Отдельные пробиотические свойства Propionibacterium spp.

НЕКОТОРЫЕ ПРОБИОТИЧЕСКИ ЗНАЧИМЫЕ СВОЙСТВА КЛАССИЧЕСКИХ ПРОПИОНОВОКИСЛЫХ БАКТЕРИЙ PROPIONIBACTERIUM spp.

 

ИЗОМЕРИЗАЦИЯ ЛИНОЛЕВОЙ КИСЛОТЫ, НЕЙТРАЛИЗАЦИЯ ЛЕКТИНОВ и АПОПТОЗ РАКОВЫХ КЛЕТОК С ПОМОЩЬЮ ПРОПИОНОВОКИСЛЫХ БАКТЕРИЙ

---

СОДЕРЖАНИЕ

• Вступление
• Конъюгированная линолевая кислота и ПКБ
• Кратко о КЛК
• ПКБ нейтрализуют опасные для организма лектины
• Что такое лектины?
• Почему лектины токсичны?
• ПКБ удаляют in vitro диетические лектины (результаты исследований)
• Апоптоз раковых клеток и ПКБ
• Определение апоптоза
• Видео о механизмах апоптоза
• Пропионовокислые бактерии синтезируют полифосфаты (доп. информация)

Вступление. Биомасса классических пропионовокислых бактерий Propionibacterium ѕрр. является источником многих пробиотически значимых веществ (метаболитов), таких как витамины группы В (особенно В12), короткоцепочечные жирные кислоты (пропионовая и уксусная), бактериоцины (пропионицины), антиокидантные ферменты (СОД, каталаза и пероксидаза), антимутагенные вещества, дисахарид трегалоза (Trehalose) и т.д. Также, одними из пробиотически значимых свойств пропионовокислых бактерий, является их способность к изомеризации линолевой кислоты (перевод ее в конъюгированную форму), а также способность к нейтрализации лектинов, разрушающих слизистую оболочку ЖКТ и апоптоз раковых клеток.

КОНЪЮГИРОВАННАЯ ЛИНОЛЕВАЯ КИСЛОТА и ПРОПИОНОВОКИСЛЫЕ БАКТЕРИИ

Продолжая тему, стоит кратко описать способность ПКБ к получению конъюгированной линолевой кислоты. Доктор биологических наук Л.И. Воробьева и соавт. ранее показали выраженные антимутагенные свойства классических молочных пропионовокислых бактерий P. freudenreichii по предотвращению мутаций, вызванных самыми различными мутагенными агентами. Положительное действие здесь также достигается и за счет синтеза пропионовыокислыми бактериями P. freudenreichii (P. shermanii) соединений с полезными физиологическими и антиканцерогенными свойствами через изомеризацию линолевой кислоты (трансформирование линолевой кислоты в конъюгированную форму).

Конъюгированная линолевая кислота (КЛК) – ненасыщенная С18 жирная кислота, образуемая в организме животного как незаменимая. Она представляет собой смесь изомеров. Участвует в липидном обмене, имеет существенное значение для свертываемости крови и структуризации цитоплазматической мембраны. Проявляет ряд полезных для здоровья человека действий: антиканцерогенное, антиатерогенное, антидиабетическое, антиоксидантное, модулирует иммунную систему и регулирует жировой статус.

Штаммы P. freudenreichii способны превращать (трансформировать) изомеры линолевой кислоты в конъюгированные формы с высокой эффективностью (50-90%). Это происходит вне клеток, т.е. во внешней среде. Способность обогащать ЖКТ человека изомерами КЛК можно считать пробиотическим свойством. 

Коротко о конъюгированной линолевой кислоте

CLA от англ. Conjugated linoleic acids или конъюгированная линолевая кислота - группа изомеров линолевой кислоты, обнаруженные в мясе и молочных продуктах. Конъюгированная линолевая кислота представляет собой изомер линолевой кислоты. 

В 1979 году, исследователи университета Wisconsin исследовали свойства экстракта говяжьего мяса, который наносился на кожу мышей, после чего кожу подвергали воздействию мощных канцерогенов. В итоге было обнаружено, что экстракт говяжьего мяса снижал частоту возникновения опухоли на 20% (Williams, Lane; Publishing, Woodland (1999-01). CLA: Conjugated Linoleic Acid - Google Book Search. Woodland Publishing). Это значило, что в экстракте присутствовали противоопухолевые вещества, которыми оказались CLA, идентифицированные только в 1987 году, ученым Michael Pariza.

