Первые предположения о существовании микроорганизмов упоминались еще в трудах Галена, Ибн Сины и других выдающихся мыслителей прошлого. Более развернутое представление о роли микроорганизмов, в том числе в работе кишечника, пришло в XVII—XIX вв. с трудами А. Левенгука, а впоследствии Л. Пастера, Р. Коха, И.И. Мечникова. Кишечник человека содержит триллионы бактерий, вирусов, архей и грибов (микробиота), которые играют важную роль в поддержании здорового состояния хозяина [1], а совокупный генофонд микробиоты с 2001 г. предложено называть микробиомом. В составе микробиома выделяют бактериом, микобиоту (микобиом) и виром. В последние два десятилетия существенно углубились представления о роли кишечной микробиоты в функционировании человеческого организма, что привело в том числе к широкомасштабным исследованиям изменений интестинальной микрофлоры при различных заболеваниях, включая рассеянный склероз (РС).
РС — хроническое демиелинизирующее заболевание, в основе которого лежит комплекс аутоиммунных и нейродегенеративных процессов, приводящих к образованию множественных очагов в центральной нервной системе (ЦНС) и аксонопатии, проявляющихся разнообразными нарушениями, вплоть до изменения когнитивных функций [2]. С каждым годом количество новых выявленных случаев растет: в настоящее время во всем мире зарегистрированы 2,8 млн человек с РС, который является наиболее распространенной неврологической причиной инвалидности у молодых [3]. По данным статистического сборника Минздрава России 2017 г., заболеваемость РС составляет 54,8 случая на 100 тыс. населения [4, 5]. Отсутствие этиологического лечения и неспособность препаратов, изменяющих течение РС (ПИТРС), предотвратить наступление инвалидности требуют разработки альтернативных подходов к лечению заболевания и/или способов коррекции симптомов РС [6].
Исследование микробиоты кишечника при РС представляет большой практический интерес, поскольку нарушение симбиоза микроорганизмов в кишечнике может не только способствовать дисфункции желудочно-кишечного тракта (ЖКТ), но и благодаря функционированию оси кишечник—мозг влиять на клиническое течение самого РС и эффективность проводимой терапии. В целом мониторирование и коррекция состава микробиоты могут представлять новую терапевтическую стратегию ведения пациентов с РС, имеющих нарушения ЖКТ и получающих пероральные ПИТРС [7].
Ось кишечник—мозг
Термином «ось кишечник—мозг» обозначают систему двунаправленных нейроэндокринных связей, объединяющих ЦНС, гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковую систему, симпатические и парасимпатические отделы вегетативной нервной системы, включая энтеральную нервную систему и блуждающий нерв, с одной стороны, и микробиоту кишечника — с другой. Энтеральную часть оси кишечник—мозг составляют 100 млн нервных клеток кишечника, что позволяет ей действовать как связующее звено между внешней средой и ЦНС. Общий вес кишечных микроорганизмов взрослого человека достигает 1,5—2 кг, что, учитывая их роль в физиологии организма, делает кишечную микробиоту одним из самых крупных «органов» [8, 9].
На регуляцию функций кишечника иммунная система также оказывает большое влияние, регулируя активность иммуннокомпетентных клеток кишечной стенки. Сигналы из ЦНС и центральных компонентов иммунной системы передаются с помощью молекулярных медиаторов, таких как провоспалительные цитокины, нейропептиды, холецистокинин и лептин, а также нейротрансмиттеров, таких как дофамин, серотонин, гамма-аминомасляная кислота, ацетилхолин, глутамат и биогенные амины [10].
Микробиота кишечника в свою очередь оказывает влияние на иммунную систему и ЦНС: в просвете кишки синтезируется ряд витаминов (группы B и K) и важных для организма веществ (серотонин из триптофана); метаболизируются чужеродные молекулы и инактивируются агенты, способные повредить клетки организма (гидроксильные радикалы); продуктами жизнедеятельности микроорганизмов активируются иммунные клетки стенок кишечника, а выделяемые при этом цитокины, нейромедиаторы и другие активные вещества служат мессенджерами для передачи информации в ЦНС.
Все больше внимания привлекает возможное влияние микробиоты кишечника на патогенез нейродегенеративных и демиелинизирующих заболеваний, таких как болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера, боковой амиотрофический склероз и РС [11, 12]. Предполагается, что кишечный дисбиоз приводит к изменению проницаемости слизистой кишечника и попаданию воспалительных и бактериальных продуктов в кровь, что способствует формированию провоспалительного статуса организма и выбросу эндо- и нейротоксинов, повреждающих гематоэнцефалический барьер и вызывающих нейровоспаление и дегенеративные процессы в ЦНС [12].
