Микробиота оси «кишечник –  мозг» во время болезни и в здоровом состоянии

Микробиота оси «кишечник – мозг» во время болезни и в здоровом состоянии

Научно-Исследовательский Институт здорового пищеварения Farcombe Family университета МакМастер
Гамильтон, Канада
Электронная почта: bercikp@mcmaster.ca

Аннотация

"Ось кишечник-мозг” представляет собой двунаправленную систему взаимодействия между ЦНС и желудочно-кишечным трактом (ЖКТ), которая состоит из тесно связанных нервных и гуморальных путей. В настоящее время имеются доказательства, полученные главным образом из исследований, проводимых на животных с использованием гнотобиологических моделей и путем раздражения микробиоты с помощью антибактериальных препаратов, того, что кишечные бактерии имеют большое значение в работе «оси кишечник-мозг», выступая здесь в роли модуляторов и посредников сигнальных путей.

Введение

Клиницисты и исследователи уже давно признают наличие определенной связи между работой центральной нервной системы (ЦНС) и функционированием желудочно-кишечного тракта. "Ось кишечник-мозг” представляет собой двунаправленную систему взаимодействия между ЦНС и желудочно-кишечным трактом. Она состоит из нервных и гуморальных путей, включающих нервную систему кишечника, вагус, симпатические и спинномозговые нервы, а также гуморальные пути, в том числе цитокины, гормоны и нейропептиды, служащие сигнальными элементами. Недавние результаты исследований животных имеют большой интерес для изучения ключевой роли кишечных микробов во взаимодействии мозга с кишечником (Рисунок 1).


Рисунок 1

Рисунок 1: Ось кишечник-мозг. Пути сообщения и мишени для пробиотиков.

Кишечная микробиота включает в себя большое количество микробов разных видов. Она может считаться послеродовым приобретенным органом, выполняющим различные функции для своего хозяина, с которым она развивает двустороннее взаимодействие. Эти функции играют решающую роль в развитии врожденных и адаптивных иммунных реакций и влияют на различные физиологические системы на протяжении всей жизни хозяина, модулируя деятельность кишечника и кишечного барьера, усвоение питательных веществ, и распределение соматического и висцерального жира.

Еще совсем недавно состав этого микробного сообщества считался уникальным для каждого индивидуума и относительно стабильным во времени. Однако, используя глубокое секвенирование образцов стула нескольких сотен особей, исследователи европейского консорциума MetaHit показали, что профили микробиоты человека можно сгруппировать в три основные бактериальные энтеротипа с преобладанием Bacteroides, Prevotella или Ruminococcus , соответственно. Ву с соавторами подтвердили наличие хорошо выраженных энтеротипов, связанных преимущественно с соблюдением человеком продолжительных диет, соотнеся белки и животный жир с Bacteroides и потребление углеводов с Prevotella.

Это указывает на то, что, несмотря на наличие большого числа бактериальных штаммов в кишечнике человека, существует лишь ограниченное число хорошо сбалансированных симбиотических статусов типа микробиота-хозяин, которые могут показать различные реакции на диету и прием лекарственных препаратов.

Микробиота - кишечник – мозг

Представление о том, что совокупность кишечных бактерий является движущей силой для созревания иммунной системы хозяина и функционирования его кишечника, является общепринятым. Представление же о том, что бактерии могут также влиять на деятельность мозга, кажется неправдоподобным. Однако гуманные клиницисты регулярно используют слабительные препараты и пероральные антибиотики для лечения пациентов с измененным психическим статусом, приобретенным вследствие печеночной энцефалопатии. В ряде клинических исследований было также указано на изменение состава микробиоты кишечника у пациентов с аутизмом. Там же сообщалось о кратковременном благоприятном действии антибиотикотерапии на таких пациентов. В то же время рандомизированное клиническое исследование в настоящее время еще не было доступно. Кроме того, имеются многочисленные сообщения о развитии психопатологических состояний у пациентов после приема различных антибиотиков. Никакие текущие исследования не указывали на связь микробиоты кишечника с депрессией или тревогой, однако более ранние исследования показали наличие связи депрессий у женщин с повышенной ферментацией углеводов пищи, косвенно влияющей на изменение состава или метаболическую активность микробиоты кишечника.

