Эпигенетический механизм влияния микробиоты кишечника на развитие постстрессорного нейровоспаления

Полный текст

С тех пор как получены доказательства влияния микробиоты желудочно-кишечного тракта (ЖКТ) человека на состояние центральной нервной системы (ЦНС) и когнитивные функции [1–5], эти взаимодействия находятся в фокусе нейронауки [6].

Показано, что кишечная микрофлора модулирует синтез гормонов, иммунных факторов и нейромедиаторов и может воздействовать на развитие и функционирование мозга, в том числе влиять на выраженность симптомов психических расстройств, таких как депрессия, постстрессовая патология, шизофрения, аутизм [6].

Согласно данным PubMed (запрос microbiota & stress), интерес к изучению влияния микробиоты ЖКТ на развитие патологий, связанных со стрессом, неуклонно растет (от 5 статей в 2004 г. до 481 — в 2018 г.).

В 2004 г. впервые было показано, что мыши, лишенные микробиоты (germ-free, GF-мыши), демонстрировали значимо бо́льшую активность гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой (ГГН) оси в ответ на стрессор по сравнению с животными, в известной микрофлоре которых отсутствуют патогенные организмы (specific pathogen free, SPF-мыши) [7]. В последующие годы установлена зависимость состояния микроглиальных клеток мозга от качественного и количественного состава микробиоты кишечника [8]. Поскольку микроглия участвует в инициации и поддержании нейровоспаления, сопровождающего постстрессорные состояния, микробиоту рассматривают как один из возможных регуляторов процесса развития постстрессорных патологий [9].

Нейровоспаление — это воспалительная реакция в центральной нервной системе, которая опосредована цитокинами, хемокинами, активными формами кислорода и вторичными мессенджерами. Основной источник провоспалительных медиаторов — активированная микроглия [10]. Эти иммунные клетки в ЦНС обеспечивают основную форму адаптивного иммунного ответа [11]. Известно, что хроническое нейровоспаление сопровождает многие неврологические и психические расстройства (болезнь Паркинсона, депрессию, шизофрению, посттравматическое стрессовое расстройство) [9].

Вопрос о том, каким образом микробиота организма-хозяина участвует в активации микроглии и поддержании нейровоспаления остается открытым. Один из возможных путей — способность бактериальных метаболитов влиять на эпигенетические модификации генов, связанных с иммунорегуляцией [12].

Эпигенетическими модификациями называют наследуемые молекулярные механизмы регуляции экспрессии генов, которые не затрагивают нуклеотидную последовательность ДНК, но приводят к специфичным конформационным изменениям структуры хроматина [13].

Данная статья посвящена анализу исследований последних лет о роли микробиоты кишечника в эпигенетическом контроле развития пострессорного нейровоспаления.

МИКРОБИОТА КИШЕЧНИКА ЧЕЛОВЕКА

«Микробиота ЖКТ» — совокупность всех микроорганизмов, населяющих кишечник человека (бактерии, эукариоты, археи и вирусы). В то время как понятие «микробиом» включает полный набор генов этих микроорганизмов [14]. Общее количество бактерий, составляющих микробиоту человека, выше числа клеток человеческого тела: 3,9 · 10¹³ и 3,0 · 10¹³ соответственно [15]. Геном человека содержит в 12 раз меньше генов, чем микробиом. По последним оценкам, общее число генов, составляющих микробиом, — 400 тыс [16]. Из общего числа бактерий в теле взрослого человека 80 % — бактерии кишечника [6].

Состав микробиоты ЖКТ меняется на протяжении всей жизни человека [17]. Заселение кишечника микроорганизмами происходит уже во время внутриутробного развития через амниотическую жидкость и/или пуповинную кровь [18–20]. В меконии здоровых новорожденных детей были обнаружены бактерии [21]. Но основной этап формирования кишечной микробиоты человека происходит во время постэмбрионального развития. Во время и сразу после родов новорожденный контактирует с микробиотой матери, а также окружающей среды и приобретает ряд комменсальных бактерий, заселяющих ЖКТ [22]. Исследования показывают, что первые годы жизни — критический период для формирования «здоровой экосистемы» кишечника [23].

