Гипотеза перекармливания кишечных бактерий

ПЕРЕКОРМЛЕННЫЕ КИШЕЧНЫЕ БАКТЕРИИ ПРИВОДЯТ К ДИСБАКТЕРИОЗУ И ЗАБОЛЕВАНИЯМ

Воздействие микробиома, связанного с хозяином, на условия, богатые питательными веществами, может привести к дисбиозу и развитию болезней

В новой гипотезе исследовательская группа CRC 1182 Кильского университета предполагает, что воспалительные заболевания вызваны переизбытком пищи и связанным с этим нарушением естественной бактериальной колонизации кишечника

После окончания Второй мировой войны, наряду с растущим процветанием и связанными с этим изменениями в образе жизни, в современных промышленно развитых странах появилось множество новых и связанных с цивилизацией болезней. Примерами так называемых "экологических заболеваний" являются различные воспаления кишечника, такие как болезнь Крона или язвенный колит. Общие причины включают нарушения микробиома человека, т. е. естественную микробную колонизацию организма, и в частности кишечника. До настоящего времени ученые объясняли это нарушение взаимодействия между организмом хозяина и микробами различными гипотезами: например, они постулировали, что чрезмерная гигиена, интенсивное использование антибиотиков или некоторые генетические факторы постоянно нарушают микробиом, делая людей уязвимыми к болезням. Однако эти попытки объяснения до сих пор были неполными. Команда из Центра совместных исследований (CRC) 1182 "происхождение и функция Метаорганизмов" Кильского университета, Герамания (CAU - Christian-Albrechts-Universität zu Kiel) сформулировала новую и более всеобъемлющую эколого-эволюционную теорию развития экологических заболеваний. Исследователи Киля предполагают, что неестественная и особенно обширная подача питательных веществ отделяет бактерии от организмов-хозяев и тем самым разрушает тонкий баланс микробиома. В какой-то степени перекормленные бактерии в кишечнике способствуют развитию заболевания. Ученые Киля опубликовали в журнале mBio фундаментальный новый подход к более полному объяснению экологических заболеваний

Начало лежит в океанах

Отправной точкой для исследовательской группы в Киле была экология морских местообитаний: исследования по отмиранию кораллов и водорослей и связанное с этим воздействие на важные экосистемы океанов позволяют предположить, что помимо других факторов, таких как изменение климата или чрезмерный вылов рыбы, питательные условия в морской воде могут быть причиной проблемы. Как только возникает переизбыток пищи из-за влияния человека, бактерии, живущие в сообществе с кораллами, начинают отделяться от своих хозяев. Затем они больше не питаются продуктами метаболизма хозяина, а предпочитают более богатые питательные вещества из окружающей воды. Баланс кораллового микробиома нарушается из-за исхода его симбиотического партнера, и в результате возникают болезни. «В этой связи между доступностью питательных веществ и балансом взаимоотношений бактерий и хозяев мы видим универсальный принцип, выходящий за рамки очень специфического примера кораллов», - объяснил доктор Тим Лахнит (Tim Lachnit), научный сотрудник CRC 1182 и первый автор исследования.

«В исследованиях нашего модельного организма, пресноводного полипа - Гидры, мы смогли экспериментально подтвердить эту связь», - продолжил Лахнит. Эти маленькие стрекающие также показали явные признаки болезни, как только их нормальное потребление питательных веществ было нарушено, и вместо этого стало доступным избыточное количество пищи. Прим. ред.: Научная классификация пресноводного полипа гидры: Царство: Животные; Подцарство: Эуметазои; Тип: Стрекающие; Класс: Гидроидные; Отряд: Гидроиды; Семейство: Hydridae; Род: Гидра

Рис. 1. Строение тела полипа гидры. Тело гидры - мешок со стенкой из двух слоев клеток (эктодермы и энтодермы), между которыми находится тонкий слой межклеточного вщества (мезоглея).

ГИПОТЕЗА ПЕРЕКАРМЛИВАНИЯ

Избыточное питание может нарушить гомеостаз и привести к изменению микробиома, что приводит к развитию болезни: гипотеза перекармливания.

Какое отношение кораллы и стрекающие имеют к людям?

