Измененный состав микробиома у людей с фибромиалгией

Секрет фибромиалгии обнаружен в микробиоме

Некоторые различия в составе микробиома и бактериях, метаболизирующих желчь, связаны исключительно с фибромиалгией

Поражающая до четырех процентов населения и в основном женщин, фибромиалгия представляет собой синдром, который вызывает боль, усталость и когнитивные проблемы. Это плохо изученное состояние не лечится и его трудно диагностировать. Теперь, благодаря работе группы ученых из Медицинского научно-исследовательского центра при университете Макгилла, Университета Монреаля и Института медицины боли в медицинском кампусе Рамбам в Хайфе, Израиль, это надежда на излечение появилась на горизонте.

После того, как в 2019 году впервые было показано, что фибромиалгия связана с изменениями в микробиоме кишечника, эта группа исследователей сделала важный шаг к лучшему пониманию связи между кишечными бактериями и синдромом. В новом исследовании они представили первые доказательства того, что у пациентов с фибромиалгией наблюдается разное количество и виды кишечных бактерий, метаболизирующих желчь, а также разная концентрация желчных кислот в крови по сравнению со здоровыми людьми. Они также показывают, что некоторые из этих различий коррелируют с тяжестью симптомов. Эти результаты, опубликованные в научном журнале Pain, могут проложить путь к разработке диагностических и терапевтических инструментов для людей, страдающих фибромиалгией.

Сигнатура, характеризующаяся уникальным составом желчных кислот

Желчные кислоты человека, выделяемые печенью, помогают организму переваривать масла и жиры, а также выполняют множество биологических функций в других системах организма. После метаболизма в кишечнике они рециркулируют в печень и кровь и становятся вторичными желчными кислотами.

В этом исследовании, сравнивая 42 здоровых женщин с 42 женщинами с фибромиалгией, исследователи обнаружили, что бактерии, метаболизирующие желчь, которых было больше в кишечнике, не были одинаковыми в обеих группах, и что у женщин с фибромиалгией были значительные изменения в сывороточной концентрации вторичных желчные кислоты.

«Изменение желчных кислот, которое мы наблюдали у пациентов с фибромиалгией в нашем исследовании, достаточно отчетливо, чтобы его можно было использовать в качестве эффективного биологического признака для выявления людей с фибромиалгией. Это важный шаг вперед, учитывая, что диагностика фибромиалгии часто является длительным процессом, который требует устранения других состояний, которые могут вызывать подобные симптомы», — говорит доктор Амир Минерби, один из первых авторов исследования, который перешел из отделения лечения боли Алана Эдвардса в Медицинском центре Университета Макгилла (MUHC) в Институт медицины боли Рамбама во время время исследования.

Используя искусственный интеллект, команда также обнаружила, что присутствия шести конкретных вторичных желчных кислот было достаточно, чтобы с точностью более 90% предсказать наличие у участника исследования фибромиалгии.

«Машинное и статистическое обучение помогло нам определить, какие кишечные бактерии изменяются в изобилии и какие желчные кислоты человека являются важными причинами заболевания», — говорит соавтор исследования Эммануэль Гонсалес, доктор медицины, из Канадского центра вычислительной геномики и Департамента генетики человека в Университете Макгилла. «Эти подходы обеспечили точную биологическую сигнатуру фибромиалгии, и, хотя группа нашего исследования была относительно небольшой, эти результаты являются многообещающим признаком того, что искусственный интеллект может значительно улучшить точную диагностику заболевания».

Изменения, связанные с тяжестью симптомов

Исследователи собрали образцы стула у всех участников для анализа бактерий микробиома, а также образцы крови для анализа желчных кислот. Чтобы увидеть, есть ли связь между наблюдаемыми биохимическими изменениями и тяжестью симптомов, они попросили участников с фибромиалгией заполнить анкеты, оценивающие их боль, усталость, качество сна и когнитивные и соматические проблемы. Пациенты также описывали свое физическое функционирование, трудности в работе, утреннюю усталость, мышечную скованность, симптомы тревоги и депрессии.

