Роль микробиоты кишечника в патогенезе рассеянного склероза. Часть 2. Кишечная микробиота как фактор предрасположенности к развитию рассеянного склероза

Полный текст

Введение

Для большинства иммуноопосредованных заболеваний предполагается вовлечение кишечной микробиоты в реализацию генетического риска — заболевание развивается у генетически предрасположенных лиц на фоне определенного состава кишечной микробиоты. Например, некоторые аллели риска, связанные с воспалительными заболеваниями кишечника, проявляются только тогда, когда они активируются кишечным микробиомом [1, 2]. Учитывая, что иммунологически и метаболически кишечная микробиота интегрирована с хозяином [3], и число бактериальных генов в сотни раз превосходит численность генов хозяина [4], представляется вполне логичным ее вклад в генетический риск заболеваний.

С другой стороны, кишечная микробиота рассматривается как сложный полигенный фактор, на который влияют комбинации геномных локусов хозяина и факторы окружающей среды [5]. Если ранее основной упор делался на влияние средовых факторов, то в последнее время все большее внимание уделяется генетическому контролю состава кишечной микробиоты. Было показано, что около 2–8 % кишечной микробиоты наследуется [6], в частности, это семейства Christensenellaceae и Methanobacteriaceae [7], а также такие бактериальные таксоны как Faecalibacterium, неклассифицированный род семейства Ruminococcaceae, Coprococcus, Bifidobacterium, Parabacteroides, Bacteroides [8–13]. Кроме того, выявлены ассоциации характерных изменений кишечного микробиома с генами риска развития заболеваний при целиакии, воспалительных заболеваниях кишечника, ревматоидном артрите, системной красной волчанке и других [1, 2, 14–16].

Среди генов-кандидатов хозяина, которые могут контролировать состав микробиома, рассматриваются гены иммунного ответа, гены, регулирующие функции кишечника, и гены, участвующие в метаболических процессах [17], которые обеспечивают эффективный симбиоз хозяина и микробиоты, но также выступают в качестве факторов генетического риска различных заболеваний.

Далее будут представлены данные о генах из числа факторов риска развития рассеянного склероза (РС) или вовлекающихся в патогенез этого заболевания, которые, как предполагается, участвуют в контроле состава кишечной микробиоты.

Кишечная микробиота как фактор реализации генетического риска

Генетический контроль состава кишечной микробиоты

Исследования последнего десятилетия продемонстрировали тесную связь между кишечной микробиотой хозяина и здоровьем, что поднимает вопрос о том, как формируется кишечная микробиота, и играют ли роль гены хозяина в этом процессе.

Влияние генетических факторов хозяина на популяции кишечных микробов было продемонстрировано в экспериментах с реципрокной колонизацией germ-free (GF)-рыбок данио или GF-мышей кишечной микробиотой от не содержащих патогенных видов мышей и рыбок соответственно. Оказалось, что уже через 14 дней в трансплантированном бактериальном сообществе превалировали таксоны, характерные для вида-реципиента [18].

На роль генома в контроле кишечного микробиома указывают также исследования монозиготных и дизиготных близнецов, выявившие большее сходство микробных таксонов среди монозиготных близнецов, чем среди дизиготных, а также у сиблингов, по сравнению с людьми, не являющимися родственниками [7, 19–23]. Показано также, что кишечные микробиомы близнецов различаются, если они живут и питаются в разных домохозяйствах [7, 21].

Как и в какой мере хозяин контролирует состав кишечной микробиоты, в настоящее время неизвестно. Предполагается, что влияние на бактериальное сообщество, населяющее кишечник, осуществляется через специфические генетические локусы, контролирующие индивидуальные виды микроорганизмов или группу родственных таксонов, либо через генетические локусы, оказывающие плейотропное действие на группы относительно отдаленных микроорганизмов, способствуя распространению тех из них, которые приносят пользу хозяину [5]. Мутации в генах хозяина могут влиять на его взаимодействие с композиционным и функциональным разнообразием микробиома, потенциально модулируя восприимчивость человека к болезни [24].

Наиболее вероятными генами-кандидатами считаются гены рецепторов врожденного иммунитета — TLRs (toll-like receptors) и NLRs (nucleotide-binding oligomerization domain (NOD)-like receptors), поскольку через них осуществляется распознавание микроорганизмов, а также гены, вовлеченные в опосредуемые TLRs и NLRs пути сигнальной трансдукции (Myd88, IRAK и др.) [25, 26].

Показано, что активность гена TLR2, который распознает грамположительные бактерии, коррелирует с численностью семейства Coriobacteriaceae (p_Actinobacteria) и рода Lactococcus (p_Firmicutes) [5]. У мышей с отсутствием гена TLR5, распознающего флагеллин, наблюдается аномальное увеличение семейства Enterobacteriaceae (p_Proteobacteria) [27]. Причем сравнительные эксперименты по переносу микробиоты у новорожденных и взрослых мышей с дефицитом Tlr5 показывают, что именно неонатальная экспрессия TLR5 влияет на состав микробиоты на протяжении всей жизни [28].

