Изучение и понимание механизмов синергического взаимодействия между кишечными бактериями и человеком и общим функционированием организма значительно углубились и расширились в результате многочисленных исследований в этой области. В то время как первые исследования в основном изучали состав микробиоты и ее связь с проявлением заболевания, в последнее время произошел более заметный сдвиг в сторону изучения механизмов, с помощью которых изменение в составе кишечной микробиоты, или дисбиоз, может привести к проявлению разных заболеваний, таких как воспалительное заболевание кишечника [1, 2], метаболический синдром [3, 4], сахарный диабет [5] и др. Известно, что микробиота кишечника связана с работой ЦНС и эта связь осуществляется через сложную и многогранную систему взаимоотношений между кишечником и мозгом — ось «кишечник—микробиота—мозг» [6]. Эта ось включает различные пути, такие как вегетативная и кишечная нервная система, эндокринная система, гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковая ось (ГГН), иммунная система, а также микробиота и ее метаболиты [7]. Некоторые нейротрансмиттеры [8] и метаболиты, такие как незаменимые витамины, вторичные желчные кислоты, аминокислоты и короткоцепочечные жирные кислоты (КЦЖК) [9, 10], модулируют многие пути иммунной системы [11, 12]. Здоровая микробиота отождествляется с нормальной работой мозга [6]. Нарушение баланса в составе кишечной микробиоты, или дисбиоз, связывают с изменением этих путей, нарушением непроницаемости гематоэнцефалического барьера (ГЭБ) и развитием нейровоспаления, которое вызывает повреждение головного мозга [13] и, как следствие, снижение когнитивных функций [14]. Итогом этого могут быть нарушения нервной системы, развитие психических и нейродегенеративных заболеваний, таких как тревожные состояния, депрессия, расстройство аутистического спектра и др. [15]. Выяснение механизмов, приводящих к развитию дисбиоза, может помочь в разработке новых персонализированных методов лечения для улучшения клинических результатов. В обзоре дано краткое представление о микробиоте кишечника, описываются факторы, влияющие на состояние микробиоты, рассматривается также взаимодействие между микробиотой кишечника и мозгом, иммунитетом и воспалением при депрессии и тревоге.

Хозяин и микробиота. Влияние микроорганизмов на развитие и здоровье

В последние два десятилетия стало ясно, что организм человека колонизирован огромной популяцией генетически разнообразных микробов, в основном бактериями, большинство из которых обитает в кишечнике и составляет кишечную микробиоту [16]. Количество клеток в организме человека соответствует такому же количеству бактериальных клеток [17], их вес составляет 1—2 кг, что соответствует весу человеческого мозга [18]. Бактериальный микробиом кишечника в значительной степени определяется четырьмя доминирующими типами Firmicutes, Bacteroidetes, Actinobacteria и Proteobacteria, при этом типы Proteobacteria, Actinobacteria присутствуют в относительно небольшом количестве [16]. Млекопитающие никогда не существовали без микробов, совместно эволюционировали и были взаимосвязаны в процессе выживания, за исключением лабораторных ситуаций [19]. Разнообразие микробной колонизации постоянно увеличивается на протяжении всего раннего развития, достигая определенного состава в возрасте 2—3 лет, напоминая микробиом взрослого человека. При этом микрофлора каждого человека представляет индивидуальное и стабильное сообщество микроорганизмов, сосуществующее на протяжении долгого времени [20]. Эта композиция может модулироваться различными факторами и жизненными событиями, к которым относят вредное воздействие окружающей среды, вирусов и бактерий, стресса, а также прием антибиотиков, неполноценное и несбалансированное питание, заболевания разных органов и систем, которые могут изменить равновесие и привести к нарушению работы желудочно-кишечного тракта и нарушению обмена веществ. Действительно, есть сообщения об ассоциации увеличения индекса массы тела со снижением разнообразия кишечных бактерий [21]. Так, например, при ожирении наблюдается снижение доли представителей Bacteroidetes по сравнению с Firmicutes, а при потере веса это соотношение возвращается к норме [22]. Если эти нарушения продолжаются достаточно долго, то происходит сбой в работе всего организма, приводящий к развитию метаболических расстройств [23, 24].

