Чревна микробиота при пациенти със синдром на раздразненото черво

Share on facebook
Share on twitter
Share on linkedin
Share on pinterest
Share on email
Share on reddit

Радислав Наков1, Иван Лютаков1, Атанаска Миткова2, Ваня Герова1, Вероника Петкова2, Силва Гирагосян2, Радка Кънева2, Венцислав Наков1

  1. Клиника по гастроентерология, УМБАЛ „Царица Йоанна – ИСУЛ“,  Медицински университет – София
  2. Център по молекулна медицина, Катедра Медицинска химия и биохимия, Медицински университет – София

ВЪВЕДЕНИЕ

Синдромът на раздразненото черво (СРЧ, IBS) е често срещащо се функционално нарушение в общата популация с голямо медицинско и социо-икономическо значение, свързано със значителна нетрудоспособност и разходи за лечение (1, 2). Той е най-често диагностицираното гастроинтестинално нарушение и едно от най-честите функционални нарушения на гастроинтестиналния тракт (ГИТ) в клиничната практика (41% от всички функционални ГИ нарушения). Честотата на СРЧ в развитите страни в общата популация е между 5 и 20% (3). СРЧ с диария често може да се сбърка с възпалително чревно заболяване (ВЧЗ, IBD) в клиничната практика.

Съществуват все повече доказателства за развитие на СРЧ в резултат на остър инфекциозен процес на ГИТ – постинфекциозен СРЧ или хроничен ентероколит. Настъпва при 10-30 % от пациентите след остър гастроентерит. В България се наблюдава в до 44 % от пациентите с IBS (4). Механизмите за това са различни: хронифициране и персистиране на клиничните чревни прояви след остра инфекция; морфологични увреждания и дезинтеграция на чревната лигавица ; нарушаване на бариерната функция с повишаване на чревния пермеабилитет  за  ексцесивната   луменна    експозиция   на   антигени; навлизането  на тези антигени  в лигавицата и активиране на локалната имунна, ендокринна и автономна нервна система; секретиране на проинфламаторни фактори, гастроинтестинални хормони, физиологично активни субстанции и др (4). 

Чревната микробиота е изключително сложна микробиологична екосистема, която населява цялата храносмилателна система. Плътността на микроботата е най-голяма в дебелото черво, където достига до 1012  клетки на грам луменно съдържимо.  Чревната микробиота е най-гъстата екосистема на Земята (5) и е толкова многобройна, че микробните клетки превъзхождат човешките соматични клетки. Общият брой на чревните микроорганизми все още не е определен, но се предполага, че варира между 5 000 (6) и 10 000 вида (7).

Понастоящем в човешката чревна микробиота (8) са открити повече от 1 000 известни микробни вида, докато много по-голям брой напълно непознати (некултивирани) видове заемат гастроинтестиналния тракт (ГИТ). Само малка част от всички тези хиляди видове обитават ГИТ на даден индивид (9). Специфичната комбинация от няколко стотици вида образува стабилна екосистема (10), чийто състав се определя от факторите на околната среда и генетиката на гостоприемника (11).

МИКРОБИОТА И СИНДРОМ НА РАЗДРАЗНЕНОТО ЧЕРВО

Някои от най-убедителните данни за взаимодействието между микробиома и симптоматиката при СРЧ идват от изучаването на Campylobacter enteritis, който значително увеличава интестиналния пермеабилитет и води до СРЧ в около 10% от случаите. Swan et al. (12) наблюдават мукозната генна експресия, както 6 месеца след инфекцията с C. jejuni, така и при пациенти със СРЧ и идентифицират няколко често срещани изменения в сравнение със здрави контроли, включително повишена TNFSF15 иРНК. Те продължават да изследват кандидат-гените, чиято експресия е показала абнормен ефект при двете групи пациенти, и потвърждават  повишение на главния алел на TNFSF15 SNP (13), свързан с диария-предоминиращия СРЧ и също идентифицират TNF-алфа полиморфизъм, свързан с постинфекциония СРЧ.

Друга прилика между IBS и IBD е асоциацията и на двете с повишената пропускливост на лигавицата. Знае се, че IL-22 регулира лигавичната пропускливост и секрецията му се модулира от IL-23, известен рисков фактор за ВЧЗ. IL-22-дефицитните мишки имат променена коменсална микробиота с повишено присъствие на Proteobacteria и редуцирани Firmicutes (14).

Проучване, сравняващо микробиотичния профил между 14 пациенти със СРЧ с предоминиращ запек и 12 контроли не показва разлика в хидролитичните бактерии, но демонстрира намаление в броя на лактат-използващите бактерии (основно Bifidobacteria и Lactobacilli) и 100 пъти повишение при сулфат-редуциращите бактерии (15). Ex-vivo ферментационни експерименти потвърждават, че микробиотата при пациенти със СРЧ продуцира по-малко бутират, но значително повече сулфид. H2S се смята за важен невротрансмитер причиняващ свръхчувствителност към дистония на дебелото черво и може да бъде медиатор на влиянието на микробиотата. Жлъчните киселини могат също да повишат чувствителността на червата към раздуване. Фекалните първични жлъчни киселини са повишени както при ВЧЗ (16), така и при СРЧ (17) в сравнение с контроли, вероятно поради намаляване на метаболизма, причинено от ускоряване на транзита на дебелото черво или от анормална микробиота.

