ООО "ПРОПИОНИКС"
ИННОВАЦИОННЫЕ ПИЩЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ +7(966)348-80-35; +7(915)001-93-94
Примечание редактора:
Синдром дырявой кишки (англ. Leaky gut syndrome) - это гипотетическое, с медицинской точки зрения непризнанное состояние. В отличие от научного феномена повышенной проницаемости кишечника утверждения о существовании синдрома «дырявой кишки» или «протекающей кишки»), как отдельного медицинского состояния, исходят в основном от диетологов. Однако этот термин все чаще употребляется при метаболических состояниях, связанных с нарушением нормальной функции кишечной проницаемости.
Перед прочтение статьи рекомендуется ознакомиться с ранней темой:
Синдром "дырявой кишки" и бактериальная транслокация
Резюме
Кишечный тракт - это граница, которая препятствует проникновению вредных молекул в слизистую оболочку и последующему возникновению системного кровообращения. Кишечная проницаемость является показателем целостности кишечного барьера. Было показано, что кишечная проницаемость увеличивается при различных заболеваниях - не только воспалительных заболеваниях кишечника, но также при системных заболеваниях, включая диабет, хроническую дисфункцию почек, рак и сердечно-сосудистые заболевания. Хроническое повышение кишечной проницаемости называется «дырявым кишечником», которое наблюдается у пациентов и животных, моделирующих эти заболевания. Это состояние часто коррелирует с болезненным состоянием. Кроме того, недавние исследования показали, что микробиота кишечника влияет на кишечные и системные состояния здоровья через их метаболиты, особенно короткоцепочечные жирные кислоты и липополисахариды, которые могут вызывать проницаемость кишечника. Этиология повышенной проницаемости кишечника до сих пор неизвестна; однако недавние исследования выявили экзогенные факторы, которые могут регулировать кишечную проницаемость. Питательные вещества тесно связаны со здоровьем и проницаемостью кишечника, которые активно исследуются как горячая тема научных исследований. Здесь мы рассмотрим влияние питательных веществ на кишечную проницаемость и микробиом, чтобы лучше понять протекание кишечника и возможный механизм увеличения кишечной проницаемости.
Дырявый кишечник относится к дисфункции кишечного барьера и часто приводит к возникновению синдрома дырявого кишечника (LGS) при хронических состояниях. Как видно из названия, патологическим проявлением повышенной проницаемости кишечника является повышенная кишечная проницаемость, которая вызвана различными причинными факторами. Термин «кишечная проницаемость» прост; однако определение кишечной проницаемости неоднозначно, поскольку потенциально имеет два значения - проницаемость эпителия и проницаемость капиллярных сосудов в ворсинках. Последнее сложно оценить in vivo. Таким образом, термин «дырявый кишечник» используется для обозначения аномального перемещения молекул большого размера из просвета в ворсинки или чрезмерного поглощения таких молекул из просвета в большой круг кровообращения, что, в свою очередь, вызывает различные нарушения в работе органов. Исторически понятие проницаемости кишечника начало возникать как проницаемость эпителия. Классический LGS наблюдался одновременно с воспалением кишечника, включая воспалительные заболевания кишечника (ВЗК) или целиакию, а также язвы, вызванные НПВП, которые широко изучались с 1970 по 1990 год [1,2,3]. Следовательно, негерметичная кишка была признана типичным проявлением воспаления кишечника в этот период и перестала быть предметом внимания. Дырявый кишечник снова оказался в центре внимания ученых из-за внимания, уделяемого кишечному микробиому. За последние два десятилетия методы секвенирования генома претерпели значительные изменения, и теперь они позволяют анализировать весь бактериальный геном кишечника или идентифицировать бактерии в образце стула путем секвенирования консервативных маркерных генов, таких как ген 16s рРНК бактерий [4]. Теперь мы знаем все генетическое содержание микробиоты кишечника человека, количество которого, по расчетам, в 100 раз или больше по сравнению с геномным содержанием человека [5]. Эти открытия привели к появлению концепции кишечных энтеротипов. Два основных типа, Bacteroidetes и Firmicutes, доминируют среди микробиоты человека, и многие исследования показали значительную меж- и внутриличностную изменчивость на уровне рода и выше [6]. Тип Firmicutes содержит различные типы бактерий, включая факультативные, анаэробные, кокковые и бациллярные бактерии. Грамположительные бактерии являются основными в этом типе и имеют относительно низкое содержание гуанина и цитозина [7,8]. В отличие от Firmicutes, грамотрицательные бактерии доминируют в типе Bacteroidetes, а в кишечнике человека преимущественно представлены роды Bacteroides, Alistipes, Parabacteroides и Prevotella [9]. Бактерии взаимодействуют с хозяином прямо или косвенно через физиологические активные молекулы, секретируемые бактериями, включая короткоцепочечные жирные кислоты (SCFAs), пара-крезол, пара-крезил-глюкуронид (pCG), индоксилсульфат (IS), индол-3-уксусную кислоту (IAA), а также H2S и триметиламин N-оксид (TMAO), которые могут оказывать защитное или вредное воздействие на кишечный барьер и различные органы, удаленные от кишечника, включая печень, почки и мозг [10,11]. Фактически, дисбактериоз, нездоровое изменение микробиоты кишечника, коррелирует с несколькими типами заболеваний, включая ВЗК [12], рак [13], психоневрологические расстройства [14], хронические заболевания почек (ХБП) [15,16] и кардиометаболические заболевания, включая ожирение, диабет 2 типа (СД2) и сердечно-сосудистые заболевания [17], наряду с повышенной кишечной проницаемостью. Дисбиоз приводит к увеличению популяции патогенных бактерий, которые могут продуцировать более высокие уровни липополисахаридов (ЛПС) и вызывать повреждение эпителиальных клеток, что является одним из возможных механизмов повышенной кишечной проницаемости, наблюдаемой при дисбиозе [18,19,20]. Кроме того, нарушение межклеточных связей позволяет вредным молекулам, включая ЛПС, проникать в ткань кишечника и, следовательно, попадать в кровоток, что вызывает или усугубляет не только ВЗК [21], но и системные заболевания [18,19,20]. Следовательно, концепция синдрома дырявого кишечника (LGS) перешла от простого воспалительного фенотипа к фактору обострения системных заболеваний, хотя его этиология до сих пор не ясна. Кроме того, двунаправленная транслокация молекул, метаболитов и токсинов, поступающих из системного кровообращения, в просвет кишечника также может быть распознана как LGS, хотя доказательства недостаточны.
