Propionibacterium freudenreichii: Общие характеристики и пробиотические свойства

Молочные пропионовокислые бактерии как ферментирующие и пробиотические микроорганизмы

Propionibacterium freudenreichii: Общие характеристики и пробиотические свойства

Propionibacterium freudenreichii - это грамположительный вид молочных пробиотических бактерий, который долгое время использовался в качестве стартера для созревания при производстве сыра швейцарского типа. Он использовался для оптимизации производства сыра, в том числе для созревания и производства ароматических соединений, а также для производства витамина B12 и органических кислот. Кроме того, он появился в среде пробиотиков благодаря нескольким полезным свойствам, включая устойчивость к стрессу в желудочно-кишечном тракте, адгезию к клеткам-хозяевам, антипатогенную активность, противораковый потенциал и иммуномодулирующие свойства. Эти полезные свойства были подтверждены исследованиями in vitro и in vivo с использованием нескольких омических подходов, которые позволили идентифицировать важные молекулярные акторы, такие как поверхностные белки, короткоцепочечные жирные кислоты и бифидогенные факторы. Было показано, что разнообразие внутри вида является важным аспектом, который необходимо учитывать, поскольку многие из этих свойств зависят от штамма. Новые исследования должны глубже изучить молекулярные механизмы, связанные с полезными свойствами этого вида и его продуктов, учитывая при этом сложности разнообразия штаммов и взаимодействия с хозяином и его микробиотой. В этой статье рассматриваются современные знания о возможном воздействии P. freudenreichii на здоровье человека.

1. Введение

Термин «пробиотики» включает в себя живые микроорганизмы, включая бактерии и дрожжи, обладающие полезными для здоровья свойствами и подходящие для безопасного употребления, что подтверждается их диетическим использованием на протяжении тысячелетий истории человечества [1–3]. Молочнокислые бактерии и бифидобактерии представляют собой традиционные виды пробиотических бактерий, широко документированные и коммерциализированные [3, 4]. Однако в среде пробиотиков появились различные виды, такие как молочные виды Propionibacterium freudenreichii [4, 5], которые филогенетически связаны с бифидобактериями (Рисунок 1) [4].

Рис. 1. Филогенетическое дерево, показывающее геномное сходство между видами, способствующими укреплению здоровья, P. Freudenreichii и другими пробиотическими или близкородственными видами.

Бывший род Propionibacterium включал группу микроорганизмов, имеющих важное значение для промышленности и здравоохранения благодаря производству ценных метаболитов, пищевых, косметических и фармакологических продуктов [6]. Ранее в этот род входили классические виды молочных пропионибактерий и патогенные пропионибактерии, ассоциированные с кожей [7]. Однако переоценка таксономии на основе генома предложила реклассификацию кожных бактерий в род Cutibacterium вместе с включением двух других новых родов ранее классических пропионибактерий, Acidipropionibacterium и Pseudopropionibacterium [7]. P. freudenreichii, один из наиболее заметных видов молочных пропионибактерий, сохранил свою прежнюю таксономическую классификацию [4, 7].

P. freudenreichii - это грамположительная, мезофильная, аэротолерантная, неподвижная, неспорообразующая бактерия с высоким содержанием GC, которая демонстрирует низкие потребности в питании и выживает в суровых условиях [5, 8, 9]. Что касается морфологии, это плеоморфный палочкообразный микроорганизм со склонностью к агрегации, образующей кластеры, напоминающие китайские иероглифы [5] (Рисунок 2). Эта бактерия, выделенная из образцов сыра Эмменталь, была впервые описана Орла Йенсеном и фон Фройденрайхом в 1906 году [10]. Недавно штаммы P. freudenreichii были идентифицированы в образцах фекалий дискретной когорты недоношенных детей, вскармливаемых грудью, что позволяет предположить, что они могут быть компонентом здоровой кишечной микробиоты человека [11].

P. freudenreichii может использовать несколько источников углерода (например, глицерин, эритриол, L-арабинозу, адонит, галактозу, D-глюкозу, D-фруктозу, D-манозу, инозитол, арбутин, эскулин, лактозу, лактат и глюконат) в процесс ферментации для получения пропионата вместе с ацетатом, сукцинатом и диоксидом углерода (CO₂) [9, 12, 13]. В отличие от других видов, P. freudenreichii способен восстанавливать пируват до пропионата через цикл транскарбоксилазы (также называемый циклом Вуда-Веркмана), который представляет собой циклический процесс, связанный с окислительным фосфорилированием, что позволяет получить более высокий выход АТФ, чем в других пропионат-продуцирующих бактериях [9]. В свою очередь, пируват представляет собой молекулу метаболического узла, которая может использоваться либо для синтеза ацетата, генерирующего NADH, либо для синтеза пропионата с потреблением NADH [14]. Штамм-зависимым образом бактерия модулирует пропорции пирувата, которые восстанавливаются до пропионата или окисляются до ацетата и CO₂, таким образом поддерживая окислительно-восстановительное равновесие [9]. Таким образом, этот вид включает в себя биохимически разносторонние штаммы, которые находят различное применение в нескольких контекстах [5].