Согласно гипотезе «Старых друзей», такой симбиоз между организмом человека и множеством микроорганизмов, населяющих его кишечник — результат длительной совместной эволюции [24]. Накоплено достаточно доказательств того, что микробиота кишечника выполняет ряд важнейших функций в организме-хозяине. Она участвует в создании и поддержании целостности интерстициального барьера, стимулирует регенерацию клеток эпителия кишечника, продуцирует слизь и питает слизистую оболочку ЖКТ, выделяя некоторые метаболиты [25, 26].

Кишечная микрофлора вовлечена в созревание иммунной системы хозяина благодаря стимуляции врожденного иммунитета на ранних стадиях онтогенеза. Она влияет на развитие связанной с кишечником лимфоидной ткани, активирует адаптивный иммунитет благодаря стимуляции местного и системного иммунного ответа [27], а также участвует в синтезе некоторых нутриентов, гормонов и витаминов, играет важную роль в удалении токсинов.

В нормальных условиях микробиота способна стимулировать иммунную систему, приводя к состоянию низкоинтенсивного физиологического воспаления (паравоспаления). Существует гипотеза о том, что такая стимуляция иммунитета увеличивает толерантность организма хозяина к повреждающему действию патогенных микробов [28].

Но экосистема кишечника крайне уязвима к действиям неблагоприятных факторов. Сложившийся баланс микроорганизмов может быть нарушен как психоэмоциональными факторами (стрессом, в том числе и в пренатальный период), так и диетой, приемом медикаментов [29]. Состав микробиоты ЖКТ так же определяется вирусами [30] и паразитарными инфекциями кишечника [31].

МЕХАНИЗМЫ ВЛИЯНИЯ МИКРОБИОТЫ ЖКТ НА РАЗВИТИЕ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ МОЗГА

К настоящему моменту накоплено достаточно данных о связи качественных и количественных показателей микробиоты кишечника с выраженностью тревожных и депрессивных симптомов как у человека, так и у грызунов [32, 33].

Длительное исследование, проведенное после вспышки бактериального гастроэнтерита в Канаде, показало, что выраженная тревога и депрессия являются факторами риска сохранения кишечных симптомов на протяжении 8 лет после первичной инфекции [34].

В 2013 г. Национальный институт психического здоровья в Соединенных Штатах Америки (National Institute of Mental Health, NIMH, США) запустил программу исследования механизмов взаимодействия микробиоты и мозга с целью создания новых медикаментов и неинвазивного лечения психических расстройств.

Взаимодействие между мозгом и кишечной микрофлорой часто описывают в литературе как ось «микробиота–кишечник–мозг» [1, 6, 29, 32, 33]. Такая коммуникация осуществляется через нейроанатомические пути, эндокринную и иммунную системы, а также через выделение бактериями определенных метаболитов, способных оказывать влияние на нервную систему [6, 35, 36].

Автономная нервная система кишечника и блуждающий нерв обеспечивают один из путей влияния микробиоты кишечника на мозг. Показано, что метаболиты бактерий стимулируют афферентные нейроны энтеральной нервной системы [37].

С 1930-х годов известно, что в эпителии кишечника присутствуют энтероэндокринные клетки. Они электровозбудимы, но до последнего времени считали, что эти клетки не способны формировать синапсы с черепными нервами. В недавнем исследовании [37] был идентифицирован тип сенсорных эпителиальных клеток кишечника, которые имеют синапсы с чувствительными нейронами узловатого ганглия (nodose ganglia) блуждающего нерва. Авторы назвали эти клетки «нейроподными» (neuropod cells), так как, являясь эндокринными, они имеют способность формировать нейроэпителиальные сети. С помощью глутаматергических синапсов с блуждающим нервом нейроподные клетки соединяют просвет кишечника напрямую со стволом мозга. Существование таких нервных сетей позволяет мозгу в течение нескольких миллисекунд получить информацию из просвета кишечника.

Известно, что в патогенез постстрессорных патологий большой вклад вносят нарушения в работе гипоталамуса, гипофиза и надпочечников, составляющих гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковую (ГГН) ось [38]. Новейшие данные свидетельствуют о существенной роли микробиоты кишечника в нарушениях работы этих структур и, следовательно, в нейроэндокринной дисрегуляции [7].

У GF-мышей стресс, вызванный длительным обездвиживанием, приводит к значимо большему выбросу кортикостерона и адренокортикотропного гормона (АКТГ) по сравнению с контрольными животными, имеющими нормальную микрофлору. Такой чрезмерный ответ на стресс может быть частично нормализован с помощью предварительной трансплантации стула от контрольных мышей и полностью восстановлен заселением в кишечник индивидуальной бактерии вида Bifidobacterium infantis [39].