Пищевые компоненты контактируют с просветом кишечника в течение длительного времени и могут регулировать микробиоту кишечника и кишечную проницаемость. Однако многие исследования, которые сейчас сосредоточены на микробиоте кишечника, признают изменение кишечной проницаемости как побочный симптом. В этом обзоре мы представляем обзор недавних исследований, в которых изучается влияние пищевых компонентов на кишечную проницаемость и микробиом, и выдвигаются гипотезы о возможной корреляции между ними (рис. 1). В частности, влияние пищевых волокон и диеты с высоким содержанием жиров (HFD) на микробиом и кишечную проницаемость привлекает внимание во всем мире в качестве объектов исследований и исследуется наиболее активно. Следовательно, мы сосредоточимся на этих питательных веществах.
Рисунок 1. Взаимосвязь между питательными веществами, кишечным микробиомом и кишечным барьером. LPS: липополисахариды, SCFA: жирные кислоты с короткой цепью.
Компоненты просвета, включая неперемешиваемую воду, гликокаликс и слизь, а также антибактериальные молекулы, включая дефензины, лизосомы и IgA, обеспечивают первую линию защиты до того, как вредные бактерии вступят в контакт с эпителием. Кроме того, микроклимат и выделения из желудка, поджелудочной железы разрушают бактерии и антигены в просвете [22].
Слои слизи и эпителий являются наиболее важными и основными структурами кишечного барьера. Слой слизи существует на внешней поверхности толстой кишки. Этот слой состоит из двух подслоев. Внешний слой толстый и рыхлый, в нем много бактерий и молекул, полученных из бактерий. Многие виды комменсальных бактерий растут и образуют колонии на внешнем слое, так что в здоровых условиях патогенные бактерии не могут перерасти или вторгнуться на эту территорию комменсальных бактерий. Внутренний слой прочный, плотно прилегающий и содержит небольшое количество бактерий. Этот слой действует как граница между бактериями и эпителием [23]. В случае тонкого кишечника слой слизи единичный, жидкий и содержит большое количество антимикробных веществ. Исследования на экспериментальных животных показали, что нарушение выработки слизи может привести к повреждению кишечника и воспалению [24].
Эпителий расположен чуть ниже внутренних слоев и состоит из нормальных эпителиальных клеток и нескольких типов клеток, обладающих определенными функциями, включая клетки Панета, бокаловидные клетки и т.д. Клетки Панета секретируют антибактериальные пептиды, такие как лизоцим и дефензины, и предотвращают колонизацию вредных бактерий [25], а энтероциты продуцируют хлорид в ответ на вредные раздражители [26]. Бокаловидные клетки способствуют поддержанию слоя слизистой оболочки, секретируя муцин [27]. Эпителиальные клетки связаны апикальным соединительным комплексом, который состоит из плотного соединения (TJ) и адгезивного соединения. TJ также состоит из клаудина, окклюдина и соединительной молекулы белка адгезии-A (JAM-A), а также из белков внутриклеточных бляшек, таких как zonula occludens (ZOs) и цингулин [28] (Рисунок 2). Идентифицировано 27 генов человеческого клаудина, хотя экспрессия белков некоторых из них не подтверждена [29]. Следует отметить, что клаудин-13 экспрессируется у грызунов, но отсутствует у человека [30]. Клаудин и окклюдин действуют совместно. Тем не менее, эмбриональные стволовые клетки, лишенные окклюдина, дифференцируются в поляризованный эпителий с функциональным TJ [31]. Кроме того, нокаут окклюдина приводит к нормальной барьерной функции кишечного эпителия [32]. Таким образом, окклюзия играет вспомогательную роль в кишечной проницаемости.
Рисунок 2. Построение кишечного барьера.
