УСПЕХИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ, 2014, том 134, № 2, с. 99-110
УДК 577.27
ИММУНОГЕННЫЕ СВОЙСТВА ПРОБИОТИЧЕСКОГО КОМПОНЕНТА МИКРОБИОТЫ ЖЕЛУДОЧНО-КИШЕЧНОГО
ТРАКТА ЧЕЛОВЕКА
© 2014 г. И. А. Федорова, В. Н. Даниленко
Институт общей генетики им. Н. И. Вавилова Российской академии наук, Москва
E-mail: irina.genet@gmail.com
Рассмотрены основные лиганды пробиотических микроорганизмов, индуцирующие иммунный ответ, значение видовой и штаммовой специфичности Lactobacillus и Bifidobacterium в формировании иммуномодулирующих эффектов. Штаммы лактобацилл и бифидобактерий ингибируют продукцию цитокинов, вызывающую воспаление при гастроэнтеритах, колите, болезни Крона, диабете II типа. Важным направлением в исследовании иммуномодулирующих эффектов является выявление и анализ механизмов действия бактериальных генов, ответственных за взаимодействие бактерий с организмом хозяина.
Ключевые слова: микробиота, пробиотики, иммунный ответ, цитокины.
ВВЕДЕНИЕ
Направления и задачи исследования микробиоты человека
В последние годы большое внимание уделяется изучению микробиоты кишечника человека, в том числе иммуномодулирующим свойствам пробиотических микроорганизмов. Одним из важнейших направлений метагеномики является анализ микробиома человека - всей совокупности микроорганизмов, для которых человек служит средой обитания (Lederberg, McCray, 2001). Анализ микробных сообществ кишечника сотен индивидуумов из различных регионов мира позволяет выделить три основных "энте-ротипа" с доминированием либо Bacteroides, либо Prevotella и Ruminococcus (Arumugam et al., 2011). Метагеномный анализ значительного количества образцов микробиоты кишечника человека показал, что среди 100 наиболее часто встречающихся видов микроорганизмов присутствуют следующие виды лактобацилл и бифидобактерий: Lactobacillus ruminis, L. reuteri, Bifidobacterium adolescentis, B. longum, B. pseudocatenulatum, B. bifidum, B. animalis, B. breve. Большинство штаммов этих видов используется в качестве про-биотиков (Schloissnig et al., 2013).
С момента рождения человека микробиота неразрывно связана с формированием и развитием
его иммунной системы. При этом происходит взаимное влияние иммунной системы кишечника человека и микробиоты, а в кишечнике поддерживается гомеостатическое состояние (Hooper et al., 2012). Нарушение кишечного гомео стаза может привести к таким заболеваниям, как рак, болезнь Крона и многим др. (Joossens et al., 2011; "Microbiota, disease, and back to health", 2012). Причем ряд заболеваний, включая болезнь воспаленного кишечника, некрозный энтероколит, диабет, ожирение, аллергию, астму и др., коррелирует с иммунными нарушениями посредством изменений в составе и содержании микробиоты кишечника человека (Young, 2012). В настоящее время ведется изучение влияния микробиоты на ожирение и диабет II типа (Cani et al., 2008; Ley, 2010), развитие иммунной системы (Gaboriau-Routhiau еt al., 2009; Olszak et al., 2012) и воспалительные заболевания кишечника (Garett et al., 2010; Wei et al., 2012; Joossens et al., 2011). Особый интерес представляет роль пробиотических микроорганизмов в активации иммунитета при заболевании туберкулезом (Ghadimi et al., 2010).
Механизм действия пробиотических бактерий выражен в изменении профилей секреции цитоки-нов, влияющих на популяции Т-лимфоцитов или на увеличение выработки антител. Многочисленные исследования на мышах и человеке показали, как один штамм или комбинации пробиотических штаммов могут индуцировать изменения на моле-
кулярном уровне. Многие из этих исследований являются основой при создании и использовании фармацевтических препаратов и пробиотиков для профилактики и лечения острых гастроэнтеритов и других болезней желудочно-кишечного тракта (Preidis, Versalovic, 2009). В то же время другие исследования свидетельствуют о дифференциальном эффекте пробиотиков (Mileti et al., 2009). Точное понимание механизмов, посредством которых пробиотики оказывают терапевтические эффекты, позволит отобрать эффективные пробиотические штаммы для целевого применения.
Ученые и клиницисты пришли к выводу о необходимости проведения тщательных доклинических и клинических исследований при создании нового типа иммунобиологических препаратов. Исследование специфичности иммуномодулиру-ющей активности штаммов лактобацилл и бифи-добактерий становится обязательным требованием в тестировании пробиотиков (Caselli et al., 2011; Caselli et al., 2012). Введен новый термин для пробиотических фармпрепаратов, направленных на лечение конкретных заболеваний, - "фар-макобиотики" (Caselli et al., 2013).
Лиганды пробиотических бактерий, индуцирующие иммунный ответ
В последние годы достигнуто более глубокое понимание структуры и функций сигнальных распознающих рецепторов (Kang, Lee, 2011; Elinav et al., 2011; Zhao et al., 2011; Gomez-Llorente et al., 2010). Toll-подобные рецепторы (TLRs) - это ключевые рецепторы врожденного иммунитета, распознающие высококонсервативные структуры микроорганизмов (Gomez-Llorente et al., 2010). Микробными лигандами для TLRs служат различные макромолекулы: экзополисахариды, липополисахариды, липотейхоевая кислота, ли-попротеины, пептидогликан, триациллипопеп-тиды, гликолипиды, некоторые белки теплового шока, флагеллин (Peri et al., 2012; Morrison, Ryan, 1979; Karahashi, Amano, 2003; Rodriguez-Vita, Lawrence, 2010). Некоторые лиганды способны активировать образование рецепторных кластеров в плазматической мембране клеток (Schmitz, Orso, 2002; Triantafilou et al., 2001).