Один из возможных механизмов такого влияния бактерий на функцию ГГН оси заключается в воздействии их метаболитов на работу глутаматергических и серотонинергических синапсов. У GF-мышей обнаружено значимое снижение экспрессии рецепторов к глутамату (NMDA-рецепторов) и серотонину (5-HT₁A-рецепторов) в гиппокампе и коре по сравнению с SPF-мышами. Дефициты глутаматергической и серотонинергической передачи могут приводить к нарушениям работы ГГН оси, действуя на секрецию кортикотропин-рилизинг-гормона (КРГ) в гипоталамусе. Длительное воздействие повышенных концентраций КРГ приводит к развитию состояния дистресса, выраженным депрессивным симптомам, бессоннице, хронической тревоге, истощению, понижению либидо [6].

Показано, что стрессор, влияя на работу ГГН оси, может приводить к изменению состава микробиоты. Например, у новорожденных крысят ранняя разлука с матерью приводит не только к долговременным изменениям в работе ГГН оси, но и оказывает длительный эффект на состав микробиоты у потомства [40].

Подобные взаимодействия наблюдаются и при стрессировании взрослых животных. Состав микробиоты у мышей в модели хронического психоэмоционального стресса и у нестрессированных мышей значимо отличается [41]. Показано, что стресс снижает количество Bacteroides в слепой кишке и увеличивает число Clostridium [42].

Еще один механизм, посредством которого микробиота может влиять на состояние и функции нервной системы — иммунные взаимодействия. Важную роль в коммуникации между бактериями и хозяином играют Толл-подобные рецепторы (TLRs), которые экспрессируются на эпителиальных клетках, моноцитах, макрофагах, дендритных клетках, нейтрофилах и натуральных киллерах, а также широко представлены в нейронах и глиальных клетках [43]. Они распознают консервативные структуры микроорганизмов и являются важным звеном врожденной иммунной системы. После активации TLRs связываются с адаптерными белками и способны индуцировать синтез цитокинов.

Микрофлора кишечника продуцирует нейротрансмиттеры и другие регуляторные молекулы, которые способны влиять на мозг и поведение. К таким веществам относят гамма-аминомасляную кислоту (ГАМК), серотонин (5-НТ), дофамин, короткоцепочечные жирные кислоты (КЦЖК) [25, 26, 44–46].

Короткоцепочечные жирные кислоты — продукты метаболизма микробиоты кишечника, клетки организма хозяина используют их как источник энергии для синтеза АТФ. В то же время, некоторые из солей таких кислот (пропионат, бутират) вовлечены в эпигенетические модификации в клетках млекопитающих. Так, бактерии из родов Clostridium, Eubacterium и Butyrivibrio способны синтезировать и поставлять бутират из неперевариваемых волокон в просвет желудочно-кишечного тракта. Бутират оказывает ингибирующее действие на гистондеацетилазы (HDACs) и, таким образом, участвует в эпигенетической модификации гистонов [44].

Известны несколько рецепторов для КЦЖК в различных тканях. Наиболее хорошо изучены FFAR2 (Free Fatty Acid Receptor 2), FFAR3 и HCAR2 (Hydroxycarboxylic Acid Receptor 2, так же известен как G ProteinCoupled Receptor 109 A — GPCR109A). В дендритных клетках эти связанные с G-белком трансмембранные белки влияют на клеточный метаболизм, воспаление и окислительный стресс [25]. В лимфоцитах активация этих рецепторов агонистами, такими как КЦЖК регулирует экспансию, дифференцировку и функциональность Т-клеток [26], что является одним из механизмов воздействия КЦЖК на иммунную систему.

Есть данные о наличии рецепторов к КЦЖК (например, FFAR3) в ЦНС у крыс и периферической нервной системе у мышей [47]. На сегодняшний день нет сведений о наличии FFAR2 и FFAR3 рецепторов на микроглиальных клетках [48], но показано, что КЦЖК влияют на созревание и активность микроглии лабораторных животных [8, 49]. У стерильных мышей выявлены изменения в структуре и плотности микроглиальных клеток. Такой же фенотип может быть воспроизведен, если ингибировать экспрессию FFAR2 и FFAR3 — КЦЖК-рецепторов [6].