Молекулы могут проходить через эпителий пассивно через трансклеточный путь [26,33] или параклеточный путь [26,34] (Рисунок 3). Растворимые липиды, небольшие гидрофильные соединения, ионы и молекулы воды проходят трансцеллюлярным путем. Параклеточный путь позволяет проходить более крупным молекулам, хотя размер ограничен до 600 Да in vivo и 10 кДа in vitro [35,36] через апикальный соединительный комплекс. Последний путь далее делится на два типа путей и регулируется IL-13 и фактором некроза опухоли (TNF). IL-13 специально увеличивает поток через небольшие молекулы, включая ионы и воду, через поровые пути [37]. IL-13 вызывает потерю барьера, индуцируя экспрессию клаудина-2, а также увеличивая апоптоз и ингибируя заживление ран как in vitro, так и in vivo, в то время как более низкие дозы IL-13 индуцируют усиление регуляции клаудина-2 и активацию порового пути, зависящего от клаудина-2, в ответ на воздействие IL-13 без увеличения утечек или неограниченного потока путей [37,38]. TNF открывает путь утечки через киназу легкой цепи миозина (MLCK) и позволяет более крупным молекулам проходить через внутриклеточное пространство [37]. Следовательно, путь утечки, вероятно, будет связан с воспалением, которое позволит прохождение макромолекул, бактериальных продуктов и пищевых антигенов. Было также показано, что TNFα регулирует TJ, и клинически значимая роль TNF в патогенезе ВЗК четко продемонстрирована эффективностью антител против TNF при ВЗК, которые снижают тяжесть заболевания и восстанавливают функцию кишечного барьера [39]. Восстановление барьерной функции эпителия с помощью терапии анти-TNF может отражать заживление слизистой оболочки в условиях ослабленной иммунной системы; однако доклинические исследования показали, что сигнализация TNF также модулирует TJ. Многие исследования показали снижение уровней кишечных белков, состоящих из TJ, на животных моделях ВЗК [40], ожирения и СД2 [41,42], с повышенной проницаемостью, предполагая, что за LGS отвечает протекающий путь.
Рисунок 3. Принцип действия для открытия пор и путей утечки.
Эпителиальные клетки связываются друг с другом плотным соединением, сращиванием и десмосомой. Плотное соединение состоит из клаудина, окклюзии и соединительной молекулы белка адгезии-A (JAM), признанной ключевой конструкцией, которая регулирует абсорбцию молекул параклеточным путем. Эти молекулы, связанные с zonula occluden-1 (ZO-1), способствуют образованию плотных контактов в качестве каркасного белка. Комплекс миозин-актин, который связан с киназой легкой цепи миозина (MLCK), также взаимодействует с ZO-1 в устойчивом состоянии. Адгезивное соединение состоит из α-катенина, β-катенина и E-кадгерина. Десмосома состоит из трех видов молекул, связывающихся с кератином.
Молекулы всасываются из просвета кишечника в ткань тремя путями. Жирорастворимые молекулы, небольшие гидрофильные молекулы, ионы и вода проходят через тело клетки. Ионы и вода также абсорбируются внутриклеточно, что называется поровым путем. Более крупные молекулы (> 600 Да) могут поглощаться, когда плотное соединение становится рыхлым или разрушается из-за воспаления или других вредных раздражителей. Способы действия для пути открытия пор интерлейкином-13 (IL-13) и пути утечки фактора некроза опухоли (TNF-α) относительно хорошо известны. Сигнал от рецептора IL-13, активирует казеинкиназу 2 и фосфорилирует, окклюзируя последовательно, что позволяет взаимодействовать клаудину-2 и связывать окклюзию с zonula occluden-1 (ZO-1), как показано на рисунке 3. В случае TNF-α, киназа легкой цепи миозина (MLCK) активируется и усиливается эндоцитоз окклюзии, что приводит к разрушению плотного соединения.
Пероральное введение оценивающих реагентов является стандартным методом и наиболее часто проводится в исследованиях in vivo. В частности, введение двух неметаболизированных сахаров, лактулозы и маннита, используется в качестве золотого стандарта для целевых исследований на людях [43]. Всасывание лактулозы увеличивается, когда парацеллюлярный эпителиальный барьер нарушен, тогда как маннит меньшего размера постоянно всасывается независимо от барьерной функции, что отражает базальную способность кишечной абсорбции [43]. Следовательно, значение соотношения лактулоза / маннит в моче используется как показатель нарушения кишечного барьера [43]. Однако эти сахара могут определять статус барьерной функции только в тонком кишечнике, поскольку они разрушаются бактериями [43]. Сукралоза и 51Cr-этилендиаминтетрауксусная кислота (EDTA) могут оценивать проницаемость всего кишечника, поскольку эти молекулы не метаболизируются бактериями и широко используются от исследований in vitro до клинических исследований [44].
Размер этих сахаров и 51Cr-(EDTA невелик, так что более крупные молекулы, которые не метаболизируются человеческими ферментами и бактериями, также используются в исследованиях на животных, in vitro и ex vivo, для оценки поглощения молекул из пути утечки. Овальбумин (OVA) часто используется для измерения поглощения антигена после приема внутрь [43]. Полиэтиленгликоль и изотиоцианат флуоресцеина (FITC)-декстран удобны для оценки размера молекулы, которая вытекает из просвета, поскольку доступны различные молекулярные размеры. Молекулярная масса этих наиболее часто используемых реагентов составляет около 4000 [45].
