В последнее время отмечается выраженный интерес как со стороны фундаментальных исследований, так и в направлениях реальной клинической практики к изучению взаимоотношений макроорганизма человека и микробиома кишечника, который представлен бактериями, вирусами, археями и некоторыми паразитами. На данный момент сложилось представление о кишечном микробиоме как об «особом органе», который встроен в физиологические, биохимические и иммунные взаимоотношения, протекающие во внутренней и внешней средах организма. Интенсификация научного поиска отмечена в различных аспектах изучения оси мозг—кишечник—микробиом: начиная от влияния микробиома на физиологические функции и поведение организма в целом и заканчивая вкладом микробиома в развитие неврологических, метаболических и иммунных заболеваний [1]. В контексте этих исследований актуализировано внимание на вопросе тесной двунаправленной связи кишечного микробиома и циркадианных ритмов, в частности в отношении регуляции механизмов сна. Современные данные показывают, что нарушения в динамике циркадианных ритмов и расстройства сна могут приводить к изменению состава микробиома, что в определенной степени способствует возникновению или обострению хронических и возраст-ассоциированных заболеваний, включая ожирение, диабет и другие метаболические синдромы, онкологические и аутоиммунные процессы, нейродегенеративные и психические расстройства [2—7]. Одновременно и в равной степени ставится обратный вопрос о влиянии дисбаланса микрофлоры на циркадианные ритмы и эффективность взаимодействия по оси мозг—кишечник—микробиом [8, 9].

Цель обзора — систематизировать ключевые аспекты и современные научные данные о значении баланса микрофлоры для обеспечения оптимального взаимодействия по оси мозг—кишечник—микробиом в контексте с регулирующей ролью цикла сон—бодрствование и его нарушений.

Влияние экспрессии часовых генов на функцию оси мозг—кишечник—микробиом

Изучение фазовой структуры циркадианных ритмов поначалу сводилось к анализу физиологических ответов, клинического статуса и поведенческих реакций при переходе организма из состояния бодрствования в сон (и наоборот), а также суточных изменений колебаний концентрации некоторых биологически активных веществ в крови, например кортизола, инсулина и глюкозы. Полученные в ходе исследований данные позволили в итоге выявить, что цикличность этих процессов находится под контролем супрахиазмального ядра гипоталамуса (СХЯ), анатомически и физиологически связанного со зрительным трактом. Изменение активности нейронов СХЯ в ответ на действие световых факторов окружающей среды различной интенсивности приводит к активации выработки мелатонина эпифизом, что в свою очередь вызывает сон. Тонкие механизмы работы клеток СХЯ заключаются в наличии специальных регуляторных генов, образующих так называемые клеточно-автономные петли обратной связи по транскрипции/трансляции (TTFLs). В свою очередь связь между главными циркадианными часами (осциллятором) и периферическими тканями осуществляется с помощью многочисленных медиаторов, включая циркулирующие гормоны, цитокины, метаболиты и симпатическую активацию [10, 11].

Однако периферические ткани и клетки имеют свои автономные генераторы суточного ритма, одновременно как находящиеся под влиянием СХЯ, так и сами способные оказывать модулирующее влияние на главный осциллятор за счет реагирования на другие внешние и внутренние стимулы, которые могут лишь опосредованно быть связаны со сменой освещенности: прием пищи, температуру тела, поведенческие реакции (социальные контакты, физическая нагрузка) [5]. Периферическая регуляция циркадианных ритмов осуществляется через определенные транскрипционные факторы, которые регулируют экспрессию часовых генов. К ним относятся активаторы транскрипции CLOCK и BMAL-1, которые определяют экспрессию генов, кодирующих белки-репрессоры period (PER1-3). Эти белки образуются в цитоплазме нейронов СХЯ и затем соединяются с белками криптохрома (CRY1 и CRY2), которые также регулируются транскрипционными факторами CLOCK и BMAL-1[12]. Белки PER-1, PER-2 проникают в ядра нейронов в комплексе с белками CRY1 и CRY2, связываются с CLOCK и BMAL-1 и подавляют транскрипцию генов. Таким образом, по механизму отрицательной обратной связи происходит чередование активности данных белков, что способствует регуляции циркадианных ритмов организма. Известно, что уровни экспрессии часовых генов варьируют в зависимости от органа и физиологической системы. Поэтому следует подчеркнуть, что регуляция экспрессии данных генов в желудочно-кишечном тракте (ЖКТ) происходит при непосредственном участии кишечной микробиоты [13].