Известные своими антиканцерогенными свойствами, CLA также способны снижать риск сердечно-сосудистых заболеваний, а также оказывать противовоспалительное действие (Zulet MA, Marti A, Parra MD, Martínez JA (September 2005). "Inflammation and conjugated linoleic acid: mechanisms of action and implications for human health". J. Physiol. Biochem. 61 (3): 483–94).

Комментарий к рисунку:

В данном изомере связи-заместители меняют свое место. Одна из них располагается между 6-м и 7-м углеродами, а другая между 8-м и 9-м. Такое близкое местоположение позволяет им влиять друг на друга, а также на единственную свободную связь атомов углерода, стоящую между ними.

Второе отличие двух родственных кислот (линолевой и ее конъюгированной формы) в расположении связей-заместителей относительно плоскости цепочки. В простой линолевой это цис-форма, то есть по одну сторону, а в конъюгированной возможно наличие транс-формы, то есть по разные.

Благодаря таким, казалось бы, незначительным различиям конъюгированная линолевая кислота приобретает новые свойства. В частности, она способна выполнять две функции - подавлять деятельность липопротеиновой липазы, как транспортера жиров из крови в клетки, и одновременно усиливать распад имеющегося в организме жира, в то время как обычная линолевая, наоборот, способствует накоплению жиров.

---

ПРОПИОНОВОКИСЛЫЕ БАКТЕРИИ НЕЙТРАЛИЗУЮТ ОПАСНЫЕ ДЛЯ ОРГАНИЗМА ЛЕКТИНЫ

Среди обширных детоксицирующих свойств пропионовокислых бактерий следует отдельно отметить их способность нейтрализовывать лектины, которые разрушают слизистую желудочно-кишечного тракта и способны вызвать тяжелые заболевания. Пропионовокислые бактерии удаляют лектины с поверхности слизистой ЖКТ, замещая их собой, например, P. freudenreichii способны удалить 60-70% конканавалина А и якалина с эпителиальных клеток кишечника (см.: Рыжкова Е.П. Классические пропионовокислые бактерии как пробиотики / Учебное пособие – М.: изд. Биологический факультет МГУ, 2018 – 44с.) 

ЧТО ТАКОЕ ЛЕКТИНЫ? 

Растительные лектины являются специфическими углеводсвязывающими белками, которые широко распространены в бобовых культурах, семенах, злаках и др. растениях, в т.ч. используемых в качестве кормов для сельскохозяйственных животных. Они обладают высокой устойчивостью к варке и перевариванию, достигая просвета кишечника и/или кровообращения с биологической активностью. Поскольку многие растительные лектины вызывают вредные местные и системные реакции после их связывания с поверхностью слизистой оболочки, эти молекулы обычно считаются антипитательными и/или токсичными веществами.

Лектины – это белки и гликопротеины, обладающие способностью высокоспецифично связыватьостатки углеводов на поверхностиклеток, в частности, вызывая их агглютинацию. Лектины нередко участвуют в клеточном распознавании, например, некоторые патогенные микроорганизмы используют лектины для прикрепления к клеткам поражённого организма. Первоначально лектины были выделены из семян растений, однако они найдены у большинства живых организмов. Лектины могут вызывать агглютинацию эритроцитов, а также обладают избирательной митогенной активностью в отношении различных субпопуляций клеток крови.

Прим.: Агглютинация — склеивание и выпадение в осадок из однородной взвеси бактерий, эритроцитов и др. клеток, несущих антигены, под действием специфических веществ – агглютининов, в роли которых могут выступать в т.ч. лектины.

ПОЧЕМУ ЛЕКТИНЫ ТОКСИЧНЫ?

Лектины присутствуют во всех живых организмах. Но в некоторых их концентрация слишком высока. Прежде всего, в некоторых растениях. По мнению ученых, связано это с тем, что таким образом растения зачищают себя от поедания животными, ибо в высокой концентрации лектины токсичны. Токсичны они и для человека. Больше всего лектинов содержится в сое, фасоли, горохе, цельнозерновых крупах и орехах.

Лектины почти не способны усваиваться организмом, поскольку с ними не могут справиться пищеварительные ферменты.

В кишечнике нерасщепленные лектины залипают на кишечную стенку, нарушая ее работу. Они преодолевают желудок и, оказавшись в кишечнике, способны повредить клетки эпителия (ворсистой оболочки кишечника) и кишечная стенка становится проницаемой (возникает так называемый «синдром дырявой кишки»). В результате лектины начинают переходить из кишечника в кровоток и разрушать красные кровяные тельца, вызывая тем самым анемию (по данным исследований около 5 % лектинов, поступивших в организм с пищей, попадает в кровь). Лектины и непереваренные частицы разносятся по всему организму, вызывая воспаления, боли и диарею. 