альфа-мурихолевая кислота

Исследователи определили вторичную желчную кислоту, называемую альфа-мурихолевой кислотой (αМСА), которая в среднем в пять раз меньше присутствовала у пациентов с фибромиалгией, чем у здоровых участников. Они обнаружили, что присутствие αМСА отрицательно коррелирует с большинством симптомов синдрома, включая боль, усталость, плохой сон и когнитивные жалобы.

«Если это подтвердится в будущих исследованиях, мы можем изучить потенциальный новый механизм, включающий одну конкретную вторичную желчную кислоту, которая влияет на хроническую боль», — говорит старший автор исследования, доктор Йорам Шир из MUHC Alan Edwards Pain Management Unit.

Используя технологии секвенирования ДНК и искусственный интеллект, команда искала корреляции между концентрациями желчных кислот в сыворотке крови и различными клиническими переменными. Анализ подтвердил, что, по крайней мере, некоторые из наблюдаемых различий в составе микробиома пациентов и бактериях, метаболизирующих желчь, вероятно, были связаны с фибромиалгией, а не с другими индивидуальными факторами или факторами окружающей среды.

«Например, синдром раздраженного кишечника и депрессивное расстройство распространены среди людей с фибромиалгией, но мы смогли продемонстрировать, что изменения в специфических желчных кислотах, связанные с фибромиалгией, не коррелируют с этими состояниями», — говорит эксперт по биоинформатике Эммануэль Гонсалес.

Поскольку диета является фактором, влияющим на состав кишечного микробиома, ученые также провели анализ рациона питания каждого участника и не обнаружили корреляции между потребляемыми питательными веществами и симптомами.

Первое сообщение, связанное с изменениями желчных кислот при хронической боли

Как и предыдущее исследование команды, связывающее фибромиалгию с микробиомом кишечника (опубликовано в журнале Pain в 2019 году), это новое исследование было проведено в рамках проекта «Микробиом фибромиалгии», который проводился в период с 2017 по 2018 год в Отделении обезболивания MUHC Alan Edwards и в ревматологической клинике (West Island Rheumatology Clinic) в Монреале, Канада. Несмотря на проблемы, связанные с пандемией COVID-19, команда исследователей, специализирующихся на клинических исследованиях, питании человека, биологии окружающей среды и биоинформатике, продолжила свое сотрудничество и менее чем за три года смогла опубликовать это новое исследование, установившее первую значимую связь концентрации желчных кислот в крови с хронической болью.

«Наши результаты показывают тесную взаимосвязь между составом микробиома пациента, желчными кислотами и тяжестью симптомов фибромиалгии. Понимание биологического механизма фибромиалгии имеет решающее значение, потому что оно показывает, что это состояние реально, и потому что оно приближает нас к разработке эффективного лечения для этих женщин и мужчин, испытывающих боль», - говорит доктор Шир.

Источник: medicalxpress

Некоторые подробности исследования (касательно микробиома) см. ниже:

Измененный состав микробиома у людей с фибромиалгией

из статьи в журнале Pain

Участники исследования

Из 156 отобранных участников 77 были пациентами с фибромиалгией (группа FM), а 79 были участниками контрольной группы. Контрольные участники включали 11 родственников пациентов с FM первой линии (группа RC), 20 др. членов семьи пациентов с FM (группа HC) и 48 неродственных контрольных участников (UC). 

Пациентками с FM были женщины (средний возраст 46 ± 8 лет), у которых FM была диагностирована в среднем 7,7 лет назад. Большинство участников были европеоидами. Средний индекс распространенной боли в группе пациентов составил 11 (SD 3.2), а средний балл тяжести симптомов составил 9.3 (SD 1.8). Оценки диагностических критериев FM 2016 года и оценки опросника FM Impact были значительно выше у пациентов по сравнению со всеми контрольными группами (Pillai trace P < 0,0001, F = 4,53).