Уроки, извлеченные из исследования животных: влияние бактерий на ЦНС

В настоящее время основная доля доказательств наличия определенной связи между микробами организма, нейробиохимией мозга и поведением приходится на исследования животных. Лит с коллегами провели важные эксперименты, которые показали, что мыши демонстрируют измененное, тревожное поведение на ранней стадии острой инфекции Campylobacter jejuni . Такое измененное поведение наступило у животных через несколько часов после введения кишечного патогена в их желудочно-кишечный тракт и еще до того, как был сформирован какой-либо выраженный иммунный ответ. Это дало ученым возможность предположить, что упомянутое изменение не было простым следствием цитокин-индуцированного поведения в ходе развития болезни. Дальнейшие исследования показали, что наличие C. jejuni запускает активность вагус-ассоциированного восходящего пути, и наблюдается специфическая картина активации множественных участков мозга, которые обычно отвечают за тревожное поведение. Это ясно иллюстрирует тот факт, что нервная система помогает обнаружить острое изменение в кишечнике и избирательно идентифицировать патоген в просвете кишечника.

Исследования хронической инфекции H. pylori у мышей показали, что этот патоген изменяет физиологию ЖКТ, а именно замедляет опорожнение ЖКТ и снижает висцеральную чувствительность, путем повышенной регуляции нервов в желудке и спинном мозге. Кроме того, хроническая инфекция H. pylori приводит к аномальному пищевому поведению, характеризующемуся частыми приступами голода и меньшим количеством пищи, потребляемой за каждое кормление, по сравнению с животными контрольной группы, что напоминает быстрое ощущение сытости, характерное для больных с функциональной диспепсией. Аномальное пищевое поведение сопровождалось понижением уровня регуляции пептида пропиомеланокортина (POMC) в дугообразном ядре и повышением уровня провоспалительного цитокина TNF-α в срединном возвышении (ME) гипоталамуса, который является частью области мозга (т.н. циркумвентрикулярный орган) где гематоэнцефалический барьер относительно негерметичен, что позволяет метаболитам/молекулам из системной циркуляции поступать в ЦНС. Интересно, что измененное поведение и биохимические аномалии сохранялись у животных в течение, по крайней мере, двух месяцев после эрадикации бактерий. Это дало ученым возможность предположить, что изменения в ЦНС, вызванные хронической инфекцией, могут быть длительными или даже постоянными.

Для установления наличия связи между комменсальными бактериями и ЦНС может быть проведен ряд экспериментов. Один из них заключается в сравнении животных из контрольной группы с животными, колонизированными специфической патогенной флорой. Судо и соавторы продемонстрировали аномальную активность оси HPA с повышенными уровнями АКТГ и кортикостерона в ответ на стресс у мышей из контрольной группы, которые нормализуются после колонизации животных комменсальными бактериями. Кроме того, мыши без микробов имели более низкие уровни нейротрофического фактора головного мозга (BDNF) в коре и гиппокампе. В ряде недавних исследований ученые сравнили поведение и биохимию мозга у мышей контрольной группы, и инфицированных мышей. В целом, используя стандартные поведенческие тесты, такие как лабиринт, открытое поле и тесты предпочтения света или темноты, ученые выяснили, что мыши без микробов демонстрировали более высокий уровень исследовательского и более низкий уровень тревожного поведения, чем инфицированные мыши. Хейтс и соавторы показали, что по сравнению с контрольными мышами зараженные мыши имели более высокую центральную экспрессию нейротрофных факторов, таких как фактор роста нервов (NGF) и нейротрофический фактор головного мозга (BDNF). Кроме того, наблюдалась дифференциальная экспрессия множественных генов, участвующих во вторичных путях передачи информации, и синаптическая долговременная потенциация в гиппокампе, лобных долях коры и полосатом теле. Аналогичным образом, Нейфельд и соавторы продемонстрировали повышенную экспрессию субъединицы nr2b рецептора NMDA в центральной миндалине и повышенную экспрессию рецептора серотонина 1A (5-HT 1A) в гиппокампе у инфицированных мышей по сравнению с мышами из контрольной группы. Выраженные различия между контрольными мышами и мышами, колонизированными сложной микробиотой, могут иметь отношение к способности бактерий кишечника влиять на различные аспекты метаболизма, иммунитета и физиологии хозяина. Показано, что колонизация одной комменсальной бактерией B. thetaiotomicron изменяет экспрессию широкого спектра генов, отвечающих за метаболизм, проницаемость кишечника и ангиогенез, а также за поглощение глутамата, продукцию ГАМК и высвобождение нейротрансмиттеров.

