Невроендокринологията в оста Микробиота-Черва-Мозък: поведенческа перспектива – част 2-ра
Sofia Cussottoa,b, Kiran V. Sandhua, Timothy G. Dinana,c, John F. Cryana,b,*
a APC Microbiome Ireland, University College Cork, Cork, Ireland
b Department of Anatomy and Neuroscience, University College Cork, Cork, Ireland
c Department of Psychiatry and Neurobehavioural Science, University College Cork, Cork, Ireland
3. ЧРЕВНА МИКРОБИОТА
Както бе посочено по-горе, в червата ни има поразително количество микроорганизми, които според оценките съдържат 150 пъти повече гени от нашия геном (Qin et al., 2010). Тази популация се състои главно от бактерии, принадлежащи към 500–1000 различни вида (Qin et al., 2010). Гъбички, археи и вируси също присъстват в червата, но се знае по-малко за техните основни функции. Чревната микробиота не остава стабилна през целия жизнен цикъл, всъщност микробиотата на новородени, придобита при раждането, се характеризира с ниско разнообразие и относително доминиране на фила Proteobacteria и Actinobacteria (Kurokawa et al., 2007). Микробният състав на червата на новороденото се влияе от редица фактори, включително употреба на антибиотици, хранене, начин на раждане, фактори на околната среда и майчина микробиота (Dominguez-Bello et al., 2010; Faa et al., 2013; Koenig et al., 2011; Marques et al., 2010). Интересно е, че микробиотата на хранените с адаптирани млека кърмачета е значително различна от микробиотата на кърмените (Bezirtzoglou et al., 2011; Lee et al., 2015; Wang et al., 2015). Освен това, вагинално родените бебета придобиват вагиналната микробиота на майката, докато бебетата, родени чрез цезарово сечение, се колонизират от други източници на околната среда (Dominguez-Bello et al., 2010). През първите месеци от живота броят на строгите анаероби, като Clostridium, Bacteroides и Bifidobacteria се увеличава постепенно и след 1-годишна възраст се установява сложна микробиота, подобна на тази на възрастните. Микробиотата за възрастни е по-стабилна във времето и по-сложна от микробиотита на новородените (Hamady and Knight, 2009).
4. ОС МИКРОБИОТА-ЧЕРВА-МОЗЪК (MICROBIOTA-GUT-BRAIN AXIS)
Оста микробиота-черва-мозък е двупосочен път, чрез който мозъкът регулира чревната активност и обратно. Тази ос функционира чрез поредица от различни пътища (Bercik et al., 2012; Dinan et al., 2015; Rhee et al., 2009) , вкл. аферентни и еферентни.
4.1. Аферентна сигнализация
Вагусният нерв, десетият черепномозъчен нерв, има еферентен и аферентен отдел и е основен модулиращ конститутивен комуникационен път между бактериите в червата и мозъка (Bercik et al., 2011b; Bravo et al., 2011). Имунната система осигурява допълнителен път на комуникация между микробите на червата и мозъка, всъщност микробиотата и пробиотиците имат пряк ефект върху имунната система (Duerkop et al., 2009; Forsythe and Bienenstock, 2010). Симбиотичните бактерии са от решаващо значение за съзряването на имунната система, всъщност те предоставят сигнали за развитието на ключови подвидове на лимфоцитите (Edelman and Kasper, 2008). Нещо повече, чревните бактерии допринасят за съзряване на чревния епител и могат да индуцират изменения в циркулиращите нива на про- и анти-възпалителни цитокини, които директно влияят на мозъчната функция, особено в области като хипоталамуса, където IL-1 и IL-6 осигуряват мощна освобождаване на CRF (Duerkop et al., 2009). Чревните бактерии допринасят за метаболизма на гостоприемника чрез производството на метаболити, като жлъчни киселини, холин и късоверижни мастни киселини (SCFAs, а именно оцетна, пропионова и маслена киселина), които са в състояние да повлияят на редица физиологични и метаболитни функции (De Vadder et al., 2014). Свободните SCFAs също могат да преминат кръвно- мозъчната бариера чрез монокарбоксилатни транспортери и да действат в различни мозъчни области(Tan et al., 2014). Въпреки, че остава да се установи дали микробиотата
