of Orthologous Groups), в том числе, связанных с сигнальными путями, транспортом и метаболизмом липидов, а также с механизмами защиты, а P. Galluzzo и соавт. [180] наблюдали у пациентов с РС больше бактерий, способных восстанавливать сульфаты и окислять сульфиды.

Микробы взаимодействуют друг с другом, образуя микробные пищевые цепи, где они обеспечивают друг друга субстратом, поэтому в последнее время получил распространение анализ микробных сетей. Сетевой анализ, выполненный R.E. Ventura и соавт. [171], продемонстрировал снижение связности в структуре бактериальных подсетей у пациентов с РС по сравнению с контрольной группой, подтверждая гипотезу о существенных различиях в составе кишечного микробиома пациентов с РС. Более сложные сети микробного взаимодействия у здоровых людей, чем у пациентов с РС, обнаружили также Z. Ling и соавт. [175], а сетевой анализ, проведенный H. Tremlett и соавт. [182], выявил четкую структуру сообщества кишечной микробиоты для случаев РС с чрезмерной представленностью тесно связанных оппортунистических патогенов и недостаточной численностью таксонов, продуцирующих короткоцепочечные жирные кислоты. В совокупности имеющиеся данные свидетельствуют, что структура сообщества кишечной микробиоты, функции и связи, а не только отдельные таксоны имеют значение при РС.

Предпринимаются попытки использовать кишечные микроорганизмы в качестве микробных маркеров для выявления заболеваний с применением различных методов, включая метагеномный анализ, филогенетические микрочипы, методы ДНК-фингерпринтинга и количественную ПЦР [196]. В свою очередь S. Bang и соавт. [197] предложили подмножества родов, которые можно использовать в качестве микробных маркеров для дифференцирования ряда заболеваний.

Используя алгоритм Boruta, J. Chen и соавт. [158] показали прогноcтическую значимость 18 бактериальных родов, в том числе Adlercreutzia, Pedobacter, Pseudomonas, Coprobacillus, Dorea, Flavobacterium, Parabacteroides, Mycoplana, Haemophilus, Blautia и Collinsella, были значимы для прогнозирования состояния заболевания.

Z. Ling и соавт. [175], проводя многомерный пошаговый логистический регрессионный анализ бактериальных родов, связанных с РС, выявили, что содержание Faecalibacterium и Granulicatella позволяет отличать пациентов с РС от здоровых людей.

Таким образом, не вызывает сомнения факт отличий кишечного микробиома у пациентов с РС и здоровых лиц, однако неясно: эти изменения кишечного микробиома при РС являются причиной заболевания или его следствием? Ответить на этот вопрос позволяют экспериментальные исследования на различных моделях ЭАЭ. Эти исследования убедительно демонстрируют роль кишечной микробиоты и как причинного фактора развития заболевания, и как фактора прогрессирования заболевания у животных.

Экспериментальные доказательства вовлечения микробиоты кишечника в развитие аутоиммунных демиелинизирующих заболеваний

Представления о патогенезе и доказательства роли микробиоты кишечника при РС получены на экспериментальных моделях этого заболевания — ЭАЭ, при котором у животных наблюдаются сходные с рассеянным склерозом клинические проявления, гистологические признаки и этапы патогенеза (см. обзоры [198, 199]). В настоящее время используются как традиционные модели индуцированного ЭАЭ (иЭАЭ) у генетически восприимчивых линий животных (чаще всего мышей или крыс), так и модели спонтанного ЭАЭ (сЭАЭ) у трансгенных животных.

Индуцированные модели ЭАЭ вызываются введением гомогената спинного мозга, белков миелина или их фрагментов с полным адъювантом Фрейнда (минеральное масло, содержащее инактивированные микобактерии, служащие лигандом toll-like receptor 2 — TLR2) [198]. Модели иЭАЭ имитируют аутоиммунные, воспалительные, демиелинизирующие и другие патологические процессы, запускаемые и модулируемые стимулами окружающей среды на восприимчивом полигенном фоне.