С численностью семейства Enterobactericeae также связаны локусы гена NOD2 [2]. Кроме того, у NOD2-/- мышей увеличивается количество представителей филума Bacteroidetes [26, 29, 30], при этом на уровне рода в этом филуме наблюдалось возрастание численности родов Alistipes (f_Rikenellaceae) и Bacteroides (f_Bacteroidaceae), тогда как численность рода Prevotella (f_Prevotellaceae) уменьшалась [30]. В другом исследовании у NOD2-/- мышей отмечалось сокращение численности Faecalibacterium prausnitzii в подвздошной и слепой кишке [31].

При дефиците адаптерного белка MyD88, опосредующего трансдукцию сигнала от всех TLRs, кроме TLR3, в кишечнике мышей уменьшалось соотношение филумов Firmicutes/Bacteroidetes и увеличивалась численность семейств Lactobacillaceae, Rikenellaceae и Porphyromonadaceae [32].

Кроме TLRs и NLRs существуют другие рецепторы врожденного иммунитета — рецепторы лектинов С-типа (C-type lectins CTLs), RIG-I-подобные рецепторы (RLRs), которые практически не изучены в отношении контроля микробиома.

Гены, кодирующие антимикробные пептиды, также могут контролировать популяции кишечных бактерий [33].

Существует мнение, что адаптивная иммунная система развивалась у позвоночных, чтобы регулировать численность полезных микроорганизмов [34], поэтому гены адаптивного иммунного ответа также могут вовлекаться в генетический контроль разнообразия колонизируемой микробиоты, например, гены главного комплекса гистосовместимости II класса (Major Histocompatibility Complex — MHCII или человеческий лейкоцитарный антиген Human Leucocyte Antigen HLA-DR), ответственные за представление антигена Т-клеткам, а также гены, контролирующие продукцию и секрецию в просвет кишечника иммуноглобулинов [30, 35–37].

Для выявления генетических факторов, контролирующих состав и функциональное разнообразие микробиома, в последние годы используется mGWAS (microbiome genome-wide association studies) подход. В этих исследованиях было обнаружено, что многие «иммунные» и «метаболические» гены хозяина вносят вклад в бета-разнообразие (межиндивидуальную вариабельность), а также в изменчивость композиционного и функционального состава кишечного микробиома. Определены 42 генетических локуса хозяина, которые влияют на бета-разнообразие кишечного микробиома, и выявлена ассоциация полиморфизмов в ряде генов с составом кишечного микробиома [38]. В частности, было показано, что полиморфизм гена LCT, кодирующего лактазу, и гена FUT2, кодирующего галактозид-2-альфа-L-фукозилтрансферазу 2, связан с численностью и разнообразием рода Bifidobacterium (p_Actionbacteria) [39, 40], а полиморфизм гена VDR (рецептор витамина D) — с численностью рода Parabacteroides (p_Bacteroidetes). У VDR-/- мышей увеличивалось количество бактерий рода Parabacteroides [38], Helicobacter hepaticus (p_Proteobacteria) [41], и уменьшалось количество Akkermansia muciniphila (p_Verrucomicrobia) [41] по сравнению с обычными мышами. Подробно mGWAS-исследования рассмотрены в обзорах [42, 43].

Хотя представленные данные не дают четких представлений о роли генетических факторов хозяина в контроле состава микробиома кишечника, обращает на себя внимание тот факт, что гены человека и бактериальные таксоны, на которые они влияют, играют определенную роль в риске развития или в патогенезе РС [44].

Взаимодействия геном – микробиом как потенциальный фактор предрасположенности к рассеянному склерозу

Исследования mGWAS выявили ассоциации взаимодействий геном – микробиом при ряде заболеваний [45, 46], подтверждая мнение, что микробиом играет важную роль в восприимчивости/устойчивости хозяина к заболеваниям и, возможно, в реакции на лечение. Ассоциации геном – микробиом выявлены для ряда аутоиммунных заболеваний: (воспалительных заболеваний кишечника [2], ревматоидного артрита [14]); для РС таких исследований не проводили. Тем не менее имеются основания предполагать наличие этой связи при РС, поскольку генетически обусловленная склонность к воспалительным процессам может создать благоприятную среду аутореактивным Т-клеткам для инициации специфической иммунной реакции против аутоантигенов.

В пользу такого предположения свидетельствуют данные работы [47], где на мышах с дефицитом рецептора TNF2 (Tnfr2-/- 2D2) показано, что наличие в составе фекального микробиома большого количества Bacteroides spp., Bacteroides uniformis и Parabacteroides spp. у самок предрасполагает их к развитию аутоиммунной демиелинизации центральной нервной системы, тогда как самцы, имеющие другой микробный фон (Akkermansia muciniphila, Sutterella sp., Oscillospira spp., Bacteroides acidifaciens и Anaeroplasma spp.), резистентны к развитию заболевания.