Другой подход к исследованию роли микробиоты в оси кишечник-мозг заключается в возмущении ранее "стабильной" микробиоты здоровых взрослых мышей пероральным введением антимикробных препаратов. Комбинация неомицина, бацитрацина и пимарицина индуцировала изменения в составе микробиоты толстой кишки (дисбактериоз кишечника) у инфицированных мышей с выраженным повышением содержания фирмикутов, главным образом - лактобацилл spp, и снижением содержания протеобактерий. Эти изменения сопровождались усилением исследовательского поведения мышей и изменением уровня BDNF в гиппокампе и миндалине (Рисунок 2А). То же самое антимикробное воздействие не вызывало отклонений в поведении у неинфицированных мышей и у мышей, получавших внутрибрюшинное лечение антимикробными препаратами. Антимикробный режим, примененный в этом исследовании, не вызывал существенных изменений воспалительных процессов кишечника, равно как и изменений уровней серотонина (5-HT), норадреналина (NA) или дофамина. Интересно, что результаты исследований с использованием субдиафрагмальной ваготомии или химической симпатэктомии до введения антимикробных препаратов, позволили предположить, что блуждающие и симпатические пути не участвуют во взаимодействии кишечника с мозгом в этой экспериментально индуцированной дисбактериозной модели измененного поведения.


Рисунок 2: Влияние коменсальной микрофлоры на поведение мышей

Поведение имеет генетическую составляющую, и известно, что линии мышей различаются по своему поведенческому фенотипу. Существуют также различия в составе микробиоты среди мышиных линий. Будучи проверены на наиболее распространенные патогены мышей, инфицированные мыши не показали однородности микробиоты.

Мыши линий BALB / c и NIH находятся на противоположных концах фенотипа поведения: мыши линии BALB / c робки и не склонны к исследованиям, в то время как мыши линии NIH демонстрируют высокий исследовательский драйв. Группы мышей BALB / c и NIH мышей, выращенных в стерильных условиях, были затем колонизированы микробиотой, взятой либо у NIH, либо у BALB/с мышей. Установили, что изначально стерильные мыши, колонизированные микробиотой из того же штамма, демонстрировали аналогичное поведение, что и мыши SPF (Specific Pathogen-Free). Однако мыши, колонизированные микробиотой из другого штамма, демонстрировали профиль поведения, сходный с поведением донора (Рис. 2B). Это не сопровождалось измеримыми изменениями в системной или кишечной иммунной активации или уровнях кишечного 5-HT, NA или дофамина. Изменение в нейробиохимии наблюдалось через неделю после проведения колонизации. Таким образом, мы можем предположить, что поведенческий фенотип хозяина также зависит от микробных факторов.

Пробиотики и функция ЦНС

Сопутствующие психические расстройства, такие как тревожность и депрессия, часто встречаются у пациентов с хроническими заболеваниями кишечника, включая синдром раздраженного кишечника (СРК) и воспалительные заболевания кишечника (ВЗК). Оба расстройства также связаны с аномальными профилями микробиоты кишечника. Было также установлено, что хроническая паразитарная инвазия и химически индуцированный колит ассоциированы с тревожно-депрессивным поведением и снижением уровня экспрессии BDNF в гиппокампе.

Интересно, что обе аномалии были нормализованы результате лечения пациентов пробиотиком B. longum NC3001 , но не L. rhamnosus NCC4007 . Пробиотик B. longum не улучшал состояние воспаленного кишечника или цитокиновую циркуляцию. Его анксиолитическое воздействие не наблюдалось у мышей с ранее проведенной ваготомией. Это позволило ученым предположить, что его действие было неврально опосредовано. Это было далее подтверждено исследованиями ex vivo, в которых электрический отклик энтеральных нейронов оценивался после перфузии над осадочной жидкостью B. longum . Нейроны, обработанные B. Longum, генерировали меньше потенциалов действия в ответ на сверхпороговый деполяризующий ток по сравнению с контрольными.

