При дисбактериозе слизь в кале: Дисбактериоз: кишечные баталии

Содержание

Дисбактериоз: кишечные баталии

Фото носит иллюстративный характер. Из архива «МВ».

Едва ли найдется человек, у которого никогда не было изжоги, отрыжки, тошноты, боли в животе, метеоризма или нарушений стула. Однако за медпомощью люди обращаются только в том случае, если симптомы регулярно дают о себе знать или проявляются остро. Большинство до поры до времени лечатся самостоятельно, пользуясь распространенными «желудочными» средствами на свое усмотрение.

Цель — баланс

Пищеварительный тракт — гетерогенная бактериальная экосистема. Вследствие низкого значения pH желудок здорового человека можно считать стерильной средой.

В кишечнике условия для роста микроорганизмов лучше. В тонком бактерий немного — 104–106/мл (высокое значение pH и быстрый транзит не способствуют увеличению их количества), а в толстом — в 100 000 раз больше.

Кишечник является строго анаэробной системой, богатой питательными веществами, с кислотностью среды от нейтральной до слабощелочной. Его бактериальная экосистема включает от 400 до 500 типов микроорганизмов, которые взаимодействуют. Многие являются компенсалами, помогают расщеплять неперевариваемые соединения, содержащиеся в пище.

У практически здоровых людей около 96% микрофлоры кишечника составляют представители облигатной (т. е. постоянно встречающейся) микрофлоры: бифидо- и лактобактерии, бактероиды, непатогенная кишечная палочка и др.

Вторая группа, куда входят факультативная (непостоянная) и условно-патогенная микрофлора, занимает лишь 2–4% от общего количества микроорганизмов. При определенных условиях (снижение местного, а тем более общего иммунитета) вызывает внутрикишечные и общие нарушения. Факультативная группа представлена микрококками, протеем, стафилококками, клостридиями, цитробактерами и др.

Третью группу составляет транзиторная (случайная) патогенная микрофлора: клостридии, синегнойная палочка, грибы рода Candida. На ее долю приходится 0,001–0,01%.

В процессе постоянного взаимодействия макро- и микроорганизмов формируется уникальная экосистема, находящаяся в состоянии динамического баланса. Существенную роль играют облигатные и факультативные анаэробы: бифидо-, лакто- и энтеробактерии, а также энтерококки. Бифидобактерии создают кислую среду и тем самым препятствуют размножению вредной микрофлоры. Кроме того, обладают выраженным антагонизмом в отношении патогенов, улучшают процессы пищеварения, поддерживают витаминный баланс и иммунный статус, участвуют в синтезе незаменимых аминокислот.

Нарушение бактериоэкологического равновесия в ЖКТ приводит к формированию дисбактериоза (дисбиоза) кишечника.

Нехорошие перемены

Дисбактериоз кишечника — это клинико-лабораторный синдром, возникающий при разных патологических состояниях. Характерны изменения количественного и (или) качественного состава нормофлоры, метаболические и иммунологические нарушения; у некоторых пациентов добавляются симптомы поражения кишечника.

Кишечная микрофлора взрослого человека довольно устойчива к переменам в питании. Между тем стоит помнить, что еда, богатая углеводами, стимулирует бифидофлору и ведет к увеличению бактериальной массы толстого кишечника. Белковые блюда не влияют на спектр и количество кишечных бактерий, а жиры угнетают бифидобактерии и энтерококки, но стимулируют размножение бактероидов. «Пищевой» дисбиоз чаще носит временный характер и исчезает при переходе на здоровый сбалансированный рацион.

При заболеваниях местного и общего характера изменяется микробный пейзаж толстой кишки. Дисбактериоз регистрируется у большинства пациентов с поражением ЖКТ инфекционной и неинфекционной природы, после острых вирусных и бактериальных инфекций внекишечной локализации, при хронической воспалительной и аллергической патологии, у страдающих злокачественными заболеваниями и лейкозами, на фоне применения цитостатиков и особенно антибиотиков. Антибиотикозависимые дисбиозы стабильны и требуют активной терапии.

Сдвиги в микрофлоре кишечника вторичны — отражают воздействие факторов, изменяющих статус кишечника или внутренний баланс самого микробиоценоза. Нарушение микробного равновесия может осложнять многие патологические состояния, быть атерогенным явлением, связанным с антибактериальной, гормональной и другой терапией, несбалансированным питанием и т. д.

Один из частых вариантов (удельный вес порой достигает 31%) дисбактериоза кишечника — кандидозный, при котором имеет место избыточный рост грибов рода Candida. Он нередко ассоциируется с пищевой аллергией и аллергическими заболеваниями вообще, а также с курением.

Лабораторные поиски

Клиническая картина дисбактериоза кишечника вариабельна, а выраженность симптоматики не всегда напрямую зависит от степени дисбиотических нарушений. Ранними и наиболее специфическими симптомами можно считать повышенное газообразование, нарушение переваривания пищи (кишечная диспепсия), изменение характера стула; при развитии дисбактериоза на фоне колита — болевой синдром, патологические примеси в кале (слизь). В более тяжелых случаях добавляются интоксикация, диарея и обезвоживание, снижение массы тела.

В диагностике и трактовке кишечного дисбактериоза большое значение имеет копрологическое исследование, дающее возможность охарактеризовать пищеварительную, ферментовыделительную, всасывательную и двигательную функции кишечника. В последнее время получили распространение методы, основанные на выявлении метаболитов микроорганизмов, — газожидкостная и ионная хроматография. В лабораториях проводят бактериологические исследования фекалий и посев на питательные среды соскобов со слизистых оболочек.

Золотым стандартом диагностики синдрома избыточного роста бактерий считается интестиноскопия с аспирацией содержимого тонкой кишки и посевом аспирата на питательную среду. Но эта методика сложна, требует общей анестезии и хорошей бактериологической базы с возможностью культивирования аэробов и анаэробов, а результат приходится ждать порядка 10 дней.

Синдром избыточного роста бактерий выявляется также по данным дыхательного теста с меченым Н2 — с лактулозой или галактозой. Бактерии разлагают лактулозу, в результате чего освобождается меченый Н2, концентрация которого затем может быть измерена в выдыхаемом воздухе. В норме лактулоза расщепляется лишь микрофлорой в толстом кишечнике. При дисбиозе и тонкая кишка заселяется микроорганизмами, расщепляющими лактулозу. При этом следует исключить ускоренное продвижение субстрата по тонкой кишке.

Посев дуоденального аспирата тоже подтверждает синдром избыточного роста бактерий: при патологии содержание микроорганизмов >106/мл (общее количество бактерий в просвете тощей кишки не превышает 104–106/мл).

Микрофлора различных отделов пищеварительного тракта значительно отличается количественно и качественно.+

Микробиологическое исследование фекалий лишь косвенно может свидетельствовать о микробном неблагополучии, т. к. состав фекальной микрофлоры отражает ситуацию только в толстой кишке, а точнее — в дистальном отделе.

Настрой на победу

Профилактика и особенно лечение дисбактериоза кишечника должны быть комплексными и предполагать:

устранение избыточного бактериального обсеменения тонкой кишки;

восстановление нормальной микробной флоры толстой кишки;

улучшение кишечного пищеварения и всасывания;

восстановление нормальной моторики кишечника;

стимулирование реактивности организма.

Важнейшими нормальными обитателями толстого кишечника человека являются бифидобактерии (вид анаэробных палочковидных грамположительных бактерий) — 3–7% от общей фекальной микрофлоры взрослых. Нужны и лактобактерии.

Восстановлению качества и количества бифидобактерий способствует увеличение в рационе пектинов (растворимых пищевых волокон), а для лактобактерий лучшие продукты — кисломолочные. Антибиотическую активность последних повышают путем добавления никотиновой кислоты (на 1 л — 6–8 мг), тиамина (4–6 мг), токоферола (1–3 мг).

Для профилактики и лечения дисбактериоза широко используются пробиотики и пребиотики.

Пробиотики — это живые микроорганизмы (молочнокислые бактерии, чаще бифидо- или лактобактерии), нормальные обитатели кишечника здорового человека, улучшающие микробный баланс. Обладают антагонистическими свойствами по отношению к патогенам (третья группа): конкурируют за рецепторы на эпителиоцитах, питательные вещества; способны выделять ингредиенты (цитокины, масляную кислоту), ингибирующие рост патогенных бактерий. Монокультуру или комплекс живых микроорганизмов дополняют веществом, стимулирующим их колонизирующую способность и размножение.

Пробиотики содержатся в молочных продуктах со специальной закваской, кукурузных хлопьях, крупах, черном хлебе.

При наличии бродильных процессов в кишечнике надо ограничивать углеводы, пищевые волокна (клетчатку), при гнилостных — белки и жиры.

Каждому, у кого высок риск развития дисбиоза, следует избегать цельного молока, бобовых, а также продуктов, богатых эфирными маслами (чеснок, зеленый лук, репа, редька).

Для стабилизации микрофлоры кишечника в рацион включают морковный сок, сою, дрожжевой, тыквенный, картофельный и рисовый экстракты, молочную сыворотку и молозиво (обладают бифидогенным действием).

Используют растительные компоненты и при стафилококковом дисбактериозе. Полезны лесная земляника, рябина, малина, черника, шиповник, черная смородина. При протейном дисбактериозе нужны абрикосы и черная смородина; при наличии гнилостных бактерий — клюква и абрикосы. Если имеет место избыточный рост грибов рода Candida, стоит налегать на бруснику, стручковый перец, морковь.

При торпидно протекающем дисбактериозе рекомендуют дополнять лечение, подключая эффект от приема эвкалипта, календулы, аира, зверобоя. Когда подтвержден грибковый дисбактериоз с бродильной диспепсией, положительное влияние окажет цикорий растворимый.

Кроме пробиотиков, важное значение в профилактике и лечении дисбактериоза кишечника имеют пребиотики (к ним в основном относят растворимые пищевые волокна класса углеводов: фруктоолигосахариды, галактоолигосахариды). В желудке и тонкой кишке они избегают гидролиза пищеварительными ферментами и достигают толстой кишки в неизменном виде. Там подвергаются ферментации бифидо- и лактобактериями, что приводит к увеличению количества флоры и объема каловых масс. При этом важно подчеркнуть, что фруктоолигосахариды представляют собой энергетический субстрат для представителей нормальной микрофлоры кишечника (бифидо- и лактобактерий). В процессе ферментации образуются короткоцепочечные жирные кислоты (преимущественно уксусная, пропионовая, масляная), которые снижают рН в кишечнике, стимулируют перистальтику.

Укреплению защитного барьера толстой кишки при потреблении пребиотиков способствует и стимуляция выработки в ней слизи. Повышенное слизеобразование энтероцитами может быть следствием снижения рН при возросшем синтезе короткоцепочечных жирных кислот микрофлорой кишечника в ответ на введение пребиотиков. Свойствами пребиотиков в наибольшей степени обладают инулин, лактулоза, лактил, олигосахариды, лактоолигосахариды, хилак форте и др.

Инулин присутствует в клетках цикория, артишока, корней одуванчика, клубней топинамбура, фасоли, петрушки. Наиболее хорошо изучен как бифидогенный фактор — избирательно ускоряет рост и метаболизм бифидобактерий. Прием 5 г/день олигофруктозы или ≤8 г/день инулина обеспечивает значительное изменение состава кишечной микрофлоры, увеличивая численность бифидобактерий и снижая количество патогенов.

Пробиотики и пребиотики могут применяться для профилактики и лечения дисбактериоза кишечника, в т. ч. при назначении эрадикационных схем лечения Helicobacter pylori при гастроэзофагеальной рефлюксной, язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки, эрозивных гастро- и дуоденопатиях.

Применение антибиотиков нежелательно, т. к. они могут усугублять дисбиоз кишечника. Целесообразно использовать препараты, минимально влияющие на симбиотическую флору и в тоже время подавляющие рост патогенных микроорганизмов. К таким относятся нитрофураны (нифуроксазид, интетрикс) — т. н. кишечные антисептики.

Пациентам с кишечной диспепсией показаны ферментные препараты. Чаще используют панкреатин (мезим форте, трифермент, креон). При стеаторее и гипомоторной дискинезии кишечника к панкреатину добавляют желчные кислоты (панзинорм), при бродильных расстройствах — гемицеллюлозу (фестал, энзистал, дигестал). Для улучшения процессов всасывания можно назначать мембраностабилизирующие препараты (карсил, эссенциале).

При дисбактериозе, особенно в период реабилитации, показаны иммуномодуляторы (натрия нуклеинат, витамины), растительные адаптогены (элеутерококк, женьшень, эхинацея). Когда отмечена тенденция к лейкопении и требуется усилить эпителизацию слизистой оболочки, можно использовать метилурацил и пентоксил (не более двух недель).

Иван Броновец, профессор кафедры кардиологии и внутренних болезней БГМУ, доктор мед. наук
Медицинский вестник, 12 сентября 2016

🧬 Анализ на «дисбактериоз»: пожалуйста, хватит

Прилетели как-то на Землю инопланетяне. Посмотрели: ледники тают, озоновые дыры растут, панды не размножаются. Стали думать, отчего это все. Спустились в московский район Бирюлево. Взяли сотню человек, раздели, пощупали, допросили. Сделали вывод: озоновые дыры — из-за брюнетов (много их попалось), панды не размножаются из-за мужиков — их на летающей тарелке оказалось больше половины. Ну, а глобальное потепление — из-за рубля: у всех жителей Бирюлево в карманах оказалась эта валюта. Улетели инопланетяне к себе домой и по результатам исследования напечатали своими зелеными щупальцами десять кандидатских диссертаций.

Вот как-то так и проводится «анализ на дисбактериоз». Поговорим об этом диагнозе с гастроэнтерологом GMS Clinic Головенко Алексеем.

Что не так с этим исследованием? Его же так часто назначают врачи!

Давайте оговоримся: его назначают врачи только в странах бывшего СССР. За пределами этих государств простой посев стула для выявления дисбаланса микрофлоры не выполняется. Вы не найдете указаний на необходимость этого исследования ни в руководстве WGO по синдрому раздраженного кишечника, ни в рекомендациях ACG (Американской коллегии гастроэнтерологов) по острой диарее, ни в стандарте AAFP (Американской ассоциации семейных врачей) по наблюдению новорожденных с коликами. Ну и, естественно, никакого диагноза «дисбактериоз» нет ни в Международной классификации болезней, ни в хотя бы одном (!) нерусскоязычном учебнике.8 в грамме стула. Ссылок на литературу в стандарте полно, но, что подозрительно, среди них нет ни одной зарубежной публикации. Ну а сами статьи и учебники не описывают, как именно сравнивали микрофлору здоровых и больных людей, то есть как именно был сделан вывод о нормальном содержании той или иной бактерии.

Бактерии, обнаруживаемые в стуле (который формируется в толстой кишке) — это совсем не те же бактерии, что обитают в ротовой полости или тонкой кишке. Кроме того, бактерии в стуле (то есть в просвете кишки) — это совсем не бактерии, обитающие в слизи, защищающей кишечную стенку. Вообще, через наш пищеварительный тракт «пролетает» безумное количество чужеродных бактерий, грибов и вирусов. К счастью, большая их часть не могут подобраться к кишечной стенке: обитающая там пристеночная микрофлора конкурирует с «пришельцами». Мы называем это явление колонизационной резистентностью, и именно ему мы обязаны тем, что первая же проглоченная со стаканом московской воды условно-патогенная бактерия не вызывает у нас понос.

Состав и соотношение кишечных бактерий у каждого человека свои. Изучив (не посевом кала, конечно, а сложнейшими генетическими методами) состав бактерий в стуле, можно, например, угадать принадлежит ли образец жителю Нью-Йорка или побережья Амазонки. Ну, или в каком регионе отдельной страны (например, Дании). проживает человек, отправивший на анализ свои фекалии. В общем, истинный состав кишечной микрофлоры — наши «отпечатки пальцев», и предполагать некую общую норму, а уж тем более судить о «нормальности» флоры всего по 20 видам из 1000 — смешно.

То, будут ли размножаться бактерии на питательной среде, зависит не только от того, какие бактерии в стуле живут, но и от того, как стул собрали (с унитаза, со стерильной бумаги), как хранили (в холодильнике, у батареи, у окна), как быстро доставили в лабораторию. Много ли людей, которым рекомендовали анализ на дисбактериоз читали вот эту инструкцию, согласно которой кал нужно собрать в стерильную посуду, поместить в холодильник и нести в лабораторию не в руках, а в термосе с кубиком льда? Впрочем, даже при совершении этих действий результат анализа на дисбактериоз интерпретировать нормальный врач не может. А значит, не должен и пытаться это сделать.

В питательной среде появились колонии бактерий. К счастью для нас, действительно опасная Сальмонелла растет в питательной среде. Большая часть кишечных бактерий, увы, нет.

Так что, нет такого понятия — «дисбактериоз»?

Конечно, есть. Например, псевдомембранозный колит — тяжелое воспаление толстой кишки после антибиотика — самый настоящий дисбактериоз: погибли конкуренты, и поэтому размножается Clostridium difficile. Только для того, чтобы это лечить, совершенно не нужно констатировать очевидное — состав бактерий в кишке изменился. Достаточно подтвердить инфекцию (выявить токсины C.difficile) и назначить лечение.

Кишечная микрофлора, вне сомнения, влияет на все процессы в нашем организме. Пересадив стул от мыши с ожирением мышке с нормальным весом, у последней мы вызываем ожирение. Состав кишечных бактерий принципиально разный у людей с тревожностью и депрессией. Ну, а добавление пробиотика Bacteroides fragilis мышам, у которых искусственно вызвали аутизм, улучшает их социальные навыки. Прочитайте популярную книгу «Смотри, что у тебя внутри» известного микробиолога Роба Найта: наши знания о микрофлоре колоссальны, но применять их на практике (то есть для лечения болезней) мы пока только начинаем.

Состав бактерий можно и нужно изучать. Этому посвящено амбициозное международное исследование Human Microbiome Project с бюджетом $115 млн. Естественно, никакие «посевы стула» при этом не используются. Для анализа микробных «джунглей» кишечника используются методы метагеномики. Они позволяют описать, сколько уникальных последовательностей ДНК присутствует у конкретного человека, какие группы бактерий преобладают, а какие отсутствуют. К слову, когда такие технологии (например, секвенирование 16S-рРНК появились, выяснилось, что 75% видов, обнаруживаемых при генетическом анализе того же кала, вообще не известны науке.

Стоп. То есть делать посев стула вообще нет смысла?

Я этого не говорил. Мы обязательно выполняем посев стула, если хотим выявить рост по-настоящему вредных бактерий. Например, у человека с кровавой диареей мы пытаемся найти Сальмонеллу или Шигеллу, Кампилобактерию или особую разновидность кишечной палочки. Здесь посев кала жизненно необходим, ведь так мы сможем назначить лечение антибиотиком — убить конкретного возбудителя.

Грамотный врач выполняет диагностический тест только тогда, когда его результат может изменить лечение. Если и при «дефиците» лактобактерий, и при «избытке» кишечной палочки будет назначено одно и то же лекарство или диета, анализ является пустой тратой денег.

Полноценное исследование собственной микрофлоры уже можно сделать на коммерческой основе в США и Европе. Стоит «удовольствие» около 100 евро, и в результате генетического анализа микрофлоры вы получите заключение (например, вот такое) о преобладающих в вашем пищеварительном тракте бактериях. Проблема в том, что и эти результаты невозможно применить на практике. Потому что:

пока у нас НЕТ способа, избирательно менять состав кишечных бактерий.

Предположим, мы однозначно установили, что у человека имеется дефицит какой-то конкретной микроорганизмы (например, лактобактерий). Мы можем:

Дать пробиотик (то есть конкретную живую бактерию) и надеяться, что она останется жить в кишечнике.

Дать пребиотик (то есть «корм» для бактерии) и надеяться, что это усилит рост именно нужной нам бактерии.

Дать антибиотик (яд для бактерии) и надеяться, что погибнет именно чрезмерно размножившаяся бактерия.

Пересадить человеку чужую микрофлору — сделать трансплантацию фекальной микробиоты (ввести разбавленный стул здорового человека больному человеку).

Очевидно, избирательным действием можно считать только назначение пробиотика. Максимальная доза лучшего коммерческого пробиотика — это 10 млрд. жизнеспособных бактерий в дозе препарата. В кишечнике обитает около 100 триллионов бактерий. То есть, на каждую бактерию «из аптеки» приходится 10 тысяч бактерий, уже «проживающих» в кишке. Маловероятно, что это ничтожное количество бактерий сможет преодолеть колонизационную резистентность и «заселить» кишку. Кроме того, механизм действия пробиотиков (когда они работают) может вообще быть связан с не с самими бактериями: у трансгенных мышей, предрасположенных в воспалению кишечника это самое воспаление удалось остановить, применяя не «живой» пробиотик, а вообще ДНК и некоторые белки, выделенные из «убитого» температурой препарата.

Ну, а главное: одно дело — теория и лабораторные исследования, другое дело — клинические испытания (то есть изучение эффекта препаратов у людей). Разберем три типовых для России ситуации, когда человеку предлагают сдать «анализ кала на дисбактериоз»:

Колики у новорожденного

Мама жалуется, что ребенок много плачет. К слову, любой ребенок в первые три месяца жизни кричит от 117 до 133 минут в сутки (мета-анализ). Наличие или отсутствие колик (беспричинный крик более 3 часов за день хотя бы 3 дня в неделю), в целом, не влияет на риск задержки развития ребенка. В одном исследовании, простая беседа с родителями о «безопасности» колик уменьшала продолжительность плача с 2,6 до 0,8 часов в день. Дети — эмпаты.

Чаще бывает не так. Выполняется анализ кала на дисбактериоз, там, естественно (норма-то взята с «потолка»), обнаруживаются «отклонения». Назначается пробиотик. И часто ведь помогает: еще бы, ведь частота колик неумолимо снижается с возрастом ребенка. При этом уверенности в том, что пробиотики вообще эффективны при коликах, у нас нет. Многочисленные мета-анализы, посвященные лечению и профилактике этого состояния, не смогли однозначно подтвердить эффективность пробиотиков. Возможно, какое-то полезное действие оказывает пробиотик Lactobacillus reuteri. Вот только для того, чтобы назначить этот препарат, анализ кала на «дисбактериоз» нам совершенно не нужен.

Атопический дерматит у ребенка

Все уверены, что проблемы с кожей — от «живота». Будь это так, наверное, атопический дерматит прекрасно лечился бы пробиотиками. Но этот подход не слишком эффективен. Последний мета-анализ свидетельствует: применение пробиотиков (главным образом, Lactobacillus rhamnosus GG) несколько уменьшает выраженность экземы, но эффект этот весьма символический, а дополнительная терапия пробиотиком не позволяет сократить частоту применения местных стероидов, которые (вместе с увлажнением кожи) остаются основой лечения атопического дерматита. И вновь: назначить этот пробиотик мы можем вне зависимости от «результатов» «анализа на дисбактериоз».

Вздутие и спазмы в животе у взрослого

Вздутие живота чаще всего является проявлением избыточного бактериального роста в тонкой кишке (СИБРа), при котором помогает не пробиотик, а антибиотик, например, рифаксимин. Это состояние диагностируется при помощи специального дыхательного теста. Нередко постоянное вздутие живота является следствием внешнесекреторной недостаточности поджелудочной железы: дефицит ферментов в стуле можно выявить при помощи теста на фекальную эластазу, назначив при снижении постоянную терапию ферментами. Но чаще всего ощущение «вздутия» связано с повышенной чувствительностью кишки (висцеральной гиперчувствительностью), которая развивается у людей с синдромом раздраженного кишечника. Как вы уже догадались, для того, чтобы оценить количество бактерий в тонкой кишке, функцию поджелудочной железы или чувствительность кишки к растяжению, изучать 20 бактерий в кале бессмысленно. Да и эффективность пробиотиков при синдроме раздраженного кишечника вызывает сомнения.

Так нужно хоть в какой-то ситуации сдавать «кал на дисбактериоз»?

Нет. Никогда. Ни при каких обстоятельствах. Мы не лечим вздутие живота, изучая линии на ладони. Мы не лечим сыпь, глядя в хрустальный шар. Мы не делаем бессмысленный анализ на дисбактериоз, чтобы назначить лечение.

Мы ждем, когда доказательная медицина предложит нам эффективные препараты и практические способы понять, что не так с нашими бактериями.

Жду вместе с вами!

Источник: deti.mail.ru

о чем свидетельствует слизь и кровь

Дисбактериоз – это диагноз, объединяющий различный нарушения микрофлоры кишечника. Связан с изменением состава и вида бактерий – лактобактерии и бифидобактерии уменьшаются, патогенные микроорганизмы растут и развиваются. В различных степенях проявления заболевание диагностируется у 90% людей взрослого возраста. На сбои указывают симптомы – боль в животе, нарушение стула, слизь в кале при дисбактериозе.

Особенности испражнения при дисбактериозе

Взрослый человек носит внутри себя 2-3 кг микроорганизмов разного вида (500 типов). Заселяют кишечник и пищеварительную систему, отвечают за переваривание пищи. Если начался дисбактериоз, определить его можно по цвету и виду кала.

Зеленый цвет. Указывает на наличие воспалительного процесса. Нарушенная работа пищеварительной системы, пища плохо переваривается, остатки начинают гнить. У больного наблюдаются дополнительные симптомы: слабость, рвота, тошнота, колит, вздутие живота, болезненные спазмы внизу живота, газообразование.
Светлый с гнилостным запахом. Появляется в результате употребления запрещенных продуктов: сладости и алкоголь, кондитерские изделия, масла, сметана, жирные сливки.
Серый стул при дисбактериозе – признак патологических процессов в кишечнике, недостаточной выработке желчи и начало воспалительного процесса.

О чем говорит кровь в кале

Если микрофлора в течение длительного периода времени нарушена и больной не получает лечения, начинаются пугающие проявления заболевания в виде кровавых прожилок. Симптом говорит о нарушении целостности оболочек кишечника. В зависимости от тяжести травм испражнение меняет вид.

Скрытый вид кровотечения. Отсутствуют прожилки и сгустки, кал окрашен в темный, черный цвет. Характеризует травму тонкого кишечника. По ходу движения к выходу кровь сворачивается и превращается в билирубин и железо.

Если имеется кровавая прожилка, сосуд или стенка повреждена на выходе, возле ануса.

Дисбактериоз и кровь в кале говорит о запущенном течении болезни. Срочно обратитесь в медицинское учреждение, нужна диагностика и анализ на микрофлору.

Слизь в кале при дисбактериозе

Видимой слизи в кале у взрослого человека нет, хотя она вырабатывается железами кишечника в небольшом количестве. Функция – продвигать кал и ускорять эвакуацию. Слизь обволакивает стенки кишки и защищает от раздражения кислотой и другими едкими веществами. Если слизь не вырабатывается, кал грубеет, возникают запоры и затрудненные акты дефекации. Доходя до толстого кишечника, слизь становится невидимой.

Если в кале при дисбактериозе у взрослого появились желеобразные выделения, наблюдаются органические, функциональные поражения кишечника. Организм защищается от негативного воздействия патогенных микроорганизмов. В ряде случаев свидетельствует о воспалительном процессе.

Загрузка …

Как нормализовать стул

Судить о развитии заболевания только по изменению состава и цвета кала нельзя, можно только предполагать. Поставить диагноз и назначить лечение должен врач после обследования больного.

Обследования и анализы:

макроскопическое исследование: лаборанты изучают запах, оттенок, форму каловых масс, детали, вкрапления, позволяет выявить характер кровотечения;
микроскопические исследования: присутствие гельминтов, паразитов;
химический анализ: выявляет реакцию на окружающую среду;
анализ мочи для выявления сбоев в работе внутренних органов;
ультразвуковое исследование органов брюшной полости: обнаружение сопутствующих патологий;
колоноскопия: оценка состояния кишечника на расстоянии длиной в 1 метр;
фиброэзофагогастродуоденоскопия: осмотр слизистой пищевода, оболочки желудка и двенадцатиперстной кишки, имеет значение, если больной жалуется на кровянистый, слизистый кал.

После установки диагноза проводится лечение. Терапевтическая схема направлена на:

восстановление микрофлоры в толстом кишечнике;
подавление избыточной патогенной микрофлоры;
улучшение всасывания полезных веществ и пищеварительного процесса;
стимулирование нарушенной моторики.

Советуем почитать

Лечить нормальную микрофлору помогают препараты:

Антибактериальные средства. Подавляют рост микробной вредной микрофлоры в области тонкой кишки.
Противогрибковые. При обнаружении в каловых массах дрожжевых грибов.
Пробиотики. Подавляют рост патогенных микроорганизмов, частично берут на себя их функцию.
Соренты. Назначаются при выраженной интоксикации. Популярный представитель – Активированный уголь.
Ферменты. При выраженных нарушениях пищеварительной системы улучшают всасывание, ускоряют переработку пищи и стабилизируют мембрану кишечного эпителия.

Лечение комплексное, разрабатывается в зависимости от тяжести заболевания. Вначале необходимо устранить причину, иначе прием медикаментов не принесет положительного результата.

В дополнение к основной терапии прописывается диета, позволяющая быстро нормализовать стул.

Придерживайтесь правил:

Прием пищи каждые 3 часа небольшими порциями.
В рационе должен присутствовать жидкий бульон или суп.
Не принимать слишком холодную или горячую пищу, температура в пределах 25-40 градусов.
Тщательно пережевывать.
Избегать острых, горьких, сладких продуктов.
Обильное питье после еды и до приема за полчаса.

Разрешаются продукты:

сухари;
старый ржаной или белый хлеб;
мясо нежирных сортов;
бульоны, супы на овощах и крупах;
отварные, запеченные,паровые овощи;
мясо на пару, тушеное, вареное;
молочные продукты с низким процентом жирности;
рыба в вареном, запеченном виде, жареная без панировочных сухарей;
масло сливочное 5-10 г;
ягоды и фрукты в виде мусса, компота, киселя, пюре;
соусы без специй;
запеченные яблоки;
напитки, кроме газировки и алкоголя.

Разрешаются настои, отвары на основе лекарственных растений. При выборе рецепта читайте пояснение от автора и медиков о воздействии и побочных эффектах.