Рисунок 2. Изображение, полученное при оптической микроскопии, демонстрирующее морфологический аспект культуры P. freudenreichii CIRM-BIA129 с типичными агрегатами, напоминающими китайские иероглифы.

2. Технологическое значение пропионибактерий

P. freudenreichii широко используется для производства сыров швейцарского типа, таких как Эмменталь [5, 15] (рис. 3). В таких молочных матрицах газ CO₂, который образуется во время ферментации, образует пузырьки, которые медленно диффундируют, создавая характерные отверстия или «глазки» в структуре сыра [9, 12]. Сырный ароматизатор относится к пропионату и ацетату, а также к продуктам катаболизма аминокислот и гидролиза жиров пропионибактериями [16, 17]. Важно отметить, что эти молочные продукты, содержащие P. freudenreichii, проявляют противовоспалительные свойства in vivo [18–20], повышая узнаваемость этой бактерии и ее продуктов как полезных для здоровья. Таким образом, молочные пропионибактерии считаются бактериями 2-в-1, обладающими как ферментативными, так и пробиотическими свойствами, что делает их идеальными для разработки ферментированных пищевых продуктов, способствующих укреплению здоровья [5, 18].

Известно также, что эта бактерия участвует в пути синтеза витамина B12 (кобаламина) [8, 9]. Витамин B12 - водорастворимый витамин, который играет ключевую роль в функционировании мозга, нервной системы и в производстве крови [21]. Он также является кофактором метилмалонил-КоА мутазы, которая катализирует важный этап ферментативного пути производства пропионата [22]. Таким образом, условия роста P. freudenreichii были оптимизированы для производства витамина B12 с использованием таких субстратов, как зерновые матрицы [23, 24], отработанное подсолнечное масло [25], сточные воды тофу [26] и остатки агропромышленной продукции сои [27]. Более того, P. freudenreichii был генетически модифицирован для увеличения выработки витамина B12 и пропионата [6, 28].

Рис. 3. Сыр Эмменталь, полученный с использованием P. freudenreichii CIRM-BIA129 в сочетании со Streptococcus thermophilus и Lactobacillus delbrueckii.

Производство витамина B12, органических кислот, трегалозы и других метаболитов вместе с безопасным использованием в качестве закваски для созревания сыра и пробиотическими характеристиками делают эту бактерию привлекательной для ряда биотехнологических и промышленных применений [5, 6, 29, 30]. Для улучшения этих свойств был проведен широкий спектр генетических и экологических оптимизаций [6, 29]. Более того, некоторая оптимизация условий выращивания и обработки позволила повысить устойчивость к хранению и нескольким промышленным процессам, таким как сублимационная сушка и распылительная сушка [30–33].

3. Изменчивость штаммов пропионибактерий

Было показано, что интересные свойства этой бактерии, такие как полезные для здоровья свойства и участие в промышленном производстве витамина B12 и сыра, зависят от штамма, что указывает на необходимость анализа, учитывающего эту изменчивость [9]. Например, некоторые штаммы показали различия в деградации азота и сахара, которые имели генетическое происхождение, вероятно, в результате горизонтальных переносов, дупликаций, транспозиций и других мутаций [13]. Это разнообразие штаммов было подтверждено на геномном уровне другим исследованием и приписано мобильным элементам таким образом, что пластичность генома позволяла бактериям адаптироваться к нескольким средам [34].

Ввиду этой вариабельности, связанной со штаммом, были предприняты усилия по определению критериев для выбора штаммов пробиотиков. Эти критерии включают толерантность к стрессам, возникающим в желудочно-кишечном тракте, адгезию к клеткам-хозяевам, антипатогенную активность, противоопухолевый потенциал, иммуномодулирующие свойства, промышленные требования и молекулярную характеристику с использованием методологий omics [3]. Все больше данных показывает, что P. freudenreichii удовлетворяет этим критериям [5].