Есть несколько других методов оценки проницаемости. Вычисление электрического сопротивления клеточной мембраны, которое отражает проницаемость параклеточных ионов, особенно применимо к исследованиям in vitro и ex vivo [46]. Кроме того, различные биомаркеры, относящиеся к повреждению эпителия, включая цитруллин, белки, связывающие жирные кислоты (FABP) и липополисахариды (ЛПС), использовались в качестве косвенного показателя снижения кишечного барьера, как подробно показано в другом месте [45].
4.1.1. Ферментация пищевых волокон и SCFAs
Пищевые волокна в значительной степени метаболизируются кишечными бактериями. Это потому, что они могут расщеплять различные типы углеводов, поскольку они кодируют более 260 гликозидгидролаз для расщепления углеводов, тогда как у человека для переваривания есть только 17 ферментов [47], что означает, что люди сами плохо переваривают различные пищевые волокна. Кроме того, более 100 триллионов бактерий могут быть вовлечены в потребление углеводов, полученных из пищевых волокон [39], что поможет эффективному перевариванию пищевых волокон. Следовательно, пищевые волокна, устойчивые к перевариванию хозяином, называются углеводами, доступными для микробиоты (MACs) [48]. Пищевые волокна делятся на растворимые и нерастворимые. Нерастворимые волокна включают целлюлозу, некоторое количество гемицеллюлозы и лигнин [49]. Растворимая клетчатка включает в себя декстрин пшеницы, пектин, камеди, β-глюкан, псиллиум и фруктаны, а также некоторую гемицеллюлозу [49]. Эти волокна получают из зерна, фруктов, овощей и бобовых [50]. Как правило, нерастворимые волокна плохо ферментируются кишечными микробами, но они, вероятно, способствуют скорости кишечного транзита и, таким образом, сокращают время, доступное для бактериальной ферментации непереваренных пищевых продуктов в толстой кишке [51]. Растворимые волокна могут быть далее переработаны бактериями в SCFAs в виде метаболитов [52], хотя некоторые из них не ферментируются, включая псиллиум и камеди.
Различные типы бактерий продуцируют разные типы SCFAs [53,54,55,56,57]. Наиболее распространенными SCFAs в толстой кишке человека являются ацетат, пропионат и бутират с молярным соотношением примерно 60:20:20 [58]. Колоноциты поглощают SCFAs через переносчики или простую диффузию. SCFAs транспортируются в различные органы через член 1 семейства 16a переносчиков растворенных веществ (SLC16a1) и SLC5a8, транспортеры для SCFAs [59]. Большая часть ацетата проходит через внутреннюю циркуляцию и превращается в ацетил-КоА для липогенеза или окисления в периферических мышцах. Оставшийся ацетат превращается в бутират и используется колоноцитами [60,61]. Пропионат в первую очередь способствует глюконеогенезу в печени. Некоторые виды бактерий потребляют лактат и сукцинат и превращают их в пропионаты. Эти физиологические функции регулируются SCFAs через рецепторы, связанные с G-белком, включая GPR40, GPR41, GPR43 и GPR120, которые распределены по различным типам клеток. GPR41 и GPR43 высоко экспрессируются в кишечнике [62]. Сообщалось, что у людей уровень SCFAs в кале увеличивается после приема пищи, богатой MACs [63].
4.1.2. Вклад SCFA в развитие кишечного барьера
Бутират является хорошо задокументированным полезным фактором для поддержания здоровья колоноцитов, обеспечивая энергией эпителиальные клетки кишечника, что, вероятно, способствует целостности кишечного эпителия [64]. Бутират подавляет цитокин-индуцированную дисфункцию барьера, изменяя уровни клаудина-2 in vitro [65]. Исследования на животных также показали аналогичное защитное действие не только на кишечный барьер [66,67], но и на эпителиальный барьер дыхательных путей [68]. Фекальный кальпротектин, маркер воспаления кишечника, снижается при введении бутирата пациентам с ЯК [69]. В дополнение к этим эффектам, бутират, по-видимому, поддерживает целостность кишечника, индуцируя экспрессию муцина в толстой кишке, как показано в исследовании in vitro [70]. Кроме того, исследования на животных показывают, что ацетат напрямую активирует инфламмасому с доменом 3 олигомеризации нуклеотидов (NLRP3) в эпителиальных клетках кишечника, что приводит к высвобождению IL-18 [71], что, в свою очередь, способствует целостности кишечного барьера за счет активации IL-18 на эпителиальных клетках мышей [72]. Однако генетический нокаут IL-18 во всем организме или блокирование рецептора IL-18 увеличивает чувствительность к химическим веществам, которые вызывают колит у мышей [73,74], предполагая, что ацетат способствует поддержанию эпителиального барьера посредством передачи сигналов NLRP3, а затем производства IL-18. Пропионат также снижает гиперинтестическую проницаемость, вызванную декстрансульфатом натрия (DSS), за счет улучшения подавления экспрессии ZO-1, окклюдина и E-кадгерина в ткани толстой кишки у мышей [75]. Недавно было показано, что ацетат, пропионат и бутират синергетически способствуют внутриклеточной проницаемости, изменяя экспрессию или распределение TJ, включая ZO-1 [76] in vitro. Наряду с этими результатами, SCFAs признаны ключевым фактором поддержания кишечного барьера (рис. 4).