Возможные осложнения

Дисбактериоз входит в число временных, неопасных для жизни функциональных расстройств, имеющих определенную симптоматику. Тяжелое течение представляет опасность для больного.

Заболевание не самостоятельное, микрофлора нарушается на фоне имеющихся проблем со здоровьем. При подозрении на дисбактериоз незамедлительно обратитесь к врачу. Не получение лечение несет следующие последствия для организма:

сепсис – патогенная микрофлора попадает в кровь больного, вызывает инфекцию;
хронический энтероколит – воспаление толстого и тонкого кишечника;
перитонит – кишечник воспаляется, разрушается и содержимое выходит в полость;
панкреатит, гастродуоденит – микроорганизмы заселяют пищеварительный тракт;
гиповитаминоз, анемия железодефицитная;
снижение массы тела.

Вследствие тяжелого дисбиоза наблюдается обезвоживание организма, опасное для жизни.

Нарушения в работе организма не должны оставаться без внимания со стороны больного и врача. Опасно для здоровья и жизни. Не ограничивайтесь сдачей анализов, требуйте пояснение о тяжести заболевания и вариантах восстановления микрофлоры. Необходимо установить причину проблем. Промедление грозит осложнением, особенно если обнаружена кровь в кале при дисбактериозе.

Статья была одобрена редакцией

Лечение дисбактериоза у детей в Одинцово

В период внутриутробного развития желудочно-кишечный тракт (ЖКТ) плода стерилен. Там нет никаких бактерий и других микроорганизмов. После рождения ЖКТ ребенка заселяется бактериями, которые находятся в окружающей среде. В грудном молоке содержится бифидус-фактор, вещество, которое способствует росту бифидобактерий. Неудивительно, что бифидобактерии составляют 95-99% флоры кишечника детей на грудном вскармливании. Бифидобактерии, которые иногда называют еще пробиотиками, являются частью здоровой флоры кишечника. Бифидобактерии преобладают в кишечнике у грудного ребенка до тех пор, пока грудное молоко составляет бо́льшую часть питания ребенка.

Что такое дисбактериоз?

Дисбактериоз или дисбиоз – нарушение качественного или количественного баланса микроорганизмов в организме, в данном случае, в кишечнике. За рубежом дисбиоз именуется синдромом «избыточного роста бактерий». Это значит, что изменилась пропорция бактерий в кишечнике или там появились необычные для нормальной флоры микроорганизмы. Дисбактериоз часто связывают с лечением антибиотиками и кишечными инфекциями.

Диагностирование дисбактериоза проводится по симптомам или же анализом кала на дисбактериоз. Обычно, показанием к анализу на дисбактериоз является непреходящий в течение двух или трех суток понос. Среди других симптомов, которые служат поводом для лабораторных исследований на дисбактериоз могут быть зеленоватый стул, стул со слизью, запор (редкий стул у грудных детей часто ошибочно принимают за запор), пенистый стул, частички непереваренной пищи.

Когда нужно обратиться к врачу?

Обратитесь к врачу, если у ребенка наблюдается склонность к запорам или, наоборот, жидкий стул, повышенное газообразование, колики, беспокойство, низкий набор веса.

Что нужно знать и помнить кормящей маме?

Способствует возникновению дисбиоза ранний перевод на искусственное вскармливание, поэтому кормление грудью является самой настоящей страховкой здоровья желудочно-кишечного тракта ребенка в течение первых лет жизни. Грудное молоко способствует росту бифидобактерий, которые препятствуют колонизации кишечника болезнетворными бактериями, а также содержит антитела и факторы, которые защищают ребенка от болезни, даже если патогенным бактериям удалось прижиться в кишечнике. Кормление грудью помогает восстановить баланс микрофлоры кишечника ребенка после лечения антибиотиками, а также укрепляет общий иммунитет, защищает от инфекций.

ᐈ СЛИЗЬ В КАЛЕ у взрослого: причины, лечение — Медиленд

Примесь слизи в кале может появляться в силу физиологических причин. Ведь продукция небольшого количества слизи в просвет кишечника происходит постоянно и ее следы, действительно, иногда можно заметить в кале.

Но чаще всего видимые примеси слизи в кале взрослого человека могут говорить о таких патологических состояниях как:

колит,

полип толстой кишки,

рак толстой кишки,

дивертикулярная болезнь толстой кишки,

дисбактериоз,

синдром раздраженной толстой кишки,

а также нарушениях процессов всасывания в просвете толстой кишки.

Примесь слизи в кале – это возможный симптом достаточно широкого списка заболеваний. Выявить причину наличия слизи в кале поможет проктолог.

Записаться на прием к проктологу вы можете у нас на сайте.

Врачи проктологи МЦ «Mediland»

Мищенко Михаил Владимирович

Врач проктолог, хирург, кандидат медицинских наук, доцент

Желтоножская Юлия Борисовна

Хирург, проктолог

Бахтизин Максим Андреевич

Хирург, проктолог

Важно знать

Что делать

Появление примеси слизи в кале у взрослого человека требует тотального обследования толстой кишки методом колоноскопии. Именно визуальный осмотр всех отделов толстого кишечника позволит не пропустить начальные стадии опасных заболеваний.

В МЦ «Mediland» колоноскопия выполняется под внутривенным наркозом и не вызывает неприятных ощущений у пациента. Данные исследования могут быть записаны на жесткий диск компьютера и, по необходимости, выданы пациенту на руки.

Перед тем как записываться на такое обследование (колоноскопию), рационально будет пройти консультацию у врача проктолога. Специалист подберет правильный алгоритм обследования, в зависимости от конкретной ситуации, при необходимости, назначит консультации врачей смежных специальностей и составит программу лечения на основании полученных данных.

Что не делать

Ни в коем случае не пользоваться информаций полученной из Интернета для составления своего представления о причине жалоб и методах их ликвидации.

Не пользоваться советами друзей, соседей и знакомых о том, как избавиться от проблемы, опираясь на их позитивный опыт. Помните, что слизь в кале может быть симптомом разных болезней и то что дало отличный результат в случае вашего «советчика» может дать совершенно обратный эффект для вашего организма.

Следует помнить, что занимаясь самолечением (в том числе, на первый взгляд, успешным), пациент может нивелировать симптомы болезни, но не вылечить болезнь. Очень часто, после такого самолечения, пациенты обращаются к врачам с запущенными формами заболевания.

Не стоит бояться визита к врачу и диагностических процедур. Квалифицированные специалисты проктологи МЦ «Медиленд» все процедуры выполняют корректно, не причиняя ни физических, ни моральных страданий пациенту.

Важно помнить — потеря времени в вопросах диагностики и лечения зачастую превращает простые случаи заболеваний, в большие проблемы со здоровьем!

Можно ли вылечить дисбактериоз?

Что такое дисбактериоз в наше время знает большинство. Услышать такой диагноз могут родители новорожденного малыша и взрослые люди. Но как с ним быть, порой, так и непонятно.

На прямой линии «Комсомолки» на вопросы наших читателей отвечала кандидат медицинских наук, доцент кафедры детских инфекционных болезней БелМАПО, врач высшей категории Елена КИШКУРНО.

— Елена Петровна, здравствуйте. Скажите, пожалуйста, как распознать дисбактериоз?

— Во-первых, должны быть какие-то жалобы — вздутие, периодический дискомфорт в животе, неустойчивый стул — поносы или запоры, проявления витаминной недостаточности, которая может сопровождаться кожными проявлениями, сухостью кожи или покраснениями, зудом и т.д. Если такие жалобы есть, назначаются обследования, в том числе и на дисбактериоз.

— Я достаточно часто болею и принимаю антибиотики. Мне нужно что-то принимать после этого?

— Совсем необязательно всегда после антибиотиков принимать биопрепараты. Если в течение 5 — 10 дней после приема препаратов все нормализуется (нет дисфункции кишечника), это состояние расценивается как дисбиотическая реакция — кратковременные изменения микрофлоры. Если же боли в животе и неустойчивый стул сохранятся, тогда нужно пройти обследование на дисбактериоз. И начать принимать биопрепараты. Но нужно знать, что для лечения дисбактериоза обязательно нужно восстанавливать нормальное функционирование всего желудочно-кишечного тракта. Ведь дисбактериоз — не болезнь, а синдром, сопровождающий различные заболевания/

— Дисбактериоз мне ставили давно. Но сейчас проблема газов, много воздуха в животе, меня это очень мучает. Чем мне можно помочь?

— Вашей проблеме более 10 лет?

— В общем-то, да.

— Вам можно попринимать препараты, которые нормализуют работу желудочно-кишечного тракта. Кроме того, обследоваться на дисбактериоз, посмотреть, нормальное ли у вас количество лактобактерий, бифидум- и колибактерий. Они важны, потому что участвуют в переваривании углеводов. Если их недостаточно, у вас постоянно будет вздутие живота.

— У меня даже до кисломолочных продуктов вздувается кишечник.

— Это естественно, кисломолочные продукты содержат тоже лактозу. При дисбиозе кишечника всегда есть вторичная лактазная недостаточность, т.е.не хватает ферментов для переваривания молочного сахара.

— У моего ребенка дисбактериоз. В аптеке так много препаратов. Каким препаратам отдать предпочтение?

— Сдавали ли вы анализ на дисбактериоз? Какой его результат?

— Да, нам написали, что снижено содержание бифидо- и лактофлоры.

— Тогда вам следует выбрать поликомпонентный препарат, который содержит несколько видов различных бактерий

ЛЕЧЕНИЕ ДИСБАКТЕРИОЗА ЗАЙМЕТ НЕСКОЛЬКО МЕСЯЦЕВ

— У моего ребенка в четыре месяца обнаружили коклюш, его пролечили. Но после этого он стал отказываться от кефира, молока. Сейчас ему три года, но молочные продукты не ест совсем.

— У детей после приема антибиотиков может сформироваться на фоне дисбактериоза лактазная недостаточность — они не переносят молоко. Поэтому, если ребенок отказывается, заставлять его не стоит. Для того чтобы выяснить, есть ли лактазная недостаточность, нужно сдать простейший анализ на определение рH кала. Если результат ниже определенных цифр, это подтвердит наличие проблемы. Корригируется она соответствующей диетой. А если это не улучшает состояние — нужно обследовать ребенка дальше.

— В ноябре у меня родилась дочка. Зимой мы лежали в больнице с желтухой, ей ставили капельницы, через два месяца у нее появился зеленый стул. Сдавали анализы — все в порядке, а в анализе на дисбактериоз обнаружили изменение аутофлоры кишечника второй степени. Выписали несколько лекарств, но никаких результатов нет. Я хотела спросить, от чего возник дисбактериоз и как долго его придется лечить? И может ли он пройти сам?

— При дисбактериозе кишечника зеленый цвет стула, скорее всего, связан с тем, что у ребенка избыточный рост условно патогенной флоры. Похоже, что сам ребенок не справится. Корригировать ваш дисбиоз надо обязательно. Лечение может занять несколько месяцев. Только после этого нормализуется стул и ребенок будет нормально набирать вес и адекватно сопротивляться инфекциям.

— Моему ребеночку 9 месяцев. В 3 месяца нам сделали прививку, в месте укола появилась опухоль, потом понос, кровь в стуле. Я вызвала «скорую», дочке давали антибиотики. До сих пор у нас слизь в кале. Я уже замучилась.

— А вы кормите грудью?

— Да.

— Это очень хорошо. А нет ли у вашего ребенка кожных проявлений, так называемого атопического дерматита, или, как его называют, диатеза?

— Есть.

— Как правило, дисбактериозы связаны и с аллергическими реакциями.

— Еще у нас обнаружили стафилококк.

— Вылечить его окончательно достаточно трудно. Все лечение направлено на то, чтобы контролировать рост стафилококка. И второй момент лечения направлен на укрепление иммунитета ребенка. Организм ребенка должен научиться сам распознавать патологические микробы. Нельзя бесконечно лечить антибиотиками. А вы, как кормящая мама, придерживаетесь диеты?

— А мне никто ничего не говорил про мое питание.

— Если вы едите в большом количестве свежие овощи, свеклу, бобовые, шоколад, копчености — ребенка будут мучить колики. Вам нужна строгая диета на отварной крольчатине, нежирной свинине или говядине, кашах, картофельном пюре, кисломолочных продуктах.

КИШЕЧНОЙ ИНФЕКЦИЕЙ МОЖНО ЗАРАЗИТЬСЯ

— У моего 11-месячного ребенка уже пятый день тошнота, рвота и понос.

— Вы обращались к врачу? Необходимо провести исследование стула ребенка на кишечные инфекции. Вы должны соблюдать диету — без свежих фруктов и овощей, пища должна быть протертой, рекомендуются безмолочные каши. Скорее всего, придется дать ребенку сорбент, тот же активированный уголь, необходимо хорошо поить ребенка.

— Возможно этим заразиться? У меня такая же картина появилась.

— Скорее всего, у вас и у вашего ребенка вирусная кишечная инфекция. Такая болезнь обычно протекает 5 — 7 дней. Вам тоже нужно придерживаться той же диеты. Совсем голодать не надо, силы для выздоровления нужны.

— У моей дочки в 9 месяцев выпали волосы, после того как во время болезни ей назначили пять видов антибиотиков. Мы стали ее обследовать, выявили дисбактериоз. Я ее пролечила, волосики вернулись. Осенью она заболела опять, и наш педиатр сразу назначила антибиотик. И в течение недели у нее опять выпали все волосы. Сейчас ей три года, и она без волос. Снова делали анализ на дисбактериоз и обнаружили его.

— А какой у вас гемоглобин?

— Низкий.

— Часто первый маркер анемий — выпадение волос. Низкое содержание железа может быть связано с различными причинами. Вам нужна консультация гематолога, который определит, с чем связана анемия и на каком уровне произошли сбои — либо не хватает белков, которые переносят железо, либо железо недостаточно поступает. Конечно, ваша проблема может быть связана и с нарушенной флорой в кишечнике. Вам нужно восстанавливать флору и принимать иммуномодулирующие препараты, которые будут повышать сопротивляемость ребенка к респираторным инфекциям и помогут справиться с дисбактериозом. Потому что каждый раз прием антибиотиков ухудшает ваше положение.

— Ребенку сейчас 2 года 2 месяца. С шести месяцев почти перестал прибавлять в весе. Сейчас он весит 10,4 килограмма. Анализы показывают и стафилококк, и грибы кандиды. Мы проходили лечение, грибы полностью вылечили, а стафилококк остался.

— Нарушенная микрофлора, конечно, влияет на прибавку в весе. Но в вашем возрасте речь может идти и об эндокринных расстройствах. Вам нужно показаться эндокринологу. И второе — исследуйте желудочно-кишечный тракт, чтобы исключить его патологию. По поводу веса нужно посмотреть и на родителей, если они не высокие и не плотные, то, возможно, вес ребенка в норме. Чтобы говорить о дефиците массы тела, нужно оценивать физическое развитие ребенка комплексно.

— Моему ребенку сейчас полтора года. Практически с рождения у него дисбактериоз, были поносы, а сейчас появились запоры. Врач сказала, что из-за этого появился и атопический дерматит. Никакое лечение не помогает.

— А вы обследовались на дисбактериоз?

— Нет.

— Запоры у ребенка в полтора года могут быть связаны в том числе и с недостаточным количеством бифидумфлоры или с особенностью строения желчного пузыря. Атопический дерматит действительно связан с ненормальной работой желудочно-кишечного тракта, если нет предрасположенности. Обследуйтесь обязательно. В случае выявления дисбактериоза вас следует принимать биопрепараты до улучшения состояния, что может занять несколько месяцев.

Что такое дисбактериоз — Папашкола.рф

В кишечнике ребенка живет и размножается огромное количество бактерий. В норме они не причиняют вред. Более того, их присутствие нужно для нормального функционирования работы кишечника и организма в целом.

Дисбактериоз – это явление, при котором в кишечнике создаются такие условия, которые дают возможность активному размножению патогенной микрофлоры. Другими словами – это нарушение гармонии микрофлоры кишечника, что вызывает достаточно неприятные для ребенка симптомы.

Как распознать дисбактериоз у грудного ребенка

Наблюдательные родители легко сумеют самостоятельно распознать первые симптомы. Основные признаки дисбактериоза у детей: диарея, (жидкий стул) беспокойство, проблемы со сном, плаксивость, склонность к проявлениям аллергических дерматитов, сыпь. Вышеперечисленные симптомы не являются поводом для постановки диагноза, но они должны как минимум насторожить родителей.

Характерные симптомы дисбактериоза:

метеоризм (вздутие живота)
бледные кожные покровы
вялость
плохой аппетит
частые приступы коликов (схваткообразные боли)
боли в животике
сухие кожные покровы
частые проявления аллергического дерматита, сыпь
раздражительность
молочница во рту, стоматит
запоры
диарея (жидкий стул) более 3-х дней
рвота, тошнота, частые и обильные срыгивания
плохая прибавка веса
зеленая слизь в кале, кровяные примеси, пена

Стоит заметить, что с введением прикорма возможны временные изменения консистенции кала ребенка, частота дефекаций, появление зеленой слизи, понос, аллергическая сыпь. Такие состояния в большинстве случаев не требуют особого лечения, все пройдет само. Если же нет – нужно искать причины таких расстройств.

В чем причины нарушения микрофлоры кишечника

Причины дисбактериоза в младенчестве:

проблемы со здоровьем матери, возникающие во время беременности
патологии во время родов
различные инфекции
физиологическая незрелость ЖКТ детей до года
первичный иммунодефицит
искусственное вскармливание
позднее прикладывание к груди
применение гормональных препаратов, антибиотиков
стрессовые и/или неблагоприятные социально-психологические условия, в которых находится ребенок

Методики диагностики дисбактериоза

Определить нарушения баланса микрофлоры кишечника можно с помощью анализа кала.

Прежде чем сдать кал на анализ, проконсультируйтесь с педиатром о целесообразности такого исследования. Расшифровка полученных результатов анализа также должна осуществляться специалистом.

В лабораторных условиях проводят следующие исследования:

Копрограмма. Выявление степени переваривания кишечником пищи. Также помогает выявить признаки воспаления в ЖКТ.
Бак посев кала. Выявление степени формирования патогенной флоры кишечника.
Посев кала на дисбактериоз. Выявление процентной степени соотношения патогенной и нормальной составляющей микрофлоры.

Лучше всего если для сбора кала будет использован стерильный пластиковый контейнер, купленный в аптеке.
Если же ребенок ест смеси, содержащие прибиотики и пробиотики, прежде чем собрать исследуемый материал, их необходимо отменить за несколько дней до сдачи кала на анализ.

Диагностика дисбактериоза

Дисбиоз — это состояние, при котором кишечные бактерии становятся несбалансированными, что приводит к широкому спектру нарушений пищеварения, включая вздутие живота, диарею, запоры и спазмы желудка, среди прочего. Это состояние было связано с различными заболеваниями, включая синдром раздраженного кишечника (СРК), воспалительное заболевание кишечника и гастрит, и это лишь некоторые из них.

Что такое дисбактериоз?

Дисбактериоз — это нарушение баланса кишечных бактерий.В результате возникает широкий спектр симптомов нарушения пищеварения, включая диарею, спазмы, запор, вздутие живота и несварение желудка. Когда наблюдается несоответствие нормальной микрофлоры кишечника из-за недостатка полезных бактерий и чрезмерного роста вредных бактерий, это может вызвать дисбактериоз.

В микробиоме кишечника обнаружено не менее 400 видов бактерий. Они необходимы для общего здоровья, поскольку помогают пищеварению, борются с патогенными микроорганизмами и синтезируют витамины.Нормальную флору тела можно найти в различных областях, и они необходимы для общего здоровья и хорошего самочувствия. Когда эти бактерии становятся несбалансированными, а вредные подавляют полезные бактерии или бесконтрольно разрастаются, это может вызвать болезнь.

Что вызывает дисбактериоз?

Существует множество факторов, которые могут привести к состоянию, включая чрезмерное или неправильное использование антибиотиков, чрезмерное употребление алкоголя, повышенное потребление сахара или белка, частое использование антацидов, воздействие пестицидов и хронический стресс, и это лишь некоторые из них.Кроме того, плохая гигиена полости рта и беспокойство также могут привести к дисбактериозу.

В некоторых случаях исследования связывают дисбактериоз с рождением через кесарево сечение и кормлением молочными смесями среди новорожденных.

Признаки и симптомы дисбактериоза

Основными признаками и симптомами дисбактериоза являются нарушения пищеварения. Люди с этим заболеванием могут испытывать частые газы или вздутие живота. Это означает, что они ощущают вздутие живота почти все дни недели. Кроме того, они страдают от спазмов в животе, диареи и запоров со слизью в стуле.У них может быть сочетание диареи и запора, пищевой чувствительности, пищевой непереносимости и хронического неприятного запаха изо рта.

В некоторых случаях люди могут испытывать затруднение при мочеиспускании, вагинальный или ректальный зуд, боль в груди, сыпь, усталость, проблемы с концентрацией внимания, депрессию, беспокойство и туман в мозгу.

Диагностика дисбактериоза

Врач может диагностировать дисбактериоз на основании признаков и симптомов, истории болезни, физического осмотра и диагностических тестов. У человека может быть дисбактериоз, если у него или у нее есть диагноз синдрома раздраженного кишечника (СРК), длительное употребление антибиотиков в анамнезе, аутоиммунное заболевание или гастроэнтерит в анамнезе.Однако для подтверждения диагноза врач может порекомендовать следующие диагностические тесты:

Тесты на органическую кислоту

Врач порекомендует тест на органическую кислоту. Это делается путем сбора пробы мочи и ее исследования в лаборатории. Они будут искать и проверять определенные кислоты, которые выделяют бактерии в кишечнике. Аномальные уровни означают, что некоторые бактерии выходят из-под контроля.

Комплексный анализ пищеварительного стула (CDSA)

Комплексный анализ стула может дать наиболее глубокий анализ бактерий, как хороших, так и патогенных, которые обитают в кишечнике.Кроме того, исследование стула может определить наличие других оппортунистических инфекций, таких как паразитарные организмы.

Врач разрешит пациенту забрать домой специальное оборудование для сбора пробы стула. Затем образец будет отправлен в лабораторию. Стул будет исследован на наличие бактерий, дрожжей или грибков.

Водородный дыхательный тест

Водородный тест груди определяет наличие газов, производимых бактериями в кишечнике. В водородном дыхательном тесте врач разрешает пациенту выпить раствор глюкозы или сахара.После этого пациент дышит в специальный баллон, где воздух исследуется на наличие газов, производимых бактериями. Когда количество газов слишком велико или слишком много, это может указывать на дисбаланс кишечных бактерий.

Биопсия

Врач может взять образец ткани бактерий из кишечника, где есть активная инфекция, чтобы увидеть, какие бактерии присутствуют.

Лечение дисбактериоза — это больше, чем просто прием пробиотиков для поддержания баланса в кишечнике.Это как-то связано с правильным выбором пищи, отказом от определенных продуктов и занятий, ограничением потребления алкоголя или его полным искоренением. Соблюдение здоровой диеты и сокращение количества потребляемого сахара и пищевых добавок — многообещающий способ обуздать дисбактериоз и сохранить здоровье кишечника.

Дополнительная литература

Диетические изменения могут вызвать дисбактериоз и появление слизистого стула у гигантских панд (Ailuropoda melanoleuca)

Front Microbiol. 2016; 7: 661.

, ^1, ^2, ^† ^‡, ^3, ^‡, ¹, ^1, ⁴, ¹, ^5, ^†, ^3, ^* и ^1, ^2, ^4, ^*

Кэндис Л.Уильямс

¹ Департамент биохимии, молекулярной биологии, энтомологии и патологии растений, Государственный университет Миссисипи, штат Миссисипи, Миссисипи, штат Массачусетс, США

² Институт геномики, биокомпьютинга и биотехнологии, Государственный университет Миссисипи, штат Миссисипи, Миссисипи, штат Массачусетс, США

Кимберли А. Дилл-МакФарланд

³ Отделение бактериологии, Университет Висконсин-Мэдисон, Мэдисон, Висконсин, США

Майкл У.Vandewege

¹ Кафедра биохимии, молекулярной биологии, энтомологии и патологии растений, Государственный университет Миссисипи, штат Миссисипи, Миссисипи, Массачусетс, США

Даррелл Л. Спаркс

¹ Кафедра биохимии, молекулярной биологии, энтомологии и Патология растений, Государственный университет Миссисипи, штат Миссисипи, штат Миссисипи, штат Массачусетс, США

⁴ Государственная химическая лаборатория штата Миссисипи, штат Миссисипи, штат Миссисипи, штат Массачусетс, США

Скотт Т.Уиллард

Эндрю Дж. Куба

⁵ Департамент сохранения и исследований Зоологического общества Мемфиса , Мемфис, Теннесси, США

Гаррет Суен

³ Отделение бактериологии, Университет Висконсин-Мэдисон, Мэдисон, Висконсин, США

Эшли Э. Браун

¹ Отделение биохимии, молекулярной биологии, энтомологии и Патология растений, Государственный университет Миссисипи, штат Миссисипи, штат Миссисипи, штат Миссисипи, США

² Институт геномики, биокомпьютеров и биотехнологии, Государственный университет Миссисипи, штат Миссисипи, штат Миссисипи, штат Массачусетс, США

⁴ Государственная химическая лаборатория Миссисипи, Штат Миссисипи, штат Миссисипи, штат Массачусетс, США

¹ Департамент биохимии, молекулярной биологии, Энтомология и патология растений, Государственный университет Миссисипи, штат Миссисипи, штат Миссисипи, штат Массачусетс, США

² Институт геномики, биокомпьютинга и биотехнологии, Государственный университет Миссисипи, штат Миссисипи, штат Миссисипи, штат Массачусетс, США

³ Департамент бактериологии , Университет Висконсин-Мэдисон, Мэдисон, штат Висконсин, США

⁴ Государственная химическая лаборатория Миссисипи, штат Миссисипи, Миссисипи, штат Миссисипи, США

⁵ Департамент охраны природы и исследований Мемфисского зоологического общества, Мемфис, Теннесси, США

Отредактировал: Николь Вебстер, Австралийский институт морских наук, Австралия

Рецензировал: Джон Эверетт Паркинсон, Университет Рюкю, Япония; Джеффри Дэвид Гэлли, Медицинский колледж Бейлора, США

^† Текущий адрес: Candace L.Уильямс, Институт исследований охраны природы, Глобальный зоопарк Сан-Диего, Эскондидо, Калифорния, США; Эндрю Дж. Куба, Департамент дикой природы, рыболовства и аквакультуры, Государственный университет Миссисипи, штат Миссисипи, штат Массачусетс, США

^‡ Эти авторы внесли равный вклад в эту работу.

Эта статья была отправлена в Microbial Symbioses, раздел журнала Frontiers in Microbiology

Поступила в редакцию 7 декабря 2015 г .; Принято 21 апреля 2016 г.

Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License (CC BY). Использование, распространение или воспроизведение на других форумах разрешено при условии указания автора (авторов) или лицензиара и ссылки на оригинальную публикацию в этом журнале в соответствии с принятой академической практикой. Запрещается использование, распространение или воспроизведение без соблюдения этих условий.

Эта статья цитируется в других статьях в PMC.

Abstract

Диетические изменения могут привести к изменениям микробиоты желудочно-кишечного тракта (ЖКТ), что приведет к негативным последствиям для хозяина, включая воспаление.Гигантские панды ( Ailuropoda melanoleuca ) физиологически классифицируются как плотоядные животные; однако они потребляют травоядную диету с резкими сезонными изменениями в питании и эпизодами хронического расстройства ЖКТ с такими симптомами, как боль в животе, потеря аппетита и выделение слизистого стула (слизистые оболочки). Эти эпизоды негативно влияют на общее состояние питания и здоровья гигантских панд. Здесь мы исследовали фекальную микробиоту немукоидного и слизистого стула двух гигантских панд и сравнили их с образцами из предыдущего зимнего сезона, в котором исторически было мало слизистых эпизодов.Чтобы идентифицировать присутствующую микробиоту, мы выделили и секвенировали 16S рРНК, используя секвенирование следующего поколения. Мукоиды возникли после сезонного переключения питания с преимущественно бамбуковой стебли на листья. Все образцы фекалий показали низкое разнообразие и в них преобладали бактерии типа Firmicutes и, в меньшей степени, Proteobacteria. Образцы кала непосредственно перед мукоидными эпизодами имели более низкое микробное разнообразие по сравнению с мукоидами. Мукоиды в основном состояли из общих таксонов, связанных со слизистыми оболочками, включая Streptococcus и Leuconostoc , и демонстрировали повышенную численность бактерий семейства Pasteurellaceae.Взятые вместе, эти результаты показывают, что слизистые оболочки могут представлять собой изгнание слизистой оболочки, вызванное изменениями в диете. Мы предполагаем, что эти явления служат для сброса их микробиоты ЖКТ после изменений в предпочтении частей бамбука, поскольку гигантские панды сохранили хищную анатомию ЖКТ при переходе на травоядную диету.

Ключевые слова: секвенирование 16S рРНК, мукоид, фекальная микробиота, микробиота слизистой оболочки, предпочтение частей бамбука

Введение

Взаимоотношения хозяин-симбионт в желудочно-кишечном тракте (ЖКТ) животных имеют решающее значение, поскольку эти симбионты играют фундаментальную роль в переваривании клетчатки, модуляции иммунной системы хозяина и поддержании гомеостаза бактерий хозяина (Hooper et al., 2002; Flint et al., 2012). В частности, микроорганизмы связываются с лимфоидной тканью желудочно-кишечного тракта, чтобы исключить патогены и продуцировать короткоцепочечные жирные кислоты (SCFA), которые служат источником энергии для хозяина (Johansson et al., 2011; Flint et al., 2012). Кроме того, SCFAs заставляют кишечные эпителиальные клетки (IEC) увеличивать экспрессию белков плотных контактов, тем самым дополнительно увеличивая барьер для патогенов (Brown et al., 2003; Louis and Flint, 2009).

