Микробиота кишечника и ее метаболиты защищают от радиации

Микробы в кишечнике могут защитить от опасного радиационного воздействия

Микробиота кишечника и ее метаболиты, такие как пропионат и метаболиты триптофана, опосредуют радиопротекцию

Новое исследование ученых из Комплексного онкологического центра Линбергера в Университете Северной Каролины (UNC Lineberger Comprehensive Cancer Center) и их коллег, опубликованное 30 октября 2020 года в журнале Science, показало, что мыши, подвергшиеся воздействию потенциально смертельных уровней общей радиации, были защищены от радиационного повреждения, если у них были определенные типы бактерий в кишечнике. Излучение, поглощенное в клинических условиях или во время случайного воздействия, может привести к повреждению тканей. В этом исследовании бактерии смягчали радиационное воздействие и усиливали восстановление производства клеток крови, а также восстановление желудочно-кишечного тракта (ЖКТ).

Исследователи отметили, что только у «элитной» группы мышей в кишечнике было большое количество двух семейств бактерий, Lachnospiraceae и Enterococcaceae, что сильно противодействовало воздействию интенсивного излучения. Что важно для людей, эти два семейства бактерий были обнаружены в изобилии у пациентов с лейкемией с легкими желудочно-кишечными симптомами, подвергшихся лучевой терапии.

3D-молекула пропионовй кислоты (пропионат - прозводный продукт от пропионовой кислоты)	3D-молекула триптофана 1H-индол-3-карбоксальдегид и кинуреновая кислота - метаболиты пути триптофана

Исследование показало, что присутствие этих двух бактерий приводит к увеличению производства небольших молекул, известных как пропионат и триптофан. Эти метаболиты обеспечивали долговременную защиту от радиации, уменьшали повреждение стволовых клеток костного мозга, смягчали развитие тяжелых желудочно-кишечных проблем и уменьшали повреждение ДНК.

«Это поистине транс-университетское (trans-UNC) совместное усилие показало, что эти полезные бактерии вызывают глубокое изменение метаболитов кишечника», - сказала автор-корреспондент Дженни П.Я. Тинг (Jenny P.Y. Ting), доктор философии, профессор генетики в Медицинской школе UNC и соруководитель программы иммунологии UNC Lineberger.

Повреждение органов тела в результате высоких уровней радиации в результате случайного облучения, лучевой терапии рака, целевых радиационных атак и других форм облучения может привести к серьезным заболеваниям и даже смерти. Клетки крови в организме, а также ткани в желудочно-кишечном тракте быстро обновляются и поэтому остаются особенно восприимчивыми к радиационным повреждениям. Однако с защитной стороны в желудочно-кишечном тракте содержится более 10 триллионов микробных микроорганизмов, которые могут играть важную роль в ограничении радиационного повреждения.

«Значительные федеральные усилия были предприняты для смягчения острых симптомов радиации, однако это остается давней и нерешенной проблемой», - сказал автор первого исследования Хао Го (Hao Guo), доктор философии, научный сотрудник лаборатории Тинг. «Наша работа позволила получить исчерпывающий набор данных о бактериях и метаболитах, который может служить мощным ресурсом для определения действенных терапевтических целей в будущих исследованиях микробиома».

Поскольку лучевая терапия, которая широко используется для лечения рака, часто приводит к побочным эффектам со стороны желудочно-кишечного тракта, исследователи хотели понять, как их эксперименты на мышах могут повлиять на людей. Они работали с коллегами из Университета Дьюка, Мемориального онкологический центра Слоуна-Кеттеринга и Медицинского колледжа Вейл-Корнелл и изучили образцы фекалий 21 пациента с лейкемией, получавшего лучевую терапию в рамках сложной процедуры пересадки стволовых клеток. Ученые обнаружили, что у пациентов с более короткими периодами диареи содержание Lachnospiraceae и Enterococcaceae было значительно выше, чем у пациентов с более длительными периодами диареи. Эти результаты тесно коррелировали с результатами исследования на мышах, хотя Тинг предупреждает, что для проверки этих выводов необходимы гораздо более масштабные исследования.

Что важно для потенциального использования человеком, у мышей, которым вводили Lachnospiraceae, преимущества лучевой терапии рака не уменьшились.

«Гранулоцит-колониестимулирующий фактор (GCSF) - единственный препарат, одобренный FDA в качестве эффективного средства противодействия высокодозному облучению, но он дорог и имеет потенциально неблагоприятные побочные эффекты», - сказал Тинг. «Однако бактерии, которые мы можем культивировать, и особенно метаболиты, которые являются относительно недорогими и уже являются элементами в пище, которую мы едим, могут быть хорошей альтернативой».

