Микробиом может стать терапевтической мишенью при боли в суставах, связанной с остеоартрозом

Стрептококковая ассоциация с воспалением и болью остеоартрозного коленного сустава

Состав кишечного микробиома и его отношение к боли и воспалению в суставах

Резюме. Считается, что воспаление, опосредованное макрофагами, играет причинную роль в боли и тяжести, связанных с остеоартрозом, и, как предполагается, вызывается эндотоксинами, продуцируемыми желудочно-кишечным микробиомом. Здесь мы исследуем связь между болью в суставах и составом микробиома желудочно-кишечного тракта, а также боль в колене, связанную с остеоартрозом, в Роттердамском исследовании - крупном популяционном когортном исследовании. Мы показываем, что обилие видов стрептококков связано с повышенной болью в колене, что мы подтверждаем абсолютной количественной оценкой видов стрептококков. Кроме того, мы повторили эти результаты у 867 взрослых европеоидов из голландского исследования Lifelines-DEEP. Наконец, мы показываем доказательства того, что эта ассоциация обусловлена локальным воспалением в коленном суставе. Наши результаты показывают, что микробиом является возможной терапевтической мишенью для боли в колене, связанной с остеоартрозом.

Вступление

Остеоартроз (ОА) является дегенеративным заболеванием суставов и наиболее распространенной формой артрита: по оценкам, 22% взрослого населения имеют по крайней мере один сустав, пораженный остеоартрозом, и эта распространенность увеличивается до 49% у лиц старше 65 лет¹. Характерным клиническим симптомом ОА является боль, которая является одной из ведущих причин инвалидности при ОА². Патологические изменения в ОА затрагивают все ткани сустава: деградацию хряща и кости, аномальное костеобразование (остеофиты) и воспаление синовиальной оболочки (синовит). Хотя ОА часто описывается как заболевание вызванное преимущественно механическими факторами и генетической предрасположенностью, существование воспаления при ОА, местного или системного, широко распространено^3,4,5. Кроме того, стало очевидным, что, способствуя или усугубляя симптомы ОА, преимущественно боль в суставах ОА^4,5,6,7 это местное или системное воспаление играет причинную роль в патологии ОА^3,4,5.

Считается, что ожирение, хорошо известный фактор риска ОА, увеличивает риск ОА за счет увеличения механической нагрузки на несущие суставы. Однако ожирение также увеличивает риск развития ОА в суставах, не несущих нагрузки^5,8. Повышенный риск ОА в суставах, не несущих веса, наблюдаемый у тучных людей, может быть направлен через системное воспаление слабой степени^9,10. Желудочно-кишечный микробиом стал одним из факторов, вызывающих ожирение, связанное с системным воспалением низкой степени тяжести ^10,11,12,13. Ожирение связано с изменениями в составе желудочно-кишечного тракта и микробиома, что может привести к увеличению кишечной абсорбции иммуногенных бактериальных продуктов^12,14,15. Желудочно-кишечные бактерии продуцируют широкий спектр биологически активных молекул, таких как метаболиты, короткоцепочечные жирные кислоты, белки и ферменты, некоторые из которых секретируются в наружные мембранные везикулы / мембранные везикулы (OMVs / MVs). Все грамотрицательные бактерии, археи, грибы и несколько грамположительных бактерий могут конститутивно продуцировать эти пузырьки^16,17,18. Эти везикулы нечувствительны к протеазам, что позволяет предположить, что они могут транспортировать свое содержимое на большие расстояния от мест их происхождения. Содержимое этих везикул может быть доставлено в различные органы концентрированным способом¹⁹. Кроме того, некоторые из этих биологически активных молекул могут влиять на проницаемость слизистой оболочки кишечника (короткоцепочечные жирные кислоты) или активировать иммунную систему (липополисахарид) ²⁰. В частности, эти молекулы могут влиять на активацию макрофагов и пути Toll-подобного рецептора (TLR)^16,21, которые, как недавно было показано, являются преобладающими воспалительными реакциями, наблюдаемыми при ОА⁴. Действительно, повышенный уровень бактериального эндотоксина LPS (липополисахарид) в крови или в синовиальной оболочке пациентов с ОА связан с более тяжелым ОА коленного сустава, болью в колене и воспалением²². Это и другие исследования связывают состав кишечного микробиома с системным и местным воспалением слабой степени, наблюдаемым при OA^23,24,25.