Микробы обладают множеством функций, которые влияют на их способность расти и колонизироваться и одновременно оказывают побочные эффекты на хозяина, которые могут быть полезными или нет. Например, одной из полезных функций кишечных микроорганизмов является их влияние на аспекты фармакокинетики, поскольку они осуществляют метаболизм лекарств [25]. Другой важной функцией является продукция условно-патогенными и непатогенными микробами ряда витаминов и КЦЖК, включая ацетат, бутират, лактат и пропионат, расщепляющих неперевариваемые пищеварительной системой человека углеводы. КЦЖК, как полагают, играют ключевую роль в перекрестных взаимодействиях «микробиота—кишечник—мозг» [26] и могут оказывать противовоспалительное и иммуномодулирующее действие [27—29]. В частности, бутират служит предпочтительным метаболическим субстратом для эпителиальных клеток кишечника. Показано, что он оказывает мощное воздействие на различные функции слизистой оболочки толстой кишки, является основным источником энергии для клеток кишечника, а также оказывает противораковое и противовоспалительное действия, способствует усилению различных компонентов защитного барьера толстой кишки и уменьшению окислительного стресса, что важно для здоровья кишечника [28]. В исследованиях по изучению противовоспалительного эффекта бутирата было обнаружено, что он может подавлять активацию ядерного фактора каппа B (NF-κB), который контролирует экспрессию генов, кодирующих синтез провоспалительных цитокинов, хемокинов, молекул адгезии, факторов роста, иммунных рецепторов, а также воспалительных ферментов, таких как NO-синтаза и циклооксигеназа-2 и белки острой фазы [30]. Избыточная или неадекватная активация NF-κB наблюдается при воспалительных заболеваниях кишечника человека и множестве других воспалительных заболеваний и видов рака [31]. Функция NF-kB как фактора транскрипции может быть индуцирована широким спектром клеточных стимулов, таких как воспалительные цитокины, IL-1 или фактор некроза опухоли-α (ФНО-α), продуктами клеточной стенки бактерий, например липополисахаридом (ЛПС) [31]. Бактериальный метаболит ЛПС, или эндотоксин, образующий ключевой компонент клеточной стенки грамотрицательных бактерий, обладает провоспалительным эффектом. В нормальных условиях кишечный барьер, включающий эпителий кишечника и слои слизистой оболочки, сводит к минимуму перемещение ЛПС из кишечника в системный кровоток [32]. Нарушение этого барьера такими факторами, как ожирение, увеличение патогенных бактерий, может привести к нарушению регуляции проницаемости кишечника, его негерметичности и, как следствие, к перемещению ЛПС между соединениями кишечного барьера в системный кровоток. Эта негерметичность означает, что макрофаги, реагирующие на чужеродные антигены, могут мигрировать в область инфицирования и продуцировать воспалительные цитокины, что приводит к локальному воспалению [32]. В соответствии с этим в настоящее время все большее значение придается регулирующей роли метаболитов микробиоты в поддержании нормального гомеостаза организма посредством «тренировки» иммунной системы и ингибирования роста патогенов и условно-патогенных симбионтов микробиоты [33].

Микробиота и микроглия

Становится все более очевидным, что бактерии необходимы для нормального развития мозга, а также для его функционирования во взрослом возрасте [34]. Микроорганизмы могут влиять на процессы в ЦНС через блуждающий нерв [35], через модуляцию иммунной системы [36], ГГН [37], могут регулировать выработку нейротрансмиттеров и их предшественников: серотонина, гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК), триптофана (Faecalibacterium prausnitzii и Clostridium leptum) [38], а также нейротрофического фактора головного мозга (BDNF) (Bifidobacterium) [39]. Микробиота влияет на созревание и функцию клеток микроглии, которые являются аналогом периферических макрофагов и резидентными клетками мозга. Они составляют 10—15% всех клеток головного мозга и представляют основную активную иммунную защиту головного мозга от инфекций и травм, поддерживая нейроны в реконструировании связей и ремоделировании нейропластичности цепей. При повышении воспалительной активности, например при стрессе, клетки микроглии секретируют провоспалительные цитокины IL-1, IL-6, ФНО-α, а также хемокины и хемокиновые рецепторы, с помощью которых способствуют рекрутированию в мозг циркулирующих в крови провоспалительных моноцитов в места с локальным воспалением и повреждением тканей в чувствительных к стрессу областях мозга, особенно в гиппокампе, префронтальной коре и миндалевидном теле [40]. Следует отметить, что моноциты вместе с дендритными клетками и лимфоцитами могут проникать в здоровый мозг в небольшом количестве через сосудистое сплетение, лимфатическую систему мозга или околожелудочковые органы [41]. Повторяющегося стресса может быть достаточно, чтобы вызвать воспалительную реакцию — повышенную секрецию моноцитами и микроглией провоспалительных медиаторов, а также нарушение ГЭБ, в результате чего происходит усиленная инфильтрация моноцитов в головной мозг [41], что приводит к развитию нейровоспаления.