Разбирането на ролята на микробиотата при СРЧ е обобщено наскоро (18), но въпреки това броят на проучванията по темата е ограничен. Най-голямото от тях досега е от Финландия (19),  което установява, че чрез използването на 129 родови маркери в 16sRNA гена, може да се различи микробиотата на здрави индивиди от тази на пациенти със СРЧ. Firmicutes доминират, но съотношението на Firmicutes/Bacteroidetes е по-високо при СРЧ, които имат по-ниски нива на Bifidobacteria и леко увеличение на Gammaproteobacteria. Наблюдавана е негативна корелация с общия симптомен скор за някои родови групи като Faecalibacterium и Eubacterium rectale, но положителна корелация с Gammaproteobacteria. Jeffery et al (20) използва по-малка шведска кохорта (37 пациенти със СРЧ сравнени с 20 здрави индивиди). Те идентифицират три клъстера пациенти със СРЧ на базата на микробиотата им, два от които имат значително увеличение на съотношението Firmicutes / Bacteroidetes и са различни от контролите, докато останалите 15/37 са групирани с микробиотата на здравите индивиди.

МЕТОДИ ЗА ОЦЕНКА НА МИКРОБИОТИЧНИЯ ПРОФИЛ И ДИСБИОЗАТА

Идентифицирането и количественото определяне на микробите, използвайки класически микробиологични методи, се основава на растежа на специфични среди, броя на колониите и тяхната морфологична и биохимична характеристика (21). За съжаление анализът на микробиотата, използващ култивацията, е труден, бавен и скъп (22). Най-големият недостатък на класическото култивиране обаче е неговата неточност (23). Естествената система за идентификация на видовете се постига едва след въвеждането на филогенетичен маркер – секвенция на 16S в прокариоти и 18S рибозомна РНК в еукариоти – за идентификация на видовете (24).

Молекулните методи не вилияят само на точността на микробиологичната идентификация и класификация, но също така позволяват бърз и по-информативен анализ на сложните екосистеми като чревната микробиота. Оценката на състава на микробиотата се основава на сравнението на 16S/18S рРНК последователността, получена от реална микробиотична проба (обикновено фецес или биопсия) с референтни секвенции от познати, култивирани организми. Сходство на последователността по-високо от 98.2% от чревната последователност с най-близката относителна култура, показва, че и двете последователности произлизат от един и същ организъм (25) и ако се получи такъв резултат, може да се направи заключението, че определен вид е открит в съответната проба. Въпреки това, ако сходството на последователността е под този праг, се стига до заключението, че последователността идва от неизвестен (некултивиран) микробен вид, който може да бъде позициониран в същия род като най-близкия възможен (> 95% прилика), семейство (>90%  сходство) или по-висок таксономичен ранг.

Класическите методи за култивиране все още имат важно място в изследването на състава на чревната микробиота, тъй като изучаването на екосистемата идва чрез учението за нейните членове. Понастоящем по-голямата част от чревните микроби са некултивирани видове, които са докладвани само въз основа на тяхната 16S/18S рPHK последователност. По-голямата част от тези некултивирани видове се от тип Firmicutes, който съставлява най-преобладаващата група микроорганизми в червата. Функционирането, метаболизмът и взаимодействието с гостоприемника на тези преобладаващи микроби е напълно неизвестно и само след изолирането и описанието на тези видове ще се създаде основа за проучвания, които ще изяснят функциите на чревната микробиота в здраве и болест.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Подробното профилиране на чревната микробиота би позволило определяне на микробиотни профили при здравите контроли и пациентите със СРЧ. Това би подобрило разбиранията ни в патогенезата на функционалните чревни заболявания. Способността за характеризиране на микробиотичния профил, както при нормобиотични, така и при дисбиотични пациенти би помогнало за оценката на ефикасността и по-нататъшното развитие на терапевтични подходи като трансплантация на фекална микробиота, специални диети и използване на пробиотици.

Благодарност:

Статията е осъществена и публикувана благодарение на проект  с вх. N 8295/21.11.2018 г., конкурс „Грант 2019“ на Медицински университет – София

Библиография:

  1. Spinelli A. Irrirable bowel syndrome. Clin Drug Invest 2007: 27 (1): 15-33
  2. Сamilleri M, Dubois D, Coulie B, et al. Prevalence and socioeconomic impact of upper gastrointestinal disorders in the United States: Results of the US Upper Gastrointestinal Study. Clin Gastroenterol. Hepatol. 2005;3:543-552
  3. Drossman DA. The Rome IV Committees, editor. History of functional gastrointestinal symptoms and disorders and chronicle of the Rome Foundation. In: Drossman DA, Chang LC, Kellow WJ, Tack J, Whitehead WE, editors. Rome IV functional gastrointestinal disorders: disorders of gut-brain interaction. Raleigh, NC: The Rome Foundation; 2016. pp. 549–576.
  4. Nakov VN, Gerova VA, Nakov RV. Fecal Calprotectin is a reliable non-invasive marker for assessment of intestinal inflammation in patients with irritable bowel syndrome. Compt rend Acad Bulg Sci, 66, 2013, 9, 1339-1344
  5. Whitman, W. B., Coleman, D. C., Wiebe, W. J.: Prokaryotes: The unseen majority, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1998 95: 6578-6583.
  6. Rajilić-Stojanović, M., Smidt, H., de Vos, W. M.: Diversity of the human gastrointestinal tract microbiota revisited., Environ. Microbiol., 2007 9: 2125-2136.
  7. Yatsunenko, T., Rey, F. E., Manary, M. J., Trehan, I., Dominguez-Bello, M. G., Contreras, M., Magris, M., Hidalgo, G., Baldassano, R. N., Anokhin, A. P., et al.: Human gut microbiome viewed across age and geography, Nature, 2012 486: 222-227.
  8. Rajilić-Stojanović, M., de Vos, W. M.: The first 1000 cultured species of the human gastrointestinal microbiota, FEMS Microbiol. Rev., 2014 38: 996–1047.
  9.  Qin, J., Li, R., Raes, J., Arumugam, M., Burgdorf, K. S., Manichanh, C., Nielsen, T., Pons, N., Levenez, F., Yamada, T., et al.: A human gut microbial gene catalogue established by metagenomic sequencing, Nature, 2010 464: 59-65.
  10. Rajilić-Stojanović, M., Heilig, H. G. H. J., Tims, S., Zoetendal, E. G., de Vos, W. M.: Long-term monitoring of the human intestinal microbiota composition, Environ. Microbiol., 2013 15: 1146-1159.
  11. Benson, A. K., Kelly, S. A., Legge, R., Ma, F., Low, S. J., Kim, J., Zhang, M., Oh, P. L., Nehrenberg, D., Hua, K., et al.: Individuality in gut microbiota composition is a complex polygenic trait shaped by multiple environmental and host genetic factors, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2010 107: 18933-18938.
  12. Swan C, Duroudier NP, Campbell E, et al. Identifying and testing candidate genetic polymorphisms in the irritable bowel syndrome (IBS): association with TNFSF15 and TNFalpha. Gut 2013; 62:985–994
  13. Zucchelli M, Camilleri M, Andreasson A N, et al. Association of TNFSF15 polymorphism with irritable bowel syndrome. Gut 2011; 60:1671–1677.
  14. Zenewicz LA, Yin X, Wang G, et al. IL-22 deficiency alters colonic microbiota to be transmissible and colitogenic. J Immunol 2013; 190:5306–5312.
  15. Chassard C, Dapoigny M, Scott KP, et al. Functional dysbiosis within the gut microbiota of patients with constipated-irritable bowel syndrome. Aliment Pharmacol Ther 2012; 35:828–838
  16. Duboc H, Rajca S, Rainteau D, et al. Connecting dysbiosis, bile-acid dysmetabolism and gut inflammation in inflammatory bowel diseases. Gut 2013; 62:531–539.
  17. Duboc H, Rainteau D, Rajca S, et al. Increase in fecal primary bile acids and dysbiosis in patients with diarrhea-predominant irritable bowel syndrome.Neurogastroenterol Motil 2012; 24:513–520.
  18. Simren M, Barbara G, Flint HJ, et al. Intestinal microbiota in functional bowel disorders: a Rome foundation report. Gut 2013; 62:159–176.
  19. Rajilic-Stojanovic M, Biagi E, Heilig HG, et al. Global and deep molecular analysis of microbiota signatures in fecal samples from patients with irritable bowel syndrome. Gastroenterology 2011; 141:1792–1801.
  20. Jeffery IB, O’Toole PW, Ohman L, et al. An irritable bowel syndrome subtype defined by species-specific alterations in faecal microbiota. Gut 2012; 61:997–1006.
  21. Rogosa, M.: Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology. (Williams & Wilkins, Baltimore) 1984: Pages
  22. Moore, W. E. C., Holdeman, L. V.: Special problems associated with the isolation and identification of intestinal bacteria in fecal flora studies., Am. J. Clin. Nutr., 1974 27: 1450-1455.
  23. Rajilić-Stojanović М. Analysis of the gut microbiota composition – possiblities and perspectives for clinical practice and research. ACTA CLINICA 2015; 15 (2): 32-46.
  24. Woese, C. R., Kandler, O., Wheelis, M. L.: Towards a natural system of organisms: proposal for the domains Archaea, Bacteria, and Eucarya., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1990 87: 4576-4579.
  25. Meier-Kolthoff, J. P., Göker, M., Spröer, C., Klenk, H. P.: When should a DDH experiment be mandatory in microbial taxonomy?, Arch. Microbiol., 2013 195: 413-418.
Share on facebook
Facebook
Share on twitter
Twitter
Share on linkedin
LinkedIn
Share on pinterest
Pinterest
Share on email
Email