В настоящем исследовании мы изучаем микробиом стула в качестве показателя состава желудочно-кишечного микробиома в отношении тяжести ОА коленного сустава, боли в колене, связанной с ОА, измеряемой по шкале боли WOMAC, и ожирения в большой популяции людей (Роттердамской когорте – ред.). Мы сообщаем о значительной взаимосвязи между численностью видов Streptococcus (spp.) в образцах микробиома кала, болью в коленном суставе WOMAC, воспалением коленного сустава и повторяем эту информацию в др. независимой когорте. Наши результаты указывают на истинную связь между желудочно-кишечным микробиомом, слабым воспалением в колене и болью в коленном суставе при ОА, независимо от ожирения.

Результаты

Роттердамское исследование микробиома когорты

Для 1427 участников Роттердамского исследования (RSIII) мы определили состав желудочно-кишечного микробиома, взяв микробиом стула в качестве образца для кишечного микробиома. В Роттердамском исследовании мы секвенировали две гипервариабельные области гена бактериальной 16S рРНК, гипервариабельные области V3 и V4. После проверки качества считывания результаты были непосредственно сопоставлены с базой данных последовательностей Silva 16S (v128) с использованием классификатора RDP для таксономической классификации. Прогнозирование классификации проводилось на нескольких таксономических уровнях: домен, тип, класс, порядок, семейство и род. Желудочно-кишечный микробиомный состав 1427 участников из когорты Роттердамского исследования микробиома схематично представлен на рис. 1. Всего в нашей когорте насчитывается 596 единичных таксономий, из которых неизвестные и неклассифицированные бактерии исключены, поскольку они не могут быть идентифицированы для клинической терапевтической значимости. На уровне типов доминирующими типами являются Firmucutes (77,8%) и Bacteriodites (12,5%), за которыми следуют протеобактерии (4,9%) и актинобактерии (4,1%, рис. 1). Это согласуется с другими масштабными популяциями-когортами взрослых европеоидов^26,27. Общие характеристики группы по изучению микробиома Роттердамского исследования представлены в таблице 1. Исследуемая популяция (n = 1427) состояла из 57,5% женщин (n = 821) и была слегка тучной, со средним индексом массы тела (ИМТ) 27,5. В общей сложности 124 человека имели рентгенографический ОА колена, в то время как 285 участников сообщили о боли в колене (оценка боли WOMAC>0). Большинство участников, сообщивших о боли в колене, были женщинами (n = 206). Средний балл боли WOMAC также был достоверно выше у женщин по сравнению с мужчинами (P-значение = 1,1×10^-07, T-критерий Стьюдента, Таблица 1).

Рисунок 1. Схематическое представление таксономического обилия кишечного микробиома в Роттердамской исследовательской когорте. a Из обзора количества уникальных таксономий, обнаруженных на каждом уровне, неизвестные и неклассифицированные бактерии были исключены. В качестве примера приведена таксономическая классификация стрептококка. b Кольцевой график относительной численности в процентах (%) различных уникальных типов, присутствующих во всем наборе данных (n = 1427), неизвестные и неклассифицированные бактерии были исключены

---

Таблица 1 Общая характеристика Роттердамского исследования микробиома когорты

Роттердамское Исследование Микробиома	Женщины	Мужчины	Суммарно
Участники когорты	821	606	1.427
Возраст (лет)	56.8 (5.9)	56.9 (5.9)	56.9 (5.9)
ИМТ (кг / м2)	27.4 (4.9)	27.6 (4.0)	27.5 (4.5)
Алкоголь (г / сут)	1.3 (2.7)	1.3 (2.3)	1.3 (2.6)
Курение (да/нет)	98 курильщиков/721 некурящий	97 курильщиков / 507 некурящих	195 текущих курильщиков
PPI (да/нет)	182 пользователя/638 непользователей	114 пользователей / 492 непользователя	296 текущих пользователей
NSAIDs (да/нет)	127 пользователей / 693 непользователя	51 пользователь / 555 непользователей	178 текущих пользователей
Фенотипы колена
Колено OA (да/нет)	84 случая / 456 контролей	40 случаев / 361 контролей	124 случая / 817 контролей
KLSum оценка	1.0 (1.4)	0.7 (1.2)	0.8 (1.3)
WOMAC - средний балл боли	1.2 (2.6)	0.6 (1.9)	0.9 (2.3)
WOMAC - оценка боли > 0	206	79	285
α-метрики разнообразия
Индекс Шеннона	4.0 (4.1)	4.0 (4.0)	4.0 (0.5)
Обратный Индекс Симпсона	26.0 (12.1)	25.5 (12.2)	25.8 (12.2)

