Микробиота кишечника, дырявый кишечник и аутоиммунные заболевания

Хотя когда-то считалось, что это обусловлено преимущественно генетикой, факторы окружающей среды и взаимодействие между окружающей средой и генетикой теперь считаются основными факторами, способствующими развитию аутоиммунитета. Крайне важно лучше понять эти факторы, чтобы справиться с растущей частотой аутоиммунных заболеваний, разработать соответствующие методы лечения и, возможно, предложить изменения образа жизни. Ранее мы обсуждали способность дырявого кишечника действовать как экологический триггер аутоиммунитета при наличии генетической предрасположенности (1). Мы также обсудили способность кишечной микробиоты регулировать проницаемость кишечника, что приводит к нарушению или улучшению течения заболевания в зависимости от патогенности бактерий. Следовательно, микробиота была предложена в качестве контролируемого фактора для изменения течения заболевания. Здесь мы развиваем эти идеи, уделяя особое внимание последним достижениям в нашем понимании кишечной микробиоты и дырявого кишечника при трех аутоиммунных заболеваниях.

Системная красная волчанка (СКВ) - это аутоиммунное заболевание, которое включает выработку аутоантител, приводящих к опосредованному воспалением повреждению тканей многих органов (2). Хотя заболевание поражает как мужчин, так и женщин, оно, по-видимому, имеет сильный женский уклон. Характеристики заболевания включают воспаление почек, или волчаночный нефрит, и воспаление головного мозга, среди прочих. Дырявый кишечник также часто встречается у пациентов с СКВ (1). Недавние исследования продемонстрировали важность кишечной микробиоты в патогенезе заболевания, но для полного выяснения взаимодействий и механизмов необходимы дополнительные исследования.

Было показано, что состав кишечной микробиоты влияет на состояние заболевания. Например, роль регуляторных В-клеток (Breg) при СКВ, по-видимому, зависит от стадии заболевания, поскольку до начала заболевания В-клетки, по-видимому, защищают от индукции, но на более поздних стадиях заболевания В-клетки, по-видимому, усиливают течение (3). Последнее открытие является обоснованным из-за способности клеток презентовать аутоантигены Т-клеткам и вырабатывать аутоантитела (4, 5). Предболевая защита клеток Breg поддерживается лечением ванкомицином, что приводит к уменьшению количества клеток Breg и последующему обострению заболевания (3). Кроме того, микробы, по-видимому, участвуют в этой защите, поскольку пероральные добавки с бактериальной ДНК могут индуцировать клетки Breg и снижать аутоиммунитет (3).

Исследования с использованием зондов еще раз подчеркивают, что специфический состав кишечной микробиоты мышей, склонных к волчанке, способствует развитию заболевания. Хотя микробиота кишечника молодых мышей женского и мужского пола схожа, во взрослом возрасте возникают заметные различия (6). Эксперименты по переносу фекалий показывают, что женская микробиота способствует развитию заболевания, в то время как мужская замедляет его (6). Продолжаются дебаты о том, является ли это изменение состава кишечной микробиоты причиной или следствием СКВ и способствует ли оно началу заболевания или усугубляет активную стадию заболевания (3). В то время как вышеупомянутое исследование, связывающее бактериальную ДНК с подавлением заболевания, подчеркивает роль микробиоты в предотвращении возникновения заболевания, мыши C57BL/6 (B6), получавшие фекалии от молодых, склонных к волчанке мышей B6.Sle123, не вызывали волчаночноподобных симптомов (7). Это может свидетельствовать в пользу того, что кишечная микробиота действует как обостряющий фактор, а не инициатор заболевания. В данном случае было высказано предположение о потенциальном пути развития заболевания, заключающемся в генетической предрасположенности, ведущей как к аутоиммунитету, так и к измененной микробиоте, которая, в свою очередь, усугубляет заболевание. Аналогичным образом, генетический фон мышиной модели волчанки BXD2, по-видимому, был ответственен за инициацию заболевания, в то время как бактериальный комменсал влиял на его прогрессирование (8). Следует отметить, что сложная генетика этих мышей специально разработана для лучшего представления о СКВ человека. У мышей с мутацией ZAP70 кишечная микробиота не была существенной для начала заболевания, скорее дисбиоз кишечника был важен для полноценного начала заболевания (9).