Организм начинает бороться с таким состоянием, но в нашем организме имеются клетки, похожие на лектины и иммунная система начинает атаковать как клетки лектинов, так и клетки своего же организма – в результате развиваются аутоиммунные заболевания. Поражаются сердце, поджелудочная железы, головной мозг, щитовидная железа и другие органы, что приводит к развитию диабета 1 типа, рассеянного склероза, заболеванию щитовидной железы (зоб Хошимото), целиакии (заболевание аллергического характера, при котором кишечник не может воспринимать и усваивать продукты из зерновых, содержащих глютен) и других тяжелых заболеваний, включая колоректальный рак.

Выделены такие возможные воздействия лектинов на организм:

• провоцируют воспалительные процессы; 
• токсичны для иммунной системы, нервной системы, седечно-сосудистой и эндокринной систем; 
• вызывают значительные нарушения в работе пищеварительного тракта; 
• вызывают сбои на клеточном уровне;
• индуцируют пролиферацию клеток колоректального рака.

Пропионовокислые бактерии удаляют in vitro диетические лектины с токсическим действием на клетки толстой кишки

Полученные результаты 2-х исследований свидетельствуют о том, что употребление классических («молочных») пропионовокислых бактерий одновременно с лектинами может снизить частоту лектининдуцированных изменений в кишечнике и быть средством защиты физиологии кишечника и организма в целом.

Было установлено, что в кишечнике действуют специфические клеточные рецепторы и бактерии могут взаимодействовать с лектинами, что приводит к изменениям в физиологии кишечника. Было предложено, что пробиотические микроорганизмы с подходящими поверхностными гликозидными фрагментами могут связываться с диетическими лектинами, способствуя их элиминации из просвета кишечника или ингибировать их взаимодействие с эпителиальными клетками.

Краткое описание результатов исследований

Исследование №1.

Молочные пропионибактерии удаляют in vitro диетические лектины с токсическим действием на клетки толстой кишки.

Цель: Оценка in vitro способности некоторых пробиотических бактерий связывать конканавалин А (Con A) и якалин (AIL), предотвращая их токсичность на эпителиальных клетках кишечника (IEC).

Методы и результаты: Con A и AIL значительно снижали жизнеспособность МЭК in vitro, что определялось путем исключения Трипанового синего красителя или окрашиванием пропидием иодидом / диацетатом флуоресцеина / Хоэшта.

Различные штаммы молочных пропионовокислых бактерий были способны удалять лектины из среды. Два штамма были подвергнуты обработке с целью удаления S-слоя, белков клеточной стенки, полисахаридов и лектиноподобных адгезинов. Затем их исследовали на способность связывать пищевые лектины и снижать токсичность в отношении кишечных эпителиальных клеток (IEC), а также придерживаться IEC после взаимодействия с лектинами. Con A и AIL были удалены с помощью Propionibacterium freudenreichii и Propionibacterium acidipropionici путем связывания со специфическими сахарными фрагментами на поверхности бактерий. Удаление лектинов бактериями ослабило защиту IEC → адгезия пропионовокислых бактерий к IEC была несколько снижена после связывания Con A или AIL, но не устранена.

Выводы: Удаление Con A или AIL молочными пропионибактериями оказалось эффективным средством в целях избежания токсического эффекта против клеток толстой кишки in vitro.

Значимость исследования: Потребление продуктов, содержащих классические ("молочные") пропионовокислые бактерии, будет хорошим инструментом для защиты кишечного эпителия.

Исследование №2.

Молочные пропионибактерии предотвращают пролиферативное действие растительных лектинов на клетки SW480 и защищают метаболическую активность кишечной микробиоты in vitro.

В данной работе ученые оценивали in vitro влияние двух репрезентативных растительных лектинов, конканавалина а и якалина, на пролиферацию (разрастание) клеток аденокарциномы толстой кишки SW480 и метаболическую активность кишечной микробиоты при отсутствии или наличии пропионовокислых бактерий.  Оба лектина индуцировали пролиферацию указанных клеток толстой кишки дозозависимым образом, в то время как конканавалин А ингибировал ферментативную активность кишечной микробиоты. Предварительная инкубация пропионибактерий с лектинами предотвращала эти эффекты, благодаря связыванию лектинов бактериальными клетками. Таким образом, пищевые продукты с ПКБ или пищевые биодобавки с ПКБ могут являться эффективными диетическими вмешательствами по противодействию канцерогенным и др. токсическим эффектам растительных лектинов. 