Общий состав микробиома кишечника

Преобладающими типами бактерий среди всех участников были бактериоиды (48%), фирмикуты (40%), протеобактерии (4%) и актинобактерии (2%). Из 349 OTUs, аннотированных на таксономическом уровне видов, 312 были уникальными, тогда как 37 имели последовательность, общую для нескольких видов. 10 наиболее распространенных OTUs, аннотированных при разрешении видов во всех образцах, принадлежали к родам Bacteroides, включая Bacteroides dorei, Bacteroides uniformis, Bacteroides stercoris, Bacteroides ovatus, а также Prevotella copri, Alistipes putredinis и Faecalibacterium prausnitzii.

Рисунок 1. (А) Общий состав микробиома 156 участников исследования.  Цветочная диаграмма из 1620 OTUs, окрашенных по типу. (B) Таксономический состав микробиома кишечника на уровне филологии среди пациентов из соответствующих групп: FM (n = 77), RC (n = 11), HC (n = 20) и UC (n = 48).

Состав микробиома кишечника изменяется у пациентов с фибромиалгией

Анализ канонического соответствия показывает, что образцы разделяются по пациентам с FM и неродственным контролям в неперекрывающихся кластерах. Многомерный анализ показал, что межгрупповая дисперсия была значительно больше, чем внутригрупповая дисперсия (P < 0,01) между пациентами с FM и неродственными контролями. Члены семьи и родственники первой степени сгруппированы между пациентами с FM и неродственными контролями.

Был проведен дифференциальный анализ численности для сравнения пациентов с FM (77) с неродственными участниками контроля (48) с использованием дифференциального анализа экспрессии генов на основе отрицательного биномиального распределения (DESeq2).

на заметку для понимания дальнейшей информации:

DA (Дифференциальное обилие - differential abundance)

Таксоны DA (виды DA) - это таксоны, абсолютная численность которых на единицу объема экосистемы (например, кишечника) значительно отличается в зависимости от изменений в интересующей ковариации (например, групповой эффект). В анализе DA проверяются значительные изменения численности клеток для каждой метки в зависимости от условий. Это покажет, какие типы клеток истощаются или обогащаются при обработке, что, возможно, так же интересно, как и изменения в экспрессии внутри каждого типа клеток.

Семьдесят две OTUs были идентифицированы как виды DA, на 53 выше при FM и на 18 выше в неродственных контролях. Эти OTUs включали 47, которые могли быть аннотированы на таксономическом уровне родов или видов и включали таксоны из Firmicutes, Bacteroidetes и Proteobacteria. Самая большая положительная разница кратности изменения предполагаемых видов DA, наблюдаемая у пациентов с FM, была получена из OTUs Parabacteroides_merdae_4 и Clostridium_scindens_1, тогда как самая большая отрицательная разница кратности изменения у пациента с FM была у Prevotella_copri_1 и Bacteroides_uniformis_3 (рис. 2).

Рисунок 2.: (A) Различное количество OTUs между пациентами с FM и неродственными участниками контрольной группы. Изменение кратности (FC log2) обозначает относительные различия в относительной численности между группами (DESeq2). Виды сгруппированы по типам для сравнения. (B) Диаграмма дифференциального обилия бактерий на уровне видов у пациентов с FM (слева) и у здоровых людей (справа). FM, фибромиалгия; OTU, операционная таксономическая единица.

