Невроендокринологията в оста Микробиота – Черва – Мозък: поведенческа перспектива – част 3-та
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
6. ЧРЕВНА МИКРОБИОТА И СТРЕС
Първата научна публикация за „синдром на общата адаптация“ или днес познат като „биологичен стрес“ е публикувана в Nature през 1936 г. от 29-годишния Ханс Сели. Сели описва стреса като неспецифичен и предсказуем отговор на организма спрямо изискванията, поставени пред него (Szabo et al., 2017). Стресът е състояние, при което хомеостазата на организма е нарушена от заплаха, която може да бъде реална или въображаема (De Kloet et al., 1994; McEwen et al., 2015). Докато страхът е физиологичен отговор на реална заплаха, тревожността е свръх реакция на ситуация, която само субективно се възприема като заплашителна и се характеризира с непропорционални чувства на страх (Sylvers et al., 2011). Когато тревожността стане толкова непреодолима, че нормалното ежедневно функциониране е възпрепятствано, тя може да бъде диагностицирана като психиатрично разстройство. След като се възприеме стресов стимул и се наруши хомеостазата, организмът е в състояние да възстанови стабилността си чрез активиране на оста HPA и симпатико-адреномедуларна ос, което в крайна сметка индуцира отделянето на променящи поведението хормони като глюкокортикоиди, минералокортикоиди и катехоламини (Kudielka et al., 2004; Smith and Vale, 2006). Чревната микробиота медиира производството на имунни медиатори като TNF-α, IL-1β и IL-6, които от своя страна достигат до мозъка и стимулират HPA оста (Fig. 3). Освен това чревната микробиота е в състояние директно да повлияе на производството на глюкокортикоидни хормони (Mukherji et al., 2013). Mukherji и колегите му показаха, че взаимодействието между бактериални продукти и Toll-подобни рецептори (TLR), експресирани върху чревния епител, е от решаващо значение за поддържане на хомеостатичните нива на кортикостерон; всъщност мишки, лишени от микробиота, са поддържали прекомерно голяма синтеза на кортикостерон през целия ден (Mukherji et al., 2013). От поведенческа гледна точка, различни стрессори са в състояние да предизвикат у гостоприемника така наречената „ fight-or-flight “ реакция (Jansen et al., 1995).
Fig. 3. Имунната система е ключов медиатор в комуникацията между червата и оста HPA (хипоталамус-хипофиза-надбъбречна ос). Чревната микробиота регулира освобождаването на цитокини TNFα, IL-1β и IL- 6 в циркулацията, те достигат до главния мозък и стимулират освобождаването на CRF от хипоталамуса. В крайна сметка това води до активиране на кората на надбъбречните жлези и освобождаване на кортизол. Абревиатура: ACTH адрено-кортикотропен хормон, BC Б-клетки, CRF кортикотрофин-освобождаващ фактор, DC дендритни клетки, IL интерлевкин, LPS липополизахариди, TNF тумор-некрозис фактор α.
Активността на оста HPA се регулира от множество аферентни симпатикусови, парасимпатикусови и лимбични вериги (напр. амигдала, хипокамп и медиална префронтална кора), инервиращи пряко или косвено паравентрикуларното ядро (PVN) на хипоталамуса (Smith and Vale, 2006). В отговор на стрес симпатикусовата нервна система (SNS) увеличава отделянето на катехоламини в системната циркулация, CRF се освобождава от паравентрикуларни неврони на хипоталамуса, в резултат на което се стимулира активирането на оста HPA и в крайна сметка се освобождават глюкокортикоиди от надбъбречната кора. В крайна сметка глюкокортикоидите достигат до мозъка и медиират своите ефекти чрез високо афинитетни минералокортикоидни рецептори и ниско афинитетни глюкокортикоидните рецептори, като последните се активират при по-висока интензивност на стреса (Herman et al., 2016).
