Микробиома кишечника что это

Роль микробиоты кишечника в иммунитете и воспалении

Микробиота кишечника и воспаление

Резюме

Микробиота кишечника включает в себя разнообразное сообщество бактерий, которые выполняют различные функции, влияя на общее состояние здоровья хозяина. Они включают метаболизм питательных веществ, регуляцию иммунной системы и естественную защиту от инфекции. Присутствие определенных бактерий связано с воспалительными молекулами, которые могут вызывать воспаление в различных тканях организма. Воспаление лежит в основе многих хронических мультисистемных состояний, включая ожирение, атеросклероз, сахарный диабет 2 типа и воспалительные заболевания кишечника. Воспаление может быть вызвано структурными компонентами бактерий, что может привести к каскаду воспалительных путей с участием интерлейкинов и других цитокинов. Точно так же побочные продукты метаболических процессов у бактерий, включая некоторые короткоцепочечные жирные кислоты, могут играть роль в подавлении воспалительных процессов. В этом обзоре мы стремились дать обзор взаимосвязи между микробиотой кишечника и воспалительными молекулами и выделить соответствующие пробелы в знаниях в этой области. Основываясь на текущей литературе, представляется, что, поскольку состав кишечной микробиоты у разных людей различается и зависит от множества факторов, таких как диета и генетика, у некоторых людей могут быть бактерии, связанные с провоспалительным действием, в то время как у других могут быть бактерии с противовоспалительным эффектом. Последние технологические достижения позволили разработать более совершенные методы характеристики микробиоты кишечника. Дальнейшие исследования, направленные на постоянное улучшение нашего понимания воспалительных путей, которые взаимодействуют с бактериями, могут пролить свет на причины, лежащие в основе различных проявлений одного и того же заболевания и различных реакций на одно и то же лечение у разных людей. Кроме того, это может использоваться в клинической практике, поскольку противовоспалительные микробы могут использоваться в пробиотической терапии или использоваться для определения подходящей пребиотической терапии.

1. Введение

Понимание симбиотических отношений между кишечными бактериями человека и общим функционированием организма значительно углубилось и расширилось, с ускорением результатов исследований в этой области. В то время как первоначальные исследования в основном изучали состав микробиоты и его связь с проявлением болезни, в последнее время произошел более заметный сдвиг в сторону понимания механизмов, посредством которых изменение микробиоты может приводить к проявлению болезни [1]. Уточнение этих механизмов может дать информацию при разработке новых методов лечения и оптимизировать клиническую практику. Более того, определение структуры и функции микробиоты становится все более важным в эпоху точной медицины, поскольку это позволяет индивидуализировать лечение для улучшения клинических результатов [2]. В этом обзоре представлено краткое введение в микробиоту кишечника, факторы, влияющие на микробиоту, методы анализа микробиома и интерпретацию результатов. За ними следует обзор недавней литературы о взаимодействии микробиоты кишечника, метаболических заболеваний и воспалений. Мы исследуем потенциальные основные патофизиологические факторы и промежуточные биомаркеры, связанные с кишечными бактериями и воспалительными заболеваниями. Наконец, обсуждаются ограничения исследований микробиома и даются рекомендации по направлениям будущих исследований.

2. Что такое микробиота кишечника?

23000 генами в геноме человека, демонстрирует абсолютную величину и потенциальное влияние этих видов на здоровье человека [5]. Более того, человеческий организм содержит почти столько же бактериальных клеток, сколько человеческих клеток [6].

Бактерии можно классифицировать с помощью филогенетической номенклатуры на различные уровни групп, называемых таксономическими рангами, в зависимости от генетического сходства. Организмы, принадлежащие к одной и той же группе более низкого таксономического ранга, имеют большее сходство генетических последовательностей, что свидетельствует о более позднем эволюционном расхождении [7]. Современная система классификации проиллюстрирована на рисунке 1. Члены одного и того же вида наиболее похожи.

Рисунок 1. Таксономическая классификационная система и классификация человека и Lactobacillus delbrueckii в качестве примера [8]. Организмы классифицируются по этой иерархической системе, где наиболее общая и всеобъемлющая группа находится на уровне домена. Организмы одного и того же вида генетически наиболее похожи.