Исследователи надеются вскоре запустить клинические испытания на людях, чтобы проверить преимущества введения этих метаболитов пациентам, получающим облучение.

Источник: Материалы предоставлены UNC Lineberger Comprehensive Cancer Center. 

Статья в журнале: Hao Guo, Jenny P. Y. Ting, et al. Multi-omics analyses of radiation survivors identify radioprotective microbes and metabolites. Science, 2020; 370 (6516): eaay9097

II. Краткое дополнение редактора об исследовании

некоторые подробности

Рис. 1. Строение складок кишечника после облучения мышей, которым подсадили бактерии Lachnospiraceae (снизу), и контрольной группы (сверху). Hao Guo et al. / Science, 2020

Исследователи из университета Северной Каролины в Чапел-Хилл под руководством Хао Гуо (Hao Guo) подвергли мышей облучению всего тела от 8 до 9,2 грей, чтобы выяснить, как радиация повлияла на микробиоту кишечника. К удивлению биологов, некоторые мыши не только восстанавливались, но и долго жили после облучения. После исследования РНК в фекалиях выживших оказалось, что их кишечный микробиом отличается от обычного (p < 0,05).

Чтобы подтвердить влияние микробиоты на последствия облучения, исследователи провели эксперимент «грязной клетки». Они посадили мышей-реципиентов в клетки, где до этого жили выжившие после облучения мыши. Таким образом через их фекалии новым мышам передались кишечные микроорганизмы. После этого мышей-реципиентов подвергли излучению. Из них выжили 75 процентов, тогда как в контрольной группе  - всего 20. Также влияние микробиома подтвердила и прямая пересадка фекалий.

Исследователи проверили, различаются ли составы микробиомов выживших мышей изначально, или различия появляются только после облучения. Анализ показал, что смещение содержания бактерий происходит только после облучения, что свидетельствует об отборе. Тогда биологи решили определить защитные функции некоторых видов бактерий из обнаруженных у людей семейств, поочередно подсаживая их мышам.

Самое значительное повышение выживаемости после облучения показали бактерии семейства Lachnospiraceae, также выживаемость повысили E. faecalis и L. rhamnosus. Реципиенты Lachnospiraceae имели лучшие показатели клеточности костного мозга, строение складок кишечника и его проницаемости. Исследователи также проверили, могут ли Lachnospiraceae защищать от радиации не только кишечник, но и опухолевые клетки. Бактерии не повлияли на рост и формирование опухоли из введенных раковых клеток, что делает их хорошими кандидатами для применения при лучевой терапии.

Чтобы выявить бактерии, связанные с защитой от радиации у человека, ученые исследовали кишечные микробиомы пациентов с лейкемией до и после лучевой терапии. В качестве параметра оценки тяжести последствий терапии использовали продолжительность диареи (в днях), которая коррелировала с нарушениями в желудочно-кишечном тракте. В кишечниках пациентов с менее продолжительной диареей содержалось больше бактерий семейств Lachnospiraceae и Enterococcaceae (p < 0,05), однако эти данные указывают только на косвенную связь с нарушениями тканей кишечника, также не означают причино-следственной связи.

Также ученые проанализировали вещества, которые выделяют эти бактерии и их влияние на защиту от радиации. Известно, что Lachnospiraceae перерабатывают углеводы в короткоцепочечные жирные кислоты - бутират, ацетат и пропионат. Эти вещества являются важными субстратами для поддержания кишечного эпителия и функционирования иммунной системы.

Терапия водой с пропионатом значительно повысила (с 28 до 79 процентов) выживаемость мышей после радиации, а ацетат и бутират показали менее весомые результаты. Пропионат также повысил содержание клеток крови и слой слизи кишечника. Тогда биологи попробовали подсаживать мышам штаммы бактерий с большой продукцией короткоцепочечных жирных кислот: такое лечение даже достигло стопроцентной защиты от последствий радиотерапии.

Независимый анализ метаболитов у выживших мышей также показал повышение содержания других веществ - продуктов триптофана. Некоторые из них (индол-3-карбоксиальдегид и кинуреновая кислота) в ходе исследования также показали защитные свойства и повысили выживаемость.

Так биологи обнаружили важное свойство микробиоты кишечника - защиту от радиации. Однако эти микроорганизмы способны оказывать и негативное воздействие на кишечный эпителий.