Для других генов также показаны ассоциации с составом кишечного микробиома. Например, ассоциированные с риском РС варианты определенных локусов гена рецептора витамина D (VDR) [48, 49] одновременно связаны с модуляцией состава и метаболизма кишечного микробиома [38], экспрессия VDR защищает хозяина от инвазивных патогенов и поддерживает гомеостаз кишечника, а кишечные бактерии активируют передачу сигналов VDR [50]. VDR образует гетеродимерный комплекс с ретиноидным Х-рецептором (retinoid X receptor — RXR), который опосредует действие широкого спектра эндогенных и экзогенных лигандов (витамин D, вторичные желчные кислоты, жирные кислоты) [51, 52]. В свою очередь, желчные кислоты действуют как ключевые лиганды VDR и регуляторы экспрессии VDR [53]. Интересно, что Parabacteroides, численность которых различается при генетических полиморфизмах VDR [38], содержат гены, вовлекаемые в пути метаболизма вторичных желчных кислот [54]. Изменение численности Parabacteroides показано в нескольких исследованиях [55–58], как и нарушение метаболизма желчных кислот при РС [59]. Эти факты указывают на то, что действительно эти факторы могут быть взаимосвязанными, и геном-микробиомные взаимодействия, в данном случае полиморфизмов VDR, метаболизма желчных кислот, уровня Parabacteroides и их вклад в пул и регуляцию метаболизма желчных кислот может играть существенную роль в патогенезе РС.

В таблице представлены некоторые ассоциации генов, контролирующих определенные бактериальные таксоны в составе кишечной микробиоты и одновременно являющихся генами риска (или вовлекаемыми в патогенез) РС.

Гены, контролирующие состав кишечного микробиома, и их ассоциация с риском (патогенезом) рассеянного склероза

Genes that control the composition of the gut microbiome and their association with the risk (pathogenesis) of multiple sclerosis

Примечание: ЦНС — центральная нервная система; ЭАЭ — экспериментальный аутоиммунный энцефаломиелит; ВП-РС — вторично-прогрессирующий тип рассеянного склероза; РР-РС — ремиттирующе-рецидивирующий тип рассеянного склероза; ↑ — увеличение; ↓ — уменьшение

Характерно, что указанные гены контролируют колонизацию бактериальных таксонов, численность которых изменена у пациентов с РС. С другой стороны, измененный состав кишечного микробиома влияет на тип иммунного ответа, который участвует в модификации кишечного микробиома [60, 61]. Все это позволяет предположить сочетанное влияние генов хозяина и кишечного микробиома как в повышении предрасположенности к заболеванию РС, так и в реализации риска развития заболевания. То есть кишечный микробиом действует как фактор среды, который непосредственно взаимодействует с генами хозяина, формируя фенотип заболевания, а также как генетически обусловленный фактор, который формируется хозяином и взаимодействует с ним [62].

Как видно из таблицы, на численность одних и тех же бактериальных таксонов могут влиять вариации в разных генах, но с разным вектором изменений, или же по-разному влиять на различных представителей, принадлежащих к одному филуму. Так, численность Bacteroidetes изменяется при нокауте генов многих NLRs (NOD1, NOD2, NLRP12, NLRP3, NLRP6), причем род Bacteroides увеличивается при нокауте генов NOD1, NOD2, но уменьшается при нокауте гена NLRP3. При нокауте одного гена (NLRP3) численность рода Bacteroides уменьшается, а рода Prevotella — увеличивается. При нокауте гена TLR4 уменьшается численность рода Alistipes (p_Bacteroidetes f_Rikenellaceae), а при нокауте гена Myd88, который опосредует пути сигнальной трансдукции от TLRs, возрастает численность представителей этого филума — семейств Rikenellaceae и Porphyromonadaceae. Численность рода Parabacteroides (p_Bacteroidetes) увеличивается при нокауте гена VDR.

Перечисленные в таблице ассоциации, конечно же, не исчерпывают все значимые для РС взаимодействия между геномом и микробиомом; вероятно, будущие исследования выявят новые ассоциации, подтвердят или опровергнут значимость уже выявленных ассоциаций. Так, в недавнем исследовании у пациентов с РС обнаружена корреляция между геном BTF3L4, гомологом гена BTF3 — регулятора апоптоза — и численностью Lawsonella (p_Actinobacteria; o_Mycobacteriales; suborder Corynebacterineae) [168]. L. clevelandensis впервые были выделены из абсцесса [169] и обнаружены при боковом амиотрофическом склерозе в нервной ткани [170]. Предполагается также, что с риском развития РС, особенно в детском возрасте, могут быть связаны ассоциации генов, вовлекаемых в синтез и метаболизм витаминов группы В, с составом кишечного микробиома [171].

Наконец, недавно проведено первое исследование, оценивающее взаимодействие генома хозяина с кишечным микробиомом на модели экспериментального аутоиммунного энцефаломиелита (ЭАЭ) [172]. Продемонстрировано влияние генома хозяина как на восприимчивость к ЭАЭ, так и на бактериальный состав кишечного микробиома до начала заболевания. Используя мышей с 29 уникальными генотипами, авторы идентифицировали специфические кишечные бактерии и их метаболические функции, связанные с более низкой или высокой восприимчивостью к ЭАЭ у мышей нескольких генотипов, и показали, что метаболизм короткоцепочечных жирных кислот является ключевым фактором, при этом была обнаружена способность комменсального вида Lactobacillus reuteri усугублять ЭАЭ [172]. Эти результаты демонстрируют существование сложных взаимодействий между геномом хозяина и микробиотой кишечника, которые модулируют восприимчивость к аутоиммунным заболеваниям центральной нервной системы. Понимание этих взаимодействий обеспечит в дальнейшем возможность разработки стратегии модуляции кишечного микробиома для снижения риска развития не только РС, но и других аутоиммунных заболеваний.