Биология ЖКТ гигантских панд ( Ailuropoda melanoleuca ) своеобразна, потому что они эволюционно родственны хищникам и обладают морфологией ЖКТ плотоядных животных, но при этом потребляют исключительно травоядную диету.Эта особенность удивительна, учитывая, что переход от всеядной диеты к травоядной произошел примерно от 2 до 2,4 миллионов лет назад (Davis, 1964; Schaller et al., 1985; Jin et al., 2007), но гигантские панды так и не эволюционировали. адаптации, наблюдаемые у традиционных травоядных животных, таких как рубец или увеличенная слепая кишка, для помощи в деградации клетчатки. Остается неясным, как панды сохраняются только на бамбуке, поскольку они потребляют большое количество волокнистого растения (Schaller et al., 1985) по сравнению с другими травоядными животными их размера.Однако было высказано предположение, что они зависят от содержания гемицеллюлозы в бамбуке, а не от более сложных для переваривания компонентов клеточной стенки, таких как лигнин и целлюлоза (Dierenfeld et al., 1982).

Как дикие, так и содержащиеся в неволе панды ежегодно претерпевают резкие сдвиги в предпочтении частей бамбука между стеблем и листьями (Schaller et al., 1985; Tarou et al., 2005; Hansen et al., 2010; Williams et al., 2012 ), что привело к значительным изменениям консистенции фекалий и микробных сообществ ЖКТ (Nickley, 2001; Williams et al., 2012; Сюэ и др., 2015). Эти диетические сдвиги были приписаны изменениям в составе бамбука, как Schaller et al. (1985) обнаружили, что уровни кремнезема увеличиваются в листовой части бамбука в те времена, когда панды предпочитают стебельчатую часть. Это увеличение содержания кремнезема было связано с механизмами защиты растений от травоядных, что может объяснить, почему панды претерпевают столь резкие изменения в предпочтениях в питании (Schaller et al., 1985; Ito and Sakai, 2009).

Эти находящиеся под угрозой исчезновения медведи также сильно страдают заболеваниями ЖКТ: ex situ и in situ (Qiu and Mainka, 1993; Loeer et al., 2006). У людей, когда взаимоотношения микробов кишечника и хозяина серьезно нарушены, может возникнуть состояние, называемое дисбактериозом, и у хозяина может возникнуть воспалительная реакция; если его не остановить, это может перерасти в хроническое состояние (Fava and Danese, 2011). Точно так же гигантские панды, содержащиеся в неволе, страдают хроническим расстройством желудочно-кишечного тракта с приступами дискомфорта в животе и потерей аппетита, что приводит к выделению слизистого стула (слизистого), хотя до настоящего времени исследования их состава не проводились (Edwards et al., 2006; Loe er et al., 2006). Вскрытия трупов панд, хронически страдающих этим заболеванием, часто показывают признаки язвенного и некротического гнойного колита (Loe er et al., 2006).

Хотя появление мукоидов было связано с присутствием некоторых патогенных микроорганизмов (Loe er et al., 2006), прямой связи между конкретными патогенами и мукоидами не обнаружено. Известно, что увеличение количества диетического белка приводит к увеличению количества мукоидов (Edwards et al., 2006; Janssen et al., 2006), предполагая, что основной причиной может быть диета. Тем не менее, гигантские панды в неволе, получавшие бамбуковую диету с высоким содержанием клетчатки, по-прежнему часто испытывают мукоиды, поэтому причина и средства предотвращения этих эпизодов остаются неясными. Время появления мукоидов также имеет решающее значение, поскольку они обычно возникают во время сезонной смены рациона, непосредственно после сезона размножения, и любое снижение нутритивного статуса во время беременности или кормления грудью может повлиять на потомство (Steinman et al., 2006; Zhang et al., 2006) . Здесь мы использовали секвенирование следующего поколения, чтобы охарактеризовать фекальную и слизистую микробиоту у двух гигантских панд и определить, коррелируют ли резкие изменения в рационе питания с сопутствующим сдвигом в микробиоте ЖКТ и изгнанием мукоидов.Сравнение бактериальных сообществ, связанных со слизистыми эпизодами (мукоид) с образцами фекалий, как в течение (немукоидного), так и вне сезона отбора образцов (зима), дает представление о возможном микробном вкладе в это важное хроническое заболевание гигантских панд.

Материалы и методы

Животные для исследования

Две гигантские панды («YaYa», самка, номер племенной книги: 507 и «LeLe», самец, номер племенной книги: 466), использованные в этом исследовании, были размещены в Зоологическом обществе Мемфиса. , Мемфис, Теннесси, США.Образцы были собраны в соответствии с подписанной формой запроса биоматериалов, и протокол IACUC не требовался, поскольку этот проект рассматривался учреждением как неинвазивный.

Анализ поведения потребления бамбука

Изучение поведения потребления бамбука в зоопарке Мемфиса продолжалось с осени 2003 года и проводилось, как описано ранее (Hansen et al., 2010; Williams et al., 2012). Вкратце, данные о поведении собирались за 20-минутные периоды с шагом 30 секунд, пока медведь питался бамбуком, с использованием этограммы, ориентированной на поведение при кормлении.Такое поведение было разделено на три категории потребления: лист, стебель (стебель) и прочее (побеги или ветки). Для каждого месяца общее поведение потребления оценивалось количественно по времени, потраченному на потребление определенных частей, и поведение каждого человека выражалось в процентах от общего поведения потребления.

Сбор образцов

Были собраны образцы свежих фекалий ( n = 5 женщин, 13 мужчин) и слизистых выделений ( n = 1, 5). Все образцы транспортировали на сухом льду и хранили при –80 ° C перед обработкой.Образцы были классифицированы как «зимние», «немлизистые» или «мукоидные» (дополнительная таблица S1). Зимние контрольные образцы ( n = 5,5) были собраны 12.02.13, в сезон с исторически низким уровнем встречаемости слизи и до первого выделения слизи в этом исследовании. Дополнительный сбор образцов проводился между 29.06.14 и 22.08.14. В течение этого периода собранные образцы стула мужчин и женщин были разделены на немукоидные и слизистые. Дата движения также была записана для изучения временных изменений.Следует отметить, что самец произвел образец слизи 17 июля (14-й день), который не был успешно секвенирован, но образец фекалий, не являющийся слизистой, на этот день был.

Экстракция ДНК

Полная геномная ДНК из образцов фекалий была извлечена путем механического разрушения и экстракции горячим / холодным фенолом в соответствии с протоколом, описанным Стивенсоном и Веймером (2007) со следующей модификацией: 25: 24: 1 фенол: хлороформ: изоамиловый спирт вместо фенола использовался хлороформ на всех стадиях. ДНК количественно определяли с помощью флуориметра Qubit (Invitrogen) и хранили при –20 ° C после экстракции.

Подготовка библиотеки и секвенирование

Подготовка библиотеки проводилась в соответствии с рекомендациями производителя (Illumina, 2013) с некоторыми изменениями. Вкратце, ампликонная ПЦР нацелена на область V3 – V4 гена 16S рРНК с использованием прямого (V3-4F, TCGTCGGCAGCGTCAGATGT GTATAAGAGACAGCCTACGGGNGGCWGCAG) и обратного (V3-4R, GTCTCGTGTGACHGTACTCGGAGATGTAGGATA, 2013) праймеров TAGATGTAGGTAG, 2013 -мкл реакции с 1X смесью KAPA HiFi Hot Start Ready (Kapa Biosystems), 0.2 мМ каждого праймера и 1–10 нг ДНК. Условия амплификации были следующими: 95 ° C в течение 3 минут, 25 циклов 95 ° C в течение 30 секунд, 55 ° C в течение 30 секунд, 72 ° C в течение 30 секунд и конечная элонгация 72 ° C в течение 5 минут. Продукты ПЦР очищали путем экстракции геля (Zymo Gel DNA Recovery Kit; Zymo, Irvine, CA, USA, USA) с использованием 1% геля агарозы с низкой температурой плавления (National Diagnostics, Atlanta, GA, USA). Очищенные продукты подвергали индексирующей реакции ПЦР 25 мкл (1x KAPA HiFi Hot Start Ready Mix, 0,2 мМ индексы и 5 мкл очищенного продукта) в тех же условиях реакции, что и ПЦР ампликона, за исключением сокращения количества циклов до 8.

Конечный продукт индексной ПЦР подвергали экстракции гелем (Zymo Gel DNA Recovery Kit; Zymo, Irvine, CA, USA), и концентрацию полученного очищенного продукта определяли с помощью флуориметра Qubit (Invitrogen). Образцы объединяли для получения эквимолярного пула 4 нМ. Следуя протоколу производителя, секвенирование проводили на Illumina MiSeq с использованием набора реагентов V3 (2 цикла по 300 п.н.), как описано ранее (Illumina, 2013). Все последовательности были депонированы в Архив краткого чтения Национального центра биотехнологической информации под регистрационным номером SRP065974.

Анализ данных

Анализ последовательностей проводился с использованием mothur v.1.34.1 в соответствии с MiSeq SOP (Kozich et al., 2013). Короче говоря, контиги были сформированы из считываний 16S рРНК, а последовательности низкого качества были удалены. Последовательности были обрезаны и отфильтрованы в зависимости от качества (maxambig = 0, minlength = 250, maxlength = 600). Уникальные последовательности были сопоставлены с базой данных выравнивания генов рРНК SILVA 16S (Pruesse et al., 2007) и классифицированы с отсечкой значения начальной загрузки 80, а операционные таксономические единицы (OTU), обнаруженные с <2 последовательностями в общем наборе данных, были удалены.Также были удалены химеры (chimera.uchime) и последовательности, идентифицированные как представители линий эукариот, архей и цианобактерий.

Статистический анализ

Покрытие последовательностей оценивалось в mothur по кривым разрежения и охвату Гуда (Good, 1953). Затем образцы были подвергнуты итерационной подвыборке 10 раз до 600 последовательностей на образец, и численность OTU была рассчитана как целочисленное среднее значение по итерациям. Различия в бактериальном сообществе были визуализированы с помощью неметрических масштабных графиков (nMDS, iters = 10,000; Shepard, 1966) показателей сходства (бета-разнообразия) Брея-Кертиса (Bray and Curtis, 1957) и Жаккара (Jaccard, 1912), также рассчитывается в mothur.

Все остальные статистические анализы проводились в R [веганский пакет (Oksanen et al., 2015; R Core Team, 2015)] или в программном обеспечении SAS 9.3 (Кэри, Северная Каролина, США), и данные были выражены как среднее ± SEM. и считается значимым, если P <0,05. В R различия в таксономических профилях оценивались на уровнях типа, семейства и OTU. Из-за неравномерности выборки анализ сходства (ANOSIM) использовался для сравнения структуры сообществ (Bray – Curtis; Bray and Curtis, 1957) и состава сообществ (Jaccard; Jaccard, 1912) зимних, немукоидных и мукоидных типов образцов.Выборки были рандомизированы по типу выборки и протестированы, чтобы гарантировать истинную значимость. Затем был использован анализ процентного сходства (SIMPER) для определения вклада таксономических групп в различия, наблюдаемые в ANOSIM. В SAS использовалась общая линеаризованная модель (PROC GLM) для определения различий в разнообразии в зависимости от типа выборки.

Результаты

Поведение при потреблении бамбука

У обеих панд наблюдались драматические сдвиги в пищевом поведении ( Рисунок ).В целом медведи потребляли больше стебля, чем листьев в течение года, но перешли на более высокие пропорции потребления листьев в августе и сентябре. Панды потребляли незначительное количество листового материала в мае (0,88%) и увеличили потребление листьев до максимальной относительной доли в августе (59%) примерно во время отбора проб слизи в этом исследовании. После этого пика потребление листьев стабильно снижалось в течение декабря ( Рисунок ).

Среднее значение ± SEM ежемесячного поведения потребления бамбука, наблюдаемого для листьев и стеблей, отображаемое как процент от общего количества наблюдений за питанием двух гигантских панд за один год. Зимние (#) и немлизистые / слизистые (^*) сроки отбора проб фекалий указаны.

Охват последовательностей и таксономия

Для всех образцов ( n = 34) в общей сложности 457 358 сырых и 375 406 высококачественных (11 376 ± 2170 последовательностей на образец) последовательности 16S рРНК были созданы с использованием секвенирования парных концов Illumina MiSeq ( Дополнительная таблица S2). Значение охвата по шкале Гуда> 0,99 (дополнительная таблица S2) и выравнивание кривых разрежения (дополнительный рисунок S1) показали, что секвенирование было адекватным для выявления большей части бактериального разнообразия, присутствующего во всех образцах.Анализ 97% OTU, соответствующий классификации на уровне видов (Schloss and Handelsman, 2005), выявил 118 уникальных OTU во всех выборках, от 14 до 84 OTU на тип выборки (дополнительная таблица S2).

Последовательности из 15 типов были обнаружены во всех образцах, при этом 70 ± 5,8% принадлежали Firmicutes и 28 ± 5,7% принадлежали Proteobacteria (дополнительный рисунок S2). Все остальные типы представляли менее 1,0% относительной численности последовательностей. Классы бактерий с> 1,0% включали Clostridia (40 ± 4.9%), гаммапротеобактерии (27 ± 5,7%), рожистые (16 ± 2,9%) и бациллы (15 ± 3,2, дополнительный рисунок S2). Заказы с представленностью> 1,0% соответствовали Clostridiales (30 ± 4,9%), Enterobacteriales (25 ± 5,7%), Erysipelotrichales (16 ± 2,9%), Lactobacillales (15 ± 3,2%) и Pasteurellales (1,3 ± 0,65%, дополнительные Рисунок S2). На уровне семейства и рода аннотированы 99 и 98% последовательностей соответственно.

Тип пробы влияет на общее бактериальное разнообразие

Образцы слизистых стула (слизистые) и образцы фекалий (не слизистые) были получены в один и тот же сезон и сравнены с образцами фекалий из исторически низко-мукоидного сезона (зима).Разнообразие выборки варьировалось в течение периода выборки как для самцов, так и для самок гигантских панд (, рисунок ). В частности, как самцы, так и самки показали большее разнообразие Шеннона, чем зимние образцы. В начале сезона сбора слизистых оболочек разнообразие образцов резко снизилось до появления первой слизистой оболочки ( Рисунок ). В целом образцы мукоидов от обеих панд показали более высокое разнообразие, что измерялось индексами, учитывающими как присутствие, так и численность всех таксонов в образце (Шеннон: 1.7 ± 0,26, обратный Симпсон: 4,0 ± 1,0), чем зимние и немлизистые образцы фекалий (Шеннон, ANOVA, P = 0,0166). Хотя это и не значимо, в этих выборках меньше доминировали одиночные OTU (обратная шкала Бергера-Паркера: 2,6 ± 0,56, P > 0,05, таблица ). Образцы фекалий, не содержащие слизи, показали наименьшее среднее разнообразие с наибольшим разбросом (Шеннон: 1,1 ± 0,13, инверсия-Симпсон: 2,6 ± 0,32) среди всех типов образцов, и в них преобладала одна ОТЕ (инверсия Бергера-Паркера: 1.9 ± 0,20; Дополнительная таблица S2).

Индекс разнообразия Шеннона для (A) самцов и (B) самок гигантских панд за период выборки. Немлизистые фекалии представляют собой черные точки, а немлизистые фекалии, возникающие в тот же день, что и слизистые, представлены красными точками. Мукоиды — красные звезды. Серым цветом выделены диапазоны зимних значений. Самец панды испытал слизь на 14-й день, но этот образец не был успешно секвенирован и не включен здесь.

Таблица 1

Процент относительной численности (RA) и процентный вклад в определение различий между типами образцов на разных таксономических уровнях, как определено анализом SIMPER для зимних, немукоидных и мукоидных образцов панды.

903

12359

Paste0: 6,1

Сравнение	Phyla	RA (%)	SIMPER (%)	Семейство	RA (%)	SIMPER (%)	OTU	Наименьшая классификация	SIMPER (%)
Зима: немлизистая	Firmicutes	98:57	49	Clostridiaceae	57:23	28
28
				Erysipelotrichaceae	31: 8.4	18	3	Turicibacter	31: 8.4	18
	Proteobacteria	1.2: 43	50	Enterobacteria		Escherichia-Shigella	0,22: 43	31
Не слизистые: мукоид	Firmicutes	57:64	46			Clostridiace6	356 Clostridium	23:35	22
				Erysipelotrichacae	8.4:12	9,4	3	Turicibacter	8,4: 12	9,0
									ac6359	Leuconostoc	11: 0,0	7,5
				Streptococcaceae	8.1: 8.2	8.0	44: 0,63	5,3
							12	Streptococcus	0,0: 7,2	45	Enterobacteriaceae	43:13	27	2	Escherichia-Shigella	43:13	26
Winter6				Firmic6									Clostridiaceae	57:35	29	1	Clostridium	57:35	28
					Turicibacter	31:12	21
903 56				Streptococcaceae	5.7: 8,2	9,1	12	Streptococcus	0,0: 7,2	6,3
	Proteobacteria	1,2: 29	38	Enterobacteria 2	Escherichia-Shigella	0,22: 13	11
							Семейство	5,3

Общие фекальные сообщества различаются в зависимости от типа образца

Образцы мужчин и женщин были сгруппированы по типу образца (зимний, немукоидный и слизистый) и общей структуре бактериального сообщества (Bray– Curtis) и состав (Jaccard) в зимних и немукоидных группах с типами образцов, тестируемыми как по отдельности, так и в сочетании, существенно не различались для разных животных (ANOSIM, P > 0,05, дополнительные таблицы S3 и S5).Группа мукоидов не могла быть протестирована, поскольку у самки был только один образец мукоида. Было обнаружено, что фекальные сообщества различаются в зависимости от типа выборки, поскольку статистический анализ выявил различия в структуре сообщества (Брей – Кертис) на типах (ANOSIM, P = 0,035), семье ( P = 0,00030) и уровнях OTU ( P = 0,00040) (Дополнительная таблица S4). Также было обнаружено, что состав сообщества (Жаккар) значительно различается в зависимости от типа выборки на всех трех таксономических уровнях (ANOSIM, P = 0.040, 0,0007 и 0,00040 соответственно; Дополнительная таблица S4). Эти различия в общем составе и структуре бактериального сообщества были визуализированы с помощью неметрического масштабирования (nMDS; рисунок ; дополнительный рисунок S3). При рандомизации не наблюдалось значительных различий в зависимости от типа выборки (ANOSIM, P > 0,05; дополнительная таблица S4).

Трехмерный неметрический многомерный масштабный анализ, показывающий различия в (A) структуре сообщества (Брей – Кертис, наименьшее напряжение: 0.0810, R-квадрат: 0,965) и (B) состав сообщества (Жаккар, наименьшее напряжение: 0,192, R-квадрат: 0,766) зимних, немукоидных и слизистых образцов гигантских панд .

Несколько таксономических групп формируют общее бактериальное сообщество

Чтобы определить, какие таксономические группы способствовали значительным различиям, наблюдаемым между типами образцов, был проведен анализ на уровне типов, семейств и OTU. Было обнаружено, что только два типа, Proteobacteria и Firmicutes, определяют различия между тремя типами образцов [SIMPER, вклад в общее несходство: сравнение зимних и немлизистых (WN): 50 и 49%, соответственно; сравнение зимних мукоидов (WM): 40 и 49% соответственно; сравнение немукоид-мукоид (NM): 45 и 46%)] ( таблица ).Члены семей этих типов также внесли свой вклад в наблюдаемые различия: пять семей оказались важными при сравнении выборок. Было обнаружено, что для WN важными факторами являются Enterobacteriaceae, Clostridiaceae и Erysipelotrichaceae (SIMPER, вклад в общее несходство: 31, 28 и 18% соответственно; таблица ). Было обнаружено, что эти три семейства с добавлением Streptococcaceae существенно различаются по форме при сравнении WM ( таблица ).Было обнаружено, что дополнительное семейство Leuconostocaceae значительно влияет на различия в бактериальных сообществах NM ( таблица ).

Из 118 OTU, наблюдаемых в выборках, было обнаружено, что только шесть вносят значительный вклад в различия, наблюдаемые в типах выборок ( Рисунок ). Три OTU, вид Escherichia-Shigella (OTU 2), вид Clostridium (OTU 1) и вид Turicibacter (OTU 3), оказали влияние на формирование различий в сравнении WN (SIMPER, вклад в общее несходство: 31, 28 и 18% соответственно; таблица ).Эти, а также два дополнительных OTU способствовали различиям, наблюдаемым в BM: вид Streptococcus (OTU 12) и неклассифицированный представитель Pasteurellaceae (OTU 11; таблица ). Для анализа ЯМ все ранее наблюдаемые OTU, за исключением OTU 11, внесли свой вклад в различия, а также виды Streptococcus (OTU 4) и виды Leuconostoc (OTU 6) ( таблица ).

Тепловые карты относительной численности операционных таксономических единиц (OTU), которые вносят существенный вклад в различия, наблюдаемые между типами выборок (SIMPER) у самцов (A) (зима = 5, немукоидность = 13, мукоидность = 4) и (B) самка гигантской панды (5, 5 и 1).Классификация OTU указана справа, а мукоиды отмечены (^*).

Обсуждение

Здесь мы охарактеризовали бактериальную микробиоту, связанную с фекальным и слизистым стулом у гигантских панд, и коррелировали эти сообщества со сменами кормления, чтобы определить влияние диеты и микробов на слизистые эпизоды, хроническое и пагубное состояние среди этих травоядных плотоядных животных. Образцы фекалий в этом исследовании были сгруппированы как фекалии из немлизистого сезона (зима), фекалии, непосредственно предшествующие или следующие за слизистым эпизодом (немлизистые), или слизистый стул (слизистый).

В соответствии с предыдущими отчетами (Zhu et al., 2011; Xue et al., 2015), все образцы фекалий имели низкое разнообразие (, таблица ) и в них преобладали бактерии типа Firmicutes и Proteobacteria, причем значительный вклад вносили родов Clostridium , Escherichia-Shigella , Streptococcus и Turicibacter . Образцы мукоидного сезона (немукоидные и мукоидные) были получены из сезона преимущественно листоядного и, как правило, имели менее многочисленные виды Clostridium и более многочисленные представители семейства Enterobacteriaceae, в частности Escherichia-Shigella .Подобные сезонные тенденции наблюдались ранее с теми же животными с использованием методов культивирования (Williams et al., 2012). Однако ранее сообщалось об противоположных тенденциях с использованием секвенирования образцов следующего поколения при изменении рациона на большее количество листьев как для диких, так и для содержащихся в неволе гигантских панд (Xue et al., 2015). Это несоответствие может быть связано с диетическими различиями, поскольку панды в Xue et al. (2015) на протяжении всего исследования потребляли различные виды бамбука, а также приготовленный на пару хлеб.Важно отметить, что не было отмечено, что потребление хлеба зависит от предпочтения порций бамбука. Кроме того, наблюдаемые различия могут быть объяснены широким спектром методологических различий между двумя исследованиями, такими как обработка образцов фекалий (смешивание или встряхивание), экстракция ДНК или смещение праймеров (Brooks et al., 2015; Wagner Mackenzie et al. ., 2015).

При изучении вкладов на уровне филы в различия типов образцов, наблюдается сдвиг в соотношении грамположительных к грамотрицательным из-за изменений в относительной численности типов Firmicutes и Proteobacteria.Фирмикуты (грамположительные) обычно считаются защитными комменсалами (Craven et al., 2012) и преобладают в зимних образцах, но в немукоидных и мукоидных образцах их было меньше. И наоборот, Proteobacteria (грамотрицательные) включают агрессивные, патогенные виды (Baumgart et al., 2007; Craven et al., 2012), и было обнаружено, что их количество в немукоидных и мукоидных образцах увеличивается по сравнению с зимой. Наибольшие изменения в обоих типах наблюдались между зимними и немукоидными образцами, что указывает на то, что эти гигантские панды испытывают значительные изменения в своей микробиоте между сезонами, возможно, в результате различий в рационе в течение года.Такие экстремальные изменения, а также более высокая вариабельность, наблюдаемая среди образцов немлизистых фекалий в течение мукоидного сезона ( Рисунок ), часто указывает на дисбактериоз между хозяином и его микробиотой (Frank et al., 2007) и отсутствие Этот дисбактериоз может объяснить, почему в зимний сезон исторически низкие уровни мукоидов.

Мы также обнаружили, что виды Proteobacteria Escherichia-Shigella (OTU 2) претерпели резкое увеличение от зимних (0,22 ± 0,12%) к немукоидным образцам (43 ± 8.2%), а тип Actinobacteria зимой отсутствовал, но присутствовал в мукоидах. Увеличение численности этих бактерий свидетельствует о дисбиотическом событии (Darfeuille-Michaud et al., 1998; Baumgart et al., 2007; Krogius-Kurikka et al., 2009; Craven et al., 2012), особенно у людей. с воспалительным заболеванием кишечника (ВЗК), состоянием, которое наиболее похоже на хронические мукоиды, от которых страдают гигантские панды. Таким образом, мы предполагаем, что вызванный диетой дисбиоз между гигантской пандой и ее кишечной микробиотой может вызывать мукоидные эпизоды, аналогичные симптомам ВЗК, вызывающим дисбактериоз, у людей.

Помимо различий между зимними и немукоидными образцами, мукоиды характеризовались рядом уникальных таксонов, что указывает на их отличие от других сезонных изменений в фекальной микробиоте гигантской панды. В частности, мукоиды содержали промежуточные количества Firmicutes и Proteobacteria, в частности, Clostridium (OTU 1), Turicibacter (OTU 3) и Escherichia-Shigella (OTU 2). Это присутствие указывает на то, что слизистые оболочки отличаются от фекалий, образующихся в дни, предшествующие эпизодам мукоидоза, и эти бактерии могут быть членами микробиоты ЖКТ гигантской панды, которая выделяется во время этих событий.Кроме того, некоторые различия между образцами слизистых, немукоидных и зимних фекалий были аналогичны различиям между микробными сообществами слизистых и фекалий, обнаруженными у других животных (Zoetendal et al., 2002; Malmuthuge et al., 2013). Хотя это не имеет значения, в слизистых оболочках было больше представителей филы Bacteroidetes, особенно класса Flavobacteria, и эти таксоны чаще встречаются в слизистой оболочке млекопитающих, чем в фекалиях (Jakobsson et al., 2015). Кроме того, один неклассифицированный OTU в семействе Pasteurellaceae (OTU 11) и Streptococcus (OTU 12) были обнаружены только в слизистых оболочках, и эти таксоны являются известными бактериями, связанными со слизистой оболочкой у других животных (Kuhnert and Christensen, 2008; Kaci et al. др., 2014). Взятые вместе, мы предполагаем, что слизистые оболочки представляют собой комбинацию экскретируемой слизистой оболочки с продолжающимся выделением фекального материала после перехода панды на листья.

Хотя мукоиды наблюдались у содержащихся в неволе панд в течение всего года, они чаще наблюдаются в летние месяцы после уменьшения количества пищевых волокон (Nickley, 2001; Williams, 2011).Аналогичная взаимосвязь наблюдалась у коз, где снижение потребления клетчатки привело к изменениям в бактериальном сообществе и ферментации, что привело к снижению pH слепой кишки и увеличению концентрации липополисахаридов. Эти изменения морфологии слизистой оболочки были связаны с интенсивным повреждением эпителия и локальным воспалением в результате изменения диеты (Metzler-Zebeli et al., 2013; Liu et al., 2014). Учитывая, что диета гигантских панд в нашем исследовании также изменилась до сбора слизи ( Рисунок ), мы предполагаем, что это также может привести к аналогичному повреждению слизистой оболочки, последующим изменениям в микробиоте ЖКТ и необходимости выделения слизи.

Согласно этой модели, резкий переход гигантской панды к менее волокнистой части листа бамбука может также вызвать изменение ее мутуалистической микробиоты ЖКТ. Известно, что диета является основной движущей силой микробиоты ЖКТ (Flint et al., 2012), и сезонный сдвиг очевиден при сравнении зимних и немлизистых образцов (, рисунки и , ) в обоих исследованиях, как так же, как и в предыдущих отчетах (Williams et al., 2012; Xue et al., 2015). Уменьшение количества пищевых волокон и измененная микробиота могут затем привести к воспалению и повреждению слизистого барьера за счет процессов, аналогичных тем, которые наблюдаются у коз (Metzler-Zebeli et al., 2013; Лю и др., 2014). Без неповрежденного слизистого барьера панда испытывает дальнейший дисбактериоз и не может поддерживать свою микробиоту ЖКТ, о чем свидетельствует более высокая вариабельность в немлизистых образцах ( Фигуры — ). Этот дисбактериоз и, возможно, повреждение слизистой оболочки достигают критического уровня, характеризующегося очень низким разнообразием ( Рисунок ). Чтобы «перезагрузить» систему, слой слизистой оболочки вместе с измененной микробиотой ЖКТ сбрасывается, что приводит к увеличению разнообразия мукоидов, поскольку слизистая оболочка обычно более разнообразна, чем фекалии (Zoetendal et al., 2002; Malmuthuge et al., 2013). Выделение позволило бы восстановить слизистый барьер и более здоровую микробиоту ЖКТ, о чем свидетельствует более зимний состав и разнообразие немлизистых образцов сразу после мукоидного эпизода (фигуры , и , ). Этот цикл продолжается в течение нескольких недель, следующих за внезапным переходом панды с рациона, богатого соломой, на диету, богатую листьями, до тех пор, пока не установится стабильное микробное сообщество и слизистый барьер для новой диеты.Однако эту гипотезу дисбактериоза еще предстоит проверить на гигантских пандах.

Интересно, что один образец слизи самца панды (день 35) не соответствовал нашей предложенной модели, так как он имел разнообразие ( Рисунок ) и состав ( Рисунок ), более похожие на образцы зимних фекалий. Немлизистые образцы, взятые в один и тот же день, как до, так и после слизистого эпизода, имели более высокое разнообразие и характерные немукоидные сообщества. Важно отметить, что на следующий день (36-й день) произошла другая мукоидная мукоидная форма с характерным разнообразием и составом мукоидов.Таким образом, мы предполагаем, что слизистая оболочка 35-го дня была неудачным событием выделения и, таким образом, содержала больше фекального материала, чем слизистая оболочка, тем самым искажая наблюдаемое разнообразие в сторону более низкого значения. Поскольку в результате этого выделения не удалось удалить достаточное количество слизистой оболочки, потребовался еще один эпизод (36-й день) для достижения «перезагрузки» системы.