Рис. 4. Влияние углеводов, доступных микробиоте (MACs), на плотный контакт (TJ).
4.1.3. Вклад пищевых волокон в целостность кишечного барьера
Влияние углеводов, доступных для микробиоты (MACs) на кишечную проницаемость было исследовано с помощью двух подходов с использованием диеты с низким содержанием клетчатки или с высоким содержанием клетчатки. У мышей, получавших диету без MACs, наблюдались тяжелый колит и повышенная кишечная проницаемость, вызванная DSS, наряду с меньшими уровнями сывороточного IL-18 у мышей [71]. Недавнее исследование на животных, нацеленное на мышей, продемонстрировало, что удаление MACs влияет на секрецию глюкагоноподобного пептида-1 (GLP-1) и GLP-2, которые синергетически облегчают повреждение кишечника и улучшают заживление кишечника [77,78]: они подавляются в подвздошной и толстой кишке, а также с повышенной кишечной проницаемостью [79]. Эти результаты показывают, что MACs вносят вклад в кишечный барьер, регулируя иммунную систему кишечника и регулируя секрецию пептидных гормонов из колоноцитов (рис. 4). Кроме того, добавление фруктоолигосахаридов, которые образуются в результате разложения инулина, типичного водорастворимого пищевого волокна, индуцирует выработку IgA в слепой кишке крыс и подавляет снижение кишечной проницаемости, вызванное дефицитом MACs [80]. Кроме того, тяжесть DSS-индуцированного колита уменьшается после приема диеты, содержащей MACs, наряду с заметным увеличением фекального бутирата [81]. Эти результаты также предполагают, что MACs благотворно влияют на кишечный барьер. Тем не менее, действительно ли добавление MACs рекомендуется для поддержания здоровья кишечника, включая барьерную функцию, еще не подтверждено, поскольку некоторые клинические исследования показывают благотворное влияние фруктоолигосахаридов и полидекстрозы на барьерную функцию кишечника у здоровых субъектов или пациентов с панкреатитом [82,83], но введение овсяного β-глюкана, арабиноксилана (растворимой гемицеллюлозы) не оказывает значительного воздействия на острую индуцированную индометацином повышенную проницаемость кишечника [84,85]. Обогащенный олигофруктозой инулин также не улучшает функцию кишечного барьера, эффективную у пациентов с глютеновой болезнью (целиакией) [84,85].
Несколько исследований показали изменение микробиоты после введения MACs. Состав фекальной микробиоты мышей, получавших высокожировую диету (HFD), изменяется дозозависимым введением инулина. В этом исследовании популяции Roseburia, Clostridium I, IV и XIV spp. снизились, тогда как уровни Bifidobacterium spp. и Bacteroidetes увеличились [86], наряду с уменьшением потребления калорий. Другое исследование, посвященное людям с легкими запорами, также продемонстрировало, что инулин вызывает увеличение популяций рода Anaerostipes, Bilophila и Bifidobacterium [87]. В частности, сообщалось, что Bilophila spp. связана с более мягким стулом и благоприятным изменением показателей качества жизни, специфичных для запоров [87]. Кроме того, СД2 связан с уменьшением количества бактерий, разрушающих клетчатку, у людей [88,89]. С другой стороны, длительное кормление с низким содержанием клетчатки усугубляло аллергическое заболевание дыхательных путей у мышей, что можно было исправить введением пропионата [90], что предполагает изменение микробиоты. Эти результаты предполагают, что MACs оказывают благоприятное влияние на микробиоту и здоровье кишечника, что может повлиять на состояние различных системных заболеваний, хотя точный механизм остается неизвестным. Кроме того, диета, лишенная MACs, приводит к увеличению уровня Bacteroides thetaiotaomicron (B. thetaiotaomicron), который поглощает гликаны кишечной слизи у мышей [48]. Следует отметить, что трансплантация микробиоты мышам, свободным от микробов, показала, что популяция бактерий, разлагающих муцин, включая B. thetaiotaomicron и Akkermansia muciniphila (A. muciniphila), увеличивалась в кишечнике при дефиците пищевых MACs [91,92]. Интересно, что исследования на животных показывают, что A. muciniphila является многообещающей пробиотической бактерией, несмотря на ее способность разлагать муцин [93]. A. muciniphila составляет 1–4% микробиоты кишечника человека, начиная с раннего возраста [94]. Сообщалось о снижении популяции A. muciniphila у пациентов с ВЗК [95,96]. Напротив, популяция кишечной A. muciniphila увеличивалась в соответствии с DSS-индуцированным колитом у мышей [97,98]. Однако интервенционные исследования указывают на защитное действие A. muciniphila на целостность кишечника или воспалительные состояния на модели колита на животных. Введение живых A. muciniphila уменьшает колит, вызванный DSS, наряду с подавлением увеличения кишечной проницаемости у мышей [99]. Другое исследование на животных продемонстрировало, что вес селезенки, индекс воспаления толстой кишки и гистологическая оценка толстой кишки, а также экспрессия провоспалительных цитокинов, включая TNF-α и IFN-γ, в толстой кишке снижаются при введении A. muciniphila [100] . Более того, белок наружной мембраны, полученный из A. muciniphila, также проявляет аналогичные защитные эффекты на модели колита у мышей [101]. Было показано, что этот белок увеличивает внутриклеточную проницаемость, активирует сигнальный путь через Toll-подобный рецептор 2 (TLR2) и TLR4 и модулирует продукцию цитокинов мононуклеарными клетками периферической крови in vitro [102]. Механизм действия A. muciniphila в отношении этих эффектов до сих пор неясен. Дальнейшее расследование может раскрыть этот механизм в будущем.
