ООО "ПРОПИОНИКС"
пн-пт с 09:00 до 18:00 | +7 (966) 348-80-35 |
Метаболомный профиль, модулируемый кишечной микробиотой, определяет этиологию и патогенез аутоиммунных заболеваний
Резюме
Аутоиммунитет - это сложный и многогранный процесс, который способствует широко распространенному функциональному снижению, затрагивающему множество органов и тканей. Пандемия аутоиммунных заболеваний, вызывающих глобальную озабоченность в области здравоохранения, увеличивает как распространенность, так и частоту аутоиммунных заболеваний, включая диабет 1 типа, рассеянный склероз и ревматоидный артрит. Развитие аутоиммунных заболеваний фенотипически связано с модулируемыми микробиотой кишечника особенностями на молекулярном и клеточном уровнях. Этиология и патогенез аутоиммунных заболеваний включают изменения иммунной системы с инфильтрацией врожденных и адаптивных иммунных клеток в определенные органы и усиленное производство провоспалительных цитокинов, стимулируемое комменсальной микробиотой. Однако относительная важность и механистические взаимосвязи между кишечным микробным сообществом и иммунной системой во время прогрессирования аутоиммунных заболеваний до сих пор недостаточно изучены. В этом обзоре мы описываем исследования по профилированию микробных сигнатур кишечника для модуляции иммунологического гомеостаза при множественных воспалительных заболеваниях, выясняем их критическую роль в этиологии и патогенезе аутоиммунных заболеваний и обсуждаем значение этих результатов для этих расстройств. Нацеливание на микробиом кишечника и его метаболомные ассоциации с фенотипом аутоиммунитета позволит развить новые терапевтические стратегии для противодействия иммунной дисфункции, связанной с микроорганизмами, при этих аутоиммунных заболеваниях
1.1. Патофизиология аутоиммунных заболеваний, модулируемых Т-клетками
Аутоиммунные заболевания, модулируемые Т-клетками, включая диабет 1 типа (СД1), рассеянный склероз (РС) и ревматоидный артрит (РА), являются хроническими воспалительными заболеваниями в определенных органах и вносят свой вклад в критические клинические проблемы из-за их распространенности среди молодого населения и сопутствующие расходы на здравоохранение. Распространенность и частота этих аутоиммунных заболеваний увеличились как в развитых, так и в развивающихся странах за последние 30 лет [1,2,3]. Эти органоспецифические заболевания возникают в результате нарушений иммунной системы, вызванных аутоантигенами. Кроме того, сообщалось, что факторы окружающей среды регулируют и модулируют развитие таких заболеваний как у людей, так и у мышей. Активация Т-клеток аутоантигенами в определенных органах приводит к экспрессии воспалительных цитокинов и повреждению тканей-мишеней [4]. Более того, дифференциальная модуляция окружающей среды и образа жизни считается основным фактором повышенной распространенности и патогенеза этих хронических иммуноопосредованных заболеваний [5,6].
1.2. Влияние микробиоты на развитие аутоиммунных заболеваний
Микробиомы отдельных людей могут быть отпечатаны редкими штаммами микроорганизмов, в то время как уникальная форма микробной "дактилоскопии" из личного микробиома обеспечивает различные функции, позволяющие получить ценные сведения о прошлых воздействиях окружающей среды при воспалительных процессах [7]. Сообщалось, что персонализированная динамика микробиома, анализируемая с помощью цитометрических отпечатков микробиоты, может обеспечить быстрый прогресс в выявлении воспалительных заболеваний, связанных с микробиомом, и вычислении разницы в составе микробиома сообщества для оценки воспалительного уровня аутоиммунных заболеваний как на мышиных моделях, так и на людях, и поэтому может служить потенциальным диагностическим инструментом для количественной оценки разнообразия микробиома [8,9,10]. Кроме того, молекулярное вскрытие микробного метаболизма в кишечнике проглоченных соединений обеспечит персонализированную медицину и информирует об оценке токсикологического риска, чтобы модулировать открытие лекарств, влияющих на регенеративное развитие [11]. Недавние исследования показали, что модуляция бактериальных популяций с метаболическими свойствами имеет решающее значение для ассоциации с воспалительными процессами [12]. Короткоцепочечные жирные кислоты (SCFAs), образующиеся из доступных для микробиоты углеводов в пищевых волокнах, играют решающую роль в поддержании гомеостаза кишечного барьера [13]. Кратковременное вмешательство, опосредованное диетическими волокнами, способно модулировать метаболическую функцию и структуру бактериального сообщества в тканях кишечника [14]. Более того, вмешательство с помощью диеты с высоким содержанием клетчатки или диеты с ферментированными продуктами может способствовать микробному разнообразию и подавлять маркеры экспрессии для иммуномодулированного воспалительного процесса [15]. Эти результаты предполагают, что диетические вмешательства действуют как на микробиом, так и на иммунную систему и могут быть важной стратегией для смягчающего воздействия т.н. промышленного микробиома на воспалительный процесс аутоиммунных заболеваний.
1.3. Взаимодействие микробиоты и иммунной системы
Микробиота имеет решающее значение для баланса иммунной системы хозяина, тогда как состав микробиоты обеспечивает множество модулирующих функций для иммунной системы, таких как синтез питательных веществ и регулирование иммунных ответов на антигены [16,17]. Дисбиоз микробиома кишечника тесно связан с повреждением определенных тканей и прогрессированием воспаления у восприимчивых людей [18]. Во время развития аутоиммунных заболеваний изменения микробиома имеют решающее значение для модуляции воспаления и способствуют потере иммунной толерантности [19,20]. Предыдущие исследования показали, что Т-хелперные (Th) клетки являются критическими модуляторами воспаления при аутоиммунных заболеваниях посредством целого ряда патогенов, а модуляция цитокинов может дифференцироваться в несколько клонов Th-клеток с различными эффекторными подмножествами, включая Th1, Th2, Th17 и регуляторные T (Treg) клетки [21,22]. Коллективная функциональная способность и поддержание разнообразия микробиоты играет важную роль в обеспечении оптимальной регуляции метаболизма для развития клеток Th1, Th2, Th17 и Treg в иммунной системе. Сообщалось, что кластеры IV и XIVa рода Clostridium могут обеспечивать среду, богатую трансформирующим фактором роста-β (TGF-β), чтобы способствовать развитию Treg-клеток и модулировать гомеостаз кишечника, предотвращая воспаление [23]. Более того, Toll-подобные рецепторы 2 (TLR2) и CD39 на Т-клетках имеют решающее значение для распознавания микробных паттернов и необходимы для функции Treg во время воспалительного процесса [24,25], показывая, что иммунная система способна классифицировать патогены и микробиоту посредством распознавания симбиотических бактериальных молекул (рис.1).
