ООО "ПРОПИОНИКС"
пн-пт с 09:00 до 18:00 | +7 (966) 348-80-35 |
Резюме
Целью настоящего исследования был обзор существующих данных о связи между статусом цинка (Zn) и характеристиками кишечной микробиоты у различных организмов и потенциальной роли микробиоты, индуцированной цинком, в модулировании системных эффектов. Существующие данные демонстрируют тесную взаимосвязь между метаболизмом Zn и микробиотой кишечника, что продемонстрировано в исследованиях дефицита Zn, добавок Zn и токсичности Zn. Как правило, было обнаружено, что Zn является важным фактором биоразнообразия кишечных бактерий. Эффекты физиологических и пищевых доз Zn также приводят к улучшению целостности стенок кишечника, что способствует снижению транслокации бактерий и метаболитов микробиома кишечника в системный кровоток. Напротив, чрезмерное воздействие (потребление) Zn вызывало существенные изменения в микробиоте кишечника. Параллельно с кишечными эффектами системные эффекты Zn-индуцированной модуляции микробиоты кишечника могут включать системное воспаление и острый панкреатит, расстройство аутистического спектра и синдром дефицита внимания с гиперактивностью, а также фетальный алкогольный синдром и ожирение. Принимая во внимание как Zn, так и микробиоту кишечника, а также их взаимодействие в регуляции физиологических функций организма-хозяина, решение вышеупомянутых проблем с помощью пробиотиков, обогащенных Zn, можно рассматривать как эффективную стратегию управления здоровьем.
Цинк - металл группы IIB, необходимый для всех форм жизни [1]. Первые исследования биологической важности Zn2+ для грибов, растений, млекопитающих и человека были начаты более века назад [2]. Металл участвует в регулировании активности более 300 ферментов, опосредуя свою роль в различных биологических процессах. В организме человека Zn играет важную роль в развитии и функционировании иммунной, эндокринной, нервной, сердечно-сосудистой и репродуктивной систем [3]. Из-за множества Zn-зависимых процессов его дефицит связан с множеством метаболических нарушений, вносящих свой вклад в патогенез иммунодефицита, нейродегенерации, сахарного диабета, ожирения, гипертонии и ишемической болезни сердца [2].
Было показано, что конкуренция между организмом-хозяином и патогенной микрофлорой из-за наличия в последней высокоаффинных переносчиков Zn способствует важному значению Zn в питательном иммунитете [4]. В частности, специфические для хозяина механизмы, индуцирующие ограниченную доступность Zn, включают модуляцию транспортеров Zn [5], а также связывание Zn кальпротектином и другими белками, включая белки S100 [6] и металлотионеин [7]. В свою очередь, бактериальные клетки также развили широкий спектр специфических транспортеров Zn (например, ZnuABC) и регуляторов захвата Zn, способствующих поглощению Zn2+ для удовлетворения своих метаболических потребностей. Соответственно, нарушение регуляции захвата Zn2+ из-за мутации ZnuA (гена, кодирующего периплазматический компонент переносчика ZnuABC – ред.) приводит к изменению роста и снижению вирулентности (патогенности) у бактерий [8].
Следуя золотому правилу, что «доза создает яд» (Парацельс), чрезмерный уровень цинка также может быть токсичным для патогенных бактерий. В частности, Zn2+ может оказывать ингибирующее действие, препятствуя метаболизму Mn2+ [9], развитию окислительного стресса [10] и ингибированию образования биопленок [11].
Наряду с патогенной микрофлорой цинк также важен для кишечной комменсальной микрофлоры, присущей кишечной микробиоте. Последняя состоит из более чем 1000 видов бактерий различных типов, среди которых преобладают Bacteroidetes и Firmicutes [12]. Недавние открытия показали, что микробиота кишечника участвует в регуляции множества функций организма-хозяина за счет производства биоактивных бактериальных метаболитов [13] и, таким образом, признается новым человеческим «органом» [14]. В частности, было показано, что микробиота кишечника играет важную роль в функционировании иммунной [15], эндокринной [16], репродуктивной [17] и других систем. Секреция нейроактивных метаболитов лежит в основе функционирования оси кишечник-мозг и роли кишечной микробиоты в нейропсихиатрических и нейродегенеративных заболеваниях [18].
Самые ранние указания на влияние Zn на микробиоту кишечника были получены более 30 лет назад [19]. С тех пор накопленные данные продемонстрировали связь между дефицитом Zn и изменениями в микробиоте кишечника у цыплят [20]. В многочисленных исследованиях оценивалось влияние добавок Zn на микробиом кишечника свиней с особым акцентом на диарею и рост [21]. Тем не менее, выводы, полученные от животных, в том числе лабораторных грызунов, не могут быть подтверждены в исследованиях на людях из-за недостаточности последних [22,23], хотя некоторые результаты подтверждают существенную роль Zn для микробиоты человека [24,25]. Более того, учитывая роль микробиоты кишечника в здоровье и болезнях человека, было высказано предположение, что Zn-индуцированная модуляция микрофлоры кишечника и ее метаболитов может быть вовлечена в физиологическую регуляцию организма-хозяина. Кроме того, потенциальные несоответствия в результатах некоторых исследований могут быть связаны с использованием различных видов Zn (Zn-содержащих соединений), которые, как известно, обладают различной биологической активностью [26].