3. Методы изучения микрофлоры кишечника

Исследователи изучают микробиоту кишечника с помощью различных подходов, и именно сочетание этих различных методов позволяет всесторонне построить знания, касающиеся микробиоты кишечника и здоровья. В исследованиях на людях наиболее распространенным методом характеристики микробиома кишечника является отбор образцов стула, поскольку он легко доступен, неинвазивен и густо заселен микробами, представляющими микробиоту просвета кишечника [9,10].

Рисунок 2. Шаги, обычно предпринимаемые при анализе микробиома стула.

Микробное разнообразие оценивается по двум параметрам; альфа и бета разнообразие. Альфа-разнообразие относится к вариациям в пределах одной выборки, в то время как бета-разнообразие относится к вариациям между выборками [13]. Обычно они определяются в порядке возрастания родства, от типа к роду, хотя в некоторых исследованиях также используется анализ на уровне видов [14]. Платформы, облегчающие этот анализ, включают QIIME, бесплатный программный инструмент, который оценивает последовательности 16S рРНК [13]. Однако использование этой классификации более низкого ранга может привести к ненадежным выводам; большинство исследований обычно оценивают только одну часть гена 16S рРНК, в отличие от изучения всей длины гена [15]. Это ставит под угрозу надежность классификации на уровне видов, поскольку небольшая часть гена может иметь сильно изменчивую способность обнаруживать виды [15]. Поскольку реагенты, используемые на этих этапах, могут вводить контаминанты (загрязняющие вещества), важно провести тест на контаминацию с помощью амплификации гена 16S рРНК и вычислительным способом стереть последовательности загрязненных видов из общих полученных последовательностей [11].

Более репрезентативный снимок микробиоты кишечника может быть получен путем взятия проб слизистой оболочки дистального отдела желудочно-кишечного тракта; однако этот метод имеет различные ограничения и поэтому менее часто используется в исследованиях [16]. Одним из таких ограничений является то, что по сравнению с отбором проб Кала, где загрязнение клеток человека минимально, анализ образцов биопсии слизистой оболочки должен учитывать наличие человеческих клеток и генетического материала, поскольку они могут помешать получению результатов [10]. Другие методы, менее часто используемые, включают промывание и забор мазка, однако они не были широко оценены с точки зрения согласованности протокола и того, насколько репрезентативны полученные результаты для микробного сообщества кишечника [17].

Исследования с использованием животных моделей являются ключевыми и частыми в этой области исследований, поскольку они позволяют получить более полное представление о некоторых аспектах роли микробиоты кишечника в здоровье. Конфаундеры (возмущающие факторы) могут быть более жестко контролированы в моделях животных, включая грызунов, рыб и насекомых, чтобы лучше понять экспериментальные переменные и их эффекты, а также взаимодействие хозяина и микробиоты [10,18]. Это особенно актуально в исследованиях, направленных на изучение факторов, влияющих на микробиоту кишечника, или влияния кишечных микробов на ткани или системы. Модели животных без микробов были использованы для оценки микробиотонезависимого функционирования по сравнению с нормальными моделями животных [19]. Кроме того, в этой области исследований используются гнотобиотические модели, где животных, как правило, грызунов, готовят с использованием определенных известных штаммов или комбинаций бактерий и часто генетически изменяют для определения последующих эффектов определенных бактериальных продуктов или связанных продуктов [20,21, 22,23,24]. Тем не менее, результаты исследований на моделях гнотобиотиков следует интерпретировать с осторожностью, поскольку иммунная система этих животных изменяется с ранних стадий развития.

Системы клеточных культур также важны здесь, поскольку их можно использовать для дальнейшего изучения контролируемых взаимодействий между кишечными микробами и другими переменными. Эти методы могут включать культивирование кишечных микробов человека, человеческих или искусственных тканей [10].

4. Факторы, связанные с составом микробиоты

Микробиота кишечника в желудочно-кишечном тракте (ЖКТ) развивается в младенчестве. Процесс микробной колонизации зависит от множества факторов хозяина, более подробно описанных ниже. Кроме того, разные области желудочно-кишечного тракта имеют разную химическую среду, которая позволяет одним микробам процветать больше, чем другим. Разнообразие и стабильность постоянно увеличиваются на протяжении всего раннего развития, достигая определенного состава с возрастом [25]. Этот состав может модулироваться различными факторами и жизненными событиями, которые могут взаимодействовать друг с другом для большего разнообразия [1]. Важно отметить, что здесь большее разнообразие обычно связано с лучшими результатами для здоровья, хотя были некоторые сообщения об увеличении разнообразия при определенных болезненных состояниях [26,27]. Факторы, влияющие на кишечную среду, в свою очередь, вносят свой вклад в характерную микробную экосистему кишечника, тем самым вызывая наблюдаемые нами межиндивидуальные различия.