Рисунок 1. Микробиота модулирует дифференцировку Т-хелперных клеток в патогенных условиях аутоиммунных заболеваний. Показано критическое взаимодействие между микробиотой кишечника и иммунными клетками при аутоиммунных заболеваниях. Результат воспаления, опосредованного микробиотой кишечника, вызванного различными подмножествами CD4+ клеток в конкретной ткани: При СД1 повышенная экспрессия бактерий Akkermansia, Clostridiales, Lachnospiraceae, Prevotellaceae и Rikenellaceae в кишечнике может способствовать дифференцировке клеток Th17, в то время как снижение Bifidobacterium, Escherichia, Lactobacillus и Sutterella способствует пониженной экспрессии Treg-клеток. При РС повышенная экспрессия L. reuteri, A. calcoaceticus, A. muciniphila, Streptococcus модулирует экспансию клеток Th17 кишечника, тогда как повышенная регуляция L. murinus, L. helveticus, P. histicola и Bifidobacteria способны усиливать экспрессию противовоспалительного цитокина IL-10 в клетках Th. При РА бактерии Prevotella, Lautia, Clostridium XIVa и Ruminococcus могут способствовать дифференцировке клеток Th17 или Т-фолликулярных хелперных клеток (Tfh).
Исследования роли комменсальных микроорганизмов в качестве иммуномодуляторов показали, что наличие сигналов, полученных от комменсальных бактерий, имеет решающее значение для регулирования развития иммунной системы и иммунного ответа хозяина [26,27]. Недавние исследования показали, что начальные стадии патологического иммунного ответа, связанного с аутоиммунными заболеваниями, возникают на участках слизистых оболочек, таких как слизистая оболочка кишечника или полости рта, и тесно связаны с обилием конкретных видов бактерий [28,29]. В этой статье мы рассмотрим модулирующие эффекты микробиоты хозяина на аутоиммунные заболевания, опосредованные Т-клетками, включая СД1, РС и РА (Рисунок 1).
2.1. Диабет 1 типа
2.1.1. Установление СД1 и кишечной микробиоты
СД1 - это аутоиммунное заболевание, модулируемое Т-клетками, вызванное повреждением β-клеток в островках поджелудочной железы, и пациенты с СД1 нуждаются в пожизненном лечении экзогенным инсулином [30]. Патогенез СД1 зависит от цитолитической функции островковых антигенспецифичных CD4+ и CD8+ Т-клеток [31]. Кроме того, клетки врожденного иммунитета, такие как естественные клетки-киллеры (NK-клетки) и дендритные клетки (DCs), участвуют в регуляции возникновения аутоиммунитета и развития СД1 [32,33]. Более того, недавние отчеты показали, что патогенез СД1 сложен и способствует взаимодействию между генетическими детерминантами и факторами окружающей среды, такими как состав кишечной микробиоты, которая является незаменимым элементом для быстрого развития СД1 [34]. Кроме того, иммунная система тесно взаимодействует с кишечным микробным сообществом, которое играет важную роль в формировании иммунитета, обучая иммунные клетки и обеспечивая их функциональное созревание [35].
На фенотипы кишечной микробиоты у людей влияют различия в географии (сельская местность по сравнению с городской) и образе жизни (западный по сравнению с незападным) [36]. Кемппайнен и др. (Kemppainen et al.) продемонстрировали, что микробиом кишечника у детей демонстрирует сильные физические различия у субъектов с высоким риском развития СД1 [37]. Сотрудничество в рамках европейского исследования регистров детского диабета (EURODIAB), в котором оценивалась частота впервые диагностированного СД1 у детей в возрасте <15 лет, показало, что в Финляндии была самая высокая заболеваемость СД1 по сравнению с другими странами [38]. В исследовании экологических детерминант диабета у детей (TEDDY) также сообщалось, что микробный состав раннего кишечника коррелировал с восприимчивостью к человеческому лейкоцитарному антигену (HLA), обусловленной СД1, и бактериальное разнообразие у детей в Финляндии было меньше, чем в других местах [37,39]. Томми и др. (Tommi et al.) проанализировали 10913 метагеномов в образцах фекалий 783 в основном белых, не испаноязычных детей. Они использовали образцы, собранные в исследовании TEDDY, для выяснения связи между микробиомом, развитием СД1 и использованием антибиотиков в раннем возрасте. У контрольных детей микробиомы содержали больше генов, которые были связаны с ферментацией и биосинтезом короткоцепочечных жирных кислот (SCFAs). Было обнаружено, что три вида бифидобактерий (B. bifidum, B. breve и B. longum) доминируют на первом году жизни, и подмножество B. longum особенно присутствовало у младенцев, находящихся на грудном вскармливании [40]. Сообщалось, что олигосахариды человеческого молока регулируют микробиоту посредством модуляции микробных метаболитов кишечника и прямого инициирования реакции Treg-клеток в аутоиммунных системах. Более того, защитная роль SCFAs, полученных из олигосахаридов человеческого молока, против развития СД1 наблюдалась как у людей, так и на моделях грызунов [40,41]. Эти результаты свидетельствуют о том, что микробиота кишечника играет потенциальную роль в модуляции развития СД1.