може да произвежда невропептид-подобни съединения, тя е в състояние да генерира редица невротрансмитери и невромодулатори (Cryan and Dinan, 2012; Nicholson et al., 2012). Членовете на родовете Candida, Streptococcus, Escherichia и Enterococcus синтезират 5-hydroxytryptamine (5-HT); членовете на родовете Escherichia, Bacillus и Saccharomyces генерират допамин и/или норадреналин; членовете на вида Lactobacillus продуцират ацетилхолин; и членовете на родовете Lactobacillus и Bifidobacterium продуцират гама амино-маслена киселина (GABA) (Barrett et al., 2012; Cryan and Dinan, 2012; Lyte, 2014; Nicholson et al., 2012; Wall et al., 2014). Пример за връзката между чревния микробиом и неврофизиологичните системи на гостоприемника е проучване, което показва, че възбудимостта на чревните сензорни неврони, разположени в миентеричния плексус на ENS зависи от наличието на нормална коменсална микробиота за правилното си функциониране (Neufeld et al., 2011). Няколко проучвания предполагат, че друг механизъм, участващ в комуникацията между червата и мозъка, е метаболизмът на триптофан. Триптофанът е основна аминокиселина и е предшественик на много биологично активни агенти, като серотонин (Ruddick et al., 2006). По-голямата част от триптофана се метаболизира до кинуренин и нарушаването на този метаболитен път е свързано както със стомашно- чревни, така и с мозъчни заболявания (Fitzgerald et al., 2008). Първият етап, ограничаващ скоростта в метаболитната каскада на кинуренин, се катализира от някои ензими (по- специално индолеамин-2,3- диоксигеназа и триптофан 2,3-диоксигеназа), чиято активност може да бъде индуцирана съответно от възпалителни медиатори и от кортикостероиди. (Ruddick et al., 2006). Доказателствата сочат, че пробиотичния щам Bifidobacterium infantis може да промени концентрациите на кинуренин чрез модулация на чревната микробиота (Desbonnet et al., 2008). Друг клас молекули, получени от червата пептиди, могат да достигнат до системната циркулация и да свържат рецепторите върху имунните клетки и терминалите на n.vagus, като по този начин позволяват непряка комуникация между червата и мозъка (Lach et al., 2017).
4.2. Еферентна сигнализация
Оста HPA представлява основния еферентен път от мозъка към червата. Когато тя се активира, получената секреция на кортизол (при хора) или кортикостерон (при гризачи) повлиява активността на имунните клетки както локално в червата, така и системно (Del Rey, 2008). Невроналната еферентна активация включва също еферентния клон на n.vagus, който при активиране индуцира освобождаване на ацетилхолин, което от своя страна повлиява нивата на цитокини (Paton et al., 1971).
Смята се, че някои от основните комуникационни пътища на оста черва-мозък са отговорни за комуникацията между чревната микробиота и невроендокринните функции. Те ще бъдат разгледани подробно в следващата глава.
5. КАК ЧРЕВНАТА МИКРОБИОТА ВЛИЯЕ НА НЕВРОЕНДИКРИННАТА ФУНКЦИЯ?
Механизмите, чрез които микробиотата на червата може да повлияе на невроендокринната функция и съответно на поведението на гостоприемника, все още не са дешифрирани напълно. Увеличаващите се доказателства обаче показват, че чревната микробиота действа чрез директно производство на невроендокринни метаболити (хормоноподобни метаболити като SCFAs, невротрансмитери, СЧ хормони, прекурсори на невроактивни съединения като триптофан и кинуренин) и косвено като модулатор на възпалителните отговори , имунни отговори и хормонална секреция (Fig. 2).
В този раздел ще опишем различни механизми, по които чревната микробиота модулира невроендокринната функция.