Механизмы взаимодействия кишечной микробиоты с активностью нейронов вызывают широкую научную дискуссию, поскольку обнаруженные в последнее время многочисленные корреляции между мозгом и микробиомом указывают на уникальную роль последнего в развитии и функционировании центральной нервной системы, патогенезе ее нарушений и в целом в регуляции гомеостаза организма [2, 14]. Складывается следующее понимание взаимоотношений по так называемой оси мозг—кишечник—микробиом: организм существует в циклическом суточном режиме, привязанном к смене естественной освещенности, при этом активная фаза (бодрствование) связана с приемом пищи, т.е. с активностью пищеварительной системы и, соответственно, с включением микробиома в процесс пищеварения. Фазовые сдвиги или нарушения цикличности приема пищи инициируют изменения состава микробиома и нарушения пищеварения, что в свою очередь может служить триггером для развития патологических системных состояний, во многом уже не напрямую связанных с функцией ЖКТ [15].

Дисбиоз кишечной микробиоты как фактор риска развития нарушений сна

Отмечается прямая и тесная корреляционная связь между эффективностью регуляции по оси мозг—кишечник—микробиом и балансом микрофлоры [8, 16]. Традиционно для оценки видового состава кишечного микробиома используют понятия «α-» и «β-разнообразие». Первый показатель отражает количество видов, представленных в каком-либо конкретном локусе у одного индивидуума, тогда как второй термин отражает видовой состав одного и того же локуса тела/организма у нескольких индивидуумов. Вместе с этим рассчитывается так называемый F/B-индекс, который представляет собой соотношение двух типов бактерий, Firmicutes и Bacteroidetes, наиболее широко представленных в микробиоме кишечника человека. Считается, что этот показатель отражает функциональное состояние гомеостаза кишечника, при этом изменение соотношения F/B-индекса расценивается как дисбиоз. В частности, повышение индекса обычно наблюдается при ожирении, понижение — при воспалительных заболеваниях кишечника [17].

Результаты последних исследований продемонстрировали, что продолжительность сна связана с α-разнообразием кишечной микробиоты. Установлено, что чем выше α-разнообразие, тем продолжительнее сон. При этом обнаружено, что не только более продолжительный сон, но и повышение его качества у здоровых лиц связано с преобладанием представителей типов Firmicutes и Proteobacteria и меньшей распространенностью бактерий типа Bacteroidetes [16, 18, 19]. В работе R. Smith и соавт. [20] было обнаружено, что общее разнообразие микробиоты и внутритиповое богатство определенного состава микробиома при анализе его состава положительно коррелировали с качеством сна и общим временем сна и отрицательно — с его фрагментацией у здоровых мужчин-добровольцев. Данные этих исследований согласуются с ранее полученными результатами зависимости субъективной оценки сна (с использованием Питтсбургского опросника индекса качества сна, PSQI) и анализа микробного разнообразия кишечника. Было установлено, что субъективно «отличное» качество сна у испытуемых положительно коррелировало с микробным разнообразием, а также со значением индекса F/B: большего относительного количества бактерий родов Blautia и Ruminococcus (тип Firmicutes) и меньшего количества рода Prevotella (тип Bacteroidetes) [21]. Однако имеются исследования и с неоднозначными данными, где соотношение F/B либо не меняется, либо увеличивается после частичной депривации сна, а также результаты которых не выявили четкой закономерности в преобладании того или иного типа микробного сообщества при нарушениях сна [22, 23].