• В скобках изображены среднее значение и SD (стандартное отклонение).
• PPI - пероральное применение ингибиторов протонной помпы,
• NSAIDs - пероральное применение нестероидных противовоспалительных препаратов,
• KLSum - сумма баллов Келлгрена-Лоуренса в левом колене и правом колене (см. Рентгенологическая оценка остеоартроза)
• ОА - остеоартроз
• WOMAC - Western Ontario и индекс остеоартрита McMaster

Обилие стрептококков ассоциируется с остеоартрозной (ОА) болью в колене

Во-первых, мы исследовали, был ли общий состав микробиома различным в зависимости от оценки боли WOMAC в коленном суставе и степени тяжести ОА (рентгенологические оценки тяжести ОА по Келлгрену-Лоуренсу). Мы обнаружили, что боль WOMAC в коленном суставе вносит значительный вклад в β-разнообразие кишечного микробиома, оцениваемого на уровне рода (расстояние Эйчисона, r² = 0,0014, P-значение = 0,005, PERMANOVA, дополнительный рис. 1→). Эта связь была ослаблена, когда ИМТ был добавлен в модель и значение было потеряно (r² = 0,00088, P-значение = 0,143, PERMANOVA). Внутрииндивидуальное разнообразие желудочно-кишечного микробиома (α-разнообразие, Индекс Шеннона и Обратный Индекс Симпсона) не было связано с болью в коленном суставе WOMAC. Что касается тяжести ОА коленного сустава (KLsum, n = 941), мы не выявили связи с α- и β-разнообразием желудочно-кишечного микробиома (дополнительная таблица 1→).

Чтобы получить более полное представление о том, какие таксономии кишечного микробиома вызывают ассоциацию с болью в колене WOMAC, мы провели многофакторный анализ ассоциаций на 256 таксономиях, оставшихся после дополнительного QC (контроля качества). После корректировки по возрасту, полу и техническим ковариатам мы обнаружили, что четыре микробиомных обилия достоверно (FDR < 0,05) ассоциированы с тяжестью боли в коленном суставе (табл.2). Все они принадлежали к одной и той же группе; от класса, порядка, семейства, ведущего к бактериальному роду Streptococcus (род: коэффициент = 5,0×10^-03, FDR P-значение = 1,2× 10^-05, MaAsLin, Таблица 2; См. дополнительные данные 1 для получения полной сводной статистики). После дополнительной коррекции на возможные конфаундеры (курение и употребление алкоголя)²⁸, обилие Streptococcus spp. по-прежнему достоверно ассоциировалось с болью в колене WOMAC (коэффициент = 4,8 × 10^-03, FDR P-значение = 3,8×10^-05, MaAsLin, дополнительная таблица 2→). Эта ассоциация в значительной степени не зависит от ИМТ (коэффициент = 4,1×10^-03, FDR P-значение = 2,1×10^-03, MaAsLin, дополнительная таблица 2→). Этническая принадлежность недавно была выдвинута в качестве возможного спутника для состава желудочно-кишечного микробиома²⁶. Однако после исключения из нашего анализа особей с неевропейским происхождением (n = 163), Streptococcus spp. по-прежнему ассоциируется с болью в колене WOMAC (коэффициент = 5.0×10^-03, FDR P-значение = 5.8×10^-05, MaAsLin, дополнительная таблица 3→), Кроме того, после поправки на вмешивающиеся факторы (коэффициент = 4.3×10^-03, FDR P-значение = 1.9×10^-03, MaAsLin). В целом мы обнаружили, что микробиом кишечника, и в частности большее относительное обилие Streptococcus spp., значительно ассоциируется с более высокой болью в колене WOMAC независимо от курения, потребления алкоголя и ИМТ.