Эпизоды слизи у гигантских панд могут иметь несколько негативных последствий для питания и здоровья, поскольку гигантские панды обычно не питаются в эти периоды. Более того, эти мукоиды более распространены после типичного сезона размножения, и пониженный статус питания может передаваться потомству как во время беременности, так и во время кормления грудью, что потенциально может повлиять на развитие детенышей.Дальнейшая работа в этой области необходима для оценки предложенной здесь гипотезы повреждения слизистой оболочки и дисбактериоза. Более того, изучение возможных практик, таких как пищевые добавки, может помочь облегчить расстройство желудочно-кишечного тракта и последующее снижение нутритивного статуса у гигантских панд. Эта работа является первой характеристикой микробиоты, связанной с мукоидами у гигантских панд, и служит первым шагом к выяснению механизма, лежащего в основе этого явления, которое влияет на общее состояние здоровья этого находящегося под угрозой исчезновения вида.

Вклад авторов

CW разработал эксперимент, а вместе с KD-M провел эксперименты и анализ данных, а также написал рукопись. MV настроила вычислительную среду, которая облегчила биоинформатический анализ. AB, GS, DS, SW и AK помогли в интерпретации данных. AB, GS, DS и MV оказали помощь в редактировании рукописи.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось в отсутствие каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Авторы хотели бы поблагодарить сотрудников Зоологического общества Мемфиса (Сьюзи Заледзиески, Жозефину Филдс Фальконе, Лекси Янг и Сьерра Браунинг) за сбор образцов и Оливию Кроу (Университет штата Миссисипи) за помощь в сборе и обработке образцов. Мы хотели бы поблагодарить всех сотрудников лаборатории Suen (Университет Висконсин-Мэдисон) за их поддержку, содержательные обсуждения и внимательное чтение рукописи.

Сноски

Финансирование. Эта работа была поддержана Мемфисским зоологическим обществом, Международными программами лесной службы США (Азиатско-Тихоокеанский офис), Национальным институтом продовольствия и сельского хозяйства Министерства сельского хозяйства США (номера грантов MIS-409030 для AB и WIS-01729 для GS), Специальная исследовательская инициатива, Экспериментальная станция сельского и лесного хозяйства штата Миссисипи (MIS-409030 — DS) и Фонд семьи Лео М. Сил. Любые мнения, выводы, заключения или рекомендации, выраженные в этой публикации, принадлежат авторам и не обязательно отражают взгляды наших сторонников.

Ссылки

Баумгарт М., Доган Б., Ришнив М., Вайцман Г., Босуорт Б., Янтисс Р. и др. (2007). Независимый от культуры анализ слизистой оболочки подвздошной кишки показывает избирательное увеличение инвазивной Escherichia coli новой филогении по сравнению с истощением Clostridiales при болезни Крона с поражением подвздошной кишки.
ISME J.
1
403–418. 10.1038 / ismej.2007.52 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
Брей Дж. Р., Кертис Дж. Т. (1957). Ординация горных лесных сообществ южного Висконсина. Ecol. Monogr.
27
325–349. 10.2307 / 1
8 [CrossRef] [Google Scholar]
Брукс Дж. П., Эдвардс Д. Дж., Харвич М. Д., Ривера М. К., Феттвейс Дж. М., Серрано М. Г. и др. (2015). Правда о метагеномике: количественная оценка и противодействие систематической ошибке в исследованиях 16S рРНК.
BMC Microbiol.
15:66
10.1186 / s12866-015-0351-6 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
Браун А. Дж., Голдсуорси С. М., Барнс А. А., Эйлерт М. М., Чанг Л., Дэниэлс Д., и другие. (2003). Рецепторы GPR41 и GPR43, связанные с белками Orphan G, активируются пропионатом и другими карбоновыми кислотами с короткой цепью.
J. Biol. Chem.
278
11312–11319. 10.1074 / jbc.M211609200 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
Крейвен М., Иган С., Дауд С., МакДоноу С., Доган Б., Денкерс Э. и др. (2012). Воспаление вызывает дисбактериоз и бактериальную инвазию на мышиных моделях болезни Крона подвздошной кишки.
PLoS ONE
7: e41594
10.1371 / journal.pone.0041594 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
Darfeuille-Michaud A., Neut C., Barnich N., Lederman E., Martino P., Desreumaux P., et al. (1998). Наличие прикрепленных штаммов Escherichia coli в слизистой оболочке подвздошной кишки пациентов с болезнью Крона.
Гастроэнтерология
115
1405–1413. 10.1016 / S0016-5085 (98) 70019-8 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
Дэвис Д. Д. (1964). «Гигантская панда: морфологическое исследование эволюционных механизмов», в Fieldiana: Zoology Memoirs
Vol. 3
редакторы
Росс Л. А., Уильямс П. М., Нэш Э. Г. (Чикаго, Иллинойс:
Чикагский музей естественной истории; ), 199–218.[Google Scholar]
Диренфельд Э. С., Хинц Х. Ф., Робертсон Дж. Б., Ван Сост П. Дж., Офтедал О. Т. (1982). Использование бамбука гигантской пандой.
J. Nutr.
112
636–641. [PubMed] [Google Scholar]
Эдвардс М. С., Чжан Г., Вэй Р., Лю X. (2006). «Питание и диетическое животноводство», в Giant Pandas: Biology, Veterinary Medicine and Management , eds.
Вильдт Д. Э., Чжан А., Чжан Х., Янссен Д. Л., Эллис С. (Кембридж:
Издательство Кембриджского университета; ), 101–158.[Google Scholar]
Фава Ф., Данезе С. (2011). Кишечная микробиота при воспалительном заболевании кишечника: друг врага?
World J. Gastroenterol.
5
557–566. 10.3748 / wjg.v17.i5.557 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
Флинт Х., Скотт К., Луис П., Дункан С. (2012). Роль микробиоты кишечника в питании и здоровье.
Nat. Преподобный Гастроэнтерол. Гепатол.
9
577–589. 10.1038 / nrgastro.2012.156 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
Фрэнк Д.Н., Сент-Аманд А. Л., Фельдман Р. А., Бёдекер Э. К., Харпаз Н., Пейс Н. Р. (2007). Молекулярно-филогенетическая характеристика дисбаланса микробного сообщества при воспалительных заболеваниях кишечника человека.
Proc. Natl. Акад. Sci. США
104
13780–13785. 10.1073 / pnas.0706625104 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
Хороший И. Дж. (1953). Частота встречаемости видов и оценка популяционных параметров.
Биометрика
40
237–264. 10.1093 / биомет / 40.3-4.237 [CrossRef] [Google Scholar]
Хансен Р. Л., Карр М. М., Апанавичюс К. Дж., Цзян П., Биссель Х. А., Гочински Б. Л. и др. (2010). Сезонные сдвиги в кормлении гигантских панд: связь с потреблением частей бамбука.
Zoo Biol.
29
470–483. 10.1002 / zoo.20280 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
Хупер Л., Мидтведт Т., Гордон Дж. (2002). Как взаимодействия хозяина и микробов формируют питательную среду кишечника млекопитающих.
Annu. Ред.Nutr.
22
283–307. 10.1146 / annurev.nutr.22.011602.0
[PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
Illumina (2013). Подготовка библиотеки метагеномного секвенирования 16S. Доступно на: www.illumina.com
(по состоянию на 27 октября 2014 г.). [Google Scholar]
Ито К., Сакаи С. (2009). Оптимальная стратегия защиты растений от травоядных: выбор условий для индуцированной защиты, конститутивной защиты и отсутствия защиты.
J. Theor. Биол.
260
453–459. 10.1016 / j.jtbi.2009.07.002 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
Jaccard P. (1912). Распространение флоры в альпийской зоне.
New Phytol.
11
37–50. 10.1111 / j.1469-8137.1912.tb05611.x [CrossRef] [Google Scholar]
Якобссон Х. Э., Родригес-Пиньейро А. М., Шютте А., Эрмунд А., Бойсен П., Бемарк М. и др. (2015). Состав кишечной микробиоты формирует слизистый барьер толстой кишки.
EMBO Rep.
16
164–177. 10.15252 / embr.201439263 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
Янссен Д.Л., Эдвардс М. С., Сазерленд-Смит М., Ю. Дж. К., Ли Д. С., Чжан Г. К. и др. (2006). «Важные медицинские проблемы и биологические справочные значения для гигантских панд из биомедицинского исследования», в Giant Pandas: Biology, Veterinary Medicine and Management , eds.
Вильдт Д. Э., Чжан А., Чжан Х., Янссен Д. Л., Эллис С. (Кембридж:
Издательство Кембриджского университета; ), 59–85. [Google Scholar]
Джин К., Чочон Р. Л., Донг В., Хант Р. М., Лю Дж., Джегер М. и др. (2007). Первый череп самой ранней гигантской панды. Proc. Natl. Акад. Sci. США
104
10932–10937. 10.1073 / pnas.07041
[Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
Йоханссон М. Э., Ларссон Дж. М., Ханссон Г. К. (2011). Два слизистых слоя толстой кишки организованы муцином MUC2, тогда как внешний слой является законодателем взаимодействий между хозяином и микробом.
Proc. Natl. Акад. Sci. США
108
4659–4665. 10.1073 / pnas.
1107 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
Kaci G., Гудеркорт Д., Деннин В., Пот Б., Доре Дж., Эрлих Д. С. и др. (2014). Противовоспалительные свойства Streptococcus salivarius , комменсальной бактерии полости рта и пищеварительного тракта.
Заявл. Environ. Microbiol.
80
928–934. 10.1128 / AEM.03133-13 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
Klindworth A., Pruesse E., Schweer T., Peplies J., Quast C., Horn M., et al. . (2013). Оценка общих праймеров для ПЦР гена 16S рибосомной РНК для классических исследований и исследований разнообразия на основе секвенирования следующего поколения. Nucleic Acids Res.
41: e1
10.1093 / nar / gks808 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
Козич Дж. Дж., Весткотт С. Л., Бакстер Н. Т., Хайлендер С. К., Шлосс П. Д. (2013). Разработка стратегии двухиндексного секвенирования и конвейера курации для анализа данных последовательности ампликонов на платформе секвенирования MiSeq Illumina.
Заявл. Environ. Microbiol.
79
5112–5120. 10.1128 / AEM.01043-13 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
Krogius-Kurikka L., Лира А., Малинен Э., Аарникуннас Дж., Туймала Дж., Паулин Л. и др. (2009). Анализ микробного сообщества выявляет филогенетические изменения высокого уровня в общей микробиоте желудочно-кишечного тракта у людей, страдающих синдромом раздраженного кишечника с преобладанием диареи.
BMC Gastroenterol.
9:95
10.1186 / 1471-230X-9-95 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
Kuhnert P., Christensen H. (2008). Pasteurellaceae: биология, геномика и молекулярные аспекты.
Норфолк, Вирджиния:
Caister Academic Press.[Google Scholar]
Лю Дж., Сюй Т., Чжу В., Мао С. (2014). Кормление с высоким содержанием зерна изменяет состав бактериальной микробиоты слепой кишки и ферментацию и приводит к повреждению слизистой оболочки слепой кишки у коз.
Br. J. Nutr.
112
416–427. 10.1017 / S0007114514000993 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
Лёдер И. К., Монтали Р. Дж., Райдаут Б. А. (2006). «Болезни и патологии гигантских панд», в Giant Pandas: Biology, Veterinary Medicine and Management , eds.
Вильдт Д. Э., Чжан А., Чжан Х., Янссен Д. Л., Эллис С. (Кембридж:
Издательство Кембриджского университета; ), 101–158. [Google Scholar]
Луис П., Флинт Х. (2009). Разнообразие, метаболизм и микробная экология бактерий, продуцирующих бутират, из толстой кишки человека.
FEMS Microbiol. Lett.
294
1–8. 10.1111 / j.1574-6968.2009.01514.x [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
Мальмутуге Н., Ли М., Гуневардене Л. А., Оба М., Гуан Л. Л. (2013). Влияние стартового кормления телят на микробное разнообразие кишечника и экспрессию генов, участвующих в иммунных реакциях хозяина и плотных контактах у молочных телят во время перехода от отъема. J. Dairy Sci.
96
3189–3200. 10.3168 / jds.2012-6200 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
Metzler-Zebeli B., Schmitz-Esser S., Klevenhusen F., Podstatzky-Lichtenstein L., Wagner M., Zebeli Q. (2013 г.) ). Богатые зерном рационы по-разному влияют на численность микробных популяций и липополисахаридов у коз в рубце и толстой кишке.
Анаэроб
20
65–73. 10.1016 / j.anaerobe.2013.02.005 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
Никли Дж. К. (2001). Состав питательных веществ бамбука, скармливаемого гигантским пандам в неволе (Ailuropoda melanoleuca), и взаимосвязь между потреблением бамбука и консистенцией фекалий.
Помона, Калифорния:
Калифорнийский политехнический университет в Помоне. [Google Scholar]
Оксанен Дж., Бланшет Ф. Г., Киндт Р., Легендере П., Минчин П. Р., О’Хара Р. Б. и др. (2015). Vegan: Пакет «Экология сообщества». R Package Vegan, версия 2.2-1. Доступно по адресу: http://cran.r-project.org [Google Scholar]
Pruesse E., Quast C., Knittel K., Fuchs B., Ludwig W., Peplies J., et al. (2007). SILVA: всеобъемлющий онлайн-ресурс для проверенных и согласованных данных о последовательностях рибосомных РНК, совместимых с ARB. Nucleic Acids Res.
35 год
7188–7196. 10.1093 / nar / gkm864 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
Цю X. М., Майнка С. А. (1993). Обзор смертности гигантской панды ( Ailuropoda melanoleuca ).
J. Zoo Wildl. Med.
24
425–429. [Google Scholar]
R Core Team (2015). R: язык и среда для статистических вычислений.
Вена:
Фонд R для статистических вычислений; Доступно по адресу: http://www.R-project.org/ [Google Scholar]
Schaller G.Б., Ху Дж., Пань В., Чжу Дж. (1985). Гигантские панды Волонга.
Чикаго, Иллинойс:
Издательство Чикагского университета. [Google Scholar]
Шлосс П. Д., Хандельсман Дж. (2005). Представляем DOTUR, компьютерную программу для определения операционных таксономических единиц и оценки видового богатства.
J. Appl. Environ. Microbiol.
71
1501–1506. 10.1128 / AEM.71.3.1501-1506.2005 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
Шепард Р. Н. (1966). Метрические структуры в порядковых данных. J. Math. Psychol.
3
287–315. 10.1016 / 0022-2496 (66)
-4 [CrossRef] [Google Scholar]
Стейнман К. Дж., Монфорт С. Т., МакГихан Л., Керси Д. К., Гуал-Сил Ф., Снайдер Р. Дж. И др. (2006). «Эндокринология гигантской панды и применение гормональных технологий для управления видами», в Giant Pandas: Biology, Veterinary Medicine and Management , eds.
Вильдт Д. Э., Чжан А., Чжан Х., Янссен Д. Л., Эллис С. (Кембридж:
Издательство Кембриджского университета; ), 101–158. [Google Scholar]
Стивенсон Д.М., Веймер П. Дж. (2007). Преобладание Prevotella и низкая численность классических видов бактерий рубца в рубце крупного рогатого скота выявлены с помощью относительной количественной оценки ПЦР в реальном времени.
Заявл. Microbiol. Biotechnol.
75
165–174. 10.1007 / s00253-006-0802-y [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
Тару Л. Р., Уильямс Дж., Пауэлл Д. М., Табет Р., Аллен М. (2005). Поведенческие предпочтения к бамбуку у пары гигантских панд в неволе ( Ailuropoda melanoleuca ).
Zoo Biol.
24
177–183. 10.1002 / zoo.20038 [CrossRef] [Google Scholar]
Вагнер Маккензи Б., Уэйт Д. У., Тейлор М. У. (2015). Оценка различий в профилях микробиоты кишечника человека из-за метода выделения ДНК и различий между субъектами.
Фронт. Microbiol.
6: 130
10.3389 / fmicb.2015.00130 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
Уильямс К. Л. (2011). Влияние диетических изменений на микробные популяции в желудочно-кишечном тракте гигантской панды (Ailuropoda melanoleuca) [Электронный ресурс].
Штат Миссисипи, штат Миссисипи:
Государственный университет Миссисипи. [Google Scholar]
Уильямс К. Л., Уиллард С., Коуба А., Спаркс Д., Холмс В., Фальконе Дж. И др. (2012). Изменения в питании влияют на микрофлору желудочно-кишечного тракта гигантской панды ( Ailuropoda melanoleuca ).
J. Anim. Physiol. Anim. Nutr.
97
577–585. 10.1111 / j.1439-0396.2012.01299.x [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
Сюэ Ц., Чжан В., Ван Л., Хоу Р., Чжан М., Фей Л. (2015). Гигантская панда-бамбук питает кишечную микробиоту плотоядных животных с чрезмерными сезонными колебаниями. Мбио
6: e00022-15
10.1128 / mBio.00022-15 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
Чжан З. Х., Чжан А. Дж., Хоу Р., Ван Дж. С., Ли Г. Х., Фей Л. С. и др. (2006). «Историческая перспектива разведения гигантских панд ex situ в Китае — высокий приоритет на будущее», в Giant Pandas: Biology, Veterinary Medicine and Management , eds.
Вильдт Д. Э., Чжан А., Чжан Х., Янссен Д. Л., Эллис С. (Кембридж:
Издательство Кембриджского университета; ), 101–158. [Google Scholar]
Чжу Л., Ву К., Дай Дж., Чжан С., Вэй Ф. (2011). Доказательства метаболизма целлюлозы микробиомом кишечника гигантской панды.
Proc. Natl. Акад. Sci. США
108
17714–17719. 10.1073 / pnas.1017
8 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
Зетендал Э., Райт А., Вильппонен-Салмела Т., Бен-Амор К., Аккерманс А., Вос В. ( 2002). Бактерии, связанные со слизистой оболочкой желудочно-кишечного тракта человека, равномерно распределены по толстой кишке и отличаются от сообщества, выделенного из фекалий. Заявл. Environ. Microbiol.
68
3401–3407. 10.1128 / AEM.68.7.3401-3407.2002 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

Сразитесь с ними или накормите их: как слой кишечной слизи управляет микробиотой кишечника | Отчет гастроэнтеролога

Аннотация

Кишечный тракт населен огромным количеством микроорганизмов, называемых кишечной микробиотой. Эти микроорганизмы живут в мутуалистических отношениях со своим хозяином и способствуют разложению сложных углеводов.Хотя микробиота кишечника обычно считается полезной, огромное количество микробных клеток также представляет собой постоянную угрозу для хозяина. Таким образом, эпителий кишечника покрыт плотным слоем слизи, чтобы предотвратить перемещение микробиоты кишечника в подлежащие ткани. Кишечная слизь представляет собой организованную сеть гликопротеинов с гликановой структурой, специфичной для хозяина. Хотя слой слизи долгое время считался пассивным барьером, созданным хозяином, недавние исследования показали, что на созревание и функцию слоя слизи сильно влияет микробиота кишечника.В свою очередь, репертуар гликанов муцинов может отобрать отдельные бактерии, ассоциированные со слизистой оболочкой, которые способны связывать или разрушать определенные гликаны муцина в качестве источника питательных веществ. Поскольку слой кишечной слизи находится на важнейшем стыке между хозяином и микробами, его разрушение приводит к вторжению кишечных бактерий, что в конечном итоге может вызвать воспаление и инфекцию. Соответственно, при колите у мышей и людей наблюдается дисфункциональный слой слизи. Более того, недавно было продемонстрировано, что повышенное потребление диеты западного типа с низким содержанием клетчатки в нашем современном обществе вызывает бактериальные дефекты слизистого слоя кишечника.Здесь я рассмотрю текущие знания о взаимодействии между кишечными бактериями и слоем кишечной слизи при здоровье и болезнях. Понимание молекулярных деталей этого взаимодействия хозяин-микроб может способствовать разработке новых вариантов лечения заболеваний, связанных с дисфункциональным слоем слизи, таких как язвенный колит.

Введение

Сообщество кишечных микробов, называемое кишечной микробиотой, живет в мутуалистических отношениях со своим хозяином и производит витамины и другие метаболиты, которые полезны для физиологии хозяина.Однако, хотя эти производные от микробиоты молекулы могут передавать сигналы органам, удаленным от кишечника [1], их микробные продуценты должны содержаться в просвете кишечника. Поскольку микробиота кишечника отделена от хозяина только одним слоем энтероцитов, триллионы бактериальных клеток представляют собой постоянную угрозу. Таким образом, для предотвращения транслокации комменсальных и патогенных микроорганизмов через барьер слизистой оболочки хозяин разработал эффективные защитные механизмы, включая формирование физического слизистого барьера, покрывающего эпителий кишечника.

Кишечная слизь продуцируется бокаловидными клетками и образует высокоорганизованную гликопротеиновую сеть, в основном состоящую из муцина 2 (MUC2), но также содержащую стабильный протеом ядра [2]. Слизистый слой долгое время считался простым лубрикатором, облегчающим прохождение фекального материала по кишечному каналу, но недавний интерес к кишечной микробиоте также привлек внимание исследователей к кишечной слизи. Хотя мы все еще только начинаем понимать функцию и важность слизистого слоя, недавние исследования уже показали, что его взаимодействие с кишечной микробиотой более интенсивно, чем считалось ранее.Более того, наблюдение дефектов слизи при таких заболеваниях, как воспалительное заболевание кишечника [3, 4] и гипергликемия [5], подчеркивает важность этого барьера для физиологии хозяина. Здесь я делаю обзор недавних результатов о взаимодействии между кишечной микробиотой и слоем кишечной слизи при здоровье и болезни.

Структура слизистой оболочки кишечника

Кишечная слизь вырабатывается бокаловидными клетками, специализированными секреторными клетками эпителиального слоя.В тонком кишечнике бокаловидные клетки преимущественно локализуются в криптах Либеркюн, но также в меньшем количестве на ворсинах тонкого кишечника. В толстой кишке секретирующие слизь клетки накапливаются в открытии крипт толстой кишки, но также обнаруживаются глубже в криптах и на поверхности толстой кишки. Недавно у мышей в открытии крипт толстой кишки был идентифицирован специализированный подтип «сторожевых» бокаловидных клеток, которые регулируют секрецию слизи в ответ на бактериальные захватчики, которым удалось проникнуть во внутренний слой слизи толстой кишки [6].

Основным секретируемым белком слизи в кишечнике является MUC2, кодируемый геном MUC2 на хромосоме 11 человека. Этот гелеобразующий гликопротеин состоит из более чем 5100 аминокислот и сильно O-гликозилирован [7], генерируя молекулярную массу около 2,7 МДа на молекулу муцина [8]. Фактически, более 80% его молекулярной массы связано с боковыми цепями олигосахаридов, что объясняет характерные гелеобразующие свойства. Кроме того, специфический для слизи гликановый декор является важной частью его взаимодействия с микробиотой кишечника и будет обсуждаться более подробно ниже.

Внутри эндоплазматического ретикулума бокаловидных клеток мономеры MUC2 димеризуются через свои С-концевые дисульфидные мостики [9] и впоследствии тримеризуются через межмолекулярные дисульфидные мостики через характерные N-концевые D-домены фон Виллебранда в Гольджи [10]. Эти олигомеры муцина затем плотно упаковываются в секреторные везикулы, где низкий pH, высокая концентрация Ca ²⁺ и отсутствие воды облегчают организованные условия хранения. Последующая секреция слизи лучше всего охарактеризована в тонком кишечнике: секреция гидрокарбоната (HCO ₃ ^—) каналом трансмембранного регулятора проводимости муковисцидоза (CFTR) приводит к подщелачиванию условий и снижению концентрации Ca ²⁺ по сравнению с к окружающей среде в гранулах слизи.Эти изменения окружающей среды делают возможным массовое разрастание олигомеров слизи, генерируя двумерные высокоорганизованные листы, которые взаимодействуют с ранее сформированными, создавая трехмерный слой слизи [11, 12]. В то же время гидратация приводит к набуханию слизи, вызывая увеличение объема упакованного муцина в 100–1000 раз [13]. Однако недавние открытия предполагают, что сборка муцина, вероятно, еще более сложна и может также включать молекулы, не являющиеся муцинами: например, присутствие фактора трилистника-3 (TFF3), кератинов и кальций-связывающих белков в препарате нативного муцина может указывать на их значимость. для сборки муцина, даже несмотря на то, что их индивидуальные роли и вклады должны быть проверены экспериментально [14].

При секреции в тонкий кишечник слизь образует единый слой, который распространяется на кончики ворсинок тонкого кишечника [15]. В то время как только несколько исследований подробно изучали слизь тонкого кишечника, похоже, что у мышей слизь не является полностью непроницаемой для бактерий и высвобождается из эпителия микробной протеазой меприн-β [15, 16]. Учитывая, что тонкий кишечник является метаболически активным органом, который специализируется на поглощении питательных веществ, рыхлая сеть муцина может способствовать поглощению пищевых молекул через эпителиальную границу.Однако, чтобы предотвратить побег условно-патогенных бактерий из просвета, слизь тонкого кишечника заряжается защитными молекулами, сравнимыми с электрическим забором (рис. 1) [17]. Эти антибактериальные белки и пептиды включают, среди прочего, дефенсины, продуцируемые клетками Панета, лизоцим, регенерирующий островковый белок 3α (REG3α; REG3γ у мышей) и фосфолипазу A2-IIA [17–20]. Кроме того, агрегация бактерий индуцируется такими молекулами, как иммуноглобулин А или альфа-дефенсин 6, которые, таким образом, предотвращают пересечение слизистых оболочек за счет исключения размера [21, 22].Следует отметить, что, несмотря на то, что для эффективной защиты хозяина от кишечной микробиоты требуется герметичный физический барьер, в слое слизи обнаруживаются определенные лазейки. Они локализуются в областях над пятнами Пейера, которые представляют собой очаговые структуры, характеризующиеся наличием микроскладчатых (М) клеток в связанном с фолликулом эпителии [23]. Поскольку М-клетки специализируются на взятии проб микробных и пищевых антигенов из просвета кишечника, физический слизистый барьер поверх этих структур проницаем для бактерий или даже может отсутствовать [15, 23].

Рисунок 1.

На структуру слизистого слоя влияет микробиота кишечника. Кишечные бактерии отделены от эпителия хозяина слоем кишечной слизи, который усилен молекулами защиты хозяина, такими как дефенсины, домен Ly6 / PLAUR, содержащий белок 8 (LYPD8), белок гранул зимогена 16 (ZG16), регенерирующие белки островкового происхождения 3 (REG3α / γ) и другие. Присутствие кишечной микробиоты индуцирует экспрессию генов, кодирующих муцин 2 ( Muc2 ) и галактозид 2-альфа-L-фукозилтрансферазу 2 ( Fut2 ), тем самым влияя на прочность слизи и структуру гликанов муцина.Это, в свою очередь, может повлиять на состав кишечной микробиоты, поскольку определенные кишечные бактерии, такие как Bacteroides thetaiotaomicron , могут связывать и метаболизировать гликаны муцина в качестве источника энергии. Разложение гликанов приводит к образованию микробных метаболитов, которые не только влияют на дифференцировку бокаловидных клеток, но также через перекрестное питание других видов микробов, например Faecalibacterium prausnitzii . Соответственно, состав микробиоты кишечника влияет на функцию слизи через доступность микробных метаболитов.

Рисунок 1.

В толстой кишке слизь характеризуется отчетливым многослойным внутренним слоем, который практически не содержит бактерий, и менее выраженным внешним слоем, который состоит из слизи, кишечных бактерий и пищевых продуктов [24]. Из-за смешивания с содержимым кишечника внешний слой часто трудно наблюдать на срезах ткани толстой кишки или с помощью других методов визуализации. Напротив, внутренний слой слизи толстой кишки отчетливо виден, показывая, что его толщина поддерживается на довольно постоянном уровне: ~ 50–80 мкм у мышей и ~ 100 мкм у людей [4, 15, 24, 25].Поскольку слизь постоянно секретируется на базальном уровне, это указывает на то, что переход от внутреннего слоя к внешнему должен строго регулироваться. В самом деле, кальций-активируемый регулятор хлоридных каналов 1 (CLCA1), который, несмотря на свое название, является металлопротеазой с высоким содержанием в слизи толстой кишки, как недавно было показано, вносит вклад в этот переход [26]. Однако делеция Clca1 у мышей показала, что дополнительные, еще не идентифицированные цистеиновые протеазы могут компенсировать недостаток этого фермента, предполагая уровень избыточности в этом процессе.Опосредуется ли переход между внутренним и внешним слоем слизи только протеазами хозяина, или же бактериальные ферменты могут добавить дополнительный уровень сложности, будет интересным вопросом, который необходимо изучить в будущих исследованиях.

В отличие от подвздошной кишки, в которой антимикробные пептиды убивают микроорганизмы, которые достигают эпителия, бактерии толстой кишки образуют активный внутренний биореактор, производящий огромное количество метаболитов, включая витамины и короткоцепочечные жирные кислоты (SCFA), которые влияют на физиологию хозяина в основном благотворно [1, 27–31].Следовательно, внутренний биореактор необходимо поддерживать регулируемым образом — следовательно, на достаточном расстоянии от эпителия. Соответственно, эпителий толстой кишки производит меньше антибактериальных пептидов, которые прилипают к слизи, но скорее секретирует пептиды, которые связывают и агрегируют бактерии и, следовательно, ингибируют проникновение бактерий через исключение физического размера и ингибирование подвижности. Примечательно, что, несмотря на относительно макроскопический механизм, эти пептиды довольно специфичны. Недавно было показано, что домен Ly6 / PLAUR, содержащий белок 8 (Lypd8), специфически связывает флагеллированные бактерии и, таким образом, блокирует их подвижность в толстой кишке мышей [32].Кроме того, лектино-подобный белок zymogen granulae protein 16 (ZG16) специфически связывает пептидогликан бактериальной клеточной стенки грамположительных бактерий и тем самым ингибирует их проникновение во внутренний слой слизи толстой кишки [33]. Однако эта система защиты от связывания / агрегации дополняется дополнительными антимикробными пептидами, такими как REG3γ, резистиноподобная молекула β (RELMβ) и другие [19, 34]. Следовательно, слизь в тонком и толстом кишечнике защищает хозяина от кишечной микробиоты с помощью разных, но схожих эффективных механизмов.