На сегодняшний день известно, что численность и состав микробиома кишечника в нормальных условиях изменяются в течение суток, например в зависимости от времени приема пищи, секреции слизи и метаболитов, что может быть обусловлено изменением степени адгезии бактерий к слизистой оболочке кишечника [24]. C. Thaiss и соавт. [25] исследовали суточные колебания состава микробиома, определяющиеся ритмичностью потребления пищи в контексте измененной циркадианной динамики. Авторами установлено, что хроническое нарушение циркадианного ритма у мышей, а также смена часовых поясов у людей приводят к дисбиозу кишечника и последующим метаболическим изменениям, что повышает вероятность возникновения ожирения и развития толерантности к глюкозе [25].

Использование цифровых устройств и приложений можно с уверенностью отнести к современным повседневным факторам внешней среды, в определенной степени изменяющим течение физиологических процессов в организме. Z. Zhu и соавт. [26] изучили связь времени использования смартфонов с качеством сна, наличием инсомнии в исследуемой группе и составом кишечного микробиома. Авторами выявлена корреляция между степенью зависимости от мобильного устройства и кратковременными изменениями в микробиоте кишечника, проявляющаяся в изменении α-разнообразия, структуры сообществ и относительной численности основных таксонов. Также отдельного внимания заслуживает заключение, что при неменяющемся уровне зависимости от смартфона возрастающий (т.е. ухудшающийся) со временем индекс качества сна ассоциировал с уменьшением разнообразия в составе микробиоты [26]. В исследованиях у мышей, подвергнутых 16-недельной световой экспозиции, наблюдалось более высокое относительное содержание представителей типа Firmicutes и более низкое — Bacteroidetes [27]. При этом терапевтическое вмешательство с назначением животным, находившимся под постоянным световым воздействием, препарата мелатонина снижало нарушенное соотношение F/B [28]. Результаты таких исследований могут свидетельствовать о связи избыточного светового воздействия (в частности, искусственного освещения или использования смартфонов) с понижением индекса F/B и дисбиозом за счет влияния на синтез мелатонина, что в последующем может инициировать или усугубить имеющиеся нарушения сна [29].

Рассматривается, что дисбаланс микробиома кишечника может являться значительным фактором риска развития различных заболеваний, в частности неврологических и психических расстройств и нарушений циркадианной динамики, что акцентирует внимание на своевременной диагностике, профилактике и терапии дисбиоза в контексте его двунаправленных регуляторных взаимосвязей по оси мозг—кишечник—микробиом [15, 23]. Более того, накопленный массив информации о микробиоме кишечника позволяет рассматривать его как отдельный орган, который, с одной стороны, имеет собственные принципы саморегуляции, а с другой — функционально связан с другими системами и играет огромную роль в поддержании гомеостаза. Как и любой орган оптимально функционирующего организма, микробиом должен находиться под воздействием гуморальной и нервной регуляции, при этом должно присутствовать ответное воздействие органа на регулирующие системы. Однако вопрос о ключевых аспектах физиологических, биохимических и молекулярных механизмов взаимоотношений микробиома и макроорганизма пока остается открытым.

Пути взаимосвязи кишечной микробиоты и ЦНС в контексте регуляции циркадианных ритмов и механизмов сна

Хотя точные механизмы взаимодействия микроорганизмов кишечника и макроорганизма человека еще полностью не изучены, рассматривается, что двунаправленная связь между головным мозгом и кишечником может осуществляться посредством нервных связей (блуждающий нерв), иммунных сигнальных молекул (цитокины), гормональной/эндокринной оси регуляции (гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковая система) и метаболических путей (метаболиты микроорганизмов и компоненты бактериальной клеточной стенки) [19, 30]. Нервные пути связи для функционирования взаимоотношений по оси микробиота—кишечник—мозг включают, прежде всего, активность блуждающего нерва. В частности, n. vagus взаимодействует с энтеральной нервной системой для получения и передачи различных сигналов из ЖКТ — от иммунных клеток кишечника, бактериальных метаболитов, таких как короткоцепочечные жирные кислоты, и нейромедиаторов местного/кишечного происхождения (серотонин, ГАМК, дофамин, ацетилхолин), которые в общей совокупности влияют на мозговую активность (см. рисунок) [31].

