Связь состояния кишечной микробиоты с заболеваниями человека и трансплантация микробиоты как способ восстановления ее нормального состава | Кожевников А.А., Раскина К.В., Мартынова Е.Ю., Тяхт А.В., Перфильев А.В., Драпкина О.М., Сычев Д.А., Фатхутдинов И.Р., Мусиенко С.В., Никогосов Д.А., Жегулина И.О., Бавыкина Л.Г., Каршиева А.В., Селезнева К.С., Алексеев Д.Г., Потешкин Ю.Е.

Статья посвящена взаимосвязи состояния кишечной микробиоты с заболеваниями человека. Рассмотрена трансплантация микробиоты, как способ восстановления ее нормального состава. Приведены данные исследований, касающихся связи кишечной микробиоты с различными заболеваниями, описаны методики восстановления состава микробиоты.

    Введение

    Кишечная микробиота (далее – микробиота) является совокупностью видов населяющих кишечник микроорганизмов. Приводятся различные данные касательно общего количества микробных тел кишечника; недавние исследования предполагают, что их не меньше, чем клеток человеческого организма [1]. Идут споры о том, что же можно считать «нормальным составом» интестинальной микрофлоры, – сейчас активно обсуждается концепция «энтеротипов», устойчивых кластеров бактерий с преобладающими родами, которые, по данным научных работ, не являются специфичными относительно популяций или континентов. Кишечная микробиота участвует в процессах пищеварения, выполняет регуляторную, защитную, синтетическую и дезинтоксикационную функции. Настоящий обзор является продолжением цикла статей, посвященных наиболее актуальным данным о кишечной микробиоте, и он призван ознакомить многоуважаемого читателя с возможной ролью интестинальных микроорганизмов в развитии множества заболеваний. 

    Алкоголизм 

    В 2015 г. был опубликован метагеномный анализ микробиоты в полногеномном («shotgun») формате, проведенный В.Б. Дубинкиной и др., у пациентов с синдромом алкогольной зависимости (САЗ) в сравнении со здоровой российской популяцией [2]. Несмотря на то, что уровень альфа-разнообразия (т. е. разнообразия видов микроорганизмов в определенном биотопе) не отличался у группы с САЗ и у контрольной группы, у пациентов с зависимостью от алкоголя было выявлено увеличение содержания бактерий из рода Ruminococcus (R. gnavus и R. torques) и Blautia. Выделяемые этими бактериями вещества способны разрушать муцин кишечной стенки, что послужило причиной повышения уровня эндотоксинов в крови и запустило воспалительный каскад, поражающий в том числе и клетки печени [3]. Кроме того, было зарегистрировано снижение числа F. prausnitzii и Coprococcus spp., которые продуцируют бутират, питающий колоноциты и оказывающий противовоспалительный и противоопухолевый эффект. Помимо этого, в статье отмечено, что у участников с алкогольной зависимостью по сравнению с остальной популяцией отмечается увеличение относительной представленности генов, кодирующих альдегиддегидрогеназу, что рассматривается как компенсаторный механизм переработки ацетальдегида бактериями, а также генов, кодирующих клеточные структуры микробов (адгезивные пили, энтеротоксины). Это может говорить об изменении функциональной активности кишечной микрофлоры и увеличении, с одной стороны, числа видов, которые могут приспосабливаться к оксидативному стрессу, нейтрализовать продукты метаболизма этилового спирта, а с другой – видов, активно участвующих в процессах воспалительного поражения органов.