Доказано е, че различни видове психологически стресори, включително раздяла с майката, хронично социално проваляне, физическа сдържаност и пренаселеност, могат да променят състава на чревната микробиота (Bailey, 2014; Bailey et al., 2011; Bharwani et al., 2016; De Palma et al., 2015, 2014; Hsiao et al., 2013; Moloney et al., 2014). Докладът на Sudo and colleagues е от важно значение за изясняване на ролята на чревната миркобиота в реакциите спрямо стрес. В това проучване germ-free мишки показват променена функция на HPA ос, с повишени нива на ACTH и кортикостерон в сравнение с мишки без патоген (specific pathogen free-SPF) в отговор на стрес от прекалена сдържаност (Sudo et al., 2004). Germ-free мишки също имат намалени нива на експресия на мозъчния невротрофичен фактор (BDNF) в кората и хипокампуса в сравнение с SPF мишки. Нещо повече, реколонизацията на germ-free мишки с микробиота от SPF в ранните етапи от живота, но не и в по-късните, успява да възстанови функционалността на HPA ос. Това предполага, че има функционални прозорци, когато е необходимо излагане и контакт с присъща микробиота за нормалното развитие на HPA ос (Sudo et al., 2004). Няколко други проучвания потвърдиха, че germ-free животни имат високи нива на ACTH и кортикостероиди след стресови стимули (Clarke et al., 2013; Crumeyrolle-Arias et al., 2014; Neufeld et al., 2011; Sudo et al., 2004). При липса на стресов стимул germ-free мишки демонстрират анксиолитично-подобен фенотип. Всъщност те имат повишена двигателна активност и намалена тревожност в сравнение с SPF мишки с нормална чревна микробиота (Diaz Heijtz et al., 2011). Приблизително по същото време Neufeld and colleagues показват, че germ-free мишки имат понишено тревожно-подобно поведение в сравнение с SPF (specific-pathogen free) животни, като плазмените нива на кортикостероиди са по-високи при GF в сравнение с SPF мишките, което вероятно показва стресов отговор на GF мишки при експериментални условия (Neufeld et al., 2011). Трябва да се отбележи, че не само промените в чревната микробиота са свързани с промените в реакцията на стрес, но е показан и обратният сценарий (Foster et al., 2017). Всъщност тази концепция не е нова, преди 40 години Tannock and Savage публикуваха основен експеримент, демонстриращ влиянието на стресови условия върху интестиналната микробна популация на мишки (Tannock and Savage, 1974). Интереното е, че Guo and colleagues показаха, че излагането на мишки на психосоциален стрес индуцира увеличение на колонизацията с Helicobacter pylori в стомашната мукоза, което е придружено от увеличени серумни нива на кортикостерон. В същото проучване, мишките, които са подложени на лечение с антагонист на глюкокортикоидните рецептори (за да се противодейства на ефекта на ендогенния кортикостерон) показват намалена колонизация с H. pylori (Guo et al., 2009), потвърждавайки решаващата роля на глюкокортикоидите. Една парадигма за животните, която често се използва за изследване на ефекта от излагане на стрес в ранните етапи от живота при гризачи, е моделът на отделяне от майката, за който е доказано, че предизвиква дългосрочни промени в поведението, активността на оста HPA и промени в разнообразието на интестиналната микробиота (Lehmann et al., 2002; O’Mahony et al., 2011; Plotsky et al., 2005). Когато се сравняват разделени от майката (MS) с неотделени (NS) плъхове, се оказва, че животните с MS имат промени в популацията на фекалната микробиота (O’Mahony et al., 2009). Тези резултати са в съответствие с предишни такива на Bailey и Coe, които демонстрират, че отделянето от майката на кърмачета (rhesus monkeys) предизвиква нарушение на целостта на чревната им (Bailey and Coe, 1999). В допълнение, тези промени в микробиотата са свързани с проявата на стрес-подобно поведение, но не и с кортизоловата секреция. Съвсем скоро показахме, че MS плъхове проявяват тежък депресивно-подобен фенотип, оценен чрез теста за принудително плуване (forced swim test-FST), с намаленно съдържание на норадреналин в мозъка и увеличено периферно освобождаване на interleukin-6. Освен това, прилагането на пробиотик B. infantis доведе до нормализиране на поведенческите дефицити и възстановяване на базалните нива на норадреналин в мозъчния ствол, но няма разлики в концентрациите на кортикостерон между групите.
(Desbonnet et al., 2008, 2010). Интересно е, че е доказано, че прилагането върху майката на пробиотик (Bifidobacterium animalis subsp. lactis и Propionibacterium jensenii) активира стресови пътища в новороденото (с увеличение на неонаталните нива на кортикостерон) и това персистира в зряла възраст (с повишени нива на ACTH при възрастни); но също така защитава от имунна дисфункция и до известна степен срещу нарушаване на чревната микробиота, провокирано от MS и/или стрес от въздържаност при възрастни (Barouei et al., 2012).