5.1. Късо-верижни мастни киселини
Маслената, пропионовата и оцетната киселина са основните късоверижни мастни киселини (SCFAs), произведени чрез бактериална ферментация на протеини и въглехидрати в червата (Macfarlane and Macfarlane, 2012), а моларните им съотношения в дебелото черво са приблизително 20:20:60 (Cummings, 1981). SCFAs действат като директни медиатори между червата и мозъка, в действителност те циркулират далеч от мястото им на производство и се пренасят от монокарбоксилатни транспортери, които се експресират и върху кръвно-мозъчната бариера (Kekuda et al., 2013; Nisha Vijay, 2015).
Сред SCFAs пропионовата киселина е в състояние да активира FFAR3 (рецептор за свободна мастна киселина 3) и оказва полезно влияние върху контрола на телесното тегло и метаболизма на глюкозата (De Vadder et al.,2014). Нарастващи доказателства предполагат, че SCFAs могат да повлияят директно мозъчните функции и поведението. Интересното е, че и маслената, и пропионовата киселина влияят на синтеза на допамин и норадреналин чрез увеличаване на експресията на гена на тирозин хидроксилаза (DeCastro et al., 2005; Nankova et al., 2014; Stilling et al., 2016 Освен това е показано, че пропионовата киселина модулира серотонинергичната невротрансмисия (Nankova et al., 2014) и понижава нивата на GABA, серотонин и допамин in vivo (El-Ansary et al., 2012). Способността на SCFAs да влияят директно върху синтеза на невротрансмитери и да инхибира хистоновите деацетилази може да е отговорна за техните поведенчески ефекти (Donohoe et al., 2012; Matis et al., 2013). Всъщност един от най-разпознатите клетъчни механизми на действие на бутират е неговата способност да инхибира хистоновите деацетилази (Kruh, 1982). В действителност, когато се прилага системно, натриевият бутират индуцира преходно ацетилиране на хистон във фронталната кора и хипокампуса, което води до антидепресивно поведение (Schroeder et al., 2007). Интригуващо е, че SCFAs, получени в червата, също показват, че влияят на матурацията и функцията на микроглията, резидентните макрофаги на централната нервна система (CNS) (Erny et al., 2015; Huuskonen et al., 2004). Така germ-free мишки (родени и отгледани в стерилна среда) показват глобални дефицити в микроглията с променени клетъчни пропорции и незрял фенотип; докато при мишки с дефицит на SCFA- рецептора FFAR2 няма промени в плътността на клетките на микроглията, но тя е неправилно оформена и с промени в дължината на дендритите, броя на сегментите и обема на клетките (Erny et al., 2015). Интереното е, че продължителното приложение на SCFAs възстановява дефицитите при germ-free мишки (Erny et al., 2015). По подобен начин, диетичната модулация на SCFAs успява да намали дефицитите в кръвно-мозъчнара бариера при germ-free мишки (Braniste et al., 2014). Тъй като микроглията е от решаващо значение за оформянето на невронните вериги в развиващия се мозък (Bilimoria and Stevens, 2015), получените в червата SCFAs могат да имат практическо значение във веригите, регулиращи централно-мозъчните и хипоталамусни функции. Важно е, че SCFAs са също така директно замесени в освобождаването на хормони и невро-пептиди като глюкагон-подобен пептид 1 (GLP-1) и пептид YY (PYY) от интестиналните ентеро-ендокринни клетки (Rooks and Garrett, 2016).