Специфическое взаимодействие между кишечной микробиотой и слоем слизи

Несмотря на то, что кишечная слизь является барьером против микробиоты кишечника, для ее полной функциональности необходимо присутствие бактерий, как было показано на животных без микробов (GF). Ранние гистохимические анализы уже описали более тонкий или местами даже отсутствующий слой слизи в толстой кишке крыс GF [35]. Более того, окрашивание периодической кислотой-Шиффом (PAS) — методика, используемая для окрашивания полисахаридов и гликопротеинов — в том же исследовании выявило структурные различия внутри слоя, поскольку слой слизи толстой кишки выглядел менее плотным у крыс GF по сравнению с крысами, выращенными традиционным способом (рис. 1) [35].Эти данные были дополнены более специфическим окрашиванием лектинов, которое выявило менее интенсивную реактивность в отношении UEA-1 ( Ulex europaeus agglutinin I ; α-L-фукоза) и DBA ( Dolichis biflorus agglutinin ; α-N-ацетил-D -галактозамин) инкубация бокаловидных клеток в слепой кишке, но не в тонком или толстом кишечнике мышей GF [36]. Хотя это указывает на то, что концевые остатки гликана в слепой кишке мышей GF отличаются от их обычных аналогов, секретируемая слизь в этом исследовании не анализировалась.Важно, однако, наблюдение, что гликозилирование муцина различается уже внутриклеточно до секреции слизи, предполагает, что не только бактериальная деградация конкретных гликанов слизи (см. Ниже), но также опосредованные бактериями процессы хозяина вносят вклад в фукозилирование слизи. Эта гипотеза подтверждается данными, сравнивающими фукозилированные гликоконъюгаты между GF и мышами, выращенными традиционным способом: в тонком кишечнике колонизированные мыши демонстрировали возрастающий градиент фукозилированных эпитопов в энтероцитах, клетках Панета и бокаловидных клетках, тогда как фукозилирование в тонком кишечнике у мышей GF могло быть только обнаружен в клетках Панета на дне крипт Либеркюн [37].Дальнейшие эксперименты показали, что микробиота специфически индуцирует экспрессию фукозилтрансфераз хозяина, которые добавляют L-фукозу в α-1,2 положении [37].

В то время как сравнение между взрослыми GF и грызунами, выращиваемыми традиционным способом, показывает четкую разницу в толщине и составе слизи [35, 36, 38, 39], модель GF на мышах представляет собой крайний случай естественной ситуации, в которой кишечник новорожденного становится после рождения колонизированы отдельной микробной популяцией. Интересно, что хотя экспрессия генов муцина мыши Muc1-4 увеличивалась между 1 и 6 днями постнатального периода даже в отсутствие микробиоты [40], присутствие сложной микробиоты приводило к более высокой базовой экспрессии гена, кодирующего секретируемый MUC2. , но не мембраносвязанных муцинов 1, 3 и 4.Напротив, мыши, моноколонизированные пробиотическими бактериальными штаммами Lactobacillus acidophilus NCFM или Escherichia coli Nissle 1917, демонстрировали аналогичную экспрессию Muc2 по сравнению с уровнем мышей GF [40]. Это указывает на то, что другие члены сложного микробного сообщества необходимы для стимуляции экспрессии Muc2 или что для выработки сигнала, индуцирующего Muc2 , необходимо возможное метаболическое взаимодействие между видами микробов.

Поскольку экспрессия мРНК Muc2 не полностью соответствует продукции MUC2, а функция слизи в значительной степени регулируется на посттрансляционном уровне, анализа экспрессии Muc2 недостаточно для полной оценки функции слизистого слоя кишечника [12]. Таким образом, содержание белка MUC2 и, используя метод ex vivo для исследования функции слизи в живой ткани [25], толщина слизи и ее проницаемость были исследованы у мышей GF после колонизации сложным микробным сообществом [41].Мыши GF имели проницаемый слой слизи внутренней толстой кишки, который содержал более низкое относительное содержание белка MUC2 по сравнению с мышами, выращенными традиционным способом. Примечательно, что толщина внутреннего слоя слизи толстой кишки не различалась между двумя группами мышей при использовании этого метода ex vivo , но, поскольку проницаемая слизь, которая содержит более низкую концентрацию белка MUC2, возможно, сжимается больше, чем неповрежденный слой во время фиксации. [42], эти результаты, вероятно, описывают тот же биологический дефект, который наблюдался в фиксированных срезах ткани [38, 39, 43].После того, как мыши GF были колонизированы сложным микробным сообществом, слизистому слою толстой кишки требовалось около 5 недель, чтобы стать непроницаемым — столько же времени, сколько необходимо для нормального отделения слизи тонкого кишечника от кишечного эпителия [41].

Несмотря на наличие основного сообщества кишечной микробиоты, которое наблюдается у большинства людей, существуют значительные различия в микробном составе кишечника между отдельными хозяевами [44–48]. Учитывая решающее влияние микробиоты кишечника на функцию слизи [41], неудивительно, что различия в составе микробиоты влияют на свойства слизи.Соответственно, в двух колониях мышей, которые были размещены в разных комнатах одного и того же помещения для животных, одна колония показывала нормальный непроницаемый внутренний слой слизи толстой кишки, в то время как вторая колония имела проницаемую слизь. Это различие может быть связано со специфическим составом микробиоты кишечника, поскольку фенотип слизи передавался мышам GF при трансплантации микробиоты слепой кишки [49]. Однако, хотя наблюдались различия в микробном составе между двумя колониями мышей, сильные межиндивидуальные различия в колониях мышей не позволяли причинно связать определенные бактериальные таксоны с функцией слизи.Следовательно, хотя очевидно, что состав микробного сообщества влияет на функцию слизи, эффекты конкретных членов кишечного микробного сообщества в значительной степени неизвестны, а влияние на функцию слизи может зависеть от структуры сообщества, а не от отдельных таксонов. Однако все больше данных свидетельствует о том, что определенные штаммы бактерий обладают более сильным потенциалом, чем другие, влиять на функцию слизи (см. Ниже).

Следует отметить, что анализы кишечной микробиоты и трансплантации микробиоты часто сосредотачиваются на членах бактериального сообщества, игнорируя потенциальное влияние вирусов и грибов, которые также пересаживаются в сложные сообщества.В частности, было показано, что бактериофаги — специфичные для бактерий вирусы, которые населяют кишечник в большом разнообразии [50], локализуются на поверхности слизистых оболочек и особенно обогащены слизью по сравнению с окружающей средой [51]. Согласно предложенной модели «прилипания бактериофага к слизи» (BAM), фаги могут прикрепляться к остаткам гликана гликопротеинов муцина посредством взаимодействия с Ig-подобными доменами их белков капсида вируса, тем самым формируя дополнительный независимый от хозяина антимикробный щит против кишечника. микробиота [51].Наблюдение за тем, что вирусный состав в кишечнике пациентов с воспалительным заболеванием кишечника (ВЗК) отличается от здоровых людей, в основном за счет увеличения бактериофагов Caudovirales, дополнительно подтверждает важность сложного фаго-бактериального взаимодействия в кишечнике, которое важно для здоровья. и болезнь [52, 53].

Гликаны слизи как источник энергии для кишечной микробиоты

О-связанных олигосахаридов составляют около 80% от общей молекулярной массы кишечной слизи [7, 54].Поскольку селективные кишечные бактерии могут разлагать гликаны слизи в качестве источника энергии [39, 55, 56], вполне вероятно, что на видоспецифический состав кишечной микробиоты влияет профиль гликозилирования слизистого слоя, который также различается у разных видов [54 , 57–60]. В поддержку этой теории, мыши, у которых отсутствует экспрессия производных ядра 1 O-гликанов, имеют тонкие различия в микробиоте в просвете слепой кишки [61]. Однако, поскольку паттерн гликозилирования слизи скорее влияет на бактерии, связанные со слизистой оболочкой, можно предположить, что микробная популяция слизистой оболочки кишечника будет затронута в большей степени.Действительно, у людей экспрессия галактозид 2-α-L-фукозилтрансферазы 2 (FUT2), кодируемая геном FUT2 (секреторный), как было показано, влияет на состав кишечной микробиоты, связанный со слизистой оболочкой толстой кишки [62]. FUT2 передает концевой остаток фукозы гликопротеинам слизистого слоя и других секретов организма и отвечает за экспрессию антигенов группы гистокрови ABO [63]. Нонсенс-мутация в гене FUT2 , которая инактивирует фермент и приводит к «несекреторному» фенотипу, была связана с болезнью Крона [64, 65].Более того, взаимодействие между болезнью Крона и генотипом секретора было связано с изменениями в бактериальных сообществах: на уровне вида (идентичность ≥97%) одна операционная таксономическая единица (OTU), связанная с Lactobacillus , и две OTU, связанные с Stenotrophomonas были более многочисленны среди здоровых генотипов секреторов, в то время как пять ОТЕ, принадлежащих к Prevotella , Brevundimonas , Sutterella , Faecalibacterium и неклассифицированному Lachnospiraceae, были связаны с несекреторами здоровья.Напротив, три ОТЕ, принадлежащие к Alistipes , Coprococcus и неклассифицированному Lachnospiraceae, были более многочисленны у несекреторных индивидуумов с болезнью Крона [62]. Это говорит о том, что сочетание определяемой генотипом структуры гликанов и статуса заболевания может влиять на микробное сообщество кишечника на слизистой оболочке кишечника. Однако снижение численности бифидобактерий, о котором сообщалось в образцах кала несекреторов в когорте из 79 финнов [66], не могло быть подтверждено при тестировании более крупных когорт [67, 68].Тем не менее, в соответствии с ранее упомянутым исследованием на мышах [61], ясно, что генотип FUT2 влияет только на микробное сообщество, связанное со слизистой оболочкой, и не модулирует состав фекальной микробиоты, который был проанализирован в больших когортах.

Было продемонстрировано, что взаимодействие между структурой гликанов слизи и составом кишечной микробиоты является более систематическим, чем считалось ранее: в эпохальном исследовании Брай и его коллеги [37] обнаружили, что Bacteroides thetaiotaomicron ( B.theta ), обычный член нормальной кишечной микробиоты мыши и человека, способен индуцировать фукозилирование в подвздошной кишке мыши (рис. 1). Примечательно, что индукция фукозилтрансфераз хозяина B. theta регулировалась фактической концентрацией фукозы, производной хозяином [69], и отсутствовала у изогенного бактериального мутанта, который был неспособен метаболизировать L-фукозу в качестве источника энергии [37]. Это указывает на то, что B. theta индуцирует фукозилирование слизистой оболочки, чтобы создать свою собственную нишу, обеспечивающую питательные вещества.Хотя этот феномен иллюстрирует взаимодействие bona fide хозяин-микроб, молекулярный сигнал, который стимулирует эпителиальные фукозилтрансферазы, остается неизвестным, но включает передачу сигналов через регулируемые внеклеточными сигналами киназы (ERK) и пути передачи сигналов N-концевых киназ c-Jun (JNK). в слизистой оболочке кишечника [70].

Помимо воздействия на фукозилирование слизи, B. theta также способствует дифференцировке бокаловидных клеток, стимулируя секреторную линию в эпителии толстой кишки крыс — эффект, опосредованный ацетатом SCFA [71].Кроме того, присутствие B. theta приводило к повышенной экспрессии гликанов, несущих остатки сиаловой кислоты гликанов слизи, тогда как экспрессия сульфатированных и нейтральных олигосахаридов снижалась. Интересно, что когда моноколонизированных крыс B. theta- были дополнены Faecalibacterium prausnitzii , потребителем ацетата и продуцентом бутирата, увеличение дифференцировки бокаловидных клеток и изменение гликанового профиля слизи прекратилось [71]. Следовательно, это исследование ясно показало, что не вся слизь создается одинаково, но вместо этого присутствие бактерий, а точнее присутствие и относительное количество определенных бактерий, формирует гликановый профиль слизистого слоя (рис. 1).

Микробиота кишечника разлагает пищевые субстраты, которые не метаболизируются и не поглощаются тонкой кишкой и, таким образом, достигают просвета толстой кишки. Эти пищевые субстраты представляют собой в основном полисахариды растительного происхождения, для которых хозяин имеет лишь ограниченный ферментный репертуар, состоящий примерно из 17 углеводно-активных ферментов (CAZymes) [72]. Напротив, генетический репертуар микробиоты кишечника человека (микробиома кишечника) кодирует по крайней мере 89 семейств CAZyme, что предполагает способность разлагать широкий спектр углеводов [72, 73].Фактически, протеом B. theta сам по себе включает по крайней мере 172 гликозилгидролазы, тем самым превышая возможности многих других секвенированных кишечных микробиоты [74]. Примечательно, что распространенность CAZymes в микробиоте кишечника, как было установлено, зависит от географического положения и возраста, что позволяет предположить, что адаптация, зависящая от диеты, возможна [72].

В то время как пищевые углеводы являются основным источником питательных веществ для микробиоты кишечника, слой слизи является альтернативным источником гликанов, полученных из организма хозяина, и способствует колонизации и сохранению бактерий в кишечнике человека [55, 75, 76].Такая метаболическая гибкость особенно очевидна и полезна для микробов, когда в рационе отсутствуют сложные углеводы или углеводы, доступные для микробиоты (МАК [77]), о чем свидетельствуют исследования по изучению метаболизма гликанов B. theta у новорожденных мышей. [78] или у мышей, которых кормили диетой, лишенной пищевых волокон [79]. Способность переключения с пищевых гликанов на гликаны, полученные от хозяина, соответственно определяет, какая кишечная микробиота может сохраняться в кишечнике, когда диетические МАК недостаточны.

Среди синтетического сообщества, состоящего из 13 видов кишечных микробов человеческого происхождения, которые охватывают представителей доминирующих типов в кишечнике человека, было обнаружено, что Akkermansia muciniphila и Barnesiella кишечника являются специалистами по слизи и питаются исключительно муцином O- гликаны. Напротив, B. theta и Bacteroides caccae продемонстрировали метаболическую гибкость, упомянутую выше, и поэтому были названы универсальными слизистыми, которые могут питаться различными полисахаридами [39].Примечательно, что когда мышей, которые были колонизированы этим синтетическим сообществом, были переведены с диеты, богатой клетчаткой, на диету без клетчатки, экспрессия и активность CAZymes отреагировали увеличением ферментов, нацеленных на слизь, и уменьшением ферментов, нацеленных на волокна. Как следствие, у мышей, получавших диету без клетчатки, уменьшилась толщина слизистого слоя толстой кишки, что увеличило восприимчивость к инфекции кишечным патогеном слизистой оболочки мышей Citrobacter rodentium (рис. 2) [39]. Следует отметить, что мыши с дефектом основного белка слизи MUC2 (Muc2 ^— ^/ ^—) были одинаково восприимчивы к C.rodentium [80], которая напоминает инфицирование человека энтеропатогенной E. coli (EPEC) и энтерогеморрагической E. coli (EHEC) [81]. Таким образом, параллель между зависимой от диеты дестабилизацией слизистого слоя и отсутствием MUC2 указывает на решающую роль микробиоты кишечника в формировании защитного слизистого экрана против инфекции кишечными патогенами.

Рисунок 2.

Дефекты слизистой оболочки кишечника усугубляют кишечную инфекцию и воспаление.Рационы, в которых отсутствуют углеводы, доступные для микробиоты, содержащиеся в пищевых волокнах, заставляют микробные организмы кишечника разрушать гликаны слизистого слоя кишечника (что показано более светлым цветом слизи), тем самым снижая прочность слизи. Дефектный слой слизи увеличивает риск кишечных инфекций, например, мышиного патогена Citrobacter rodentium. Дефект слизи, обусловленный диетой, можно предотвратить с помощью определенных кишечных бактерий, таких как Bifidobacterium longum . Во время колита (изображенного интенсивными красными эпителиальными клетками) повышенная экспрессия резистиноподобной молекулы β (Relmβ) индуцирует выработку антимикробного белка, регенерирующего островковый белок 3β (REG3β), который снижает количество полезных видов Lactobacillus .Соответственно, применение Lactobacillus может уменьшить колит. В слизи пациентов с воспалительным заболеванием кишечника наблюдается повышенное количество разлагающей слизь бактерии Ruminococcus gnavus , в то время как дефектный слой слизи может приводить к повышенной транслокации бактериального липополисахарида, тем самым способствуя метаболическим заболеваниям.

Рисунок 2.

Помимо защиты от кишечных патогенов, защита от триллионов комменсальных кишечных бактерий является не менее важной задачей для кишечной слизи.Действительно, кормление гнотобиотических мышей диетой, не содержащей МАК, привело к истончению слизистого слоя толстой кишки и, как следствие, к увеличению близости комменсальных кишечных бактерий к слизистой оболочке [38]. Это сопровождалось усилением продукции антибактериальной защитной молекулы REG3β в подвздошной кишке. Примечательно, что аналогичная повышающая регуляция Reg3β и Reg3γ наблюдалась в тонком и толстом кишечнике мышей Muc2 ^— ^/ ^—, у которых отсутствует защитный слизистый барьер и в конечном итоге развивается колит [4, 82].Таким образом, эти исследования дополнительно демонстрируют, что отсутствие пищевых МАК может привести к пагубным изменениям слизистого слоя, что в конечном итоге может вызвать кишечные заболевания.

В недавнем исследовании мы смогли показать, что соблюдение диеты западного стиля (WSD) — диеты с высоким содержанием насыщенных жирных кислот и сахарозы, но с низким содержанием пищевых волокон — привело к увеличению проницаемости слизистого слоя толстой кишки [83] . Хотя это частично можно объяснить микробной деградацией гликанов хозяина [38, 39, 55], мы также обнаружили меньше белка MUC2 в слизи толстой кишки мышей, получавших WSD, по сравнению со слизью мышей, получавших контрольную диету [ 83].Это указывает на то, что проникновение кишечных бактерий в слой слизи может быть связано с усилением деградации бактериальных гликанов, но также может быть вызвано дефектом хозяина, который приводит к снижению продукции, секреции или сборки муцина MUC2.

Здоровый внутренний слизистый слой толстой кишки расширяется по направлению к просвету кишечника со скоростью около 2 мкм / мин («скорость роста слизи»), тем самым активно отталкивая микробиоту кишечника от поверхности эпителия [25]. Однако при кормлении WSD эта скорость роста снизилась примерно до 0.5 мкм / мин — дефект, который можно предотвратить, добавив к WSD трансплантат микробиоты от мышей, получавших богатую клетчаткой контрольную диету, или даже с одним пробиотиком штамма Bifidobacterium longum [83]. Следовательно, обусловленные диетой изменения микробиоты кишечника привели к дефектам слизистого слоя, которые, вероятно, вызваны комбинацией факторов хозяина и микробов (рис. 2).

Взаимодействие микробиоты и слизи и значение для болезни

MUC2-дефицитные мыши неспособны предотвратить контакт кишечной микробиоты с эпителием хозяина.Соответственно, у этих мышей развивается спонтанный колит и усиленное распространение инфекции C. rodentium толстой кишки, что подчеркивает вклад слизистого слоя в заболевание кишечника [4, 80, 84]. Точно так же у людей слизь пациентов с язвенным колитом, самоограничивающимся колитом и острым аппендицитом была проницаема для бактерий и выявила уменьшение толщины слизи, что коррелировало с тяжестью заболевания [3, 4, 85]. Более того, у пациентов с ВЗК было обнаружено повышенное количество прикрепляющихся к слизистой оболочке бактерий по сравнению со здоровым контролем или пациентами с синдромом раздраженного кишечника (СРК) [86].Соответственно, характеристика бактерий, ассоциированных со слизистой оболочкой, является лучшим предиктором фенотипа заболевания, чем анализ состава фекальной микробиоты [87].

В то время как изменения в составе кишечной микробиоты у пациентов с ВЗК наблюдались в нескольких больших и малых когортах, методологические различия, когортная гетерогенность и повышенные колебания микробиома у пациентов с ВЗК не смогли идентифицировать конкретные общие микробные таксоны, которые были связаны с любой из форм IBD [88–91].Тем не менее, недавнее продольное исследование микробиоты стула у пациентов с ВЗК на срок до 12 месяцев выявило новую кладу Ruminococcus gnavus , которая временно обогащалась у пациентов с ВЗК [91]. Следует отметить, что при исследовании специфических геномных адаптаций клады R. gnavus авторы идентифицировали гены, участвующие в утилизации слизи и сахара исключительно в IBD-специфической кладе R. gnavus (Рисунок 2). Такая специфичность путей разложения слизи у R.gnavus соответствует предыдущему исследованию, в котором анализировалось разложение слизи и использование двух штаммов R. gnavus человеческого происхождения: только штамм ATCC 29149, но не E1, мог расти на муцине как единственном источнике углеводов — особенность это может быть связано с присутствием специфической сиалидазы и фукозидаз [92].

Бактериальная деградация муцина, превышающая обновление слизи хозяином, является очевидным фактором, который приводит к дисфункции барьера и, вероятно, способствует развитию болезни.Однако недавние исследования показывают, что самого проницаемого или отсутствующего слоя слизи может быть недостаточно, чтобы вызвать заболевание. Например, в отсутствие MUC2 повышенная экспрессия гена Retnlb (кодирующего RELMβ) индуцировала продукцию антимикробного белка REG3β, что уменьшало количество полезных видов Lactobacillus [93]. Соответственно, применение двух лактобацилл, полученных от мышей, но не коммерческой смеси пробиотиков, содержащей три штамма Lactobacillus человеческого происхождения, может уменьшить колит у мышей Muc2 ^– ^/ ^– (рис. 2).Хотя у мышей, получавших Lactobacillus , было повышено количество SCFA в толстой кишке, необходимо определить, действительно ли эти органические кислоты способствуют облегчению колита, особенно потому, что сравнение со штаммами Lactobacillus человеческого происхождения демонстрирует, что модуляция барьерной функции слизистой оболочки является существенной. штамм-специфичный. Аналогичным образом было показано, что два штамма Lactobacillus reuteri , полученные от крысы или человека, увеличивают толщину внутреннего слоя слизи в модели химически индуцированного декстрансульфата натрия (DSS) колита на мышах — эффект, который сопровождался сниженной экспрессией маркеры воспаления и повышенная экспрессия белков плотного соединения [94].

Подобный эффект увеличения толщины слизи недавно наблюдался у крыс после применения штамма Bifidobacterium pseudolongum Patronus, который был выделен из стула крыс, получавших антибиотики [95]. Анализ микробиоты у этих крыс выявил относительное снижение содержания A. muciniphila , который, несмотря на его специфическую способность разлагать слизь [39, 96], считается полезным обитателем кишечника [43, 97]. Таким образом, неясно, связано ли улучшение толщины слизи с увеличением количества Bifidobacterium или с уменьшением разложения слизи на A.Муцинифила . Следует отметить и вопреки ожиданиям, введение A. muciniphila мышам, получавшим диету с высоким содержанием жиров, приводило к увеличению толщины слизи в толстой кишке [43]. Поскольку такой результат не наблюдался у мышей, получавших контрольную диету, влияние A. muciniphila на разложение слизи и, следовательно, толщину слизи может зависеть от контекста и особенно от диеты. Кроме того, и в пользу способности отдельных штаммов Bifidobacterium непосредственно модулировать слизь, мы недавно показали, что применение пробиотика B.longum может предотвратить дефект роста слизи у мышей, получавших WSD [83]. Более того, обогащение WSD с низким содержанием клетчатки инулином пищевых волокон, который, как известно, способствует росту Bifidobacterium [98, 99], предотвращает проницаемость слизи в нашем анализе слизи ex vivo . Таким образом, хотя молекулярный механизм до сих пор неясен, возможно, что отдельные метаболические или структурные компоненты конкретных штаммов Bifidobacterium и / или Lactobacillus предотвращают кишечное заболевание, модулируя функцию слоя слизи.

Микробиота кишечника влияет не только на физиологию кишечника, но и передает сигнал отдаленным органам, тем самым влияя на метаболизм всего тела [29, 83]. Таким образом, кишечные бактерии были идентифицированы как фактор, способствующий метаболическим заболеваниям, а дефектный барьер слизистой оболочки кишечника может быть решающим связующим звеном между хозяином и микробами [100–104]. Действительно, транслокация липополисахарида бактериального эндотоксина (ЛПС) из кишечника вызывает воспаление жировой ткани, и люди и мыши с ожирением имеют повышенные уровни ЛПС в плазме (рис. 2) [102, 104, 105].

Без сомнения, потребление WSD с высоким содержанием сахара и жира способствует метаболическим заболеваниям, но, в то же время, в нескольких исследованиях наблюдалось нарушение функции кишечной слизи, как описано выше. Кроме того, было показано, что обычные диетические эмульгаторы, такие как карбоксиметилцеллюлоза и полисорбат-80, вызывают легкое воспаление, метаболический синдром и колит на модели восприимчивых мышей посредством модуляции микробиоты кишечника [106]. Даже у людей в недавнем исследовании было обнаружено повышенное количество неопознанных кишечных бактерий в слизи пациентов с нарушенным метаболизмом глюкозы по сравнению с контрольной группой [5].Хотя эта ассоциация предполагает критическую роль неповрежденного слизистого барьера для метаболизма глюкозы, необходимы дальнейшие исследования, чтобы продемонстрировать, что дисфункциональный слизистый слой действительно способствует метаболическим изменениям у людей.

Заключение и перспектива

Слой кишечной слизи отделяет микробиоту кишечника от организма хозяина, и накопленные данные свидетельствуют о том, что нарушение этого противоинфекционного барьера способствует развитию таких заболеваний, как колит и метаболические заболевания.Хотя изменения в составе кишечной микробиоты были связаны с этими заболеваниями, молекулярные детали еще предстоит идентифицировать.

В последние годы в нескольких исследованиях было обнаружено, что микробиота кишечника влияет на физиологию и функцию слизистого слоя. После того, как предыдущие, в основном ассоциативные, исследования наблюдали корреляции между структурой слизи и конкретными микробными сообществами кишечника, текущие анализы исследуют вклад изолированных бактерий на функцию слизи. Эти исследования показали, что микробная модуляция функции слизи не определяется на уровне вида, но что микробная характеристика требует разрешения, по крайней мере, на уровне штамма.Поскольку микробиота кишечника представляет собой сложное сообщество, на которое влияют факторы окружающей среды, эти внешние факторы также необходимо учитывать. Здесь состав рациона и, в частности, изобилие пищевых волокон является критическим фактором, влияющим на то, как индивидуальная микробиота кишечника взаимодействует со слоем слизи.

Нацеливание на микробиоту кишечника для улучшения барьерной функции слизистой оболочки является основной целью исследований в этой области. Таким образом, слой кишечной слизи как решающий интерфейс между хозяином и микробами является многообещающей мишенью, которая только недавно стала предметом внимания.Соответственно, определение молекулярного механизма — почему отдельные кишечные бактерии вызывают полезные, укрепляющие барьеры эффекты, а другие, близкородственные штаммы — нет, — может быть использовано для разработки будущих пробиотиков следующего поколения. Более того, обогащение полезной микробиоты за счет целенаправленных диетических вмешательств может обеспечить дополнительный подход к лечению или даже профилактике желудочно-кишечных заболеваний в будущем.

Благодарности

Б.ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ. благодарит Рози Перкинс за ценные отзывы редакторов о рукописи и Анну Халлен за отличную помощь с графическими иллюстрациями.

Финансирование

B.O.S. поддерживается долгосрочной стипендией программы Human Frontier Science Program (LT000109 / 2014).

Заявление о конфликте интересов: не заявлено.

Список литературы

Schroeder

Bäckhed

Сигналы от микробиоты кишечника к отдаленным органам в физиологии и болезнях

Nat Med

2016

;

1079

—

Родригес-Пиньейро

Bergström

Ermund

et al.

Исследования слизи в желудке, тонком и толстом кишечнике мышей. II. Протеом слизи желудочно-кишечного тракта обнаруживает Muc2 и Muc5ac, сопровождаемые набором основных белков

Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol

2013

;

305

G348

—

Swidsinski

Loening-Baucke

Theissig

et al.

Сравнительное исследование слизистого барьера кишечника нормальной и воспаленной толстой кишки

Гут

2007

;

343

—

Johansson

MEV

Gustafsson

Holmén-Larsson

et al.

Бактерии проникают через обычно непроницаемый внутренний слой слизи ободочной кишки как в моделях мышиного колита, так и у пациентов с язвенным колитом

Гут

2014

;

281

—

Chassaing

Raja

Lewis

et al.

Посягательство микробиоты толстой кишки коррелирует с дисгликемией у людей

Cell Mol Gastroenterol Hepatol

2017

;

205

—

Birchenough

GMH

Nyström

EEL

Johansson

MEV

et al.

Сторожевые бокаловидные клетки охраняют крипту толстой кишки, запуская Nlrp6-зависимую секрецию Muc2

Наука

2016

;

352

1535

—

Allen

Hutton

Pearson

JP.

Продукт гена MUC2: муцин кишечника человека

Int J Biochem Cell Biol

1998

;

797

—

801

Axelsson

MAB

Asker

Hansson

GCO.

Гликозилированный мономер и димер MUC2 из клеток LS 174T растворимы в воде, тогда как более крупные виды MUC2, образовавшиеся на ранней стадии биосинтеза, нерастворимы и содержат невосстанавливаемые межмолекулярные связи

J Biol Chem

1998

;

273

18864

—

Asker

Axelsson

MAB

Olofsson

S-O

et al.

Димеризация муцина MUC2 человека в эндоплазматическом ретикулуме сопровождается зависимым от N-гликозилирования переносом моно- и димеров в аппарат Гольджи

J Biol Chem

1998

;

273

18857

—

.10

Godl

Johansson

MEV

Lidell

et al.