Рецептор HCAR2 (точнее его мРНК и соответствующий белок) обнаружен в микроглиальных клетках черной субстанции крыс. Есть работа, в которой показано, что β-гидроксимасляная кислота снижает проявление моторной дисфункции у крыс в модели болезни Паркинсона. Это позитивное влияние связано с подавлением активации микроглии, снижением продукции провоспалительных цитокинов, что предотвращает потерю дофаминергических нейронов черной субстанции. Авторы показали, что β-гидроксимасляная кислота действует на микроглиальные клетки через HCAR2 рецепторы и снижает активацию сигнального пути NF-κB (ключевого медиатора воспаления). Нокдаун HCAR2 отменяет противоспалительный эффект и снижение активности NF-κB [50].

Другие ключевые метаболиты кишечной микробиоты, включая S-аденозилметионин, ацетил-КоА, никотинамидадениндинуклеотид (НАД) и АТФ служат необходимыми кофакторами для ферментов, которые регулируют метилирование ДНК и модификации гистонов [51]. Так, фолат (метаболит Bifidobacterium spp., и других бактерий) является донором метила и имеет решающее значение для производства S-аденозилметионина, который, в свою очередь, является донором метильной группы и субстратом для ДНК-метилтрансфераз [52].

ПОСТСТРЕССОРНЫЕ ПАТОЛОГИИ И ИММУННЫЙ ОТВЕТ

В последние годы активно исследуют нарушения нейроиммунной регуляции при различных психических расстройствах, в том числе и при постстрессорных состояниях.

Есть убедительные данные о наличии признаков нейровоспаления при невротических и связанных со стрессом расстройств у человека и в животных моделях подобных психопатологий (мыши, крысы). В большинстве исследований оценивают уровни провоспалительных цитокинов в крови пациентов с посттравматическим стрессовым расстройством (ПТСР), посмертные исследования на срезах головного мозга человека единичны.

Обнаружено, что в крови у пациентов с ПТСР по сравнению с контролем и с лицами, перенесшими травму без развития симптомов заболевания, значимо повышены уровни таких провоспалительных цитокинов, как интерлейкин — 1β (ИЛ-1β), интерлейкин-6 (ИЛ-6) и фактор некроза опухоли (ФНО) [9].

Эти данные говорят о присутствии периферического воспаления при ПТСР, но не свидетельствуют о его роли в патогенезе заболевания. На то, что периферическое воспаление может быть частью патогенеза ПТСР, указывает тот факт, что более высокие уровни цитокинов, выявленные в плазме крови военных перед их участием в боевых действиях, были связаны с повышенным риском развития ПТСР после их возвращения из горячих точек [53]. Кроме того, более высокий уровень глюкокортикоид-зависимой продукции цитокинов и Т-клеточной пролиферации перед военными действиями, связан с повышенной выраженностью симптомов ПТСР у солдат, после возвращения из зоны боевых действий [54].

Однако отсутствие убедительных данных о признаках нейровоспаления в мозге пациентов, страдающих невротическими, связанными со стрессом, расстройствами, не позволяет однозначно ответить на вопрос о том, насколько уровень периферических цитокинов отражает вовлеченность нейроиммунных процессов в развитие постстрессорных состояний.

Представляется перспективным использовать животные модели для прояснения данного вопроса. В мышиной модели на 8-й день после стрессового воздействия выявлено увеличение уровня циркулирующих в крови моноцитов и тревожности в поведенческих тестах. На 24-й день после стрессового воздействия тревожное поведение и повышенный уровень мРНК провоспалительных цитокинов в микроглиальных клетках (ИЛ-1β, ФНО и ИЛ-6) все еще наблюдались, при этом периферические признаки воспаления отсутствовали [55]. Так же есть данные о повышенной экспрессии этих же цитокинов в гиппокампе крыс в модели ПТСР, причем данный эффект сохраняется через 2 недели после воздействия стресса [9].

Микроглиальные клетки мозга происходят от макрофагов, клеток, способных к активному захвату и перевариванию чужеродных или токсичных для организма частиц, таких как бактерии, остатки погибших клеток и т. п. Микроглия является первой линией защиты при травмах головного мозга, инфекционных заболеваниях и переходит в активированное состояние при некоторых неврологических и психических расстройствах [6]. Микроглиальные клетки мигрируют в ЦНС во время пренатального развития и активно вовлечены в процессы развития головного мозга через участие в формировании синапсов, образовании нервных клеток, в предотвращении чрезмерной активации нейронов [6].