Таким образом, важным шагом к пониманию взаимосвязи между микробиотой кишечника и РС является изучение собственно микробиоты кишечника. Исследования в этой области за последние 20 лет были сосредоточены на изучении бактериальных и архейных сообществ кишечника пациентов разного возраста при различных вариантах течениях РС. Общая цель всех доступных работ состояла в поиске различий видового состава кишечной микробиоты пациентов с РС и здоровых, оцениваемых по разнообразию микроорганизмов и относительному количеству отдельных резидентных видов [13].
Бактериальный состав
На сегодняшний день известен ряд работ, посвященных особенностям микробиоты кишечника в различных группах пациентов с РС (табл. 1). Данные исследований противоречивы, но в целом установлено, что видовой состав кишечных микроорганизмов у пациентов с РС отличается от микробиоты здоровых людей. Основные различия связаны с увеличением доли Akkermansiaceae и Methanobacteriaceae и снижением выработки короткоцепочечных жирных кислот — что соответствует меньшей представленности Bacteroidetes и Clostridia кластеров XIVa и IV [14, 15].
Таблица 1. Результаты исследований кишечной микробиоты у больных РС разных возрастных групп, без уточнения типа течения
| Характеристика исследования | Отличия микробиоты пациентов с РС от кишечной микрофлоры группы контроля | ||
| обследуемые пациенты (возраст, число) | технология [ссылка] | титр выше, чем в группе контроля | титр ниже, чем в группе контроля |
| 42 года РС: 30 Контрольная группа: 17 | ПЦР [14] | Вид: Cl. Perfringens type B | Вид: C. Perfringens type A |
| 49±8,50 года РРС: 60 (нативные — 28, β-интерферон-18, глатирамера ацетат — 14) Контрольная группа: 43 | Секвенирование 16SрРНК [15] | Филум: Euryarchaeota, Verrucomicrobia Род: Methanobrevibacter, Akkermansia | Butyricimonas |
| 42 года РС: 168 (нативные — 75, диметил фумарат — 33, глатирамера ацетат — 60) | Секвенирование 16SрРНК [16] | Bacteroidetes | Lachnospiraceae, Veillonellaceae |
| До 18 лет РС: 18 Контрольная группа: 17 | Секвенирование 16SрРНК [17] | Семейство: Bifidobacterium, Desulfovibrio, Christensenellaceae Род: Akkermansia, Parabacteroides, Methanobrevibacter, Bacteroides | Семейство: Lachnospiraceae, Ruminococcaceae |
| 35,0±7,1 года РС: 22 Контрольная группа: 33 | Секвенирование 16SрРНК [18] | Blautia, Flavonifractor | Род: Faecalibacterium, Roseburia, Haemophilus, Bilophila, Dorea, Butyricicoccus, Gemella, Clostridium XIVb, Granulicatella |
| 46,1±11,8 года РРС: 18 Контрольная группа: 18 | Секвенирование 16SрРНК и ПЦР [19] | Филум: Firmicutes, Bacteroidetes Класс: Clostridia, Bacteroidia Семейство: Bacteroidaceae, Ruminococcaceae, Lachnospiraceae Род: Bacteroides, Akkermansia, Blautia, Faecalibacterium, species Akkermansia, Bacteroides vulgatus, Methanobrevibacter smithii, Bacteroides rodentium, Blautia coccoides, Prevotella copri | Фила: Actinobacteria Род: Streptococcus, Bifidobacterium |
Также особый интерес представляет изучение влияния ПИТРС на микробиоту кишечника. У пациентов, получающих ПИТРС, наблюдается повышенное содержание Prevotella и Sutterella и пониженное — Sarcina по сравнению с пациентами, не получающими этого лечения [15]. В поперечном исследовании I. Sand и соавт. доказали, что ПИТРС меняют микробиоту кишечника [16]. При исследовании различий между микробиотой кишечника больных РС, получавших лечение диметилфумаратом (n=33) или глатирамера ацетатом (n=60), и пациентов, не получавших лечения (n=75), установлено, что у больных после курса терапии регистрировали меньшую относительную численность семейств Lachnospiraceae и Veillonellaceae по сравнению с нативными случаями [16]. Авторы данного исследования также сообщают о необходимости проведения проспективных продольных исследований с большим объемом выборки для лучшего понимания сложной и, вероятно, динамической связи между РС, микробиомом кишечника, сопутствующими заболеваниями, приемом лекарственных препаратов, диетой и другими факторами образа жизни.