Кроме того, продолжаются усилия по выявлению наиболее опасных видов. В некоторых исследованиях было показано, что Lactobacillus благотворно модулирует течение заболевания при одновременном лечении с Lactobacillus spp. на мышиной модели MRL/lpr, склонной к волчанке, улучшились симптомы и целостность кишечного барьера (10). Интересно, что польза от Lactobacillus наблюдалась только у самок мышей и при проведении лечения до начала заболевания. Следовательно, кишечная микробиота может осуществлять контроль заболеваний в зависимости от пола и времени.

Еще раз подчеркивая микробиоту кишечника, у мышей MRL / lpr, получавших смешанные антибиотики после начала заболевания, наблюдалось улучшение волчаночноподобных симптомов наряду с увеличением Lactobacillus spp., но снижением Lachnospiraceae (11). Таким образом, некоторые считают, что Lactobacillus spp. - это “хорошо”, а Lachnospiraceae - “плохо”. Аналогичным образом, лечение ванкомицином, которое устраняет грамположительные бактерии, но не лактобациллы, повторило эти результаты (11). Эти результаты подтверждают идею о том, что Lactobacillus spp. может быть важной частью защитной роли, которую кишечная микробиота может выполнять против СКВ. Однако нельзя исключать возможность того, что уменьшение количества вредных бактерий может быть причиной этих результатов.

Более того, по-видимому, дисбиоз кишечника может выступать как причиной, так и следствием аутоиммунитета. Было показано, что генетические мутации в передаче сигналов Т-клеточных рецепторов (TCR) инициируют аутоиммунитет, способствуя положительному отбору самореактивных Т-клеток и системных Т-фолликулярных хелперов (Tfh), а также выработке IgG (9, 12, 13). Одновременно эти мутации способствовали дисбактериозу кишечника за счет снижения положительного отбора микробно-реактивных Т-клеток, что приводило к снижению количества клеток Tfh в кишечнике и кишечного IgA (12). Затем эта измененная кишечная микробиота способствует развитию клеток Th17, которые способствуют развитию СКВ (12).

Сообщалось о перемещении целых бактерий, включая Enterococcus gallinarum и Lactobacillus reuteri, на моделях мышей и у пациентов с СКВ (14, 15). Бактериальные компоненты, такие как липополисахариды (LPS), также могут влиять на прогрессирование волчанки. LPS взаимодействует со своим рецептором, toll-подобным рецептором 4 (TLR4), активация которого, как было показано, усугубляет волчанку (1, 16–18). Дисфункция ингибирующего рецептора Fc гамма-рецептора IIb (FcyRIIb) наблюдается при СКВ и была отмечена как болезнетворный агент (19, 20). Действительно, у мышей с нокаутом FcγRIIB транслоцированный LPS и (1→3)-β-D-глюкан приводили к гораздо более тяжелой воспалительной реакции (19). Кроме того, кишечная непроходимость, по-видимому, зависит от TLR7, поскольку совместное содержание с мышами с волчанкой приводило к дырявому кишечнику только при экспрессии гена TLR7 (15).

Роль бактериальных метаболитов, таких как короткоцепочечные жирные кислоты (SCFA), образующиеся в результате ферментации резистентного крахмала в толстой кишке, в развитии аутоиммунитета является еще одной областью растущих исследований. Считается, что SCFA оказывают иммуномодулирующее действие после связывания с их рецепторами, связанными с G-белком, такими как GPR43 (21-25). Эти метаболиты также могут влиять на транскрипцию генов путем ингибирования гистондеацетилазы (HDAC) (22, 23). Некоторые исследования показали, что SCFA не играют существенной роли в защите от волчанки или облегчении ее течения (3), в то время как положительный эффект наблюдался на модели волчанки, зависимой от TLR7 (15). В данном случае пищевые добавки с устойчивым крахмалом продуцировали SCFA, улучшали течение волчанки и снижали уровень Lactobacillus reuteri (15). Необходимы дополнительные исследования, чтобы определить, могут ли SCFA быть диетическим методом борьбы с волчанкой. Интересно, что в то время как в этом исследовании был сделан вывод, что только Lactobacillus reuteri способствовала развитию волчанки у мышей, зависимых от TLR7, другие обнаружили, что удаление Lactobacillus spp. вредно, а прием добавок полезен для мышей MRL / lpr и NZB / W F1 (3, 26). Таким образом, возможно, что последствия Лактобациллы, в том числе среди видов и штаммов, различаются у разных моделей мышей и могут отличаться у разных подгрупп пациентов с СКВ.