Большинство пробиотических штаммов, как правило, - грамположительные бактерии, клеточная стенка которых состоит из толстого слоя пептид огликана с белками, тейхоевых кислот и полисахаридов (Delcour et al., 1999). Ранее для адаптивного иммунного ответа значимыми счи-
тались антигенные белки или гликопротеины. Недавние исследования изменили такие представления. В поиске иммуномодулирующих молекул клеточной стенки бактерий в настоящее время полисахариды и гликолипиды считаются более адекватными мишенями. Экзополисахариды (EPS), продуцируемые некоторыми штаммами лактобацилл и бифидобактерий, проявляют селективные иммуномодулирующие свойства. Установлено, что физико-химические характеристики EPS влияют на их способность к иммуномодуля-ции. Были определены два варианта соответствия некоторых физико-химических особенностей EPS их иммуномодулирующим способностям. Кислые гетерогенные EPS, имеющие отрицательный заряд (фосфат в своем составе) и/или небольшие размеры, могут действовать как слабые стимуляторы различных иммунных клеток (Kitazawa et al., 1996; Nakajima et al., 1992; Uemura et. al.,1998). Кислая часть является индуктором пролиферации и активности макрофагов (Kitazawa et al., 1998; Nishimura-Uemura et al., 2003). При этом фосфат является триггером иммунного ответа, а химическое дефосфорилирование таких EPS снижает их индукторную способность (Kitazawa et al., 1998; Sato et al., 2004). Нейтральные же и больших размеров (около 106 Да) полимеры выступают в качестве супрессоров иммунного ответа или ослабляют чрезмерную иммунную реакцию, тем самым помогая бактериям хозяина уклониться от иммунного ответа. Причем такие EPS подавляют иммунную реакцию вопреки не только своему стимулирующему компоненту, но и другим индукторам, в частности, липополиса-харидам (LPS) (Yasuda et al., 2008). Липотейхо-евая кислота (LTA) в свою очередь считается основным иммуностимулирующим компонентом клеточных стенок грамположительных бактерий через TLR2, так же, как LPS в клеточной стенке грамотрицательных бактерий через TLR4. В последние годы выявлены важные свойства LTA, выделившие ее в ряду пробиотических эффектор-ных молекул, способных индуцировать секрецию противовоспалительного IL-10 (Ryu et al., 2009). С другой стороны, недавно было обнаружено, что LPS грамотрицательных бактерий микрофлоры кишечника участвуют в развитии воспаления, ожирения и диабета II типа, индуцированного высоким содержанием жиров (Cani, Delzenne, 2007). Липопротеины и гликопротеины на поверхности клетки бактерий также могут выступить в качестве пробиотических молекул при их взаимодействии с TLR2.
Иммуномодулирующие свойства ДНК лактобацилл и бифидобактерий
Очевидным индуктором штамм-специфического иммунного ответа в организме человека может являться бактериальная ДНК. Ее иммуномодули-рующая способность может оцениваться по изменению профиля цитокинов. Так, бактериальная геномная ДНК VSL3™ индуцировала высвобождение интерлейкинов IL-1P, IL-6 и IL-10. Препарат VSL3™ представляет собой комбинацию восьми пробиотических штаммов следующих видов бактерий: Bifidobacterium longum, B. breve, B. infantis, Lactobacillus casei, L. plantarum, L. acidophilus, L. bulgaricus и Streptococcus thermophilus (Chapman et al., 2006). Тотальная ДНК, выделенная из фекалий, после курса применения пробиотических штаммов, характеризовалась большей индукцией IL-10, чем IL-1, что свидетельствовало о противовоспалительном эффекте (Lammers et al., 2003).
На модели мышей с синдромом раздраженного кишечника показано (Rachmilewitz et al., 2004), что защитные эффекты пробиотических штаммов бактерий, содержащихся в VSL3™, опосредованы их ДНК, а не способностью к колонизации кишечника. Примером иммуномодулирующей способности ДНК пробиотических штаммов также служит ДНК Lactobacillus rhamnosus GG, индуцирующая пролиферацию В-клеток и активирующая дендритные клетки (Iliev et al., 2005). При использовании ДНК различных пробиоти-ческих штаммов L. rhamnosus GG, L. gasseri, Bifidobacterium bifidum, B. longum эффекты поддержания ТЫ/^2-баланса на модели моноцитов периферической крови здоровых людей и пациентов с аллергией на пылевых клещей были выражены сильнее, чем при воздействии живыми бактериями (Ghadimi et al., 2008).
Иммуномодулирующая активность ДНК про-биотических бактериальных штаммов связана с неметилированными CpG-мотивами, активирующими иммунный ответ посредством связывания с TLR9 и способными вызвать транслокацию NFkB и AP-1 из цитоплазмы в ядро, повышая при этом экспрессию гена. Стимулирующие олигодезок-синуклеозиды содержат CpG-фланкир
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.