В табл. 1 приводятся результаты исследований пациентов разных возрастных категорий с РС без уточнения типа течения [14, 15, 17—19]; в табл. 2 — данные о кишечной микробиоте молодых лиц с ремиттирующим типом течения РС (РРС) [20—23]. Во всех случаях были взяты образцы кала, в основном была использована технология секвенирования 16S рибосомных РНК (pРНК), одно исследование было проведено только с ПЦР [14], одно — как с ПЦР, так и 16SpРНК [19], и одно — с использованием секвенирования нового поколения и газовой хроматографии [23].
Таблица 2. Данные о кишечной микробиоте молодых лиц с РРС
| Характеристика исследования | Отличия микробиоты пациентов с РРС от кишечной микрофлоры группы контроля | ||
| обследуемые пациенты (возраст, число) | технология [ссылка] | титр выше, чем в группе контроля | титр ниже, чем в группе контроля |
| 36,0±7,2 года РРС: 20 Контрольная группа: 40 | Секвенирование 16SрРНК [20] | Род: Bifidobacterium, Streptococcus | Род: Bacteroides, Faecalibacterium, Prevotella, Anaerostipes |
| 42,9±10,6 года РРС: 31 Контрольная группа: 36 | Секвенирование 16SрРНК [21] | Род: Pedobacter, Flavobacterium, Blautia, Dorea, Pseudomonas, Mycoplana | Род: Adlercreutzia, Collinsella, Parabacteroides, Lactobacillus, Coprobacillus, Haemophilus Семейство: Erysipelotrichaceae, Lachnospiraceae, Veillonellaceae |
| 44,0±13,0 года РРС: 71 Контрольная группа: 71 | Секвенирование 16SрРНК [22] | Род: Acinetobacter, Akkermansia | Род: Parabacteroides Вид: P. distasonis |
| 29±10,70 года РРС: 34 Контрольная группа: 34 | Секвенирование нового поколения и газовая хроматография [23] | Streptococcus | |
К настоящему времени сущность дисбиоза при РС не установлена так же, как не доказана причинно-следственная связь заболевания и изменений бактериальной заселенности кишечника. Предполагается, что микробиота кишечника в силу функционирования оси кишечник—мозг может играть определенную роль в развитии РС при определенном генетическом фоне пациента. Учитывая вышеизложенное, возможность терапевтического применения одного или нескольких видов бактерий для лечения РС выглядит сомнительной, и терапевтические вмешательства подобного типа пока практически нереализуемы [24].
Микобиом
Микобиом — это совокупный генофонд грибковой флоры кишечника, изменения которого ассоциированы с некоторыми аутоиммунными и неврологическими заболеваниями, такими как воспалительные заболевания кишечника [25], а также синдром Ретта [26] и расстройства аутистического спектра [27]. Хотя грибы составляют приблизительно 0,1% микроорганизмов ЖКТ [28], их влияние на здоровье человека является существенным благодаря способности регулировать местный и системный иммунный ответ хозяина [29, 30]. В то время как дисбиоз кишечных бактерий широко изучается при РС, роль микобиома кишечника в патогенезе РС является недостаточно изученной и игнорируемой [31]. Специфическое значение микобиома кишечника в функционировании оси кишечник—мозг остается загадочным, но становится все более очевидно, что грибы могут оказывать влияние на состояние этой оси [32].