III. Краткое описание результатов исследования

из статьи в журнале Science

Мульти-омические анализы выживших после облучения выявляют радиопротекторные микробы и метаболиты

Рис. 2. Микробиота кишечника и метаболиты опосредуют радиозащиту. Кишечные микробы, особенно Lachnospiraceae и Enterococcaceae, а также метаболиты, полученные из бактерий, представленные пропионатом и участниками пути триптофана (I3A и KYNA), настраивают устойчивость хозяина к высоким дозам радиации, облегчая кроветворение и восстановление желудочно-кишечного тракта.

Резюме

Радиопротекторные бактерии. Распространенный симптом лучевой терапии рака - нарушение работы желудочно-кишечного тракта. Причиненный ущерб может стать настолько серьезным и изнурительным, что может прервать лечение. Guo et al. заметили, что мыши, пережившие экспериментальное радиационное воздействие, имели отличительную таксономическую репрезентацию в микробиоте кишечника. Подобная корреляция наблюдалась и в небольшой группе людей. Дальнейшие эксперименты на мышах показали, что некоторые штаммы бактерий продуцируют высокие уровни короткоцепочечных жирных кислот, которые, по-видимому, подавляют воспалительные реакции и уменьшают повреждения, вызванные активными формами кислорода, выделяемыми радиацией. Метаболомный анализ также выявил роль метаболических путей триптофана в выживаемости при радиации.

Аннотация

Ионизирующее излучение вызывает острый лучевой синдром, который приводит к повреждению кроветворной системы, желудочно-кишечного тракта и сосудов головного мозга. Мы исследовали популяцию мышей, которые оправились от высоких доз радиации, чтобы жить нормальной продолжительной жизнью. Эти «выжившие из элиты» имели особую микробиоту кишечника, которая развивалась после облучения и защищала от радиационно-индуцированного повреждения и смерти как у здоровых, так и у реципиентов, проживающих в обычных условиях. Повышенная численность представителей бактериальных таксонов Lachnospiraceae и Enterococcaceae была связана с пострадиационным восстановлением гемопоэза и восстановлением желудочно-кишечного тракта. Было также обнаружено, что эти бактерии более многочисленны у пациентов с лейкемией, проходящих лучевую терапию, у которых также проявлялась более легкая желудочно-кишечная дисфункция. В нашем исследовании на мышах метаболомика выявила повышенные концентрации в фекалиях метаболитов пропионата и триптофана микробного происхождения у выживших из элиты. Введение этих метаболитов вызывало долговременную радиозащиту, смягчение гемопоэтических и желудочно-кишечных синдромов и снижение провоспалительных реакций.

СТРУКТУРИРОВАННЫЙ РЕФЕРАТ

Введение

Токсичность высоких доз ионизирующего излучения связана с индукцией как хронических, так и острых лучевых синдромов, которые возникают после частичного или полного облучения организма, и могут быть далее охарактеризованы как гемопоэтические, желудочно-кишечные и цереброваскулярные синдромы. Кишечник - основная мишень радиации и самая большая ниша для кишечной микробиоты. Хотя существуют единичные описательные исследования, показывающие потенциальную корреляцию между микробиотой кишечника и радиационным повреждением, подробные основы этой взаимосвязи остаются неясными. Кроме того, медицинское вмешательство для противодействия радиационному поражению по-прежнему остается глобальной проблемой, несмотря на десятилетия тщательных исследований.

Обоснование

За последнее десятилетие многочисленные исследования продемонстрировали очень разнообразную микробиоту кишечника у разных людей и значительную корреляцию микробиоты кишечника с множеством заболеваний. Кишечные микробы, а также полученные из микробов метаболиты, представленные короткоцепочечными жирными кислотами (SCFAs) и метаболитами триптофана, играют важную роль в регулировании метаболизма и иммунитета хозяина. Дисбаланс или дисбиоз микробного сообщества связаны с потенциальными заболеваниями, рисками или даже с явным проявлением клинических симптомов. Ранее мы подтвердили биологическое значение микробиоты кишечника и некоторых бактерий (например, Lachnospiraceae) вместе с SCFAs в ослаблении колита и ожирения. Также сообщалось, что SCFAs и метаболиты триптофана могут снижать провоспалительные цитокины, такие как фактор некроза опухоли-α, интерлейкин-6 и интерферон-γ, и способствовать выработке противовоспалительных цитокинов, которые являются жизненно важными медиаторами радиационно-индуцированного повреждения. Эти данные открывают возможность того, что микробиота кишечника и метаболиты играют ключевую роль в регуляции восприимчивости к болезням после радиационной нагрузки.