МИКРОБИОТА И ПОСТСТРЕССОРНОЕ ВОСПАЛЕНИЕ

В последнее время в качестве одного из факторов возникновения ряда психиатрических и неврологических заболеваний рассматривают взаимодействие между микробиотой ЖКТ и мозгом, что предполагает взгляд на человека как на суперорганизм или голобионт во всей его сложности.

В перинатальный период функциональное развитие мозга млекопитающих подвержено как внутренним, так и внешним сигналам. Эпидемиологические исследования обнаружили связь между микробными болезнетворными инфекциями в этот период и распространенными нарушениями развития нервной системы, такими как аутизм и шизофрения [2, 5, 35]. На модели грызунов было показано, что воздействие микробных патогенов в ранние постнатальные периоды развития вызывает нарушение когнитивных функций и способствует развитию симптомов тревоги [56, 57].

Сравнение микробиоты ЖКТ у пациентов с ПТСР и здоровых испытуемых, подвергшихся однократному действию стрессора [58], показало уменьшение относительной численности родов Actinobacteria, Lentisphaerae и Verrucomicrobia у пациентов с ПТСР. Данные этого исследования согласуются с выводами, полученными на животных моделях постстрессорной патологии [59]. Был сделан вывод, что дефицит указанных выше микроорганизмов может привести к повышенной уязвимости к ПТСР.

Большинство исследований оси «микробиота–кишечник–мозг» были сфокусированы на животных моделях. Свободные от микробов (GF) линии мышей позволили оценить влияние микробиоты на поведение, а также выяснить эффект конкретных бактерий или изменения диеты на взаимодействие микробиоты, кишечника и мозга. Установлено, что наиболее выраженными особенностями таких мышей являются нарушения в функционировании иммунной системы. Похожие нарушения наблюдаются у пациентов с поведенческими симптомами тревоги [60].

GF-мыши имеют признаки нейровоспаления в тех структурах мозга, которые вовлечены в патогенез связанных со стрессом расстройств [61]. Повышенный уровень провоспалительного ИЛ-1β в миндалине GF-животных выявляют наряду со снижением нейротрофического фактора BDNF [62].

Было показано, что КЦЖК, продуцируемые микрофлорой кишечника, влияют на нейроиммунную регуляцию через модуляцию состояния и функционирования микроглиальных клеток мозга. Данные метаболиты могут ингибировать деацетилазы гистонов (Histone DeAcetylases, HDACs), то есть регулировать эпигенетические изменения на системном уровне, что сочетается с изменением фенотипа микроглиальных клеток с активированного на противовоспалительный [45, 46].

Фолаты, бутираты, ацетаты, производимые бактериями, участвуют в процессах метилирования ДНК в клетках организма-хозяина. Например, фолаты (продукт жизнедеятельности Bifidobacterium spp.) необходимы для синтеза S-аденозилметионина — донора метильной группы А для ДНК-метилтрансфераз [58].

Эти данные поддерживают гипотезу о воздействии микробиоты кишечника на физиологические процессы организма-хозяина посредством влияния на эпигенетическую модификацию генома хозяина.

ЭПИГЕНЕТИЧЕСКИЕ МОДИФИКАЦИИ И ПОСТСТРЕССОРНОЕ ВОСПАЛЕНИЕ

В современном понимании эпигенетическими модификациями называют такие молекулярные механизмы регуляции экспрессии генов, при реализации которых не затрагивается нуклеотидная последовательность ДНК, но происходят специфичные конформационные изменения структуры хроматина [13, 63].

Эпигенетические модификации могут наследоваться и быть обратимыми. Они вовлечены в процессы дифференциации клеток в многоклеточных организмах и изменения профилей экспрессии генов в ответ на меняющиеся условия окружающей среды [51, 52, 61].

Регуляцию экспрессии генов метилированием регуляторных последовательностей ДНК, модификацией гистонов, некодирующими РНК и посттранскрипционным процессингом РНК относят к числу самых известных эпигенетических механизмов.

Метилирование ДНК заключается в присоединении метильной группы к углероду в пятом положении молекулы цитозина с образованием 5-метилцитозина (5-mc). Метилирование промоторных регионов генов часто приводит к подавлению транскрипции. Однако гидроксиметилирование той же последовательности может стимулировать экспрессию генов [64]. Эти изменения катализируются группой ферментов — ДНК-метилтрансферазами, например DNMT1, DNMT3A и DNMT3B (катализируют метилирование), TET1-3 и IDH1-3 (катализируют гидроксиметилирование).

