Главная \ 2. Пробиотики (биодобавки) \ Микробиом человека \ Микрофлора ЖКТ \ Микрофлора ЖКТ и сахарный диабет \ Микрофлора кишечника влияет на предрасположенность к аутоиммунным заболеваниям

О взаимосвязи между составом микрофлоры, гормонами, метаболизмом и аутоиммунным диабетом

МИКРОФЛОРА КИШЕЧНИКА ВЛИЯЕТ НА ПРЕДРАСПОЛОЖЕННОСТЬ К АУТОИММУННЫМ ЗАБОЛЕВАНИЯМ

О взаимосвязи между составом микрофлоры, гормональным статусом, метаболизмом и аутоиммунным диабетом 1 типа

Группа ученых из Канады, США, Германии и Швейцарии показала прямую связь между составом микрофлоры кишечника и уровнем половых гормонов у мышей, предрасположенных к аутоиммунному диабету первого типа. Чем ниже уровень гормона тестостерона, тем ниже устойчивость к этому заболеванию, поэтому самки заболевают им чаще, чем самцы. Исследователи также продемонстрировали возможность изменять гормональный статус самки, пересаживая ей микрофлору кишечника самца. Благодаря такой пересадке удалось уменьшить у самок заболеваемость диабетом первого типа.

Рис.1. Мышь линии NOD (слева), предрасположенная к диабету первого типа, была впервые выведена в Японии в 1980 году. Фото с сайта www.nature.com

При аутоиммунных заболеваниях иммунная система организма, в норме призванная защищать его от патогенов, по каким-то причинам начинает атаковать его собственные ткани. Это может происходить как путем выработки антител против собственных белков, углеводов, нуклеиновых кислот организма, так и при участии лимфоцитов, нацеленных на убийство собственных клеток. По малоисследованным пока причинам многие аутоиммунные заболевания намного чаще встречаются у женщин, чем у мужчин (рис. 2). В числе таких заболеваний — системная красная волчанка, рассеянный склероз, ревматоидный артрит.

Для исследования причин этих различий объединились ученые из Канады, США, Германии и Швейцарии. В качестве модели для своего исследования они выбрали особую линию лабораторных мышей, склонных к заболеванию диабетом первого типа, — линию NOD (NOD mice, non-obese diabetic mice — «нетолстые диабетические мыши»). Самки таких мышей заболевают намного чаще, чем самцы. И хотя у человека, в отличие от мышей линии NOD, частота встречаемости этого заболевания от пола не зависит (см. рис. 2), мыши линии NOD являются хорошей моделью для изучения механизмов половой предрасположенности к различным аутоиммунным заболеваниям.

Рис. 2. Сравнение частоты встречаемости аутоиммунных заболеваний у женщин и мужчин из США и Европы. По оси X отложен средний возраст, в котором у пациента проявляются первые признаки заболевания. По оси Y — процент женщин среди больных этого возраста для разных заболеваний. Базовая линия — 50%, то есть равные доли женщин и мужчин среди пациентов. Буквами сокращенно обозначены различные аутоиммунные заболевания, в том числе диабет I типа (T1D, type 1 diabetes), системная красная волчанка (SLE, systemic lupus erythematosus), рассеянный склероз (MS, multiple sclerosis), ревматоидный артрит (RA, rheumatoid arthritis), склеродерма (SSc, systemic sclerosis (scleroderma)), тиреоиодит (TH, thyroiditis). Обратите внимание, что, в отличие от других аутоиммунных заболеваний, диабет I типа встречается в равной степени у женщин и мужчин. Рисунок из обзора Carole Ober, Dagan A. Loisel & Yoav Gilad Sex-specific genetic architecture of human disease в Nature Reviews Genetics

Диабет первого типа — это заболевание, при котором вырабатывается недостаточное количество инсулина, из-за чего уровень сахара в крови больных постоянно повышен. Инсулин стимулирует поглощение клетками глюкозы, содержащейся в крови; а при недостатке инсулина в крови остается избыток непоглощенной глюкозы. Глюкоза — основной и универсальный источник энергии организма, поэтому недостаточное ее поступление в клетки нарушает обмен веществ. Инсулин вырабатывают особые клетки поджелудочной железы, образующие скопления — так называемые островки Лангерганса. Недостаток инсулина может быть вызван гибелью этих клеток из-за стресса, вирусной инфекции или же аутоиммунной атаки.

В норме иммунная система должна активизироваться только при попадании в организм чужеродных веществ, которые могут свидетельствовать о бактериальном или вирусном заражении, — антигенов (например, компонентов клеточных стенок бактерий). На такие антигены вырабатываются антитела — особые молекулы, с высокой точностью распознающие антигены и связывающие их. Связывание антител с антигенами запускает сложный каскад биохимических реакций, результатом которого становится уничтожение чужеродных микроорганизмов. Также на появление антигенов реагируют Т-лимфоциты, которые уничтожают клетки с чужеродными антигенами на поверхности.