В наших исследованиях мы также наблюдали, что исходный фон микробиоты предопределяет течение ЭАЭ у животных, и наличие высокого уровня индигенных Enterococcus spp. — необходимое, но недостаточное условие устойчивости к развитию заболевания [71]. Таким образом, взаимное влияние генома хозяина на состав микробиома и регулирующее влияние населяющей кишечник микробиоты на активность генов хозяина может быть фактором риска (предрасположенности) РС.

Хотя генотип хозяина способствует формированию микробного сообщества кишечника, влияние окружающей среды в различные возрастные периоды может изменить профиль микробиоты [173]. Наиболее чувствительным и важным периодом для действия неблагоприятных факторов может быть этап формирования кишечной микробиоты.

Нарушение формирования кишечной микробиоты как фактор предрасположенности к рассеянному склерозу

Формирование кишечной микробиоты

Формирование микробного сообщества в кишечнике происходит в течение первых нескольких лет жизни, то есть во время, которое соответствует критическому периоду развития иммунной и нервной систем, поэтому от того, какие микроорганизмы будут колонизировать различные ниши организма в этот период, во многом зависит будущее здоровье человека. Колонизация кишечника микробиотой представляет собой динамический процесс, который осуществляется в определенной последовательности, в соответствии с законом сукцессии: сначала заселяются факультативные анаэробы, такие как энтеробактерии (колиформные бактерии) и лактобациллы, а затем анаэробные виды, такие как бифидобактерии, бактероиды, клостридии и эубактерии [174–176]. Первые микроорганизмы передаются от матери — это механизм, обеспечивающий приобретение «правильных», необходимых для развития организма младенца микроорганизмов. Когда именно начинается этот процесс, в настоящее время активно исследуется.

На протяжении многих десятилетий считалось, что кишечник плода стерилен, и первые микроорганизмы-колонизаторы попадают в организм младенца в момент рождения от матери и из окружающей среды [177, 178].

Основываясь на этих представлениях и определении микробиоты методами культивирования, еще в 1983 г. M.S. Cooperstock и A.J. Zedd [179] выделили 4 фазы ранней колонизации кишечника младенца: I фаза — в течение первых двух недель от рождения, II фаза — период грудного вскармливания, III фаза — от начала введения прикорма до полного прекращения кормления грудью, IV фаза — до полного введения прикорма и формирования «взрослого» рациона. Однако использование технологий секвенирования для определения микроорганизмов показало, что формирование кишечного микробиома может происходить еще внутриутробно за счет материнских микроорганизмов, попавших в плаценту и околоплодные воды [180–183]. Хотя эти данные еще не получили всеобщего признания и дискутируются, они свидетельствуют о важности материнского микробиома для начальных стадий формирования кишечного микробиома младенца [184].

Бактерии обнаружены в пуповинной крови [185], амниотической жидкости [186–188] и плодных оболочках [188, 189] здоровых женщин, родивших детей без признаков воспаления. Например, в плаценте и околоплодных водах выявлены бактерии филумов Proteobacteria (Ralstonia insidiosa), Firmicutes (Lactobacillus rhamnosus, Lactobacillus crispatus, Lactobacillus iners), Actinobacteria (Bifidobacterium spp.) [180–183].

Каким образом микроорганизмы попадают в плаценту и околоплодные воды, точно не установлено. Предполагают, что они могут транслоцироваться из ротовой полости и кишечника матери через кровоток или с дендритными клетками, которые поглощают бактерии из просвета кишечника и при миграции в лимфоидные органы транспортируют их по всему организму [190, 191]. В частности, подобный механизм описан у мышей [192]. Однако пока неясно, заселяются ли эти микроорганизмы в кишечнике плода или их присутствие транзиторно.

В меконии (первый стул после рождения) младенцев определяется сложное сообщество микробов, хотя и менее разнообразное, чем в фекалиях взрослых людей [185, 193]. Присутствие в меконии типичных представителей желудочно-кишечного тракта, таких как Enterococcus spp. и Escherichia coli [185, 193] свидетельствует, что эти микроорганизмы попадают в кишечник младенца внутриутробно.

Для успешной колонизации кишечника младенцев микроорганизмами необходима иммунологическая толерантность, которая также обеспечивается матерью за счет преимущественной индукции регуляторных Т-лимфоцитов [194]. Показано, что в течение беременности микробиом кишечника матери меняется, приспосабливаясь к стадии развития плода [195]: в первом триместре беременности увеличивается представленность Faecalibacterium prausnitzii, способствующего образованию T-регуляторных (Treg) клеток, которые, в свою очередь, обеспечивают иммунологическую толерантность к плоду; напротив, в третьем триместре беременности увеличивается представительство семейств Enterobacteriaceae, Enterococcaceae и Streptococcaceae — факультативных анаэробных микроорганизмов, которые передаются младенцу или внутриутробно, или в момент родов и доминируют в микробном сообществе кишечника в первые дни его жизни. Поскольку в момент рождения младенец получает микроорганизмы при прохождении через родовые пути матери [174, 196–198], неудивительно, что микробиом мекония новорожденных очень похож на микробиом родовых путей матери [199]. Однако сходство микробного состава мекония детей, родившихся естественным путем и путем кесарева сечения, может указывать на то, что в кишечник детей эти микроорганизмы могли попасть еще внутриутробно.