N-конец муцина MUC2 образует тримеры, которые удерживаются вместе внутри резистентного к трипсину фрагмента ядра

J Biol Chem

2002

;

277

47248

—

.11

Ambort

Johansson

MEV

Gustafsson

et al.

Кальций и pH-зависимая упаковка и высвобождение гелеобразующего муцина MUC2

Proc Natl Acad Sci USA

2012

;

109

5645

—

.12

Johansson

MEV

Hansson

GC.

Иммунологические аспекты кишечной слизи и муцинов

Nat Rev Immunol

2016

;

639

—

,13

McGuckin

Hasnain

SZ.

Бокаловидные клетки как стражи слизистой оболочки иммунитета

Mucosal Immunol

2017

;

1118

—

.14

Мелдрам

Якубов

Bonilla

et al.

Сборка муцинового геля контролируется коллективным действием немуциновых белков, дисульфидных мостиков, Ca ²⁺-опосредованных связей и водородных связей

Научный сотрудник

2018

;

5802.

Ermund

Schütte

Johansson

MEV

et al.

Исследования слизи в желудке, тонком и толстом кишечнике мышей. I. Слои слизи желудочно-кишечного тракта имеют разные свойства в зависимости от местоположения, а также от пятна Пейера

Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol

2013

;

305

G341

—

.16

Schütte

Ermund

Becker-Pauly

et al.

Микробиологически индуцированное расщепление меприна β в муцине MUC2 и функциональный канал CFTR необходимы для высвобождения заякоренной слизи тонкого кишечника

Proc Natl Acad Sci USA

2014

;

111

12396

—

401

.17

Meyer-Hoffert

Hornef

Henriques-Normark

et al.

Секретируемое кишечное антимикробное действие локализуется в поверхностном слое слизи

Гут

2008

;

764

—

. 18

Bevins

Salzman

NH.

Клетки Панета, антимикробные пептиды и поддержание гомеостаза кишечника

Nat Rev Microbiol

2011

;

356

—

,19

Вайшнава

Yamamoto

Severson

et al.

Антибактериальный лектин RegIIIgamma способствует пространственному разделению микробиоты и хозяина в кишечнике

Наука

2011

;

334

255

—

.20

Loonen

Stolte

Jaklofsky

et al.

У мышей с дефицитом REG3γ изменилось распределение слизи и увеличились воспалительные реакции слизистой оболочки на микробиоту и кишечные патогены в подвздошной кишке

Mucosal Immunol

2014

;

939

—

,21

Moor

Diard

Sellin

et al.

IgA с высокой авидностью защищает кишечник, сковывая растущие бактерии

Природа

2017

;

544

498

—

502

.22

Chu

Pazgier

Jung

et al.

Человеческий α-дефенсин 6 способствует врожденному иммунитету слизистых оболочек за счет самособирающихся пептидных наносетей

Наука

2012

;

337

477

—

.23

Mowat

AM.

Анатомические основы толерантности и иммунитета к кишечным антигенам

Nat Rev Immunol

2003

;

331

—

.24

Johansson

MEV

Phillipson

Petersson

et al.

Внутренний из двух слоев слизи, зависимой от Muc2 в толстой кишке, лишен бактерий

Proc Natl Acad Sci USA

2008

;

105

15064

—

.25

Gustafsson

Ermund

Johansson

MEV

et al.

Метод ex vivo для изучения образования, свойств и толщины слизи в биоптатах толстой кишки человека и эксплантатах тонкого и толстого кишечника мышей

Am J Physiol-Gastrointest Liver Physiol

2012

;

302

G430

—

.26

Nyström

EEL

Birchenough

GMH

van der Post

et al.

Активированный кальцием регулятор хлоридных каналов 1 (CLCA1) контролирует распространение слизи в толстой кишке за счет протеолитической активности

EBioMedicine

2018

;

134

—

.27

Лам

Ричард

Leducq

et al.

CARD9 воздействует на колит, изменяя метаболизм триптофана в кишечной микробиоте в лиганды арилуглеводородных рецепторов

Nat Med

2016

;

598

—

605

. 28

Zelante

Iannitti

Cunha

et al.

Катаболиты триптофана из микробиоты взаимодействуют с рецепторами арилуглеводородов и уравновешивают реактивность слизистой оболочки через интерлейкин-22

Иммунитет

2013

;

372

—

,29

Koh

De Vadder

Kovatcheva-Datchary

et al.

От пищевых волокон к физиологии хозяина: короткоцепочечные жирные кислоты как ключевые бактериальные метаболиты

Ячейка

2016

;

165

1332

—

.30

Donia

Fischbach

MA.

Небольшие молекулы микробиоты человека

Наука

2015

;

349

1254766.

Dodd

Spitzer

Treuren

et al.

Бактериальный путь кишечника метаболизирует ароматические аминокислоты до девяти циркулирующих метаболитов

Природа

2017

;

551

648

—

.32

Окумура

Куракава

Накано

и др.

Lypd8 способствует разделению жгутиковой микробиоты и эпителия толстой кишки

Природа

2016

;

532

117

—

.33

Bergström

Birchenough

GMH

Katona

et al.

Грамположительные бактерии удерживаются на некотором расстоянии в слизистой оболочке толстой кишки лектин-подобным белком ZG16

Proc Natl Acad Sci USA

2016

;

113

13833

—

.34

Propheter

Chara

Harris

и др.

Резистин-подобная молекула β представляет собой бактерицидный белок, который способствует пространственной сегрегации микробиоты и эпителия толстой кишки

Proc Natl Acad Sci USA

2017

;

114

11027

—

.35

Szentkuti

Riedesel

Enss

M-L

et al.

Слой преэпителиальной слизи в толстой кишке обычных и стерильных крыс

Histochem J

1990

;

491

—

,36

Кандори

Hirayama

Takeda

et al.

Гистохимические, лектин-гистохимические и морфометрические характеристики бокаловидных клеток кишечника стерильных и обычных мышей

Exp Anim

1996

;

155

—

.37

Bry

Falk

Midtvedt

et al.

Модель взаимодействия хозяина и микробов в открытой экосистеме млекопитающих

Science

1996

;

273

1380

—

.38

Earle

Billings

Sigal

et al.

Количественная визуализация пространственной организации кишечной микробиоты

Cell Host Microbe

2015

;

478

—

.39

Desai

Seekatz

Koropatkin

et al.

Микробиота кишечника, лишенная пищевых волокон, разрушает слизистый барьер толстой кишки и повышает восприимчивость к патогенам

Ячейка

2016

;

167

1339

—

53.e21

.40

Bergström

Kristensen

Bahl

et al.

Характер бактериальной колонизации влияет на транскрипцию генов муцина у мышей в течение первой недели жизни

BMC Res Notes

2012

;

402.

Johansson

MEV

Jakobsson

Holmén-Larsson

et al.

Нормализация слоев слизи кишечника хозяина требует длительной микробной колонизации

Cell Host Microbe

2015

;

582

—

.42

Johansson

MEV

Hansson

. Сохранение слизи в гистологических срезах, иммуноокрашивание муцинов в фиксированной ткани и локализация бактерий с помощью FISH. В:

McGuckin

Thornton

(ред.).

Муцины: методы и протоколы

Тотова, штат Нью-Джерси

Humana Press

2012

229

—

.43

Everard

Belzer

Geurts

et al.

Перекрестная связь между Akkermansia muciniphila и кишечным эпителием контролирует ожирение, вызванное диетой

Proc Natl Acad Sci USA

2013

;

110

9066

—

.44

Zoetendal

Akkermans

De Vos

WM.

Анализ гель-электрофореза в градиенте температуры 16S рРНК из образцов фекалий человека выявляет стабильные и специфичные для хозяина сообщества активных бактерий

Appl Environ Microbiol

1998

;

3854

—

.45

Qin

Raes

et al.

Каталог кишечных микробных генов человека, созданный методом метагеномного секвенирования

Природа

2010

;

464

—

124

.46

Экбург

Bik

Bernstein

et al.

Разнообразие кишечной микробной флоры человека

Наука

2005

;

308

1635

—

.47

Холд

Pryde

Russell

et al.

Оценка микробного разнообразия в образцах толстой кишки человека с помощью анализа последовательности 16S рДНК

FEMS Microbiol Ecol

2002

;

—

.48

Консорциум проекта по микробиому человека.

Структура, функции и разнообразие микробиома здорового человека

Природа

2012

;

486

207

—

.49

Jakobsson

Rodríguez-Piñeiro

Schütte

et al.

Состав кишечной микробиоты формирует слизистый барьер толстой кишки

Представитель EMBO

2015

;

164

—

.50

Breitbart

Hewson

Felts

et al.

Метагеномный анализ некультивируемого вирусного сообщества из человеческих фекалий

J Бактериол

2003

;

185

6220

—

.51

Barr

Auro

Furlan

и др.

Бактериофаг, прилипший к слизи, обеспечивает иммунитет, не связанный с хозяином.

Proc Natl Acad Sci USA

2013

;

110

10771

—

.52

Norman

Handley

Baldridge

et al.

Болезненно-специфические изменения кишечного вирома при воспалительном заболевании кишечника

Ячейка

2015

;

160

447

—

.53

Wang

Jovel

Halloran

et al.

Метагеномный анализ микробиома в ткани толстой кишки субъектов с воспалительными заболеваниями кишечника показывает взаимодействие вирусов и бактерий

Воспаление кишечника

2015

;

1419

—

.54

Marcobal

Southwick

Earle

et al.

Утонченное небо: бактериальное потребление гликанов хозяина в кишечнике

Гликобиология

2013

;

1038

—

.55

Martens

Chiang

Gordon

JI.

Поедание гликанов в слизистой оболочке улучшает приспособленность и передачу сахаролитического кишечного бактериального симбионта человека

Cell Host Microbe

2008

;

447

—

.56

Martens

Neumann

Desai

MS.

Взаимодействие комменсальных и патогенных микроорганизмов со слизистой оболочкой кишечника

Nat Rev Microbiol

2018

;

457

—

.57

Сломяны

Murty

Сломяны

Выделение и характеристика олигосахаридов из гликопротеина слизи толстой кишки крысы

J Biol Chem

1980

;

255

9719

—

.58

Thomsson

Holmén-Larsson

Angström

et al.

Подробная O-гликомика муцина Muc2 из толстой кишки мышей дикого типа с дефицитом core 1 и core 3-трансферазы подчеркивает различия по сравнению с MUC2

человека.

Гликобиология

2012

;

1128

—

.59

Karlsson

Herrmann

Karlsson

et al.

Гликозилирование муцина Muc2 кишечника крыс варьируется между линиями крыс и тонким и толстым кишечником

J Biol Chem

1997

;

272

27025

—

.60

Robbe

Capon

Coddeville

et al.

Структурное разнообразие и специфическое распределение О-гликанов в нормальных муцинах человека вдоль кишечного тракта

Biochem J

2004

;

384

307

—

.61

Sommer

Adam

Johansson

MEV

et al.

Измененное гликозилирование слизи у мышей с дефицитом O-гликана core 1 влияет на состав микробиоты и архитектуру кишечника

PLoS One

2014

;

e85254.

Rausch

Rehman

Künzel

et al.

На микробиоту слизистой оболочки толстой кишки влияет взаимодействие болезни Крона и генотипа

FUT2 (секретор).

Proc Natl Acad Sci USA

2011

;

108

19030

—

.63

Watkins

, Биохимия и генетика систем групп крови ABO, Lewis и P. В:

Харрис

Hirschhorn

(ред.).

Достижения в области генетики человека

Бостон, Массачусетс

Springer US

1980

—

136

.64

Kelly

Rouquier

Giorgi

et al.

Последовательность и экспрессия кандидата в ген секреторной группы крови человека α (1, 2) фукозилтрансферазы (FUT2)

J Biol Chem

1995

;

270

4640.

McGovern

DPB

Jones

Taylor

et al.

Несекреторный статус фукозилтрансферазы 2 (FUT2) связан с болезнью Крона

Hum Mol Genet

2010

;

3468

—

.66

Wacklin

Mäkivuokko

Alakulppi

et al.

Генотип секретора (ген FUT2) прочно связан с составом бифидобактерий в кишечнике человека

PLoS One

2011

;

e20113.

Турпин

Бедрани

Эспин-Гарсия

et al.

Генотип и секреторный статус FUT2 не связаны с микробным составом кала и предполагаемой функцией у здоровых субъектов

Кишечные микробы

2018

;

357

—

. 68

Давенпорт

Goodrich

Bell

et al.

Статусы антигена и секретора ABO не связаны с составом кишечной микробиоты у 1500 близнецов

BMC Genomics

2016

;

941.

Hooper

Falk

et al.

Молекулярный датчик, который позволяет кишечному комменсалу контролировать свою питательную основу в конкурентной экосистеме

Proc Natl Acad Sci USA

1999

;

9833

—

.70

Meng

Newburg

Young

et al.

Бактериальные симбионты индуцируют FUT2-зависимую фукозилированную нишу на эпителии толстой кишки посредством передачи сигналов ERK и JNK

Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol

2007

;

293

G780

—

.71

Wrzosek

Miquel

Noordine

M-L

et al.

Bacteroides thetaiotaomicron и Faecalibacterium prausnitzii влияют на выработку гликанов слизи и развитие бокаловидных клеток в эпителии толстой кишки модельного гнотобиотического грызуна

BMC Biol

2013

;

61.

Bhattacharya

Ghosh

Mande

SS.

Глобальное профилирование углеводно-активных ферментов в микробиоме кишечника человека

PLoS One

2015

;

e0142038.

Ломбард

Голаконда Рамулу

Drula

et al.

База данных по углеводно-активным ферментам (CAZy) в 2013 г.

Nucleic Acids Res

2014

;

D490

—

.74

Bjursell

Himrod

et al.

Геномный вид симбиоза человека и бактероидов thetaiotaomicron

Наука

2003

;

299

2074

—

,75

Salyers

West

Vercellotti

и др.

Ферментация муцинов и полисахаридов растений анаэробными бактериями из толстой кишки человека

Appl Environ Microbiol

1977

;

529

—

.76

Salyers

Vercellotti

West

et al.

Ферментация муцина и полисахаридов растений штаммами Bacteroides из толстой кишки человека

Appl Environ Microbiol

1977

;

319

—

,77

Зонненбург

JL.

Голодание нашего микробного «я»: пагубные последствия диеты с дефицитом доступных для микробиоты углеводов

Cell Metab

2014

;

779

—

.78

Bjursell

Martens

Gordon

JI.

Функциональные геномные и метаболические исследования адаптации выдающегося симбионта кишечника взрослого человека, bacteroides thetaiotaomicron, к периоду кормления грудью

J Biol Chem

2006

;

281

36269

—

.79

Зонненбург

Leip

et al.

Гликановое кормление in vivo адаптированным к кишечнику бактериальным симбионтом

Наука

2005

;

307

1955

—

.80

Bergstrom

KSB

Kissoon-Singh

Gibson

et al.

Muc2 защищает от смертельного инфекционного колита, отделяя патогенные и комменсальные бактерии от слизистой оболочки толстой кишки

PLoS Pathog

2010

;

Collins

Keeney

Crepin

et al.

Citrobacter rodentium : инфекция, воспаление и микробиота

Nat Rev Microbiol

2014

;

612

—

.82

Паассен

Loonen

LMP

Витте-Баума

et al.

Дефицит муцина Muc2 и отлучение от груди влияет на экспрессию врожденных защитных генов Reg3β, Reg3γ и ангиогенина-4

PLoS One

2012

;

e38798.

Schroeder

Birchenough

GMH

Ståhlman

et al.

Бифидобактерии или клетчатка защищают от вызванного диетой порчи слизи толстой кишки, опосредованной микробиотой

Cell Host Microbe

2018

;

—

40.e7

.84

Sluis

der Koning

BAED

Bruijn

ACJMD

et al.

У мышей с дефицитом Muc2 спонтанно развивается колит, что указывает на то, что MUC2 имеет решающее значение для защиты толстой кишки

Гастроэнтерология

2006

;

131

117

—

.85

Pullan

Thomas

Rhodes

et al.

Толщина прилипшего геля слизи на слизистой оболочке толстой кишки у людей и ее значение для колита

Gut

1994

;

353

—

.86

Swidsinski

Weber

Loening-Baucke

et al.

Пространственная организация и состав флоры слизистой оболочки у пациентов с воспалительными заболеваниями кишечника

J Clin Microbiol

2005

;

3380

—

.87

Gevers

Kugathasan

Denson

et al.

Микробиом, ранее не получавший лечения при впервые возникшей болезни Крона

Cell Host Microbe

2014

;

382

—

.88

Тамболи

Neut

Desreumaux

et al.

Дисбактериоз при воспалительном заболевании кишечника

Гут

2004

;

—

.89

Zuo

Kamm

Colombel

J-F

et al.

Урбанизация и кишечная микробиота в здоровье и воспалительные заболевания кишечника

Нат Рев Гастроэнтерол Гепатол

2018

;

440

—

.90

Halfvarson

Brislawn

Lamendella

et al.

Динамика микробиома кишечника человека при воспалительном заболевании кишечника

Nat Microbiol

2017

;

17004.

Холл

Yassour

Sauk

et al.

Новый Ruminococcus gnavus clade, обогащенный у пациентов с воспалительными заболеваниями кишечника

Genome Med

2017

;

103.

Crost

Tailford

Gall

et al.

Использование муциновых гликанов симбионтом кишечника человека Ruminococcus gnavus зависит от штамма

PLoS One

2013

;

e76341.

Morampudi

Dalwadi

Bhinder

et al.

Медиатор RELM-β, полученный из бокаловидных клеток, вызывает спонтанный колит у мышей с дефицитом Muc2, способствуя комменсальному микробному дисбиозу

Иммунол слизистой оболочки

2016

;

1218

—

.94

Ahl

Liu

Schreiber

et al.

Lactobacillus reuteri увеличивает толщину слизи и облегчает вызванный декстрансульфатом натрия колит у мышей

Acta Physiol (Oxf)

2016

;

217

300

—

.95

Mangin

Dossou-Yovo

Lévêque

et al.

Пероральное введение жизнеспособного штамма Bifidobacterium pseudolongum Patronus изменило микробиоту толстой кишки и увеличило толщину слоя слизи у крыс

FEMS Microbiol Ecol

2018

;

: doi: 10.1093 / femsec / fiy177.96

Derrien

Vaughan

Plugge

et al.

Akkermansia muciniphila gen. Ноябрь, sp. Ноябрь, кишечная бактерия, разлагающая муцин, человека

Int J Syst Evol Microbiol

2004

;

1469

—

.97

Пловье

Everard

Druart

et al.

Очищенный мембранный белок из Akkermansia muciniphila или пастеризованной бактерии улучшает метаболизм у мышей с ожирением и диабетом

Nat Med

2017

;

107

—

.98

Gibson

Beatty

Wang

et al.

Селективная стимуляция бифидобактерий в толстой кишке человека олигофруктозой и инулином

Гастроэнтерология

1995

;

108

975

—

.99

Vandeputte

Falony

Vieira-Silva

et al.

Пребиотические фруктаны инулинового типа вызывают специфические изменения в микробиоте кишечника человека

Гут

2017

;

1968

—

.100

Bäckhed

Ding

Wang

et al.

Микробиота кишечника как фактор окружающей среды, регулирующий накопление жира

Proc Natl Acad Sci USA

2004

;

101

15718

—

.101

Бэкхед

Манчестер

Семенкович

и др.

Механизмы, лежащие в основе устойчивости к ожирению, вызванному диетой, у стерильных мышей

Proc Natl Acad Sci USA

2007

;

104

979

—

.102

Caesar

Reigstad

Bäckhed

et al.

Липополисахарид кишечного происхождения увеличивает накопление жировых макрофагов, но не является существенным для нарушения толерантности к глюкозе или инсулину у мышей

Кишечник

2012

;

1701

—

.103

Amar

Chabo

Waget

et al.

Прилипание к слизистой оболочке кишечника и транслокация комменсальных бактерий при раннем начале диабета 2 типа: молекулярные механизмы и лечение пробиотиками

EMBO Mol Med

2011

;

559

—

.104

Cani

Amar

Iglesias

et al.

Метаболическая эндотоксемия вызывает ожирение и инсулинорезистентность

Диабет

2007

;

1761

—

.105

Creely

McTernan

Kusminski

et al.

Липополисахарид активирует ответ врожденной иммунной системы в жировой ткани человека при ожирении и диабете 2 типа

Am J Physiol-Endocrinol Metab

2007

;

292

E740

—

.106

Chassaing

Koren

Goodrich

et al.

Пищевые эмульгаторы воздействуют на микробиоту кишечника мышей, вызывая колит и метаболический синдром

Природа

2015

;

519

—

Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями некоммерческой лицензии Creative Commons Attribution (http: // creativecommons .org / licenses / by-nc / 4.0 /), который разрешает некоммерческое повторное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии правильного цитирования оригинальной работы. По вопросам коммерческого повторного использования обращайтесь по адресу [email protected].

Боритесь с ними или накормите их: как слой кишечной слизи управляет кишечной микробиотой | Отчет гастроэнтеролога

Аннотация

Кишечный тракт населен огромным количеством микроорганизмов, называемых кишечной микробиотой.Эти микроорганизмы живут в мутуалистических отношениях со своим хозяином и способствуют разложению сложных углеводов. Хотя микробиота кишечника обычно считается полезной, огромное количество микробных клеток также представляет собой постоянную угрозу для хозяина. Таким образом, эпителий кишечника покрыт плотным слоем слизи, чтобы предотвратить перемещение микробиоты кишечника в подлежащие ткани. Кишечная слизь представляет собой организованную сеть гликопротеинов с гликановой структурой, специфичной для хозяина.Хотя слой слизи долгое время считался пассивным барьером, созданным хозяином, недавние исследования показали, что на созревание и функцию слоя слизи сильно влияет микробиота кишечника. В свою очередь, репертуар гликанов муцинов может отобрать отдельные бактерии, ассоциированные со слизистой оболочкой, которые способны связывать или разрушать определенные гликаны муцина в качестве источника питательных веществ. Поскольку слой кишечной слизи находится на важнейшем стыке между хозяином и микробами, его разрушение приводит к вторжению кишечных бактерий, что в конечном итоге может вызвать воспаление и инфекцию.Соответственно, при колите у мышей и людей наблюдается дисфункциональный слой слизи. Более того, недавно было продемонстрировано, что повышенное потребление диеты западного типа с низким содержанием клетчатки в нашем современном обществе вызывает бактериальные дефекты слизистого слоя кишечника. Здесь я рассмотрю текущие знания о взаимодействии между кишечными бактериями и слоем кишечной слизи при здоровье и болезнях. Понимание молекулярных деталей этого взаимодействия хозяин-микроб может способствовать разработке новых вариантов лечения заболеваний, связанных с дисфункциональным слоем слизи, таких как язвенный колит.

Введение

Сообщество кишечных микробов, называемое кишечной микробиотой, живет в мутуалистических отношениях со своим хозяином и производит витамины и другие метаболиты, которые полезны для физиологии хозяина. Однако, хотя эти производные от микробиоты молекулы могут передавать сигналы органам, удаленным от кишечника [1], их микробные продуценты должны содержаться в просвете кишечника. Поскольку микробиота кишечника отделена от хозяина только одним слоем энтероцитов, триллионы бактериальных клеток представляют собой постоянную угрозу.Таким образом, для предотвращения транслокации комменсальных и патогенных микроорганизмов через барьер слизистой оболочки хозяин разработал эффективные защитные механизмы, включая формирование физического слизистого барьера, покрывающего эпителий кишечника.

Кишечная слизь продуцируется бокаловидными клетками и образует высокоорганизованную гликопротеиновую сеть, в основном состоящую из муцина 2 (MUC2), но также содержащую стабильный протеом ядра [2]. Слизистый слой долгое время считался простым лубрикатором, облегчающим прохождение фекального материала по кишечному каналу, но недавний интерес к кишечной микробиоте также привлек внимание исследователей к кишечной слизи.Хотя мы все еще только начинаем понимать функцию и важность слизистого слоя, недавние исследования уже показали, что его взаимодействие с кишечной микробиотой более интенсивно, чем считалось ранее. Более того, наблюдение дефектов слизи при таких заболеваниях, как воспалительное заболевание кишечника [3, 4] и гипергликемия [5], подчеркивает важность этого барьера для физиологии хозяина. Здесь я делаю обзор недавних результатов о взаимодействии между кишечной микробиотой и слоем кишечной слизи при здоровье и болезни.

Структура слизистой оболочки кишечника

Кишечная слизь вырабатывается бокаловидными клетками, специализированными секреторными клетками эпителиального слоя. В тонком кишечнике бокаловидные клетки преимущественно локализуются в криптах Либеркюн, но также в меньшем количестве на ворсинах тонкого кишечника. В толстой кишке секретирующие слизь клетки накапливаются в открытии крипт толстой кишки, но также обнаруживаются глубже в криптах и на поверхности толстой кишки.Недавно у мышей в открытии крипт толстой кишки был идентифицирован специализированный подтип «сторожевых» бокаловидных клеток, которые регулируют секрецию слизи в ответ на бактериальные захватчики, которым удалось проникнуть во внутренний слой слизи толстой кишки [6].

Основным секретируемым белком слизи в кишечнике является MUC2, кодируемый геном MUC2 на хромосоме 11 человека. Этот гелеобразующий гликопротеин состоит из более чем 5100 аминокислот и сильно O-гликозилирован [7], образуя молекулярную массу около 2.7 МДа на молекулу муцина [8]. Фактически, более 80% его молекулярной массы связано с боковыми цепями олигосахаридов, что объясняет характерные гелеобразующие свойства. Кроме того, специфический для слизи гликановый декор является важной частью его взаимодействия с микробиотой кишечника и будет обсуждаться более подробно ниже.

Внутри эндоплазматического ретикулума бокаловидных клеток мономеры MUC2 димеризуются через свои С-концевые дисульфидные мостики [9] и впоследствии тримеризуются через межмолекулярные дисульфидные мостики через характерные N-концевые D-домены фон Виллебранда в Гольджи [10].Эти олигомеры муцина затем плотно упаковываются в секреторные везикулы, где низкий pH, высокая концентрация Ca ²⁺ и отсутствие воды облегчают организованные условия хранения. Последующая секреция слизи лучше всего охарактеризована в тонком кишечнике: секреция гидрокарбоната (HCO ₃ ^—) каналом трансмембранного регулятора проводимости муковисцидоза (CFTR) приводит к подщелачиванию условий и снижению концентрации Ca ²⁺ по сравнению с к окружающей среде в гранулах слизи.Эти изменения окружающей среды делают возможным массовое разрастание олигомеров слизи, генерируя двумерные высокоорганизованные листы, которые взаимодействуют с ранее сформированными, создавая трехмерный слой слизи [11, 12]. В то же время гидратация приводит к набуханию слизи, вызывая увеличение объема упакованного муцина в 100–1000 раз [13]. Однако недавние открытия предполагают, что сборка муцина, вероятно, еще более сложна и может также включать молекулы, не являющиеся муцинами: например, присутствие фактора трилистника-3 (TFF3), кератинов и кальций-связывающих белков в препарате нативного муцина может указывать на их значимость. для сборки муцина, даже несмотря на то, что их индивидуальные роли и вклады должны быть проверены экспериментально [14].

Рисунок 1.

Специфическое взаимодействие между кишечной микробиотой и слоем слизи

Гликаны слизи как источник энергии для кишечной микробиоты

Рисунок 2.

Взаимодействие микробиоты и слизи и значение для болезни

Заключение и перспектива

Благодарности

Финансирование

B.O.S. поддерживается долгосрочной стипендией программы Human Frontier Science Program (LT000109 / 2014).

Заявление о конфликте интересов: не заявлено.

Список литературы

Schroeder

Bäckhed

Сигналы от микробиоты кишечника к отдаленным органам в физиологии и болезнях

Nat Med

2016

;

1079

—

Родригес-Пиньейро

Bergström

Ermund

et al.

Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol

2013

;

305

G348

—

Swidsinski

Loening-Baucke

Theissig

et al.

Сравнительное исследование слизистого барьера кишечника нормальной и воспаленной толстой кишки

Гут

2007

;

343

—

Johansson

MEV

Gustafsson

Holmén-Larsson

et al.

Гут

2014

;

281

—

Chassaing

Raja

Lewis

et al.

Посягательство микробиоты толстой кишки коррелирует с дисгликемией у людей

Cell Mol Gastroenterol Hepatol

2017

;

205

—

Birchenough

GMH

Nyström

EEL

Johansson

MEV

et al.

Сторожевые бокаловидные клетки охраняют крипту толстой кишки, запуская Nlrp6-зависимую секрецию Muc2

Наука

2016

;

352

1535

—

Allen

Hutton

Pearson

JP.

Продукт гена MUC2: муцин кишечника человека

Int J Biochem Cell Biol

1998

;

797

—

801

Axelsson

MAB

Asker

Hansson

GCO.

J Biol Chem

1998

;

273

18864

—

Asker

Axelsson

MAB

Olofsson

S-O

et al.

J Biol Chem

1998

;

273

18857

—

.10

Godl

Johansson

MEV

Lidell

et al.

J Biol Chem

2002

;

277

47248

—

.11

Ambort

Johansson

MEV

Gustafsson

et al.

Кальций и pH-зависимая упаковка и высвобождение гелеобразующего муцина MUC2

Proc Natl Acad Sci USA

2012

;

109

5645

—

.12

Johansson

MEV

Hansson

GC.

Иммунологические аспекты кишечной слизи и муцинов

Nat Rev Immunol

2016

;

639

—

,13

McGuckin

Hasnain

SZ.

Бокаловидные клетки как стражи слизистой оболочки иммунитета

Mucosal Immunol

2017

;

1118

—

.14

Мелдрам

Якубов

Bonilla

et al.

Научный сотрудник

2018

;

5802.

Ermund

Schütte

Johansson

MEV

et al.

Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol

2013

;

305

G341

—

.16

Schütte

Ermund

Becker-Pauly

et al.

Proc Natl Acad Sci USA

2014

;

111

12396

—

401

.17

Meyer-Hoffert

Hornef

Henriques-Normark

et al.

Секретируемое кишечное антимикробное действие локализуется в поверхностном слое слизи

Гут

2008

;

764

—

. 18

Bevins

Salzman

NH.