    Алкогольная болезнь печени (АБП) и цирроз печени 

    Алкоголь вызывает чрезмерно быстрый рост микробиоты, что подтверждается значительно большим числом бактерий в тонкокишечных аспиратах у пациентов с САЗ в сравнении с контролем; похожие изменения регистрировались и у пациентов с алкогольным циррозом печени, причем степень избыточного роста соответствовала степени тяжести цирроза печени [4]. Вероятно, в этом процессе играют роль повышенная проницаемость кишечного барьера и следующая за этим эндотоксемия: связь между этими состояниями и поражением печени была описана в эксперименте на мышах [5]. 
    Исследование М. Zhang et al. уделяет внимание Lactobacillus rhamnosus GG: прием алкоголя вызывает у мышей дезактивацию АМФ-активируемой протеинкиназы (АМФАП); поступление этой бактерии в организм мышей восстанавливало активность АМФАП, что останавливало действие ферментов, участвующих в накоплении липидов в печени [6]. В другой работе было показано снижение уровней ЛПС (маркер этанол-индуцированной эндотоксемии), аланиламинотрансферазы (АЛТ) плазмы крови (маркер повреждения гепатоцитов), экспрессии фактора некроза опухоли (ФНО)-α клетками печени (маркер воспалительного процесса в печени) при введении в рацион мышей, находящихся на диете с большим количеством алкоголя, пробиотиков Lactobacillus rhamnosus GG [7].
    Проспективное рандомизированное исследование на 66 пациентах с диагнозом «алкогольный психоз» выявило, что добавление пробиотиков Bifidobacterium bifidum и Lactobacillus plantarum 8PA3 к стандартной терапии на протяжении 5 дней привело к достоверно меньшим значениям аспартатаминотрансферазы (АСТ) и АЛТ, чем у тех участников, которым пробиотики не назначались (АСТ: 54,67 vs. 76,43 Ед/л; АЛТ 36,69 vs. 51,26 Ед/л) [8]. В другой небольшой статье назначение пробиотиков пациентам с циррозом печени восстанавливало фагоцитарную активность нейтрофилов, что связывают с изменением продукции интерлейкина (ИЛ)–10 и экспрессии ФНО-α [9].
    N. Qin et al. предположительно были выявлены новые маркеры алкогольного цирроза печени. Они могут быть связаны с бактериями ротовой полости, которые при данной патологии проникают в кишечник и обильно его заселяют [10]. Эти данные были подтверждены результатами исследования Н.В. Шаликиани и др. на участниках из РФ [11]. 
    Рассматривается роль микроорганизмов в развитии неалкогольной жировой болезни печени (НАЖБП). Следствием влияния микрофлоры считают эндотоксемию, развивающуюся на фоне изменения состава микробиоты у мышей, потребляющих большое количество жиров и глюкозы, и снижение барьерной функции кишечника [12]. Таким образом, повышение содержания липополисахаридов (ЛПС) в крови, оттекающей от кишки, приводит к активации Toll-like рецепторов-4 (TLR4) и повышенной продукции ФНО, который запускает воспаление ткани печени [12]. Исследования у пациентов с НАЖБП описывают корреляцию роста тонкокишечной микробиоты и проницаемости кишечной стенки с тяжестью стеатогепатоза [13]. Это подтверждается обнаружением более высоких значений IgG к эндотоксину в плазме крови у людей с НАЖБП по сравнению со здоровой контрольной группой, причем их концентрация повышается с каждой последующей стадией болезни [14]. Однако корреляции между антителами к ЛПС и стадией НАЖБП обнаружено не было. 
    Группой F. Bäckhed et al. было обнаружено, что переработка микробами неперевариваемых углеводов в моносахара и усиленное всасывание последних из кишки ведет к активации ChREBP (белка, связывающего углеводчувствительный элемент) и SREBP-1 (белка, связывающего стеролрегулирующие элементы). Эти пептиды стимулируют липогенез в печени [15]. 
    В работе L. Zhu et al. по 16S рРНК секвенированию у детей с НАЖБП было выявлено повышение численности Escherichia coli относительно контрольной группы без НАЖБП; при этом оказались увеличены и показатели этанола в плазме крови [16]. Установлено, что 1 г E. coli продуцирует 0,8 г этанола, при этом хронический прием 30 г этанола в сутки способен вызвать поражение печени [16]. 
    Косвенным подтверждением участия микробиоты в развитии заболевания могут быть данные о том, что вскармливание грудным молоком предотвращает риск развития стеатогепатита на 96% и фиброза печени – на 68% у детей 3–18 лет [17]. Вероятно, не последнюю роль здесь могут играть бактерии рода Lactobacillus: грудное вскармливание увеличивает их количество в кишечнике [18], а рандомизированное контролированное исследование с 20 тучными детьми с НАЖБП показало, что прием в течение 8 нед. пробиотиков, содержащих Lactobacillus, привел к значительному снижению АЛТ (с нормализацией в 80% случаев) по сравнению с теми участниками, которые пробиотик не принимали [19].