Помимо взаимодействия с местной бактериальной флорой и, следовательно, косвенного воздействия на ось кишечник—мозг, кишечный микобиом, по-видимому, разделяет с микробиомом многочисленные коммуникационные процессы, что позволяет предположить некоторые нисходящие и восходящие пути для микобиома оси кишечник—мозг в контексте здоровья и болезни. Предположения о механизмах коммуникации между микобиомом кишечника и осью кишечник—мозг подтверждаются исследованиями, в которых впервые было описано изменение состава микобиома кишечника у пациентов с расстройствами аутистического спектра с тенденцией к увеличению количества Candida [27]. Учитывая высокую частоту желудочно-кишечных нарушений в этой популяции, а также описанное при расстройствах аутистического спектра нарушение проницаемости гематоэнцефалического барьера и иммунного ответа ЦНС [33], связанное с системным воспалением, чрезмерное присутствие Candida закономерно может играть заметную роль. Этот грибок может стимулировать иммунный ответ хозяина через взаимодействие с иными специфическими видами, такими как Lactobacillus, и увеличить выработку IL-22 и цитокина [34]. Синдром Ретта — еще одно прогрессирующее неврологическое генетическое расстройство, часто связанное с нарушениями работы ЖКТ и запорами. У страдающих синдромом Ретта пациентов также было описано увеличение численности видов Candida [26]. Как при синдроме Ретта, так и при расстройствах аутистического спектра наблюдалась предрасположенность к грибковым инфекциям, которые в свою очередь могут способствовать системным реакциям [35]. Более того, недавнее исследование показало, что пероральное введение Candida kefyr защищает мышей от развития экспериментального аутоиммунного энцефаломиелита — животной модели РС [36].
Впервые состав кишечного микобиома у пациентов с РРС охарактеризовали S. Shah и соавт. [31] с помощью секвенирования ампликона ITS1, выявив у них дисбиоз грибков кишечника по сравнению со здоровыми людьми. Авторы работы обнаружили, что Saccharomyces и Aspergillus были относительно более многочисленными у пациентов с РРС, первично-прогрессирующим РС (ППРС), вторично-прогрессирующим РС (ВПРС) и клинически изолированным (КИС) синдромом по сравнению со здоровыми людьми [31]. Полученные данные дополнены в 2022 г. M. Yadav и соавт. [37] с помощью секвенирования ампликона ITS2, при этом обнаружена связь между микобиомом кишечника и микробиомом и изучены возможные различия в функциональных профилях грибов. В последнем исследовании выявлено повышенное содержание Candida, одного из основных родов грибов кишечника человека, в отличие от представленных S. Shah и соавт. данных об очень низком (<1%) уровне Candida. Также отмечено увеличение представленности рода Epicoccum у пациентов с РРС, в то время как представленность Saccharomyces была относительно ниже (табл. 3).
Таблица 3. Результаты исследования кишечного микобиома у больных РРС
| Характеристика исследования | Отличия микобиома пациентов с РС от группы контроля | ||
| обследуемые пациенты (возраст, число) | технология [ссылка] | титр выше, чем в группе контроля | титр ниже, чем в группе контроля |
| Не указан РРС: 21 ППРС — 2 ВПРС — 1 КИС — 1 | Секвенирование ампликонов ITS1 [31] | Saccharomyces, Aspergillus | Candida, Malassezia |
| 43,0±7,7 года РРС: 22 Контрольная группа: 34 | Секвенирование ампликонов ITS1 [37] | Candida Epicoccum | Saccharomyces |
Таким образом, приведенные исследования подтверждают нарушение грибкового компонента микробиома при РС. Обнаруженный феномен открывает направление исследований, которые смогут охарактеризовать роль грибов в патобиологии РС с помощью дробного метагеномного секвенирования при большем объеме выборки.
Виром
В кишечнике человека, помимо бактериома и микобиома, присутствует огромное количество разнообразных вирусов, общий генофонд которых объединен под названием «кишечный виром». Преобладающими представителями кишечных вирусов человека являются бактериофаги ДНК-природы с соотношением фагов к бактериям в кишечнике примерно 1:1 [38]. Сообщается, что виромы кишечника человека отличаются высоким индивидуальным разнообразием, стабильностью и специфичностью [38]. Хотя очевидно, что виром кишечника должен оказывать значительное влияние на физиологию хозяина, многие предыдущие метагеномные исследования игнорировали вирусный компонент микробиома кишечника из-за технических трудностей, вследствие чего на популяционном уровне конфигурация и вариации вирома исследованы недостаточно [39]. Поскольку вирусам для роста требуется хозяин, а культивировать удается лишь ограниченную часть кишечных бактерий, большая часть кишечного вирома не может быть оценена с помощью обычных лабораторных подходов. Невзирая на возможности современных высокопроизводительных технологий секвенирования для анализа некультивируемых микроорганизмов, их применение в анализе вирома не так просто. Ввиду отсутствия у вирусов универсальных таксономических маркеров, таких как 16SрРНК у бактерий, в исследованиях вирома кишечника использовалось секвенирование вирусоподобных частиц, или шотган-секвенирование всего метагенома, которые требуют сложной обработки данных и вычислительных ресурсов [40].