Поэтому целью настоящего исследования был обзор существующих данных о связи между статусом Zn и микробиотой кишечника, а также о роли этого взаимодействия в физиологических эффектах Zn путем рассмотрения следующих аспектов:
2.1. Домашняя птица
Было показано, что дефицит цинка связан с изменением микробиоты кишечника домашней птицы [20]. В частности, дефицит цинка у банкивской джунглевой курицы (Gallus gallus) был связан со значительным сокращением численности Firmicutes с относительным увеличением Proteobacteria и Bacteroides. На уровне рода при дефиците цинка наблюдалась значительно более высокая распространенность неклассифицированных Ruminococcaceae и Enterobacteriaceae и снижение численности неклассифицированных Clostridiales [20]. Кормление цыплят диетой с дефицитом цинка также значительно снизило биоразнообразие кишечной микробиоты, что привело к значительному снижению численности Firmicutes и увеличению числа типов Proteobacteria. В то же время на уровне рода авторы сообщили о значительном увеличении численности Enterococcus, Enterobacteriaceae и Ruminococcaceae, тогда как Peptostreptococcaceae и Clostridiales характеризовались значительным снижением [27]. Соответственно, у цыплят, которых кормили Zn-обогащенной пшеницей, численность Ruminococcus считалась ключевым родом, связанным со статусом Zn, для различения дефицита Zn и восполнения Zn [28].
В отличие от дефицита цинка, добавление к 15-дневным бройлерам Zn-бацитрацина увеличивало разнообразие кишечной микробиоты со значительным сокращением количества Lactobacillus и Eubacterium и увеличением количества Clostridiales и Faecalibacterium [29]. В другом исследовании на бройлерах добавление гидроксихлорида цинка значительно снизило общее количество бактерий и количество Bacillus, тогда как количество Lactobacillus увеличивалось параллельно с выработкой молочной кислоты слепой кишкой и повышением регуляции белков плотного соединения кишечника [30].
Добавки цинка смогли снизить количество патогенных бактерий у домашней птицы. Добавление к бройлерам наночастиц Zn, полученных из Bacillus subtilis, значительно снижает численность кишечных колиформных бактерий, E. coli и Salmonella, а также увеличивает экспрессию белков плотного соединения [31]. Конкуренция за связывание Zn между нормальной микробиотой и Campylobacter jejuni у цыплят считалась антипатогенным механизмом [32].
Несмотря на определенные несоответствия, которые могут отражать вариации в дозировке, схемах лечения или характеристиках цыплят, Zn, по-видимому, полезен для усиления Firmicutes и снижения численности E. coli, а также некоторых других бактериальных патогенов. Модуляция микробиоты кишечника также связана с улучшением целостности стенок кишечника, что способствует его здоровью.
2.2. Свиньи
Ввиду значительных опасностей, связанных с диареей после отъема в свиноводстве [33], многочисленные исследования изучали влияние добавок цинка на взаимодействие между целостностью кишечника и микробиотой кишечника. Диетическое воздействие покрытого ZnO у поросят привело к значительному улучшению морфологии кишечника и иммунитета, включая увеличение длины ворсинок, повышение уровня иммуноглобулина A (IgA), повышение экспрессии гена IGF-1, окклюдина, zonula occludens 1, IL-10 и трансформирующего фактора роста β1 (TGF-β1), а также снижение разнообразия кишечной микробиоты. Последнее характеризовалось снижением относительного обилия Lactobacillus и нелинейной реакцией численности E. coli, которые увеличивались при более низких дозах и снижались при более высоких концентрациях покрытого ZnO в рационе [21]. Добавка оксида цинка поросятам-отъемышам также приводила к увеличению уровней мРНК TGF-β1 и IL-10 в слизистой оболочке тощей кишки, тогда как TNF-α и IFN-γ были снижены одновременно с уменьшением количества Clostridium и E. coli, что в целом привело к облегчению диареи после отъема и повышению показателей роста [34]. Было показано, что ZnO снижает численность колиформных бактерий у поросят, что приводит к увеличению экспрессии генов клаудина-1 и zona occludens-1, и эти эффекты сильно зависят от источника Zn [35]. Взятые вместе, эти исследования показывают, что добавка Zn уменьшала диарею у свиней за счет улучшения целостности кишечника и иммунитета, подавления воспаления, а также модуляции микробиоты кишечника.
Примечательно, что влияние Zn на микробиоту кишечника поросят-отъемышей является сайт-специфичным. В частности, добавка наночастиц ZnO (ZnONP) значительно снизила численность и разнообразие бактерий в подвздошной кишке с увеличением количества Streptococcus и уменьшением количества Lactobacillus. В свою очередь, увеличилось биоразнообразие и численность микрофлоры слепой и толстой кишки, со специфическим увеличением количества Lactobacillus и уменьшением численности Oscillospira и Prevotella. ZnONP-индуцированная модуляция микробиома кишечника была связана с повышенной экспрессией белков плотных контактов и антиоксидантных белков, а также со снижением экспрессии мРНК IL-1β, TNF-α и IFN-γ из-за ингибирования передачи сигналов NF-κB, что в целом привело к снижению частоты диареи [36].
В соответствии с более ранними исследованиями Starke et al. (2014) продемонстрировали, что добавка с высоким содержанием ZnO (2425 мг/кг) у поросят-отъемышей снижала численность рода Lactobacillus, и особенно L. acidophilus, L. mucosae и L. amylovorus на протяжении всего периода исследования (32–53 дней), тогда как L. johnsonii и L. reuterii слабо ответили на диетическое вмешательство. Кроме того, было обнаружено, что относительное количество Enterobacteriacea снижается через 35 дней лечения, но не в более поздние сроки. Эти результаты показывают, что реакция кишечной микробиоты на воздействие ZnO значительно снижается в более старшем возрасте [37]. Было показано, что введение высоких доз оксида цинка (3042 мг/кг) поросятам в значительной степени модулирует бактериальное разнообразие подвздошной кишки и относительную численность Lactobacillus, Escherichia, а также других второстепенных видов. В частности, для большинства Enterobacteriaceae характерно значительное увеличение относительной численности, вызванное цинком, тогда как среди видов бактерий с относительной численностью > 1% воздействие цинка привело к значительному увеличению количества W. cibaria, W. confusa, Leuconostoc citreum и S. equinus. Напротив, наиболее распространенный вид L. reuteri уменьшился с 45% до 18% в ответ на воздействие цинка [38]. Другое исследование выявило значительное увеличение разнообразия кишечной микробиоты и относительного обилия Lachnospiraceae с параллельным уменьшением количества Ruminococcus flavefaciens в ответ на добавление наночастиц оксида цинка с покрытием [39].