4. Стрессоустойчивость пропионибактерий

Что касается стрессоустойчивости и адаптации к желудочно-кишечному тракту (ЖКТ), некоторые штаммы P. freudenreichii представили адаптации, включая морфологические и протеомные модификации [35-37]. Например, эти модификации были проверены во время реакции толерантности к кислоте у штамма P. freudenreichii SI41, который был исследован с использованием кинетического исследования продукции белков стресса во время кислотной адаптации [35]. В результате носитель карбоксильного биотина и белки, участвующие в синтезе и репарации ДНК, были связаны с ранней реакцией на кислотный стресс, тогда как шаперонины GroEL и GroES были связаны с поздней реакцией на кислотный стресс [35]. Анализ с тем же штаммом показал, что соли желчи (смесь холата и дезоксихолата) вызывают резкие морфологические изменения и индуцируют белки, связанные с восприятием и трансдукцией сигналов, общим стрессом и альтернативным сигма-фактором [36]. Тот же штамм был использован в последующем всестороннем исследовании, которое включало условия тепла, кислоты и желчных солей для изучения толерантности P. freudenreichii. В результате каждая форма стресса индуцировала специфические белки, но шесть из них были общими для всех стрессов, включая шапероны и белки, участвующие в энергетическом метаболизме и восстановлении окислительного стресса [37]. Исследование in vitro, в котором участвовали 13 штаммов P. freudenreichii, показало, что большинство из них обладали высокой способностью к толерантности к имитируемым желудочным сокам с различным рН и условиями тонкой кишки [38].

Более того, эта устойчивость также была подтверждена in vivo. мРНК метилмалонил-транскарбоксилазы P. freudenreichii была обнаружена в образцах кала человека с помощью полимеразной цепной реакции с обратной транскриптазой в реальном времени (RT-PCR) [39]. Метилмалонил-транскарбоксилаза является ключевым ферментом транскарбоксилазного цикла, экспрессируется только при активной пропионовой ферментации, поэтому ее обнаружение в образцах кала показало, что бактерия выжила и оставалась метаболически активной, транскрибируя гены в пищеварительном тракте человека [39]. Многоштаммовое исследование с использованием крыс, ассоциированных с микробиотой человека, отслеживало состав кишечной микробиоты и продукцию короткоцепочечных жирных кислот, подтверждая, что устойчивость P. freudenreichii к стрессу в ЖКТ также зависит от штамма [40]. Было показано, что P. freudenreichii CIRM-BIA1 метаболически и физиологически адаптируется к среде толстой кишки свиней с изменениями углеводного обмена, понижающей регуляцией генов стресса и повышающей регуляцией генов деления клеток [41]. Кроме того, использование пищевых носителей для доставки P. freudenreichii, таких как сыр и ферментированное молоко, улучшило его устойчивость к стрессовой среде ЖКТ [15, 18, 19, 42, 43].

Также были изучены другие аспекты устойчивости P. freudenreichii к стрессовым условиям, такие как длительная нехватка питательных веществ [44, 45]. Скрининг был проведен с восемью штаммами P. freudenreichii, которые инкубировали в течение нескольких дней после начала стационарной фазы без дополнительных добавок питательных веществ. Они показали высокую выживаемость и отсутствие лизиса, что указывает на то, что эти штаммы адаптируются к длительной нехватке питательных веществ, используя жизнеспособное, но не культивируемое состояние [45]. Штамм P. freudenreichii CIRM-BIA138 был дополнительно изучен в этих условиях инкубации, и было показано, что высокая популяция сохраняется даже после истощения лактата, предпочтительного источника углерода. Анализ RNA-seq показал, что некоторые метаболические пути и пути обработки информации подавлены [44].

Еще одна важная особенность P. freudenreichii во время стрессовой реакции - накопление трегалозы. Исследование, изучающее эту бактерию во время адаптации к осмотическому, окислительному и кислотному стрессу, показало, что путь трегалоза-6-фосфатсинтаза / фосфатаза (OtsA – OtsB), связанный с синтезом трегалозы, был усилен в этих условиях [46]. Другое исследование было сосредоточено на стрессовой реакции на низкую температуру (4 °C), которая имитировала условия созревания сыра. В результате семь штаммов P. freudenreichii показали замедленный клеточный механизм, реакцию на холодовой стресс и накопление трегалозы и гликогена [47]. P. freudenreichii также накапливал глицин бетаин, гликоген, трегалозу и полифосфаты при культивировании в гиперконцентрированной среде [48]. Накопление трегалозы вместе с глицинбетаином было дополнительно подтверждено в технологическом контексте, когда жизнеспособность бактерий повышалась во время распылительной сушки и хранения за счет оптимизации состава питательной среды и термической адаптации [31]. Было также показано, что соотношение концентраций этих внутриклеточных осмопротекторов, трегалозы и глицинбетаина, влияет на устойчивость к стрессу во время технологических процессов сублимационной сушки и сушки распылением [32].