Изменение уровня конечных продуктов ферментации в сыворотке крови у пациентов с фибромиалгией

Наблюдались последовательные изменения в численности бактерий, связанных с метаболизмом бутирата: F. prausnitzii и B. uniformis были обнаружены в более низкой относительной численности у пациентов с FM, тогда как более высокая относительная численность наблюдалась для Intestinimonas butyriciproducens, Flavonifractor plautii, Butyricoccus desmolans, Eisenbergiella tayi и Eisenbergiella massiliensis. Чтобы изучить возможный метаболический эффект этих изменений, был использован целевой метаболический подход для измерения сывороточных концентраций масляной кислоты, изомасляной кислоты, пропионовой кислоты и молочной кислоты. Уровни масляной кислоты в сыворотке крови у пациентов с FM (n = 73) были выше по сравнению с неродственными участниками контрольной группы (n = 46, Р = 0,005), тогда как уровни пропионовой кислоты были ниже (Р = 0,006), и также наблюдалась тенденция к снижению уровней изомасляной кислоты (Р = 0,056). Существенных различий в уровнях молочной кислоты в сыворотке крови не наблюдалось. Многомерный анализ показал значительную разницу между группами (Pillai's Trace, F = 8,97, P < 0,0001).

Рисунок 3. Сывороточные концентрации масляной кислоты, изомасляной кислоты, пропионовой кислоты и молочной кислоты (ANOVA **P <0,01, ˙P <0,1).

Микробиом кишечника связан с клиническими показателями фибромиалгии

Чтобы изучить взаимосвязь между обилием таксонов DA и тяжестью симптомов FM, относительное обилие OTUs DA коррелировало с конкретными для заболевания и независимыми переменными. Коэффициент ранговой корреляции Спирмена продемонстрировал статистически значимую связь между обилием нескольких таксонов и показателями тяжести заболевания, включая интенсивность боли, индекс распространенной боли, дискогнитивность и усталость (коэффициент Бенджамини–Хохберга < 0,05). Обилие этих таксонов не выявило последовательной связи с демографическими, антропометрическими или физическими показателями активности пациентов. Таким образом, обилие некоторых таксонов DA может коррелировать с тяжестью симптомов FM.

Идентификация пациентов с фибромиалгией с помощью машинного обучения на основе микробиома

Чтобы изучить полезность состава микробиома кишечника при выявлении пациентов с FM, использовали машинное обучение с использованием алгоритмов LASSO (оператор наименьшей абсолютной усадки и выбора) и SVM для определения OTUs, наиболее прогностичных для диагностики FM. Были протестированы полные и отфильтрованные таблицы подсчета, а также подмножества OTUs (DA и случайные), чтобы определить наиболее полезный набор данных для классификации. Набор данных DA OTUs показал высочайшую диагностическую точность. 10-кратная перекрестная проверка (10 000 итераций) дала 123 набора DA OTUs с высочайшей диагностической точностью. LOOCV (поэлементная кросс-валидация) выявила набор OTUs, которые обеспечили наилучшую общую точность прогнозирования. Наконец, этот набор для наилучшего прогнозирования OTUs использовался в SVM, обученном 90% участников. SVM дал точность прогнозирования ROC-AUC 87,8% с использованием когорт из 10% участников (100 итераций).

Дискуссия

(выдержки)

Общая структура популяции и разнообразие кишечного микробиома у пациентов с фибромиалгией и сопоставимой когорты здоровых людей были относительно схожими. Однако при исследовании с более высоким разрешением состав кишечного микробиома показал значительные изменения у пациентов с FM. Диагноз FM и его клинические признаки (боль, утомляемость и когнитивные симптомы) объясняют большую изменчивость микробиома, чем любые другие коварианты, включая демографические, антропометрические и диетические переменные, а также сопутствующие заболевания и потребление лекарств.

Наблюдалась количественная связь между обилием нескольких бактериальных таксонов и тяжестью симптомов, связанных с FM, включая интенсивность боли, ее распространение, утомляемость, нарушения сна и когнитивные симптомы. Обилие этих таксонов выборочно коррелировало с симптомами, связанными с заболеванием, но не с независимыми от заболевания переменными.