В дополнение к модуляции богатства микробиома и обилия бактерий, было показано, что Zn предотвращает транслокацию бактерий из кишечника в лимфатические узлы. В частности, добавление цинк-метионина поросятам в период кормления грудью значительно уменьшало транслокацию E.coli в брыжеечные лимфатические узлы тонкой кишки [40]. Другое исследование продемонстрировало вызванное ZnO снижение транслокации анаэробных и в меньшей степени молочнокислых бактерий в брыжеечные лимфатические узлы параллельно с повышением уровня IgA в кишечнике [41].
Было также показано, что Zn модулирует продукцию метаболитов микробов посредством модуляции микробиоты кишечника свиней. В частности, добавление ZnO значительно увеличивало общее количество бактерий с увеличением количества энтеробактерий и уменьшением кластера Clostridia XIa. Реакция метаболитов кишечной микробиоты была нелинейной со значительным увеличением содержания летучих жирных кислот, ацетата и бутирата в подвздошной кишке при более низких дозах ZnO (50–150 мг/кг) и последующим снижением до низких уровней при высоких концентрациях ZnO. Кроме того, увеличение содержания микробных метаболитов ацетата, пропионата и бутирата считалось маркером добавления сульфата цинка у самок свиней, и вызванные Zn метаболические нарушения могут значительно модулировать метаболические эффекты воздействия теплового шока [43]. Соответственно, наблюдалось значительное влияние добавок ZnO на бактериальные метаболиты, характеризующееся снижением содержания аммиака в тощей кишке и толстой кишке, а также снижением уровня лактата в тонкой кишке [37].
Таким образом, имеющиеся данные ясно демонстрируют значительное влияние Zn на микробиоту кишечника свиней. Хотя существующие данные довольно противоречивы и зависят от режима лечения и возраста животных, наиболее типичные схемы, связанные с добавлением цинка, могут включать увеличение бактериального богатства с уменьшением численности энтеробактерий и лактобацилл. Увеличение бактериального разнообразия и богатства также было связано с повышенным уровнем короткоцепочечных жирных кислот, тогда как более низкий уровень лактата может коррелировать с уменьшением численности Lactobacillus. Помимо явных изменений микрофлоры кишечника, добавление цинка свиньям было связано с улучшением целостности кишечника и, как следствие, уменьшением транслокации бактерий и метаболитов в системный кровоток.
2.3. Лабораторные грызуны
Подробное исследование показало, что дефицит цинка в пище значительно влияет на микробиоту кишечника у беременных мышей. В частности, низкое содержание цинка в рационе значительно уменьшало количество Proteobacteria и Verrucomicrobia, тогда как типы Actinobacteria, Bacteroidetes и Firmicutes увеличивались. Примечательно, что прием ингибиторов захвата Zn также привел к изменению микробиоты кишечника, хотя картина была совершенно иной, без значительных изменений в численности Verrucomicrobia и Actinobacteria. Наблюдаемые нарушения микрофлоры кишечника были связаны со снижением уровня белка Claudin3 в желудочно-кишечном тракте, что в целом привело к увеличению уровней печеночных липополисахаридов (ЛПС) [44]. Эти данные указывают на важную роль Zn как фактора не только нарушения проницаемости стенок кишечника, но и микробиоты кишечника. В соответствии с указаниями о влиянии дефицита Zn на микрофлору кишечника, недавнее исследование продемонстрировало, что дисфункция Znt7 также приводит к изменению биоразнообразия микробиоты, хотя эффекты были специфичными для пола. В частности, генотипы Znt7+/− и Znt7−/− характеризовались повышенной численностью Allobaculum и неидентифицированных членов семейства Coriobacteriaceae у самок, но не у самцов мышей. Также примечательно, что эти различия были связаны с различными моделями продукции муцина, которая повышалась у самцов и подавлялась у самок мышей [45]. В то же время другое исследование продемонстрировало, что дефицит цинка в пище не вызывает существенных изменений в микробиоте кишечника, в отличие от диеты с дефицитом белка [46].
В соответствии с исследованиями, демонстрирующими важность Zn для микробиоты кишечника, несколько исследований также показали, что модуляция микрофлоры кишечника может опосредовать благотворное воздействие Zn. Хотя у мышей с добавлением ZnCl2 не наблюдалось значительных изменений в типе бактерий, наблюдалось значительное увеличение численности Clostridiacea, индуцированных Zn, в сочетании со значительным улучшением экспрессии генов, ответственных за биосинтез металлотионеина (МТ) и муцина, и целостности эпителия, как в толстой кишке, так и в тонком кишечнике, а также снижение регуляции генов провоспалительных цитокинов [47]. В то же время реакция микрофлоры кишечника на добавку Zn, по-видимому, зависела от возраста, будучи очень чувствительной к изменчивости статуса Zn только у молодых животных, тогда как в пожилом возрасте такого эффекта не наблюдалось [48].