5. Адгезионные свойства пропионибактерий

Адгезия к клеткам-хозяевам - еще одна важная особенность пробиотиков, которая способствует их положительному действию на местном уровне. Ранние исследования показали способность некоторых пробиотических бактерий, включая P. freudenreichii, прикрепляться к гликопротеинам и слизи из кишечного тракта человека [49, 50]. В случае P. freudenreichii адгезия некоторых штаммов к клеткам подвздошной кишки свиньи (IPEC-J2) составляла от 25 до 35%, и эта доля была выше при добавлении CaCl2 [51]. В случае человека-хозяина несколько штаммов бактерий были протестированы на адгезию к клеткам толстой кишки HT-29 in vitro; наиболее адгезивным штаммом был P. freudenreichii CIRM-BIA129, и ключевая роль белка поверхностного слоя B (slpB) в адгезии была продемонстрирована с помощью инактивации генов [52, 53]. Другое исследование показало, что адгезия бактерий к иммобилизованной слизи может быть синергически улучшена при введении комбинаций штаммов, таких как P. freudenreichii ssp. shermanii JS в сочетании со штаммами Bifidobacterium breve или Lactobacillus rhamnosus [54].

6. Антипатогенная активность пропионибактерий

Есть также несколько свидетельств антипатогенной активности у этого вида. P. freudenreichii JS снижал на 39% адгезию S. aureus к кишечной слизи человека и на 27% его жизнеспособность, вероятно, за счет продукции органических кислот [55]. P. freudenreichii PTCC 1674 секретирует липопептидный биосурфактант с антимикробной активностью, главным образом, против Rhodococcus erythropolis, и антиадгезивной активностью, главным образом, против Pseudomonas aeruginosa [56]. Более того, P. freudenreichii DSM 20270 значительно ингибировал рост E. coli O157: H7 in vitro [51].

P. freudenreichii также проявлял антипатогенные свойства у животных. P. freudenreichii B-3523 и B-4327 влияли на размножение, подвижность и адгезию штаммов Salmonella к эпителиальным клеткам птиц in vitro [57]. Последующее исследование показало, что бесклеточные культуральные супернатанты тех же пробиотических штаммов обладают бактерицидным действием против Salmonella enterica serovar Heidelberg с множественной лекарственной устойчивостью [58]. Анализы in vivo также показали, что штаммы пробиотиков снижают колонизацию и распространение патогенов в слепой кишке в печени у индюшат [58]. Кроме того, было показано, что потребление P. freudenreichii ограничивает и задерживает колонизацию кишечного тракта мышей патогеном Citrobacter rodentium [59].

В соответствии с синергизмом, наблюдаемым с точки зрения адгезии, были предложены комбинации пробиотиков для улучшения антипатогенной активности, такие как комбинация P. freudenreichii JS, L. rhamnosus GG и LC705 и B. breve 99, которые способствовали ингибированию, вытеснение и конкуренция с несколькими патогенными видами, такими как S. enterica, Listeria monocytogenes и Clostridium difficile [60]. В другом исследовании P. freudenreichii JS уменьшал адгезию Helicobacter pylori к клеткам кишечника Caco-2 при индивидуальном использовании, но также подавлял утечку через мембрану, улучшал функцию эпителиального барьера и модулировал воспалительные цитокины при использовании в сочетании со штаммами L. rhamnosus и B. breve. [61].

7. Противоопухолевый потенциал пропионибактерий

Обнадеживающие результаты в контексте кишечного канцерогенеза также были получены у этого вида. Пионерское исследование показало, что P. freudenreichii ITGP18 и P. freudenreichii SI41 могут вызывать апоптоз культивируемых клеточных линий колоректальной карциномы человека in vitro, и этот эффект опосредован короткоцепочечными жирными кислотами (SCFAs), такими как пропионат и ацетат, действующими на митохондрии раковых клеток [62]. В дальнейшем было уточнено, что эффект SCFAs модулируется внеклеточными сдвигами pH; а при кислом pH режим гибели клеток изменялся с апоптоза на некроз в клетках HT-29 толстой кишки человека [63]. Эти эффекты были подтверждены in vivo: P. freudenreichii TL133 индуцирует апоптоз клеток толстой кишки у крыс, ассоциированных с микробиотой человека, получавших 1,2-диметилгидразин, но не у здоровых крыс [64].