Комменсальный микробиом человека заметно изменился за последние семь десятилетий из-за изменения условий жизни с потреблением обработанной воды и продуктов питания и чрезмерным использованием антибиотиков в сельском хозяйстве и лечении. Резко изменившийся микробиом и связанный с ним метаболомный профиль играют решающую роль в адаптации микробиоты кишечника человека [42,43]. В микробиоте кишечника взрослых Bacteroidetes (грамотрицательные бактерии) и Firmicutes (грамположительные бактерии) являются двумя основными типами, в то время как Verrucomicrobia, Proteobacteria и Actinobacteria обычно являются второстепенными составляющими микробиоты кишечника человека [44]. Равновесие микробиома в желудочно-кишечном тракте, по-видимому, необходимо для предотвращения сильных воспалительных реакций для поддержания гомеостаза в организме хозяина [45,46]. Чрезмерный рост одних микроорганизмов и потеря других могут способствовать дисбалансу микробной экосистемы кишечника, который называется дисбиозом. Более того, дисбиоз микробиоты способствует хроническому воспалению и развитию СД1 [47] и воспалительных заболеваний кишечника [48]. Эти результаты свидетельствуют о том, что микробиота кишечника играет потенциальную роль в модуляции прогрессирования СД1 (рис.2).
Рисунок 2. Модулированная кишечной микробиотой регуляция повреждения тканей поджелудочной железы адаптивными иммунными клетками. Продукция цитокинов различными Т-хелперными клетками показана в компонентах, участвующих в регуляции Th1, Th2, Th17, Tfh, Treg и В-клеток. Эти ПРОвоспалительные цитокин-продуцирующие подмножества Th включают T-bet/STAT4-опосредованные Th1 (интерферон IFN-γ), Roryt-модулированные Th17 (IL-17A, GM-CSF) и BCL-6-опосредованные Tfh (IL-21), тогда как эти ПРОТИВОвоспалительные цитокин-секретирующие подмножества Th представляют собой Gata3-модулированные Th2 (IL-4, IL-13), Foxp3-опосредованные Treg (IL-10) и Tr1 (IL-10, IFN-γ) клетки.
2.1.2. Модулирующее действие микробиоты кишечника при СД1
Микробиота кишечника оказывает важное влияние как на слизистую оболочку, так и на системный иммунитет хозяев на моделях грызунов, особенно на мышах с диабетом без ожирения (NOD), которые считаются наиболее распространенной моделью животных для изучения сложных механизмов генетической и иммунологической толерантности при клиническом диабете [31]. Взаимодействие между кишечными комменсальными бактериями и врожденным иммунитетом рассматривается как важный эпигенетический фактор, способствующий восприимчивости к СД1. Более того, обнаружение молекулярных паттернов, связанных с патогенами (PAMPs), и регуляция иммунных реакций хозяина модулируются toll-подобными рецепторами (TLRs) [49,50]. Фактор дифференцировки миелоидов 88 (MyD88) является адаптерным белком, участвующим в передаче сигналов несколькими TLR и рецептором интерлейкина-1 (IL-1). Чтобы прояснить роль TLRs в развитии СД1, мыши NOD с генетическим дефицитом MyD88 (NOD.Myd88−/−) были созданы и выращены в специфических условиях без патогенов (SPF) или без микробов (GF) [51]. В условиях SPF мыши NOD.Myd88−/− были полностью защищены от СД1. Обработанные антибиотиками мыши SPF NOD.Myd88−/− показали более высокую частоту СД1, чем у необработанных мышей. Удивительно, но у мышей NOD.Myd88−/− развился диабет в условиях GF. Более того, мыши GF с измененной флорой Шедлера (ASF) были устойчивы к развитию СД1 [52]. Кроме того, дефицит MyD88 у мышей NOD способствовал изменению состава кишечной микробиоты и развитию СД1, опосредованного CD8+ Т-клетками, через кишечную микробиоту у специфичных для IGRP-реактивного рецептора NY8.3 CD8+ Т-клеток трансгенных мышей NOD [51,53]. Кроме того, микробный пептид-имитатор (полученный из транспортера магния (номер доступа GenePept WP_006806773) Leptotrichia goodfellowii) фузобактерий непосредственно активировал IGRP-специфические NY8.3 Т-клетки и ускорял развитие диабета [54]. Интересно, что имитатор кишечных микробов, экспрессируемый видами рода Bacteroides, кодирующими мимотоп с низкой авидностью IGRP206-214, регулирует рекрутирование диабетогенных CD8+ Т-клеток в кишечник и подавляет развитие колита посредством нацеливания на DCs кишечника. [55]. В дополнение к MyD88, toll-IL рецептор-домен, содержащий адаптер-индуцирующий интерферон-β (TRIF), является важнейшим адаптерным белком после передачи TLR-сигналов, особенно TLR3 и TLR4. Дефицит TRIF защищал мышей NOD от аутоиммунного диабета только при размещении с мышами NOD дикого типа. Обилие Sutterella (протеобактерий) и Rikenella (бактериоидет) было значительно снижено у мышей NOD с дефицитом TRIF [56]. Более того, введение микробиоты кишечника человека NOD-мышам без микробов (GF) может модулировать развитие у них аутоиммунного диабета, но скорость потери функции или потери β-клеток не переносится на модель грызунов [40]. Эти результаты свидетельствуют о том, что взаимодействие между врожденным иммунитетом и микробиотой кишечника было вовлечено в развитие СД1. Кроме того, было обнаружено, что колонизация кишечника грамположительными аэробными палочками (Bacillus cereus) [57] или сегментированными нитевидными бактериями ослабляет развитие СД1. По сравнению с необработанными контрольными мышами, индукция Treg-клеток была медленнее в собственной пластинке тонкого кишечника (siLP) этих мышей [58]. В дополнение к исследованиям колонизации, исследования лечения антибиотиками используются для оценки роли кишечной микробиоты в прогрессировании заболевания СД1.