Кишечные бактерии переваривают ферментируемые MACs и продуцируют короткоцепочечные жирные кислоты (SCFAs), которые абсорбируются эпителиальными клетками с помощью переносчика семейства растворенных носителей (SLC) или простой диффузии. Ацетат, бутират и пропионат превращаются в ацетил-КоА или пропинил-КоА посредством ацетил-КоА-карбоксилаз (ACSSs) или β-окисления с образованием АТФ, который поддерживает гомеостаз клетки, включая функцию TJ. Ацетат активирует нуклеотид-связывающий домен 3 олигомеризации (NLRP3) и способствует секреции IL-18 эпителиальными клетками, что способствует функции TJ. Другие SCFAs также оказывают защитное действие на TJ. MACs также могут вносить вклад в функцию TJ, регулируя рост Akkermansia muciniphilla (A. muciniphilla) или продукцию глюкагоноподобного пептида (GLP) 1 и GLP-2.
5.1.1. Влияние жирных кислот и HFD на кишечный барьер
Жирные кислоты, полученные из пищевых жиров, в целом подразделяются на насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты. Параллельно существует другая классификация, основанная на длине жирных кислот: SCFAs, среднецепочечные жирные кислоты (MCFAs) и длинноцепочечные жирные кислоты (LCFAs). Они обладают способностью влиять на параклеточную проницаемость, как было продемонстрировано в предыдущих исследованиях in vitro [103,104]. Эйкозапентаеновая кислота (EPA), докозагексаеновая кислота (DHA) и γ-линоленовая кислота, которые относятся к ненасыщенным LCFAs, увеличивают проницаемость TJ при нормальном физиологическом состоянии без каких-либо разрушающих стимулов для кишечного барьера в клетках Caco-2 [103,104]. Однако эти LCFAs снижают проницаемость TJ в клетках T84, клеточной линии, подобной клеткам Caco-2. Кроме того, EPA и DHA снижают опосредованное IL-4 увеличение параклеточной проницаемости в клетках T84 [105]. И каприновая кислота, и лауриновая кислота, известные как насыщенные MCFAs, усиливают увеличение параклеточной проницаемости за счет активации MLCK в клетках Caco-2 [106]. Кроме того, каприновая кислота индуцирует конформационные изменения белков TJ, включая окклюдин и ZO-1 [107], тогда как лауриновая кислота - нет [106]. Эти результаты показывают, что пищевые жиры могут изменять проницаемость кишечника посредством TJ-ассоциированного параклеточного пути, напрямую взаимодействуя с эпителиальными клетками (рис. 5).
Рисунок 5. Влияние диеты с высоким содержанием жиров (HFD) и желчных кислот (BAs) на плотный контакт (TJ).
Этиологические исследования показывают связь LCFAs с прогрессированием ВЗК, что означает, что LCFAs изменяют барьерную функцию кишечника у людей. Большое проспективное когортное исследование продемонстрировало взаимосвязь между более высоким потреблением DHA и снижением частоты язвенного колита (ЯК) [108]. Сообщалось также об ассоциации ω-6 и ω-3 полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК) с состоянием ВЗК. Обычно предполагается, что ω-6 ПНЖК запускают или усиливают воспалительные сигнальные пути, тогда как ω-3 ПНЖК обладают противовоспалительным действием [109, 110, 111]. Более высокое потребление ω-3 ПНЖК связано с увеличением соотношения ω-3/ω-6 в мембране эритроцитов у пациентов с ВЗК, находящихся в состоянии ремиссии, по сравнению с теми, у кого был рецидив [112]. Сообщалось, что уровни ω-3 жирных кислот и EPA в сыворотке положительно коррелируют с уровнями провоспалительных цитокинов и активностью заболевания, тогда как сывороточные ω-6 жирные кислоты обратно коррелируют с этими индексами [113].