Дополнительно о лектинах см. ВКонтакте

---

АПОПТОЗ РАКОВЫХ КЛЕТОК И ПРОПИОНОВОКИСЛЫЕ БАКТЕРИИ P. freudenreichii ssp.

Важным аспектом применения пропионовокислых бактерий является снижение риска и подавление развития опухолей в тканях человека. Если говорить о ЖКТ, то в опытах ex vivo в 2004 году получены экспериментальные данные о рассасывании опухоли прямой кишки (колоректальной аденокарциномы) в присутствии клеток ПКБ. Известно, что короткоцепочечные жирные кислоты (CCFA, shot chain fatty acids), например, бутират вызывают летальный эффект в отношении раковых клеток. Вместе с тем продукты метаболизма ПКБ: пропионат (пропионовая кислота) и ацетат (уксусная кислота), действуют аналогичным образом. Они могут вызывать апоптоз или суицид раковых клеток скорее, чем их некроз.

---

Прим.: Апоптоз - регулируемый процесс программируемой клеточной гибели, в результате которого клетка распадается на отдельные апоптотические тельца, ограниченные плазматической мембраной. Фрагменты погибшей клетки обычно очень быстро фагоцитируются макрофагами либо соседними клетками, минуя развитие воспалительной реакции. Одной из основных функций апоптоза является уничтожение дефектных (повреждённых, мутантных, инфицированных) клеток.

---

Одно из проявлений их действия – фрагментация ядра, другое инактивация митохондрий. Иными словами,  летучие жирные кислоты (пропионаты) имеют многие функции, и в то числе в отношении апоптоза клеток аденокарциномы прямой кишки. Подтверждением этому служат данные, полученные при использовании микробиоты человека, введенной в ЖКТ крысы, обработанной 1,2-диметилгидразином. Потребление P. freudenreichii приводило к значительному усилению апоптоза клеток опухоли прямой кишки без влияния на здоровый орган. Накапливаются многочисленные данные и о том, что пропионовая кислота/пропионаты являются также источниками питания эпителиальных клеток в толстом кишечнике и иммуномодуляторами (Иточник: Рыжкова Е.П. Классические пропионовокислые бактерии как пробиотики / Учебное пособие – М.: изд. Биологический факультет МГУ, 2018 – 44с.).

Видео о механизме апоптоза клеток →

Допонительная информация о ПКБ и апоптозе раковых клеток

ЛЕЧЕНИЕ РАКА ЖЕЛУДКА И КОЛОРЕКТАЛЬНОЙ КАРЦИНОМЫ С ПОМОЩЬЮ МОЛОЧНЫХ ПРОПИОНОВОКИСЛЫХ БАКТЕРИЙ 

Представляем коротко результаты 2-х уникальных исследований французских ученых, одно из которых было выполнено специалистами из Национального института здравоохранения и медицинских исследований Франции (INSERM), а другое учеными из Института онкологии Гюстава Русси (Institut Gustave Roussy) - одного из ведущих мировых онкологических научно-исследовательских институтов и главного европейского онкологического центра. 

Речь идет об использовании в терапии раковых заболеваний пищеварительного тракта дружественных нам микроорганизмов - пробиотических молочных пропионовокислых бактерий (ПКБ) P. freudenreichii ssp. Как выяснилось из работ, анаэробные пропионибактерии являются эффективными разрушителями раковых клеток желудка и колоректальной карциномы. 

В исследовании INSERM для индуцирования апоптоза раковых клеток желудка человека HGT-1 использовали кисломолочный продукт, ферментированный исключительно молочными ПКБ Никаких других культур не применялось, чтобы избежать вмешательства в работу ПКБ и изменений в характеристике продукта по составу метаболитов (такая технология применима с бакконцентратами ООО «Пропионикс», но во Франции видимо готовили саму молочную среду, т.к. ПКБ имеют слабую энергию кислотообразования). 

В другой работе, проведенной в Институте Гюстава Русси использовались концентраты чистых культур молочных ПКБ, их супернатанты, а также смеси их SCFAs (пропионата и ацетата). Исследование показало, что штаммы P. freudenreichii ssp. убивали линии раковых клеток человека, таких как клетки HeLa, HT29 и Caco2. 

Во всех исследованиях штаммы молочных ПКБ подбирались по простому принципу - уровню стрессоустойчивости к агрессивной среде ЖКТ, что говорит о том, что характер работ имеет прикладное значение. Данные всех исследований показывают, что гибель раковых клеток происходит преимущественно за счет митохондриального воздействия на них пропионибактериальных SCFAs (ацетата и пропионата). 