Использование антибиотиков в сельском хозяйстве и лечении увеличилось за последние 50 лет. Более того, использование антибиотиков приводит к увеличению числа заболеваний, таких как ожирение и инфекции Clostridium difficile [59]. Все больше данных указывает на то, что факторы окружающей среды, которые изменяют состав микробиоты кишечника, сильно влияют на риск развития СД1 [60, 61, 62]. Неонатальные мыши NOD дикого типа, получавшие ванкомицин (гликопептидный антибиотик, который ингибирует синтез клеточной стенки путем нацеливания на грамположительные бактерии) от рождения до отъема (4 недели), демонстрировали более медленное начало и более низкую частоту диабета по сравнению с группой, не получавшей лечения. Популяции CD4+ Т-клеток в siLP и провоспалительных цитокинах, таких как интерферон-γ (IFN-γ) и фактор некроза опухоли-α (TNF-α), были выше у новорожденных мышей, получавших ванкомицин. Более того, количество Т-клеток, продуцирующих IL-17, было выше у новорожденных мышей, получавших ванкомицин, чем у взрослых мышей, получавших ванкомицин, и мышей, не получавших лечения. Кроме того, состав кишечной микробиоты был проанализирован у новорожденных мышей, получавших ванкомицин, с использованием пиросеквенирования. Было обнаружено, что основные типы Firmicutes и Bacteroidetes истощены в кишечнике, в то время как Akkermansia muciniphila стала доминирующим видом в кишечнике этих мышей. A. muciniphila может играть защитную роль на ранней стадии развития аутоиммунного диабета [63]. Было обнаружено, что бактерии родов Escherichia, Lactobacillus и Sutterella увеличиваются в кишечнике мышей, получавших антибиотики, в то время как бактерии Clostridiales, Lachnospiraceae, Prevotellaceae и Rikenellaceae были уменьшены [53,63]. Однако разные виды лечения антибиотиками, нацеленные на разные бактерии, вызывают противоположные эффекты в развитии аутоиммунных заболеваний. У потомства беременных самок мышей, получавших ванкомицин, наблюдалось ускоренное развитие аутоиммунного диабета, в то время как потомство, получавшее неомицин, демонстрировало ослабление диабета, а состав кишечной микробиоты отчетливо отличался от такового у необработанных контрольных мышей [64].
Применение антибиотиков в раннем возрасте изменяет микробиом кишечника и приводит к предрасположенности к заболеваниям. Импульсное лечение антибиотиками (PTA) в раннем возрасте ускорило частоту СД1 у самцов мышей NOD. Более того, состав и структура микробиоты у этих мышей были изменены по сравнению с контрольными мышами. Уровни бифидобактерий (включая B. adolescentis, B. animalis и B. pseudolongum) были ниже, а уровни Akkermansia были выше у самцов мышей, получавших PTA. Популяции Th17 и Treg и экспрессия кишечного сывороточного амилоида A (SAA) были ниже у мышей-самцов, получавших PTA, в преддиабетическом периоде, чем у контрольных мышей. Микробный липидный обмен и экспрессия генов биосинтеза холестерина в организме хозяина были подвержены влиянию PTA [65]. Bacteroides fragilis и B. fragilis-подобные комменсалы вызывают провоспалительные реакции и приводят к СД1 у субъектов из группы риска [66].
2.1.3. Таргетная терапия кишечной микробиоты при аутоиммунном диабете
Сообщалось, что как факторы окружающей среды, так и генетические риски играют важную роль в развитии СД1 [67,68]. Состав кишечной микробиоты мышей C57BL/6 и NOD отличается из-за различного генетического фона. Lactobacillus была доминирующей бактерией у мышей NOD, тогда как Allobaculum была у мышей C57BL/6. Воздействие в раннем возрасте и условия содержания влияют на состав микробиома у мышей NOD, в то время как генетический фон мышей NOD ограничивает общий состав сообщества микробиоты. Факторы раннего возраста, в том числе грудное вскармливание и воздействие на преконцепцию, связаны с повышенным риском СД1 [69]. Мыши с инсулинозависимым диабетом (Idd)3/Idd5, которые имеют как защитные аллели с локусом Idd3 (Il2), так и локус Idd5 (Ctla4, Slc11a1 и Acadl), были защищены от СД1 и обладали резкими изменениями состава микробиоты по сравнению с мышами дикого типа [51,52]. У мышей NOD.Idd3/Idd5 наблюдалось снижение воспаления в подвздошной и толстой кишке и продукции антимикробных пептидов (AMPs), в то время как слизистая продукция бокаловидными клетками и уровни регуляторного цитокина IL-10 у этих мышей были выше, чем у контрольных мышей [70,71]. Введение терапии IL-2 уменьшило воспаление, увеличило популяцию Treg-клеток и изменило микробиоту у мышей NOD. Бактерии, принадлежащие к Bacteroidales и Oscillospira, были значительно уменьшены, а Bifidobacteria увеличились после терапии IL-2. Более того, участники когорты TwinsUK, которые подвергались высокому риску СД1 и имели локусы пути IL-2, продемонстрировали некоторые аналогичные изменения микробиома, наблюдаемые в модели грызунов [72].
Накопленные данные свидетельствуют о том, что метаболиты микробного происхождения влияют на иммунный ответ [73] и могут приводить к развитию СД1. SCFAs являются основными метаболитами микробиоты кишечника и в основном вырабатываются в толстой кишке в результате бактериальной ферментации пищевых волокон. Функция и уровни индуцированных Treg-клеток в толстой кишке стимулируются SCFA. Обработка мышей NOD SCFAs снижает иммуноглобулиновый ответ, который индуцируется кишечными бактериями, и снижает тяжесть инсулита [74]. Помимо SCFAs, ацетат и бутират также влияют на иммунный ответ [75]. Кормление мышей NOD специализированными диетами, включающими ацетат или бутират, обеспечивало защитный эффект против СД1. Диета, содержащая ацетат, уменьшала популяцию аутореактивных Т-клеток в лимфоидных органах, тогда как диета, содержащая бутират, усиливала развитие Treg-клеток [76]. AMPs играют решающую роль в устранении инфекции и регулировании кишечной микробиоты. Сывороточные уровни кателицидина, который является AMP, были снижены у пациентов с СД1 по сравнению со здоровыми людьми [77]. Связанный с кателицидином антимикробный пептид (CRAMP), который продуцируется инсулин-секретирующими β-клетками и продуцирование CRAMP, были дефектными у мышей NOD. Лечение мышей NOD с предиабетом с помощью CRAMP снижало частоту аутоиммунных заболеваний и индуцировало регуляторные иммунные клетки (DC и Т-клетки) в островках поджелудочной железы. Кроме того, уровни CRAMP, продуцируемого β-клетками, регулируются SCFAs, которые продуцируются микробиотой кишечника [78]. Другой AMP, мышиный β-дефенсин 14 (Defb14), экспрессия которого индуцируется врожденными лимфоидными клетками (ILCs) поджелудочной железы, ослабляет развитие СД1 у мышей NOD. Кроме того, врожденные лимфоидные клетки поджелудочной железы регулируют секрецию IL-22, вызванную метаболитами кишечной микробиоты [79]. Эти данные свидетельствуют о том, что метаболиты кишечной микробиоты обеспечивают полезный и естественный подход к нескольким иммунологическим дефектам, которые приводят к СД1.