    Воспалительные заболевания кишечника

    Болезнь Крона 

    Используя 16S рРНК секвенирование, команда F. Imhann et al. обнаружила значительные изменения в составе микробиоты у пациентов с высоким генетическим риском развития болезни Крона (БК) [20]. Эти риски ассоциировались с сокращением популяции Roseburia, которые преобразуют короткоцепочечную жирную кислоту (КЦЖК) ацетат в бутират. 
    В другом исследовании были обнаружены уменьшение численности Dialister invisus, некоторых представителей кластера XIVa Clostridium, Faecalibacterium prausnitzii, Bifidobacterium adolescentis и рост числа Ruminococcus gnavus по сравнению с контрольной группой со схожим пищевым рационом [21]. Указанные виды не принимают участия в метаболизме бутирата, однако вовлечены в процессы деградации муцина. Анализ кишечной микрофлоры у детей с БК выявил положительную корреляцию между степенью тяжести заболевания и преобладанием в кишечной микрофлоре Pasteurellaceae (Haemophilus sp.), Veillonellaceae, Neisseriaceae и Fusobacteriaceae [22]. Более того, в образцах колоректальной карциномы, которая является поздним осложнением БК, путем секвенирования была обнаружена значительная концентрация Fusobacterium [23]. 
    D. Gevers et al., в свою очередь, показали, что можно предсказать индекс будущей активности БК PCDAI (Pediatric Crohn’s Disease Activity Index Calculator) в том числе по количеству организмов, ассоциированных с БК, включающих Enterobacteriaceae, Fusobacterium и Haemophilus [22]. Таким образом, были установлены обратная зависимость между числом бактерий рода Enterobacteriaceae и индексом тяжести заболевания в перспективе, а также положительная корреляция между числом Fusobacterium, Haemophilus и величиной названного индекса в настоящее время с величиной этого же индекса в будущем. 
    Прогноз исхода хирургического лечения БК может зависеть от степени дисбиоза: это подтверждается тем фактом, что у пациентов с ремиссией после хирургической операции наблюдалось большее микробное разнообразие по сравнению с пациентами с рецидивами заболевания [24].
    Анализируя геном бактерий у пациентов с БК, С. Huttenhower et al. сгруппировали локусы генов бактерий, ассоциированных с воспалительными заболеваниями кишечника (ВЗК), в группы по участию в патогенезе заболевания [25]. Таким образом в микробиоте были обнаружены гены, которые регулируют развитие интестинального барьера, антимикробную активность, аутофагию, функцию бокаловидных клеток, создание активных форм кислорода и пр.
    В 2017 г. были опубликованы результаты 16S рРНК секвенирования фекальной микробиоты, полученной из 2045 образцов от пациентов с ВЗК (БК и неспецифический язвенный колит (НЯК)) и без ВЗК из четырех стран (Испания, Бельгия, Соединенное Королевство и Германия) [26]. Так, в испанской когорте у пациентов с БК были более выраженный дисбиоз, меньшая стабильность и меньшее разнообразие микробиоты в сравнении с участниками с НЯК. Немаловажным является факт того, что наличие 8 групп микроорганизмов (Faecalibacterium, Peptostreptococcaceae, Anaerostipes, Methanobrevibacter, Christensenellaceae, Collinsella и, особенно, Fusobacterium, и Escherichia) оказалось характерным для пациентов с БК; тестирование на выявление данных групп имело высокую чувствительность и специфичность (табл. 1) и позволило разграничивать участников исследования с БК и без него. 