Фиг. 2. Чревната микробиота влияе върху невроендокринната функция по няколко пътя, характеризиращи оста микробиота- черва- мозък. Те включват вагусния нерв, производство на SCFAs, имунна активация с производство на имунни медиатори, производство на невротрансмитери и триптофан. Чревната микробиота също е в състояние да преобразува първичните жлъчни киселини във вторични жлъчни киселини, които активират рецепторите на EECs и стимулират секрецията на чревни пептиди. Невроактивните съединения, произведени от микробиота на червата, влизат в кръвообращението и достигат до мозъка, впоследствие въздействащи невроендокринна функция. Абревиатура: 5-HT (5-hydroxytryptamine) serotonin, ACTH adrenocorticotropic hormone, CCK cholecystokinin, DC dendritic cell, EEC enteroendocrine cell, ENS enteric nervous system, FSH follicle-stimulating hormone, GABA ɣ- aminobutyric acid, GLP-1 glucagon-like peptide-1, HN hypothalamic-neurohypophyseal axis, HPA hypothalamus-pituitaryadrenal axis, HPG hypothalamus-pituitary-gonadal axis, HPT hypothalamus-pituitary-thyroid axis, IL interleukin, LH luteinizing hormone, LPS lipopolysaccharide, NTS nucleus tractus solitarii, OXT oxytocin, PYY peptide YY, SCFAs short chain fatty acids, TNF-α tumor necrosis factor alpha, T3 triiodothyronine, T4 thyroxine, TSH thyroid-stimulating hormone.
5.2 Метаболизъм на невротрансмитери и триптофан
Чревната микробиота продуцира различни невротрансмитери като допамин, норадреналин и ɣ- аминомаслена киселина (GABA) (Roshchina, 2016) които могат да проникнат в циркулацията и потенциално да достигнат до отдалечени места. Невротрансмитерите оказват влияние върху хипоталамусната функция и основните невроендокринни оси на гостоприемника, поради което медиираното от червата производство/регулиране на тези невротрансмитери може да играе решаваща роля в невроендокринната функция. Норадреналинът (NA) и допаминът (DA) са два основни невротрансмитери, които регулират много физиологични процеси в мозъка и тялото. Показано е, че нивата на двата невротрансмитера са намалени в цекума на germ-free мишки, в сравнение SPF-мишки (Asano et al., 2012), което предполага, че чревната микробиота е потенциален източник на катехоламини. Тези резултати предполагат, че може да има връзка между чревните бактерии и нивата на допамин при състояния като болест на Паркинсон, характеризираща се с недостатъчно производство на допамин в мозъка. Освен това е показано, че, Helicobacter pylori повлиява нивата на L-DOPA (Pierantozzi et al., 2006) и е докладвано клинично подобрение на един пациент с болест на Parkinson след фекална трансплантация по повод хронична констипация (Ananthaswamy, 2011). Въпреки това, малко вероятно е тези катехоламини, получени от микроби, да имат някакъв ефект на централно ниво, тъй като те не са в състояние да преминат кръвно- мозъчна бариера. Независимо от това, микробиотата също изглежда е в състояние да модулира централната катехоламинова невротрансмисия. Анализът на церебрални метаболити от GF мишки показва по-ниски нива на аминокиселината тирозин (субстрат, регулиращ синтеза на NA and DA) в сравнение с ex-germ-free животни. Това предизвиква по-високо ниво на DA в мозъка на GF мишки, което предполага, че чревната микробиота е в състояние да модулира централните нива на катехоламини (Matsumoto et al., 2013). Друго проучване на Nishino и колеги потвърди същото (Nishino et al., 2013).
Някои чревни бактерии също са в състояние да произвеждат ɣ-аминомаслена киселина (GABA), основният инхибиращ невротрансмитер в ЦНС, който също е свързан с патологични състояния като депресия и тревожност (Mohler, 2012). Доказано че, че човешки чревни щамове Lactobacillus и Bifidobacterium продуцират GABA, като L. brevis и B. dentium са най-ефективните производители на GABA сред тестваните щамове (Barrett et al., 2012). GABA транспортерите са локализирани върху кръвно- мозъчната бариера и позволяват на чревната GABA да достигне до ЦНС (Takanaga et al., 2001). Освен това, приложението на L. rhamnosus при мишки променя експресията на GABA рецепторите в различни мозъчни региони, което води до депресия-подобно и тревожно-подобно поведение (Bravo et al., 2011). Дали периферно извлечената GABA е в състояние да пресече BBB чрез дифузия или чрез активен транспорт, остава спорно. (Boonstra et al., 2015). Според Takanaga and colleagues (Takanaga et al., 2001), GABA транспортерите се експресират в кръвно- мозъчната баиера (BBB) и това може да е механизъм, чрез който микробната GABA достига до мозъка.