В отличие от метилирования ДНК, модификации гистонов более разнообразны и сложны. Различные аминокислоты гистоновых хвостов могут быть метилированы, ацетилированы, фосфорилированы и т. д. Эти модификации могут увеличить или уменьшить экспрессию генов в зависимости от типа изменения и его положения [63].

Например, ацетилирование остатков гистонов приводит к повышенной доступности нуклеосомной ДНК для факторов транскрипции, таким образом, увеличивая уровни экспрессии соответствующих генов. Ацетилирование гистона заключается в переносе ацетильной группы от ацетилкофермента А (ацетил-КоА) на лизин гистонов. Гистонацетилирование катализируется лизин-ацетилтрансферазой. Процесс ацетилирования уравновешивается деацетилированием гистонов, удалением ацетильной группы из лизина, который катализируется HDAC [65].

Сложные комбинации метилирования ДНК и модификации гистонов взаимодействуют с более чем 1000 микроРНК. В свою очередь каждая микроРНК может связываться с транскриптами сотен генов в зависимости от вида ткани, таким образом увеличивая сложность транскрипционной реакции организма без увеличения количества генов.

Эпигенетическую регуляцию экспрессии генов рассматривают как механизм взаимодействия среды и генома. Вполне вероятно, что травматическое событие (стрессор) вызывает устойчивые эпигенетические модификации в локусах, связанных с иммунной дисрегуляцией и повышает риск развития ПТСР. Актуальным является вопрос: насколько обратимы и долговременны такие модификации?

На сегодняшний день есть данные о более низком уровне метилирования промоторных областей генов, связанных с иммунным ответом, в том числе провоспалительных ИЛ-18, ИЛ-8 в крови у пациентов с ПТСР, по сравнению с контролем [66–68]. Главное ограничение указанных исследований заключается в измерении уровня метилирования ДНК (мДНК) в сыворотке или цельной крови без учета клеточного состава. Поэтому обсуждаемые результаты могут не отражать ПТСР-специфичные изменения в клетках периферической иммунной системы. В связи с этим, будущие исследования должны определить уровень мДНК в гомогенных клеточных популяциях [69]. Посмертные исследования мозга пациентов с ПТСР в сравнении с нормой отсутствуют, поэтому нет данных об уровне метилирования генов цитокинов в микроглиальных клетках мозга у пациентов [66].

Сравнение уровня метилирования генов, связанных с развитием воспаления, в клетках крови и микроглиальных клетках в животных моделях ПТСР позволит выяснить, насколько выявленные ранее различия в уровне мДНК на периферии коррелируют с эпигенетическими модификациями ДНК в мозге.

Микробиоту кишечника рассматривают как фактор, активно влияющий на развитие нервной системы, функциональное состояние мозга и поведение, в том числе через эпигенетические модификации генов, связанных с нейровоспалением [61].

Как указывалось выше, метаболиты микробиоты ЖКТ (а именно, бутират и пропионат), ингибируют HDAC и, таким образом, влияют на активацию транскрипции генома хозяина [51].

У пациентов с хроническим гастритом присутствие в ЖКТ Helicobacter pylori специфически связано с гиперметилированием ДНК в области промотора гена O6-метилгуанин-ДНК-метилтрансферазы (mgmt), что уменьшает экспрессию белка MGMT в эпителиальных клетках желудка [70]. MGMT — это ядерный белок, играющий ключевую роль в репарации повреждений ДНК, вызываемых простыми алкилирующими агентами, и его рассматривают как ген-супрессор опухолевого роста.

Исследования на животных показали, что такие эпигенетические изменения в клетках слизистой желудка связаны с индукцией воспаления в результате инфекции H. pylori, а не с самой бактерией. Значительное подавление воспаления иммуносупрессивным препаратом циклоспорин А не влияло на колонизацию H. pylori, но блокировало гиперметилирование ДНК [70].

В качестве другого примера можно привести белок (Rv3423.1) Mycobacterium tuberculosis, который демонстрирует гистонацетилтрансферазную активность в клетках организма хозяина и ацетилирует гистон H3 в положениях K9/K14 [71]. Кроме того, Rv1988, другой секретируемый микобактериальный белок, взаимодействующий с хроматином, имеет метилтрансферазную активность и метилирует гистон H3 в положении H3R42, подавляя экспрессию затронутых генов [72].

