Влияние микробиоты на функции мозга: эволюция в нейронауке

• Появляется всё больше данных о наличии связи между состоянием кишечной микрофлоры и здоровьем.
  • Доказана роль микробиоты в развитии ожирения.
• В настоящее время ученых интересует влияние микробиоты на
  • функции мозга,
  • поведение,
  • психическое здоровье человека.
• Последние открытия в этой области были представлены группой учёных из Международного колледжа нейрофармакологии (CINP) на 29-ом Всемирном конгрессе в Ванкувере (Канада) в рамках конференции «Микробиота и функции мозга: вклад кишечной микрофлоры в развитие психических расстройств».
• На конференции рассматривался широкий диапазон тем, в том числе:
  • кишечная нормофлора и её нейроэндокринные функции;
  • влияние кишечных микроорганизмов на поведение человека;
  • возможность коррекции когнитивных функций и поведения с помощью пробиотиков;
  • диагностическая визуализация оси «мозг — кишечник».
• Настоящая статья тезисно отражает содержание их доклада.

Микробиота и поведение

• Роль микробиома в формировании поведенческих особенностей и познавательных способностей продолжает изучаться.
• Доказано прямое влияние микроорганизмов на развитие мозга у грудных детей.
  • Микроорганизмы кишечника образуют особую «ось» с головным мозгом, что, в свою очередь, практически, означает возможность коррекции когнитивных функций и поведения с помощью разработки новых принципов диетотерапии.
• Из исследований на животных известно, что искусственное внесение всего лишь одного микроорганизма может проявляется у мышей тревожным поведением.
  • При этом в их головном мозгу активируются области, ответственные за получение информации о состоянии кишечника посредством n. vagus.
• Последние исследования на мышах показали, что при переносе калового микробиома от одной особи к другой, реципиент приобретает поведенческие паттерны, свойственные донору.
• Результаты текущих исследований на людях продолжают пополнять цепь доказательств огромного влияния состава кишечной микрофлоры на поведение.
  • В частности, установлена связь между изменённым соотношением микроорганизмов слизистой у пациентов с циррозом печени и снижением у них когнитивных способностей.
• Большая часть имеющихся данных получена в ходе исследований на животных, в которых изменялись состав и соотношение микробиоценоза кишечника.
• Удобной моделью для изучения диапазона влияния кишечной микрофлоры на поведение служат «стерильные мыши» (GF).
  • Впервые данную модель использовали в 1957 году. GF мышей вырастили в стерильной/ гнотобиотической среде, в результате чего у них полностью отсутствовала симбиотическая флора.
  • Иммунная система GF-мышей в целом и её слизистые барьеры в частности —  незрелые: количество B- и T-лимфоцитов снижено.
  • Переломным стало исследование Sudo с соавт. в 2004, показавшее повышенную восприимчивость GF-особей к стрессу, спровоцированным заключением в замкнутое пространство, по сравнению с мышами без патогенных микроорганизмов (SPF). Различия оценивали по уровням кортикостерона и АКТГ плазмы.
  • После публикации результатов испытания нейроспециалисты активно заинтересовались GF-моделью.
    • Учёные задались вопросом, проявятся ли у таких мышей изменения в поведении.
    • Для ответа на него была проведена серия исследований.
• Получены следующие выводы:
  • Во-первых, GF-мыши демонстрировали более низкий уровень тревоги по сравнению с обычными домовыми в установке «приподнятый крестообразный лабиринт» и при проведении теста по предпочтению темноты или света.
  • Во-вторых, занесение GF-мышам на ранних этапах жизни определенной микробиоты приводит к воссозданию стереотипных для данных животных моделей поведения.
  • В то же время, по результатам EPM-теста такой же эксперимент во взрослом состоянии не влияет на чувствительность к стрессу.
  • Имеются данные, указывающие на неоднозначность корреляции между кишечным микробиоценозом и поведением. Так, перенос Balb/C микрофлоры от SPF-мышей стерильным особям Swiss-Webster (SW) снижал у них выраженность исследовательского поведения, в то время как перенос SPF SW микробиоты GF Balb/C мышам увеличивал его проявления.
  • В опыте на чувствительных к стрессу F344 крысах GF-представители показали низкий уровень социального взаимодействия. Они проводили меньше времени в центре установки «Открытое поле» (OF) и больше на периферии арены.
    • Эти наблюдения отличаются от полученных в серии исследований на нечувствительных к стрессу мышах выводов в отношении исследовательского поведения и влияния микробиоты на уровень тревоги.
    • Тем не менее, заключения о снижении социальной активности совпадают с результатами, полученными при работе с GF SW-грызунами.
  • Вывод о зависимости исследовательского поведения, тревожности мышей и уровня их социального взаимодействия от качественного и количественного состояния микробиоты един для вышеупомянутых исследований.
• Важно учитывать, что бактериальные штаммы обусловливают влияние, оказываемое кишечной микрофлорой.
  • В недавней эксперименте на чувствительных к стрессу Balb/С мышах исследователи сравнили показатели GF Balb/C и EX-GF, условных GF Balb/C. Последние показали менее тревожное поведение и в установке «открытое поле», и в тесте «закапывания стеклянных шариков».
  • Внесение Clostridium coccoides способствует снижению выраженности тревоги,
    • тогда как Bifido infantis не влияет на её уровень и уменьшает активность животных в «Открытом поле» (в сравнении с GF).
• Текущие исследования в данной области направлены на выявление специфических микроорганизмов, оказывающих непосредственное влияние на поведение.