Другой штамм, P. freudenreichii ITG P9, также использовался для разработки ферментированного молока с антионкогенным потенциалом, поскольку он индуцировал апоптоз в культивируемых клетках рака желудка человека HGT-1 in vitro [43]. Затем это ферментированное молоко было предложено в качестве адъюванта в терапии колоректального рака на основе лиганда, индуцирующего апоптоз, связанного с TNF (TRAIL), из-за возможного синергического эффекта между бактерией и TRAIL, что было подтверждено усилением цитотоксической активности в клетках HT-29 [65]. В другом исследовании изучались перекрестные помехи между бактерией и раковыми клетками: последние производят лактат в результате метаболического сдвига, называемого «аэробным» гликолизом или «эффектом Варбурга»; затем лактат может использоваться этой бактерией в качестве источника углерода, стимулируя выработку SCFAs [66].

8. Модуляция состава микробиоты

Что касается модуляции состава микробиоты, было показано, что потребление молочных пропионибактерий увеличивает кишечную популяцию бифидобактерий у людей [67, 68]. В соответствии с этим стимуляция бифидогенного роста наблюдалась в бесклеточном фильтрате и клеточном метанольном экстракте, полученном из культур P. freudenreichii 7025 [69]. Последующий анализ с тем же штаммом позволил очистить компонент бифидогенного стимулятора роста, идентифицировать его химическую структуру (2-амино-3-карбокси-1,4-нафтохинон, ACNQ) и продемонстрировать его бифидогенную активность в концентрации 0,1 нг/мл [70]. Сообщалось, что другой штамм P. freudenreichii ET-3 продуцирует 1,4-дигидрокси-2-нафтоевую кислоту (DHNA) в концентрации 10 мкг/мл, что также стимулировало рост бифидобактерий [71]. Положительный эффект DHNA был позже подтвержден in vivo с использованием мышей с колитом, вызванным 2,0%-ным декстран-сульфатом натрия (DSS). DHNA ослабляет воспаление за счет модуляции бактериальной микробиоты кишечника и подавления инфильтрации лимфоцитов [72].

Бифидогенный стимулятор роста, полученный из P. freudenreichii, также вводился перорально пациентам-людям в пилотном исследовании, что является многообещающим для лечения язвенного колита [73]. Последующие исследования включали оптимизацию производства бифидогенных стимуляторов роста, включая увеличение производства за счет перехода на аэробные условия роста [74] и использование молочной кислоты в качестве источника углерода в биореакторной системе с фильтрующим устройством [75].

9. Иммуномодулирующие свойства пропионибактерий

Появляется все больше доказательств, как in vitro, так и in vivo, что P. freudenreichii оказывает иммуномодулирующее действие посредством нескольких механизмов в зависимости от штамма. Например, скрининг на индукцию IL-10 в мононуклеарных клетках периферической крови человека (PBMCs) был проведен на 10 штаммах P. freudenreichii, в результате чего был выбран два наиболее противовоспалительных штамма: P. freudenreichii ITG P20 (эквивалентный CIRM-BIA129) и SI48 [59]. В том же исследовании штамм P. freudenreichii SI48 был дополнительно протестирован in vivo на мышах с острым колитом, индуцированным тринитробензолсульфоновой кислотой (TNBS), что значительно снизило воспалительные и гистологические маркеры колита [59]. Другие исследования также показали, что иммуномодулирующие свойства у вида P. freudenreichii зависят от штамма [76]. Интегративная стратегия, включающая сравнительную геномику, поверхностную протеомику, транскриптомику, анализы индукции цитокинов и инактивации генов, позволила идентифицировать релевантные белки и специфичность штаммов в иммуномодуляции [77]. Примечательно, что поверхностные белки типа S-слоя, как было показано, играют решающую роль в иммуномодуляции, но иммуномодулирующие свойства варьируют между штаммами из-за сложных комбинаций молекулярных характеристик [77]. Штамм-специфический экспорт поверхностных белков, адгезинов и белков подрабатывания был подтвержден в другом подмножестве штаммов P. freudenreichii [78]. Кроме того, острый колит, вызванный декстрансульфатом натрия (DSS) у крыс, уменьшился с помощью P. freudenreichii KCTC 1063, который стимулировал в клетках кишечника экспрессию MUC2, основного компонента слизи [79].

Таблица 1. Белки P. freudenreichii, связанные с его иммуномодулирующими свойствами.