Благотворное влияние пробиотических бактерий может распространяться на здоровых индивидов. Исследование Десбоннет и соавторов показало, что внедрение Bifidobacterium infantis здоровым крысам снижала концентрацию серотонина и метаболитов дофамина соответственно в соответствующих долях коры головного мозга. Авторы исследования предположили, что вышеназванная бактерия может обладать анксиолитическим потенциалом, хотя в этом исследовании у испытуемых не было обнаружено никаких поведенческих различий. В дальнейших исследованиях использовались модели материнского разделения. Эксперименты проводились с той же самой бактерией. В результате было установлено ее благотворное влияние на измененное поведение испытуемых наряду с нормализацией у них концентрации норадреналина в некоторых отделах головного мозга.

Браво с коллегами недавно установили, что введение испытуемым здоровым мышкам BALB/c пробиотика L. rhamnosus JB1 стимулировало их исследовательское поведение в тесте с лабиринтом и ослабляло чувство отчаяния в тесте с принудительным плаванием. Это сопровождалось некоторыми изменениями в уровнях ГАМК мРНК в головном мозге, которое очевидно было ваго зависимым, так как при субдиафрагмальной ваготомии изменений в биохимии мозга и в поведении испытуемых не наблюдалось. Таким образом, исследования, проведенные на животных, подтвердили более ранние предположения о том, что комменсальные бактерии и специфические пробиотики могут оказывать воздействие на химию головного мозга и функции центральной нервной системы

Вывод

Клинические наблюдения за больными, страдающими различными хроническими заболеваниями кишечника, а также сопутствующими психическими расстройствами, подтверждают существенную роль кишечной микробиоты во взаимодействии по оси кишечник-мозг. Наиболее убедительные доказательства роли микробов как продуцентов сигнальных компонентов в этом взаимодействии были получены в ходе исследований, проводимых на животных, с использованием возмущения микробиоты антимикробными препаратами и гнотобиотических моделей. Вероятно, имеются множественные механизмы такого взаимодействия, которые включают нервные, гуморальные и воспалительные пути, в зависимости от особенностей хозяина и факторов окружающей среды.


Автор перевода: Анатолий Черников – главный ветеринарный врач, Клиника «101 Далматинец», Москва