С высокой степенью вероятности знания, полученные в ходе эксперимента, также можно перенести на здоровье человека. Как и в морской воде, или в простой полости тела пресноводного полипа, который в ходе эволюции отделился от внешней среды и непосредственного снабжения пищей, запас питательных веществ в кишечнике человека также меняется вместе с индуцированным цивилизацией изменением в привычках питания - в сторону несбалансированной, богатой энергией диеты с низким содержанием клетчатки. В дополнение к прямым негативным последствиям для здоровья, постоянно высокий, легко перерабатываемый запас питательных веществ, влияет не только на метаболизм человека, но и на бактериальную колонизацию кишечника, который также «питается» этими веществами. Микробы переключаются с метаболитов хозяина в качестве основного продукта питания на чрезвычайно доступные питательные вещества из пищи человека и, таким образом, отделяются от их взаимодействия с организмом хозяина. «Это чрезмерное питание бактерий способствует их росту в целом, и некоторые виды бактерий размножаются в ущерб другим членам микробиома усиленным и неконтролируемым образом», - подчеркнул профессор Томас Бош (Thomas C. G. Bosch), представитель CRC 1182. «Таким образом, наряду с изменением состава бактериальной колонизации, также меняются взаимодействия между бактериями и организмом-хозяином, и происходит серьезная дезадаптация, известная как дисбиоз», - пояснил доктор Питер Дейнс (Peter Deines), научный сотрудник Кильского центра CRC 1182.

Другие связанные с цивилизацией факторы увеличивают этот дисбаланс микробиома. Исключения составляют периодическое голодание в результате не всегда доступных источников пищи, а также очень редкое явление поноса, приводящее к эпизодическому сокращению кишечных бактериальных колонизаторов. Они представляют собой очень фундаментальные механизмы, которые со времен раннего развития человечества вплоть до доиндустриальной эры позволяли микробиому периодически возвращаться в нормальное состояние и таким образом восстанавливать здоровый и естественный состав. Однако эти естественные очистительные механизмы были почти полностью уничтожены в развитых странах, что позволило бесконтрольно развиваться бактериям, которые не были специально адаптированы к слизистой оболочке человека-хозяина.

Это может привести к изменению состава и увеличению бактериальных побочных продуктов в кишечнике. Кроме того, перекармливание путем потребления WSD (диеты в западном стиле) может также ухудшить естественный баланс питательных веществ в кишечнике (соотношение C/N/P – углерода, азота и фосфора), что приводит к усилению микробной деградации слизистого барьера. Взятые вместе, снижение барьерной функции слизи и увеличение высвобождения бактериальных побочных продуктов в кишечник повышают узнавание хозяина и стимулируют иммунную систему. Дополнительное распознавание себя и стимуляция иммунной системы в любом месте в организме, вероятно, инициируют иммунный ответ, который может способствовать развитию сложных заболеваний, таких как атопический дерматит, астма или диабет. Прим. ред.: В диете западного стиля (WSD), которая легко усваивается людьми и микробами, богата сахарами, жирами и белками, имеется небольшое количество клетчатки (пищевых волокон), что может иметь неблагоприятные последствия для здоровья, в то время как диеты, богатые клетчаткой, полезны.

Излечивает ли себя микробиом?

"Гипотеза избыточного питания", предложенная исследователями из Kiel CRC 1182 в тесном сотрудничестве с CAU Cluster of Excellence "Precision Medicine in Chronic Inflammation", предлагает ценные подходы для дальнейших исследований, вплоть до потенциального перехода к будущим методам лечения: до настоящего времени ученые особенно искали способы исправить нарушенный микробиом с помощью внешних вмешательств, таких как пробиотики, то есть добавление определенных типов полезных бактерий или даже фекальных трансплантатов для восстановления баланса. Теперь, эколого-эволюционная перспектива добавила другой метод. Больше, чем когда-либо прежде, он включает в себя естественную способность микробиома перестраиваться и восстанавливать здоровый состав. Поэтому будущие исследовательские подходы заключаются в специфических механизмах, уравновешивающих микробиом, и в вопросе о том, может ли "перекармливание" бактерий быть уменьшено за счет изменения пищевых привычек. «Интересным будет вопрос, имеют ли терапевтический потенциал оригинальные эволюционные процессы, обеспечивающие баланс микробиома», - сказал Лахнит. «В будущем мы, например, будем рассматривать не только известные преимущества голодания для здоровья, но и его влияние на состав и функцию микробиома, а значит и на развитие воспалительных заболеваний», - продолжил Лахнит.