Недавние исследования были посвящены роли микробиома кишечника в аутоиммунных заболеваниях [80,81,82]. Продольные исследования на людях показали, что разнообразие и дисбиоз кишечной микробиоты, которая рассматривается как группа полезных микроорганизмов, были снижены у пациентов с СД1. Более того, бактерии рода Bacteroides были увеличены, а B. adolescentis и B. pseudocatenulatum были уменьшены у детей с аутоиммунитетом β-клеток [83]. При пероральном введении штамма Lactobacillus johnsonii N6.2 на модели грызунов наблюдалось смещение клеток Th17 в брыжеечных лимфатических узлах и ослабление начала СД1 [84]. Однако механизмы, с помощью которых изменения микробиоты модулируют тканеспецифичные аутоиммунные реакции, все еще недостаточно изучены.
2.2. Рассеянный склероз (РС)
2.2.1. Роль кишечной микробиоты в аутоиммунных заболеваниях центральной нервной системы
РС - это воспалительное демиелинизирующее заболевание, которое затрагивает взаимодействие иммунной системы и ЦНС. Таким образом, моделирование на животных имеет решающее значение для изучения патогенеза рассеянного склероза [85,86,87]. Три наиболее охарактеризованные модели рассеянного склероза на животных: (1) экспериментальный аутоиммунный энцефаломиелит (EAE), который представляет собой самый широкий исследовательский стенд для изучения рассеянного склероза посредством иммунизации аутоантигенами для индукции аутоиммунитета; (2) вирус-индуцированное демиелинизирующее заболевание, демиелинизация мышей, вызванная вирусными инфекциями. Наиболее изученным является вирус мышиного энцефаломиелита Тейлера (TMEV) [88]; (3) токсические модели демиелинизации и ремиелинизации [89].
Иммунные клетки, такие как DCs и Th-клетки, критически вовлечены в атаку миелиновой оболочки, вызывая потерю миелина и нейроаксональную дегенерацию, нарушающую передачу сигналов нейронов [90]. DCs представляют миелиновые эпитопы миелин-реактивным Т-клеткам и стимулируют их дифференцировку в клетки Th1 и Th17. Эти Th-клетки реактивируются макрофагами ткани покоя ЦНС (микроглия), чтобы способствовать воспалению мозга и повреждению миелина за счет экспрессии воспалительных цитокинов, включая интерферон-γ, IL-17 и гранулоцитарно-макрофагальный колониестимулирующий фактор (GM-CSF) [91,92 , 93,94]. Развитие РС тесно связано с факторами окружающей среды, такими как микробиота, регулируемая диетой, которая способствует взаимодействию между DCs и Т-клетками, чтобы модулировать риск заболевания [95]. Кроме того, мыши GF устойчивы к прогрессу развития EAE по сравнению с мышами SPF, а уменьшение комменсальной микрофлоры кишечника при пероральном лечении антибиотиками также регулирует восприимчивость к EAE [96,97]. Более того, метагеномный и метаболомный анализы показали, что метаболиты кишечной микробиоты модулируют патогенез рассеянного склероза, влияя на функцию и поведение мозга посредством регулирования активации Т-клеток и их продукции цитокинов [98,99]. Эти результаты показывают, что микробиота кишечника играет решающую роль в влиянии на патогенез EAE и PC.
2.2.2. Модулирующее влияние кишечной микробиоты на ось диета – микробиота при рассеянном склерозе (PС) и экспериментальном аутоиммунном энцефаломиелите (EAE)
Микроокружение кишечника имеет решающее значение для активации и пролиферации миелин-реактивных Th17-клеток на стадии инициации EAE, а затем эти клетки мигрируют в ЦНС, вызывая воспаление нервов во время развития EAE [100]. Более того, стрептококк (Streptococcus) и аккермансия (Akkermansia) вызывали экспансию клеток Th17, а превотелла стимулировала выработку IL-10 в тканях кишечника, и эти явления сильно коррелировали с тяжестью заболевания [101]. Пациенты с РС имеют более высокую долю Streptococcus и более низкую долю превотеллы (Prevotella) в тонком кишечнике, чем здоровые контрольные группы [101]. Недавние исследования показали, что, помимо CD4+ Т-клеток, микробиота также имеет решающее значение для созревания и функционирования микроглии и астроцитов, которые участвуют в патогенезе РС [102, 103]. Эти результаты свидетельствуют о том, что модулируемое микробиотой влияние на адаптивный иммунный ответ имеет решающее значение для патогенеза РС.