Роль P. freudenreichii в модуляции иммунологического ответа хозяина стала еще более актуальной, когда был идентифицирован комменсальный штамм человека. Было показано, что P. freudenreichii UF1 является компонентом кишечной микробиоты недоношенных детей, которых кормили грудным молоком человека, и смягчал воспалительные заболевания кишечника [11]. Более того, этот штамм модулировал кишечный иммунитет мышей против заражения патогеном, особенно против системной инфекции L. monocytogenes, регулируя клетки Th17 [80]. Этот положительный эффект был подтвержден у новорожденных мышей, которые были восприимчивы к кишечным патогенным инфекциям, но их защита была усилена этим штаммом, в частности, за счет увеличения защитных клеток Th17 и регуляторных Т-клеток [81].

Что касается бактериальных факторов, участвующих в иммуномодуляции, данные указывают в основном на поверхностные белки (таблица 1). Протеом штамма P. freudenreichii CIRM-BIA129 был исследован с идентификацией белков, экспонируемых на поверхности, и их роли в индукции высвобождения IL-10 и IL-6 с помощью PBMCs [82]. Среди идентифицированных белков были белки ремоделирования клеточной стенки, транспортные белки, подрабатывающие белки и другие белки, участвующие во взаимодействиях с хозяином [82]. Мультиштаммовые и мультиомиксные исследования проведенные Deutsch et al. [77] пояснили, что цитоплазматические белки также могут иметь отношение к иммуномодуляции, но подтвердили ключевую роль белков поверхностного слоя B (SlpB) и E (SlpE), особенно в штамме P. freudenreichii CIRM-BIA129. Затем было показано, что SlpB имеет решающее значение для адгезии бактерий к эпителиальным клеткам кишечника [52], а мутация в его гене имеет плейотропные эффекты, предполагая, что этот белок может играть центральную роль в клеточных процессах [53]. Кроме того, анализы in vivo, проведенные на мышах с мукозитом, индуцированным 5-фторурацилом (5-FU), показали, что белок SlpB имеет решающее значение для модуляции цитокинов, запускаемой P. freudenreichii CIRM-BIA129 [83]. Более того, было показано, что гликозилированный белок A большого поверхностного слоя (LspA) комменсального штамма P. freudenreichii UF1 регулирует взаимодействие с рецептором SIGNR1, который регулирует дендритные клетки и противодействует воспалению, вызванному патогенами, поддерживая гомеостаз кишечника [84]. Интересно, что некоторые из этих иммуномодулирующих белков, включая SlpB и SlpE, были недавно идентифицированы в ассоциации с внеклеточными пузырьками (везикулами), продуцируемыми штаммом P. freudenreichii CIRM-BIA129, которые служат альтернативной экспортной системой [85].

Помимо поверхностных белков, с иммуномодуляцией также связана DHNA (1,4-дигидрокси-2-нафтоевая кислота – бифидогенный стимулятор роста – ред.). Помимо своих бифидогенных свойств, DHNA подавляла продукцию провоспалительных цитокинов в кишечных макрофагах мышей IL-10^−/− (дефицитных по IL-10), получавших пироксикам [86]. Более того, DHNA также описывается как активатор арилуглеводородного рецептора (AhR), который участвует в детоксикации ксенобиотиков и регуляции воспаления [87, 88].

10. Функциональное питание.

Важно отметить, что иммуномодулирующие свойства P. freudenreichii были сохранены, когда в качестве векторов доставки использовались пищевые матрицы, включая сыр [18, 19, 42, 89] и ферментированное молоко [90–92], что указывает на большой потенциал для разработки функциональных пробиотических продуктов с иммуномодулирующими свойствами. Например, молочный продукт, ферментированный штаммом CIRM-BIA129, снижает секрецию провоспалительных цитокинов слизистой оболочкой толстой кишки, улучшает усвоение пищи и рост поросят [92]. P. freudenreichii CIRM-BIA129 также использовался в производстве иммуномодулирующего одноштаммового сыра, потребление которого мышами уменьшало колит, вызванный TNBS, восстанавливая экспрессию белков плотного соединения и снижая экспрессию маркеров воспаления и окислительного стресса. [89]. Аналогичная защита на той же модели колита наблюдалась при использовании модельного сыра с двумя штаммами, содержащего P. freudenreichii и L. delbrueckii [20]. Затем был произведен промышленный сыр Эмменталь с использованием S. thermophilus, P. freudenreichii и L. delbrueckii [18] (рис. 3). Его потребление защищало мышей от колита, вызванного DSS [18]. У здоровых поросят потребление того же штамма CIRM-BIA129, связанного с сырной матрицей, имело решающее значение для сохранения или усиления иммуномодулирующих свойств бактерии, включая индукцию фенотипов Th2 и Treg [19]. Важность сырной матрицы также была связана с защитой иммуномодулирующего белка SlpB от протеолиза в моделируемых условиях желудочно-кишечного тракта [42]. Эти примеры показали, как соответствующие пищевые матрицы защищают или усиливают полезные свойства этих традиционных молочных пропионибактерий, а также открывают перспективы для создания новых функциональных пищевых продуктов [91].