 Дополнение по теме из статьи в mBio

Рис 2. Относительное обилие бактерий, связанных с коралловой слизью (A), человеческой кожей (B) и слизистой желудочно-кишечного тракта (C) по отношению к прилегающим средам морской воды, воздуха и просвета желудочно-кишечного тракта.

Эпителиальная колонизация: секретирование хозяина как пищевой ресурс.

В целом, содержание микробов в слизи кораллов примерно на 1 порядок выше, чем в окружающих рифовых водах. Интересно, что при сравнении количества бактерий, ассоциированных с поверхностью хозяина, с количеством бактерий, ассоциированных с окружающей средой, мы находим ту же картину в водных и наземных организмах. В обоих случаях обилие поверхностно-ассоциированных бактерий всегда выше, чем в окружающей среде (рис. 2, кораллы [панель A] и человеческая кожа [панель B]). Но есть и различия между этими двумя системами. Что касается земной жизни, то количество встречающихся бактерий значительно снижается, поскольку количество бактерий в воздухе составляет лишь небольшую часть их количества в рифовой воде. Далее, подача питательных веществ, например, в окружающую среду кожи из воздуха практически равна нулю. Поэтому бактерии, связанные с кожей, должны жить исключительно в секретируемом или поверхностном материале. В кишечнике человека мы находим прямо противоположное. Здесь содержание бактерий в просвете превышает количество бактерий, ассоциированных со слизью, примерно в 10⁸ раз (рис. 2С).

Эволюционное происхождение двух различных микробных ниш в кишечнике.

С эволюционной точки зрения, развитие среды кишечника изменило существующие отношения хозяина и микроба, введя другую среду обитания и источник питания для бактерий. Инвагинация во время гаструляции (короче, эволюционно, согласно теории исследовательской группы CRC 1182) делокализовала эпителиальную поверхность снаружи во внутреннюю часть организма и отделила ее от условий окружающей среды в воде. Следовательно, это привело к резким изменениям окружающей среды для ассоциированной микробиоты из-за ограниченного обмена с окружающей водой. Например, стало ограничено поступление кислорода и питательных веществ из окружающей воды. Вместо этого, ассоциированные микробы были менее подвержены разнообразной смеси бактериальных колонизаторов, травоядных и фагов, чем планктонное сообщество. Это, в свою очередь, ограничивало колонизацию микробами кишечной среды, которая становилась зависимой от пищевого поведения эукариотического хозяина. В целом, поглощение пищи не только выделяет новые бактерии в кишечнике, но также предлагает альтернативный источник питательных веществ для микробиоты кишечника и, таким образом, формирует дополнительную среду обитания для бактерий. Таким образом, развитие кишечника привело к появлению двух разных ниш с различными популяциями микробов: слизи кишечника и связанной с ней жилой микробиотой (которую мы здесь называем «микробиотой, специфичной для человека») и пищей, которая переваривается связанной с ней переходной микробиотой. (просветной микробиотой или люминальным микробиомомом). В то время как рост связанных со слизью бактериальных сообществ вне организмов ограничен секретируемыми хозяином метаболитами, бактерии в слизистой  кишечника подвергаются динамическим изменениям состава перевариваемой / проглатываемой пищи в зависимости от: потребления пищи, состава пищи, частотаы кормления, пищеварительной обработки хозяином, а также ферментативнаой активности микробиоты. Вещества, полученные из организма хозяина, такие как желчные кислоты, слизь и мочевина, являются важными источниками питательных веществ для микробиоты, причем мочевина служит основным источником азота. Эти процессы обеспечивают дополнительные питательные вещества для бактерий, ассоциированных со слизью, и таким образом непрерывно формируют кишечные условия окружающей среды и влияют на состав микробного сообщества.

Источник: Материалы предоставлены Kiel University

Статья в журнале: Tim Lachnit, Thomas C. G. Bosch, Peter Deines. Exposure of the Host-Associated Microbiome to Nutrient-Rich Conditions May Lead to Dysbiosis and Disease Development—an Evolutionary Perspective. mBio, 2019; 10 (3)