Аутоиммунные заболевания — результат ошибочного распознавания иммунной системой собственных молекул организма в качестве антигенов. При этом иммунная система начинает атаковать собственные клетки организма, принимая их за инфекционных агентов. В случае аутоиммунной атаки поджелудочной железы Т-лимфоциты попадают в островки Лангерганса и уничтожают их клетки, а также образуются аутоиммунные антитела против антигенов островков, в том числе и инсулина.

Именно такой диабет, вызванный патологией иммунной системы, и изучали исследователи. Болезнь у мышей линии NOD развивается как и у человека: начинается выработка антител к антигенам островков Лангерганса, в том числе, против инсулина, а в поджелудочной железе можно обнаружить лимфоциты, вызывающие гибель клеток островков.

Из более ранних исследований было известно, что диабет встречается у самок мышей линии NOD чаще, чем у самцов, у кастрированных самцов — чаще, чем у нормальных, и что введение самкам андрогенов — гормонов, которые вырабатываются у самцов в значительно больших количествах, чем у самок, уменьшает у самок частоту этого заболевания. Также было известно, что частота заболеваний диабетом первого типа у этой линии мышей положительно коррелирует с гигиеничностью условий их содержания, то есть мыши, содержащиеся в стерильных условиях (в отсутствие каких-либо микроорганизмов), заболевают чаще других. «Тренировка» иммунной системы мышей регулярным введением им бактериальных антигенов понижала частоту заболеваний. Все эти факты указывали на роль как гормональных, так и бактериальных факторов на развитие аутоиммунного диабета первого типа.

Чтобы исследовать роль микроорганизмов в повышении устойчивости самцов к диабету первого типа, ученые выращивали мышей в разных условиях: 1) в условиях отсутствия только патогенных микроорганизмов или 2) в полностью стерильных условиях, когда отсутствовали вообще какие бы то ни было микроорганизмы. Оказалось, что самцы, содержавшиеся в полностью стерильных условиях, заболевали диабетом первого типа так же часто, как и самки. При этом самцы, жившие в условиях отсутствия только патогенных микроорганизмов, заболевали, как это обычно и бывает, в два раза реже самок. Это говорило о том, что за устойчивость самцов к аутоиммунному диабету первого типа отвечает какой-то микроорганизм, которого не было в полностью стерильных условиях, но который оставался в условиях отсутствия патогенов (рис. 3).

Рис. 3. Процент заболеваний аутоиммунным диабетом первого типа у мышей, содержавшихся в условиях отсутствия патогенов (А) или в полностью стерильных условиях (В). Видно, что в условиях отсутствия патогенов к возрасту 40 недель заболевает в два раза меньше самцов (зеленая кривая), чем самок (красная кривая). При содержании в полностью стерильных условиях самцы (желтая кривая) заболевали так же часто, как и самки (синяя кривая). Такой высокий процент заболеваний объясняется тем, что исследования велись на особой линии лабораторных мышей, склонных к заболеванию аутоиммунным диабетом первого типа (линии NOD). Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

При введении мышам, содержавшимся в стерильных условиях, так называемой измененной флоры Шедлера — набора из восьми микроорганизмов, способных частично заменить отсутствующую микрофлору кишечника — наблюдалась тенденция к восстановлению самцами нормальной устойчивости к диабету первого типа, что подтверждало догадку о роли микрофлоры в формировании такой устойчивости.

Исследование гормонального статуса мышей содержавшихся в разных условиях показало, что у самок, содержавшихся в стерильных условиях, уровень тестостерона был повышен по сравнению с самками, содержавшимися в условиях отсутствия только патогенных микроорганизмов (рис. 4). У самцов ситуация была обратной: у тех, которые содержались в стерильных условиях, тестостерона было меньше. Таким образом, было показано, что микроорганизмы влияют на гормональный статус подопытных мышей.

Рис. 4. Зависимость выработки тестостерона у мышей от условий их содержания — условий отсутствия патогенов (SPF) или же полностью стерильных условий (GF). Видно, что у самцов (M) вырабатывается больше тестостерона при содержании в условиях отсутствия патогенов, а у самок (F) — в стерильных условиях. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Исследователи провели анализ микрофлоры кишечника у мышей разных возрастов и выяснили, что половые различия в составе микрофлоры начинают проявляться лишь с определенного возраста мышей. Чтобы проверить, что повышенная устойчивость самцов к диабету первого типа обуславливается именно их специфической микрофлорой, бактерий взрослых самцов пересаживали молодым самкам. Исследование микрофлоры этих самок после такой пересадки показало, что их микрофлора отличалась и от характерной для самцов, и от характерной для самок.

Удалось показать, что пересадка микрофлоры кишечника от самцов самкам, вызывает изменения в гормональном статусе последних (рис. 5), а именно, что происходит значительное повышение уровня тестостерона у них в крови. Различия сохраняются в течение нескольких недель после пересадки микрофлоры. Исследователи также показали, что такое повышение уровня тестостерона, вызванное пересадкой микрофлоры, не влияет на плодовитость самок-реципиентов.