Интересно е, че някои чревни микроби са в състояние да метаболизират триптофан, предшественик на серотонин (5-НТ), важен невротрансмитер, участващ в адаптивни реакции на ЦНС. Първият директен ефект от микробиота върху 5-НТ е демонстриран при germ-free мишки, които имат по-ниски плазмени нива на този невротрансмитер от конвенционалните мишки (Clarke et al., 2013; Wikoff et al., 2009). Това може да се дължи на намаляване на експресията на триптофан хидроксилаза, ограничаващ нивата ензим в синтеза на 5-НТ (Yano et al., 2015). Интересно е, че увеличаването на нивата на триптофан при мишки без зародиши е свързано с повишени нива на серотонин и цикъла на серотонин в хипокампуса по полово- зависим начин. В
действителност, този ефект се наблюдава само при мишки без зародиши от мъжки пол, което предполага, че естрогенният цикъл може да повлияе на серотонинергичната система (Clarke et al., 2013). Ние показахме, че хроничното приложение на B. infantis при плъхове е в състояние да повиши нивата на триптофан в плазмата и да намали съотношението кинурин-триптофан, което предполага намалена активност на IDO при третирани с пробиотици плъхове (Desbonnet et al., 2008). Освен това е показано, че прилагането на Lactobacillus johnsonii при плъхове понижава нивата на циркулиращия кинуренин при едновременно повишаване на нивата на серотонин. (Valladares et al., 2013). Също така Streptococcus, Enterococcus и Escherichia могат да продуцират 5- HT (Roshchina, 2016). Интересни са данните от нашата лаборатория, които показват, че трансплантацията на фекална микробиота от депресирани пациенти в здрави плъхове причинява нарушение на метаболизма на триптофан, което е индикирано от повишеното съотношение на кинурин-триптофан в плазмата (Kelly et al., 2016). Освен това, трансплантираните плъхове показват значително повишаване на циркулаторните и централните нива на кинуренови метаболити, които са подобни на нивата, докладвани при аутизъм, шизофрения, депресия и невродегенеративни заболявания (McFarlane et al., 2008; Schwarcz et al., 2012).
В контекста на невротрансмитерите, получени от микробиотата и мозъчната функция, все още са необходими много изследвания, за да се конкретизира относителното влияние на промените в периферните нива на тези невротрансмитери пряко или косвено върху невроендокринната функция.
5.3. Ентероендокринна сигнализация
Ентероендокринните клетки (EECs) са широко разпространени в стомашно-чревния тракт и имат регулаторни ефекти върху двупосочната комуникация между червата и мозъка. Секреторните продукти на EECs се освобождават в отговор на различни стимули и под влияние на различни физиологични функции в гостоприемника като контрол на чревната секреция и мотилитет, регулиране на приема на храна и метаболизъм (Rehfeld, 2004). Секретираните от EECs хормони и пептиди действат върху рецептори, локализирани във вагусните аферентни пътища, чрез които стимулите достигат до главния мозък, по-точно nucleus tractus solitarii (NTS) (Raybould, 2010). Основните хормони, секретирани от EECs са холецистокинин (CCK), пептид YY (PYY) глюкагон-подобен пептид-1 (GLP-1). CCK и PYY се секретират главно в отговор на прием на мазнини и протеини, докато GLP-1 се излъчва след прием на въглехидрати и мазнини. (Cummings and Overduin, 2007). Интересно е, че има множество доказателства, които предполагат, че чревните микроби модулират секрецията на тези хормони пряко или косвено чрез производството на SCFAs. Germ-free мишки имат промени в броя на EECs и по-ниски нива на PYY, GLP-1 и CCK в сравнение с конвенционални мишки (Duca et al., 2012). Нещо повече, чревната инфузия на протеини от Е. coli успя да увеличи плазмените нива на PYY и GLP-1, повишавайки ситостта (Breton et al., 2016). Breton and colleagues също предполагат, че казеинолитичната протеаза В (ClpB), протеин, произведен от Е. coli, може да е отговорен за повишената секреция на пептиди за ситост от EECs. И накрая, късоверижните мастни киселини (SCFAs), чието производство е частично медиирано от чревни микроби, се свързват с техните рецептори (FFAR1 и FFAR3), експресирани в EECs и стимулират секрецията на пептиди / хормони (Bellono et al., 2017; Nohr et al., 2013; Swartz et al., 2012).