Установив, что микробиом кишечника изменен у пациентов с FM, алгоритм машинного обучения LASSO показал высокую точность прогнозирования пациентов из контрольной группы, основанную только на индивидуальных особенностях микробиома. Необходимы дальнейшие исследования, включая более крупные когорты, большую этническую выборку и межкогортовую оценку, прежде чем можно будет внести уверенный вклад в улучшение диагностики FM; однако способность модели точно идентифицировать пациентов с FM в этом исследовании указывает на то, что микробиом кишечника может потенциально способствовать клинически сложной диагностике FM.

При рассмотрении 19 конкретных видов, идентифицированных как значительно отличающиеся между пациентами с FM и неродственными участниками контрольной группы, наблюдался широкий диапазон в том, насколько хорошо были охарактеризованы эти виды. Те виды, которые предположительно были истощены (ниже по относительной численности) в группе FM, были относительно хорошо охарактеризованы и включали F. prausnitzii, B. uniformis, P. copri и Blautia faecis. Бактерия F. prausnitzii - одна из наиболее распространенных и хорошо изученных бактерий, продуцирующих бутират в кишечнике человека. Сообщалось, что этот вид истощается при многочисленных кишечных заболеваниях и поэтому был предложен в качестве потенциального маркера кишечных расстройств. Сообщалось, что в кишечнике F. prausnitzii оказывает антиноцицептивное, а также противовоспалительное эффекты и усиливает барьерную функцию кишечника. Как и в наших наблюдениях, сообщалось также о истощении F. prausnitzii у пациентов с СХУ.

B.uniformis является одним из нескольких видов, у которых недавно сообщалось об изменении относительной численности у пациентов с воспалительным артритом, наряду с Haemophilus parainfluenzae, P. copri и другими. B. uniformis и H. parainfluenzae были обнаружены в синовиальных тканях пораженных остеоартритом суставов, тогда как P. copri и H. parainfluenzae были обнаружены в синовиальной жидкости при ревматоидном артрите. Считается, что вид P. copri опосредует воспалительную реакцию через активацию Th17, а также было показано, что он вызывает артрит у мышей, склонных к артриту. В этом исследовании эти виды были обнаружены в меньшем количестве у пациентов с FM. Хотя FM часто считают ревматологическим заболеванием, кажется, что, по крайней мере, некоторые виды, ранее обнаруживавшиеся в более высокой численности при воспалительных ревматических заболеваниях, при FM истощены.

В отличие от истощения продуцентов бутирата F. prausnitzii и B. uniformis у пациентов с FM, наблюдалась значительно более высокая относительная численность ряда других известных кишечных продуцентов бутирата: I. butyriciproducens, F. plautii, B. desmolans, E. tayi, и недавно идентифицированный E. massiliensis. Изменения у видов, метаболизирующих бутират и пропионат, дополнительно подтверждались изменениями уровней этих короткоцепочечных жирных кислот в сыворотке. В соответствии с этим предполагаемым сдвигом в сообществе, продуцирующем бутират, у пациентов с FM, относительное количество Parabacteroides merdae также было значительно выше у пациентов с FM. Недавно Олсон и соавт. сообщили о P. merdae, как об одном из 2 ключевых медиаторов противоэпилептического эффекта кетогенной диеты: в мышиной модели кетогенная диета может привести к увеличению численности P. merdae, что, в свою очередь, путем регуляции γ-глутамилирования аминокислот приводит к увеличение отношения γ-аминомасляной кислоты (ГАМК) к глутамату в гиппокампе. Считается, что увеличение соотношения тормозящих и возбуждающих нейромедиаторов в головном мозге защищает от судорог. Второй ключевой вид медиатора влияния кетогенной диеты на судороги, о котором сообщили Олсон и др. была Akkermansia muciniphila, которая в нашей когорте также была обнаружена в более высоком количестве у пациентов с FM, хотя это наблюдение не достигло статистической значимости (P = 0,042, FDR Бенджамини–Хохберга = 0,27).

Clostridium scindens и B. desmolans, 2 вида бактерий, способных превращать кортизол в андрогены за счет активности 20α-гидроксистероиддегидрогеназы, были обнаружены в более высокой численности у пациентов с FM. Интересно, что у пациентов с FM сообщалось об аномальной регуляции гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой оси, хотя направление дисрегуляции остается спорным.