источники

Пропионовокислые бактерии индуцируют апоптоз клеток колоректального рака с помощью короткоцепочечных жирных кислот, действующих на митохондрии:

• Jan, G.; et al. (2002). "Propionibacteria induce apoptosis of colorectal carcinoma cells via short-chain fatty acids acting on mitochondria". Cell Death and Differentiation. 9 (2): 179–188.

Молоко, ферментированное  P. freudenreichii способствовало апоптозу клеток опухоли желудка человека (HGT-1):

• Cousin, F.J. Milk Fermented by Propionibacterium freudenreichii Induces Apoptosis of HGT-1 Human Gastric Cancer Cells / F.J. Cousin, S. Jouan-Lanhouet, M.T. Dimanche-Boitrel, L.Corcos, G. Jan // PLoS One. - 2012. - V. 7. - N 3.

Перевод статей доступен по ссылке:

---

Дополнительная информация о метаболитных свойствах ПКБ

ПРОПИОНИБАКТЕРИИ СИНТЕЗИРУЮТ ПОЛИФОСФАТЫ

Полифосфаты - это линейные полимеры ортофосфорной кислоты, в которых фосфорные остатки связаны между собой фосфоангидридными связями.

Синтез полифосфатов пропионовыми бактериями

Одним из метаболитных свойств пропионовокислых бактерий (ПКБ) является синтез полифосфатов. Полифосфаты образуются из пирофосфата и аденозинтрифосфата (АТФ - модель молекулы слева на GIF) под действием полифосфаткиназы, котрая катализирует перенос терминальной фосфатной группы от АТФ на пирофосфат и полифосфат. Пирофосфат является одним из продуктов пропионовокислого брожения. Полифосфаты как энергетический резерв позволяют ПКБ долгое время выживать в условиях субстратного голодания, например, в стационарной фазе роста, осуществляя основной (поддерживающий обмен). Короткоцепочечные полифосфаты синтезируются, когда бактерия растет на глюкозе, в то время как длинноцепочечные аккумулируются при росте на средах с лактатом в качестве главного источника углерода. В результате автолдиза части клеток полифосфаты поступают в ЖКТ.

Полифосфаты и репарация ДНК

Резюме: Эукариотические клетки требуют дополнительного количества дезоксинуклеозидтрифосфатов (dNTPs) для восстановления ДНК после повреждения. При этом для приращение dNTPs требуется неорганический фосфат, источником которого, в свою очередь, выступает полифосфат.

Прим.: Дезоксинуклеозидтрифосфаты (dNTPs) - это нуклеотиды, содержащие сахар дезоксирибозу. В своем названии эти нуклеотиды они имеют приставку дезокси- и d- в сокращении: дезоксиаденозинтрифосфат (dATP), дезоксигуанозинтрифосфат (dGTP), дезоксицитидинтрифосфат (dCTP), дезокситимидинтрифосфат (dTTP) и дезоксиуридинтрифосфат (dUTP).

Исследование:

Полифосфат является ключевым фактором для выживания клеток после повреждения ДНК в эукариотических клетках

Полифосфат (polyP) - это эволюционно сохраняемый линейный полимер, содержащий до нескольких сотен остатков неорганического фосфата (Pi), который участвует во многих функциях, включая хранение неорганического фосфата. В настоящей статье мы сообщаем о результатах, демонстрирующих, что полифосфат функционирует как источник неорганического фосфата, когда требуется поддерживать приращение dNTP, необходимое для репарации (восстановления) ДНК после повреждения. Мы показываем, что мутантные дрожжевые клетки без полифосфата производят меньше dNTPs при повреждении ДНК и что их выживание поставлено под угрозу. Напротив, когда уровни полифосфата эктопически увеличиваются, дрожжевые клетки становятся более устойчивыми к повреждению ДНК. Более важно, мы показываем что когда полифосфат уменьшен в клетках клеточной линии млекопитающего HEK293 и в человеческих первичных дермальных фибробластах (HDFa), эти клетки становятся более чувствительными к повреждению ДНК, предлагая что защитная роль полифосфата против повреждения ДНК сохранена эволюционно. В заключение мы представляем полифосфат как молекулу, участвующую в сопротивлении повреждению ДНК, и предполагаем, что полифосфат может быть предполагаемой мишенью для новых подходов в лечении или профилактике рака...

См. иследование →

---

См. также:

Трегалоза - важный метаболит пропионовокислых бактерий

Будьте здоровы!