---

Таблица 2. Результаты многофакторного линейного регрессионного анализа относительного содержания микробиома кишечника и показателей боли в колене WOMAC в Роттердамском исследовании

Таксономия	%	RS N	RS CoE	RS SE	RS P-value	RS FDR	LLD  N	LLD CoE	LLD SE	LLD  P-value	Meta  N	Meta  P-value
Класс Bacilli	27.3	1419	6.1 × 10−03	1.0 × 10−03	9.1 × 10−09	1.0 × 10−06	867	5.4 × 10−03	1.3 × 10−03	3.6 × 10−05	2286	1.1 × 10−12
Порядок Lactobacillales	100	1417	6.1 × 10−03	1.1 × 10−03	7.6 × 10−09	1.0 × 10−06	864	4.9 × 10−03	1.3 × 10−03	2.4 × 10−04	2281	8.3 × 10−12
Семья Streptococcaceae	79.6	1402	4.9 × 10−03	9.3 × 10−04	1.5 × 10−07	8.7 × 10−06	863	2.9 × 10−03	1.3 × 10−03	2.3 × 10−02	2265	2.1 × 10−08
Род Streptococcus	98.7	1396	5.0 × 10−03	9.3 × 10−04	7.3 × 10−08	5.6 × 10−06	860	3.3 × 10−03	1.6 × 10−03	3.7 × 10−02	2256	1.3 × 10−08

С поправкой на возраст, пол и технические ковариаты: партия выделения ДНК и TimeInMail; CoE - Коэффициент, SE - Стандартная ошибка

• RS: Роттердамское исследование (n = 1427) P-значение, CoE и SE из MaAsLin,
• LLD: LifeLines-DEEP (n = 867) P-значение, CoE и SE из MaAsLin,

Прим. ред.: LifeLines-deep - это подпроект LifeLines в Нидерлндах, предполагаемой популяционной когорты из 167 000 человек, за которой будут следить в течение 30 лет. Когорта LifeLines позволяет подробно исследовать генетические, геномные и метаболические вариации на множестве фенотипических исходов. Отдельно изучаются детерминанты здоровья желудочно-кишечного тракта, область особого интереса, которая может быть решена с помощью LifeLines DEEP. Подпроект LifeLines-deep включает ~1500 человек, имеющих глубокие молекулярные фенотипы на основе профилирования "omics", в том числе: (1) данные о генотипе цельного генома; (2) данные о метилировании цельного генома 450k; (3) данные о экспрессии генов цельного генома; (4) метаболомика из плазмы и выдыхаемого воздуха; и (5) микробиота кишечника.)

• Meta: мета-анализ вместе (Роттердамское исследование и LifeLines-DEEP) и мета-анализ по размеру выборки в METAL (METAL -  инструмент для мета-анализа сканирования геномной ассоциации)
• % Таксономии = процент таксономии от уровня таксономии выше, напр. 23,7% всех Firmicutes являются бациллами. N = количество особей в когорте, где численность микробов не равна нулю для этой таксономии.
• FDR: P-значение, скорректированное для многократного тестирования, частота ложных открытий Бенджамина-Хохберга