Клетки Панета, антимикробные пептиды и поддержание гомеостаза кишечника

Nat Rev Microbiol

2011

;

356

—

,19

Вайшнава

Yamamoto

Severson

et al.

Наука

2011

;

334

255

—

.20

Loonen

Stolte

Jaklofsky

et al.

Mucosal Immunol

2014

;

939

—

,21

Moor

Diard

Sellin

et al.

IgA с высокой авидностью защищает кишечник, сковывая растущие бактерии

Природа

2017

;

544

498

—

502

.22

Chu

Pazgier

Jung

et al.

Наука

2012

;

337

477

—

.23

Mowat

AM.

Анатомические основы толерантности и иммунитета к кишечным антигенам

Nat Rev Immunol

2003

;

331

—

.24

Johansson

MEV

Phillipson

Petersson

et al.

Внутренний из двух слоев слизи, зависимой от Muc2 в толстой кишке, лишен бактерий

Proc Natl Acad Sci USA

2008

;

105

15064

—

.25

Gustafsson

Ermund

Johansson

MEV

et al.

Am J Physiol-Gastrointest Liver Physiol

2012

;

302

G430

—

.26

Nyström

EEL

Birchenough

GMH

van der Post

et al.

EBioMedicine

2018

;

134

—

.27

Лам

Ричард

Leducq

et al.

Nat Med

2016

;

598

—

605

. 28

Zelante

Iannitti

Cunha

et al.

Иммунитет

2013

;

372

—

,29

Koh

De Vadder

Kovatcheva-Datchary

et al.

Ячейка

2016

;

165

1332

—

.30

Donia

Fischbach

MA.

Небольшие молекулы микробиоты человека

Наука

2015

;

349

1254766.

Dodd

Spitzer

Treuren

et al.

Природа

2017

;

551

648

—

.32

Окумура

Куракава

Накано

и др.

Lypd8 способствует разделению жгутиковой микробиоты и эпителия толстой кишки

Природа

2016

;

532

117

—

.33

Bergström

Birchenough

GMH

Katona

et al.

Proc Natl Acad Sci USA

2016

;

113

13833

—

.34

Propheter

Chara

Harris

и др.

Proc Natl Acad Sci USA

2017

;

114

11027

—

.35

Szentkuti

Riedesel

Enss

M-L

et al.

Слой преэпителиальной слизи в толстой кишке обычных и стерильных крыс

Histochem J

1990

;

491

—

,36

Кандори

Hirayama

Takeda

et al.

Exp Anim

1996

;

155

—

.37

Bry

Falk

Midtvedt

et al.

Модель взаимодействия хозяина и микробов в открытой экосистеме млекопитающих

Science

1996

;

273

1380

—

.38

Earle

Billings

Sigal

et al.

Количественная визуализация пространственной организации кишечной микробиоты

Cell Host Microbe

2015

;

478

—

.39

Desai

Seekatz

Koropatkin

et al.

Ячейка

2016

;

167

1339

—

53.e21

.40

Bergström

Kristensen

Bahl

et al.

BMC Res Notes

2012

;

402.

Johansson

MEV

Jakobsson

Holmén-Larsson

et al.

Нормализация слоев слизи кишечника хозяина требует длительной микробной колонизации

Cell Host Microbe

2015

;

582

—

.42

Johansson

MEV

Hansson

McGuckin

Thornton

(ред.).

Муцины: методы и протоколы

Тотова, штат Нью-Джерси

Humana Press

2012

229

—

.43

Everard

Belzer

Geurts

et al.

Перекрестная связь между Akkermansia muciniphila и кишечным эпителием контролирует ожирение, вызванное диетой

Proc Natl Acad Sci USA

2013

;

110

9066

—

.44

Zoetendal

Akkermans

De Vos

WM.

Appl Environ Microbiol

1998

;

3854

—

.45

Qin

Raes

et al.

Каталог кишечных микробных генов человека, созданный методом метагеномного секвенирования

Природа

2010

;

464

—

124

.46

Экбург

Bik

Bernstein

et al.

Разнообразие кишечной микробной флоры человека

Наука

2005

;

308

1635

—

.47

Холд

Pryde

Russell

et al.

FEMS Microbiol Ecol

2002

;

—

.48

Консорциум проекта по микробиому человека.

Структура, функции и разнообразие микробиома здорового человека

Природа

2012

;

486

207

—

.49

Jakobsson

Rodríguez-Piñeiro

Schütte

et al.

Состав кишечной микробиоты формирует слизистый барьер толстой кишки

Представитель EMBO

2015

;

164

—

.50

Breitbart

Hewson

Felts

et al.

Метагеномный анализ некультивируемого вирусного сообщества из человеческих фекалий

J Бактериол

2003

;

185

6220

—

.51

Barr

Auro

Furlan

и др.

Бактериофаг, прилипший к слизи, обеспечивает иммунитет, не связанный с хозяином.

Proc Natl Acad Sci USA

2013

;

110

10771

—

.52

Norman

Handley

Baldridge

et al.

Болезненно-специфические изменения кишечного вирома при воспалительном заболевании кишечника

Ячейка

2015

;

160

447

—

.53

Wang

Jovel

Halloran

et al.

Воспаление кишечника

2015

;

1419

—

.54

Marcobal

Southwick

Earle

et al.

Утонченное небо: бактериальное потребление гликанов хозяина в кишечнике

Гликобиология

2013

;

1038

—

.55

Martens

Chiang

Gordon

JI.

Cell Host Microbe

2008

;

447

—

.56

Martens

Neumann

Desai

MS.

Взаимодействие комменсальных и патогенных микроорганизмов со слизистой оболочкой кишечника

Nat Rev Microbiol

2018

;

457

—

.57

Сломяны

Murty

Сломяны

Выделение и характеристика олигосахаридов из гликопротеина слизи толстой кишки крысы

J Biol Chem

1980

;

255

9719

—

.58

Thomsson

Holmén-Larsson

Angström

et al.

человека.

Гликобиология

2012

;

1128

—

.59

Karlsson

Herrmann

Karlsson

et al.

Гликозилирование муцина Muc2 кишечника крыс варьируется между линиями крыс и тонким и толстым кишечником

J Biol Chem

1997

;

272

27025

—

.60

Robbe

Capon

Coddeville

et al.

Biochem J

2004

;

384

307

—

.61

Sommer

Adam

Johansson

MEV

et al.

PLoS One

2014

;

e85254.

Rausch

Rehman

Künzel

et al.

На микробиоту слизистой оболочки толстой кишки влияет взаимодействие болезни Крона и генотипа

FUT2 (секретор).

Proc Natl Acad Sci USA

2011

;

108

19030

—

.63

Watkins

, Биохимия и генетика систем групп крови ABO, Lewis и P. В:

Харрис

Hirschhorn

(ред.).

Достижения в области генетики человека

Бостон, Массачусетс

Springer US

1980

—

136

.64

Kelly

Rouquier

Giorgi

et al.

J Biol Chem

1995

;

270

4640.

McGovern

DPB

Jones

Taylor

et al.

Несекреторный статус фукозилтрансферазы 2 (FUT2) связан с болезнью Крона

Hum Mol Genet

2010

;

3468

—

.66

Wacklin

Mäkivuokko

Alakulppi

et al.

Генотип секретора (ген FUT2) прочно связан с составом бифидобактерий в кишечнике человека

PLoS One

2011

;

e20113.

Турпин

Бедрани

Эспин-Гарсия

et al.

Кишечные микробы

2018

;

357

—

. 68

Давенпорт

Goodrich

Bell

et al.

Статусы антигена и секретора ABO не связаны с составом кишечной микробиоты у 1500 близнецов

BMC Genomics

2016

;

941.

Hooper

Falk

et al.

Proc Natl Acad Sci USA

1999

;

9833

—

.70

Meng

Newburg

Young

et al.

Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol

2007

;

293

G780

—

.71

Wrzosek

Miquel

Noordine

M-L

et al.

BMC Biol

2013

;

61.

Bhattacharya

Ghosh

Mande

SS.

Глобальное профилирование углеводно-активных ферментов в микробиоме кишечника человека

PLoS One

2015

;

e0142038.

Ломбард

Голаконда Рамулу

Drula

et al.

База данных по углеводно-активным ферментам (CAZy) в 2013 г.

Nucleic Acids Res

2014

;

D490

—

.74

Bjursell

Himrod

et al.

Геномный вид симбиоза человека и бактероидов thetaiotaomicron

Наука

2003

;

299

2074

—

,75

Salyers

West

Vercellotti

и др.

Ферментация муцинов и полисахаридов растений анаэробными бактериями из толстой кишки человека

Appl Environ Microbiol

1977

;

529

—

.76

Salyers

Vercellotti

West

et al.

Ферментация муцина и полисахаридов растений штаммами Bacteroides из толстой кишки человека

Appl Environ Microbiol

1977

;

319

—

,77

Зонненбург

JL.

Голодание нашего микробного «я»: пагубные последствия диеты с дефицитом доступных для микробиоты углеводов

Cell Metab

2014

;

779

—

.78

Bjursell

Martens

Gordon

JI.

J Biol Chem

2006

;

281

36269

—

.79

Зонненбург

Leip

et al.

Гликановое кормление in vivo адаптированным к кишечнику бактериальным симбионтом

Наука

2005

;

307

1955

—

.80

Bergstrom

KSB

Kissoon-Singh

Gibson

et al.

PLoS Pathog

2010

;

Collins

Keeney

Crepin

et al.

Citrobacter rodentium : инфекция, воспаление и микробиота

Nat Rev Microbiol

2014

;

612

—

.82

Паассен

Loonen

LMP

Витте-Баума

et al.

PLoS One

2012

;

e38798.

Schroeder

Birchenough

GMH

Ståhlman

et al.

Cell Host Microbe

2018

;

—

40.e7

.84

Sluis

der Koning

BAED

Bruijn

ACJMD

et al.

Гастроэнтерология

2006

;

131

117

—

.85

Pullan

Thomas

Rhodes

et al.

Толщина прилипшего геля слизи на слизистой оболочке толстой кишки у людей и ее значение для колита

Gut

1994

;

353

—

.86

Swidsinski

Weber

Loening-Baucke

et al.

J Clin Microbiol

2005

;

3380

—

.87

Gevers

Kugathasan

Denson

et al.

Микробиом, ранее не получавший лечения при впервые возникшей болезни Крона

Cell Host Microbe

2014

;

382

—

.88

Тамболи

Neut

Desreumaux

et al.

Дисбактериоз при воспалительном заболевании кишечника

Гут

2004

;

—

.89

Zuo

Kamm

Colombel

J-F

et al.

Урбанизация и кишечная микробиота в здоровье и воспалительные заболевания кишечника

Нат Рев Гастроэнтерол Гепатол

2018

;

440

—

.90

Halfvarson

Brislawn

Lamendella

et al.

Динамика микробиома кишечника человека при воспалительном заболевании кишечника

Nat Microbiol

2017

;

17004.

Холл

Yassour

Sauk

et al.

Новый Ruminococcus gnavus clade, обогащенный у пациентов с воспалительными заболеваниями кишечника

Genome Med

2017

;

103.

Crost

Tailford

Gall

et al.

Использование муциновых гликанов симбионтом кишечника человека Ruminococcus gnavus зависит от штамма

PLoS One

2013

;

e76341.

Morampudi

Dalwadi

Bhinder

et al.

Иммунол слизистой оболочки

2016

;

1218

—

.94

Ahl

Liu

Schreiber

et al.

Lactobacillus reuteri увеличивает толщину слизи и облегчает вызванный декстрансульфатом натрия колит у мышей

Acta Physiol (Oxf)

2016

;

217

300

—

.95

Mangin

Dossou-Yovo

Lévêque

et al.

FEMS Microbiol Ecol

2018

;

: doi: 10.1093 / femsec / fiy177.96

Derrien

Vaughan

Plugge

et al.

Akkermansia muciniphila gen. Ноябрь, sp. Ноябрь, кишечная бактерия, разлагающая муцин, человека

Int J Syst Evol Microbiol

2004

;

1469

—

.97

Пловье

Everard

Druart

et al.

Nat Med

2017

;

107

—

.98

Gibson

Beatty

Wang

et al.

Селективная стимуляция бифидобактерий в толстой кишке человека олигофруктозой и инулином

Гастроэнтерология

1995

;

108

975

—

.99

Vandeputte

Falony

Vieira-Silva

et al.

Гут

2017

;

1968

—

.100

Bäckhed

Ding

Wang

et al.

Микробиота кишечника как фактор окружающей среды, регулирующий накопление жира

Proc Natl Acad Sci USA

2004

;

101

15718

—

.101

Бэкхед

Манчестер

Семенкович

и др.

Механизмы, лежащие в основе устойчивости к ожирению, вызванному диетой, у стерильных мышей

Proc Natl Acad Sci USA

2007

;

104

979

—

.102

Caesar

Reigstad

Bäckhed

et al.

Кишечник

2012

;

1701

—

.103

Amar

Chabo

Waget

et al.

EMBO Mol Med

2011

;

559

—

.104

Cani

Amar

Iglesias

et al.

Метаболическая эндотоксемия вызывает ожирение и инсулинорезистентность

Диабет

2007

;

1761

—

.105

Creely

McTernan

Kusminski

et al.

Am J Physiol-Endocrinol Metab

2007

;

292

E740

—

.106

Chassaing

Koren

Goodrich

et al.

Пищевые эмульгаторы воздействуют на микробиоту кишечника мышей, вызывая колит и метаболический синдром

Природа

2015

;

519

—

Боритесь с ними или накормите их: как слой кишечной слизи управляет кишечной микробиотой | Отчет гастроэнтеролога

Аннотация

Кишечный тракт населен огромным количеством микроорганизмов, называемых кишечной микробиотой.Эти микроорганизмы живут в мутуалистических отношениях со своим хозяином и способствуют разложению сложных углеводов. Хотя микробиота кишечника обычно считается полезной, огромное количество микробных клеток также представляет собой постоянную угрозу для хозяина. Таким образом, эпителий кишечника покрыт плотным слоем слизи, чтобы предотвратить перемещение микробиоты кишечника в подлежащие ткани. Кишечная слизь представляет собой организованную сеть гликопротеинов с гликановой структурой, специфичной для хозяина.Хотя слой слизи долгое время считался пассивным барьером, созданным хозяином, недавние исследования показали, что на созревание и функцию слоя слизи сильно влияет микробиота кишечника. В свою очередь, репертуар гликанов муцинов может отобрать отдельные бактерии, ассоциированные со слизистой оболочкой, которые способны связывать или разрушать определенные гликаны муцина в качестве источника питательных веществ. Поскольку слой кишечной слизи находится на важнейшем стыке между хозяином и микробами, его разрушение приводит к вторжению кишечных бактерий, что в конечном итоге может вызвать воспаление и инфекцию.Соответственно, при колите у мышей и людей наблюдается дисфункциональный слой слизи. Более того, недавно было продемонстрировано, что повышенное потребление диеты западного типа с низким содержанием клетчатки в нашем современном обществе вызывает бактериальные дефекты слизистого слоя кишечника. Здесь я рассмотрю текущие знания о взаимодействии между кишечными бактериями и слоем кишечной слизи при здоровье и болезнях. Понимание молекулярных деталей этого взаимодействия хозяин-микроб может способствовать разработке новых вариантов лечения заболеваний, связанных с дисфункциональным слоем слизи, таких как язвенный колит.

Введение

Сообщество кишечных микробов, называемое кишечной микробиотой, живет в мутуалистических отношениях со своим хозяином и производит витамины и другие метаболиты, которые полезны для физиологии хозяина. Однако, хотя эти производные от микробиоты молекулы могут передавать сигналы органам, удаленным от кишечника [1], их микробные продуценты должны содержаться в просвете кишечника. Поскольку микробиота кишечника отделена от хозяина только одним слоем энтероцитов, триллионы бактериальных клеток представляют собой постоянную угрозу.Таким образом, для предотвращения транслокации комменсальных и патогенных микроорганизмов через барьер слизистой оболочки хозяин разработал эффективные защитные механизмы, включая формирование физического слизистого барьера, покрывающего эпителий кишечника.

Кишечная слизь продуцируется бокаловидными клетками и образует высокоорганизованную гликопротеиновую сеть, в основном состоящую из муцина 2 (MUC2), но также содержащую стабильный протеом ядра [2]. Слизистый слой долгое время считался простым лубрикатором, облегчающим прохождение фекального материала по кишечному каналу, но недавний интерес к кишечной микробиоте также привлек внимание исследователей к кишечной слизи.Хотя мы все еще только начинаем понимать функцию и важность слизистого слоя, недавние исследования уже показали, что его взаимодействие с кишечной микробиотой более интенсивно, чем считалось ранее. Более того, наблюдение дефектов слизи при таких заболеваниях, как воспалительное заболевание кишечника [3, 4] и гипергликемия [5], подчеркивает важность этого барьера для физиологии хозяина. Здесь я делаю обзор недавних результатов о взаимодействии между кишечной микробиотой и слоем кишечной слизи при здоровье и болезни.

Структура слизистой оболочки кишечника

Кишечная слизь вырабатывается бокаловидными клетками, специализированными секреторными клетками эпителиального слоя. В тонком кишечнике бокаловидные клетки преимущественно локализуются в криптах Либеркюн, но также в меньшем количестве на ворсинах тонкого кишечника. В толстой кишке секретирующие слизь клетки накапливаются в открытии крипт толстой кишки, но также обнаруживаются глубже в криптах и на поверхности толстой кишки.Недавно у мышей в открытии крипт толстой кишки был идентифицирован специализированный подтип «сторожевых» бокаловидных клеток, которые регулируют секрецию слизи в ответ на бактериальные захватчики, которым удалось проникнуть во внутренний слой слизи толстой кишки [6].

Основным секретируемым белком слизи в кишечнике является MUC2, кодируемый геном MUC2 на хромосоме 11 человека. Этот гелеобразующий гликопротеин состоит из более чем 5100 аминокислот и сильно O-гликозилирован [7], образуя молекулярную массу около 2.7 МДа на молекулу муцина [8]. Фактически, более 80% его молекулярной массы связано с боковыми цепями олигосахаридов, что объясняет характерные гелеобразующие свойства. Кроме того, специфический для слизи гликановый декор является важной частью его взаимодействия с микробиотой кишечника и будет обсуждаться более подробно ниже.

Внутри эндоплазматического ретикулума бокаловидных клеток мономеры MUC2 димеризуются через свои С-концевые дисульфидные мостики [9] и впоследствии тримеризуются через межмолекулярные дисульфидные мостики через характерные N-концевые D-домены фон Виллебранда в Гольджи [10].Эти олигомеры муцина затем плотно упаковываются в секреторные везикулы, где низкий pH, высокая концентрация Ca ²⁺ и отсутствие воды облегчают организованные условия хранения. Последующая секреция слизи лучше всего охарактеризована в тонком кишечнике: секреция гидрокарбоната (HCO ₃ ^—) каналом трансмембранного регулятора проводимости муковисцидоза (CFTR) приводит к подщелачиванию условий и снижению концентрации Ca ²⁺ по сравнению с к окружающей среде в гранулах слизи.Эти изменения окружающей среды делают возможным массовое разрастание олигомеров слизи, генерируя двумерные высокоорганизованные листы, которые взаимодействуют с ранее сформированными, создавая трехмерный слой слизи [11, 12]. В то же время гидратация приводит к набуханию слизи, вызывая увеличение объема упакованного муцина в 100–1000 раз [13]. Однако недавние открытия предполагают, что сборка муцина, вероятно, еще более сложна и может также включать молекулы, не являющиеся муцинами: например, присутствие фактора трилистника-3 (TFF3), кератинов и кальций-связывающих белков в препарате нативного муцина может указывать на их значимость. для сборки муцина, даже несмотря на то, что их индивидуальные роли и вклады должны быть проверены экспериментально [14].

Рисунок 1.

Специфическое взаимодействие между кишечной микробиотой и слоем слизи

Гликаны слизи как источник энергии для кишечной микробиоты

Рисунок 2.

Взаимодействие микробиоты и слизи и значение для болезни

Заключение и перспектива

Благодарности

Финансирование

B.O.S. поддерживается долгосрочной стипендией программы Human Frontier Science Program (LT000109 / 2014).

Заявление о конфликте интересов: не заявлено.

Список литературы

Schroeder

Bäckhed

Сигналы от микробиоты кишечника к отдаленным органам в физиологии и болезнях

Nat Med

2016

;

1079

—

Родригес-Пиньейро

Bergström

Ermund

et al.

Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol

2013

;

305

G348

—

Swidsinski

Loening-Baucke

Theissig

et al.

Сравнительное исследование слизистого барьера кишечника нормальной и воспаленной толстой кишки

Гут

2007

;

343

—

Johansson

MEV

Gustafsson

Holmén-Larsson

et al.

Гут

2014

;

281

—

Chassaing

Raja

Lewis

et al.

Посягательство микробиоты толстой кишки коррелирует с дисгликемией у людей

Cell Mol Gastroenterol Hepatol

2017

;

205

—

Birchenough

GMH

Nyström

EEL

Johansson

MEV

et al.

Сторожевые бокаловидные клетки охраняют крипту толстой кишки, запуская Nlrp6-зависимую секрецию Muc2

Наука

2016

;

352

1535

—

Allen

Hutton

Pearson

JP.

Продукт гена MUC2: муцин кишечника человека

Int J Biochem Cell Biol

1998

;

797

—

801

Axelsson

MAB

Asker

Hansson

GCO.

J Biol Chem

1998

;

273

18864

—

Asker

Axelsson

MAB

Olofsson

S-O

et al.

J Biol Chem

1998

;

273

18857

—

.10

Godl

Johansson

MEV

Lidell

et al.

J Biol Chem

2002

;

277

47248

—

.11

Ambort

Johansson

MEV

Gustafsson

et al.

Кальций и pH-зависимая упаковка и высвобождение гелеобразующего муцина MUC2

Proc Natl Acad Sci USA

2012

;

109

5645

—

.12

Johansson

MEV

Hansson

GC.

Иммунологические аспекты кишечной слизи и муцинов

Nat Rev Immunol

2016

;

639

—

,13

McGuckin

Hasnain

SZ.

Бокаловидные клетки как стражи слизистой оболочки иммунитета

Mucosal Immunol

2017

;

1118

—

.14

Мелдрам

Якубов

Bonilla

et al.

Научный сотрудник

2018

;

5802.

Ermund

Schütte

Johansson

MEV

et al.

Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol

2013

;

305

G341

—

.16

Schütte

Ermund

Becker-Pauly

et al.

Proc Natl Acad Sci USA

2014

;

111

12396

—

401

.17

Meyer-Hoffert

Hornef

Henriques-Normark

et al.

Секретируемое кишечное антимикробное действие локализуется в поверхностном слое слизи

Гут

2008

;

764

—

. 18

Bevins

Salzman

NH.

Клетки Панета, антимикробные пептиды и поддержание гомеостаза кишечника

Nat Rev Microbiol

2011

;

356

—

,19

Вайшнава

Yamamoto

Severson

et al.

Наука

2011

;

334

255

—

.20

Loonen

Stolte

Jaklofsky

et al.

Mucosal Immunol

2014

;

939

—

,21

Moor

Diard

Sellin

et al.

IgA с высокой авидностью защищает кишечник, сковывая растущие бактерии

Природа

2017

;

544

498

—

502

.22

Chu

Pazgier

Jung

et al.

Наука

2012

;

337

477

—

.23

Mowat

AM.

Анатомические основы толерантности и иммунитета к кишечным антигенам

Nat Rev Immunol

2003

;

331

—

.24

Johansson

MEV

Phillipson

Petersson

et al.

Внутренний из двух слоев слизи, зависимой от Muc2 в толстой кишке, лишен бактерий

Proc Natl Acad Sci USA

2008

;

105

15064

—

.25

Gustafsson

Ermund

Johansson

MEV

et al.

Am J Physiol-Gastrointest Liver Physiol

2012

;

302

G430

—

.26

Nyström

EEL

Birchenough

GMH

van der Post

et al.

EBioMedicine

2018

;

134

—

.27

Лам

Ричард

Leducq

et al.

Nat Med

2016

;

598

—

605

. 28

Zelante

Iannitti

Cunha

et al.

Иммунитет

2013

;

372

—

,29

Koh

De Vadder

Kovatcheva-Datchary

et al.

Ячейка

2016

;

165

1332

—

.30

Donia

Fischbach

MA.

Небольшие молекулы микробиоты человека

Наука

2015

;

349

1254766.

Dodd

Spitzer

Treuren

et al.

Природа

2017

;

551

648

—

.32

Окумура

Куракава

Накано

и др.

Lypd8 способствует разделению жгутиковой микробиоты и эпителия толстой кишки

Природа

2016

;

532

117

—

.33

Bergström

Birchenough

GMH

Katona

et al.

Proc Natl Acad Sci USA

2016

;

113

13833

—

.34

Propheter

Chara

Harris

и др.

Proc Natl Acad Sci USA

2017

;

114

11027

—

.35

Szentkuti

Riedesel

Enss

M-L

et al.

Слой преэпителиальной слизи в толстой кишке обычных и стерильных крыс

Histochem J

1990

;

491

—

,36

Кандори

Hirayama

Takeda

et al.

Exp Anim

1996

;

155

—

.37

Bry

Falk

Midtvedt

et al.

Модель взаимодействия хозяина и микробов в открытой экосистеме млекопитающих

Science

1996

;

273

1380

—

.38

Earle

Billings

Sigal

et al.

Количественная визуализация пространственной организации кишечной микробиоты

Cell Host Microbe

2015

;

478

—

.39

Desai

Seekatz

Koropatkin

et al.

Ячейка

2016

;

167

1339

—

53.e21

.40

Bergström

Kristensen

Bahl

et al.

BMC Res Notes

2012

;

402.

Johansson

MEV

Jakobsson

Holmén-Larsson

et al.

Нормализация слоев слизи кишечника хозяина требует длительной микробной колонизации

Cell Host Microbe

2015

;

582

—

.42

Johansson

MEV

Hansson

McGuckin

Thornton

(ред.).

Муцины: методы и протоколы

Тотова, штат Нью-Джерси

Humana Press

2012

229

—

.43

Everard

Belzer

Geurts

et al.

Перекрестная связь между Akkermansia muciniphila и кишечным эпителием контролирует ожирение, вызванное диетой

Proc Natl Acad Sci USA

2013

;

110

9066

—

.44

Zoetendal

Akkermans

De Vos

WM.

Appl Environ Microbiol

1998

;

3854

—

.45

Qin

Raes

et al.

Каталог кишечных микробных генов человека, созданный методом метагеномного секвенирования

Природа

2010

;

464

—

124

.46

Экбург

Bik

Bernstein

et al.

Разнообразие кишечной микробной флоры человека

Наука

2005

;

308

1635

—

.47

Холд

Pryde

Russell

et al.

FEMS Microbiol Ecol

2002

;

—

.48

Консорциум проекта по микробиому человека.

Структура, функции и разнообразие микробиома здорового человека

Природа

2012

;

486

207

—

.49

Jakobsson

Rodríguez-Piñeiro

Schütte

et al.

Состав кишечной микробиоты формирует слизистый барьер толстой кишки

Представитель EMBO

2015

;

164

—

.50

Breitbart

Hewson

Felts

et al.

Метагеномный анализ некультивируемого вирусного сообщества из человеческих фекалий

J Бактериол

2003

;

185

6220

—

.51

Barr

Auro

Furlan

и др.

Бактериофаг, прилипший к слизи, обеспечивает иммунитет, не связанный с хозяином.

Proc Natl Acad Sci USA

2013

;

110

10771

—

.52

Norman

Handley

Baldridge

et al.

Болезненно-специфические изменения кишечного вирома при воспалительном заболевании кишечника

Ячейка

2015

;

160

447

—

.53

Wang

Jovel

Halloran

et al.

Воспаление кишечника

2015

;

1419

—

.54

Marcobal

Southwick

Earle

et al.

Утонченное небо: бактериальное потребление гликанов хозяина в кишечнике

Гликобиология

2013

;

1038

—

.55

Martens

Chiang

Gordon

JI.

Cell Host Microbe

2008

;

447

—

.56

Martens

Neumann

Desai

MS.

Взаимодействие комменсальных и патогенных микроорганизмов со слизистой оболочкой кишечника

Nat Rev Microbiol

2018

;

457

—

.57

Сломяны

Murty

Сломяны

Выделение и характеристика олигосахаридов из гликопротеина слизи толстой кишки крысы

J Biol Chem

1980

;

255

9719

—

.58

Thomsson

Holmén-Larsson

Angström

et al.

человека.

Гликобиология

2012

;

1128

—

.59

Karlsson

Herrmann

Karlsson

et al.

Гликозилирование муцина Muc2 кишечника крыс варьируется между линиями крыс и тонким и толстым кишечником

J Biol Chem

1997

;

272

27025

—

.60

Robbe

Capon

Coddeville

et al.

Biochem J

2004

;

384

307

—

.61

Sommer

Adam

Johansson

MEV

et al.

PLoS One

2014

;

e85254.

Rausch

Rehman

Künzel

et al.

На микробиоту слизистой оболочки толстой кишки влияет взаимодействие болезни Крона и генотипа

FUT2 (секретор).

Proc Natl Acad Sci USA

2011

;

108

19030

—

.63

Watkins

, Биохимия и генетика систем групп крови ABO, Lewis и P. В:

Харрис

Hirschhorn

(ред.).

Достижения в области генетики человека

Бостон, Массачусетс

Springer US

1980

—

136

.64

Kelly

Rouquier

Giorgi

et al.

J Biol Chem

1995

;

270

4640.

McGovern

DPB

Jones

Taylor

et al.

Несекреторный статус фукозилтрансферазы 2 (FUT2) связан с болезнью Крона

Hum Mol Genet

2010

;

3468

—

.66

Wacklin

Mäkivuokko

Alakulppi

et al.

Генотип секретора (ген FUT2) прочно связан с составом бифидобактерий в кишечнике человека

PLoS One

2011

;

e20113.

Турпин

Бедрани

Эспин-Гарсия

et al.

Кишечные микробы

2018

;

357

—

. 68

Давенпорт

Goodrich

Bell

et al.