5.4. Имунна сигнализация
Приносът на чревната микробиота като стимулатор на имунната система се изследва широко. Предполага се, че липополизахаридите (LPS), съставна част от външната мембрана на Gram-отрицателни бактерии и активатори на Toll-like рецептор 4 (TLR4) преминава интестиналната епителна бариера в отговор на определени състояния като стрес (Maes et al., 2008) или диета с високо съдържание на мазнини (Cani et al., 2008; Moreira et al., 2012), което води до активиране на имунната система и на оста HPA. Интересното е, че излагането на новородени гризачи на тези фактори е в състояние да предизвика дълготрайни промени. Някои доказателства сочат, че неонаталната експозиция на LPS води до повишен ACTH и кортикостероиден отговор за ограничаване на стреса и намалена обратна инхибиция на глюкокортикостероиди в зряла възраст. (Shanks et al., 1995). Съответно, неонаталната експозиция на LPS намалява плътността на церебралния глюкокортикоиден рецептор, докато експресията на CRF се увеличава (Shanks et al., 1995). Освен това, неонаталната експозиция на to LPS предизвиква подобрена простагландин-медиирана реактивност на оста HPA към LPS в зряла възраст (Mouihate et al., 2010).
5.5. N.Vagus
Nervus vagus е обект на голямо внимание като канал на сигнали между червата и главния мозък (Goehler et al., 2000, 1999, 2005). Чревните микроби са в състояние да взаимодействат с ЦНС чрез вагусния нерв и контролират производството и/или освобождаването на невротрансмитери (Sivamaruthi et al., 2015). Неврохимичните и поведенчески ефекти от приложението на Lactobacillus rhamnosus липсват при ваготомирани мишки, идентифицирайки вагуса като основен модулиращ път между чревните бактерии и мозъка (Bravo et al., 2011). Интересно е, че друг пробиотик, L. reuteri, е показал, че подобрява заздравяването на рани при мишки чрез повишаване на централните нива на окситоцин през вагусния път (Poutahidis et al., 2013), засилвайки концепцията, че този нерв директно свързва червата с хипоталамо- неврохипофизата ос. Нещо повече, показано е, че преходното инактивиране на дорзалния вагусен комплекс намалява социалните дефицити, предизвикани от прилагането на LPS (Marvel et al., 2004). Вагусната аферентна сигнализация също така е замесена в модулирането на емоционалното поведение, тревожността и страха. Например, плъхове, претърпели субдиафрагмална деаференциация на вагуса показват намалено тревожно-подобно поведение и това се свързва със зависими от региона промени в нивата на норадреналин и ɣ-аминомаслена киселина (GABA) в ключови области на лимбичната система, но не и с функционални промени в оста HPA (Klarer et al., 2014). В допълнение, анксиолитичният ефект на Bifidobacterium longum се блокира чрез ваготомия (Bercik et al., 2011b). И все пак, когато пероралните антимикробни средства са били приложени на SPF мишки, последващите промени в състава на микробиота и подобно на тревожност поведение не са били медиирани от вагусни пътища (Bercik et al., 2011a). Най-важната функция, която играе вагусовият нерв в контекста на чревната микробиота и ендокринната функция, е ролята му на проводник на сигнали. Както бе споменато в секция 5.3, хормоните и пептидите, секретирани от EECs активират вагусните аферентни пътища (Bonaz et al., 2018; Maniscalco and Rinaman, 2018; Raybould, 2010) и все пак не е ясно как главният мозък може да дешифрира информацията, постъпваща от червата.