Кишечные микробы также вносят свой вклад в метаболизм триптофана, который может продуцировать иммуномодулирующие молекулы, такие как лиганды рецепторов арильных углеводородов (27–29). У мышей B6.Sle123 наблюдалось изменение метаболизма триптофана, а диета с низким содержанием триптофана снижала тяжесть заболевания за счет предотвращения анти-dsDNA, улучшения патологии почек, смещения баланса с Tfh в сторону Т-фолликулярных регуляторных клеток (Tfr) и увеличения количества Treg-клеток (7). Однако считается, что Lactobacillus spp. участвует в восстановлении дырявого кишечника, но поскольку у мышей B6.Sle123 дырявый кишечник отсутствует, лечение пробиотиками может оказаться неэффективным. Действительно, диеты с высоким содержанием триптофана усугубляли симптомы волчанки и увеличивали количество Prevotellaceae, Paraprevotella и Lactobacillus (7). Таким образом, похоже, что триптофан, поступающий с пищей, и измененный метаболизм триптофана связаны с дисбактериозом кишечной микробиоты, который может модулировать волчанку. Кроме того, воздействие определенных микробов, опять же, по-видимому, в значительной степени зависит от типа модели мыши.

Эти исследования подчеркивают значительные различия в механизмах заболеваний, опосредованных микробиотой, от одной модели мыши к другой. Несоответствие между различными моделями на мышах может свидетельствовать о различном воздействии кишечной микробиоты на СКВ человека, где проявления заболевания варьируются от пациента к пациенту. Следует применять индивидуальный подход к лечению СКВ с упором на более глубокое понимание патогенеза каждого проявления заболевания.

Сахарный диабет 1 типа (СД1) - аутоиммунное заболевание, характеризующееся разрушением продуцирующих инсулин β-клеток в островках поджелудочной железы Лангерганса самореактивными Т-клетками (30, 31). Хотя генетические компоненты, несомненно, задействованы, растущая заболеваемость СД1 предполагает значительный вклад окружающей среды (21). Соответственно, многочисленные изменения в кишечнике были связаны с СД1, включая изменения в кишечной микробиоте, проницаемости кишечника и воспалении кишечника (32, 33). Кроме того, поджелудочная железа и кишечник, вероятно, лимфатически связаны, поскольку дуоденальный лимфатический узел является синонимом панкреатического лимфатического узла (PLN) (34). Поскольку эти лимфатические узлы снабжают питательными веществами как поджелудочную железу, так и двенадцатиперстную кишку, изменения гомеостаза кишечника могут напрямую влиять на поджелудочную железу и, возможно, способствовать активации островково-реактивных Т-клеток (35, 36). Следует отметить, что мышей с диабетом без ожирения (NOD) часто используют для моделирования СД1 человека, поскольку у них заболевание развивается аналогично аутоантителам и повышенному уровню циркулирующих Т-клеток до начала СД1 (37, 38).