Исследования пробиотиков на животных

• В некоторых испытаниях изучалось воздействие пробиотиков на поведение.
  • В ранних работах по применению пробиотиков у здоровых крыс не было получено эффекта. 
    • Изменения в поведении отсутствовали при проведении теста «открытое поле» на крысах Sprague-Dawley и Wistar после применения у них Lactobacillus salivarius, B. infantis, B. breve.
    • Применение B. infantis у здоровых крыс Sprague-Dawley не повлияло на депрессантную активность животных в тесте принудительного плавания. Однако, спустя 45 дней лечения B. infantis у крыс, переживающих аналог депрессии вследствие раннего отлучения от матери, по данным того же теста состояние нормализовалось.
• Применение пробиотиков на животных моделях эффективно в отношении инфекции или колита.
  • Лечение L. rhamnosus на протяжении 10 дней снижает выраженность тревоги, провоцируемой паразитированием Trichuris muris.
  • Использование B. longum в течение 14 дней по поводу колита, вызванного декстраном натрия сульфатом, нормализует её уровень.
• Интересно, что некоторые исследования показали эффективность применения пробиотиков у здоровых грызунов.
  • По данным Bravo с соавт. 28-дневный курс лечения L. rhamnosus привёл к снижению показателей тревоги у Balb/C мышей в “приподнятом крестообразном лабиринте» и депрессантной активности в тесте «принудительного плавания».
  • Оба пробиотика: B. Breve и B. Longum – существенно снижают тревожность, хотя проявляется это по-разному. Последний штамм также улучшает когнитивные функции здоровых Balb/C мышей.
  • Применение комбинации из L. helveticus и B. longum на протяжении 14 дней у крыс Wistar снижает выраженность тревоги по данным теста «защитного закапывания стеклянных шариков».
• У людей данная комбинация также зарекомендовала себя в лечении тревоги и депрессии.
• По данным Steenbergen с соавт. другие схемы лечения улучшают настроение, снижение которого было вызвано реактивными стимулами, а также уменьшают выраженность депрессии и стресса у работников нефтехимической промышленности. Эффект реализуется через гипоталамо- гипофизарную адреналовую ось.