4.1. Способ родоразрешения и кормление

Виды, которые участвуют в начальной колонизации желудочно-кишечного тракта, различаются в зависимости от способа рождения новорожденного [28]. И кесарево сечение, и вагинальный режим связаны с воздействием микробов, однако существуют различия в отношении источника этих микробов. При родах через естественные родовые пути новорожденный подвергается воздействию материнских вагинальных бактерий, и поэтому их первоначальный состав микробиоты имеет тенденцию отражать эту область [29]. В частности, эти бактерии являются частью родов Lactobacillus, Prevotella и Sneathia. Напротив, младенцы, перенесшие кесарево сечение, в значительной степени зависят от кожной флоры матери и, как правило, имеют менее разнообразную микробиоту [29,30]. Таким образом, они содержат более высокую долю микробов, обитающих в коже, включая виды Staphylococcus, Corynebacterium и Propionibacterium [29]. Кроме того, показано, что внутриутробное применение антибиотиков во время кесарева сечения влияет на микробиоту кишечника новорожденных [31]. В целом, наблюдается большая степень сходства микробиоты кишечника между новорожденными, рожденными естественным путем, и их матерями, по сравнению с детьми, рожденными с помощью кесарева сечения [32]. Роль микробиоты имеет решающее значение в развитии иммунной системы, поэтому различия в микробиоте кишечника могут объяснить, почему последняя категория имеет больший риск развития инфекций или аллергии [33,34].

4.2. Диета

Диетическое поведение может привести к тому, что одни штаммы будут доминировать в кишечнике больше, чем другие, что приведет к специфическим фенотипическим характеристикам хозяина. Модификации рациона сделают различные питательные вещества более доступными, следовательно, изменят доминирующие штаммы, способствуя динамической природе микробиоты [37]. Было обнаружено, что у людей, потребляющих больше мяса в своем рационе, микробиомы кишечника значительно отличаются от тех, кто придерживается рациона с преобладанием растений, из-за того, что некоторые бактерии процветают в изобилии белка [38,39]. Например, виды Bacteroides имеют тенденцию преобладать в желудочно-кишечном тракте тех, кто потребляет животный белок, а виды Prevotella связаны с диетами на основе растений [40]. Более того, влияние диеты на микробиоту кишечника можно увидеть в этнографических исследованиях, где культура влияет на общие виды потребляемой пищи и, следовательно, на коллективные энтеротипы [41]. Это можно наблюдать среди азиатского населения, которое потребляет много крахмалосодержащих продуктов, таких как рис; энтеротипы этих популяций характеризуются особенно высокой численностью Bifidobacterium, рода, который, как известно, продуцирует большие количества ферментов, метаболизирующих крахмал [4]. Западная диета, богатая насыщенными жирами, но с низким содержанием ненасыщенных жиров, была тщательно изучена и обнаружила положительную связь с анаэробными микроорганизмами и конкретными видами, включая Bacteroides и Bilophila [42]. В дополнение к воздействию определенных макро- и микронутриентов в рационе человека на микробиоту кишечника, некоторые исследования на животных отметили, что добавки, обычно встречающиеся в западной диете, связаны с измененным составом микробиоты и ее воспалительным потенциалом [43].

4.3. Возраст, пол и индекс массы тела

Было отмечено, что половые различия, хотя и изучены гораздо меньше, чем другие факторы, влияют на состав микробиоты [46]. Различия становятся более очевидными при исследовании микробов на уровне рода или вида. В экспериментальном исследовании Baars et al. [47], связанные с полом различия были обнаружены в том, как кишечная микробиота взаимодействует с хозяином. Используя мышей, они определили, что различия в составе и транскрипции очевидны. В свою очередь, это повлияло на различия в липидном обмене, наблюдаемые между самцами и самками мышей.