Второй этап передачи материнской микробиоты происходит во время грудного вскармливания [200, 201]. В грудном молоке здоровых женщин выявлено от 100 до 600 видов бактерий, принадлежащих к восьми родам: Staphylococcus, Streptococcus, Serratia, Pseudomonas, Corynebacterium, Ralstonia, Propionibacterium, Sphingomonas и семейству Bradyrhizobiaceae [202]. Эти бактериальные таксоны составляли около половины всего микробиома, присутствовали во всех образцах, образуя общую часть микробиома. Остальная часть микробиома (вариативная) была представлена микроорганизмами, встречавшимися в отдельных образцах грудного молока в разных сочетаниях [202].

В течение периода лактации бактериальный состав грудного молока изменяется. Молоко, вырабатываемое сразу после родов (молозиво), содержит больше молочнокислых бактерий наряду со стафилококками, стрептококками и лактококками, через 6 мес. лактации в грудном молоке увеличивается численность видов, колонизирующих ротовую полость (Veillonella spp., Leptotrichia spp. и Prevotella spp.), возможно, чтобы подготовить ребенка к переходу на твердую пищу [203].

В целом микробиота кишечника новорожденных характеризуется нестабильной структурой и имеет ограниченный набор бактериальных таксонов, который усложняется по мере увеличения разнообразия пищи [204, 205]. Так, введение дополнительной пищи к грудному молоку связано с увеличением разнообразия бактериального сообщества и сменой преобладающих бактериальных филумов. В возрасте 6 мес. в фекальной микробиоте человека начинают доминировать филумы Bacteroidetes и Firmicutes, появляются Verrucomicrobia; напротив, содержание филума Proteobacteria и аэробных грамотрицательных бактерий существенно уменьшается [206].

Состав кишечной микробиоты стабилизируется к концу первого года жизни, приобретая черты кишечного микробиома взрослых людей [206–208]. В этот период факторы питания и окружающей среды становятся более значимыми для поддержания разнообразия состава микробиома кишечника ребенка, чем материнские.

Хотя у трехлетних детей кишечная микробиота уже подобна микробиоте взрослого человека [175, 206, 209], максимального разнообразия она достигает лишь в подростковом возрасте [210].

Сформировавшийся кишечный микробиоценоз уникален у каждого человека и в нормальных (эубиотических) условиях представляет собой сложную сбалансированную экосистему, в которой микроорганизмы находятся в симбиотических отношениях с хозяином. Однако отмечен ряд факторов, которые могут повлиять на формирование кишечного микробиома. К этим факторам относятся преждевременное рождение, рождение путем кесарева сечения, искусственное вскармливание, ранний отъем от груди, использование антибиотиков, стрессы, инфекции [211, 212].

Фазы формирования кишечного микробиома и факторы, влияющие на этот процесс, суммированы на рисунке.

Рисунок. Фазы ранней колонизации кишечника младенца (модификация M.S. Cooperstock и A.J. Zedd [179]) и влияющие на этот процесс факторы. ФК — фаза колонизации; КС — кесарево сечение; ИВ — искусственное вскармливание. * Фазы ранней колонизации

Figure. Phases of early infant colonization (modified by M.S. Cooperstock and A.J. Zedd [179]) and factors influencing this process. CP, colonization phase; CS, caesarean section; AF, artificial feeding. * Early colonization phases

Как предполагается, в результате аберрантного формирования кишечного микробиома на ранних этапах развития изменяются его функциональные свойства, что может приводить к долговременным эпигенетическим изменениям, метаболической и иммунологической дизрегуляции, структурным и функциональным изменениям в иммунной, нервной системах, нарушениям кишечного и гематоэнцефалического барьеров [213, 214] и может в дальнейшем способствовать повышению восприимчивости к различным заболеваниям [215, 216], в том числе к РС.

Средовые факторы, влияющие на формирование кишечной микробиоты, и их связь с риском развития рассеянного склероза

Среди факторов окружающей среды, оказывающих наибольшее влияние на состав кишечного микробного сообщества, обсуждаются воздействия в ранней жизни (материнские факторы, способ рождения, гестационный возраст, тип вскармливания, возраст отъема от груди, употребление антибиотиков), диета и микронутриенты, стрессы, стиль жизни (см. рисунок).

Сообщений о влиянии материнских и перинатальных факторов относительно немного. В частности, отмечается потенциальная ассоциация гестационного диабета и избыточного веса/ожирения у матери с РС до беременности [217]. Mетаболические нарушения, как известно, сопровождаются изменением состава кишечного микробиома [218]; используемая диета, прием антибиотиков, повышенный уровень глюкокортикоидов в результате стресса, инфекционные или иммуноопосредованные воздействия во время беременности или лактации также могут привести к дисбиозу кишечного микробиома и повлиять на формирование состава микробиоты кишечника у младенцев [218]. В свою очередь, нарушение формирования кишечного микробиома в ранней жизни связывают с повышенным риском развития аутоиммунных заболеваний в дальнейшем [219–222].