Из двух основных кишечных барьеров, кишечного эпителиального барьера и слоя слизи, проницаемость кишечного эпителиального барьера, часто включающая сниженные или дисфункциональные белки плотных соединений, в первую очередь связана с СД1 (39). Однако у мышей NOD наблюдались изменения слоя слизи, включая истончение, ломкость, снижение выработки бокаловидных клеток и слизи, а также сдвиг в сторону экспрессии провоспалительного муцина (39). Таким образом, у этих мышей наблюдалась повышенная проницаемость кишечника; но, что интересно, никаких изменений в структурных белках не было. Проницаемость кишечника может действовать как триггер СД1, способствуя утечке бактериальных компонентов, активируя Т-клетки слизистой оболочки, которые впоследствии мигрируют в PLNS и островки. Однако для индукции островково-реактивных Т-клеток, по-видимому, требуется присутствие кишечных бактерий-комменсалов (39). Специфический состав комменсальных бактерий представляется критичным, поскольку передача микробиоты NOR от матери, используемой в качестве контроля для NOD-мышей, новорожденным NOD-мышам изменила их комменсальные бактерии и предотвратила СД1 (34). Кроме того, перекрестное стимулирование успешно восстановило слизистый барьер и нормализовало уровень бокаловидных клеток (34). Снижение секреторного IgA (sIgA) у мышей NOD может быть причиной изменения их бактериального состава, поскольку sIgA способствует формированию симменсальных бактерий (40). Таким образом, измененные бактерии-комменсалы и дисфункция кишечного барьера могут вместе действовать как триггеры СД1. Это подтверждается этими особенностями и дополнительными провоспалительными изменениями кишечника, проявляющимися в возрасте задолго до начала заболевания (34).

Treg-клетки в кишечнике, которые продуцируют IL-10, могут мигрировать и регулировать эффекторные Т-клетки, обеспечивая защиту от СД1 (41). Как видно после приема пробиотических добавок, кишечная микробиота также, по-видимому, способна индуцировать клетки, продуцирующие IL-10, в лимфоидной ткани, ассоциированной с кишечником, и предотвращать СД1 (41). Кроме того, доказано, что лечение пробиотиками Lactobacillus acidophilus, Lactobacillus casei, Lactobacillus reuteri, Bifidobacterium bifidium и Streptococcus thermophiles (называемое иммунной регуляцией и толерантностью 5, IRT5), по крайней мере, обеспечивает частичную защиту от СД1 (42). По-видимому, это происходит за счет усиления самонаведения Treg в кишечнике за счет экспрессии рецептора самонаведения CCR9, уменьшения количества клеток, продуцирующих IFN-γ, Т-хелперов (Th1) и снижения проницаемости кишечника (42).

Полиморфизмы основного локуса гистосовместимости (MHC) являются генетической особенностью как человеческого, так и мышиного СД1 (31, 43). Хотя у мышей NOD изначально отсутствует комплекс Ea белка MHC-II, генетические модификации, приводящие к его экспрессии, предотвращают СД1 (44–47). Микробиота может быть вовлечена в эту защиту, поскольку различия в микробиоте мышей, экспрессирующих Ea, и мышей NOD, экспрессирующих NOD, проявляются в раннем возрасте, примерно когда кишечник приобретает лимфатическую связь с поджелудочной железой, и в PLN наблюдаются аутоантигены (31). Материнская экспрессия комплекса Ea представляется важной, поскольку у их потомства наблюдалась сниженная частота СД1 и инсулитов (31). Примечательно, что это проявление кажется защитным только тогда, когда материнская микробиота не повреждена, поскольку у некоторых потомков развился инсулит после лечения материнскими антибиотиками (31). Кроме того, у мышей NOD, экспрессирующих без микробов Ea, развился инсулит такой же степени и тяжести, как у мышей NOD и мышей NOD без микробов (31). На трансляционном уровне это может свидетельствовать о том, что антибиотики для матерей и младенцев могут быть вредными, поскольку не позволяют кишечной микробиоте обеспечивать защиту от аутоиммунитета.

Дополнительным подтверждением участия бактериального состава кишечника в развитии СД1 является то, что мыши с дефицитом сигнальной молекулы MyD88 защищены от СД1 только при содержании в условиях, не содержащих микробов (21, 48). Нокаут MyD88 приводит к чрезмерной представленности Bacteroidetes, которые могут обеспечивать защиту от СД1 из-за выработки ими SCFA (22). Прямые пищевые добавки свидетельствуют о преимуществах высоких уровней ацетона и бутирата SCFAs (21). Хотя по отдельности эти диеты обеспечивали лишь частичную защиту от СД1, в сочетании они обеспечивали полную защиту и уменьшали дырявый кишечник у мышей NOD (21). Таким образом, либо поддержка бактерий, которые поставляют эти SCFA, либо прямое добавление SCFA потенциально может снизить риск развития СД1. Тем не менее, следует учитывать возможность того, что другие бактериальные метаболиты могут ухудшать течение СД1 или способствовать его развитию.