Haro et al. [48] ​​обнаружили, что Bacteroides caccae более многочисленны у самок, чем у самцов, в то время как обратное наблюдалось для вида Bacterioides plebeius. Интересно, что эти половые различия взаимосвязаны с индексом массы тела (ИМТ). В том же исследовании Haro et al. [48], половые различия стали более заметными при увеличении ИМТ. Например, у мужчин с ИМТ, превышающим 33, численность Firmicutes была ниже, чем у мужчин с более низким ИМТ, однако у женщин эта тенденция не наблюдалась. Напротив, численность Firmicutes оставалась высокой независимо от ИМТ у женщин-участниц [48]. Предполагается, что эти наблюдения связаны с гормональными различиями, однако необходимо провести дополнительные исследования, чтобы понять точные механизмы [49]. В целом, сообщалось о связи с ИМТ и разнообразием кишечных бактерий, причем модель демонстрирует, что увеличение ИМТ сильно коррелирует со снижением разнообразия [50]. Кроме того, при ожирении снижается доля представителей типа Bacteroidetes по сравнению с Firmicutes, а после потери веса это соотношение возвращается к норме [51].

4.4. Генотип хозяина

Конкретные генотипы хозяев связаны с различиями в микробном разнообразии кишечника, а также со специфическими структурами сообщества [52]. Поскольку гены влияют на функционирование иммунной системы и восприимчивость к заболеваниям, определенные аллели связаны с определенными композициями. Например, люди с вариантом rs651821 гена APOA5 с большей вероятностью будут иметь представителей родов Lactobacillus, Sutterella и Methanobrevibacter в своей микробиоте, что впоследствии коррелирует с более высоким риском метаболических нарушений [52]. В ряде исследований было показано, что конкретные варианты генов, связанных с микробиомом, связаны с такими состояниями, как ожирение, шизофрения, диабет 2 типа, боковой амиотрофический склероз и воспалительные заболевания кишечника [53]. Одним из таких примеров является ген SLIT3 ; этот ген, по-видимому, играет роль в воспалении, вызванном микробным продуктом, и в исследовании ассоциации на уровне всего генома были обнаружены варианты этого гена, связанные с ИМТ, что предполагает вероятную связь между геном, его молекулярным продуктом, микробиомом человека и ожирением [53].

Одним из полиморфных аспектов генетики человека, связанных с предрасположенностью к аутоиммунным заболеваниям, является человеческий лейкоцитарный антиген ( HLA ), который представляет собой белки клеточной поверхности, кодируемые кластером генов. Было показано, что изменение структуры HLA и лежащей в ее основе генетики коррелирует с отчетливыми изменениями в микробиоте кишечника [54]. Например, связь между вариантом HLA-B27 и воспалительным состоянием анкилозирующего спондилита хорошо документирована в литературе [55]. Одно исследование, изучавшее людей с этим конкретным генотипом, показало, что существует отчетливый микробный профиль кишечника, связанный с HLA-B27, предполагая, что анкилозирующий спондилит может быть частично обусловлен генетической предрасположенностью к специфическим иммунологическим процессам, опосредованным кишечной микробиотой [56].

Следует также отметить, что существующие данные подтверждают идею о том, что на состав микробиоты кишечника человека влияют в основном негенетические факторы [57]. Тем не менее, эта область исследований все еще находится в зачаточном состоянии, и проводятся дальнейшие исследования в более крупных когортах, чтобы лучше понять, как взаимосвязаны микробиота кишечника и геном человека.

4.5. Применение антибиотиков

При воздействии антибиотиков, в зависимости от типа и регулярности использования, микробиота хозяина может быстро изменять свою структуру. Частым исходом является состояние, известное как дисбактериоз кишечной микробиоты, при котором наблюдается дисбаланс микрофлоры, что, как следствие, нарушает ее функционирование [58]. Другие факторы, включая диету, инфекцию и существующие нарушения, также могут вызывать дисбактериоз. Человек с дисбиозом столкнется с повышенным риском множества заболеваний, а именно инфекции, поскольку здоровая, сбалансированная микробиота служит препятствием для потенциальных патогенных штаммов, конкурируя за ресурсы и предотвращая рост вторгшихся микробов [59]. Другие исходы, связанные с дисбактериозом, относятся к иммунной системе и нарушению регуляции метаболизма. Результаты крупного международного перекрестного исследования 74 946 человек иллюстрируют эффекты вызванного антибиотиками дисбактериоза; было обнаружено, что использование антибиотиков в течение первого года жизни у субъектов мужского пола способствовало нарушению регуляции метаболизма и, следовательно, увеличению ИМТ на более поздних стадиях детства, но не у женщин [60].