Несмотря на четко продемонстрированную роль физиологических доз Zn в адекватном функционировании желудочно-кишечной и иммунной систем, высокие дозы Zn могут вызывать побочные эффекты в кишечнике [49]. В частности, было показано, что воздействие высоких доз сульфата цинка на новорожденных мышей вызывает изменения биоразнообразия микрофлоры кишечника за счет увеличения численности Pseudomonodales, Enterobacteriacae, Clostridiales, Bacteroides и Campylobacter. Более того, у хозяина чрезмерные дозы Zn вызывали окислительный стресс, снижали целостность стенки кишечника, повышали проницаемость кишечника и влияли на экспрессию кишечных генов с повышающей регуляцией MT1, ALDH2, COX6b2, TMEM6 и CDK20, параллельно с подавляющей регуляцией CALU, ST3GAL4, CRTC2, SLC28A2 и COMMD1, таким образом влияя на иммунный ответ, воспаление и взаимодействие хозяин-патоген. В целом, можно ожидать, что эти эффекты перегрузки цинком будут вносить значительный вклад в системное воспаление и некротический энтероколит [50]. Кроме того, хроническая токсичность ZnSO4 у мышей (например, 250 мг/кг в течение 7 недель) характеризовалась снижением массы тела и органов, а повышенная активность AST была связана со значительным повышением относительной численности Enterobacteriaceae без какого-либо воздействия на Bifidobacteria [51].
Существующие данные демонстрируют, что дефицит Zn связан с глубокими изменениями в составе микробиоты кишечника, которые могут способствовать провоспалительным состояниям вместе со снижением целостности стенок кишечника. Однако перегрузка цинком у лабораторных грызунов также способствует дисбактериозу кишечника с переходом на Enterobacteriaceae и изменением проницаемости кишечника, иммунитета и воспалительной реакции.
2.4. Человек
Ограниченное количество исследований продемонстрировало потенциальную связь между статусом цинка и микробиотой кишечника человека. В частности, симуляторы толстой кишки in vitro продемонстрировали, что воздействие наночастиц ZnO в высоких концентрациях (50 мг/л) значительно снижает численность кишечной микробиоты, а также снижает бактериальное биоразнообразие, производство SCFAs и гены устойчивости к антибиотикам. Наблюдаемое увеличение относительной численности Bacteroidetes было связано с более низким процентом Firmicutes [22]. Предварительное исследование пакистанских детей показало, что дети, находящиеся на искусственном вскармливании с дефицитом цинка, характеризуются более низким содержанием Escherichia, а также сниженным относительным количеством Veillonella, Streptococcus, Bacteroides, Leuconostoc, Subdoligranulum, Megaspheare и Clostridia. Однако корреляционный анализ не выявил сильной связи между уровнями Zn в сыворотке и кишечными бактериями [23].
В соответствии с важной ролью Zn для микрофлоры кишечника, пациенты с плейотропным миссенс-вариантом другого переносчика Zn, SLC39A8 (ZIP8), также характеризуются измененными таксономическими характеристиками микробиоты кишечника, включая снижение численности Anaerostipes, Coprococcus, Roseburia, Lachnospira, SMB53, Ruminococcaceae, Eubacterium, Dorea и Bacteroides. Паттерны микробиоты кишечника, наблюдаемые у носителей аллеля SLC39A8 Thr, имеют несколько общих черт с паттернами, показанными у пациентов с болезнью Крона и ожирением [24]. В то же время другое исследование не выявило какой-либо значимой связи между миссенс-вариантом SLC39A8 и микробиотой кишечника, хотя аллель риска SLC39A8 [Thr]391 был генетически связан с болезнью Крона [25].
Взятые вместе, существующие результаты исследований на людях демонстрируют, что дефицит Zn связан с уменьшением биоразнообразия кишечной микробиоты. Однако из-за скудности имеющихся ограниченных данных установить какие-либо конкретные закономерности не удалось. Некоторые другие исследования с участием людей продемонстрировали потенциальное участие взаимодействия Zn и кишечной микробиоты в других «внекишечных» заболеваниях и будут обсуждаться в соответствующих разделах.
2.5. Итог
Таким образом, существующие данные демонстрируют, что влияние Zn на микробиоту кишечника является видоспецифичным (Таблица 1). В частности, исследования на цыплятах выявили значительную связь между достаточностью Zn и Firmicutes, в то время как количество Enterobacteriaceae снижалось за счет добавок Zn. У свиней аналогичная тенденция к Zn-индуцированному ингибированию роста колоний Enterobacteriaceae наблюдалась параллельно с уменьшением численности Lactobacillus. В то же время было обнаружено, что Zn является значительным фактором биоразнообразия кишечных бактерий, что согласуется с данными, полученными на грызунах и людях. Эффекты физиологических и пищевых доз Zn также приводят к улучшению целостности стенок кишечника, что способствует снижению транслокации бактерий и метаболитов микробиома кишечника в системный кровоток.
Напротив, чрезмерное воздействие Zn также вызвало значительные изменения в микробиоте кишечника с переходом на патогенные штаммы E. coli или другие бактериальные патогены. Гипотетически такое увеличение может быть опосредовано повышенными уровнями Zn, превышающими связывающую способность, что приводит к увеличению «свободного» Zn, доступного для бактериальных патогенов, что нарушает механизмы пищевого иммунитета.
Таблица 1. Краткое изложение исследований, демонстрирующих влияние Zn на биоразнообразие кишечной микробиоты и конкретные таксоны микробов.