Эпигенетические механизмы являются ключевыми посредниками в развитии хронических воспалений вследствие индукции экспрессии генов провоспалительных цитокинов, включая ИЛ-1, ИЛ-2, ИЛ-6, ФНО, индукции COX2 и транскрипционного фактора NF-κB [58].

Например, повышенная экспрессия ФНО при развитии у рыбок Danio rerio симптомов раздраженного кишечника связана с потерей функции uhrf1, гена, кодирующего убиквитин-подобный белок, который является эпигенетическим регулятором, что приводит к гипометилированию промотора гена ФНО. В результате, опосредованное микробиотой увеличение экспрессии ФНО ведет к рекрутированию иммунных клеток, хроническому воспалению, апоптозу и дисфункции эпителиальных клеток кишечника в качестве барьера [73].

В Т-клетках мыши после их активации при изменении состава микробиоты выявлено деметилирование небольшой промоторной области гена ИЛ-2, в результате чего экспрессия гена ИЛ-2, который является одним из медиаторов воспаления, увеличивается. Также созревание наивных CD4 Т-клеток до Т-хелперных клеток (Th2) характеризуется быстрым ацетилированием Н3 гистона в кластерах генов ИЛ-4/13 [74].

На основании этих исследований, деметилирующие агенты и ингибиторы гистондеацетилаз в настоящее время рассматривают в литературе как препараты для эпигенетической терапии, которые нацелены на хроматин в быстро делящихся клетках [75].

Такими агентами, влияющими на эпигенетические модификации генов, связанных с воспалением, могут быть метаболиты микроорганизмов кишечника. А в целом, микробиота является новой мишенью для разработки методов коррекции нейровоспаления и постстрессорных патологий через воздействие на эпигеном.

МИКРОБНАЯ ТЕРАПИЯ ПРИ ПСИХИЧЕСКИХ ЗАБОЛЕВАНИЯХ

Обнаружение связи между микробиотой, иммунитетом, воспалением, эпигенетическими модификациями и психическим здоровьем позволило предположить, что воздействие на микробиоту ЖКТ может быть инструментом в борьбе с психическими заболеваниями. Различают пробиотики (живые, полезные микроорганизмы), пребиотики (факторы, способствующие росту бактерий), синбиотики (комбинация пробиотиков и пребиотиков) [76]. Все они, в данном контексте, называются психобиотиками.

Разработка психобиотиков находится на ранней стадии. Пока еще недостаточно доказательств, чтобы сделать однозначный вывод о причинно-следственных связях между употреблением любого про- или пребиотика и изменениями микробиоты ЖКТ [77].

Выяснены основные механизмы действия пробиотиков. Это замещение патогенных микроорганизмов в ходе борьбы за источники питания, за взаимодействия с метаболитами, продукция бактериоцинов, ингибирование бактериальной транслокации, укрепление слизистой оболочки ЖКТ [78, 79], влияние на кальций-зависимые калиевые каналы в сенсорных нейронах кишечника [80], индукция каннабиноидного и опиоидного рецепторов в эпителиальных клетках кишечника [81] и модуляция иммунной системы [82].

К пробиотикам принадлежат бактерии почти исключительно из родов Lactobacillus и Bifidobacterium, и они имеют долгую историю безопасного использования [83]. Клинические испытания показали, что пробиотики помогают предотвратить или снизить тяжесть симптомов различных расстройств, включая хроническое воспаление кишечника и синдром раздраженного кишечника. Кроме того, было показано, что трансплантации образцов микробиоты ЖКТ здоровых людей могут помочь людям с заболеваниями язвенного колита [84]. Пробиотики подавляют размножение Enterococcus, Bacillus, Listeria, Staphylococcus, и Salmonella в ЖКТ, повышают целостность слизистого барьера и модулируют функции иммунокомпетентных клеток [85].