5. Роль микробиоты кишечника в иммунитете и воспалении

6. Предложенные механизмы и взаимосвязи между микробиотой кишечника и маркерами воспаления

6.1. Липополисахариды

Липополисахариды (ЛПС), также известные как эндотоксин, формируют ключевой компонент клеточной стенки грамотрицательных бактерий. Повышенный уровень ЛПС наблюдается при ожирении и других метаболических нарушениях, а также при воспалении жировой ткани и дисфункции бета-клеток поджелудочной железы [23,67,68,69]. В нормальных условиях кишечный барьер, включающий эпителиальный и слизистый слой кишечника, минимизирует движение ЛПС из кишечника в системный кровоток [70]. Нарушение этого барьера такими факторами, как диета или патогенные бактерии, может привести к дислокации ЛПС и перемещению его между соединениями кишечного барьера в кровоток [70]. Эта негерметичность и нарушенная проницаемость кишечника означает, что макрофаги могут проникать в эту область, продуцировать и активировать воспалительные цитокины, приводя к местному воспалению [70]. Кроме того, ЛПС связывается с toll-подобным рецептором 4 ( TLR-4 ), обнаруженным на иммунных клетках, и при этом может активировать провоспалительные каскады как локально в кишечнике, так и в отдаленных участках [67]. В исследовании Cani et al. [71], у мышей, получавших высокожирную диету, было обнаружено высокое количество ЛПС, циркулирующего в их кровотоке, проявляющееся эндотоксемией, однако при введении антибиотиков этот повышенный уровень ЛПС не был обнаружен. Это демонстрирует, что микробиота кишечника, индуцированная диетой с высоким содержанием жиров, высвобождает ЛПС, а при нацеливании на антибиотики последующие эффекты ЛПС могут быть предотвращены. Здесь предполагается, что антибиотики уничтожают большую часть микробиоты, включая бактерии, секретирующие ЛПС, в местах, отличных от желудочно-кишечного тракта.

После инъекции ЛПС здоровым людям Mehta et al. [72] обнаружили повышенную инсулинорезистентность, поскольку рецепторы инсулина в жировой ткани подавлялись, хотя функция бета-клеток поджелудочной железы не была нарушена. Кроме того, исследование Tian et al. [73] сообщили, что пробиотическая терапия с Lactobacillus paracasei уменьшала и обращала вспять эффекты ЛПС-ассоциированной патологии у грызунов, в частности, уменьшая механизмы, связанные с диабетом 2 типа, такие как дисфункция бета-клеток. Однако стоит отметить, что не все представители рода Lactobacillus обладают антидиабетическими свойствами, поскольку в исследовании на людях было обнаружено, что уровень Lactobacillus gasseri был повышен у пациентов с диабетом 2 типа [74].

6.2. Короткоцепочечные жирные кислоты

Ацетат, еще один представитель SCFA, является важной молекулой для процессов липогенеза и глюконеогенеза. Ацетат может служить субстратом для синтеза холестерина, тем самым способствуя повышению уровня холестерина в сыворотке крови [85]. В исследовании на крысах, в отличие от бутирата, было обнаружено, что ацетат коррелирует с большей инсулинорезистентностью и увеличением секреции грелина в результате его активации парасимпатической нервной системой [86]. Поскольку грелин является гормоном, стимулирующим аппетит, связанным с большим потреблением пищи, ацетат, следовательно, может быть связан с увеличением веса [86].

Хотя существует определенный консенсус в отношении SCFAs и их метаболических свойств, полученные результаты были противоречивыми [87]. Что касается потенциальной роли ацетата в ожирении, то исследование, проведенное Frost et al. [88], показало, что ацетат связан с подавлением аппетита и, следовательно, более низким риском ожирения. Однако Perry et al. [86] сообщили, что ацетат был связан с повышенным риском ожирения. Различия между участниками исследования, применяемыми методами исследования и аналитическими методами могут быть объяснены этими наблюдаемыми различиями. Тем не менее существует явная необходимость в дальнейших исследованиях для выяснения точных механизмов, с помощью которых SCFAs связаны с изменениями воспаления, состава микробиоты и последующим развитием метаболических нарушений.