Полученные результаты

Мы обнаружили, что небольшой процент мышей может пережить высокую дозу радиации и иметь нормальную продолжительность жизни. У этих «выживших из элиты» был особый микробиом кишечника, который развился после облучения. Воспользовавшись этим открытием, мы использовали комбинацию приживления фекалий и совместного использования «грязных клеток»*, чтобы продемонстрировать, что микробиота выживших из элиты обеспечивала существенную радиозащиту как у здоровых, так и у реципиентов, проживающих в обычных условиях, что характеризовалось повышенной выживаемостью и улучшенными клиническими оценками.

*Эксперимент «грязной клетки» - мышей-реципиентов сажали в клетки, где до этого жили выжившие после облучения мыши. – ред.

Беспристрастный анализ микробиома выявил, что Lachnospiraceae и Enterococcaceae являются наиболее богатыми бактериями среди выживших из элиты. Анализ моноассоциации предоставил прямые доказательства защитной роли Lachnospiraceae и Enterococcaceae в стимулировании кроветворения и ослаблении желудочно-кишечных повреждений. Клиническая значимость для людей подтверждена анализом пациентов с лейкемией, подвергшихся облучению всего тела. Повышенное количество Lachnospiraceae и Enterococcaceae было связано с меньшим количеством побочных эффектов статистически значимым образом. Обработка SCFAs, особенно пропионатом, делала мышей устойчивыми к радиации, что было опосредовано ослаблением повреждений ДНК и высвобождением активных форм кислорода как в кроветворных, так и в желудочно-кишечных тканях. Кроме того, нецелевое исследование метаболомики выявило целый ряд метаболитов, на которые воздействовала радиация и которые выборочно увеличивались у выживших из элиты. Среди них два метаболита пути триптофана, 1H-индол-3-карбоксальдегид (I3A) и кинуреновая кислота (KYNA), обеспечивали длительную радиозащиту in vivo.

Вывод

Наши результаты подчеркивают решающую роль микробиоты кишечника как главного регулятора защиты организма от радиации, способного защищать как кроветворную, так и желудочно-кишечную системы. Lachnospiraceae и Enterococcaceae вместе с нижестоящими метаболитами, представленными участниками пути пропионата и триптофана, вносят существенный вклад в радиозащиту. Это исследование проливает свет на ключевую роль, которую ось микробиота-метаболит играет в создании широкой защиты от радиации, и предоставляет многообещающие терапевтические цели для лечения неблагоприятных побочных эффектов радиационного воздействия.

IV. Послесловие от редактора

В свете того, что ученые хотят проверить преимущества введения микробных метаболитов (пропионата и метаболитов триптофана) пациентам, проходящим лучевую терапию, хочется обратить внимание и на другие потенциальные радиопротекторные бактерии. В частности, уникальными обитателями твердых сыров (последние, что интересно, чрезвычайно богаты триптофаном), являются молочные пропионовокислые бактерии, которые активно продуцируют пропионовую кислоту (пропионат) и проявляют противовоспалительные, антимутагенные и антиоксидантные свойства.

Более того, если учесть все риски радиоактивной опасности в современном мире (не только в клинической практике), то можно обратить внимание и на биодоступный йод, т.к. радиоактивное заражение (например, при аварии на АЭС) может привести к выбросу радиоактивного йода в окружающую среду, повышая риск развития рака щитовидной железы у облученных лиц, особенно у детей. Тиреоидное поглощение радиоактивного йода выше у людей с дефицитом йода, чем у людей с йодной недостаточностью. По этой причине люди с дефицитом йода имеют особенно высокий риск развития радиационно-индуцированного рака щитовидной железы при воздействии радиоактивного йода.

Суммируя все выше описанные риски, представляется перспективным исследование уже имеющейся разработки – пробиотического биоконцентрата «Йодпропионикс» - в плане измерения его радиопротекторных свойств. То же относится и к другим биоконцентратам на основе пропионовокислых бактерий («Селенпропионикс» и «Пропионикс»). Кроме медицины это было бы актуально и для производств, связанных с повышенным риском радиоактивного облучения, где для защиты от его негативных последствий ограничиваются порой лишь небезопасным йодидом калия.

См. дополнительно:

Пропионовая кислота и пропионаты

Пробиотики защищают организм человека от радиации