Определенные факторы окружающей среды, такие как пищевые привычки, тесно связаны со здоровьем человека и, как известно, регулируют риск РС и ЕАЕ. Тяжесть и развитие ЕАЕ усиливались у мышей, получавших типичную западную диету, которая содержала большое количество соли и насыщенных жиров [104]. Более того, снижение уровня Lactobacillus наблюдалось во время развития EAE, и это может способствовать нарушению состава кишечной микробиоты [105]. Более того, пищевые привычки играют решающую роль в влиянии на состав и функцию микробов в кишечнике [13]. Уровни Lactobacillus murinus были снижены в кишечнике мышей при кормлении высокосолевой диетой по сравнению с таковым уровнем у мышей при кормлении обычной солевой диетой, а пероральный прием L. murinus смог сократить популяцию клеток Th17 и улучшал развитие EAE во время кормления диетой с высоким содержанием соли [106]. Кроме того, уровень потребления натрия положительно коррелировал с клинической активностью заболевания у пациентов с РС [107]. Помимо L. murinus, введение Lactobacillus helveticus SBT2171 (LH2171) также ослабляло ЕАЕ и снижало продукцию IL-6, нарушая дифференцировку клеток Th17 [108]. Однако секвенирование гена 16S рибосомной РНК показало, что уровни L. murinus и Lactobacillus reuteri демонстрируют обратную корреляцию в микробиоме во время развития EAE, что подразумевает, что L. reuteri может вносить вклад в патогенез EAE [109]. Недавнее исследование также показало, что активация миелин-специфических Т-клеток модулируется бактерией L. reuteri, которая потенциально имитирует гликопротеиновые пептиды миелиновых олигодендроцитов в тонком кишечнике [110]. Патогенность специфичных к миелину Т-клеток повышается с помощью оперативной таксономической единицы 0002, что способствует развитию EAE [110]. Эти находки предполагают, что разные виды Lactobacillus играют разные и критические роли в развитии EAE и вносят свой вклад в модулирующий эффект на ось микробиота-кишечник-мозг.
Доктор Эмануэль Ваману (Dr. Emanuel Vamanu) и его коллега сообщили, что модуляция микробиоты при дегенеративных заболеваниях имеет решающее значение для облегчения нейродегенеративных патологий [111]. Состав микробиоты кишечника был изменен диетическими привычками [112]. У пациентов с ожирением наблюдается повышенное соотношение Firmicutes / Bacteroidetes в фекальной микробиоте [113,114]. У тучных мышей также наблюдалось увеличение Firmicutes и снижение Bacteroidetes в фекалиях [115]. Кроме того, у мышей с ожирением, вызванным HFD, развилась обостренная EAE, что способствовало инфильтрации ЦНС через IL-6 и CCL-2 [116]. В США исследователи обнаружили, что у подростков женщин с индексом массы тела (ИМТ) ≥30 кг / м2 риск РС повышен в 2 раза [117]. Исследование, проведенное в Швеции, показало, что ожирение в возрасте 20 лет (ИМТ ≥ 27 кг / м2) как у мужчин, так и у женщин было связано с более чем 2-кратным повышением риска РС [118]. Дополнительные исследования также обнаружили двукратное увеличение риска развития рассеянного склероза в результате ожирения, включая данные из Норвегии и Италии [119]. Эти исследования предполагают связь между ожирением, кишечной микробиотой и патогенезом рассеянного склероза.
2.2.3. Целенаправленная терапия кишечной микробиоты при РС и EAE.
Жирные кислоты классифицируются как длинноцепочечные жирные кислоты (LCFA) и короткоцепочечные SCFA. LCFA очень распространены в западных диетах. SCFAs метаболизируются микробиотой кишечника. У мышей, которых кормили LCFA, развился более тяжелый EAE из-за экспансии патогенных клеток Th17 в тонком кишечнике, тогда как у мышей, которых кормили SCFA, наблюдалось ослабленное развитие EAE за счет стимуляции дифференцировки Treg-клеток [120]. Более того, SCFAs, включая ацетат, пропионат и бутират, являются основными продуктами ферментации пищевых волокон микробиотой в кишечнике и играют важную роль в системе микробиота – кишечник – мозг [121, 122]. Сообщалось, что пероральное введение ацетатов, таких как глатирамера ацетат и ацетат олеаноловой кислоты, облегчает клинические симптомы ЕАЕ [123, 124]. Кроме того, пероральное введение бутирата мышам подавляло демиелинизацию за счет накопления и созревания микроглии, что приводило к усилению ремиелинизации в демиелинизированных поражениях [125]. Уровни SCFAs, включая ацетат, пропионат и бутират, снижены у пациентов с РС по сравнению со здоровым контролем, а SCFAs могут индуцировать продукцию IL-10 клетками Treg [126]. Кроме того, диетическое ограничение триптофана, который является незаменимой аминокислотой, устраняет клинические признаки EAE за счет ингибирования IL-17A и гранулоцитарно-макрофагального колониестимулирующего фактора, но способствует секреции IL-10, что приводит к нарушению энцефалитогенности Т-клеток. [127]. Таким образом, диета и пищевые добавки являются основными факторами, изменяющими состав микробиоты кишечника.
Трансплантация фекальной микробиоты - это стратегия лечения, при которой фекальная микробиота переносится от донора к реципиенту [128]. У мышей с EAE, которые получали фекальную микробиоту, обогащенную A. muciniphila и Acinetobacter calcoaceticus от пациентов с РС, показали более тяжелое заболевание и снижение продукции IL-10 из CD4+ T-клеток [129]. Prevotella histicola, которой много в кале человека после употребления диеты с высоким содержанием клетчатки, приводит к ослаблению развития EAE за счет подавления выработки Th17-ассоциированных цитокинов и усиления экспрессии Treg-клеток [130]. Сообщалось только о двух случаях влияния трансплантации фекальной микробиоты на прогрессирование рассеянного склероза. В обоих случаях наблюдалось улучшение состояния [131 132]. Более того, микроРНК (miRNAs) в кале участвуют в патогенезе РС и EAE [133]. Секвенирование miRNA с использованием платформы секвенирования следующего поколения показало, что экспрессия miRNAs изменяется в двигательных нейронах во время развития EAE, и профиль экспрессии miRNA коррелирует с клиническими симптомами EAE [134]. Кроме того, уровни miRNA miR-30d-5p повышены в кале как у пациентов с EAE на пике заболевания, так и у пациентов с РС. Пероральное введение miR-30d-5p улучшает EAE и способствует экспрессии Treg-клеток за счет увеличения количества комменсальной микробиоты, такой как A. muciniphila, в кишечнике [135]. Следовательно, изменение диеты может предотвратить или ослабить развитие EAE / РС за счет поддержания гомеостаза кишечника (рис. 3).