Микробиота, сигнальное посредничество иммунной системы и мозг

Считается, что в реализации информации по оси «микробиота-мозг» задействованы определённые сигнальные пути. На конгрессе, организованном Международным колледжем нейрофармакологии, были представлены ключевые открытия, касающиеся роли иммунных сигнальных паттернов в формировании поведения.

• Специалисты из области психиатрии и когнитивной нейробиологии сегодня получают всё больше данных о влиянии приобретённого иммунитета на поведение.
• Компонентом системы реанжировки генов, обеспечивающих приобретённый иммунитет, является активирующий рекомбинацию ген-1 (RAG-1).
• Делеция RAG-1 сказывается на способности лимфоцитов к VDJ-рекомбинации — механизму генетической перестройки, который ранжирует генные сегменты variable (V), joining (J) и diversity (D) и образует вариабельные домены T- клеточных рецепторов.
• В результате такой делеции T и B- клетки мышей утрачивают зрелость, и приобретённый иммунитет не функционирует.
• RAG1-/— mice демонстрировали более низкий уровень тревоги.
• Отсутствие у мышей и β-2 микроглобулина, и транспортёров, ассоциированных с антигенным процессингом (β2M−/−TAP−/−) приводит к утрате 1 функционального класса главного комплекса гистосовместимости (MHC) и уменьшению числа CD8 T-клеток.
  • У таких особей не выявлено отличий по времени, проведённому в открытых рукавах приподнятого крестообразного лабиринта (EMP), однако степень опасности они оценивали дольше.
• Мыши без β и δ цепей (TCRβ-/-δ-/-) T- клеточных рецепторов и сниженным количеством T-клеток показали менее выраженную тревогу в тесте EMP, камере «свет-тьма» и «Открытом поле», в то время как при дефиците B-клеток такого не наблюдалось.
• В исследовании на β2M−/−TAP−/− мышах в отличие от B6-особей отсутствовал половой диморфизм в отношении активности, исследовательского поведения и уровня тревожности.
  • Та же закономерность наблюдалась в опытах на TCRβ-/- δ-/-.
• Учитывая имеющиеся данные о половом диморфизме в функционировании иммунной системы, необходимо продолжать изучение иммунного фенотипа у разных полов и его роли в регуляции поведения.