11. Оценка безопасности

Долгая история безопасного производства ферментированных пищевых продуктов, таких как сыр Эмменталь, а также статус бактерий «общепризнанных безопасными» (GRAS) и «квалифицированная презумпция безопасности» (QPS) гарантируют безопасность потребления P. freudenreichii [5, 93]. Однако необходимо провести дополнительные оценки в разных матрицах и контекстах. Пробиотики, включенные в испытания на людях, чаще всего происходят из рода Lactobacillus или Bifidobacterium; тем не менее, пропионибактерии также были протестированы [93]. Например, в двух клинических исследованиях оценивали безопасность культуральной среды P. freudenreichii ЕТ-3 у взрослых людей, и в первом сообщалось об отсутствии различий в желудочно-кишечных симптомах между группами, а в другом - о различиях в гематологических параметрах, хотя и в пределах нормы [94]. Штаммы P. freudenreichii SI 26 и SI 41 давались взрослым здоровым добровольцам без побочных эффектов, при этом наблюдалась модуляция фекальных бифидобактерий и сегментарного транзита толстой кишки [67]. В другом исследовании штамм P. freudenreichii SI 41 вводился в капсулах в той же дозе людям-добровольцам без побочных эффектов, при этом наблюдалось увеличение количества пропионибактерий в кале, сопровождающееся повышенным содержанием короткоцепочечных жирных кислот [95].

Более того, в нескольких клинических испытаниях тестировались многовидовые пробиотические добавки, содержащие пропионибактерии. Сложная формула, включающая пребиотики P. freudenreichii JS, L. rhamnosus GG, L. rhamnosus Lc705, B. breve 99 и галактоолигосахариды, была протестирована в нескольких рандомизированных двойных слепых плацебо-контролируемых группах. Пробиотическое вмешательство проводилось у беременных женщин и новорожденных и было безопасным и эффективным для профилактики атопической экземы у детей [96], повышало устойчивость детей к респираторным инфекциям [97], защищало детей, родившихся после кесарева сечения, от аллергических IgE-связанных заболеваний[98], восстановило состав микробиоты у детей, получавших антибиотики или рожденных с помощью кесарева сечения [99], и защитило детей, родившихся после кесарева сечения, от аллергических заболеваний в течение 13 лет наблюдения [100]. Наконец, в интегративном исследовании были проанализированы побочные эффекты, связанные с этой комбинацией пробиотиков в некоторых из этих испытаний, и был сделан вывод об отсутствии связи с побочными эффектами у молодых и пожилых людей [101].

Важно отметить, что добавление пробиотиков не рекомендуется в случаях иммуносупрессии, например, во время противоопухолевого лечения [93]. Более того, их благотворное воздействие и безопасность обусловлены сложным взаимодействием между особенностями хозяина и пробиотического штамма или штаммов, что одновременно стимулирует дальнейшие исследования и предполагает осторожность в некоторых его применениях [93].

12. Постбиотики и не только

Как подробно описано ранее, пробиотический эффект P. freurenreichii был связан с несколькими факторами, включая цитоплазматические и поверхностные белки [52, 77, 82, 83], короткоцепочечные жирные кислоты [62, 63], метаболиты [71, 72, 75] и супернатанты культур [58, 94] (рис. 4). Эти производные от пробиотиков факторы, которые оказывают благотворное влияние на хозяина, получили название постбиотиков [102]. «Постбиотик» - это развивающееся наименование, которое включает в себя бесклеточные продукты метаболизма пробиотиков, обладающие полезными для здоровья свойствами, включая, среди прочего, белки, липиды, органические кислоты, витамины, супернатанты [102–104]. Преимущества постбиотиков перед пробиотиками включают чистоту, простоту производства и хранения, промышленную масштабируемость, более высокую специфичность механизма действия и меньшее количество побочных эффектов [102, 103].