Ассоциация стрептококков, не обусловленная приемом пероральных лекарств

Ингибиторы протонной помпы (ИПП) являются одними из наиболее широко используемых безрецептурных препаратов в мире. Они используются для лечения желудочно-пищеводного рефлюкса и профилактики язв желудка. Недавние исследования показали, что состав желудочно-кишечного микробиома у пользователей ИПП сильно отличается от состава без ИПП, в основном из-за сильного увеличения численности лактобацилл, вызванного Streptococcus spp.²⁹. Другим потенциальным лекарством, отпускаемым без рецепта, которое часто принимают пациенты с жалобами на суставы, являются нестероидные противовоспалительные препараты (НПВП), которые также влияют на желудочно-кишечный микробиом. Чтобы выяснить, существует ли связь между обилием Streptococcus spp. и болью WOMAC в коленном суставе, опосредованых применением этих препаратов, в нашу модель мы включили использование ИПП и НПВП в качестве ковариат (в дополнение к возрасту, полу, техническим ковариатам, курению, употреблению алкоголя и ИМТ). После корректировки этих ковариат коэффициент был ослаблен, но связь остается значительной (коэффициент = 3,4×10^-03, значение P = 2,4×10^-04, MaAsLin, дополнительная таблица 4→). В соответствии с этими результатами, исключая всех текущих пользователей ИПП (n = 265) из анализа, обилие Streptococcus spp. достоверно ассоциировалось с более высокой болью в коленном суставе WOMAC (n = 1104, коэффициент = 2,4×10^-03, значение P = 4,0×10^-03, MaAsLin). Таким образом, связь между Streptococcus spp. и болью в колене WOMAC не была вызвана эффектом применения ИПП. Так как показатели боли в коленном суставе WOMAC не были распределены нормально (перекошены влево с переизбытком нулей), мы также оценили ассоциацию, используя модель пуассоновской регрессии, которая может учитывать ненормальное распределение. Здесь также наблюдалась значительная связь с численностью Streptococcus spp. (бета = 1,85, значение P = 1,4×10^-04, регрессия Пуассона). Дальнейший анализ чувствительности, исключая лиц, которые не сообщали о боли (n = 1142) или чьи оценки боли в WOMAC коленного сустава были признаны выбросами (оценка боли WOMAC >10, >4SD, n = 56), привел к небольшим изменениям в коэффициентах ассоциации, однако связь оставалась значительной (дополнительная таблица 5). В целом, эти анализы показывают, что связь между относительным количеством Streptococcus spp. и болью колена WOMAC сильна.

Количественное определение Стрептококков

Поскольку полученные с помощью секвенирования генов 16S рРНК относительные данные микробиома не могут дать информацию о степени или направленности изменений в численности таксонов микробиома³⁰, мы определили абсолютное количество Streptococcus spp. в особях изучаемой нами популяции. Для каждого образца в нашей когорте (n = 1427) мы количественно оценили обилие видов Streptococcus с использованием специфичной для рода количественной ПЦР и суммарной микробной нагрузки с использованием 16S рРНК qPCR. Мы рассчитали абсолютное количество Streptococcus spp. и нормализовали общую бактериальную нагрузку в каждом образце, измеренную с помощью 16S рРНК qPCR. Результаты 16S рРНК-секвенирования и qPCR дали количественно аналогичные результаты (корреляция Спирмена, r = 0,80, P-значение = 2,2×10⁻¹⁶, дополнительный рис. 2→). Используя абсолютное обилие стрептококков, измеренное с помощью qPCR, вместо относительного обилия, полученного из профилей 16S рРНК-секвенирования, мы обнаружили значимую ассоциацию между более высокой болью в колене WOMAC и большим абсолютным количеством Streptococcus spp. (бета = 0,10, P-значение = 7,4 × 10^-03, регрессия Пуассона), а также после корректировки на курение, потребление алкоголя и ИМТ (бета = 0,074, P-значение = 4,5×10^-02, регрессия Пуассона).

Чтобы скорректировать возможную ложную коллинеарность между обилием микробов³¹, мы использовали преобразование изометрического логарифмического отношения (ILR - Isometric logratio). Используя ILR, мы сравнили относительное изобилие Streptococcus spp. против геометрического среднего изобилия всех других родов. ILR-трансформирование обилия Streptococcus spp. также показало связь с болью в колене WOMAC (P-значение = 9,9×10^-06, MaAsLin, дополнительная таблица 6→). Ассоциация оставалась значимой после корректировки на курение, потребление алкоголя и ИМТ (P-значение = 8,4×10^-04, MaAsLin, дополнительная таблица 6→), а также использование НПВП и ИПП (P-значение = 8,5×10^-03, MaAsLin, дополнительная таблица 6→). Результаты qPCR и трансформация ILR демонстрируют, что ассоциация между обилием Streptococcus spp. и болью в колене WOMAC не являются артефактом секвенирования 16S рРНК.