6.3. Желчные кислоты

Особое значение для этого обзора имеет то, что желчные кислоты, активируя сигнальный путь фарнезоидного Х-рецептора ( FXR ) в энтероцитах и адипоцитах, вызывают воспаление [90]. Parséus et al. [20] обнаружили, что мыши, лишенные функциональных FXRs, не накапливают жировую ткань таким же образом, как мыши с рецептором, предполагая, что кишечная микробиота может способствовать возникновению ожирения через вторичное образование желчных кислот.

6.4. С-реактивный белок

6.5. Цитокины

В таблице 1 представлены общие тенденции различных цитокинов, о которых сообщалось в предыдущих исследованиях.

Таблица 1. Воспалительная природа цитокинов [98,101,102].

* Контрастные механизмы демонстрируют, что этот цитокин участвует как в ПРО-, так и в противовоспалительных процессах [101,103].

6.5.1. Фактор некроза опухоли-альфа

6.5.2. Интерлейкин-6

Когда адипоциты начинают аберрантно функционировать, обычно из-за увеличения инфильтрации макрофагами в жировой ткани, они высвобождают цитокин IL-6 [104]. Эта молекула управляет воспалением, способствуя инсулинорезистентности и метаболической дисрегуляции [108]. В различных исследованиях изучалась взаимосвязь между IL-6 и диабетом 2 типа, и было обнаружено, что IL-6 является предиктором его возникновения [109, 110]. Более того, IL-6 положительно коррелирует с численностью видов Lactobacillus [111], но неясно, является ли это специфическим микробным составом кишечника, который приводит к повышению уровня IL-6, или наоборот. Обилие Faecalibacterium было отрицательно связано с уровнем IL-6, связь, которая может быть объяснена продукцией бутирата родом и его последующим ингибированием NF-kB [81]. Аналогичным образом, исследование, в котором изучалась популяция людей с ожирением, показало обратную связь между Faecalibacterium и IL-6 как у диабетиков, так и у недиабетиков [96].

Диетический холин, карнитин и бетаин, соединения, присутствующие в красном мясе, рыбе и других источниках животного происхождения, метаболизируются микробами кишечника в триметиламин (ТМА), который затем превращается в ТМАО под действием флавинмонооксигеназ печени хозяина [112,113]. Примеры бактерий, продуцирующих ТМА, включают представителей родов Clostridium, Proteus и Escherichia; однако они могут отличаться в зависимости от субстратов, которые они используют для производства ТМА [114]. Когда ТМАО присутствует в высоких сывороточных уровнях, он связан с вредными эффектами, включая эндотелиальную дисфункцию, которая, в свою очередь, способствует воспалению сосудов, атеросклерозу и другим факторам риска сердечно-сосудистых заболеваний [113,115,116,117]. Эти эффекты можно объяснить иммуномодулирующими эффектами ТМАО, о которых сообщалось в различных исследованиях на животных и людях. Например, Seldin et al. [118] обнаружили, что повышенные уровни ТМАО в сыворотке индуцировали повышение продукции IL-6 и TNF-α сигнальным путем NF-κB в культурах клеток мыши и человека. Более того, Rohrmann et al. [119] выявили положительную связь между уровнями ТМАО и TNF-α, но не IL-6 у людей. Исследование в здоровой популяции обнаружило положительную корреляцию между уровнями ТМАО и СРБ, однако следует отметить, что в этом исследовании также оценивалась продукция ТМАО в ответ на прием яиц [120]. Аналогичная взаимосвязь ТМАО и СРБ была отмечена в другом исследовании, изучавшем популяцию пациентов с сердечной недостаточностью [121]. Исследования, изучающие TMAO и воспаление, обычно используют образец с определенной диетой (например, диета с высоким содержанием белка) или с лежащими в основе хроническими заболеваниями [117,119,120,121]. Таким образом, роль микробиоты кишечника независимо от диеты трудно определить из имеющихся данных.

7. Взаимодействие микробиоты кишечника, воспаления и болезней

Постоянно повышенные уровни медиаторов воспаления могут инициировать патологические процессы, которые могут привести к нескольким хроническим заболеваниям [65]. Как показано на рисунке 3, хотя предполагается, что микробиота вносит вклад в подострое системное воспаление, она также может быть сформирована исходом, усиливая болезненное состояние. Таким образом, трудно определить единственный причинный путь. Системное воспаление может вызывать различные состояния, включая метаболический синдром, воспалительные заболевания кишечника и рак, которые были связаны с измененной микробиотой кишечника и широко изучались в исследованиях как на животных, так и на людях [20,23,27,71,122,123,124].