В случае P. freudenreichii замечательным примером постбиотика является белок SlpB, который был очищен и оказал иммуномодулирующее действие, то есть индукцию IL-10, в культивируемых эпителиальных клетках кишечника человека [83]. Другой пример, который вписывается в определение постбиотиков, - это внеклеточные везикулы, которые представляют собой мембранные сферические наноструктуры, которые транспортируют молекулы между клетками [105, 106]. У пробиотических бактерий, таких как несколько штаммов Lactobacillus и Bifidobacteriaum, внеклеточные везикулы считаются иммуномодулирующими [107]. В случае P. freudenreichii мы недавно описали их продукцию штаммом CIRM-BIA129, который был первым сообщением с физико-химическими, протеомными и функциональными характеристиками внеклеточных везикул у данного вида [85]. Мы идентифицировали соответствующие белки в их грузе, включая SlpB, и продемонстрировали их противовоспалительную активность посредством модуляции пути NF-κB в культивируемых эпителиальных клетках кишечника человека [85].

Постбиотики открывают многообещающие перспективы для разработки новых продуктов, полученных из пробиотиков, с повышенной безопасностью и функциональностью [107]. Кроме того, оптимизация выхода и погрузки грузов перспективна для модуляции их свойств, усиления их полезного эффекта и применения в биотехнологиях [108]. Наконец, в ближайшем будущем следует провести клинические испытания, чтобы убедиться в пригодности постбиотиков и пробиотиков для терапии и профилактики, поскольку они могут оказать большое влияние на здоровье человека [93, 107, 109].

Рисунок 4. Схематическое резюме пробиотических признаков P. freudenreichii на молекулярном уровне.

13. Заключение

В целом, исследования P. freudenreichii укрепляют роль этой бактерии в качестве пробиотика благодаря нескольким выдающимся свойствам, таким как устойчивость к стрессам, возникающим в желудочно-кишечном тракте, адгезия к клеткам-хозяевам, антипатогенная активность, противоопухолевый потенциал и иммуномодулирующие свойства. Кроме того, этот вид имеет технологическое значение, благодаря давнему применению в производстве продуктов питания, витамина В12 и органических кислот. Таким образом, это перспективная бактерия 2 в 1, обладающая как ферментативными, так и пробиотическими свойствами. Новое исследование по P. freudenreichii должно позволить разрабатывать новые ферментированные продукты, способствующие укреплению здоровья, и должно углубиться в характеристику разнообразия штаммов и соответствующих свойств, а также использовать подходы omics для анализа молекулярных механизмов полезных свойств P. freudenreichii. Исследования этого вида обладают огромным потенциалом для разработки новых технологических подходов и терапевтических продуктов, непосредственно влияющих на здоровье человека.

Дополнительная информация:

• Пропионовокислые бактерии (основной раздел)
• Пропионовокислые бактерии как пробиотики
• Молочные пропионибактерии: Универсальные пробиотики
• Противодействие ожирению и противодиабетические эффекты молочной бактерии Propionibacterium freudenreichii
• Безопасность молочных пропионовкислых бактерий
• Антиоксидантные свойства пропионовокислых бактерий P. freudenreichii
• Бифидогенный стимулятор роста, продуцируемый P. freudenreiichii
• Пропионовокислые бактерии в профилактике и лечении рака
• Польза пропионибактерий из сыра в отношении колита
• Эффективность пропионовокислых бактерий в лечении колита
• Молочные пропионовокислые бактерии смягчают воспаление, модулируя путь ядерного фактора «каппа-би» с помощью внеклеточных везикул
• Многообещающие иммуномодулирующие эффекты отдельных штаммов молочных пропионибактерий, подтвержденные in vitro и in vivo
• Кислотоустойчивость пропионовокислых бактерий
• Пропионовая кислота и пропионаты
• Антимутагенная активность пропионовокислых бактерий
• Некоторые пробиотически значимые свойства пропионибактерий
• Пропионовокислые бактерии в лечении мукозита, вызванного химиотерапией
• Снижение риска гепатокарциномы с помощью пропионовокислых и лактобактерий
• Молочные пропионовокислые бактерии предотвращают остеопорозПропионовокислые бактерии защищают от микотоксинов
• Бактериоцины пропионовокислых бактерий
• Кислотоустойчивость пропионовокислых бактерий
• Биотехнологический потенциал пропионовокислых бактерий
• О пропионовокислых бактериях (Автор:Воробьева Л.И.)
• Биотехнология заквасок пропионовокислых бактерий 
• Предпосылки для испытаний штамма Propionibacterium freudenreichii RVS-4-irf в качестве компонента клинического питания (Автор: Рыжкова Е.П.)
• Молочные пропионовокислые бактерии увеличивают продолжительность жизни нематод Caenorhabditis elegans через активацию иммунной системы - (иссл.)

Литература

Будьте здоровы!