Сотрудничество между кишечником и мозгом - модуляция психики, мышц и иммунной системы

В последние годы наши микробные сожители в кишечнике сделали почти сенсационную карьеру благодаря интенсивным исследованиям. Еще несколько десятилетий назад они были малоизвестны и рассматривались в лучшем случае как помощники в пищеварении и поставщики нескольких витаминов. Сейчас ситуация основательно изменилась. Каждый год исследования микробиома открывают изумлённой публике находки, которые раньше вряд ли кто-то связывал с кишечной флорой, известной как микробиом. Не всё было исследовано до мельчайших подробностей. Многое мы знаем только из экспериментов на животных, результаты которых можно переносить на человека лишь с осторожностью. Тем не менее, у нас уже есть достаточно полное представление о том, что делает и может делать кишечная флора.

Кишечная флора разнообразна и уникальна, как отпечаток пальца

У каждого человека есть типично составленная кишечная флора, которая, как предполагается, уникальна, как отпечаток пальца. Это один из основных выводов проекта "Микробиом человека", который поставил перед собой цель проанализировать сложную экосистему под названием микробиом человека как можно большего количества людей. Особое внимание исследователи уделили кишечной флоре, так как это, пожалуй, самая важная часть микробиома. В основном здесь обитают бактерии, а также вирусы и грибки. На сегодняшний день идентифицировано около 1000 различных видов бактерий. Поскольку методы идентификации постоянно совершенствуются, следует ожидать, что количество вновь открытых бактериальных сожителей будет расти еще больше. Однако, несмотря на большую изменчивость, исследователи также выявили закономерности в составе микрофлоры кишечника, которые можно сгруппировать в три типа микрофлоры кишечника, известные как энтеротипы. В настоящее время ученые работают над тем, чтобы соотнести эти индивидуальные энтеротипы с определенными характеристиками человека.

Кишечник говорит с мозгом - Что делает ось кишечник-мозг

Термин "ось кишечник-мозг" описывает путь коммуникации между кишечником и мозгом, который долгое время оставался незамеченным и также не считался возможным. Это не что иное, как управление функциями мозга со стороны кишечника. Для многих это и сегодня трудно переварить, поскольку это придает термину "чувство кишечника" совершенно новое значение. Так что же стоит за осью "кишечник-мозг" и как мы должны представлять себе, что функции мозга контролируются кишечником? Конечно, разговор между кишечником и мозгом не следует представлять себе в буквальном смысле. Даже если природа этой коммуникации еще не выяснена во всех частях или прошла стадию экспериментальных наблюдений на животных, исследования сегодня полагают знать, что кишечник с его кишечной флорой может контактировать с мозгом для обмена информацией по крайней мере тремя способами. К ним относится, в частности, блуждающий нерв, который соединяет кишечник и мозг коммуникативным способом. Но гормоны и нейромедиаторы, такие как серотонин, допамин или мелатонин, также играют важную роль. Все они вырабатываются в кишечнике, чтобы действовать в нервных клетках мозга. Кроме того, в коммуникации участвуют продукты метаболизма кишечных бактерий. Например, масляная кислота может изменять свойства гематоэнцефалического барьера. Иммунные молекулы и цитокины, вырабатываемые кишечными бактериями, также могут влиять на физиологию нервных клеток.

Микробиом кишечника влияет на психику - Здесь могут быть психобиотики

Исследования состава и функции микрофлоры кишечника показывают, что характер её состава влияет на работу мозга и психическое равновесие. Если кишечная флора нарушена и в ней берут верх бактерии с пагубным влиянием, это коррелирует с нарушениями психического самочувствия вплоть до психических заболеваний, таких как депрессия, как смогла доказать группа исследователей из Бельгии. Исследователи изучили добрую 1000 образцов кала на предмет их микробного состава и соотнесли это с психическим здоровьем их владельцев. В процессе они выявили штаммы бактерий, которые чаще встречаются у людей с хорошим психическим здоровьем. И наоборот, отсутствие этих бактерий указывало на психические расстройства, включая депрессию. Это становится захватывающим, когда речь заходит об устранении психических расстройств с помощью целенаправленного введения таких бактерий. Пока нет достаточных данных об этом, которые позволили бы использовать коктейль из психоактивных бактерий терапевтически в качестве психобиотиков. Это было бы желательно в любом случае, поскольку психотропные препараты, доступные сегодня, имеют свои отрицательные стороны.