Появляются данные, что влияние микробиома матери на развитие иммунной системы потомства начинается уже внутриутробно. В этом отношении интересны исследования, которые показали долговременные эффекты воздействия кишечных бактерий, ограниченного периодом беременности, на иммунные профили детенышей при колонизировании кишечника GF-беременных самок генетически модифицированным штаммом (HA107) E. coli, который не реплицировался и со временем элиминировался из кишечника [223]. Авторы продемонстрировали, что материнская микробиота управляет экспрессией широкого спектра генов в слизистой оболочке кишечника, готовя кишечник детенышей к постнатальной микробной колонизации, а также влияет на врожденное, но не адаптивное звено иммунитета. Ранее считалось, что долговременные иммунные изменения связаны с действием собственной микробиоты новорожденного в постнатальный период [224]. То есть материнский микробиом формирует как состав кишечного микробиома, так и иммунные функции в раннем возрасте у потомства.

Хотя механизмы этих влияний в настоящее время полностью не установлены, предполагается, что долговременные последствия неблагоприятных перинатальных воздействий на иммунную систему и повышенный риск к иммуноопосредованным заболеваниям связаны с эпигенетическими изменениями [225], а эмбриогенез, как известно, — это особенно уязвимый период для модификаций ДНК [226, 227]. Поскольку микробиота кишечника участвует в эпигенетической регуляции баланса Th17/Treg-клеток [228], отсутствие или избыток определенных микроорганизмов в составе микробиома матери в этот период может привести к дизрегуляции экспрессии/активности генов.

На модели ЭАЭ, воспроизводящей характерные для РС патологические процессы и симптомы, наблюдалось более тяжелое течение заболевания во взрослом состоянии у потомства мышей, которые подверглись воздействию патогенов во время беременности. У этих мышей отмечалось усиленное образование Th17-клеток и провоспалительных цитокинов, что доказывает длительное влияние гестационного воздействия на иммунные реакции у потомства [229, 230]. К аналогичным последствиям приводило системное введение беременным самкам высоких доз липополисахарида [231]. В другом исследовании [232] беременным крысам в воду добавляли смесь антибиотиков, начиная за 2 нед. до родов и заканчивая через 4 нед. после родов. Это воздействие изменило микробный профиль у потомства крыс, получавших антибиотики, и усугубило течение ЭАЭ, индуцированного, когда крысы достигли возраста 3 мес. Существуют также данные, что введение антибиотиков взрослым животным, напротив, снижает тяжесть симптомов ЭАЭ [233–235].

В пилотном исследовании [236] у детей с РС выявлена связь воздействия пестицидами в перинатальный период с повышенным риском развития РС. Считается, что пестициды оказывают наиболее сильное влияние на развитие лимфоидных органов во время эмбриогенеза или в раннем детстве [237, 238], что приводит к длительно сохраняющейся дисфункции иммунной системы и может способствовать раннему развитию РС.

Показано, что на разных сроках гестации состав микробиома (кишечного, вагинального) матери претерпевает изменения, поэтому в случае преждевременного рождения микробный состав микробиома матери не вполне «готов» к передаче, что подтверждается существенными различиями в составе микробиоты недоношенных и рожденных в срок новорожденных детей. Так, у недоношенных младенцев в составе микробиоты кишечника отсутствовали два основных бактериальных рода, наблюдаемых у младенцев, рожденных в срок: Bifidobacterium и Lactobacillus, с компенсаторным доминированием Proteobacteria; кроме того, обнаруживались Clostridium difficile, бактерии рода Bacillus и Staphylococcus [239, 240]. Отмечено большее число случаев развития РС у людей, родившихся преждевременно, по сравнению с родившимися в срок [241], хотя в другой работе [242] не выявлено такой закономерности.

В ряде исследований риск развития РС связывают с нарушением формирования кишечного микробиоценоза вследствие таких факторов как кесарево сечение [243], искусственное вскармливание [244], воздействие антибиотиками в ранней жизни [245, 246].

При рождении путем кесарева сечения у младенцев нарушается нормальная динамика колонизации кишечника бактериями, что может привести к развитию «аномальной» иммунной системы [247]. Микробный состав кишечника младенцев, родившихся с помощью кесарева сечения, напоминает микробиоту кожных покровов матери с доминированием бактерий Staphylococcus, Corynebacterium и Propionibacterium, тогда как у рожденных естественным путем преобладают Lactobacillus, Prevotella или Sneathia [198]. Различия в структуре бактериального сообщества в кишечнике отмечаются не только в течение нескольких месяцев [198, 248, 249] или года [174, 248, 249], но сохраняются до 7-летнего [250] и даже взрослого возраста [249, 251].

Женщины при кесаревом сечении обычно получают профилактически антибиотики до родов, так что нарушения состава микробиоты у детей, рожденных с помощью кесарева сечения, отражают совокупный эффект как от измененного способа родов, так и от воздействия антибиотиков [252].

