Исследователи разгадывают тайны загадочных бактериальных сигналов в нашей крови

Авторы нового исследования пришли к выводу, что определенный тип бактерий, которые живут у нас в ротовой полости и кишечнике, посылает сигналы в виде липидов через нашу кровь, которые могут быть хорошими или плохими, в зависимости от контекста. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Journal of Lipid Research.

Новизна исследования

Междисциплинарное сотрудничество исследователей университета Коннектикута (University of Connecticut) является первооткрывателем в изучении этих бактериальных сигналов и удивительной роли, которую они играют в организме человека.

Porphyromonas gingivalis

Porphyromonas gingivalis — бактерия из семейства Bacteroidota (ранее Bacteroidetes). Патоген вызывает деструктивную форму заболевания пародонта, называемую пародонтитом.

Фрэнк Николс (Frank Nichols), профессор пародонтологии, заинтересовался Porphyromonas gingivalis в начале 1990-х годов и с тех пор изучает эту бактерию. Николс объясняет, что P. gingivalis колонизирует промежутки между зубами и деснами, и при отсутствии чистки зубов со временем окружающая среда и сообщество постепенно меняются от здоровой к патогенной. Бактерии накапливаются в зубном налете, и по мере роста и отмирания бактерий они выделяют липиды из своих клеточных стенок, которые иммунная система распознает как сигналы инфекции, вызывая воспаление. Со временем воспаление становится хроническим и может привести к повреждению тканей и потере зубов или костей.

Материалы и результаты исследования

Николс решил больше узнать о бактериальных триггерах липидов, поэтому начал выделять и характеризовывать их. Первоначально исследователь изучал липополисахарид (ЛПС), общий продукт клеточной стенки, вырабатываемый всеми грамотрицательными организмами. 

«Когда ЛПС экспрессируется на поверхности клеток в кишечнике, это помогает защитить организмы от солей желчи, процессов растворения и разрушения», — комментирует Николс. «Но у нас нет желчи во рту, так что нет причин выделять этот ЛПС».

В дополнение к загадке о том, почему бактерии полости рта имеют защитные липиды в своих клеточных стенках, Николс вскоре обнаружил еще одну: в тканях, пораженных пародонтитом, присутствовал P. gingivalis, но в тканях было обнаружено не так много ЛПС. Сначала он не поверил этому результату, но после повторения эксперимента заметил различие.

«В тканях не так много ЛПС, но есть много других видов других липидов P. gingivalis», — утверждает Николс. «Я знал это, потому что уникальная жирная кислота определила присутствие этих липидов. Эти липиды уникальны для Bacteroidota, к которому принадлежит тип P. gingivalis. Заболевание пародонта не похоже на наличие микробной инфекции вокруг зубов, когда микроорганизмы проникают в ткани и вызывают образование абсцесса, отек, боль. Вместо этого заболевание пародонта вызывает хроническую воспалительную реакцию со стороны хозяина».

Считается, что то, как организмы вызывают этот хронический воспалительный процесс, связано с высвобождением факторов вирулентности, таких как ЛПС, которые затем поглощаются иммунными клетками, или с помощью простых процессов диффузии, когда бактериальные липиды пассивно проникают в клетки хозяина. Физические свойства липидов облегчают диффузию и могут помочь им перемещаться довольно быстро.

Николс пытается узнать больше о липидах. В течение 20 лет он сотрудничает с профессором химии Майклом Смитом (Michael Smith).

«У него были отличные аспиранты, которые синтезировали эти липиды и проверяли их структуру», — говорит Николс. «Это было потрясающее сотрудничество, и мы смогли подтвердить эти структуры отчасти благодаря той синтетической работе, которая была проделана в его лаборатории».

Извлечение и характеристика этих липидов — это узкоспециализированная работа, объясняет Николс, и это сотрудничество помогло создать коллекцию липидов, которой он поделился с другими исследователями. Николс обнаружил, что липиды накапливаются более интенсивно, когда имеются серьезные заболевания, такие как деструктивный периодонтит. Результаты, хотя и значительные, были встречены со скептицизмом, поскольку некоторые другие специалисты в этой области отказывались верить, что это может быть что-то другое, кроме ЛПС, которые он изучал. Николс тогда не сдался и продолжил выращивать бактерии, извлекать липиды и проверять их биологическую активность, и это привело к еще большему сотрудничеству.

Бактерии посылают сигналы через вашу кровь

Интерес доктора Роберта Кларка (Robert Clark) был вызван тем, что он следил за исследованием Николса в изучении этих липидов. Кларк, профессор кафедры иммунологии Медицинской школы, интересуется аутоиммунными заболеваниями, такими как рассеянный склероз, и в начале 2000-х годов микробиом был очень горячей темой: появились тысячи публикаций, посвященных изучению взаимосвязи между микробиомом и заболеваниями, но мало было работ о том, как именно это происходит. 

«[Николс] был достаточно мудр, чтобы заглянуть глубже, изучив, что бактерии производят с точки зрения липидов», — утверждает Роберта Кларка.

Кларк также был поражен тем фактом, что липиды отличаются от липидов Bacteroidota, которые встречаются не только в ротовой полости, но и в желудочно-кишечном тракте, где они составляют от 30% до 50% микроорганизмов, обнаруженных в микробиоме желудочно-кишечного тракта.

Кларк говорит : «Мы знали друг друга и делились результатами. Однажды я спросил, считает ли он, что эти липиды, которые вырабатываются бактериями во рту и желудочно-кишечном тракте, влияют на системное здоровье человека».