Независимая репликация стрептококковой ассоциации

Мы искали репликацию (усиление) для всех четырех ассоциаций с болью WOMAC, то есть класса, порядка, семейства и бактериального рода Streptococcus, в независимой голландской когорте LifeLines-DEEP (LLD) (дополнительная таблица 7→). У LLD меньший размер выборки (n = 867), более молодой возраст (средний возраст = 45,6) и меньше людей с болью в колене, связанной с ОА (боль WOMAC>0, n = 197), однако средняя боль в колене WOMAC была очень похожа по сравнению с когортой Роттердамского исследования (RS = 0,9 и LLD = 0,9, таблица 1 и дополнительная таблица 7→). Несмотря на более низкую мощность в репликационной когорте, мы наблюдали достоверную ассоциацию (P-значение <0,05) между показателями WOMAC-боли в коленном суставе и всеми четырьмя таксономиями для рода Streptococcus (коэффициент _{репликации} = 3,3×10^–03, P-значение _{репликации} = 3,7×10⁻⁰², MaAsLin, таблица 2). Кроме того, в мета-анализе RS и LLD, большее обилие Streptococcus spp. достоверно ассоциировалось с более высокой болью в коленном суставе (P-значение_meta = 1,3×10^–08, MaAsLin, n = 2256, таблица 2). После корректировки на ИМТ мы обнаружили значительную репликацию (усиление) по классу, порядку и уровню семейства Streptococcacea (коэффициент _{репликации} = 2,7×10^–03, P-значение _{репликации} = 3,5×10^–02, MaAsLin, дополнительная таблица 8→). Висследовании репликации дополнительная поправка на ИМТ несколько ослабила ассоциацию, уменьшив коэффициент на 9,1% для рода Streptococcus (дополнительная таблица 8→). Это согласуется с 14,5%-ным снижением коэффициента для стрептококка, наблюдаемым в группе discovery после коррекции ИМТ (дополнительная таблица 2). В мета-анализе RS и LLD с поправкой на ИМТ ассоциация между болью в колене WOMAC и Streptococcus spp. была весьма значимой (P-значение_meta = 1.1×10^-06, METAL, n = 2256, дополнительная таблица 8→).

Стрептококковая ассоциация с воспалением коленного сустава

Если обилие Streptococcus spp. причинно связано с болью в области коленного сустава, возможный механизм может заключаться в локальном праймировании макрофагов в синовиальной оболочке, что приводит к воспалению²². Для случайного подмножества когорты Роттердамского исследования микробиома были доступны магнитно-резонансные изображения коленного сустава (МРТ) (n = 373, все женщины)³² во время измерений микробиома. Воспаление коленного сустава оценивали по количеству выпота в большеберцовом и бедренном суставах обоих коленей. Мы обнаружили, что более высокие оценки боли по шкале WOMAC достоверно коррелировали с большим выпотом из коленного сустава (корреляция Спирмена r = 0,14, значение P = 9,0×10^–03). Кроме того, мы наблюдали, что большее обилие Streptococcus spp. было значительно связано с большим выпотом в коленных суставах (коэффициент = 1,0×10^–02, значение P = 1,3×10^–02, MaAsLin, таблица 3). Когда к модели добавили боль WOMAC, ассоциация выпота коленного сустава с Streptococcus spp. исчезает (коэффициент = 3,3×10^–03, P-значение = 0,21, MaAsLin), указывая на то, что ассоциация Streptococcus spp. с тяжестью боли в колене обусловлена тяжестью воспаления колена.

Таблица 3. Результаты ассоциативного анализа стрептококка и выпота коленного сустава

Таксономия	N	Model 1 CoE	Model 1 P-value	Model 2 CoE	Model 2 P-value
Класс Bacilli	314	9.4 × 10−03	3.4 × 10−02	2.7 × 10−03	3.5 × 10−01
Порядок Lactobacillales	314	9.8 × 10−03	2.7 × 10−02	2.7 × 10−03	3.6 × 10−01
Семья Streptococcaceae	310	9.6 × 10−03	1.7 × 10−02	3.0 × 10−03	2.6 × 10−01
Род Streptococcus	308	1.0 × 10−02	1.3 × 10−02	3.3 × 10−03	2.1 × 10−01

• Воспаление коленного сустава измеряли как тяжесть выпота, измеренную при МРТ коленного сустава. МРТ коленного сустава были доступны только для подгруппы женщин, страдающих ожирением, из набора данных «Rotterdam Study Microbiome» (n = 373). Первая модель оценивала связь выпота коленного сустава с микробиомом с поправкой на возраст, пол, партию выделения ДНК и TimeInMail (технические ковариаты).
• Вторая модель была оценена по шкале боли WOMAC с учетом возраста, пола, технических ковариат и степени выпота.
• Значения P (P-value) были определены с помощью анализа MaAsLin.
• CoE - коэффициент
• N = количество особей в когорте, где численность микробов не равна нулю для этой таксономии

Обсуждение

Используя большую, глубоко фенотипизированную популяционную когорту, мы выявили значительную связь между большей относительной и абсолютной численностью Streptococcus spp. и болью в колене. Эти результаты были подтверждены путем репликации в независимой когорте и мета-анализа. Наконец, мы представили доказательства того, что эта связь была вызвана местным воспалением в суставе.