Спонтанные модели ЭАЭ включают генетически управляемые трансгенные линии мышей или крыс, у которых генетические изменения, влияющие на ключевые молекулы иммунной толерантности и воспаления, приводят к самопроизвольному развитию заболевания, без явного влияния экологических факторов. Модели сЭАЭ, позволяющие определить роль отдельных генов в развитии заболевания, основаны на трансгенной экспрессии BMP (basic myelin protein), MOG (myelin olygodendrocyte glycoprotein) или PLP (proteolipid protein) — специфического рецептора T-клеток (TCR) у определенных линий мышей [200, 201].

Установлено, что ЭАЭ — аутоиммунное заболевание, опосредованное CD4⁺ Т-клетками. T-хелперы 1-го типа (Th1) и Th17-клетки, продуцирующие интерферон γ и интерлейкин (IL)-17 соответственно, играют ключевую роль в развитии заболевания. Напротив, Th2-клетки и регуляторные Т-клетки (Tregs), продуцирующие противовоспалительные цитокины IL-4 / IL-10 и IL-10 / трансформирующий фактор роста β (TGF-β), играют супрессорную роль и важны в позднюю фазу ЭАЭ [25, 198, 199].

Основными этапами патогенеза ЭАЭ/РС считаются образование и сенсибилизация аутоантигенами Тh17- и Th1-клеток, миграция активированных Т-клеток в центральной нервной системе (ЦНС), увеличение проницаемости ГЭБ, запуск нейровоспаления и аутоиммунных реакций в ЦНС с участием астроцитов и микроглии, демиелинизация, а также повреждение/гибель олигодендроцитов, аксонов и нейронов [25, 26].

Как было продемонстрировано на моделях иЭАЭ и сЭАЭ, для развития заболевания и модуляции его тяжести необходимо присутствие кишечной микробиоты. Так, истощение кишечной микробиоты у животных антибиотиками уменьшило клинические и патологические признаки ЭАЭ, а Т-клетки, выделенные из кишечных лимфатических узлов, продуцировали сниженное количество IL-17 [201].

У мышей с гиперэкспрессией рецептора TCR, распознающего BMP, ЭАЭ развивался без индукции при содержании в обычных условиях (SPF-мыши) и практически не развивался при содержании в среде без микробов (GF-мыши) [202]. Аналогичные результаты отмечались также у мышей, CD4⁺, T-клетки которых экспрессировали трансгенный TCR, распознающий пептид MOG_92-106 с молекулами MHC класса II. У GF-мышей, как и в предыдущем случае, ЭАЭ развивался реже и с меньшей тяжестью, чем у SPF-мышей [203], что сопровождалось наличием меньшего количества Th17-клеток в собственной пластинке слизистой оболочки кишечника и сниженной секрецией IL-17 и IFNγ Т-клетками селезенки в ответ на стимуляцию родственными антигенами. Авторы [203] предположили, что микробиота кишечника стимулирует провоспалительные иммунные реакции, которые приводят к развитию воспаления и патологии в ЦНС, активируя аутореактивные Th17-клетки, так как после колонизации GF-мышей микробиотой от SPF-мышей у реколонизированных мышей развивался ЭАЭ в течение нескольких недель. Именно Th17-, а не Th1-клеткам в настоящее время отводится ключевая роль в развитии ЭАЭ.

Нарушение индукции ЭАЭ, опосредованной Th17-клетками, у GF-мышей, наблюдаемое в двух независимых исследованиях, убедительно демонстрирует, что кишечная микробиота необходима для развития заболевания и может влиять на активность Th17-клеток. Это предположение подтверждается исследованиями, показавшими, что у GF-мышей число Th17-клеток в кишечнике редуцировано [204].

Обнаружены специфические непатогенные члены микробиоты, сегментированные нитевидные бактерии (SFB), которые способствуют дифференцировке Th17-клеток в тонком кишечнике [205]. Причем достаточно заселить кишечник животных только этими бактериями, чтобы запустить патологический процесс в ЦНС [206].

В пользу причинной роли кишечной микробиоты свидетельствует также факт воспроизведения фенотипа заболевания у GF-мышей путем переноса им фекальной микробиоты от пациентов с РС [161, 162]. K. Berer и соавт. [161] использовали фекальные трансплантаты от дискондартных по РС близнецов, причем микробиота от больных близнецов запускала развитие ЭАЭ у мышей в большем числе случаев и с более тяжелым течением, чем от здоровых.