Список литературы
1. Eckburg PB, Bik EM, Bernstein CN, et al. Diversity of the human intestinal microbial flora. Science. 2005; 308:1,635-1,638.
2. Hooper LV, Macpherson AJ. Immune adaptations that maintain homeostasis with the intestinal microbiota. Nat Rev Immunol. 2010;10(3):159-169.
3. Bäckhed F, Ley RE, Sonnenburg JL, et al. Host-bacterial mutualism in the human intestine. Science. 2005; 307:1,915-1,920.
4. Husebye E, Hellstrom PM, Sundler F, et al. Influence of microbial species on small intestinal myoelectric activity and transit in germ-free rats. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol. 2001;280: G368–G380.
5. Verdu EF, Collins SM. Microbial-gut interactions in health and disease. Irritable bowel syndrome. Best Pract Res Clin Gastroenterol. 2004;18(2):315-321.
6. Hooper LV, Gordon JI. Commensal host-bacterial relationships in the gut. Science. 2001;292:1,115-1,118.
7. Dumas ME, Barton RH, Toye A, et al. Metabolic profiling reveals a contribution of gut microbiota to fatty liver phenotype in resistant mice. Proc Natl Acad Sci (USA). 2006; 103:12,511-12,516.
8. Zoetendal E, Akkermans AD, DeVos WM. Temperature gradient gel electrophoresis analysis of 16S rRNA from human fecal samples reveals stable and host-specific communities of active bacteria. Appl Environ Microbiol. 1998;64:3,854-3,863. 42
9. Tannock GW, Munro K, Harmsen HJM, et al. Analysis of the fecal microflora of human subjects consuming a probiotic containing Lactobacillus rhamnosus DR20. Appl EnvironMicrobiol. 2000; 66:2,578-2,588.
10. Arumugam M, Raes J, Pelletier E, et al. Enterotypes of the human gut microbiome. Nature. 2011;473(7346):174-180.
11. Wu GD, Chen J, Hoffmann C, et al. Linking long-term dietary patterns with gut microbial enterotypes. Science. 2011;334(6052): 105-108.
12. Bass NM. Review article: The current pharmacological therapies for hepatic encephalopathy. Aliment Pharmacol Ther. 2007;25 (Suppl 1):23-31.
13. Parracho HM, Bingham MO, Gibson GR, McCartney AL. Differences between the gut microflora of children with autistic spectrum disorders and that of healthy children. J Med Microbiol. 2005;54(Pt 10):987-991.
14. Sandler RH, Finegold SM, Bolte ER, et al. Short-term benefit from oral vancomycin treatment of regressive-onset autism. J Child Neurol. 2000;15(7):429-435.
15. Posey DJ, Kem DL, Swiezy NB, et al. A pilot study of Dcycloserine in subjects with autistic disorder. Am J Psychiatry. 2004;161(11):2,115-2,117.
16. Mehdi S. Antibiotic-induced psychosis: a link to D-alanine? Med Hypotheses. 2010; 75(6):676-677.
17. Ledochowski M, Sperner-Unterweger B, Fuchs D. Lactose malabsorption is associated with early signs of mental depression in females: a preliminary report. Dig Dis Sci. 1998;43(11):2,513-2,517.
18. Lyte M, Varcoe JJ, Bailey MT. Anxiogenic effect of subclinical bacterial infection in mice in the absence of overt immune activation. Physiol Behav. 1998;65(1):63-68.
19. Gaykema RP, Goehler LE, Lyte M. Brain response to cecal infection with Campylobacter jejuni: analysis with fos immunohistochemistry. Brain Behav Immun. 2004;18(3):238-245.
20. Goehler LE, Gaykema RP, Opitz N, et al. Activation in vagal afferents and central autonomic pathways: early responses to intestinal infection with Campylobacter jejuni. Brain Behav Immun. 2005;19(4):334-344.
21. Bercík P, De Giorgio R, Blennerhassett P, et al. Immunemediated neural dysfunction in a murine model of chronic Helico - bacter pylori infection. Gastroenterology. 2002; 123(4):1,205-1,215.
22. Bercik P, Verdú EF, Foster JA, et al. Role of gut-brain axis in persistent abnormal feeding behavior in mice following eradication of Helicobacter pylori infection. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 2009;296(3):R587-R594.
23. Sudo N, Chida Y, Aiba Y, et al. Postnatal microbial colonization programs the hypothalamic-pituitary-adrenal system for stress response in mice. J Physiol. 2004; 558(Pt 1):263-275.
24. Heijtz RD, Wang S, Anuar F, et al. Normal gut microbiota modulates brain development and behavior. Proc Natl Acad Sci USA. 2011;108(7):3,047-3,052.
25. Neufeld KM, Kang N, Bienenstock J, Foster JA. Reduced anxiety-like behavior and central neurochemical change in germ-free mice. Neurogastroenterol Motil. 2011; 23(3):255-264.
26. Hooper LV, Wong MH, Thelin A, et al. Molecular analysis of commensal host-microbial relationships in the intestine. Science. 2001;291(5505):881-884.
27. Bercik P, Denou E, Collins J, et al. The intestinal microbiota affect central levels of brain-derived neurotropic factor and behavior in mice. Gastroenterology. 2011;141(2): 599-609.
28. Folks DG. The interface of psychiatry and irritable bowel syndrome. Curr Psychiatry Rep. 2004;6(3):210-215.
29. W. E. Whitehead, O. Palsson, K. R. Jones, Gastroenterology. 2002;122:1,140-1,156.
30. Bercik P, Verdu EF, Foster JA, et al. Chronic gastrointestinal inflammation induces anxiety-like behavior and alters central nervous system biochemistry in mice. Gastroenterology. 2010;139(6): 2,102-2,112.
31. Bercik P, Park AJ, Sinclair D, et al. The anxiolytic effect of Bifidobacterium longum NCC3001 involves vagal pathways for gut-brain communication. Neurogastroenterology and Motility. 2011;23(12)1,132-1,139.
32. Desbonnet L, Garrett L, Clarke G, et al. The probiotic Bifido - bacteria infantis: An assessment of potential antidepressant properties in the rat. J Psychiatr Res. 2008; 43(2):164-174.
33. Desbonnet L, Garrett L, Clarke G, et al. Effects of the probiotic Bifidobacterium infantis in the maternal separation model of depression. Neuroscience. 2010;170(4):1,179-1,188.
34. Bravo JA, Forsythe P, Chew MV, et al. Ingestion of Lactobacillus strain regulates emotional behavior and central GABA receptor expression in a mouse via the vagus nerve. Proc Natl Acad Sci USA. 2011;108(38):16,050-16,055.