Рисунок 3. Фекальная микробиота регулирует полярность Т-хелперных клеток в оси мозг – кишечник. Повышенная экспрессия L. reuteri, A. calcoaceticus, A. muciniphila, Streptococcus модулирует экспансию кишечных клеток Th1 и Th17, способствуя экспрессии IFN-γ, IL-17A и GM-CSF, тогда как повышенная регуляция L. murinus, L. helveticus, P. histicola и Bifidobacteria способны увеличивать экспрессию противовоспалительного цитокина IL-10 из Treg-клеток, чтобы модулировать барьерную функцию. Метаболомное профилирование, модулируемое микробиотой кишечника, регулирует хроническое воспаление в кишечнике и способствует проникновению патогенных Т - хелперных клеток в мозг.
2.3. Ревматоидный артрит
2.3.1. Установление РА и микробиоты
Ревматоидный артрит (РА) - системное аутоиммунное заболевание с хроническим синовиальным воспалением, гиперплазией и инфильтрацией иммунных клеток в нескольких суставах, что в конечном итоге приводит к деградации и повреждению хряща, эрозии костей и полиартриту [136]. РА поражает почти 1% населения во всем мире [137], а сопутствующие заболевания, связанные с РА, часто приводят к высокой заболеваемости и сокращению продолжительности жизни [138]. Этиология РА многофакторна, включая генетические факторы и факторы окружающей среды, а также иммуноопосредованное синовиальное воспаление и продукцию цитокинов [139]. К факторам риска окружающей среды, которые, как известно, запускают развитие РА у генетически предрасположенных людей, относятся курение табака [140], диета и комменсальная микробиота слизистых оболочек [141, 142]. Все больше данных подчеркивают важность измененного микробиома кишечника в патогенезе РА [143,144,145].
2.3.2. Роль кишечной микробиоты в моделях артрита у мышей
Дисбиоз кишечной микробиоты связан с развитием артрита в нескольких различных моделях мышей. Например, van den Berg et al. выяснили, что спонтанное начало артрита было устранено у мышей с нокаутом антагониста рецептора IL-1 (IL1rn−/−), которые представляют собой модель артрита, модулируемого аутоиммунными Т-клетками, в условиях GF (без микробов) [116]. Тем не менее, развитие артрита индуцировалось при моноконтаминации мышей GF IL1rn−/− Lactobacillus bifidus [146]. Abdollahi-Roodsaz et al. продемонстрировали рост Th17-клеток в собственной пластинке (LP) и увеличение продукции IL-17 кишечными LP-лимфоцитами у мышей IL1rn−/−, склонных к аутоиммунному артриту, и эти эффекты были переданы мышам дикого типа с помощью трансплантация фекальной микробиоты. Кроме того, начало и тяжесть артрита могут быть ослаблены у мышей IL1rn−/−, содержащихся в условиях GF или леченных селективными антибиотиками [145].
Примечательно, что наивные мыши SKG, которые являются мышами с точечной мутацией гена протеинкиназы 70 (Zap70), ассоциированной с дзета-цепью, подверженные артриту [144], не развивают артрит в условиях GF [147]. Тем не менее, тяжесть артрита голеностопного сустава была выше у мышей SKG при разведении в условиях SPF, чем у мышей, содержащихся в условиях GF после лечения курдланом, который является провоспалительным молекулярным триггером, связанным с патогенами. Takeda et al., показали, что дисбиоз путем прививки образцов фекалий от пациентов с РА мышам GF SKG может индуцировать развитие тяжелого артрита за счет активации аутореактивных Т-клеток и увеличения количества клеток Th17 в кишечнике мышей по сравнению с мышами SKG, которым прививали фекальную микробиоту из здоровых контрольных групп [143].
Кроме того, Kuhn et al. продемонстрировали, что истощение кишечной микробиоты может снизить тяжесть заболевания в мышиной модели артрита, вызванного коллагеном. Кроме того, наблюдалось снижение уровней воспалительных цитокинов, таких как IL-17A и IL-22, в кишечнике мыши и антител к коллагену II типа, что означает, что дисбиоз в микробиоте кишечника мыши может модулировать иммунные реакции слизистой оболочки и влиять на развитие артрита в мышиной модели артрита, индуцированного коллагеном [148]. Тем не менее, необходимы дальнейшие исследования, чтобы понять, какие виды микробиоты кишечника оказывают большее влияние на развитие экспериментального воспалительного артрита на мышиных моделях, а также на прямой патофизиологический механизм, лежащий в основе этих эффектов. Эти результаты показывают, что микробиота кишечника играет важную роль в развитии артрита, и даже одного конкретного вида комменсальных бактерий достаточно, чтобы вызвать артрит в различных моделях воспалительного артрита у мышей.
2.3.3. Роль кишечной микробиоты в РА человека
Предыдущие исследования продемонстрировали сильное влияние микробиомов кишечника и полости рта на патогенез РА [149]. Все больше данных показывает изменение состава микробиоты у пациентов с РА по сравнению со здоровыми людьми из контрольной группы или пациентами с другими заболеваниями. В системном обзоре и метаанализе более чем в трех статьях было обнаружено снижение уровня Faecalibacterium в кишечнике пациентов с ранним РА и РА по сравнению со здоровыми людьми из контрольной группы. Более того, о снижении уровня Streptococcus и Haemophilus и повышении уровня Prevotella в полости рта у пациентов с ранним РА и РА по сравнению со здоровыми людьми также сообщалось в более чем трех статьях, которые установили значительную разницу в обилии микробиома полости рта или кишечника между пациентами с РА и здоровыми контрольными группами [150]. Кроме того, у пациентов с РА было отмечено обогащение видов Prevotella, особенно Prevotella copri, в фекальной микробиоте [29,143,151] и снижение обилия видов Bacteroides в кишечнике [151,152].