Рис. 5. Изменения гормонального статуса самок, которым пересаживали микрофлору от различных доноров. Видно, что при пересадке микрофлоры самцов у самок-реципиентов повышается уровень тестостерона, однако со временем эти различия сходят на нет. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Чтобы оценить влияние микрофлоры на метаболизм подопытных животных, ученые исследовали у них содержание 183 метаболитов методом масс-спектрометрии. Оказалось, что содержание исследованных метаболитов практически не различается у самцов и у самок, если их содержать в полностью стерильных условиях. Однако в условиях, когда отсутствуют лишь патогенные микроорганизмы, в метаболизме самцов и самок заметны существенные различия. Наиболее выражены они в содержании глицерофосфолипидов и сфинголипидов. Содержание многих из этих веществ также различается в организмах мужчин и женщин (cм.: K. Mittelstrass et al., 2011. Discovery of Sexual Dimorphisms in Metabolic and Genetic Biomarkers), так что, возможно, эти половые различия метаболизма являются эволюционно консервативными.

Оказалось, что пересадка микрофлоры самцов самкам влияет на метаболизм самок-реципиентов; однако эти изменения исчезают при введении самкам антагонистов андрогеновых рецепторов, блокирующих передачу сигналов андрогенами. Таким образом, было показано, что влияние микрофлоры на метаболизм подопытных мышей осуществляется исключительно через гормоны андрогены.

Пересадка микрофлоры самцов сделала самок-реципиентов значительно более устойчивыми к заболеванию диабетом первого типа (рис. 6). Такая повышенная устойчивость пропадала при введении антагонистов андрогеновых рецепторов, что подтвердило роль гормональной системы как посредника, через которого передается влияние микрофлоры на организм хозяина.

Рис. 6. Процент заболеваний аутоиммунным диабетом первого типа у обычных самок (черная кривая), самок, которым пересаживали микрофлору других самок (красная кривая), и самок, которым пересаживали микрофлору самцов (синяя кривая). Видно, что к 35-й неделе меньше всего животных заболело среди самок, которым пересаживали микрофлору самцов. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Чтобы изучить механизм такой устойчивости к аутоиммунному диабету, ученые измерили количество антител к инсулину в крови подопытных животных (рис. 7). Оказалось, что у самок, которым пересадили микрофлору самцов, таких антител меньше, чем в крови у обычных самок. Таким образом, была обнаружена по крайней мере одна из причин, почему самцы и самки, которым пересадили микрофлору самцов, менее предрасположены к аутоиммунным заболеваниям.

Рис. 7. Содержание антител к инсулину у различных групп подопытных самок мышей. Видно, что у самок, которым пересаживали микрофлору самцов, уровень антител к инсулину очень низкий (синий столбик). У самок, которым пересаживали микрофлору самцов, но при этом вводили блокатор андрогеновых рецепторов (желтый столбик), антител было также много, как у самок, которым пересаживали микрофлору других самок (красный столбик), а также у самок, которым ничего не пересаживали (черный столбик). У самок, которым вводили клетки самцов, а не их микрофлору, уровень антител к инсулину тоже был высоким (зеленый столбик). Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Ученые также исследовали, влияет ли микрофлора на «агрессивность» Т-лимфоцитов, вызывающих гибель клеток островков Лангерганса. Для этого Т-клетки исследуемых мышей пересаживали другим животным и сравнивали время, через которое у них будет развиваться диабет. Было показано, что Т-клетки самок, получивших микробиоту самцов, вызывают диабет первого типа значительно позже, чем Т-клетки обычных самок, то есть микрофлора самцов делает лимфоциты менее склонными к аутоиммунной агрессии.

Таким образом, в этой работе были показаны взаимосвязи между составом микрофлоры, гормональным статусом, метаболизмом и предрасположенностью к аутоиммунным заболеваниям у мышей линии NOD. Найдены причины половых различий в частоте заболевания аутоиммунным диабетом первого типа и продемонстрирована роль половых гормонов в формировании таких различий.

Авторы отмечают, что у человека нет разницы в частоте заболеваний диабетом первого типа у мужчин и женщин, возможно, потому, что большинство людей заболевает диабетом первого типа в детском возрасте, еще до формирования половых различий в составе микрофлоры. Однако появляются данные о дисбалансе микрофлоры у пациентов с различными аутоиммунными заболеваниями (см.: Christopher T. Brown et al., 2011. Gut Microbiome Metagenomics Analysis Suggests a Functional Model for the Development of Autoimmunity for Type 1 Diabetes и Daniel N. Frank et al., 2011. Investigating the biological and clinical significance of human dysbioses), что свидетельствует о важности изучения этого фактора и механизмов его влияния на состояние организма.

Источник: Janet G. M. Markle, Daniel N. Frank, Steven Mortin-Toth, Charles E. Robertson, Leah M. Feazel, Ulrike Rolle-Kampczyk, Martin von Bergen, Kathy D. McCoy, Andrew J. Macpherson, Jayne S. Danska. Sex Differences in the Gut Microbiome Drive Hormone-Dependent Regulation of Autoimmunity // Science. 2013. V. 339. P. 1084–1088.

Автор: Юлия Кондратенко / Сайт «Элементы большой науки»

К разделу: Микрофлора и сахарный диабет

Ссылки по теме:

Будьте здоровы!

Перейти к ссылкам к основным разделам