Мы наблюдали, что β-разнообразие кишечного микробиома было достоверно связано с показателями (WOMAC) боли коленного сустава. После индивидуального тестирования 256 таксономий мы обнаружили микробиомную связь с болью WOMAC в коленном суставе и большим обилием Streptococcus spp.  - относительное изобилие было связано с более высокой болью. Мы обнаружили, что эта связь является устойчивой, не связанной с последствиями курения, употребления алкоголя, пероральных лекарств или ИМТ^28,29. Также не было обнаружено связи артефактов профилей микробиома как относительных фракций 16S рРНК-секвенирования, или из-за возможной коллинеарности полученных  данных^30,33.

Хотя результаты анализа чувствительности соответствовали истинной ассоциации между Streptococcus spp. и болью в колене WOMAC в нашей когорте, проверка в независимой когорте необходима. Однако воспроизводство численности микробиома затруднено, так как данные могут не совпадать между исследованиями, если подготовка образцов и анализ данных не выполняются точно таким же образом³⁴. Мы искали репликацию в когорте LLD (LifeLines-DEEP), которая имеет другую популяцию исследования и метод подготовки данных, чем наша когорта²⁷. Несмотря на эти различия, мы смогли воспроизвести нашу ассоциацию в LLD для всех таксономических уровней, класса, порядка, семейства и для рода Streptococcus. Кроме того, в метаанализе RS (Роттердамское исследование) и LLD, Streptococcus spp. был значительно связан с болью в колене WOMAC.

Предполагается, что опосредованные ожирением изменения в желудочно-кишечном тракте и микробиоме влияют на системное и местное воспаление низкого уровня при ОА (остеоартрозе)^23,24,25. Тем не менее, в нашем исследовании влияние Streptococcus spp. на боль в колене WOMAC не полностью обусловлена ​​ИМТ. Это говорит о непосредственной роли желудочно-кишечного микробиома в болях и воспалениях, связанных с ОА. Мы постулируем, что большее обилие Streptococcus spp. приводит к более высокой боли в колене WOMAC через местное воспаление суставов. Это согласуется с нашим наблюдением, что обилие Streptococcus spp. было значительно связано с тяжестью выпота в коленных суставах. Это приводит к убеждению, что Streptococcus spp. может также участвовать в других воспалительных болях в суставах. Это не исключено, так как несколько видов Streptococcus были связаны с остеомиелитом^35,36, ревматизмом^37,38 и постстрептококковым реактивным артритом^39,40. Последние два являются расстройствами, при которых из-за молекулярной мимикрии со стрептококком группы А образуются перекрестно-реактивные антитела против тканей сустава, приводящие к ревматическому воспалению сустава и повреждению³⁸. Однако эти нарушения затрагивают в основном патогенные виды, такие как S. pyogenes. Тем не менее, большинство видов Streptococcus являются комменсальными видами и были обнаружены в микробиоме полости рта, желудочно-кишечного тракта человека^41,42,43, однако они могут продуцировать иммуногенные бактериальные продукты. Было показано, что несколько Streptococcus spp. конститутивно производят MVs (мембранные везикулы)¹⁸. Эти MVs могут представлять собой стрептококковые эпитопы и / или могут содержать иммуногенные продукты^17,24. Такие бактериальные продукты могут вызвать активацию макрофагов через TLR-пути. Этот тип активации макрофагов преимущественно наблюдается при воспалении суставов, связанном с ОА¹⁶, ²¹ и, как полагают, связан с болью^3,4,5,6,7.

Поэтому мы предлагаем, чтобы большое изобилие Streptococcus spp. может привести к увеличению количества бактериальных продуктов в кровообращении за счет увеличения выработки метаболитов, которые проходят через кишечно-гематоэнцефалический барьер, или через иммуногенные продукты, которые вызывают локальные или системные макрофаги. Мы суммировали эту гипотетическую модель на рис. 2.