В экспериментальных условиях обнаружено, что у мышей, которые с рождения лишены микробиоты, выявляется в сером и белом веществе коры, мозолистом теле, гиппокампе, обонятельной луковице и мозжечке увеличенное количество глобально измененной микроглии, которая характеризуется аномальной морфологией, незрелым фенотипом и ослабленным иммунным ответом, включая нарушение индукции IL-1β, IL-6 и ФНО-α, по сравнению с микроглией обычно «колонизированных» контрольных особей [36]. В этих же исследованиях было показано, что ограниченная сложность микробиоты, полученная, например, у обычных мышей после лечения антибиотиками, также приводила к развитию дефектной микроглии, хотя общее количество клеток оставалось неизменным. Заселение сложной микробиотой частично восстанавливало признаки микроглии. Наряду с этим, авторы показали, что аномалии микроглии у таких мышей корректируются путем добавления им КЦЖК, первичных продуктов бактериальной ферментации [36]. На основании этого было высказано предположение о возможном восстановлении с помощью бактерий, продуцирующих КЦЖК, аномалий микроглии, наблюдаемых у таких мышей, а также у мышей, получавших антибиотики или подвергавшихся воздействию стресса. Это подтверждает представление о том, что ключевые процессы, связанные с нейропластичностью во взрослом мозге, такие как нейрогенез и активация клеток микроглии, регулируются микробиотой [36, 42].

Микробиота, стресс, иммунная система и нейровоспаление

Существуют представления, что микробиота участвует в развитии и функционировании нервной и иммунной систем и играет важную роль в поддержании здоровья и в развитии заболеваний. В многоклеточных организмах нервная и иммунная системы эволюционировали совместно с микробиотой, так что все компоненты находятся во взаимодействии, чтобы максимизировать способность организма адаптироваться к широкому спектру стрессов окружающей среды для поддержания или восстановления тканевого гомеостаза [43]. Известно, что в норме микробы обитают в стабильных сообществах, тогда как в условиях даже легкого, а тем более хронического социального стресса происходят значительные сдвиги в составе микробиоты (например, Faecalibacterium prausnitzii и Clostridium leptum), сопряженные с уменьшением содержания таких метаболитов микробиоты, как КЦЖК [27]. При этом результаты доклинических исследований свидетельствовали, что уже на ранних стадиях развития организма материнская микробиота может влиять на нейрогенез потомства и последующие поведенческие изменения [44]. Было показано, что нарушение нормального развития, связанного с воздействием антибиотиков, родов путем кесарева сечения, отсутствием грудного вскармливания, инфекций в сочетании с влиянием генетики хозяина на изменения микробного состава, может привести к формированию физиологии и поведения, характерных для стресса [45, 46]. Действительно, в результате нарушения непроницаемости кишечника бактериальный ЛПС может перемещаться между соединениями кишечного барьера между матерью и плодом и активировать TLR4 рецепторы, что приводит к пролиферации нейронов коры головного мозга плода и нарушению когнитивных функций во взрослом возрасте [47, 48]. TLR4 представляет собой мембранный белок, один из семейства toll-подобных рецепторов, экспрессируется на клетках врожденного иммунитета, а также на популяциях резидентных клеток ЦНС, включая клетки микроглии, распознает патоген-связанные молекулярные структуры бактериального ЛПС и передает соответствующую информацию клеткам иммунной системы, т.е. играет важную роль во врожденном иммунитете. TLR4 через активацию NF-kB [30] опосредует выработку макрофагами провоспалительных цитокинов TNF-α, IL-1, IL-6 и интерферона, которые способствуют нарушению непроницаемости ГЭБ и привлечению нейтрофилов и провоспалительных моноцитов в мозг, что приводит к локальному воспалению и активирует микроглию в мозге [40].

В экспериментальных исследованиях, изучавших влияние микробиоты кишечника, измененной в результате воздействия стресса и тревожного поведения, на нейроэндокринную ГГН ось стресса, выявлялась ее активация [49], что позволило высказать предположение о связи микробиоты и психо-физиологических постстрессовых изменений [50, 51]. Действительно, результаты многочисленных исследований, касающихся связи между кишечной микробиотой и реакцией на стресс, показали, что воздействие стресса на организм как в раннем, так и во взрослом возрасте может изменить состав его микробиоты [51—54]. При этом даже кратковременное воздействие стресса может повлиять на профиль микробиоты кишечника, изменив относительные пропорции основных типов микробиоты [55]. Подтверждением этого служат результаты исследований J. Kelly и соавт. [56], которые продемонстрировали, что трансплантация фекальной микробиоты от пациентов с депрессией крысам с истощенной микробиотой усиливала у них ангедонию и тревожное поведение. Исследования с участием мышей продемонстрировали, что микробиота необходима для повышения врожденного иммунитета. Действительно, воздействие на нормальных мышей социального стрессора усиливало бактерицидную активность макрофагов селезенки, но у мышей без микробов этот эффект не наблюдался [53]. Эти исследования предлагают парадигму, в которой воздействие стрессора изменяет гомеостатические взаимодействия между кишечной микробиотой и иммунной системой слизистых оболочек и приводит к перемещению патогенных и/или комменсальных микробов из просвета кишечника во внутренние части организма, где они вызывают системные воспалительные реакции и тревожноподобное поведение.