Было обнаружено, что аномальная численность видов бактерий связана с изменением субпопуляций лимфоцитов и уровней цитокинов, что может способствовать патогенезу РА [153]. По сравнению со здоровым контролем, пациенты с РА имели большее количество Proteobacteria и меньшие уровни Firmicutes в микробиоте кишечника. У пациентов с РА с более низкими уровнями периферических субпопуляций T, B, CD4+ T и Treg-клеток наблюдалась повышенная численность Blautia, Clostridium XlVa и Ruminococcus в микробиоте кишечника. Относительное содержание Clostridium XlVb, Clostridium XVIII, Pelagibacterium и Oxalobacter коррелировало с уровнями цитокинов в сыворотке у пациентов с РА. Следовательно, эти результаты показывают, что разнообразие и относительная численность видов кишечной микробиоты пациентов с РА явно отличались от таковых у здоровых контролей, а различные виды кишечной микробиоты были тесно связаны с уровнями цитокинов в сыворотке у пациентов с РА [153].
Сообщалось, что увеличенное количество кишечных клеток Th17 и более тяжелый артрит у мышей SKG, получавших микробиоту от пациентов с РА и повышенные цитокины IL-17 в регионарных лимфатических узлах и толстой кишке после лечения с помощью связанного с артритом аутоантигена 60S рибосомного белка L23a были обнаружены в исследовании in vitro [143]. Abdollahi-Roodsaz et al. продемонстрировали, что моноконтаминация мышей GF с помощью L. bifidus может вызвать развитие артрита, и достигли показателей тяжести, сравнимых с таковыми у мышей без GF [146]. Кроме того, острая стимуляция TLRs, которые в основном содержатся во врожденном иммунном ответе на микробные патогены [50], агонистом TLR2, Pam3Cys, может усугубить тяжесть артрита у мышей IL1rn−/− [146]. Более того, перекрестное исследование, проведенное в Соединенном Королевстве и Швейцарии с использованием данных генотипирования и микробиоты из образцов крови и стула человека из предыдущих когортных исследований, продемонстрировало, что Prevotella spp. в кишечной микробиоте действительно положительно коррелируют с генотипом РА при отсутствии начала заболевания. Это открытие предполагает, что генотип хозяина связан с профилем микробиоты до развития болезни [154]. Однако подробные опосредованные микробиотой молекулярные механизмы, участвующие в патологическом обострении РА у людей, нуждаются в дальнейшем исследовании.
2.3.4. Изменение рациона питания и микробиома кишечника как потенциальная терапевтическая мишень для РА
Различные модели питания могут влиять на состав и функцию микробиома кишечника [155]. Во вложенном исследовании случай-контроль у лиц с риском развития РА были более низкие концентрации омега-3 жирных кислот в мембранах эритроцитов, что указывало на потенциальный положительный эффект омега-3 жирных кислот на аутоиммунитет, связанный с РА [156]. Кроме того, другой метаанализ, направленный на изучение связи между потреблением рыбы и последующим развитием РА, выявил защитный эффект потребления рыбы в неделю [157]. Известно, что SCFAs, вырабатываемые кишечной флорой из проглоченных растительных волокон, оказывают различные полезные эффекты, в том числе улучшают функцию кишечного барьера [158,159] и регулируют секрецию IgA [160]. Другое проспективное когортное исследование, проведенное Zaiss и соавт., показало снижение уровня зонулина в сыворотке крови, который является биологическим маркером барьерной функции кишечника [161], в конце наблюдения и увеличение количества циркулирующих Treg-клеток, благоприятные соотношения Th1/Th17, а также снижение уровней маркеров эрозии костей после 28 дней диетического вмешательства с использованием добавок клетчатки у пациентов с РА [162]. Однако детальные механические взаимодействия между конкретными компонентами рациона, особенно благотворное воздействие SCFAs, и возникающий в результате этого измененный микробиом кишечника требуют дальнейшего изучения. Кроме того, патологический аутоиммунный ответ, запускаемый у пациентов с РА, инициируется на участках слизистой оболочки, таких как слизистая оболочка кишечника, вместо того, чтобы инициироваться в синовиальной оболочке суставов [28], и связан с несколькими конкретными видами бактерий [29]. Таким образом, изменение микробиома кишечника посредством модификации диеты может быть терапевтической целью для пациентов с РА и нуждается в исследовании (рис. 4).
Рис. 4. Критическая роль функций, модулируемых кишечной микробиотой, в воспалении толстой кишки, ассоциированном с суставами. Опосредованные микробиотой короткоцепочечные жирные кислоты (SCFAs) модулируют риск развития RA и их потенциальное воздействие на клетки врожденного иммунитета (дендритные клетки, макрофаги и нейтрофилы) или клетки адаптивного иммунитета (Th1, Th17, Treg и B-клетки). Результат нарушения регуляции микробиоты кишечника при хроническом воспалении в суставной ткани отражает баланс между про- и противовоспалительными медиаторами, а транслокация бактериальных компонентов регулирует воспалительную реакцию путем усиления дифференцировки клеток Th1 и Th17.
В этом обзоре описываются недавние исследования, которые продемонстрировали, что развитие аутоиммунных заболеваний фенотипически связано с особенностями, модулируемыми микробиотой кишечника на молекулярном и клеточном уровнях. Модулирующие взаимодействия между микробным сообществом кишечника и иммунной системой имеют решающее значение для прогрессирования аутоиммунного заболевания, и будущие цели, которые заключаются в выяснении модулирующих эффектов этих модификаций при аутоиммунном заболевании, могут быть сосредоточены на профилях микробных сигнатур кишечника для модуляции иммунологического гомеостаза при множественных воспалительных заболеваниях. В совокупности исследования микробного сообщества кишечника и связанных с ним иммунных нарушений выявили критические аспекты механизмов контроля и могут дать новое представление о модуляции иммунных систем, а также о разработке терапевтического лечения, нацеленного на микробиом кишечника и его метаболомный профиль, а не на использование широких иммуносупрессивных агентов. Более того, нацеливание на микробиом кишечника и его метаболомные ассоциации с фенотипом аутоиммунитета обеспечит логическую мотивацию для разработки новых терапевтических стратегий противодействия иммунной дисфункции, связанной с микроорганизмами, при этих аутоиммунных заболеваниях.
К разделу: Аутоиммунные заболевания и кишечный микробиом
Литература
Комментариев пока нет