Кишечная флора контролирует рост мышц - кишечные бактерии действуют как анаболические стероиды

Целенаправленная тренировочная деятельность способствует росту мышц и может компенсировать патологическую или возрастную потерю мышц. Играет ли микробиом в кишечнике также решающую роль в этом процессе, пока не до конца понятно. Исследования на животных мышах показывают, что микробиом во всей своей полноте поддерживает тренировки животных по наращиванию мышц. Для этого у мышей сначала полностью уничтожали микробную флору антибиотиками. После этого животные тренировались на беговом колесе так же, как и их нелеченные сородичи. У животных с интактным микробиомом тренировочный эффект, измеряемый как сформированная мышечная масса, был значительно больше, чем у животных без микробиома. Отвечают ли за анаболический эффект конкретные штаммы бактерий или вырабатываемые ими анаболические вещества, будет выяснено в ходе дальнейших исследований.

Микробиом модулирует иммунитет - активируется неспецифическая иммунная защита

Как иммунная система может быстро реагировать на патогены и защищать человека от инфекций? Один из ответов дает микробиом. Грубо говоря, иммунная система состоит из двух отделов - врожденной, неспецифической иммунной системы и адаптивной, специфической иммунной системы. Микробиом взаимодействует со структурами врождённой иммунной системы, называемыми дендритными клетками, и приводит их в состояние постоянной готовности к реакции. Активированная таким образом, врожденная иммунная система быстро способна отреагировать на вторжение из дыхательных путей, кишечника или через кожу и, на втором этапе, предупредить специфическую иммунную систему. Если активация не происходит из-за нарушений в микробиоме, иммунная защита не может отразить нападающего так быстро, как показали эксперименты с беззародышевыми мышами. Это также задерживает оповещение специфической иммунной системы. Какие биомолекулы отвечают за связь между микробиомом и иммунной системой, сейчас исследуют иммунологи из Берлинского Шарите.

Устойчивость к колонизации - кишечные бактерии защищают от патогенов

Здоровая кишечная флора как часть микробиома человека состоит из большого количества микроорганизмов. Современные аналитические методы постоянно открывают новые, ранее неизвестные виды бактерий. В настоящее время исследования предполагают наличие не менее 1000 различных кишечных бактерий и в значительной степени неизвестного количества вирусов и грибков. Это микробное множество является важным компонентом колонизационной резистентности, которая подавляет появление других бактерий и защищает от патогенов. Таким образом, здоровая кишечная флора гарантирует, что никакие патогены не смогут размножиться в кишечнике и попасть в кровоток через слизистую оболочку кишечника.

Микробиом является биореактором - бактерии производят важные биомолекулы

Связь между кишечником и мозгом происходит как нервно через блуждающий нерв, так и гуморально через нейротрансмиттеры и нейрогормоны. Большинство гуморальных мессенджеров вырабатываются в кишечнике кишечными бактериями, но также и в мозге. Это обеспечивает взаимную коммуникацию. В гуморальной коммуникации участвуют серотонин, норадреналин и дофамин. Серотонин также известен как гормон счастья и вносит значительный вклад в психическое благополучие.
Менее известны короткоцепочечные жирные кислоты, которые также вырабатываются кишечными бактериями. К ним относятся масляная кислота (бутаноат) и валериановая кислота (пентаноат), которые, согласно исследованию университетов Вюрцбурга и Марбурга, делают иммунные клетки более агрессивными. Если бы можно было использовать этот эффект этих двух жирных кислот в целенаправленной терапии, то можно было бы сделать лечение рака более эффективным. На это и надеются исследователи.
Бактерии кишечной флоры также производят витамины. К ним относятся биотин, фолиевая кислота, витамины В2 и В12, а также витамин К. Известно, что значительная часть суточной потребности в витамине В12 вырабатывается кишечными бактериями.

Вывод: Тот, кто считает, что о кишечнике и его кишечной флоре известно всё и что ничего нового открыть нельзя, ошибается. Современные исследовательские программы очень интенсивно ищут возможности лечения некоторых заболеваний с помощью целенаправленного изменения кишечной флоры. Это доходит до полной замены патологически изменённой кишечной флоры на здоровую с желаемыми характеристиками.

Источник: Valles-Colomer, M., et al. The neuroactive potential of the human gut microbiota in quality of life and depression. Nat Microbiol 4, 623-632 (2019). https://doi.org/10.1038/s41564-018-0337-x
Taylor R. Valentino, et al. Dysbiosis of the gut microbiome impairs mouse skeletal muscle adaptation to exercise, The Journal of Physiology, First published: 26 September 2021,https://doi.org/10.1113/JP281788
Laura Schaupp et al. Microbiota-Induced Type I Interferons Instruct a Poised Basal State of Dendritic Cells, Cell Volume 181, ISSUE 5, P1080-1096.e19, May 28, 2020DOI:https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.04.022
Maik Luu, et al. Микробные короткоцепочечные жирные кислоты модулируют ответы CD8+ Т-клеток и улучшают адоптивную иммунотерапию рака. Nature Communications, https://doi.org/10.1038/s41467-021-24331-1