Рисунок 3. Взаимосвязь между микробиотой кишечника, воспалением и воспалительными состояниями. Микробиота кишечника формируется различными факторами и имеет двунаправленную связь с питанием и ИМТ. Она также имеет двунаправленную связь с воспалением и в зависимости от своего состава может ингибировать или стимулировать воспалительные пути. Они, в свою очередь, могут способствовать возникновению различных воспалительных состояний.

7.1. Метаболический синдром и сопутствующие расстройства

Факторы риска, включая инсулинорезистентность, непереносимость глюкозы, гипергликемию, высокое кровяное давление, дислипидемию и ожирение, коррелируют с изменениями состава микробиоты [122,125,126,127,128,129]. Собирательный термин для этих состояний-метаболический синдром [130]. Это включает в себя кластер нарушений, которые являются предшественниками сахарного диабета 2 типа (СД2) и сердечно-сосудистых заболеваний [130].

Исследования на животных и людях выявили циркулирующие уровни ЛПС как одно из ключевых звеньев между микробиотой кишечника и воспалением при метаболическом синдроме [131,132,133]. Дислоцированные ЛПС могут стимулировать провоспалительные пути через активацию рецептора TLR4 на адипоцитах и повышенную регуляцию NF-kB, что, в свою очередь, способствует резистентности к инсулину [23,131]. Лица с СД2, ожирением и непереносимостью глюкозы имеют более высокие циркулирующие уровни ЛПС по сравнению с теми, кто не подвержен этим состояниям [132]. Повышенный уровень ЛПС в сыворотке крови также ассоциирован с провоспалительными цитокинами, включая TNF-α и IL-6 [133]. Циркулирующие провоспалительные цитокины могут подавлять передачу сигналов инсулина, способствуя инсулинорезистентности [91]. ЛПС структурно различается среди микробов в отношении его способности активировать воспалительные каскады, однако, в частности, известно, что члены грамотрицательного типа Proteobacteria, особенно семейства Enterobacteriaceae, обладают высокоиммуностимулирующим ЛПС [134, 135]. В одном исследовании Enterobacteriaceae, выделенные из микробиоты кишечника человека с ожирением, использовали для разработки модели гнотобиотических мышей, содержащей только этот микроб [136]. По сравнению с безмикробными мышами, подвергшимися воздействию тех же условий, гнотобиотические мыши демонстрировали повышенный уровень ЛПС и развивали инсулинорезистентность и ожирение, в то время как их безмикробные коллеги демонстрировали нормальные фенотипы. Это демонстрирует связь между кишечными микробами, которые запускают выработку провоспалительных медиаторов, и последующими эффектами воспалительных и метаболических нарушений [136]. Напротив, бактерии, которые, как известно, стимулируют противовоспалительные цитокины, такие как IL-10 и IL-22, были связаны с антидиабетическими эффектами на животных моделях [137]. Например, вид Roseburia intestinalis положительно ассоциирован с IL-22, который, как было показано, улучшает чувствительность к инсулину у мышей, и отрицательно ассоциирован с СД2 [137,138,139].

7.2. Рак

8. Ограничения в текущих доказательствах

Несмотря на растущее число исследований, посвященных изучению микробиоты в связи с воспалением и метаболическими заболеваниями, в современной доказательной базе остается ряд ограничений. Во-первых, большинство исследований используют фекалии для понимания микробиома кишечника. Фекалии содержат много примесей, связанных с микробами, влияющих на качество ДНК, полученной в фазе экстракции, что влияет на интерпретацию альфа-разнообразия образца [12]. Более того, поскольку содержимое кишечника изменяется по всему желудочно-кишечному тракту, микробное сообщество, присутствующее в фекалиях, более приспособлено к обедненной питательной среде последних областей желудочно-кишечного тракта [152]. Таким образом, результаты исследования фекальной микробиоты следует рассматривать как моментальные снимки микробиоты кишечника, чтобы признать динамическую природу этого экологического сообщества. Кроме того, различия в консистенции стула, плотного или рыхлого при сборе, могут дополнительно влиять на интерпретацию микробной активности кишечника и поэтому должны приниматься во внимание. Исследование на людях показало, что консистенция стула является более важным фактором в изменении фекальной микробиоты по сравнению с использованием лекарств, событиями в раннем возрасте и диетой [153].

