Учёные выяснили, как кишечные бактерии «тренируют» кишечник бороться с воспалением

Новое исследование Northwestern Medicine, опубликованное в Nature Communications, показывает, что вещество, вырабатываемое при переваривании пищевых волокон кишечными бактериями, может оставлять устойчивый молекулярный след на клетках, выстилающих кишечник. Этот след, по-видимому, способствует иммунной толерантности и может защищать от состояний, подобных воспалительным заболеваниям кишечника, даже после прекращения воздействия метаболита.

Старшим и со-ответствующим автором работы стала Ингцзы Конг (Yingzi Cong), профессор гастроэнтерологии имени Стэнли Градовски, профессор микробиологии-иммунологии и патологии. По словам авторов, результаты поддерживают представление о том, что полезные соединения, продуцируемые кишечными микробами, способны эффективно «тренировать» кишечный эпителий, помогая ему сохранять иммунную толерантность с течением времени.

«Наша лаборатория давно интересуется тем, как микробиота кишечника регулирует иммунные реакции на слизистых поверхностях кишечника, — рассказывает первый и со-ответствующий автор исследования Тяньмин Юй (Tianming Yu), научный сотрудник отделения гастроэнтерологии и гепатологии. — Короткоцепочечные жирные кислоты (КЦЖК), которые кишечные бактерии производят при ферментации пищевых волокон, известны своими противовоспалительными эффектами в кишечнике».

Однако один важный вопрос оставался нерешённым, отмечает Юй. «Значительная часть бутирата в кишечнике быстро поглощается и метаболизируется кишечными эпителиальными клетками, что ограничивает количество свободного бутирата, способного напрямую достичь лежащих глубже иммунных клеток, — поясняет он. — Это заставило нас спросить, не действует ли бутират на кишечный иммунитет через эпителиальные клетки».

Чтобы проверить это, исследователи добавляли бутират в питьевую воду мышей на определённый срок, а затем прекращали обработку. Спустя две недели после отмены CD4+ Т-клетки по-прежнему вырабатывали повышенный уровень IL-10 — важного противовоспалительного цитокина, помогающего контролировать кишечное воспаление.

Обработанные мыши также оказались более устойчивы к химически индуцированному колиту. По сравнению с необработанными животными они теряли меньше веса, имели более низкий уровень воспалительных маркеров и менее выраженные повреждения тканей. Согласно исследованию, эта защита зависела от сигнального пути IL-10.

Исследователи также установили, что устойчивый эффект не был следствием изменений самого микробиома. В экспериментах на безмикробных (germ-free) мышах, полностью лишённых микробов, бутират по-прежнему создавал устойчивую иммунорегулирующую среду. «Мы обнаружили, что пероральное введение бутирата вызывает в кишечнике устойчивый иммунорегуляторный ответ, характеризующийся повышенной продукцией IL-10 в CD4+ Т-клетках и защитой от кишечного воспаления даже после прекращения обработки, — говорит Юй. — Этот эффект наблюдался и у безмикробных мышей, что позволяет предположить: бутират способен формировать устойчивую кишечную среду, не зависящую от постоянной микробной стимуляции».

Далее Юй и его коллеги сосредоточились на кишечных эпителиальных клетках, которые образуют физическую границу между организмом и микробиомом. В лабораторных экспериментах эпителиальные клетки, подвергнутые воздействию бутирата, вызывали сильное усиление продукции IL-10 как в мышиных, так и в человеческих Т-клетках. «Мы обнаружили, что кондиционированная среда от обработанных бутиратом эпителиальных клеток сильно индуцирует IL-10-продуцирующие CD4+ Т-клетки в культуральных системах Т-клеток мыши и человека, — отмечает Юй. — Эти данные указывают, что после обработки бутиратом эпителиальные клетки секретируют некие иммунорегуляторные факторы, способные действовать на Т-клетки».

Затем группа применила метаболомный анализ для поиска молекул, переносящих этот сигнал. Вероятным кандидатом оказался N1-ацетилспермидин. Это соединение повышало продукцию IL-10 в Т-клетках и, по-видимому, отвечало за часть иммунорегулирующей активности, создаваемой эпителиальными клетками после воздействия бутирата. «В механистическом плане мы обнаружили, что бутират действует на эпителиальные клетки и индуцирует устойчивую транскрипционную и эпигенетическую активацию Sat1 — фермента биосинтеза ацетилполиаминов, — поясняет Юй. — Это стимулирует продукцию метаболита N1-ацетилспермидина, который вносит вклад в способность кондиционированной среды эпителиальных клеток индуцировать продукцию IL-10 в CD4+ Т-клетках».

Результаты ставят под сомнение традиционное представление о кишечных эпителиальных клетках как о преимущественно краткоживущих респондентах, чья главная роль — служить барьером. Согласно новым данным, эти клетки могут сохранять более долговременную молекулярную запись о полезных сигналах микробиома. «Значимость этой работы в том, что она выявляет механизм, с помощью которого метаболит микробиоты может создавать устойчивую связь между эпителием и Т-клетками, — говорит Юй. — Кишечный эпителий часто рассматривают как недолговечный барьер, быстро реагирующий на стимулы просвета кишки. Наши данные показывают, что он также способен сохранять устойчивый след сигнала микробного метаболита. Исследование также вводит идею о том, что полезные микробные метаболиты могут

тренировать

эпителиальные клетки поддерживать иммунную толерантность с течением времени».

Потребуются дальнейшие исследования, чтобы подтвердить результаты и установить, работает ли тот же механизм у людей, но, по словам Юй, работа со временем может иметь значение для воспалительных заболеваний кишечника. «Важный следующий шаг — определить, как этот эпителиальный метаболический путь функционирует при заболеваниях кишечника человека, особенно у пациентов с воспалительными заболеваниями кишечника, — говорит он. — Нам интересно проверить, нарушен ли путь бутират-Sat1-N1-ацетилспермидин в эпителиальных клетках человека и коррелирует ли он с иммунной регуляцией или активностью болезни».

Исследователи также намерены изучить другие метаболиты, которые могут вносить вклад в эффект: N1-ацетилспермидин сам по себе не объяснял всю наблюдаемую иммунорегулирующую активность.

В долгосрочной перспективе, отмечает Юй, результаты могут расширить понимание взаимосвязи между диетой, метаболитами кишечных микробов и кишечным эпителием. «Многие исследования были сосредоточены на том, как воспаление может оставлять в эпителиальных клетках вредную память, но наши данные показывают, что полезные микробные метаболиты тоже могут устанавливать защитные эпителиальные программы, — говорит он. — Понимание того, как диета, метаболиты микробиоты и воспаление формируют эпителиальную память кишечника, может открыть новые направления восстановления кишечной иммунной толерантности при воспалительных заболеваниях кишечника».

Со-первым автором исследования стала Вэньцзин Ян (Wenjing Yang), научный сотрудник отделения гастроэнтерологии и гепатологии. Среди соавторов из Feinberg School of Medicine — Суся Яо (Suxia Yao) и Парамбир Дулал (Parambir Dulai). Конг, Юй, Ян, Яо и Дулал являются членами Center for Human Immunobiology. Работа поддержана грантами Национальных институтов здравоохранения США DK135193, DK124132 и DK145439.