Вид
|
Форма Zn
|
Доза
|
Биоразнообразие микробиоты
|
Уменьшенные таксоны
|
Увеличенные таксоны
|
Ref
|
Бройлеры
|
Цинк
Бацитрацин
|
50 частей на миллион Zn
|
Увеличение
|
Lactobacillus
Eubacterium |
Clostridiales
Faecalibacterium |
[24]
|
Бройлеры
|
Гидроксихлорид цинка
|
20-100 мг Zn/кг
|
Уменьшение
|
Bacillus
|
Lactobacillus
|
[25]
|
Поросята
|
Оксид цинка
|
2250 мг Zn/кг
|
Уменьшение
|
Lactobacillus
E. coli (в больших дозах) |
E. coli
(в низких дозах)
|
[21]
|
Поросята
|
Оксид цинка
|
3042 мг Zn/кг
(высокая доза)
|
Увеличение
|
L. reuteri
|
Enterobacteriaceae
W. cibaria W. confuse Leuconostoc citreum S. equinus |
[33]
|
Поросята
|
Нано ZnO (наночастицы оксида цинка)
|
600-2000 мг Zn/кг
|
Уменьшение (подвздошная кишка)
Увеличение
(слепая кишка, толстая кишка)
|
Lactobacillus
(подвздошная кишка)
Oscillospira, Prevotella (слепая кишка, толстая кишка)
|
Streptococcus
(подвздошная кишка) Lactobacillus (слепая кишка, толстая кишка) |
[31]
|
Поросята
|
Нано ZnO с покрытием
|
0,100 г Zn/кг диеты
|
Увеличение
|
R. flavefaciens
|
Lachnospiraceae
|
[34]
|
Мыши
|
Хлорид цинка
|
12-250 мг/кг массы тела
|
Нет эффекта
|
Lactobacillaceae
Enterobacteriaceae |
Clostridiacea
|
[42]
|
Мыши
|
Сульфат цинка
|
100 мкг Zn/сут
(высокая доза)
|
Увеличение
|
Pseudomonodales
Enterobacteriacae Clostridiales Bacteroides |
[45]
|
Наблюдаемый штамм-специфический ответ на добавление Zn у бактерий может быть опосредован различиями в количестве Zn2+, необходимого для удовлетворения метаболических потребностей, а также различиями в толерантности к Zn [52].
В дополнение к специфичной для вида хозяина реакции кишечной микробиоты на Zn, высокая неоднородность результатов может быть связана с различными биологическими эффектами различных химических форм металла. В частности, у различных видов наблюдалось различное воздействие наночастиц оксида цинка, сульфата или оксида цинка [53,54].
Несмотря на значительные несоответствия, существующие данные, полученные в результате исследований на цыплятах, свиньях, мышах и людях, четко указывают на важность Zn для микробиоты кишечника. Кроме того, было показано, что Zn обладает защитным действием на микрофлору кишечника при воздействии токсичных агентов, включая патогенные бактерии и факторы физического или химического стресса.
В частности, воздействие доксорубицина, антрациклина и противоопухолевого антибиотика, влияющего на рост клеток за счет ингибирования репликации ДНК, вызвало снижение Firmicutes и увеличение численности Bacteroidetes. В свою очередь, было показано, что эти изменения в биоразнообразии кишечной микробиоты улучшаются за счет добавок Zn(II)-куркумина. На уровне рода добавка Zn-куркумина также предотвращала уменьшение Lachnospiraceae, Clostridium_IV, Clostridium_XlVa и Roseburia. Эти данные, вместе с улучшением целостности стенки кишечника, отражают наблюдаемое снижение концентрации ЛПС в кале и плазме [55]. Соответственно, было показано, что комплекс Zn(II)-куркумин улучшает вызванные гепатоцеллюлярной карциномой изменения микрофлоры кишечника за счет увеличения количества Firmicutes и уменьшения Bacteroidetes, в дополнение к самим противораковым эффектам и потенцированию доксорубицина. Роль Zn-индуцированной модуляции микробиоты кишечника в противораковой активности также подтверждается наблюдениями об отсутствии таких эффектов при истощении микробиома [56]. Кроме того, было продемонстрировано, что дефицит Zn изменяет микробиом кишечника и повышает его чувствительность к токсичности мышьяка (As) [57].
Наряду с хорошо известными механизмами пищевого иммунитета, характеризующимися конкуренцией между хозяином и патогеном за металлы, включая Zn2+, Zn также может быть мишенью для антагонизма между комменсальной и патогенной микрофлорой кишечника. В частности, было продемонстрировано, что двойная система Zn-транспортеров (ZnuABC и ZrgABCDE) в Vibrio cholerae опосредует преимущество патогена в конкуренции за ионы металлов с микрофлорой кишечника, что связано с ростом и патогенезом V. cholerae [58]. ZnuABC также вносит значительный вклад в развитие S. typhimurium, конкурируя за ионы Zn2+ с комменсальными бактериями, а также помогая патогену преодолеть связывание металла кальпротектина в воспаленном кишечнике [58].
Было показано, что Zn, являясь мишенью взаимодействия комменсалов и патогенных бактерий, модулирует микробиоту кишечника при инвазии бактериальных патогенов. В частности, у цыплят-бройлеров, инфицированных S. typhimurium, добавление Zn значительно ослабляло опасные эффекты инфекции за счет уменьшения апоптоза в клетках кишечника, стимуляции пролиферации, увеличения высоты ворсинок, уменьшения количества сальмонелл и обращения вспять вызванного S. typhimurium снижения разнообразия микробиоты кишечника и обилия Lactobacillus [59]. Было показано, что ингибирование бактериальной транслокации связано с поддержанием адекватной экспрессии белков плотных контактов кишечника [60].