Имеются немногочисленные, хотя и противоречивые данные о связи способа рождения (естественные или кесарево сечение) с риском развития РС. В некоторых исследованиях показано, что кесарево сечение может быть фактором риска как раннего начала (в детском возрасте) РС [253], так и повышенного риска развития РС [236, 243]. В других исследованиях не выявлено риска [243, 254] или даже наблюдали сниженный риск развития РС в детском возрасте [236]. В одном из исследований детей с РС сообщали о существенных различиях в типе и обилии бактериальных таксонов в кишечнике по сравнению со здоровыми детьми. В частности, семейство Christensenellaceae, которое считается наследуемым бактериальным таксоном [7], может иметь отношение к способу рождения и влиять на риск заболевания РС [55, 63, 93], однако не удалось найти информации, какие гены контролируют численность этого семейства.

Тип вскармливания в неонатальный период является еще одним фактором, влияющим на микробный состав кишечника младенцев и возможным фактором риска развития РС. Грудное молоко — первое диетическое воздействие в младенчестве, оно содержит широкий спектр защитных соединений, включая углеводы, нуклеотиды, жирные кислоты, витамины, иммуноглобулины, цитокины, иммунные клетки, лизоцим, лактоферрин и другие иммуномодулирующие факторы [255, 256], а также является богатым источником бактерий, включая молочнокислые бактерии, пропионовые бактерии, бифидобактерии [257]. Олигосахариды грудного молока стимулируют специфическую кишечную микробиоту, блокируют сайты адгезии патогенов в кишечнике и/или действуют как аналоги растворимых рецепторов патогена [258, 259]. Бактерии грудного молока — Bifidobacterium, Lactobacillus, Enterococcus — важный источник кишечных бактерий для младенцев, они могут способствовать нормальному развитию иммунной системы путем конкурентного исключения патогенных бактерий, повышения продукции антимикробных пептидов и улучшения функции кишечного барьера [257]. В составе кишечной микробиоты младенцев на грудном вскармливании увеличена численность бифидобактерий и лактобацилл, тогда как у младенцев на искусственном вскармливании преобладают Bacteroides spp., Clostridium, Streptococcus, Enterobacter, Citrobacter и Veillonella [260–263]. Значимость наличия Bifidobacterium в этот возрастной период для устойчивости к РС подтверждается тем, что введение крысам в период лактации Bifidobacterium animalis способствовало более мягкому течению индуцированного во взрослом возрасте ЭАЭ [264]. Интересно, что Lactobacillus casei Shirota, вводимые также в период лактации, не обладали протективным действием и, напротив, увеличивали длительность заболевания [265], что еще раз подчеркивает важность наличия именно бифидобактерий в этот период онтогенеза.

Имеются данные, показывающие, что грудное вскармливание снижает риск развития РС как в детском возрасте, так и у взрослых [266, 267], при этом уменьшение продолжительности грудного вскармливания и искусственное вскармливание повышают риск заболевания РС, в том числе в детском возрасте [253, 266, 268, 269], хотя J.S. Graves и соавт. [236] не подтвердили защитный эффект грудного вскармливания от развития РС.

После рождения развитие иммунной и нервной систем продолжается в течение первых 2–3 лет жизни [270], и в этих процессах микробиота кишечника играет важную роль, так как она стимулирует развитие иммунных реакций, которые, в свою очередь, сдерживают рост микробиоты [271]. Поскольку наивные Т-клетки (Th0) дифференцируются в подмножества Th1 (поддерживающие клеточные иммунные ответы), Th2 (поддерживающие гуморальные и аллергические ответы) и Th17 (участвующие в аутоиммунных процессах) [270], нарушенный состав микробиоты на ранних этапах жизни может повлиять на иммунный статус хозяина и стать фактором риска развития заболеваний, включая РС [272, 273].

Липополисахариды разных видов бактерий имеют различную структуру и иммуногенные свойства, при этом у детей из районов с более высокой распространенностью аутоиммунных заболеваний преобладают виды бактерий, которые продуцируют менее иммуногенный липополисахарид, что может влиять на «тренировку» иммунной системы в раннем возрасте, повышая предрасположенность к заболеваниям [274]. Введение липополисахаридов в неонатальный период (P3 и P5 крысам или P15 мышам) способствовало более легкому течению ЭАЭ в дальнейшей жизни, в противоположность с пренатальным воздействием [231], что сопровождалось повышенным уровнем кортикостерона [275] или увеличением количества Treg-клеток [276]. Показано, что введение крысятам субпирогенных доз провоспалительного цитокина IL-1β в различные периоды раннего постнатального онтогенеза (на 1, 2, 3 или 4-й неделе жизни) по-разному влияет на течение ЭАЭ во взрослом состоянии. Так, введение IL-1β на P1-P7 и P22-P28 усугубляло течение ЭАЭ, а на P8-P14 и P15-P21 — ослабляло тяжесть заболевания по сравнению с соответствующей контрольной группой [277]. Введение дексаметазона в неонатальный период (на P1, P2 и P3) крысятам усугубляло течение ЭАЭ у взрослых крыс [278], как и неонатальный стресс [279, 280]. Стресс в раннем возрасте оказывал долговременное влияние на иммунные функции и усугублял течение ЭАЭ у взрослых крыс [280–282] и мышей [283], более выраженные эффекты наблюдали у самцов по сравнению с самками.