В допълнение към неонаталния стрес, пренаталният стрес (PNS) също има мощни и трайни ефекти върху поведението (Beijers et al., 2010; Frye and Wawrzycki, 2003; Maccari et al., 2003; Morley-Fletcher et al., 2003). В нашата лаборатория наскоро доказахме, че хроничният PNS при плъхове води до хиперактивност на оста HPA и повлияно невроразвитие и функционалност на стомашно-чревния тракт (Golubeva et al., 2015). Интересно е, че PNS също предизвика продължителни промени в състава на чревната микробиота, със силна тенденция към намален брой бактерии от рода Lactobacillus. Поразително е, че относителното изобилие на специфични бактериални родове сигнификантно корелира с реактивността на оста HPA към стрес (Golubeva et al., 2015). В съответствие с предишните резултати, Bailey and colleagues показват, че умереното смущение (PNS, използващ акустична парадигма за стрес за 6 седмици) на женски маймуни по време на бременност е било достатъчно за промяна на чревната микробиота при новородените бебета (Bailey et al., 2004). Други изследвания показват, че излагането на стрес може да промени микробната общност на стомашно-чревния тракт (Bailey et al., 2011, 2010). Интересното е, че Bailey et al. са показали, че излагането на продължителен стресор не само променя състава на чревната микробиота, но и повишава чувствителността към ентералния патоген Citrobacter rodentium (Bailey et al., 2010). Промени в състава на чревната микробиота, придружени от повишено тревожно поведение и когнитивни дефицити са открити при поколения на възрастни животни, изложени на PNS (Gur et al., 2017). В популационно проучване се установява, че майчиният PNS е позитивно свързан със състава на чревната микробиота на новороденото (Zijlmans et al., 2015), което подкрепя идеята, че PNS може да влияе на микробния състав. И накрая, наскоро беше показано, че PNS влияе на микробиома на потомството по полово-специфичен начин (Jašarević et al., 2017).
За да се проучи по-добре връзката между чревната микробиота и стрес-подобно поведение, са приложени различни стратегии, вкл. използването на пробиотици, пребиотици и антибиотици. Пробиотиците се определят като живи микроорганизми, които, ако се прилагат в достатъчно количество, предоставят ползи за здравето на гостоприемника (Butel, 2014). Комбинацията от Lactobacillus helveticus и B. longum при плъхове и при хора показва анксиолитичен-подобен ефект при плъхове, а при хора пробиотичната кмобинация намалява нивата на кортизол в урината 24 часа след администрирането, което предполага нормализиране на отговора на оста HPA към стресорите (Messaoudi et al., 2011). Въз основа на това проучване, беше изследван централният ефект на същата пробиотична комбинация при мишки и беше установено, че двуседмичното лечение с нея стимулира HPA оста и отговора на ANS (автономна нервна система) спрямо хроничен стрес. Това се повлиява от намалените плазмените нива на кортикостерон, адреналин и норадреналин при стресирани мишки, (Ait-Belgnaoui et al., 2014). Като допълнително потвърждение на взаимодействието между чревната микробиота и отговора към стрес, хроничното приложение на L. rhamnosus успява да намали нивата на стрес-индуцирания кортикостерон и да подобри тревожно-подобно и депресивно-подобно поведение при мишки (Bravo et al., 2011). Интересно е, че както беше посочено по-горе, неврохимичните и поведенчески ефекти не са наблюдавани при ваготомирани животни, което предполага, че вагусовият нерв може да играе ключова роля в комуникационния път между L. rhamnosus и мозъка (Bravo et al., 2011). Инфекцията с C. rodentium при мишки води до стрес-индуцирано нарушение на паметта, което се смекчи от предварително приложение на комбинация от пробиотици (L. rhamnosus и L. helveticus) (Gareau et al., 2011). В същото проучване, активирането на оста HPA се оценява чрез измерване на нивата на серумния кортикостерон, като излагането на психологически стрес причинява значително повишаване на серумните нива на кортикостерон, което е подобрено от прилагането на пробиотици (Gareau et al., 2011).