Рассеянный склероз (РС) - воспалительное аутоиммунное заболевание центральной нервной системы (ЦНС). Т-клетки становятся реактивными против собственных антигенов миелина, создавая провоспалительную среду и способствуя демиелинизации и нейродегенерации (49, 50). Это, по-видимому, связано с дифференцировкой Т-клеток в клетки Th1 и Th17 и их последующей избыточной продукцией и высвобождением провоспалительных цитокинов IFNy и IL-17, поскольку они перемещаются по ЦНС (51, 52). Хотя генетика вносит свой вклад в развитие заболевания, важность окружающей среды и взаимодействия между генетическими факторами и окружающей средой не следует недооценивать (53–55).

Было отмечено, что кишечная микробиота участвует в патогенезе рассеянного склероза (55–57). Действительно, как у пациентов с рассеянным склерозом, так и у мышиных моделей, индуцированных экспериментальным аутоиммунным энцефаломиелитом (EAE), обычно используемым для изучения рассеянного склероза, наблюдается дисбиоз кишечника (58–62). Например, у мышей B6, индуцированных EAE, относительная численность определенных бактерий, по-видимому, повышена (таких как протеобактерии и деферрибактерии), в то время как у других снижена (таких как бактероидеты) (62). Однако лечение пробиотиками с Lactobacillus reuteri вернуло микробиоту к контрольной и уменьшило количество иммунных клеток ЦНС, инфильтрацию и количество воспалительных цитокинов (62). В целом, похоже, что взаимодействие между кишечными микробами может оказывать большее влияние на тяжесть EAE, чем отдельные виды микроорганизмов (55).

Интересно, что лечение как пробиотиком Clostridium butyricum, так и антибиотиком норфлоксацином, фторхинолоном, было успешным в улучшении EAE у мышей B6, несмотря на их противоречивую роль (63). Хотя обе группы лечения привели к ожидаемому изменению бактериальной нагрузки и отчетливой кластеризации микробиоты, они также обе привели к аналогичному соотношению высокого Bacteroidetes к низкому Firmicutes (63). Также наблюдалось, что эти микробиологические изменения изменяют дифференцировку Т-клеток от клеток Th17 к клеткам Treg, возможно, за счет снижения активности путей митоген-активируемой протеинкиназы p38 (MAPK) и N-концевой киназы c-Jun (JNK) (63).

Более того, хотя IL-17 часто ассоциируется с провоспалительной ролью, он, по-видимому, более непосредственно участвует в формировании кишечной микробиоты, которая, в свою очередь, влияет на состояние заболевания. Мыши с двойным нокаутом IL–17A и IL-17F демонстрировали кишечную микробиоту, значительно отличающуюся от мышей дикого типа B6, и были защищены от развития EAE (64). Повторное введение экспрессии IL-17A конкретно в эпителий кишечника с использованием экспрессии рекомбиназы Cre промотором Villin1 изменило микробиоту и повысило восприимчивость к EAE (64).

В целом, недавняя литература улучшает наше понимание того, как кишечная микробиота регулирует воспаление ЦНС и наоборот, раскрывая механизмы, поддерживающие эффективность новых стратегий лечения, таких как трансплантация фекальной микробиоты (65), которая в настоящее время тестируется для лечения рассеянного склероза в клинических испытаниях.

Несмотря на склонность связывать определенные бактерии с предопределенными последствиями заболевания, влияние генетического фона делает эту связь не такой однозначной. У мышей, генетически восприимчивых к EAE, Lactobacillus reuteri независимо усугубляли заболевание, но интересно, что этот штамм был в высокой численности по сравнению с устойчивым к заболеваниям инбредным штаммом дикого происхождения PWD/PhJ (PWD) (55). Соответственно, пересадка микробиоты от мышей с PWD усугубила заболевание у мышей, склонных к EAE (55). Также следует отметить, что Lactobacillus reuteri улучшили течение заболевания у мышей B6, индуцированных EAE (62). Эти результаты свидетельствуют о том, что виды микроорганизмов могут оказывать различное воздействие в зависимости от генетического фона хозяина, что будет иметь решающее значение при исследовании пробиотической терапии аутоиммунных заболеваний.