    Неспецифический язвенный колит 

    При исследовании пациентов с НЯК определяются увеличение численности бактерий из рода Bacteroides [20] и уменьшение популяции Roseburia из типа Firmicutes по сравнению со здоровой контрольной группой [27]. Последний род обладает бутират-продуцирующей активностью, и известно, что уровень КЦЖК у больных НЯК также снижен [27]. Тем не менее прямой связи между указанными бактериями и уровнем КЦЖК не обнаружено [27]. Вопрос об участии микробиоты в развитии НЯК все еще остается открытым, поскольку косвенное подтверждение роли микрофлоры описано в работе B.J. Rembacken: прием пребиотиков с непатогенным штаммом E. coli (Nssle 1917) оказал сходный с месалазином эффект в отношении частоты достижения ремиссии и ее длительности [28]. Недавний систематический обзор и метаанализ R.J. Colman et al. выявили, что при пересадке кала ремиссии достигли 45% пациентов [29]. 

    Первичный склерозирующий холангит

    Известно, что первичный склерозирующий холангит (ПСХ) ассоциирован с циркулированием аберрантных лимфоцитов и БК, а в их патогенезе принимает участие микробиота [4], что наводит на мысль о ее участии и в развитии ПСХ. N.G. Rossen et al. при помощи 16S рРНК секвенирования определили относительное снижение численности некультивированных бактерий из класса Clostridiales II, а также общее снижение численности и разнообразия микробиоты у пациентов с ПСХ при сравнении с контролем [30]. Вероятно, с развитием ПСХ могут быть связаны анаэробы: РКИ показало более выраженное снижение алкалинфосфатазы и уменьшение числа баллов по шкале выживаемости New Mayo Risk Score у пациентов, принимающих урсодезоксихолевую кислоту (УДХК) совместно с метронидазолом, по сравнению с пациентами из группы контроля, получающими терапию УДХК + плацебо [31].

    Первичный билиарный цирроз печени 

    Предполагается механизм мимикрии молекул кишечной микробиоты под молекулы митохондрий организма хозяина. Исследования выявили, что инфицирование мышей бактериями Novosphingobium aromaticivorans, у которых есть ферменты, сходные по строению с Е2-компонентом пируват-дегидрогеназного комплекса (ПДК-Е2) мышей, приводило к выработке антител к ПДК-Е2, специфичных для первичного билиарного цирроза печени (Mattner J. et al.). Это запускало хроническую Т-клеточную аутоиммунную реакцию против желчных протоков печени.

    Неврологические заболевания

    Болезнь Паркинсона   

    Исследования показывают, что болезнь Паркинсона (БП) начинается с нейродегенеративных процессов в дорсальном ядре блуждающего нерва, распространяясь вверх до коры головного мозга [32]. При этом зарегистрированы случаи дегенеративного изменения нервной системы кишечника, соединенного с головным мозгом блуждающим нервом [32]. Наличие данной информации, а также дебют заболевания у некоторых пациентов с гастроинтестинальных симптомов (в частности, с констипации) за многие годы до появления неврологической моторной симптоматики привели к изучению роли микробиоты в патогенезе заболевания [33]. Секвенирование 16S рРНК генов фекальной микрофлоры выявило уменьшение представительства Prevotellaceae и увеличение – Lactobacillaceae, Bradyrhizobiaceae и Clostridiales; анализ относительного количества этих 4 семейств с учетом степени выраженности констипации по шкале Векснера привел к получению биомаркера с чувствительностью 66,7% и специфичностью 90,3% [33].