Фибромиалгия имеет общие клинические признаки с несколькими синдромами, включая СРК, СХУ и ИЦ. При всех этих синдромах (СРК, СХУ и ИЦ) сообщалось о специфических изменениях микробиоты кишечника. Хотя сообщалось, что несколько таксонов, обнаруженных здесь, являются т.н. таксонами DA при FM, они являются DA в т.ч. и при других перекрывающихся синдромах, другие же таксоны, по-видимому, уникальны для FM. В качестве примера, C. scindens был обнаружен в более высоком количестве как при FM, так и при СХУ. H. parainfluenzae и F. prausnitzii были обнаружены в сниженном количестве при FM и СХУ, и, как сообщалось, последний также был истощен у пациентов с ИЦ. Несколько родов, включая Bacteroides, Parabacteroides и Clostridium, были обнаружены как DA при СРК, так и при FM (независимо от СРК). Тем не менее, несколько таксонов показали обратную дифференциальную картину численности: например, сообщалось, что P. merdae, значительно более высокий при FM, истощен при СХУ. Кроме того, FM связана с высокой частотой сопутствующих психических заболеваний, в основном с тревогой и депрессией, поражающих от 40% до 80% людей. Тревога, депрессия и эмоциональный стресс связаны с изменениями микробиома кишечника как в общей популяции, так и в контексте других конкретных диагнозов. Недавнее исследование Peter et al. (2018) выявило потенциальную важность психического здоровья как фактора СРК, предполагая, что необходимы дальнейшие междисциплинарные исследования, чтобы полностью понять выявленные здесь различия в микробиоме. Таким образом, кажется, что FM имеет некоторые общие характеристики микробиома с несколькими перекрывающимися синдромами, сохраняя при этом некоторые уникальные особенности.

……………………………………

Представленные в исследовании результаты впервые демонстрируют изменение микробиоты желудочно-кишечного тракта у пациентов с соматической (невисцеральной) болью в целом и FM в частности. Известно, что некоторые из описанных здесь таксонов DA участвуют в метаболических путях, чье влияние на симптомы FM является биологически правдоподобным. Более того, по-видимому, существует количественная корреляция между численностью нескольких таксонов и тяжестью симптомов. Наконец, таксоны DA у пациентов с FM имеют некоторые общие черты с перекрывающимися дисфункциональными синдромами — СРК, СХУ, ИЦ — при сохранении некоторых уникальных таксонов DA.

Результаты этого исследования свидетельствуют об изменениях микробиома кишечника при FM. Необходимы дальнейшие исследования для измерения возможных изменений микробиома при других хронических болевых состояниях, а также для изучения потенциальных причинно-следственных корреляций между микробиомом кишечника и FM. Наши результаты могут предоставить важные возможности для улучшения нашего понимания FM, помочь в ее диагностике и, возможно, наметить будущие терапевтические методы. Во-первых, изучение механизмов, с помощью которых кишечная микробиота может влиять на ноцицепцию, может дать новое представление о патогенезе и патофизиологии фибромиалгии и, возможно, предложить пути для изучения возможных эффектов триггерных событий, личной восприимчивости и индивидуального прогноза. Во-вторых, точность классификации машинного обучения на основе микробиома предполагает, что микробиом может помочь в диагностике FM в будущем. Наконец, если будет установлена ​​причинно-следственная связь между изменениями кишечного микробиома и FM, может быть проложен путь для разработки новых методов лечения, нацеленных на это увлекательное сообщество кишечных микроорганизмов.

Источник: Minerbi, Amir, et al. Altered microbiome composition in individuals with fibromyalgia / PAIN: November 2019 - Volume 160 - Issue 11 - p 2589-2602

Ранее см.: Кишечные бактерии связали с хронической болью

Будьте здоровы!