HFD может вызывать увеличение кишечной проницаемости у мышей или крыс с пониженной экспрессией мРНК или белков TJ, включая клаудины-1, клаудины-2, клаудины-3 и ZO-1 [114,115,116,117]. Более конкретно, у мышей с нокаутом IL-10 с ВЗК, ВЗК-подобный колит спонтанно запускается с увеличением кишечной проницаемости [118]. Было замечено, что диета с высоким содержанием насыщенных жиров способствует развитию иммунного ответа Th1 и увеличивает частоту колита [119]. Эти эффекты, возможно, возникают из-за увеличения популяции Bilophila wadsworthi, сульфитредуцирующего патобионта, через таурин-конъюгацию желчных кислот печени. У мышей, получавших комбинированную диету с высоким содержанием жиров и сахара, наблюдалось увеличение маркеров воспаления в кале с повышенным уровнем протеобактерий в стуле [120]. В соответствии с этими изменениями эти мыши более восприимчивы к DSS-индуцированному колиту. HFD также влияет на секрецию IgA. Уровень секреторного IgA, покрывающего микробиоту кишечника, повышен как у мышей с нормальной диетой, так и у мышей, получавших HFD. Однако это увеличение снижено у мышей, получавших HFD [121]. Следовательно, диета HFD вызывает увеличение кишечной проницаемости за счет подавления TJ и изменяет иммунный ответ, опосредованный T-клетками и плазматическими клетками, продуцирующими IgA, in vivo.
5.1.2. Индуцированная HFD абсорбция ЛПС и барьер в кишечнике
Повышенное всасывание липополисахаридов (ЛПС) из дырявого кишечника было предложено в нескольких исследованиях на мышах, получавших HFD, показавших повышенную проницаемость при повышенных уровнях ЛПС в сыворотке [114, 122]. С другой стороны, мыши, которым вводили ЛПС, демонстрировали снижение уровня холестерина ЛПВП в плазме и повышение уровня триглицеридов в плазме [123]. Когортное исследование на людях также продемонстрировало, что высокий уровень ЛПС в сыворотке у пациентов с диабетом 1 типа связан с высокими уровнями триглицеридов в сыворотке и повышенным диастолическим артериальным давлением [124]. Эти результаты предполагают, что повышенная кишечная проницаемость влияет на дислипидемию через абсорбцию ЛПС (рис. 5). Фактически, мышиные модели показали важность TLR4, рецептора для ЛПС, и его передачи сигналов в индуцированной диетой инсулинорезистентности и атеросклерозе [125]. Мыши с нокаутом TLR4 устойчивы к индуцированной HFD непереносимости глюкозы [126,127], а также к индуцированному HFD атеросклерозу [128]. Точно так же исследования на людях показали, что высокое потребление жиров и углеводов модулирует экспрессию TLR2 и TLR4 в мононуклеарных клетках с повышенным уровнем ЛПС в сыворотке [129, 130]. Кроме того, ЛПС стимулирует дифференцировку Т-хелперных клеток (Th) 17 через TLR4 в ответ на ЛПС [131], что может способствовать индуцированной ЛПС воспалительной реакции, поскольку IL-17A снижает экспрессию рецептора-α, активируемого пролифератором пероксисом (PPARA), который является противовоспалительным и подавляет окисление жирных кислот [132]. Расширенное исследование показало, что инфильтрация лейкоцитов в печень и экспрессия мРНК воспалительных цитокинов TLR4 и TLR9 были увеличены у мышей, получавших HFD, у которых кишечный барьер был нарушен совместным введением DSS с HFD, которые подавляли ZO-1 и экспрессию клаудина-1 в толстой кишке, предполагая, что негерметичный кишечник и последующая атака на печень со стороны ЛПС участвуют в патогенезе дисфункции печени [133].
Несколько исследований показали изменение микробиома под действием HFD как у животных [134, 135, 136], так и у людей [137 138]. Недавнее исследование продемонстрировало возможность того, что вызванное HFD изменение микробиома косвенно модулирует экспрессию TJ. Постоянное воздействие HFD вызывает нарушения глюкозы, инсулинорезистентность, воспаление и стеатогепатит печени у мышей, что связано с меньшим количеством Butyricicoccus, Clostridium и Turicibacter, также известных как продуценты бутирата. Эти изменения коррелируют со снижением уровней бутирата в толстой кишке, снижением экспрессии окклюдина-1 и ZO-1 в толстой кишке и повышением сывороточной экспрессии ЛПС и мРНК ЛПС-связывающего белка печени [139]. Как описано ранее, A. muciniphila оказывает защитное действие на кишечную проницаемость. Воздействие этих бактерий на дисфункцию кишечного барьера вызывается HFD и связанными с ними системными расстройствами, включая ожирение и СД2. Обилие A. muciniphila отрицательно коррелирует с уровнем глюкозы в крови натощак, соотношением талии и бедер и диаметром подкожных жировых клеток у субъектов с ожирением, а повышенное количество A. muciniphila положительно коррелирует с улучшением маркеров чувствительности к инсулину и других клинических параметров после ограничения калорийности [140]. По сравнению со здоровыми субъектами, у пациентов с T2D меньше фекальных внеклеточных носителей A. muciniphila (AmEVs) [141], которые подавляют увеличение веса, вызванное HFD, повышенный уровень холестерина в плазме, триглицеридов и глюкозы, наряду с понижением регуляции мРНК TLR4 и TJ в кишечнике у мышей [142]. Кроме того, мембранный белок, полученный из A. muciniphila, снижает непереносимость глюкозы и уровни ЛПС в плазме крови наряду с повышением регуляции молекул, связанных с сигнализацией инсулина и клаудином-3 [143]. Эти результаты предполагают, что A. muciniphila оказывает положительное влияние на нарушения, вызванные HFD, и целостность кишечного барьера может быть вовлечена в этот механизм (Рисунок 5).