Хотя в перечисленных работах не исследовали состав кишечной микробиоты, известно, что пренатальный стресс или повышение глюкокортикоидов в этот период влияет на состав микробиоты потомства. Так, у животных, переживших пренатально стресс, была уменьшена численность бактерий рода Lactobacillus и увеличена численность родов Oscillibacter, Anaerotruncus и Peptococcus [284]. Mладенцы матерей, имевших высокие концентрации кортизола во время беременности, отличались более низким содержанием молочнокислых бактерий и более высоким содержанием Proteobacteria, среди которых имеются известные патогены (Serratia, Сitrobacter, Enterobacter) [285], численность которых увеличивается при РС [44]. У детенышей самок макак-резус, переживших акустический стресс во время беременности или стресс разлучения с матерью в ранней жизни, нарушалась колонизация кишечника микробиотой [286, 287].

Раннее лечение антибиотиками задерживает созревание микробиоты в младенчестве [288]. В популяционном исследовании более 776 000 новорожденных в Дании использование антибиотиков до и во время беременности коррелировало с повышенным риском восприимчивости потомства к инфекции в детстве [289]. Введение антибиотиков в неонатальный период (P7-P23) изменяло профиль кишечной микробиоты и структуру миелина у взрослых мышей [290].

Эпидемиологические данные свидетельствуют о том, что воздействие солнечного света и употребление витамина D (VitD) во время беременности и в раннем детстве могут влиять на риск развития РС [291]. Хотя недостаток VitD у самок во время беременности приводил к снижению тяжести ЭАЭ у потомства [292], эффект дефицита VitD в гестационный период на течение ЭАЭ проявлялся у второго поколения мышей, у которых развивалось более тяжелое течение заболевания [293]. Важность нормального уровня VitD в ранней жизни продемонстрирована в экспериментах с добавлением VitD крысятам в период от рождения до отъема (до пубертатного периода), у которых была снижена тяжесть ЭАЭ в дальнейшей жизни [294]. Причем добавление VitD именно в раннем возрасте, а не во время беременности или взрослым способствовало супрессии ЭАЭ [295], что свидетельствует о существовании критического периода для воздействия VitD на РС.

Известно также, что дефицит витаминов группы В (фолиевая кислота, цианокобаламин) в течение критического окна (1000 дней) может влиять на созревание микробиоты кишечника и ее взаимодействие с хозяином с последствиями для подросткового и взрослого периода [296]. Добавление беременным мышам метильных доноров (бетаин, холин, фолиевая кислота, витамин B₁₂) привело к значительным различиям в составе постнатальной кишечной микробиоты по сравнению с микробиотой потомства мышей, не получавших добавки [297]. Было показано, что добавление доноров метила (фолиевая кислота, витамин B₁₂) увеличивает пул одноуглеродных фрагментов, изменяет метилирование отдельных локусов генов у мышей [298] и у людей [299], влияя на эпигенетическую регуляцию. Важно, что некоторые микроорганизмы способны синтезировать различные витамины, однако каково значение этого пула витаминов в формировании кишечной микробиоты и взаимодействиях с хозяином, в настоящее время неизвестно [300].

Таким образом, множество факторов может влиять на формирование кишечного микробиома и его свойства в пренатальный и ранний постнатальный период, формируя предрасположенность к заболеванию в дальнейшей жизни.

Заключение

Рассеянный склероз — мультифакторное заболевание, в развитии которого играют роль генетическая предрасположенность и факторы среды. До настоящего времени нет полного понимания того, как факторы риска действуют во время развития. Важно, что критический возраст от 0 до 6 мес. — это не только период уязвимости, но и наиболее эффективное «окно» для манипуляций с составом микробиоты, чтобы поддержать и улучшить эффективные иммунные реакции [300] и снизить риск заболевания. Упомянутые в обзоре исследования демонстрируют, что нарушение формирования кишечной микробиоты имеет долговременные последствия и может повышать предрасположенность к рассеянному склерозу, а коррекция состава кишечной микробиоты на ранних этапах жизни может быть стратегией по снижению риска развития РС.

Дополнительная информация

Источник финансирования. Работа поддержана грантом РНФ и Санкт-Петербургского научного фонда № 22-25-20191.

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

Вклад автора. Автор внесла существенный вклад в разработку концепции и подготовку статьи, прочла и одобрила финальную версию перед публикацией.

Additional information

Funding sources. The work was supported by the RSF and St. Petersburg Science Foundation grant No. 22-25-20191.

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

Authors̕ contribution. The author made a significant contribution to the development of the concept and preparation of the article, read and approved the final version before publication.

Список сокращений

РС — рассеянный склероз; ЭАЭ — экспериментальный аутоиммунный энцефаломиелит.

Об авторах

Ирина Николаевна Абдурасулова

Автор, ответственный за переписку.
Email: i_abdurasulova@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-1010-6768
SPIN-код: 5019-3940
Scopus Author ID: 22233604700

канд. биол. наук, заведующая Физиологическим отделом им. И.П. Павлова

Список литературы

Дополнительные файлы

Доп. файлы

Действие

1. JATS XML

Скачать

2. Рисунок. Фазы ранней колонизации кишечника младенца (модификация M.S. Cooperstock и A.J. Zedd [179]) и влияющие на этот процесс факторы. ФК — фаза колонизации; КС — кесарево сечение; ИВ — искусственное вскармливание. * Фазы ранней колонизации

Скачать (786KB)

Метаданные