Этот разговор положил начало их сотрудничеству. Кларк предложил, чтобы они изучили, присутствуют ли липиды в кровотоке. В 2013 году исследователи опубликовали работу, показывающую, что бактериальные липиды накапливаются в структурах кровеносных сосудов, что может привести к утолщению или закупорке, называемой атеросклеротическая бляшка.

«У каждого человека есть липиды в крови. Это было удивительно, поскольку это бактериальный продукт, и его нельзя спутать с тем, что мы производим. Это совершенно другое дело», — считает Кларк.

Затем Кларк решил выяснить, каков уровень липидов в крови пациентов с рассеянным склерозом, и обнаружили, что уровень бактериальных липидов у пациентов с рассеянным склерозом был ниже, что стало неожиданным результатом. Ученые ожидали, что у пациентов с аутоиммунным заболеванием будет присутствовать больше липидов.

«Существует две фазы нашей иммунной системы», — утверждает Кларк. «Одна из них — это адаптивная иммунная система с Т- и В-клетками, но есть также врожденная иммунная система, которая управляет любым иммунным ответом. Эти бактериальные липиды являются стимуляторами врожденной иммунной системы, и считается, что у людей с аутоиммунными заболеваниями чрезмерно активная иммунная система атакует собственные ткани. Мы поняли, что здесь происходит что-то странное».

Тот факт, что эти стимулирующие липиды присутствовали в низких концентрациях у пациентов с рассеянным склерозом, открыл новый уровень сложности для этих липидов, над пониманием которого Кларк с тех пор работает.

Липиды в кишечнике

Загадка липидов также привлекла внимание Кристофера Блессо (Christopher Blesso), сотрудника кафедры наук о питании Колледжа сельского хозяйства, здравоохранения и природных ресурсов.

«Впервые я познакомился с Николсом, прочитав статью UConn Today», — говорит Блессо. «Я обратился к нему, поскольку мне было интересно выяснить, влияет ли диета на бактериальные липиды».

Блессо изучает пищевые жиры и никогда не рассматривал бактерии в качестве возможного или важного источника липидов. 

Блессо было интересно изучить различные диеты и их влияние на микробиом кишечника. Исследователь считает, что одна из причин заключается в том, что эти липиды специфичны для Bacteroidota, которые составляют около 50% микробиома желудочно-кишечного тракта и зависят от диеты.

«Многие первоначальные исследования с ожирением и нездоровым питанием, например, с высоким содержанием жиров, показали, что Bacteroidota подавляется в условиях с высоким содержанием жиров», — говорит Блессо. «Как только человек снижал вес или начинал переходить на диету с высоким содержанием клетчатки, популяция Bacteroidota снова увеличивалась».

Блессо предположил, что диеты с высоким содержанием жиров приводят к уменьшению Bacteroidota, а это приведет к изменениям в вырабатываемых липидах. Для эксперимента они кормили мышей, генетически предрасположенных к высокому уровню холестерина, диетой, имитирующей западную диету с высоким содержанием жиров, чтобы вызвать атеросклероз и воспаление печени. Другую группу мышей, которые служили здоровым эталоном, кормили обычной растительной диетой с низким содержанием жира. Затем они ввели мышам один из бактериальных липидов под названием L654, чтобы имитировать хроническое воспаление, с первоначальной гипотезой о том, что эти условия ускоряют развитие атеросклероза и воспаления печени в группе с западной диетой.

«Мы предположили, что если мы подвергнем животных воздействию этих липидов, то увидим больше воспаления и атеросклероза. На самом деле мы обнаружили обратное», — говорит Блессо.

В случае группы с высоким содержанием жиров, питающейся по западной диете, липиды снижали воспаление печени и маркеры повреждения печени, а также общий иммуносупрессивный эффект, который защищал мышей от развития атеросклероза, говорит Блессо. Однако самые большие эффекты, которые они наблюдали, были в печени.

«Для меня гораздо интереснее, когда ты не находишь то, что думал найти», — говорит Блессо. «Это открывает новые вопросы».

По мнению ученых, липиды действуют почти как тормоз для иммунных клеток в печени. Эти последние результаты дают новую надежду на понимание роли липидов при рассеянном склерозе. 

Кларк говорит: «Теперь мы показываем два случая, когда уровень липидов ниже, и это каким-то образом регулирует или нарушает регуляцию иммунной системы, делая ее сильнее».

Результаты, связывающие микробиом с питанием и системным воспалением, привели к вопросу о том, могут ли антибиотики дополнительно влиять на продуцентов липидов. По этому поводу может иметь место своего рода «феномен Златовласки», когда слишком высокое или слишком низкое количество липидов может привести к гиперактивности иммунной системы. 

«Это уникальная система для изучения», — заявляет Кларк. «Большинство исследователей нам не верят. Ученые не любят покидать свою зону комфорта. Существует, вероятно, 100 статей, в которых говорится немного по-разному о том, какие бактерии изменяются, когда у вас это заболевание, но никто не связывает точки зрения на то, как это может работать».

Кларк указывает, что многие различные Bacteroidota продуцируют эти липиды, поэтому исследования посвящены исключительно изменениям. 

«Эти липиды относятся к числу очень немногих молекул, которые кто-либо идентифицировал. Например, вы можете потерять бактерии X, но если бактерии Y все еще там, эффекта может не быть, если они оба вырабатывают один и тот же липид. В то время как у вас могут быть бактерии, которые увеличиваются в количестве и претерпевают серьезные изменения, липид, который они вырабатывают, отличается», — заключает Кларк.

Авторы другого исследования утверждают, что Липиды способствуют развитию аневризмы брюшной аорты.