Новое исследование на червях дает первое доказательство того, что «патогенные» бактерии могут способствовать неправильному свертыванию белков, что характерно для таких заболеваний как болезнь Паркинсона и деменция. Другие бактерии, которые производят жирную кислоту, называемую бутиратом, предотвращают неправильное сворачивание белка. Исследование добавляет доказательств того, что лечение антибиотиками может играть определенную роль в раннем развитии и течении болезни Паркинсона. Результаты исследования опубликованы в научном журнале PLOS Pathogens.
Актуальность вопроса
В последние годы несколько исследований показали, что кишечные бактерии участвуют в дегенеративных заболеваниях, которые проявляются образованием токсичных сгустков белка в головном мозгу, которые связывают с болезнью Паркинсона, болезнью Альцгеймера и боковым амиотрофическим склерозом.
Примеры неправильно свернутых белков при заболеваниях головного мозга включают бляшки и клубки, которые характеризуют болезнь Альцгеймера, и фибриллы белка, называемого альфа-синуклеином, при болезни Паркинсона. Расстройства мозга, связанные с неправильно свернутыми белками, или «нарушения конформации белков», являются основной причиной смерти и инвалидности среди пожилых людей. Однако эффективных лекарственных средств или методов лечения не существует.
Несколько факторов, повышающих риск этих расстройств, включая возраст, диету, стресс и употребление антибиотиков, также связаны с изменениями в микробиоме кишечника. Кроме того, несбалансированный микробиом кишечника или кишечная инфекция могут усугубить нейродегенеративные заболевания.
Однако сложность микробиоты кишечника человека, которая представляет собой сообщество микроорганизмов, живущих в кишечнике, и факторы окружающей среды, такие как диета, представляют огромные проблемы для ученых, пытающихся точно определить роль бактерий. Чтобы обойти некоторые из этих сложностей, исследователи обратились к крошечному червю-нематоде под названием Caenorhabditis elegans. Ученые использовали червей в качестве «пробирок» для изучения влияния отдельных видов бактерий на неправильное сворачивание белка.
Почему Caenorhabditis elegans?
Каждый червь имеет длину всего 1 миллиметр и ровно 959 клеток, но, как и у более крупных животных, у него есть кишечник, мышцы и нервы.
«Они похожи на живые пробирки», – заявляет автор исследования Даниэль Чиж (Daniel Czyż), сотрудник кафедры микробиологии и клеточных наук. «Их небольшой размер позволяет нам проводить эксперименты гораздо более контролируемым образом и отвечать на важные вопросы, которые мы можем применить в будущих экспериментах с высшими организмами и, в конечном счете, людьми».
Черви питаются бактериями, но в стерильной среде лаборатории у них нет собственной микробиоты.
«Однако эти нематоды могут быть колонизированы любыми бактериями, которыми мы их кормим, что делает их идеальной модельной системой для изучения влияния микроорганизмов на хозяина», – заявил профессор Чиж.
Материалы и результаты исследования
Чтобы определить, какие бактерии могут быть ответственны за неправильное сворачивание белка, исследователи один за другим скармливали C. elegans различным видам бактерий. Используя метод, который заставляет сгустки неправильно свернутого белка светиться зеленым под микроскопом, они сравнили ткани этих червей с тканями контрольных червей, которые питались своей обычной диетой из бактерий.
Когда исследователи колонизировали кишечник C. elegans патогенными бактериями, которые могут инфицировать кишечник человека, микроорганизмы не только нарушили свертывание белка в кишечнике червей, но и в их мышцах и нервных клетках.
Напротив, «хорошие» бактерии, которые синтезируют молекулу, называемую бутиратом, предотвращают слипание белка и связанные с ним токсические эффекты. Бутират – одна из нескольких короткоцепочечных жирных кислот, которые дружественные кишечные бактерии производят, когда они ферментируют клетчатку. Молекулы питают клетки, которые выстилают толстую кишку, и имеют несколько известных преимуществ для здоровья.
Обсуждение результатов исследования
Авторы нового исследования считают, что их результаты показывают потенциал использования микроорганизмов, продуцирующих бутират, для профилактики и лечения нейродегенеративных заболеваний.
«Мы видели, что черви, колонизированные определенными видами бактерий, были освещены агрегатами, которые были токсичны для тканей, в то время как те, которые были колонизированы контрольными бактериями, не были», – говорит Чиж. «Это произошло не только в тканях кишечника, где находятся бактерии, но и по всему телу червей, в их мышцах, нервах и даже репродуктивных органах».
Черви, колонизированные «плохими» бактериями, также потеряли некоторую подвижность, что является распространенным симптомом для людей с нейродегенеративными заболеваниями.
«Здоровый червь передвигается, катаясь и метясь. Когда вы поднимаете здорового червя, он скатывается с кирки – простого устройства, которое мы используем для обработки этих крошечных животных. Но черви с вредными бактериями не могли этого сделать из-за появления токсичных белковых агрегатов», – заявила Алисса Уокер (Alyssa Walker).
Напротив, бактерии, синтезирующие бутират, подавляли слипание белка и связанные с ним токсические эффекты. Недавние исследования показали, что кишечник людей с болезнью Паркинсона или болезнью Альцгеймера испытывает дефицит этих «хороших» бактерий.
«В настоящее время нет клинических испытаний бутирата и болезни Паркинсона, но, учитывая недавнее увеличение доказательств его полезного эффекта, вполне возможно, что вскоре мы сможем увидеть некоторые клинические исследования», – сказал проф. Чиж.
Одним из основных ограничений исследования было то, что микроскопические черви напрямую не моделируют болезнь Паркинсона или любое другое расстройство мозга. В то время как простота животных облегчает ученым изучение влияния отдельных видов бактерий на слипание белков, это также делает их плохой моделью для сложности людей. Сильными “нарушителями”, вызывающими скопление белка в червях, были два вида бактерий, называемых Klebsiella pneumoniae и Pseudomonas aeruginosa. Интересно, что исследования связали эти виды с повышенным риском конформационных заболеваний белка, таких как болезнь Паркинсона. Исследователи отмечают растущую распространенность устойчивости к антибиотикам у этих видов в последние годы. Они предполагают, что лечение антибиотиками стимулирует рост этих устойчивых к антибиотикам вредных бактерий при одновременном уменьшении хороших бактерий. В подтверждение этой гипотезы недавнее исследование показало, что анамнез антибиотикотерапии связан с повышенным риском развития болезни Паркинсона.
Статья по теме: Существует ли связь между COVID-19 и болезнью Паркинсона?