Микробиота синтезирует нейротрансмиттеры, воздействующие на мозг

• Результаты различных испытаний, посвящённых изучению механизмов влияния микроорганизмов на поведение, сходятся в том, что иммунная система, до некоторой степени, задействована в них.
• Известно, что используемые методы, включающие применение различных микроорганизмов, провоцируют иммунный ответ.
• Тем не менее, передача сигналов в системе «микробиота-кишечник-мозг» не обязательно основывается на иммунных реакциях. Неиммунные сигналы в рамках данной оси сегодня становятся предметом растущего научного интереса.
  • В основе способности микробиоты включаться в ось «микробиота-кишечник-мозг» лежит механизм синтеза и идентификации нейротрансмиттеров бактериями в её составе.
• Способность прокариот и эукариот распознавать вещества, синтезируемые бактериями, с помощью рецепторов к широкому диапазону нейроэндокринных гормонов известна на протяжении нескольких десятилетий.
  • Бактерии могут образовывать самые разные нейрогормоны: от соматостатина до ацетилхолина и прогестерона.
• Немаловажно, что микроорганизмы, населяющие ЖКТ синтезируют нейротрансмиттеры, способные связывать рецепторы организма хозяина (внутри- и внекишечные), причём в количествах, вызывающих нейрофизиологические сдвиги в последнем.
• По данным Asano с соавт. микробиота in situ продуцирует дофамин и норадреналин в количествах, достаточных для изменения нейрофизиологических процессов в организме хозяина.
• Синтез и узнавание нейротрансмиттеров у млекопитающих, как правило, обеспечивается прокариотами и эукариотами. Благодаря этому факту становится понятен эволюционный механизм влияния на организм хозяина и наоборот: микробная эндокринология.
  • Данное направление находится на стыке микробиологии и нейрофизиологии и берёт своё начало с опытов, демонстрирующих нейроэндокринологический ответ организма хозяина на стресс (проявляющийся, например, синтезом норэпинефрина).
  • На фоне стресса отмечался значительный рост бактерий in vitro и in vivo.
• Бактерии продуцируют нейроэндокринные гормоны и другие вещества, которые взаимодействуют со специфическими кишечными и внекишечными нервными рецепторами, а затем попадают портальный кровоток.
• Опубликованы результаты многих исследований, подтверждающих факт влияния нейромедиаторов бактерий кишечника на поведение испытуемых людей и животных.
• Чаще всего, в таких испытаниях использовались пробиотики, такие как Lactobacillus или Bifidobacterium. Часть бактерий, относящихся к этим родам — активные продуценты веществ, задействующих специфические хорошо изученные механизмы, регулирующие поведение.
• Bravo с коллегами отдельно отмечали снижение уровня тревоги и депрессантной активности у мышей, получавших штамм L. rhamnosus (JB-1).
  • Регистрируя эффекты от приёма пробиотиков, они хотели продемонстрировать изменения в уровне GABAAα2 мРНК в областях, ответственных за то, или иное, поведение.
• Несмотря на то, что количественной оценки GABA после приёма штамма L. rhamnosus (JB-1) не проводилось, была установлена способность бактерий изменять поведение через активацию GABA-рецепторов и запуск особого нейрохимического каскада реакций.
• Таким образом, благодаря последнему исследованию с использованием GABA-продукцирующих Lactobacillus brevis FPA 3709, факт влияния этих бактерий на поведение можно считать доказанным.
  • В этом испытании по исследованию питания L. brevis использовалась для насыщения молока из чёрных соевых бобов GABA. Продуктом кормили лабораторных крыс, после чего изучали их активность в тесте принудительного плавания (FST).
  • При проведении FST животное помещают в сосуд с водой, после чего измеряется время бездействия, прежде чем животное поплывёт. Данный тест эффективен в распознавании депрессантного поведения.
  • Результаты этого испытания показывают существенное снижение времени неподвижности у крыс после употребления GABA-насыщенного соевого молока. Эффективность препарата сопоставима с эффективностью ингибитора обратного захвата серотонина флуоксентина (антидепрессант).
• Предпринимаются попытки использования и разработки новых пробиотиков с микроорганизмами-продуцентами нейроэндокринных веществ в составе.

Микробиота и нейровизуализация

• Влияние оси «микробиота-кишечник-мозг» на функции последнего и поведение достаточно хорошо изучены на стадии преклинических исследований. В настоящий момент подобные взаимосвязи исследуются в человеческой популяции.
• Нарушения звеньев оси имеют место в патогенезе таких заболеваний, как, например:
  • функциональные расстройства ЖКТ;
  • воспалительные кишечные заболевания;
  • ожирение;
  • метаболический синдром.
• Имеются данные о вкладе микробиоценоза в заболевания, ассоциированные с поражением головного мозга, нежелудочно-кишечной этиологии, среди них:
  • тревожное расстройство;
  • рассеянный склероз;
  • болезнь Альцгеймера;
  • болезнь Паркинсона;
  • аутизм.
• На сегодняшний день ясно, что состав и соотношение микроорганизмов у больных и здоровых людей различаются. В некоторых исследованиях прослеживается сильная корреляция между этими показателями и функциональными способностями мозга.
• Один из способов исследовать влияние микроорганизмов кишечника на мозговую активность — комбинированный подход, сочетающий определение параметров кишечной микробиоты с результатами методов нейровизуализации и эмоциональными реакциями испытуемого.
• В ходе недавнего испытания доказано влияние пробиотиков на когнитивные функции здоровых женщин.
• В двойном слепом, рандомизированном, контролируемом исследовании испытуемые получали ферментированное молоко, включающее B. Animalis subsp lactis (B. Lactis), Lactoccouc lactis subsp lactis, L. Delbrueckii subsp bulgaricus, и Streptococcus thermophiles; неферментированный молочный продукт или же не принимали ничего.
  • Такая комбинация пробиотиков в более ранних исследованиях никак не повлияла на кишечную флору, но активировала некоторые метаболические пути, обеспечивающие разрушение полисахаридов, а также метаболизм аминокислот.
  • Интересно, что употребление экспериментального продукта с пробиотиками в составе в течение 4 недель коррелирует с меньшей выраженностью активации коры в ответ на тестовые задания, задействующие эмоциональный интеллект.
  • В группе испытуемых, не получавших лечения, отмечалась обширная активация нейронной сети; в группе пациентов, употреблявших контрольный продукт, изменения не были выявлены. В ходе тестирования лиц, принимавших пробиотики, была зарегистрирована сниженная активация коры.
• Сегодня в области нейровизуализации ведутся исследования, в которых соотносится информация о нейронной активности участков мозга и данные об экологии кишечных бактерий.
• Некоторые из имеющихся подходов также помогут в определении способов влияния микробиома на его функциональную активность и в дальнейшей идентификации медиаторов оси «кишечник-мозг».