Двусторонняя связь кишечной микробиоты и центральной нервной системы.

Физиологические и патологические продукты метаболизма и сигнальные молекулы могут передаваться в мозг через кишечный и гематоэнцефалический (ГЭБ) барьеры, обеспечивая отдельный гуморальный путь связи по оси микробиота—кишечник—мозг. Согласно результатам ряда исследований, бактерии способны изменять целостность и проницаемость кишечного барьера и ГЭБ [32, 33]. Дисфункция кишечного барьера может привести к попаданию в кровоток микроорганизмов, компонентов бактериальной клеточной стенки (пептидогликанов, липополисахаридов (ЛПС), липида A, мурамиловых пептидов) и вирусных продуктов (например, вирусной двухцепочечной РНК). Установлено, что ЛПС бактерий при их проникновении связываются с локализованным на клетках микроглии Toll-подобным рецептором-4 (TLR4), что приводит к индукции воспалительной реакции. TLR4 также экспрессируется афферентами блуждающего нерва, а следовательно, ЛПС бактерий способны инициировать воспалительный каскад и внутри нервных связей, относящихся к оси кишечник-мозг [14, 31].

Еще один путь взаимодействия микробиоты кишечника и мозга реализуется через бактериальные метаболиты [34, 35]. В процессе своей жизнедеятельности бактерии, населяющие толстую кишку, ферментируют пищевые волокна, образуя в анаэробных условиях короткоцепочечные жирные кислоты (КЦЖК) — ацетат, пропионат, бутират. Последние всасываются эпителиоцитами толстой кишки, а также поступают в гепатоциты, где вступают в цикл трикарбоновых кислот, способствуют образованию АТФ и участвуют в синтезе холестерина и жирных кислот. Количество ацетата, пропионата и бутирата в кишечнике претерпевает суточные изменения, при этом в начале дня наблюдается их наибольшая концентрация [36]. КЦЖК оказывают ряд эффектов, проявляющихся как на местном, так и на центральном уровне. Так, они участвуют в регуляции барьерной функции кишечного эпителия и способны увеличивать выработку слизи в ЖКТ за счет стимуляции секреции муцина, что ведет к улучшению межклеточных взаимодействий и защите от различных патогенных микроорганизмов и токсинов [37, 38]. Бутират способен регулировать экспрессию белков плотных контактов, что также ведет к увеличению барьерной функции кишечного эпителия, а ацетат при проникновении в ЦНС вовлекается в нейроглиальные межклеточные циклы глутамат-глутамин или ГАМК, преимущественно в гипоталамусе, тем самым модулируя активность нейронов [39, 40].

Выявлено, что КЦЖК в определенной степени регулируют созревание и функцию микроглии, предотвращают нейровоспалительные процессы, влияют на экспрессию часовых генов и тем самым модулируют циркадианные ритмы и механизмы цикла сон—бодрствование [9, 41]. Ацетат и бутират, продуцируемые кишечной микробиотой, влияют на экспрессию часовых генов PER2, ARNTL в цитоплазме гепатоцитов. В исследованиях отмечается корреляция КЦЖК с количественным соотношением некоторых бактерий, в частности с семейством Lachnospiraceae, которое характеризуется способностью синтезировать бутират при определенных диетических условиях. В частности, уменьшение количества этих бактерий происходило в экспериментах на животных, получавших высокожировую диету [42]. В работе É. Szentirmai и соавт. [43] было выявлено, что бутират оказывает сомногенные эффекты опосредованно через сенсорный механизм, локализованный в печени и/или в стенке воротной вены, а системное подкожное и внутрибрюшинное введение КЦЖК не обнаруживало такого влияния. Поэтому предполагается влияние бутирата на экспрессию в гепатоцитах часовых генов Bmal1 и Per2, регулирующих циркадианные процессы на молекулярном уровне [9, 43].