Микробиота и психические расстройства. Влияние на микробиоту пребиотиков и пробиотиков

Тревожные и депрессивные расстройства, по оценкам Всемирной организации здравоохранения, являются распространенными и тяжелыми психическими состояниями, которые в совокупности ежегодно поражают около 10% населения мира. Несмотря на то что использование психотерапевтических и психотропных методов лечения за последние несколько десятилетий увеличилось [57, 58], распространенность и бремя тревожных и депрессивных расстройств остаются неизменными [59]. Кроме того, существуют значительные различия в реакции на общепризнанные методы лечения, которые, по данным некоторых авторов, эффективны менее чем у ¹/₂ пациентов [60], что приводит к тому, что депрессия является одной из ведущих причин инвалидности во всем мире [61]. Соответственно, существует острая необходимость в новом понимании, лежащем в основе патофизиологии тревожных и депрессивных расстройств, для разработки более эффективных способов лечения. Высокая коморбидность между психическими расстройствами и воспалительными заболеваниями кишечника рассматривается в качестве доказательства возможных общих патофизиологических процессов, факторов риска и путей развития болезни [62]. У пациентов с тревогой или депрессией наблюдаются, наряду со снижением микробного разнообразия кишечника [56], повышение численности провоспалительных видов, например Enterobacteriaceae и Desulfovibrio [63], и снижение количества нескольких преобладающих типов кишечных бактерий, включая Bifidobacterium и Lactobacillus [64], которые могут быть связаны с патофизиологией тревоги и депрессии через связь периферического воспаления с мозгом (ось «микробиота—кишечник—мозг»). Ряд авторов сообщают, что изменения в популяциях кишечной микробиоты определенных бактерий могут способствовать депрессии, а депрессивные состояния могут вызывать модификацию определенных видов кишечной микробиоты и в итоге приводить к более тяжелой депрессии [65].

В связи с этим одной из важных областей исследований, которая может объяснить общую патофизиологию депрессии и воспалительного заболевания кишечника, является двусторонняя связь между кишечной микробиотой и ЦНС хозяина. Эта связь осуществляется через блуждающие и спинальные афферентные пути, активацию нейроэндокринной ГГН оси стресса [66, 67] и ассоциирована с тревожными и депрессивными расстройствами, которые обычно сопровождаются более высокими уровнями медиаторов воспаления и приводят к устойчивому провоспалительному состоянию [37]. Следует отметить, что микробиота кишечника может способствовать повышению уровня воспаления [33], при этом и провоспалительные состояния могут усугублять изменения микробиоты, оказывая пагубное воздействие на здоровье желудочно-кишечного тракта. Так, результаты исследований M. Maes и соавт. [68] показали, что распространенность и медианные значения сывороточных IgM и IgA против ЛПС бактериальной стенки ряда грамотрицательных условно-патогенных энтеробактерий, включая Hafnia Alvei, Pseudomonas Aeruginosa, Morganella Morganii, Pseudomonas Putida, Citrobacter Koseri и Klebsielle Pneumoniae, были значительно выше у пациентов с большим депрессивным расстройством (БДР), чем у здоровых. Это свидетельствовало о дисфункции у больных БДР слизистой оболочки кишечника, связанной с нарушением ее непроницаемости («дырявый кишечник») и повышенной транслокацией ряда грамотрицательных бактерий в кровоток. Следует отметить, что ответы IgM, направленные против ЛПС, были значительно выше у пациентов с хронической депрессией, чем у пациентов без нее [69].