Кроме того, при рассеянном склерозе наблюдались особенно заметные гаплотипы лейкоцитарного антигена человека (HLA) класса II, что важно, поскольку молекулы HLA класса II участвуют в процессах отбора CD4 Т-клеток (66, 67). Следовательно, важно упомянуть, что у восприимчивых к заболеванию трансгенных мышей, экспрессирующих гены HLA-DR3 и DQ8 человека, наблюдается подавление заболевания или снижение его тяжести после лечения Prevotella histicola (68). Было показано, что это лечение восстанавливает не только кишечный барьер, но и гематоэнцефалический барьер в сочетании с уменьшением миграции воспалительных Т-клеток в ЦНС. Кроме того, это лечение индуцировало Treg-клетки и усиливало их супрессивную функцию, одновременно снижая регуляцию клеток Th1 и Th17 и их соответствующих цитокинов (68). Это еще раз подтверждает мнение о том, что бактериальная терапия может быть терапевтическим вариантом при аутоиммунных заболеваниях, при условии надлежащего рассмотрения генетических предпосылок.

У мышей B6, индуцированных EAE, наблюдалась повышенная проницаемость кишечника до начала клинического заболевания, наряду с пониженной экспрессией антимикробных пептидов и белков плотных соединений, которые имеют решающее значение для слоя слизи и эпителиального слоя кишечника, соответственно (69). Эти вредные признаки были снижены после лечения пробиотиками с использованием E. coli Nissle 1917, что подтверждает идею о том, что микробный состав может напрямую влиять на непроходимость кишечника и впоследствии способствовать развитию или подавлять заболевание.

В целом, кишечная микробиота, по-видимому, тесно вовлечена в аутоиммунный патогенез, вероятно, из-за ее способности изменять кишечный барьер. В современном мире осознание этого имеет решающее значение, поскольку микробный дисбиоз очень распространен через западную диету, использование антибиотиков и чрезмерную санитарию. Как показано на рисунке 1, этот дисбиоз кишечника может спровоцировать аутоиммунное заболевание двумя возможными путями. После развития дырявого кишечника бактериальные антигены могут стимулировать иммунные клетки кишечника, генерируя аутореактивные клетки, которые впоследствии системно мигрируют к периферическим органам-мишеням и инициируют атаку. Однако сами бактериальные антигены могут системно мигрировать и генерировать аутореактивные иммунные клетки в лимфатических соединениях периферических органов. Хотя связь окружающей среды с аутоиммунитетом вызывает беспокойство, эти результаты предлагают множество путей для изучения перспективных методов лечения. Важно признать, что может быть опрометчивым классифицировать бактерии исключительно как “хорошие” или “плохие” из-за важных взаимодействий между генетикой хозяина и предустановленной микробиотой и зависимости от них. Следовательно, как пробиотики, так и антибиотики могут быть потенциальными методами лечения. Необходимы гораздо более подробные исследования для выявления конкретных механизмов и взаимодействий между микробиотой и генетическим фоном, чтобы правильно разработать терапию, специфичную для организма-хозяина. Кроме того, диетические вмешательства, такие как диета с высоким содержанием клетчатки, способствующая развитию SCFA, могут быть многообещающими благодаря исследованиям, предполагающим их способность влиять на дифференцировку иммунных клеток. В целом, представленные здесь данные о вкладе кишечной микробиоты в развитие СКВ, СД1 и рассеянного склероза представляют собой большой шаг вперед в продвижении понимания роли окружающей среды в развитии аутоиммунитета. Хотя многое еще предстоит выяснить, текущие исследования прокладывают путь к новым клиническим вмешательствам для лучшего лечения или профилактики этих состояний, изменяющих жизнь.