Циркадианные ритмы регулируются с участием многих нейротрансмиттеров и гуморальных агентов, включая ГАМК, серотонин, ацетилхолин, мелатонин, которые синтезируются в том числе клетками кишечника. ГАМК является тормозным нейромедиатором, который способствует снижению психического возбуждения, сокращению латентного периода и возникновению глубокого сна. Недостаточные концентрации ГАМК вызывают бессонницу, тревогу, стресс, нарушения памяти [44]. Помимо этого, дефицит ГАМК может привести к изменениям импульсы в составе микробиоты кишечника: понижается количество ГАМК-зависимых грамположительных бутиратпродуцирующих бактерий семейства Ruminococcaceae. Экспериментальные исследования показали, что бактерии кишечника Lactobacillus brevis и Lactobacillus plantarum способны продуцировать ГАМК за счет системы глутаматдекарбоксилазы, состоящей из соответствующего фермента и антипорта ГАМК/глутамат [45]. Соответственно, уменьшение количества данных видов микроорганизмов в кишечнике может способствовать инсомнии. Более того, экзогенная ГАМК при невозможности проникновения через ГЭБ может оказывать косвенное влияние через воздействие на микробиоту кишечника, вызывая синтез нейротрансмиттеров или регулируя нервные сигналы, направленные к вентролатеральному преоптическому ядру, ядру шва и другим структурам мозга, вовлеченным в регуляцию сна. Поскольку большое количество ГАМК-синтезирующих Lactobacillus spp. содержится в кисломолочных продуктах, это предполагает возможность их совместного применения со снотворными средствами для потенцирования действия последних [46].

Другим вероятным инструментом влияния кишечного микробиома на периферические циркадианные ритмы являются неконъюгированные желчные кислоты (НЖК). Вторичные НЖК (литохолевая и дезоксихолевая) образуются из первичных желчных кислот под действием анаэробной кишечной микрофлоры в дистальном отделе тонкой кишки и в толстой кишке [47]. Участие НЖК в регуляции циркадианных ритмов было продемонстрировано на клетках линии Caco-2 (клетки аденокарциномы ободочной кишки человека), которые при культивировании в виде монослоя дифференцируются в клетки, структурно и функционально сходные с энтероцитами тонкого кишечника человека. Было показано, что в культуре клеток кишечника Caco-2, обработанной НЖК, с синхронизированным циркадианным ритмом, повышаются уровни экспрессии генов CLOCK, ARNTL, PER, CRY, RORA, NRID1, участвующих в регуляции биологических ритмов [48, 49]. Экспрессия бактериальных ферментов гидролаз солей желчных кислот, принимающих участие в образовании НЖК, в мышиных моделях обусловливала транскрипцию генов DBP, PER1 и PER2, расположенных в клетках печени и тонкого кишечника и также связанных циркадианными ритмами [50].

Воспалительная реакция в ответ на инвазию патогенов в зависимости от ее величины, времени и характера течения может напрямую вызывать нарушения сна, изменения его продолжительности и интенсивности, а также оказывать опосредованные через микробиоту модулирующие эффекты на функцию мелатонина [51, 52]. Микроорганизмы стимулируют иммунную систему посредством рецепторов распознавания паттернов, ассоциированных с патогенами (RPR), что приводит к местной и системной активизации многих провоспалительных цитокинов и простагландинов, которые участвуют в гуморальной регуляции цикла сон—бодрствование. Сон-регулирующие субстанции (в частности, интерлейкин (IL)-1β, фактор некроза опухоли α (TNF-α), инфламмасома NLRP3) в свою очередь модулируют активность гипоталамических и стволовых центров головного мозга, демонстрируя сомногенные эффекты [14, 53, 54].

Микробиота кишечника в определенной степени опосредует иммунологическую реактивность организма и его восприимчивость к инфекциям, что также может быть ассоциировано с усилением или подавлением потребности во сне, расстройствами сна, а также развитием системных атоиммунных и нейровоспалительных процессов [55]. Например, бактерии семейств Prevotellaceae, Enterobacteriacea модулируют воспаление кишечника путем активации Th17-лимфоцитов и B-клеток и стимуляции выработки провоспалительных цитокинов IL-6, TNF-α [56]. Увеличение количества провоспалительных агентов на фоне инфекции или стресса по реципрокному механизму способствует развитию сна и медленноволновой активности. С другой стороны, недостаток сна может привести к усилению воспалительного процесса и увеличению восприимчивости организма к инфекции [3, 57, 58].