Одновременно было продемонстрировано, что чрезмерное потребление цинка с пищей значительно увеличивало уровни токсина C. difficile и обостряло клостридиальную инфекцию [61], что было связано с нарушением микробиоты кишечника, характеризующимся уменьшением родов Turicibacter и Clostridium, а также увеличением родов Enterococcus и Clostridium XI. В свою очередь связывание ионов Zn с кальпротектином вызывало значительный антибактериальный эффект [62]. Эти результаты указывают на потенциальную опасность «свободного» Zn2+ при передозировке, когда количество ионов Zn превышает Zn-связывающую способность организма-хозяина. Эта гипотеза косвенно подтверждается наблюдением значительного улучшения симптомов и снижения риска рецидива у пациентов с дефицитом цинка и рецидивирующей инфекцией C. difficile после приема добавок цинка [63].
Данные экспериментов по профилированию кишечной микробиоты продемонстрировали, что комменсальные виды Enterobacteriaceae, особенно E. coli, являются одним из семейств, наиболее сильно затронутых добавками цинка. Соответственно, далее мы обсудим взаимодействие между Zn и E. coli с особым акцентом на патогенные штаммы. Обработка цинком, хелатирующим хитозан, ослабляла отмеченное снижение разнообразия кишечной микробиоты у крыс, зараженных E. coli. Кроме того, добавление Zn было связано с увеличением численности Lactobacillus, Romboutsia, Clostridiales (неклассифицированных) и Anaerotruncus, тогда как относительное количество Desulfovibrio, Peptococcus и особенно E. coli уменьшилось. Эти изменения сопровождались снижением провоспалительных уровней TNFα, IL-1β, IL-6 параллельно с повышением выработки IL-10. Тенденция к повышению общих уровней SCFAs, и особенно к увеличению уровней бутирата, наблюдалась у животных, получавших Zn и зараженных E. coli. Однако отсутствие хитозана в контрольной группе не позволяет нам отделить эффекты Zn от хитозана в настоящем исследовании [64]. Соответственно, диетические наночастицы ZnO значительно уменьшили популяцию кишечной E. coli, а также увеличили высоту ворсинок в двенадцатиперстной кишке, тощей кишке и подвздошной кишке, что привело к улучшению иммунного ответа у поросят-отъемышей [65].
Детальный анализ 179 геномов Escherichia coli, полученных от поросят после завершения испытания на скармливание оксида цинка, показал, что гены и опероны, связанные с вирулентностью и продукцией бактериоцина, а также энтеротоксигенные, энтеропатогенные и Shiga-токсин-продуцирующие патотипы, были менее распространены у животных с высоким содержанием Zn [66]. Было показано, что у энтеропатогенной Escherichia coli воздействие Zn снижает экспрессию факторов вирулентности и снижает адгезию бактерий к клеткам. Более того, в подвздошной кишке кроликов было показано, что цинк улучшает секрецию жидкости, вызванную энтеропатогенной кишечной палочкой, что свидетельствует об ингибирующем влиянии цинка на факторы вирулентности бактерий [67]. Также примечательно, что параллельно со снижением количества E. coli защитные эффекты Zn против кишечной утечки могут включать уменьшение вызванных альфа-гемолизином E.coli (HlyA) изменений в плотных контактах (клаудины 4 и 5), образования очагов утечки и отшелушивания клеток в препаратах ткани толстой кишки поросят [68].
Также было продемонстрировано, что кишечная палочка может быть менее чувствительна к диетическому цинку по сравнению с полезными бактериальными штаммами, что повышает риск дисбактериоза в ответ на неадекватное добавление цинка [69]. В частности, в то время как рост и морфология E. coli были почти нечувствительны к воздействию наночастиц ZnO, рост L. acidophilus и особенно B. animalis снижался параллельно с морфологической деформацией в ответ на увеличивающееся воздействие Zn [52]. Более того, кормление поросят высокими дозами ZnO было связано с увеличением количества E. coli с множественной лекарственной устойчивостью примерно на 15–20% по сравнению с контролем [70].
Взятые вместе, эти данные демонстрируют, что физиологические добавки Zn обладают защитным действием на комменсальную микрофлору кишечника при воздействии бактериальных патогенов или ксенобиотиков, что способствует поддержанию здоровья нормальной микробиоты кишечника. Однако было показано, что чрезмерное воздействие Zn способствует росту и активности бактериальных патогенов из-за нарушения механизмов пищевого иммунитета за счет превышения Zn-связывающей способности белков-хозяев.
Хотя большинство исследований связывают влияние Zn на микробиоту кишечника с кишечными эффектами, такими как проницаемость стенок кишечника, воспаление и кишечная метаболомика, небольшое количество исследований было направлено на оценку его потенциальных внекишечных эффектов.
В соответствии с хорошо известным противовоспалительным действием Zn [71], ранее обсуждавшиеся исследования продемонстрировали роль опосредованного микробиотой снижения уровней ЛПС при воздействии Zn, что может, по крайней мере частично, лежать в основе модулирующего действия Zn на воспаление. Кроме того, было продемонстрировано, что ZnSO4 снижает экспрессию генов конститутивного (STAT1-индуцированного) интерферон-стимулированного элемента ответа (ISRE) и генов фактора регуляции интерферона (IRF) в кишечном эпителии, что, как было показано, зависит от Zn-индуцированной модуляции микробиота кишечника, что в целом приводит к предотвращению чрезмерного TNFα-зависимого системного воспалительного ответа [72]. Принимая во внимание роль системного воспаления в патогенезе различных заболеваний [73], его модуляция посредством Zn-индуцированных изменений микробиоты кишечника может считаться одним из механизмов, связывающих метаболизм Zn с множественными патологиями.