Условия содержания животных влияли на заболеваемость не только в спонтанных, но и в индуцированных моделях ЭАЭ. В ответ на иммунизацию аутоантигенами ЭАЭ у GF-мышей не развивался, при этом в ЦНС были уменьшены провоспалительные ответы, опосредуемые Th17- и Th1-клетками. Но при колонизации кишечника этих мышей SFB у них развивался ЭАЭ, и наблюдались повышенные ответы Th17-клеток в толстой и тонкой кишке, а также в спинном мозге [206]. В другом исследовании у мышей, кишечник которых был колонизирован только SFB, течение ЭАЭ сопровождалось существенным увеличением продукции провоспалительных цитокинов IL-17A и IFNγ в спинном мозге и кишечнике [205].

Регуляторные Т-клетки, как известно, опосредуют супрессию воспалительных и аутоиммунных реакций [207]. Различные подтипы CD4⁺ Treg-клеток индуцируются в месте инфекции, чтобы ослабить иммунный ответ после удаления патогена. Показано, что некоторые симбиотические виды бактерий, например Bacteroides fragilis, B. thetaiotaomicron, F. prausnitzii, также стимулируют дифференцировку CD4⁺ Тreg-клеток [208].

Предполагается, что микробиота поддерживает баланс Th/Treg, необходимый для нормального иммунного ответа, и в эубиотических условиях в кишечнике наблюдается баланс видов бактерий, которые стимулируют дифференцировку Th17- и Treg-клеток соответственно [206]. Нарушение этого баланса вследствие элиминации одних видов и чрезмерного увеличения других (состояние дисбиоза) может привести к чрезмерной реакции или супрессии как адаптивной, так и врожденной иммунной системы — это важный фактор развития различных заболеваний [209].

J.C. Clemente и соавт. [210] высказали предположение, что в развитии РС дисбиоз — ключевой момент, который запускает аутоиммунный ответ, направленный против собственных антигенов ЦНС. Следствие кишечного дисбиоза — увеличение численности и активация провоспалительных Th17-клеток, дефицит регуляторных T-клеток, дисфункция иммунной системы слизистой оболочки кишечника, что, в свою очередь, приводит к локальному воспалению в кишечнике, которое в дальнейшем может индуцировать аутоиммунный процесс в ЦНС [195]. Известно, что метаболиты, вырабатываемые микробиотой кишечника, способны достигать системного кровообращения, пересекать ГЭБ и модулировать нейровоспаление [211].

Исследования кишечного микробиома двух линий мышей C576Bl/6 и SJL/J, развивающих хроническую прогрессирующую (П-ЭАЭ) и ремиттирующую (Р-ЭАЭ) формы ЭАЭ соответственно, показали, что исходный бактериальный фон у них различается: у первых преобладание Bacteroidetes, а у вторых — Firmicutes. На уровне рода у мышей с развившимся в дальнейшем П-ЭАЭ, были представлены в большем количестве рода S-24-7, Lactobacillus, Clostridium, Anaerostipes и Dorea, тогда как у мышей с Р-ЭАЭ преобладали Coprococcus, Oscillospira, Ruminococcus. На пике заболевания у мышей с П-ЭАЭ на фоне снижения численности Lactobacillus, Clostridium и Dorea возрастала численность rc4-4 и Akkermansia, а для мышей с Р-ЭАЭ было характерно сокращение численности Coprococcus, Oscillospira и Ruminococcus на фоне возрастания численности Bacteroides, Parabacteroides, Prevotella, S24-7, Odoribacter и Tenericutes [212]. Эти данные показывают, что исходный микробный фон может предопределять дальнейшее течение заболевания, а изменения микробиома в ходе заболевания — поддерживать его фенотип, причем одни микроорганизмы могут облегчать течение заболения, тогда как другие его усугубляют.