Кишечный микробиом принимает непосредственное участие в метаболизме многих аминокислот, микроэлементов и витаминов, в том числе связанных с регуляцией цикла сон—бодрствование. К молекулам, задействованным в коммуникации кишечного микробиома и циркадианных часов, относят полиамины, аминокислоты, биотин, пиридоксин, витамин K, магний, кальций и др. [59]. В эксперименте Y. Ogawa и соавт. [60] было продемонстрировано, что в группе мышей с выраженным дисбактериозом наблюдались изменения сна, при этом серотонин и соединения витамина B₆ были полностью истощены или значительно снижены. По предположению авторов, именно недостаток серотонина и витамина B₆, важных для нормальной регуляции циркадианных ритмов, оказывал негативное влияние на структуру и электроэнцефалографический (ЭЭГ)-паттерн сна в животных моделях [60]. Кишечная микробиота может опосредовать воздействие на ЦНС через метаболизм триптофана по кинурениновому пути, изменяя фракцию, доступную в головном мозге для синтеза серотонина. Триптофан и кинуренин проникают через ГЭБ и участвуют в метаболизме различных нейромедиаторов, в частности в синтезе серотонина, индольным производным которого является мелатонин — основной эндогенный регулятор метаболических процессов инициации сна и физиологической регуляции циркадианных ритмов [61].

Таким образом, к настоящему времени появились прямые научные доказательства тесной и связи нарушения механизмов регуляции циркадианных ритмов и расстройств сна не только с развитием когнитивных и поведенческих нарушений, нейродегенеративных и воспалительных процессов, сердечно-сосудистых и метаболических заболеваний, дисфункциональной активностью мозга и глимфатического клиренса метаболитов, но также с балансом кишечной микробиоты и ее уникальным влиянием на многие физиологические и патологические процессы, включая иммунную реактивность макроорганизма, метаболизм ключевых биологических молекул или экспрессию регуляторных генов [14, 51, 62—65]. Циркадианные ритмы, нейрональная активность, динамика циклов сон—бодрствование и эффективность взаимодействия по оси мозг—кишечник—микробиом претерпевают возрастные изменения, при этом расстройства сна могут быть ранними признаками не только возраст-ассоциированных и неврологических заболеваний, но и многих сопутствующих патологических процессов, а правильный баланс кишечной микробиоты считается необходимым для нормальной регуляции большинства физиологических реакций и ответов организма на действия факторов внешней среды.

Заключение

Режим питания и естественный сон являются важными компонентами индивидуального образа жизни, определяющими общее состояние здоровья, а также риск развития хронических заболеваний. Нарушения сна часто могут быть вызваны особенностями образа жизни или профессиональной деятельности человека (посменная работа, вынужденная частая смена часовых поясов). Для понимания интегративных механизмов координации по оси мозг—кишечник—микробиом в совокупности с регулирующей ролью цикла сон—бодрствование и его нарушений необходимо учитывать весь спектр сложных взаимодействий, происходящих на организменном уровне. Качественное и/или количественное изменение сна, фрагментированный или несвоевременный сон могут привести к нарушению режима питания и обмена веществ с долгосрочными последствиями для здоровья. С другой стороны, снижение качества пищи или нарушение режима питания приводит к метаболическим нарушениям, которые в свою очередь влияют на качество сна. Не исключено, что одну из ключевых ролей в регуляции этого сложного баланса играет кишечный микробиом, который принимает участие в широком спектре физиологических функций организма. Многочисленные исследования доказали взаимосвязь между микробиотой кишечника и активностью нейронов и мозга в целом, в том числе в аспектах регуляции цикла сон—бодрствование. Однако сложность взаимодействия микробиоты с макроорганизмом хозяина, многие открытые вопросы относительно интегративных механизмов такой двунаправленной связи, а также некоторые противоречивые результаты исследований требуют их дальнейшей проработки и детального изучения.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.