В качестве частного случая предложенного механизма более раннее исследование продемонстрировало, что добавка Zn проявляет защитные эффекты на модели тяжелого острого панкреатита, которые, по-видимому, по крайней мере частично зависят от модуляции микробиоты кишечника. В частности, добавление сульфата цинка крысам с панкреатитом значительно снижает эндотоксическое накопление (ЛПС) и экспрессию IL-1β и TNF-α в тканях, а также снижает проницаемость кишечника, связанную с панкреатитом, и бактериальную транслокацию в поджелудочную железу, печень и мезентериальные лимфатические узлы. Воздействие Zn на биоразнообразие кишечной микрофлоры характеризовалось уменьшением количества Escherichia и увеличением количества копий генов Bifidobacterium и Lactobacillus в слепой кишке [74]. Соответственно, у пациентов с хроническим панкреатитом, характеризующимся высокой частотой (~40 %) избыточного бактериального роста тонкой кишки, последний характеризовался значительной отрицательной корреляцией с уровнями Zn в сыворотке крови [75].
Модуляция микробиоты кишечника также считалась важным медиатором регулирующей роли Zn в иммунитете. В частности, было продемонстрировано, что мыши, получавшие сульфат цинка, характеризуются сниженным биоразнообразием кишечной микробиоты, а также меньшим количеством и активностью клеток Th17 в тонком кишечнике мышей. Более того, трансплантация микрофлоры кишечника стерильным мышам была связана со значительным влиянием на клетки Th17, что указывает на причинную связь между этими процессами [76].
Однако Zn-опосредованная регуляция микрофлоры кишечника связана не только с иммунными и воспалительными патологиями. В частности, недавние открытия также раскрывают потенциальный вклад Zn в модуляцию оси кишечник-мозг при расстройстве аутистического спектра и других расстройствах нервного развития.
Ранее обсуждавшееся исследование Зауэра (Sauer) и Грабрукера (Grabrucker) (2019) продемонстрировало, что связанные с дефицитом цинка изменения микробиоты кишечника, повышенная проницаемость кишечника и повышенные системные уровни ЛПС также связаны с повышенными уровнями IL-6 в головном мозге и экспрессией глиального фибриллярного кислого белка (GFAP), что свидетельствует о роли измененной кишечной микробиоты, повышенной кишечной проницаемости и эндотоксинемии в нейровоспалении [44]. Авторы также предложили рассматривать микробиоту кишечника как потенциальную связь между дефицитом цинка и расстройствами аутистического спектра [77]. Соответственно, на модели аутизма мышей Shank3B-/- KO было показано, что добавка Zn (150 частей на миллион) восстанавливает изменения грибкового и бактериального разнообразия, модифицирует экспрессию генов плотных контактов, а также генов, участвующих в иммунных заболеваниях и энергетическом метаболизме [78]. В подтверждение этого недавнее исследование продемонстрировало, что добавление наночастиц ZnO (ZnONP) детям с расстройствами аутистического спектра (РАС) было связано со значительным улучшением бактериального биоразнообразия кишечника, улучшением связанного с РАС увеличения численности Proteobacteria, а также сокращением относительной численности Firmicutes и Actinobacteria [79]. Выявлены отчетливые закономерности в другом расстройстве нервного развития - синдроме дефицита внимания и гиперактивности (СДВГ). Хотя наночастицы ZnO обладали бактериостатическим и бактерицидным действием как у здоровых детей, так и у пациентов с СДВГ, добавление ZnO снижало разнообразие кишечных бактерий до уровня, наблюдаемого у здоровых людей [80].
В соответствии с нашим ранее высказанным предположением о вкладе дисфункции кишечника и микробиоты в роль дефицита цинка в развитии фетального алкогольного синдрома [81], недавнее исследование продемонстрировало, что дефицит цинка усугубляет вызванную алкоголем дисфункцию клеток Панета со снижением выработки α-дефензина, а также нарушением состава микробиоты кишечника и целостности кишечного барьера [82].
Было обнаружено, что у корейских детей с ожирением потребление цинка с пищей было значительно выше, чем у детей с нормальным весом [83]. Эти данные подтверждают более ранние данные о полезной роли Bacteroidetes в регуляции массы тела [84], тем самым обеспечивая дополнительный потенциальный механизм защитных эффектов Zn при ожирении [85].
В отличие от вышеупомянутых исследований, исследователи также продемонстрировали потенциальный вклад кишечной микробиоты в нейротоксичность цинка при передозировке. В частности, было показано, что пероральное воздействие наночастиц оксида цинка (ZnONP) влияет на пространственное обучение, память и двигательные функции у мышей наряду с изменениями экспрессии генов гиппокампа. Несмотря на отсутствие воздействия цинка на биоразнообразие кишечной микробиоты, наблюдалось повышение относительной численности актинобактерий. В то же время было обнаружено, что наблюдаемые эффекты ZnONP на метаболомику сыворотки и экспрессию генов Bdnf и Dlg4 в гиппокампе достоверно коррелируют с индуцированной ZnONP модуляцией кишечной микрофлоры с таксонами Actinobacteria, Bifidobacteria, Sutterella и Adlercreutzia, характеризующимися наиболее глубокой ассоциацией с этими переменными. Таким образом, вероятно, что влияние Zn на физиологию мозга может быть опосредовано не только повышенной проницаемостью кишечника и повышением бактериальных провоспалительных липополисахаридов, но и модуляцией метаболитов микрофлоры кишечника, включая нейроактивные метаболиты [86]. Соответственно, повышенный биосинтез и транспорт 5-гидрокситриптамина (5-HT) в кишечнике под воздействием оксида цинка также приводили к увеличению уровней 5-HT в головном мозге, хотя роль микрофлоры кишечника в этом эффекте еще предстоит выяснить [87].
Несмотря на небольшое количество исследований, существующие данные демонстрируют, что взаимодействие между Zn и микрофлорой кишечника не только влияет на физиологию кишечника, лежащую в основе местных эффектов, но также может участвовать в патогенезе внекишечных патологий, включая неврологические, системные воспалительные и метаболические заболевания. Более того, изменение микробиоты кишечника может опосредовать не только физиологические, но также супрафизиологические и токсические эффекты Zn.