Таким образом, кишечная микробиота может играть комплексную роль в патогенезе рассеянного склероза: выступать в качестве предрасполагающего фактора, быть триггером заболевания, поддерживать патологические процессы и способствовать прогрессированию заболевания или, напротив, ограничивать воспалительные и аутоиммунные реакции, стимулировать регенеративные процессы. Какую роль будет играть микробиота, зависит от свойств микроорганизмов, населяющих кишечник в конкретную стадию патогенеза РС.

Действие факторов, влияющих на предрасположенность, начало и течение РС, по времени совпадает с динамикой формирования и естественных изменений кишечной микробиоты в течение жизни (см. рисунок). Можно предположить, что нарушения состава кишечной микробиоты (дисбиоз) в различные возрастные периоды могут быть этими предрасполагающими факторами или, по крайней мере, опосредовать их действие.

Рисунок. Соответствие возрастных изменений микробного разнообразия в кишечнике (a) гипотетической временной шкале событий естественного развития рассеянного склероза, предложенной E. Granieri – М. Pugliatti, и (b) модифицированной А.Н. Бойко и др. [213].

Figure. Accordance of age-related changes in microbial diversity in the intestine (a) to the hypothetical time scale of events in the natural development of multiple sclerosis proposed by E. Granieri – M. Pugliatti and (b) modified by A.N. Boyko et al. [213]

Различные внешние факторы могут играть разную роль в развитии РС у предрасположенных лиц (см. рисунок): «фоновые» факторы (факторы 1) могут формировать биологические предпосылки для развития РС; факторы-триггеры (факторы 2) инициируют активный патологический процесс, реализующийся клинически в виде РС; факторы, способствующие повторным срывам толерантности к аутоантигенам нервной ткани (факторы 3), влияют на частоту обострений и прогрессирование РС [213]. По нашему предположению, нарушение состава (дисбиоз) микробиоты кишечника из-за действия неблагоприятных факторов в соответствующий возрастной период может выступать в качестве внешних факторов 1, 2 и 3 [213] или опосредовать их действие, при этом аберрантное формирование микробиома в пренатальный и перинатальный период у генетически предрасположенных лиц может быть фактором предрасположенности к РС.

Заключение

С каждым годом заболеваемость рассеянным склерозом неуклонно возрастает, особенно в странах с высоким уровнем гигиены и здравоохранения. Выяснено, что предрасполагающие к РС факторы — дефицит витамина D, диета, образ жизни, инфекции, ожирение, курение, стрессы — в той или иной степени связаны с изменением состава микробиоты кишечника. Дисбиоз кишечной микробиоты, обнаруженный у пациентов с РС, может быть как причиной, так и следствием заболевания, при этом экспериментальные данные свидетельствуют о причинной роли кишечной микробиоты в развитии ЭАЭ и РС. Это открывает пути как для принципиально новой стратегии лечения РС, так и для предотвращения его развития путем коррекции состава кишечной микробиоты на разных стадиях развития, включая доклиническую. Обобщая приведенные данные, можно предположить, что кишечная микробиота может быть фактором предрасположенности к РС, триггерным фактором, фактором поддержания патологического процесса и прогрессирования заболевания. Роль кишечной микробиоты в реализации генетического риска и данные, подтверждающие точку зрения, что аберрантное формирование кишечной микробиоты на ранних этапах жизни может быть фактором, повышающим риск развития рассеянного склероза, будут рассмотрены в следующей части обзора.

Дополнительная информация

Источник финансирования. Статья не имеет спонсорской поддержки.

Конфликт интересов. Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов, связанного с подготовкой и публикацией статьи.

Additional information

Funding sources. The article has no sponsorship.

Competing interests. The author declare the absence of obvious and potential conflicts of interest related to the publication of this article.

About the authors

Irina N. Abdurasulova

Author for correspondence.
Email: i_abdurasulova@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-1010-6768
SPIN-code: 5019-3940
Scopus Author ID: 22233604700

Cand. Sci. (Biol.), Head of the Pavlov Department of Physiology

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Figure. Accordance of age-related changes in microbial diversity in the intestine (a) to the hypothetical time scale of events in the natural development of multiple sclerosis proposed by E. Granieri – M. Pugliatti and (b) modified by A.N. Boyko et al. [213]

Download (513KB)

Indexing metadata