    Новые свидетельства связи состава микробиоты с заболеванием были опубликованы в 2017 г.: 16S рРНК секвенирование образцов ДНК из кала 195 пациентов с БП и 130 участников из контрольной группы показало характерный для БП состав фекальной микрофлоры (P=4×10-⁵), при этом было увеличено представительство Akkermansia, Lactobacillus, Bifidobacterium и снижено – Lachnospiraceae [34]. Независимые характерные черты состава микробиоты были описаны и для пациентов, принимавших ингибиторы катехол-О-метилтрансферазы (P=4×10-⁴), антихолинергические препараты (P=5×10-³) и, возможно, карбидопу/леводопу (P=0,05). При функциональной оценке микробиома исследователи делают акцент на увеличении относительного представительства генов метаболизма ксенобиотиков, особенно пестицидов и гербицидов (например, атразина): известно, что попадание таких веществ в организм увеличивает риск развития БП и запускает гибель дофаминергических клеток у животных [34].
    На данный момент существует несколько гипотез, описывающих потенциальное участие микробиоты в развитии болезни Альцгеймера. Рассматривается влияние микроорганизмов на нейротрофический фактор мозга (НФМ), который отвечает за развитие и поддержание жизнедеятельности нейронов и количество которого снижено у пациентов с данной патологией: у безмикробных мышей количество НФМ в гиппокампе и коре было снижено и связано с возросшей тревожностью и прогрессирующей когнитивной дисфункцией [35]. S.R. Brenner предполагает участие β-N-метиламино-L-аланина (БМАА), нейротоксина, найденного в головном мозге у пациентов с болезнью Альцгеймера и способного взаимодействовать с NMDA-рецепторами и глутамат-5-рецепторами, а также вызывать оксидативный стресс в нервной системе [36]. Данная молекула продуцируется Cyanobacteria, которые в небольшом количестве имеются в составе кишечной микробиоты человека, и автор статьи приводит гипотезу о стимулирующем влиянии заболеваний или неправильного питания на рост Cyanobacteria, и, как следствие, увеличении продукции БМАА и инициации нейродегенеративных процессов [36]. Вероятно, бактерии способны продуцировать амилоид, проникающий через кишечную стенку [37]. Это запускает процесс активации NF-κB, нарушает регуляцию провоспалительной микроРНК-34а, ведет к нарушению экспрессии TREM2 и ослаблению фагоцитоза; это способствует накоплению амилоида Aβ, лежащего в основе патогенеза заболевания, в структурах головного мозга [37]. 
    В эксперименте Harach et al. на APPPS1 мышах, имеющих мутацию в гене предшественника человеческого амилоида, было показано, что у безмикробных грызунов Aβ–амилоид накапливался в головном мозгу значительно меньше по сравнению с APPPS1 мышами, которые выращивались в обычных условиях; пересадка микробиоты от таких мышей безмикробным грызунам увеличила накопление Aβ-амилоида [38].