Задачи, которые предстоит решить

• За последние 5 лет произошёл огромный прорыв в изучении механизмов влияния бактериальных сигналов на функции мозга. Стало понятно, что кишечные микроорганизмы играют важную роль в патогенезе психических расстройств.
• Тем не менее, многие вопросы, на сегодняшний день, остаются без ответов.
  • Прежде всего, механизмы бактериального влияния на мозг пока недостаточно ясны.
    • Проделанную работу можно считать лишь первыми шагами в изучении данной области.
    • В дальнейшем потребуется приложить все усилия для установки точной взаимосвязи между продукцией микроорганизмами нейрохимических веществ in vivo, взаимодействием отдельных частей бактерий (например, компонентов клеточной стенки) с иммунными клетками кишечника и изменениями в поведении.
    • Потребуются экспериментальные доказательства специфического связывания нейрохимических веществ, продуцируемых микробами, с кишечными и внекишечными рецепторами.
    • Недавно был принят пошаговый практический алгоритм по изучению дизайна пробиотиков и микробных эндокринологических механизмов, лежащих в основе их действия.
      • В настоящее время подобные эксперименты проводятся во многих лабораториях. Ожидается, что с помощью них некоторые ответы будут получены.
  • Вторым немаловажным направлением поиска является расшифровка индивидуальных особенностей бактерий, которые обусловливают их эффекты.
    • В связи с продолжающимися исследованиями по изучению состава и соотношения кишечной микрофлоры в естественных, клинических и экспериментальных условиях, область научного поиска в сфере метаболомики всё больше усложняется и позволяет нам всё лучше понимать сигнальные каскады и роль продуктов бактериального метаболизма.
  • В-третьих, до сих пор почти все исследования в упомянутой области проводились на грызунах. Для того, чтобы понять, могут ли изменения в кишечной микрофлоре оказывать положительный, так называемый психобиотический эффект, на ментальное здоровье, потребуется дальнейшее изучение вопроса уже на человеческой популяции.
• Хотя в некоторых доклинических исследованиях подчёркивалось изменение состава микробиоты при депрессии и аутизме, пришло время проводить обширный анализ состава кишечной микрофлоры при других расстройствах, таких как:
  • шизофрения;
  • тревожное расстройство;
  • наркотическая зависимость;
  • расстройства пищевого поведения.
• В ходе анализа будет необходимо установить наличие или отсутствие взаимосвязи с психической симптоматикой.

Источник: 

1. Foster JA, Lyte M, Meyer E, Cryan JF. Gut Microbiota and Brain Function: An Evolving Field in Neuroscience. Int J Neuropsychopharmacol. 2016;19(5). doi:10.1093/ijnp/pyv114.