Кроме того, существует потребность в оптимизации стандартного протокола, включая наборы для сбора фекалий, условия транспортировки, статус хранения и методы выделения ДНК, чтобы обеспечить лучшее сравнение исследований. Это предложение распространяется и на исследования на животных, поскольку существуют различия в методиках между разными лабораториями, включая диету, стресс и циркадные ритмы, испытываемые животными [154]. Например, точный состав диеты с высоким содержанием жиров, подробно описанный в одном исследовании на грызунах, может значительно отличаться от другого. Поскольку разные источники жира приводят к разным результатам пищеварения, необходимо создать стандарт для настройки и контроля экспериментальных животных. Точно так же среда, в которой содержатся грызуны, также может играть роль в составе фекального микробиома, поскольку было замечено, что некоторые летучие соединения, присутствующие в подстилке, могут влиять на окончательные микробиологические показатели [154]. Экстраполяцию результатов, полученных в ходе исследований на животных, следует проводить с осторожностью, поскольку микробиомы кишечника человека и грызунов различаются. Более того, когда стерильные грызуны готовятся к исследованию, развитие их иммунной системы также изменяется, поэтому результаты следует интерпретировать с осторожностью. Исследования на животных могут расширить наше понимание этой области, поскольку они обеспечивают большую гибкость и дополнительные возможности, недоступные в исследованиях на людях, такие как возможность эвтаназии грызунов для оценки образцов микробиома слепой кишки. Хотя это полезно, это создает дополнительные сложности при экстраполяции результатов, затрудняя установление потенциального сходства между исследованиями человека и грызунов во взаимодействии между микробиотой и воспалением.

В очень небольшом числе исследований был проведен анализ широкого спектра маркеров воспаления в связи с микробиотой кишечника. Многие описали изменения микробного состава кишечника при дисбактериозе в различных условиях, но механизмы, включающие уровни цитокинов в отношении конкретных таксонов бактерий в определенных фенотипических популяциях, не были тщательно изучены. В тех немногих исследованиях, которые оценивают эту связь, ограничения дизайна исследования, включая наличие сопутствующих заболеваний у участников или использование лекарств, а также нескорректированный анализ смешанных переменных, таких как диета и физическая активность, усиливают необходимость проведения дополнительных исследований для подтверждения этих ассоциаций.

9. Выводы и будущие направления

Воспаление лежит в основе многих заболеваний, включая СД2, сердечно-сосудистые заболевания, ВЗК и рак, которые вносят значительный вклад в глобальную заболеваемость и смертность. Обширные исследования на животных и людях показали критическое взаимодействие между микробиотой кишечника и воспалением, которое может послужить основой для терапевтического вмешательства для лечения этих расстройств. В настоящее время некоторые биомаркеры воспаления не считаются хорошими предикторами хронического воспаления [155,156]. Более надежные биомаркеры, которые описывают начало или степень прогрессирования заболевания, могут быть идентифицированы путем дальнейшего понимания механизмов, связывающих микробиоту кишечника, воспаление и заболеваемость.

Некоторые виды микроорганизмов были тесно связаны с противовоспалительной ролью, в частности, Faecalibacterium prausnitzii. Эти микробы могут быть дополнительно исследованы в крупных проспективных исследованиях, которые, в свою очередь, потенциально могут служить основой для исследований в области пребиотической и пробиотической терапии для улучшения условий, вызванных воспалением. Важно подчеркнуть, что маркеры воспаления являются компонентами сложных двунаправленных регуляторных механизмов и участвуют в многочисленных перекрывающихся процессах, связанных с инфекцией и поддержанием гомеостаза в организме. Таким образом, динамические роли цитокинов, хемокинов и транскрипционных факторов требуют дальнейшего изучения с помощью механистических исследований.

Учитывая различия в методологии большинства проведенных исследований в этой области, существует необходимость в создании стандартных оперативных процедур, позволяющих лучше сопоставлять исследования, в т.ч. ускорять их и разработки в этой области. В будущем вполне вероятно, что эта область исследований будет опираться на коллективные усилия исследователей в области питания, эпидемиологии, медицины, иммунологии и микробиологии, что потребует более широкого междисциплинарного сотрудничества для обеспечения более полного понимания сложных взаимодействий между хозяином и кишечной микробиотой.

К подразделу: Обзорные материалы (про иммунитет и микробиом)

Источник