Предполагается, что повышенная транслокация ЛПС может вызвать иммунный ответ и специфические симптомы «болезненного поведения». Это играет важную роль в воспалительной патофизиологии депрессии и может быть как первичным фактором в начале клинической депрессии, так и вторичным фактором, еще более усугубляющим воспаление, которое приводит к порочному кругу между ослаблением кишечного барьера и активацией воспалительных путей [69] и может выступать в качестве причинных факторов депрессии [70, 71]. Подтверждением этой гипотезы о сопряженности депрессии и иммунного воспаления служило то, что бактериальная транслокация в кровоток сопровождалась повышенной продукцией медиаторов воспаления, таких как IL-6 и IFN-γ [67]. В других исследованиях у больных с эндогенными психозами высказано предположение о возможном участии ЛПС в качестве одного из факторов, способствующих гиперактивации врожденного иммунитета, что лежит в основе индукции и прогрессирования аутоиммунных процессов [72]. По мнению авторов, это может являться важным звеном этиопатогенеза эндогенных психозов и вызывать утяжеление психопатологической симптоматики у пациентов с этим заболеванием.

Введение здоровым субъектам ЛПС вызывало глубокий преходящий физиологический ответ с дозозависимым повышением температуры тела, частоты сердечных сокращений и повышением уровня провоспалительных цитокинов. Эти изменения сопровождались дозозависимым снижением настроения и увеличением уровня тревожности [73]. Вместе с тем в экспериментальных условиях показано, что предварительная обработка мышей пробиотиком L. farciminis ослабляла способность острого иммобилизационного стресса повышать проницаемость кишечника и чувствительность ГГН оси [74], что также подтверждало возможность бактериальной транслокации из кишечника при БДР. Следовательно, роль кишечной микробиоты в регуляции настроения и эмоций через ось «кишечник—мозг» может иметь особое значение для этиологии тревоги и депрессии [75].

Подобные открытия имеют большое значение в нейробиологии и психиатрии для принятия представлений о том, что функции мозга на ранних и поздних стадиях его развития могут быть изменены путем воздействия на микробиоту [76, 77], которое позволяет обеспечить защиту мозга, смягчив негативные последствия от стресса в уязвимые периоды развития. Действительно, в ряде работ показано благотворное влияние пребиотиков и пробиотиков на здоровых людей. Так, смешанный пробиотик Lactobacillus и Bifidobacterium положительно влиял на настроение [78]. При пероральном употреблении монобиотика Bifidobacterium infantis был продемонстрирован противовоспалительный эффект, связанный с повышенной экспрессией IL-10 в периферической крови [79]. Эти результаты согласуются с данными исследования, проведенного с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии, которые продемонстрировали, что длительное введение пробиотической смеси различных видов бифидобактерий и лактобацилл приводит к снижению нейронной активности в широко распределенной сети мозга в ответ на задание по акцентированию внимания к отрицательным стимулам [80], что подтверждало положительное клиническое влияние пробиотиков на когнитивные функции. В модельных исследованиях было также продемонстрировано, что кормление безмикробных мышей комменсальными бактериями способствовало продукции Treg-клеток и синтезу противовоспалительного цитокина IL-10 [81]. Кроме того, продемонстрировано положительное влияние пробиотиков Bifidobacteria longum и Bifidobacteria breve на улучшение, по сравнению с контрольной группой, обучения и памяти у мышей, находившихся в состоянии тревоги и депрессии, вызванной висцеральной болью. Введение мышам пробиотиков Lactobacillus sp, Bifidobacteria sp, L. helvetucys, B. longum, L. rhamnosus и Lactobacillus farciminis способствовало снижению выраженности симптомов депрессии и тревоги [82]. В других исследованиях было обнаружено, что прием пребиотика B-GOS (galacto-oligosaccharide, галактоолигосахарид) тормозил секрецию кортизола и усиливал внимание к положительным стимулам [83], а также оказывал антидепрессивный и анксиолитический эффекты у взрослых мышей [84].

Заключение

В данном обзоре обобщены результаты исследований в области взаимодействия кишечной микробиоты и ЦНС, осуществляемого через двунаправленную многогранную систему связи, которая включает различные пути, такие как вегетативная и кишечная нервная система, эндокринная система, ГГН ось, иммунная система. Участие микробиоты в развитии нервной и иммунной систем, начиная с пренатальной стадии, предполагает, что микробный дисбиоз может быть инициатором регуляции воспаления через нейроиммунную сеть. Ключевая роль в этой регуляции может принадлежать NF-κB. Поддержание здорового микробиома кишечника, по-видимому, является необходимым для поддержания здоровья мозга, способствует усилению иммунной защиты и минимизации воспалительных заболеваний. Рассмотренные в обзоре данные об использовании пребиотиков и пробиотиков для улучшения здоровья кишечника, иммунных функций и состояния ЦНС у больных депрессией и тревожными расстройствами представляют большой интерес для разработки новых персонализированных методов лечения в комплексе с антидепрессантами с целью улучшения качества ремиссии и, соответственно, качества жизни больных.

Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.