    Психиатрические заболевания

    Расстройства аутистического спектра 

    Участие микробиоты в патогенезе заболевания предполагает тот факт, что имеется сильная связь тяжести расстройств аутистического спектра (РАС) и выраженности гастроинтестинальных симптомов (r = 0,59, p
    Косвенно об участии микробиоты в патогенезе РАС свидетельствует то, что применение антибиотиков в кратковременном периоде [45] и пробиотиков [40] улучшает симптоматику аутизма. 
    На основании результатов 7 исследований предполагается, что продукты метаболизма микробов могут играть роль биомаркеров в диагностике РАС [46] (табл. 2). Как считают L. Wang et al., это поможет более ранней диагностике РАС, раннему терапевтическому вмешательству и выбору лечения [46]. 

    Шизофрения

    T.G. Dinan et al. в обзорной статье обращают внимание на то, что у преждевременно рожденных детей риск развития данного заболевания выше [47]. Они считают, что такие дети часто рождаются путем кесарева сечения, и в их кишечнике увеличено представительство C. difficile и снижено – Bifidobacteria и Bacteroides, по сравнению с вагинально рожденными пациентами; в то же время C. difficile-инфекция была ассоциирована со случаями шизофрении и аутизма [47]. Кроме того, концентрация ГФГПК, продукта метаболизма рода Clostridium кишечника, была увеличена в моче у пациентов с острым психотическим приступом шизофрении [48]. 
    По данным исследования B.P. Jørgensen et al., в котором у грызунов с шизофреноподобным поведением, индуцированным субхроническим введением фенилциклидина, профили микробиоты кишечника коррелировали с уровнем памяти; введение же ампициллина дефицит памяти аннулировало [49]. 
    Повышенная концентрация антител к глютену и бычьему казеину наблюдалась у пациентов с шизофренией во многих работах [50]. В то же время была найдена значительная корреляция между данными антителами и антителами к Toxoplasma gondii и Saccharomyces cerevisiae [51]. Такие виды инфекции способны вызывать интестинальное воспаление и транслокацию бактерий из кишечника, что может привести к попаданию патогенов в кровь и индукции иммунной реактивности к тканям организма по механизму мимикрии патогенов [50]. Эта гипотеза может пролить свет на участие микробиоты в развитии заболевания, поскольку на аутопсии у 82 пациентов с шизофренией гастроинтестинальное воспаление встречалось в большинстве случаев (энтерит был обнаружен в 88% случаев, колит – в 92% и гастрит – в 50%) [52]. Также было предположено, что положительный эффект антипсихотиков может быть связан с их влиянием на процессы воспаления в ЖКТ, ассоциированного с антителами к S. cerevisiae [51]. 
    Активно изучается потенциал воздействия микробиоты на формирование депрессии. В частности, было продемонстрировано влияние пробиотиков на головной мозг: потребление здоровыми женщинами ферментированного молока, содержащего Bifidobacterium animalis, подвид Lactis, Streptococcus thermophiles, Lactobacillus bulgaricus и Lactococcus lactis, подвид Lactis в течение 4 нед. привело к изменению активности центров головного мозга, отвечающих за эмоции и чувствительность (уменьшило ответ, связанный с конкретными задачами, в аффективных, соматосенсорных и висцеросенсорных зонах коры) [53]. 
    М. Maes et al., изучив концентрацию IgM и IgA к ЛПС грамотрицательных бактерий у 112 пациентов с депрессией и 28 здоровых добровольцев, пришли к выводу, что у первых уровень антител был увеличен, что может говорить о значении бактериальной транслокации через стенку кишки в патогенезе депрессии [54]. Перемещение ЛПС из ЖКТ в кровоток ассоциируется с симптоматикой депрессии, а введение в рацион самкам крыс Lactobacillus farciminis привело к снижению стресс-индуцированной проницаемости через кишечную стенку, выраженности эндотоксемии и активации гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой системы (ГГНС) [55], которая тоже участвует в развитии депрессии [56]. 
    Исследование N. Sudo et al. продемонстрировало гиперактивацию ГГНС в ответ на стресс у безмикробных мышей [57]. Последующее введение Bifidobacterium infantis вызвало обратное развитие реакции ГГНС на стресс [58]. В двойном слепом рандомизированном плацебо-контролируемом исследовании на здоровых добровольцах в результате приема исследуемой группой пробиотиков, содержащих Lactobacillus helveticus R0052 и B. longum R0175, на протяжении 30 дней было показано уменьшение выраженности депрессии и других видов психологического недомогания по шкале HSCL-90 и HADS по сравнению с волонтерами, принимавшими плацебо [59]. 

    Трансплантация кала 

    Данная методика представляет собой восстановление нормальной микрофлоры кишечника путем приема фекального трансплантата от здорового донора. Доставка образца кала может осуществляться в замороженном виде через назогастральный или колоноскопический зонд, но имеются исследования, показавшие сходную эффективность перорального приема капсул с очищенным и замороженным фекальным инокулятом в лечении диареи, вызванной Clostridium difficile, в сравнении с обозначенными выше способами доставки кала [60]. Систематический обзор N.G. Rossen et al., включающий 45 научных работ, показал эффективность трансплантации кала в лечении некоторых заболеваний (табл. 3) [61]. 
В 2017 г. Европейская рабочая группа по трансплантации фекальной микробиоты (The European FMT Working Group) выпустила консенсус по условиям выбора донора, способа подготовки фекальной микробиоты и ее трансплантации, отслеживанию побочных эффектов, особенностям подготовки центров трансплантации фекальной микробиоты (ТФМ) [62]. В этом же документе с высоким уровнем доказательности приведены рекомендации для лечения рецидивирующей Clostridium difficile-инфекции умеренной и тяжелой степени, в т. ч. резистентных к стандартной терапии форм. 

    Заключение

    Дальнейшие исследования кишечной микробиоты, в т. ч. c использованием самых современных методик, могут помочь лучше понять патогенез множества заболеваний, в т. ч. и тех, которые, казалось бы, мало связаны с микроорганизмами, населяющими кишечник. Это предполагает возможность нахождения новых точек приложения терапии, включая методы, основанные на трансплантации фекальной микробиоты, и методы, изменяющие состав интестинальных микроорганизмов. 

Поделитесь статьей в социальных сетях