Активно изучают терапевтический потенциал пробиотиков при аутоиммунных заболеваниях нервной системы, например рассеянном склерозе (РС) [86]. Экспериментальный аллергический энцефаломиелит (ЭАЭ) рассматривают как модель РС. Есть данные о различиях в динамике качественного и количественного состава кишечной микробиоты у крыс с индуцированным ЭАЭ, связанных с наличием или отсутствием неврологических симптомов [87]. Введение пробиотика Enterococcus faecium L3 увеличивало долю животных с бессимптомной и легкой формами заболевания по сравнению с контрольной группой. У этих крыс в крови выявлено снижение числа NK-клеток и B-клеток и увеличение числа Т-клеток. У пациентов с РС после приема такого же пробиотика отмечали сокращение жалоб на проблемы со стороны ЖКТ, что сопровождалось изменением состава микробного сообщества в кишечнике за счет удаления патогенных видов Clostridium perfringens, Staphylococcus aureus, Klebsiella oxytoca, Сandida [88].

Отдельные экспериментальные данные позволяют предполагать возможность использования коррекции микрофлоры для лечения психических расстройств. Исследования на животных показали, что новорожденные крысы, которых подвергали стрессу в молодом возрасте, после лечения пробиотиками демонстрируют нормальное поведение в тестах, оценивающих уровень тревожности [89]. Введение Lactobacillus rhamnosous в течение 10 дней снижает симптомы повышенной тревожности у крыс [90].

На людях рандомизированное, плацебо-контролируемое исследование показало, что пробиотики могут снизить уровень vWF (фактор фон Виллебранда) и увеличить BDNF и MCP-1 (хемотаксический белок-1 моноцитов) у пациентов с шизофренией [91]. В другом исследовании были выявлены тенденции к снижению выраженности симптомов шизофрении через 14 недель приема пробиотиков у пациентов мужского пола [92].

Метаанализ рандомизированных контролируемых исследований пациентов с диагнозом глубокой депрессии показал, что пробиотики снижают депрессивные симптомы [93].

Метаанализ семи исследований с участием здоровых добровольцев показал, что добавки с пробиотиками улучшают общее психологическое состояние по сравнению с приемом плацебо [94].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Есть убедительные доказательства наличия признаков нейровоспаления, как у пациентов с постстрессорными патологиями, так и у животных в экспериментальных моделях острого и хронического стресса.

Выяснение причин таких нарушений в иммунорегуляции на молекулярном уровне является актуальной задачей. Известно, что состав микробиоты кишечника влияет на функционирование микроглиальных клеток мозга и, в целом, на поведение экспериментальных животных. Изучение взаимодействия микробиоты, кишечника и мозга является перспективным направлением исследований в биологической психиатрии.

Благодаря активному развитию высокопроизводительных технологий секвенирования генома состав микробиоты ЖКТ человека изучен достаточно детально. Формируется представление о таксономическом распределении и разнообразии микробных сообществ кишечника в норме и при различных патологиях. Некоторые метаболиты микробиоты кишечника могут влиять на эпигенетические модификации генома клеток организма-хозяина. Выяснение роли микробиоты в таких модификациях генов, связанных с нейровоспалением, углубит понимание механизмов пострессорных патологий и позволит выделить новые мишени для их терапии.

Источник финансирования. Программа повышения конкурентоспособности БФУ им. И. Канта среди ведущих мировых научно-образовательных центров (5-100).

Об авторах

Ирина Геннадьевна Шалагинова

ФГАОУ ВО «Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта»

Автор, ответственный за переписку.
Email: shalaginova_i@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-0140-3077
SPIN-код: 1160-1915
Scopus Author ID: 57202052229
ResearcherId: J-3626-2018

старший преподаватель, Институт живых систем

Россия, 236041, г. Калининград, ул. Ал. Невского, 14

Людмила Валентиновна Мацкова

ФГАОУ ВО «Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта»

Email: liudmila.matskova@ki.se
ORCID iD: 0000-0002-3174-1560
SPIN-код: 4756-7437
Scopus Author ID: 6507748788
ResearcherId: F-3003-2016

кандидат биологических наук, профессор-исследователь, отдел микробиологии и биотехнологии Института живых систем

Россия, 236041, г. Калининград, ул. Ал. Невского, 14

Наталья Михайловна Гуницева

ФГАОУ ВО «Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта»

Email: nat-gun@mail.ru

студентка специальности биоинженерия и биоинформатика, Институт живых систем 

Россия, 236041, г. Калининград, ул. Ал. Невского, 14

Ирина Анатольевна Ваколюк

ФГАОУ ВО «Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта»

Email: vakoluk@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5480-1645
SPIN-код: 2378-7129
Scopus Author ID: 7801465798

кандидат биологических наук, доцент, Институт живых систем.

Россия, 236041, г. Калининград, ул. Ал. Невского, 14

Список литературы

Дополнительные файлы