Желчные кислоты (ЖК), выделяемые из двенадцатиперстной кишки, помогают переваривать липиды, а также холестерин и жирорастворимые витамины. HFD вызывает усиленное выделение ЖК, что приводит к увеличению концентрации первичных ЖК в толстой кишке по сравнению с диетами с низким или нормальным содержанием жира [144]. Однако от 5% до 10% ЖК не реабсорбируются, а превращаются во вторичные желчные кислоты бактериями в толстом кишечнике. Вторичные желчные кислоты вредны и, как предполагается, способствуют канцерогенезу толстой кишки [145]. Помимо своей роли в абсорбции пищевых липидов и гомеостазе холестерина, желчные кислоты действуют как сигнальные молекулы через два основных сигнальных пути. Один из них представляет собой рецептор желчных кислот, связанный с G-белком (GPBAR1, также известный как TGR5), а другой включает членов суперсемейства ядерных гормональных рецепторов, включая фарнезоидный X-рецептор (FXR) [146]. Исследования на животных показывают, что и GPBAR1, и FXR способствуют целостности кишечного барьера. Мыши, нокаутированные по GPBAR1, демонстрируют аномальную молекулярную архитектуру эпителиального TJ с повышенной экспрессией и аномальным субклеточным распределением зонулина-1 с повышенной кишечной проницаемостью. Кроме того, эти мыши более чувствительны к стимулам DSS и имеют тяжелый колит [147]. Активация GPBAR1 синтетическим агонистом обращала вспять воспаление кишечника на моделях химически индуцированного колита. Возможные механизмы включают снижение транспорта моноцитов из крови в слизистую кишечника и модуляцию состояния активации макрофагов, что приводит к снижению экспрессии воспалительных генов, включая TNF-a, IFN-g, IL-1b, IL-6 и CCL2 [148]. Проницаемость кишечника увеличивается у мышей с нокаутом FXR [149], а агонист FXR проявляет защитный эффект при химически индуцированном колите со сниженной проницаемостью эпителия и некоторыми воспалительными реакциями [150]. Недавнее исследование продемонстрировало, что кишечно-специфические мыши с дефицитом FXR демонстрируют повышенную кишечную проницаемость, возможно, из-за снижения целостности слизистой оболочки, связанной со сниженной секрецией белка муцина 2 и более низкими уровнями белка E-кадгерина [151]. Взятые вместе, эти результаты показывают, что ЖК поддерживают кишечный барьер через рецептор, воспринимающий ЖК, по крайней мере частично (Рисунок 5).
Жирные кислоты напрямую ухудшают функцию TJ и открывают путь утечки. Кроме того, HFD влияет на загрязнение бактериями и усугубляет производство ЛПС. Дисфункция TJ позволяет ЛПС проникать в эпителиальные клетки, где он становится мишенью для иммунных клеток, что вызывает дальнейшее повреждение TJ. HFD также индуцирует секрецию ЖК, которые бактериями превращаются в цитотоксические вторичные ЖК (SBAs). Тем не менее, SBAs проявляют защитный эффект на функцию TJ через рецептор желчных кислот, связанный с G-белком (GPBAR1) и фарнезоидный X-рецептор (FXR).
Мы рассмотрели влияние пищевых волокон и жиров на проницаемость кишечника и микробиом, а также взаимосвязь между ними. Пищевые волокна считаются защитным питательным веществом для кишечного барьера и способствуют поддержанию микробиоты в здоровом состоянии. Эти полезные эффекты опосредуются SCFAs, и эпителиальный IL-18, по-видимому, участвует в молекулярном механизме регуляции барьера. Напротив, жиры, вероятно, способствуют увеличению проницаемости эпителия. Исследования in vitro показывают, что жирные кислоты напрямую нарушают эпителиальный барьер. Кроме того, повышенный уровень ЛПС в плазме, вызванный жиром, способен разрушить кишечный барьер. Эти результаты показывают, что западная диета содержит большое количество жиров и бедное волокно, которые могут вызывать или обострять различные системные заболевания из-за плохого состояния кишечника, включая нарушение функции кишечного барьера. Кроме того, как пищевые волокна, так и высокое содержание жиров могут влиять на относительную популяцию A. muciniphila, что оказывает защитное действие на целостность кишечного барьера и болезненное состояние, предполагая возможные причинные связи между пищевыми волокнами и жирами, микробиомом, синдромом дырявого кишечника (LGS) и системными заболеваниями. Тем не менее, эти отношения имеют недостающее звено, поскольку молекулы, ответственные за LGS и последовательную дисфункцию различных органов, не идентифицированы. Чтобы прояснить этот момент, мы должны определить точную область LGS, которую не могут сделать обычные реагенты для оценки LGS [45]. Это является узким местом для оценки того, являются ли субъекты ЛГС или нет в животных и клинических исследованиях. Вот почему негерметичный («дырявый») кишечник - это не то, что до сих пор можно так легко понять, особенно у людей. Совершенствование методов оценки LGS или разработка органа ex vivo, такого как органоид, могли бы связать недостающее звено и предоставить больше информации о взаимосвязи между питательными веществами и LGS.
Литература
Комментариев пока нет