 

Рисунок 2. Предложен гипотетический патофизиологический механизм, объясняющий ассоциацию между микробиомом кишечника (Streptococcus spp.), болью в колене WOMAC и выпотом колена. Причинно-следственная связь между Streptococcus spp не установлена, однако, если такая причинно-следственная связь существует, мы предлагаем следующую модель: известно, что представители Streptococcus spp. продуцируют метаболиты и мембранные везикулы, которые могут взаимодействовать с клетками-хозяевами. Эти бактериальные продукты могут проходить через кишечный барьер, и, возможно, либо:

---

Выводы

Наши результаты показывают разницу в β-разнообразии микробиомов у людей с более высокими показателями боли WOMAC в коленном суставе, что обусловлено большей распространенностью Streptococcus spp. Эта ассоциация очень достоверна. Более того, мы воспроизвели наши выводы в независимой когорте. Однако наше исследование имеет некоторые ограничения. Во-первых, использовался перекрестный дизайн исследования, и он не может однозначно установить причинно-следственную связь. Для этого необходимы продольные исследования. Во-вторых, необходимы другие последующие исследования, чтобы лучше выяснить молекулярный путь, соединяющий виды Streptococcus, воспаление колена и боль WOMAC, чтобы подтвердить или отвергнуть нашу постулированную гипотезу (рис. 2). Кровь и ткани суставов могут быть исследованы на наличие стрептококковых мембранные везикул (MVs), метаболитов и их возможной связи с воспалением коленного сустава и тяжестью боли WOMAC. В-третьих, чтобы проверить, является ли ассоциация, обнаруженная в этом исследовании, уникальной для боли в коленном суставе, следует изучить другие количественные измерения боли, а также измерения боли в других суставах. Кроме того, можно было бы изучить и другие воспалительные заболевания суставов. В-четвертых, из-за ограниченного разрешения методологии 16S рРНК-секвенирования мы не смогли определить, является ли конкретный вид или штамм стрептококка движущей силой ассоциации. Наконец, мы не обнаруживаем связи между тяжестью ОА (остеоартроза) коленного сустава (KLsum) и составом желудочно-кишечного тракта и микробиома. Тяжесть ОА коленного сустава, однако, измерялась по степени тяжести ОА рентгенографического характера, и это не включает клинический симптом боли в суставах. Хотя, учитывая наш предложенный механизм, можно ожидать это влияние на тяжесть ОА коленного сустава, так как воспаление может привести к повреждению сустава. Вполне возможно, что в нашем исследовании в настоящее время не хватает мощности для выявления такой ассоциации или требуется продольный дизайн для обнаружения таких эффектов на тяжесть ОА или прогрессирование заболевания.

В итоге мы демонстрируем связь между большей численностью Streptococcus spp. и более высокой болью в колене, связанной с остеоартрозом, но причинная связь этой ассоциации должна быть установлена. Возможным объяснением обнаруженной ассоциации является индукция или обострение локального воспаления суставов Streptococcus spp. Точные механизмы, с помощью которых Streptococcus spp. может спровоцировать воспаление суставов, неизвестно. Мы предположили, что он может включать метаболиты или MVs, продуцируемые Streptococcus spp. в желудочно-кишечном тракте. Поскольку боль в суставах является одним из наиболее значимых клинических симптомов ОА, а боль при ОА имеет большое социально-экономическое бремя, крайне важно определить новые методы лечения, которые уменьшают клинические симптомы, в частности боль.

Наши результаты указывают на то, что микробиом является терапевтической мишенью при боли в суставах, связанной с остеоартрозом, и, возможно, при других воспалительных болях в суставах.

Желудочно-кишечный микробиом является многообещающей терапевтической мишенью, потому что он чувствителен к изменениям посредством (диетических) вмешательств. Это может предложить легкодоступные и безопасные варианты лечения боли, связанной с ОА. Следовательно, крайне важно изучить причинный механизм и возможный перевод настоящих результатов в клиническую практику.

Методы исследования в данном разделе не рассматриваются.

Дополнительная информация к разделу (pdf): Supplementary Information

См. также: Микробиом полости рта, кишечника и артрит

Литература:

Будьте здоровы!