Пребиотиците първоначално се определят като „несмилаеми хранителни съставки, които благоприятно въздействат на гостоприемника чрез избирателно стимулиране на растежа и/или активността на една или ограничен брой бактерии в дебелото черво, като по този начин подобряват здравето на гостоприемника“ (Gibson and Roberfroid, 1995) но тази концепция наскоро бе разширена (Bindels et al., 2015). Пребиотичната сиалилактоза (олигозахарид от кърмата) намалява стрес-индуцираното нарушение на интестиналната микробиота и тревожно-подобно поведение, като по този начин потвърждава хипотезата, че чревната микробиота може да играе решаваща роля в стрес-предизвикания отговор (Tarr et al., 2015). Този пребиотик обаче, не успя да нормализира повишението на кортикостерона, причинено от стресора. Работата на нашата лаборатория наскоро показа, че здравите мишки, лекувани с пребиотици фруктоолигозахарид (FOS) и галактоолигозахарид (GOS) в продължение на 3 седмици, показват намаление на причиненото от стрес освобождаването на кортикостерон и имат анксиолитични ефекти. В допълнение, пребиотичната комбинация успя да нормализира ефектите от хроничния психологически стрес върху микробиотата (Burokas et al., 2017). От транслационна гледна точка, приемът на GOS от здрави доброволци е свързан с понижени нива на кортизол в слюнката и променени отклонения във вниманието, в сравнение с плацебо (Schmidt et al., 2015). Тези резултати предполагат, че приемът на пребиотици може да модулира активността на HPA ос по подобен начин като пробиотиците. Изчерпването на чревната микробиота може също да промени стресовите реакции и поведение. Например, нарушенията на чревната микробиота, индуцирани от антибиотичен прием при бременни биха могли да повлияят поведението на поколението. Всъщност, поколението на лекувани с антибиотик майки показва тревожно-подобно поведение, което предполага връзка между двете събития. (Tochitani et al., 2016). За да бъдат потвърдени тези твърдения, тревожен или не-тревожен фенотип може да бъде индуциран чрез микробиотна трансплантация от животни с такъв фенотип (Bercik et al., 2011a) и нашата лаборатория демонстрира, че фекална трансплантация от депресивни на здрави плъхове може да предизвика тревожно-подобен фенотип (Kelly et al., 2016). В тези проучвания, базирани на микробиотно изчерпване и фекална трансплантация, невроендокринният компонент често липсва. Ще е необходимо по-задълбочено проучване, за да се изясни ролята, която неврохормоните играят в различните поведенчески резултати.
6.1.Психотропни лекарства и чревна микробиота
По отношение на стреса и свързаните със стреса разстройства е уместно да се спомене, че някои лекарства, действащи на главния мозък, притежават антимикробни ефекти. Хроничното лечение с атипичния антипсихотик оланзапин, например, е в състояние да предизвика промени в състава на чревната микробиота при плъхове (Davey et al., 2013). Тези микробиотни промени изглежда са отговорни за метаболитните нарушения, причинени от оланзапин; всъщност едновременното приложение на антибиотичен коктейл при третирани с оланзапин плъхове намалява метаболитната дисфункция, предизвикана само от оланзапин (по- специално: увеличаване на телесното тегло, утеринно мастно отлагане, макрофагеална инфилтрация в мастната тъкан и намалени плазмени нива на мастни киселини) (Davey et al., 2013). Антидепресантите също могат да променят чревната микробиота. Съобщава се, че трицикличните антидепресанти (TCAs) предотвратяват растежа на интестинални патогени E. coli, Yersinia enterocolitica (Csiszar and Molnar, 1992; Molnar, 1988) и паразита Giardia lamblia (Weinbach et al., 1992). TCAs също имат in vitro активност спрямо паразитите Plasmodium falciparum (Basco and Le Bras, 1990; Salama and Facer, 1990) и Leishmania spp. (Zilberstein and Dwyer, 1984). Друг клас антидепресанти, селективни инхибитори на обратното захващане на серотонин (SSRI), включително сертралин, флоксетин и пароксетин, са показали, че имат антимикробна активност, особено срещу грам-положителни бактерии като Staphylococcus и Enterococcus (Ayaz et al., 2015; Coban et al., 2009). Антимикробната активност на някои антидепресанти допълнително се потвърждава от синергичния ефект на някои SSRIs в комбинация с антибиотици; както и техните ефекти срещу някои антибиотик-резистентни бактерии (Bohnert et al., 2011; Munoz-Bellido et al., 1996, 2000).
Доколкото по-голямата част от резултатите до момента са от in vitro проучвания, те представляват само предварителна стъпка за по- цялостно изследване на това как лекарствата, повлияващи главния мозък, могат да повлияят на чревната микробиота и на невроендокринните пътища.