Учитывая существующие данные о роли Zn в регуляции микробиоты кишечника, эффективность его совместного приема с пробиотиками изучалась в ряде исследований. У крыс линии Wistar, подвергшихся воздействию тепла, цинк усиливал положительное влияние пробиотиков на воспалительную реакцию, уровни белков теплового шока и антиоксидантные ферменты, хотя максимальный эффект наблюдался в случае дополнительных добавок Zn, Se и пробиотиков [88]. В другом исследовании было показано, что комбинация цинка с пробиотическим комплексом и розавином улучшает остеоартрит, вызванный йодацетатом натрия, на модели крыс за счет подавления провоспалительных цитокинов и экспрессии катаболического фактора в хрящах [89].
В свою очередь, комбинация мультиштаммовых пробиотиков с добавлением сульфата цинка значительно улучшила морфологию кишечника у бройлеров, о чем свидетельствуют рост и вес ворсинок, гибель крипт, толщина собственной пластинки, а также количество бокаловидных клеток [90]. Аналогичный эффект наблюдался у бройлеров, подвергшихся тепловому стрессу [91]. В то же время после добавления высокой дозы сульфата цинка к пробиотикам на основе Lactobacillus reuteri не наблюдалось никаких положительных эффектов наряду с наличием побочных эффектов, таких как снижение абсорбции железа и снижение уровня гемоглобина [92].
Потенциальные положительные эффекты совместного приема цинка и пробиотиков могут быть связаны с взаимным взаимодействием этих агентов. С одной стороны, было показано, что пробиотики увеличивают биодоступность цинка [93]. Zn также оказывает значительное влияние на пробиотическую микрофлору, хотя эффект, по-видимому, очень нелинейный. В частности, было показано, что Zn в дозах 100-500 мг/л увеличивает скорость роста L. plantarum CCM 7102, продукцию лактата и адгезию к энтероцитам, а также подавляет рост E. coli и S. typhimurium, тогда как более высокие дозы полностью меняют эти положительные эффекты [94]. Также примечательно, что добавление пробиотиков может противодействовать определенным эффектам видов Zn, таким как провоспалительный эффект неорганического ZnSO4 в эпителиальных клетках кишечника [95].
Zn также может участвовать в обеспечении защитных эффектов пробиотиков. В частности, было показано, что пробиотик Escherichia coli Nissle 1917 (E. coli Nissle) конкурирует с патогенным S. typhimurium за Zn2+ из-за присутствия Zn-связывающего сидерофора - иерсиниабактина [96].
Также были проведены пилотные исследования для оценки потенциального воздействия цинка и пробиотических добавок на человека. Вначале Zn считался потенциальным средством для лечения диареи из-за его влияния на проницаемость кишечника, иммунную систему, функцию эпителия и электролитный баланс [97], тогда как потенциальное влияние Zn на микрофлору кишечника не считалось защитным. Однако недавнее исследование показало, что Zn может быть даже более эффективным при лечении диареи у детей в возрасте 6–24 месяцев по сравнению с пробиотиками, а также иметь меньше осложнений [98]. В то же время совместное добавление Zn и микрокапсулированного Lactobacillus plantarum IS-10506 детям дошкольного возраста не имело дополнительных преимуществ в отношении воздействия на уровни IgA в кале по сравнению с лечением одним пробиотиком; хотя было высказано предположение, что улучшенный статус цинка благотворно влияет на иммунитет [99]. Совместное употребление пробиотиков и Zn также было предложено в качестве потенциального инструмента для лечения печеночной энцефалопатии [100].
Как правило, существующие данные демонстрируют потенциальную полезность совместного приема цинка и пробиотиков из-за определенных потенцирующих эффектов в моделях местного и системного воспаления на животных. Однако недостаточное количество данных испытаний Zn-пробиотиков на людях не позволяет окончательно установить эффективность последних.
Несмотря на то, что существующие данные о цинке довольно противоречивы и зависят от дозы и вида Zn, имеющиеся данные демонстрируют тесную взаимосвязь между метаболизмом Zn и микробиотой кишечника, причем как дефицит, так и избыток цинка оказывают неблагоприятное воздействие на микробиоту кишечника (рис. 1). Более того, было показано, что взаимодействие между статусом цинка и микрофлорой кишечника имеет значительные местные и системные эффекты. Первый характеризуется улучшенной целостностью стенки кишечника и уменьшением воспаления кишечника. Системные эффекты, в свою очередь, могут включать системное воспаление, острый панкреатит, расстройство аутистического спектра, синдром дефицита внимания и гиперактивности, фетальный алкогольный синдром и ожирение. Весьма вероятно, что дальнейшие исследования в этой области раскроют дополнительные многоуровневые эффекты Zn, опосредованные кишечной микробиотой.
Рисунок 1. Связь между статусом цинка и кишечной микробиотой в зависимости от местных кишечных и системных эффектов.
Принимая во внимание как Zn, так и микробиоту кишечника, а также их взаимодействие в регуляции физиологических функций организма-хозяина, решение этих задач за счет использования пробиотиков, обогащенных Zn, можно рассматривать как эффективную стратегию в управлении здоровьем. Преимущества совместного приема могут включать повышенную биодоступность Zn и улучшенный рост пробиотических бактерий, а также благотворное влияние Zn на микрофлору кишечника и целостность кишечника. Молекулярные механизмы, лежащие в основе этих эффектов как на уровне хозяина, так и на уровне бактерий, также требуют дальнейшего внимания.
Литература
Комментариев пока нет