Участие микробной среды кишечника в развитии системных аутоиммунных заболеваний, таких как воспалительные заболевания кишечника, системная красная волчанка, ревматоидный артрит и РС [41—43], считается существенным, однако лишь в нескольких исследованиях были выявлены несоответствия в составе вирома кишечника при перечисленных вариантах патологии [40, 44, 45]. Ограниченное количество изученных в настоящее время заболеваний не позволяет уточнить значение изменений вирома кишечника в происхождении вирус-ассоциированных заболеваний и роль бактериофагов как здоровых компонентов кишечного микробиома. На сегодня самым масштабным исследованием вирома является работа Y. Tomofuji и соавт. [40] с использованием шотган-секвенирования у 476 японцев, включая пациентов с ревматоидным артритом, системной красной волчанкой, РС и здоровых людей из контрольной группы (табл. 4). Сравнение вирусного изобилия по принципу «случай-контроль» показало, что количество crAss-подобных фагов, которые являются одним из основных компонентов вирома здорового кишечника, значительно уменьшилось в кишечнике пациентов с аутоиммунными заболеваниями, в частности с ревматоидным артритом и системной красной волчанкой. Кроме того, отмечено существенное снижение представленности Podoviridae в кишечнике пациентов с системной красной волчанкой. Чтобы понять, как эти вирусы влияют на бактериом, также были проведены количественный анализ ассоциации вирусов и бактерий и анализ взаимодействия вирусов и бактерий на основе кластеризованных регулярно перемежающихся коротких палиндромных повторов (CRISPR). В результате был выявлен симбиоз между Podoviridae и Faecalibacterium. Эти данные еще раз подтверждают, что виром кишечника может влиять на наш организм либо напрямую, либо через бактерий. Недостатком работы является малая выборка пациентов с РС по сравнению с ревматоидным артритом и системной красной волчанкой, что свидетельствует о необходимости масштабных исследований в этой области.
Таблица 4. Результаты изучения вирома у пациентов с РС, ревматоидным артритом и системной красной волчанкой в Японии
| Характеристика исследования | Отличия вирома пациентов с РС от группы контроля | ||
| обследуемые пациенты (возраст, число) | технология [ссылка] | титр выше, чем в группе контроля | титр ниже, чем в группе контроля |
| Контрольная группа: 296 РС: 29 | Шотган-секвенирование [40] — | Достоверных данных нет — | Достоверных данных нет |
| Ревматоидный артрит: 112 Системная красная волчанка: 48 | crAss-подобные фаги и Podoviridae | ||
Вирусы прямо или косвенно участвуют в патогенезе РС, выступая в качестве экологических триггеров. Однако до сих пор неизвестно, является ли какой-то один вирус причинным или же несколько вирусов могут выступать в качестве триггеров в развитии заболевания, а учитывая важную роль оси кишечник—мозг, тем более важным представляется изучение кишечного вирома [46].
Учитывая различия в метагеномном ландшафте среди разных популяций, следует изучить связь между виромом кишечника и различными заболеваниями в разных популяциях. Следовательно, необходим анализ всего вирома для выявления связи между бактериофагами и аутоиммунными заболеваниями.
Заключение
Ось кишечник—мозг играет важную роль в функционировании организма, обеспечивая двустороннюю связь между микробиомом кишечника и головным мозгом посредством влияния кишечных микроорганизмов на саму кишечную стенку, обмен веществ, иммунную систему и др. Сдвиг равновесия в этих тонко отрегулированных системах может провоцировать различные патофизиологические процессы, в том числе воспалительные демиелинизирующие заболевания. Изменения микробиома и нарушение функций кишечного барьера у пациентов с РС продемонстрированы неоднократно. Однако во многом накопленные данные до сих пор противоречивы в отношении изменения представленности в составе микрофлоры различных микроорганизмов и соотношения их численности.
Требуется проведение масштабных доказательных исследований, которые позволят уточнить характерные изменения кишечной микробиоты при РС [47—49]. Для полного представления о характере патофизиологического процесса требуется описание всей кишечной микробиологической палитры при различных вариантах течения РС, на разных его стадиях, а также сравнить микробный состав до лечения и после различных типов терапии. Такая информация не только позволит найти убедительные доказательства взаимосвязи между дисбиозом кишечника и РС, но и может дать ключ к дополнительным терапевтическим подходам посредством воздействия на определенные элементы кишечной микробиоты.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.