Статусы антигена и секретора ABO не связаны с составом кишечной микробиоты у 1500 близнецов

BMC Genomics

2016

;

941.

Hooper

Falk

et al.

Proc Natl Acad Sci USA

1999

;

9833

—

.70

Meng

Newburg

Young

et al.

Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol

2007

;

293

G780

—

.71

Wrzosek

Miquel

Noordine

M-L

et al.

BMC Biol

2013

;

61.

Bhattacharya

Ghosh

Mande

SS.

Глобальное профилирование углеводно-активных ферментов в микробиоме кишечника человека

PLoS One

2015

;

e0142038.

Ломбард

Голаконда Рамулу

Drula

et al.

База данных по углеводно-активным ферментам (CAZy) в 2013 г.

Nucleic Acids Res

2014

;

D490

—

.74

Bjursell

Himrod

et al.

Геномный вид симбиоза человека и бактероидов thetaiotaomicron

Наука

2003

;

299

2074

—

,75

Salyers

West

Vercellotti

и др.

Ферментация муцинов и полисахаридов растений анаэробными бактериями из толстой кишки человека

Appl Environ Microbiol

1977

;

529

—

.76

Salyers

Vercellotti

West

et al.

Ферментация муцина и полисахаридов растений штаммами Bacteroides из толстой кишки человека

Appl Environ Microbiol

1977

;

319

—

,77

Зонненбург

JL.

Голодание нашего микробного «я»: пагубные последствия диеты с дефицитом доступных для микробиоты углеводов

Cell Metab

2014

;

779

—

.78

Bjursell

Martens

Gordon

JI.

J Biol Chem

2006

;

281

36269

—

.79

Зонненбург

Leip

et al.

Гликановое кормление in vivo адаптированным к кишечнику бактериальным симбионтом

Наука

2005

;

307

1955

—

.80

Bergstrom

KSB

Kissoon-Singh

Gibson

et al.

PLoS Pathog

2010

;

Collins

Keeney

Crepin

et al.

Citrobacter rodentium : инфекция, воспаление и микробиота

Nat Rev Microbiol

2014

;

612

—

.82

Паассен

Loonen

LMP

Витте-Баума

et al.

PLoS One

2012

;

e38798.

Schroeder

Birchenough

GMH

Ståhlman

et al.

Cell Host Microbe

2018

;

—

40.e7

.84

Sluis

der Koning

BAED

Bruijn

ACJMD

et al.

Гастроэнтерология

2006

;

131

117

—

.85

Pullan

Thomas

Rhodes

et al.

Толщина прилипшего геля слизи на слизистой оболочке толстой кишки у людей и ее значение для колита

Gut

1994

;

353

—

.86

Swidsinski

Weber

Loening-Baucke

et al.

J Clin Microbiol

2005

;

3380

—

.87

Gevers

Kugathasan

Denson

et al.

Микробиом, ранее не получавший лечения при впервые возникшей болезни Крона

Cell Host Microbe

2014

;

382

—

.88

Тамболи

Neut

Desreumaux

et al.

Дисбактериоз при воспалительном заболевании кишечника

Гут

2004

;

—

.89

Zuo

Kamm

Colombel

J-F

et al.

Урбанизация и кишечная микробиота в здоровье и воспалительные заболевания кишечника

Нат Рев Гастроэнтерол Гепатол

2018

;

440

—

.90

Halfvarson

Brislawn

Lamendella

et al.

Динамика микробиома кишечника человека при воспалительном заболевании кишечника

Nat Microbiol

2017

;

17004.

Холл

Yassour

Sauk

et al.

Новый Ruminococcus gnavus clade, обогащенный у пациентов с воспалительными заболеваниями кишечника

Genome Med

2017

;

103.

Crost

Tailford

Gall

et al.

Использование муциновых гликанов симбионтом кишечника человека Ruminococcus gnavus зависит от штамма

PLoS One

2013

;

e76341.

Morampudi

Dalwadi

Bhinder

et al.

Иммунол слизистой оболочки

2016

;

1218

—

.94

Ahl

Liu

Schreiber

et al.

Lactobacillus reuteri увеличивает толщину слизи и облегчает вызванный декстрансульфатом натрия колит у мышей

Acta Physiol (Oxf)

2016

;

217

300

—

.95

Mangin

Dossou-Yovo

Lévêque

et al.

FEMS Microbiol Ecol

2018

;

: doi: 10.1093 / femsec / fiy177.96

Derrien

Vaughan

Plugge

et al.

Akkermansia muciniphila gen. Ноябрь, sp. Ноябрь, кишечная бактерия, разлагающая муцин, человека

Int J Syst Evol Microbiol

2004

;

1469

—

.97

Пловье

Everard

Druart

et al.

Nat Med

2017

;

107

—

.98

Gibson

Beatty

Wang

et al.

Селективная стимуляция бифидобактерий в толстой кишке человека олигофруктозой и инулином

Гастроэнтерология

1995

;

108

975

—

.99

Vandeputte

Falony

Vieira-Silva

et al.

Гут

2017

;

1968

—

.100

Bäckhed

Ding

Wang

et al.

Микробиота кишечника как фактор окружающей среды, регулирующий накопление жира

Proc Natl Acad Sci USA

2004

;

101

15718

—

.101

Бэкхед

Манчестер

Семенкович

и др.

Механизмы, лежащие в основе устойчивости к ожирению, вызванному диетой, у стерильных мышей

Proc Natl Acad Sci USA

2007

;

104

979

—

.102

Caesar

Reigstad

Bäckhed

et al.

Кишечник

2012

;

1701

—

.103

Amar

Chabo

Waget

et al.

EMBO Mol Med

2011

;

559

—

.104

Cani

Amar

Iglesias

et al.

Метаболическая эндотоксемия вызывает ожирение и инсулинорезистентность

Диабет

2007

;

1761

—

.105

Creely

McTernan

Kusminski

et al.

Am J Physiol-Endocrinol Metab

2007

;

292

E740

—

.106

Chassaing

Koren

Goodrich

et al.

Пищевые эмульгаторы воздействуют на микробиоту кишечника мышей, вызывая колит и метаболический синдром

Природа

2015

;

519

—

границ | Роль системы слизистой желудочно-кишечного тракта в гомеостазе кишечника: последствия для неврологических расстройств

Свойства слоя слизи желудочно-кишечного тракта

Слизистый слой является первой линией защиты от проникновения микроорганизмов, пищеварительных ферментов и кислот, переваренных частиц пищи, побочных продуктов микробов и токсинов, связанных с пищевыми продуктами.Этот слой покрывает внутреннюю поверхность желудочно-кишечного тракта, смазывает содержимое просвета и действует как физический барьер для бактерий и других антигенных веществ, присутствующих в просвете. Влажный, богатый питательными веществами слой слизи, прилегающий к эпителиальному барьеру желудочно-кишечного тракта, также важен для поддержания гомеостаза кишечника и содержит процветающую биопленку, включающую полезные и патогенные микробные популяции.

Новые данные демонстрируют изменения в оси кишечник-мозг при неврологических заболеваниях, затрагивающих кишечную нервную систему, расположенную внутри стенки желудочно-кишечного тракта.Интересно, что выработка слизи регулируется молекулярными путями, участвующими в процессах развития и деятельности нервной системы. Множественные неврологические расстройства проявляются дисфункцией желудочно-кишечного тракта и микробным дисбиозом, но неизвестно, являются ли изменения в структуре и функции слизи движущей силой этих изменений. Таким образом, мы предполагаем, что изменения функции кишечной нервной системы и выработки слизи могут возникать при неврологических заболеваниях и способствовать развитию желудочно-кишечных симптомов и дисбактериоза.

Региональные вариации слизистой оболочки

Хотя слизь, расположенная по всему кишечнику, содержит одни и те же биологические компоненты, свойства слизи варьируются в зависимости от региональных различий в функциях желудочно-кишечного тракта (Ermund et al., 2013, рисунок 1).

Рисунок 1 . Структура слизистого слоя зависит от локализации желудочно-кишечного тракта. (A) Тонкая кишка содержит единственный слой слизи, которая слабо прикреплена к эпителию и легко проникает. Бактерии в тонком кишечнике в первую очередь отталкиваются от эпителия антибактериальными модуляторами. (B) Дистальный отдел толстой кишки содержит два слоя слизи; стратифицированный прилипший внутренний слой слизи и неплотно прилегающий внешний слой слизи.Внутренний слизистый слой толстой кишки по существу стерилен, а внешний слизистый слой содержит кишечную микробиоту.

Тонкая кишка

Большая часть питательных веществ из переваренной пищи происходит в тонком кишечнике, поэтому в этой области имеется единственный прерывистый и более проницаемый слой слизи (Johansson et al., 2011). Прерывистость слизистого слоя тонкой кишки важна не только для абсорбционной функции этой области, но и для высвобождения пищеварительных ферментов, локализованных в мембране щеточной каймы эпителиальных клеток.Эксперименты по оценке прохождения флуоресцентных шариков через образцы слизистой оболочки тонкого кишечника показали, что слизь тонкого кишечника у мышей проницаема для шариков, эквивалентных размеру бактерий (т.е. 0,5–2 мкм ³) и, следовательно, содержит поры размером до 2 мкм ² (Ermund et al., 2013). Эти большие поры слизи обеспечивают эффективное поглощение питательных веществ эпителием хозяина.

Бактериальное содержание слизистой оболочки тонкого кишечника также регулируется смесью антибактериальных медиаторов, таких как дефенсины, лизоцимы и другие пептиды, выделяемые клетками Панета (Peterson et al., 2007). Вместе эти медиаторы отталкивают бактерии, создавая антибактериальный градиент по направлению к просвету (Johansson and Hansson, 2011; Vaishnava et al., 2011). Специфические медиаторы включают многочисленные регенерирующие островковые пептиды 3 (REG3), IgA, Toll-подобный рецептор 5 (TLR5 регулирует уровни антител против флагеллина в кишечнике) (Cullender et al., 2013) и фосфолипазу A2-IIA (Meyer -Hoffert et al., 2008; Bevins, Salzman, 2011). В целом, антибактериальные пептиды убивают бактерии с помощью ряда механизмов, включая образование агрегатов, распознавание и связывание с пептидогликанами бактериальной клеточной стенки, а также проницаемость мембран бактериальных клеток (Chairatana and Nolan, 2017).Это служит для нейтрализации вторжения инородных частиц и поддержания эпителиальных крипт. Этот механизм антимикробной защиты имеет решающее значение для тонкого кишечника из-за прерывистой и проницаемой природы слизи в этой области и отражается в более высокой плотности клеток Панета и соответствующих пептидов (Ouellette, 2010).

Двоеточие

Организация слизистого слоя варьируется по длине толстой кишки. В дистальном отделе толстой кишки есть два слоя слизи, однако вопрос о том, прикрепляются ли эти слои к эпителию или к содержимому толстой кишки, является предметом обсуждения.В проксимальном отделе толстой кишки наличие двух слоев слизи было запрошено на основании гистологических исследований на животных моделях.

Johansson и его коллеги сообщили, что дистальный отдел толстой кишки мыши содержит два непрерывных слоя слизи; внутренний слой слизи толщиной ~ 50 мкм, прикрепленный к производящим слизь бокаловидным клеткам эпителиальной мембраны, и внешний слой слизи, который слабо прилегает и содержит бактерии (Johansson et al., 2008). Эти исследователи также сообщили, что толщина внешнего слоя слизи определяется составом населяющих слизь бактерий.Интересно, что эта группа сообщила, что внутренний слой слизи проксимального отдела толстой кишки также проницаем для бактерий (Ermund et al., 2013). В отличие от этого, Kamphuis и его коллеги сообщили, что два дистальных слоя слизи толстой кишки прилипают к фекальному осадку, а не к кишечному эпителию у грызунов, и что организация слоев слизи толстой кишки зависит от наличия фекального содержимого (Kamphuis et al., 2017 ). В частности, в этом исследовании использовались флуоресцентная гибридизация in situ и гистологические методы на продольных срезах, чтобы продемонстрировать, что фекальный осадок покрыт стерильным слоем слизи переменной толщины, который не прикреплен к эпителию.Они также показали, что в проксимальной части проксимального отдела толстой кишки, которая содержит содержимое толстой кишки до образования фекального осадка, слой слизи организован слабо, и бактерии в этой области контактируют с поверхностью эпителия (Kamphuis et al., 2017).

Расхождения в слоях слизи толстой кишки, о которых сообщается, могут быть связаны с методологическими изменениями, включая ориентацию срезов ткани и методы окрашивания слизи. В целом, многочисленные исследования свойств слизи, проведенные на обеих мышах (Macfarlane et al., 2011; Мотта и др., 2015; Welch et al., 2017) и человек (Swidsinski et al., 2007a) описывают два слоя слизи в толстой кишке, которые включают плотный слой слизи, прилегающий к эпителию, лишенный бактерий.

Комменсальные бактерии секретируют муциназы и протеиназы, которые постоянно разрушают внешний слой слизи, что приводит к ее крайне дезорганизованному характеру (Donaldson et al., 2016). Точно так же роль бактерий в толщине слизи была продемонстрирована на стерильных мышах, которые имеют более тонкий внутренний слой слизи в толстой кишке.Простого добавления компонентов бактериальной клеточной стенки (например, липополисахарида; ЛПС) достаточно для увеличения толщины слизи в этой модели, что подчеркивает роль бактерий в регуляции структуры внешнего слоя слизи (Petersson et al., 2011). Непрерывное выделение слизи способствует динамическому процессу, при котором внутренний слой слизи постепенно превращается в нерегулярный и менее прилипший внешний слой слизи. В этом процессе участвует Meprin β, эндогенная протеаза, которая способствует отслоению слизи (Wichert et al., 2017), а также проникновение бактерий за счет увеличения размера пор во внешнем слое слизи (Schutte et al., 2014).

Состав кишечной слизи

Слизь в основном состоит из разветвленных гликопротеинов (включая муцины), которые взаимодействуют с внешней средой и благодаря своей гидрофильной природе влияют на вязкость слизи (Bergstrom and Xia, 2013). У людей идентифицировано более 20 подтипов муцина, и их распределение варьируется по желудочно-кишечному тракту. Например, слюнные железы вырабатывают MUC5B и MUC7 для смазывания пищи (Bobek et al., 1993; Нильсен и др., 1996; Хан и др., 1998; Thornton et al., 1999), а слой слизи в желудке содержит MUC5AC (Ho et al., 1995; Atuma et al., 2001; Nordman et al., 2002). Хотя MUC5AC обычно не экспрессируется в толстой кишке, он был обнаружен в дистальном отделе толстой кишки вместе с MUC-2 во время воспаления, связанного с язвенным колитом и аденокарциномой у пациентов (Forgue-Lafitte et al., 2007). Хорошо известно, что основным гликопротеином слизистой оболочки кишечника является муцин-2 (белок MUC-2).

В белке MUC2 есть три основных структурных домена; N-концевой домен, центральный большой домен PTS (пролин, треонин и серин) и C-концевой домен. После трансляции полноразмерные ядра белка MUC2 образуют димеры через дисульфидные мостики возле своего С-конца внутри эндоплазматического ретикулума (ER) бокаловидных клеток. В аппарате Гольджи белки MUC2 подвергаются О-связанному гликозилированию. В этом процессе гликаны, такие как ксилоза, манноза, N-ацетилглюкозамин и N-ацетилгалактозамин (O-GalNAc), ковалентно присоединяются к гидроксильной группе (-OH) остаткам треонина и серина в домене PTS (Godl et al., 2002). Гликаны составляют 80% от общей массы белка MUC2 и простираются перпендикулярно ядру белка, придавая молекуле вид «бутылочной щетки» (рис. 2). О-гликаны можно модифицировать путем образования связей с сульфатом, сиаловой кислотой и фукозой. Эти модификации играют важную роль во влиянии на взаимодействие микробных популяций хозяина со слизью (Arike and Hansson, 2016).

Рисунок 2 . Нейрональная иннервация бокаловидных клеток слизистой оболочки кишечника.Нейроны подслизистого сплетения (SMP) иннервируют бокаловидные клетки путем высвобождения нейротрансмиттеров, таких как ацетилхолин (ACh) и вазоактивный внутренний пептид (VIP). На созревание бокаловидных клеток влияет фактор транскрипции Ets , содержащий точечный домен SAM, ( Spdef ), передача сигналов Wnt / Notch и нейронная активность. Зрелые бокаловидные клетки имеют характерную бокаловидную форму. Апикальная область расширена наличием гранул муцина, что придает клетке характерную чашевидную форму с другими клеточными органеллами, конденсированными в базальной «стеблевидной» области.Белок Muc-2 включает несколько О-гликанов, расположенных в виде «щеточки для бутылок». SMP, подслизистое сплетение; CM — круговая мышца; МП — миантеральное сплетение; LM — продольная мышца; Клетка ЭК, энтероэндокринные клетки.

Сложный процесс полимеризации происходит в сети trans-Golgi, с помощью которой димеры белка MUC2 взаимодействуют сначала как тримеры, а затем плотно связываются в секреторные гранулы MUC2 (Godl et al., 2002; Ambort et al., 2012). Высокая концентрация ионов Ca ²⁺ наряду с низким pH способствует упаковке слизи за счет маскировки отрицательно заряженных гликанов на белке MUC2.Во время этого процесса образуются сцепленные кольцевые структуры (Grubb and Gabriel, 1997; Choi et al., 2001; Ambort et al., 2012; Gustafsson et al., 2012b; Schutte et al., 2014).

Хотя основным компонентом слизи в тонком кишечнике и толстой кишке является муцин-2, в биопленке слизи также присутствует большое количество других белков, в основном происходящих из измельченных остатков эпителиальных клеток, которые попадают в слизь, включая IgG Fc- связывающий белок (FCGBP), хлоридный канал 1, активированный кальцием (ClCA1), мембранный белок гранул зимогена 16 (ZG16), передний градиент 2 (AGR2) и иммуноглобулины (Johansson et al., 2008).

Расширение слизи

После секреции слизи белковый комплекс MUC2 резко расширяется, образуя сетчатую структуру (Ambort et al., 2012). Экспансия муцина происходит из-за повышенного pH и снижения уровней Ca ²⁺, вызванных каналами трансмембранного регулятора кистозного фиброза (CFTR). CFTR-опосредованная секреция HCO3 ^— снижает уровни Ca ²⁺, что ослабляет кольцевую структуру комплекса муцина и позволяет плотно упакованному муцину MUC2 расширяться в большие плоские слои (Ambort et al., 2012). Вновь секретируемые слои слизи откладываются на эпителии, взаимодействуя с ранее секретированной слизью и впоследствии прикрепляясь к эпителию (Johansson and Hansson, 2016) (Рисунок 2). В толстой кишке расширение внешнего слизистого слоя также запускается бактериями, которые выделяют гликозидазы, которые последовательно отщепляют отдельные моносахариды от муциновых гликанов (Johansson and Hansson, 2016), чтобы дополнительно ослабить сплоченную структуру муциновых гликанов (Johansson et al. 2008 г.).

Бокаловидные клетки, секретирующие слизь

Кишечный эпителий состоит из линий абсорбирующих и секреторных клеток, включая энтероциты, энтероэндокринные клетки (EEC), клетки Панета и бокаловидные клетки.Бокаловидные клетки — это специализированные клетки, оснащенные специальными биологическими механизмами для секреции слизи, которые присутствуют по всей длине кишечника (рис. 2). Эти клетки, как следует из их названия, легко идентифицируются в гистологически окрашенных поперечных срезах кишечника из-за их характерной «бокаловидной» формы. Кишечные эпителиальные клетки, включая бокаловидные клетки, возникают из мультипотенциальных стволовых клеток, находящихся в основании кишечных крипт, и впоследствии мигрируют из крипт в верхнюю часть ворсинки, прежде чем в конечном итоге попасть в просвет (Cheng and Leblond, 1974).У мышей этот миграционный процесс происходит в течение 2–3 дней (Specian and Oliver, 1991). Дифференциация бокаловидных клеток напрямую контролируется фактором транскрипции SAM, содержащий точечный домен, фактор транскрипции ETS ( Spdef ) (Noah et al., 2010), а также через сеть транскрипционных факторов, регулируемых сигнальными путями Notch и Wnt. известно, что они влияют на пути развития и воспаления (van Es et al., 2005; Clarke, 2006; Fre et al., 2009; Gersemann et al., 2009; Грегорьев и др., 2009; Квон и др., 2011; Heuberger et al., 2014; Тиан и др., 2015). Более того, энтеральная нервная активность, как было показано, влияет на созревание и продукцию стволовых клеток в желудочно-кишечном тракте (Lundgren et al., 2011), что, в свою очередь, предполагает роль ENS в пролиферации и дифференцировке бокаловидных клеток.

Морфология бокаловидных клеток резко меняется в течение продолжительности жизни клетки (Specian and Oliver, 1991). Незрелые бокаловидные клетки крупнее и пирамидальной формы с клеточными органеллами, рассредоточенными по клетке и перемежающимися с гранулами слизи в апикальной клеточной области.По мере того, как эти бокаловидные клетки мигрируют к поверхности эпителия толстой кишки, они уменьшаются в объеме в результате выделения цитоплазматического содержимого и органелл. Во время этой фазы уменьшения объема бокаловидные клетки уменьшают контакт с базальной ламинарной поверхностью, прилегающей к эпителию, и одновременно увеличивают контакт с просветной поверхностью желудочно-кишечного тракта. Затем бокаловидные клетки быстро продуцируют и накапливают гранулы слизи, что приводит к расширению апикальной клеточной области с образованием типичной «чашеобразной» формы.Ядро и другие клеточные органеллы бокаловидных клеток сконцентрированы в суженных стеблевидных субклеточных областях, расположенных в основании клеток (Specian and Oliver, 1991). Эти процессы могут быть изменены при неврологических расстройствах. Например, при болезни Альцгеймера металлопротеаза Meprin β, которая расщепляет белок-предшественник амилоида (Schönherr et al., 2016; Becker-Pauly and Pietrzik, 2017), также регулирует отделение слизи от бокаловидных клеток в тонкой кишке (Wichert et al., 2017). ).

Взаимодействие слизи с микробами

Популяции микробов пространственно организованы по длине кишечника, а также от просвета до оси слизистой оболочки (Palestrant et al., 2004). Вязкость слизи увеличивается по направлению к дистальному отделу желудочно-кишечного тракта. Сообщается, что этот градиент вязкости по длине желудочно-кишечного тракта определяет пространственное распределение кишечной микробиоты (Swidsinski et al., 2007b). Состав бактерий, прилегающих к слизистой оболочке, отличается от бактериальных популяций, находящихся в просвете просвета (Swidsinski et al., 2005). Распределение бактерий между слизистой и просветом, вероятно, обусловлено колебаниями уровня кислорода и доступности питательных веществ (Yasuda et al., 2015).

Слой слизи служит источником углерода и энергии, преимущественно в форме гликанов, для бактерий, обитающих в слизи. В качестве адаптации к проживанию в богатой гликаном окружающей среде эти бактерии вырабатывают ферменты, разлагающие слизь, такие как гликозидаза, сульфатаза и сиалидазы (таблица 1), которые расщепляют сеть слизи, чтобы улучшить использование слизи в качестве источника энергии.Ряд бактерий, разлагающих слизь, присутствующих в слизи, включает Akkermansia muciniphila (Derrien et al., 2004), Bacteroides thetaiotaomicron (Xu et al., 2003), Bifidobacterium bifidium (He et al., 2001). ), Bacteroides fragilis (Macfarlane, Gibson, 1991) и Ruminoccous gnavus (Png et al., 2010). Эти виды бактерий расщепляют О-гликаны слизи с образованием моносахаридов (Berry et al., 2013), которые в дальнейшем могут использоваться другими бактериями, проживающими в слизи, включая Lachnospiraceae (Nava et al., 2011), Clostridium cluster XIV (van den Abbeele et al., 2013), Enterobacteriaceae (Ashida et al., 2008) и Clostridium difficile (Ng et al., 2013). Дальнейшая адаптация бактерий была выявлена у Lactobacillus (Etzold et al., 2014) и Bacteroides (Sicard et al., 2017), где наличие многократно повторяющихся адгезинов на клеточной поверхности позволяет удерживать бактерии в слое слизи. Синтрофные, симбиотические и мутуалистические взаимодействия микробов в слое слизи создают среду, которая управляет отбором микробного сообщества и определяет физические свойства слоя слизи.

Таблица 1 . Преобладающие бактерии, разлагающие слизь, и секретируемые пищеварительные ферменты.

Некоторые бактерии, обитающие в слизи, образуют биопленки слизистой оболочки, сложные микробные сообщества, встроенные в полимерный матрикс. Методы, включая флуоресцентную гибридизацию in situ и электронно-микроскопические исследования, показали наличие бактериальных биопленок в здоровой толстой кишке мышей, людей и крыс (Palestrant et al., 2004; Swidsinski et al., 2005; Bollinger et al., 2007; Macfarlane et al., 2011; Мотта и др., 2015). Измененные уровни бактерий, связанных с биопленкой, таких как Bacteroides fragilis , семейство Enterobacteriaceae, были зарегистрированы при болезни Крона и воспалительном заболевании кишечника (Masseret et al., 2001; Macfarlane and Dillon, 2007; DuPont and DuPont, 2011; Srivastava et al., 2017). ).

Следовательно, связанная со слизью бактериальная биопленка также может играть роль в этих нарушениях. Изменения в этих сложных структурах сообщества могут привести к аномальной инвазии слизи, прикреплению эпителия и пространственному распределению видов бактерий.

Кишечная нервная система (ENS)

Пищеварительный тракт иннервируется кишечной нервной системой (ENS), внутренней нейронной сетью, которая регулирует функции желудочно-кишечного тракта (Furness et al., 2013) в дополнение к внешней иннервации со стороны парасимпатического и симпатического компонентов вегетативной нервной системы (см. Uesaka et al., 2016). Нейрональный контроль функции кишечника в значительной степени регулируется двумя ганглиозными сплетениями; мышечно-кишечное и подслизистое сплетения. Миэнтерическое сплетение преимущественно регулирует моторику желудочно-кишечного тракта, в то время как подслизистое сплетение регулирует секрецию воды и электролитов главным образом посредством нейротрансмиттеров ацетилхолина (ACh) и вазоактивного кишечного пептида (VIP).

ENS влияет на секрецию слизи

На секрецию слизи влияет деятельность нервной системы, и она происходит посредством двух процессов; (i) секреция везикул и (ii) сложный экзоцитоз. Во время секреции пузырьков секретирующие слизь бокаловидные клетки выделяют содержимое слизи путем слияния мембраны слизистой гранулы с лежащей выше плазматической мембраной (Lang et al., 2004). Этот процесс регулируется экзоцитотическими компонентами везикул, такими как синтаксин, Munc 18, белки ассоциированных с везикулами мембранных белков (VAMP) и белки белков, ассоциированных с синаптосомными нервами (SNAP) (Cosen-Binker et al., 2008). Во время сложного экзоцитоза все гранулы слизи сливаются вместе и выводят слизь как единое целое. Пока не определены молекулярные пути, регулирующие экзоцитоз соединений.

VIP и ACh являются двумя основными стимуляторами секрета, ответственными за вызванную нейронами секрецию слизистой оболочки (Specian and Neutra, 1980; Neutra et al., 1984; Lelievre et al., 2007; Gustafsson et al., 2012a; Ermund et al., 2013). ). ACh индуцирует секрецию слизи путем активации мускариновых рецепторов M3, расположенных на бокаловидных клетках эпителия как в тонкой, так и в толстой кишке (Specian and Neutra, 1980; Neutra et al., 1984; Густафссон и др., 2012b; Ermund et al., 2013). Экзоцитоз слизистых гранул регулируется внутриклеточными мобилизующими агентами Ca ²⁺ и Ca ^{2 + —} (включая ацетилхолин; Birchenough et al., 2015). Активация мускариновых рецепторов M3 мобилизует Ca ²⁺ из внутриклеточных хранилищ, чтобы вызвать секрецию слизи (Ambort et al., 2012).

Выделение слизи в желудочно-кишечном тракте регулируется по-разному и зависит от региона. ACh специфически нацелен на бокаловидные клетки, ассоциированные с криптой и ворсинками, в тонкой кишке (Birchenough et al., 2015). Напротив, в толстой кишке бокаловидные клетки, расположенные в криптах, реагируют на ACh, но эквивалентные клетки на эпителиальной поверхности не отвечают на ACh или холинергический агонист, карбахол (Gustafsson et al., 2012b). Высвобождение нейропептида VIP усиливает секрецию слизи (Lelievre et al., 2007) посредством модуляции CFTR-зависимой секреции (Alcolado et al., 2014). Кроме того, дефицит VIP у мышей приводит к снижению количества бокаловидных клеток и снижению уровней экспрессии гена muc-2 (Wu et al., 2015). Недавнее исследование показало, что нейроны слизистой оболочки, содержащие VIP, находятся в непосредственной близости с бокаловидными клетками подвздошной кишки, а антагонист рецепторов VPAC изменяет количество бокаловидных клеток в подвздошной кишке (Schwerdtfeger and Tobet, 2020).

Подвижность кишечника и движение слизи

В дополнение к его значительному действию в регулировании перистальтики и моторики ЖКТ, мышечно-кишечное сплетение играет ключевую роль в обновлении слизи. Подвижность желудочно-кишечного тракта регулирует уровень слизи, продвигая слизь к дистальным отделам желудочно-кишечного тракта. Нейроны кишечника координируют циклические паттерны подвижности, известные как мигрирующие двигательные комплексы (ММС), которые вносят свой вклад в «хозяйственные» функции кишечника, вымывая непереваренные материалы, слизь и бактерии по тонкой кишке.Таким образом, измененная регуляция подвижности ENS также может нарушать обновление слизи. Интересно, что пациенты с синдромом раздраженного кишечника (СРК) сообщают о более низких частотах ММС и демонстрируют избыточный бактериальный рост в тонком кишечнике (Pimentel et al., 2002), предполагающий изменения в слизистой среде.

Модели поражения слизи на животных

Доклинические модели продемонстрировали, что отклонения в структуре и функции ЖКТ связаны с изменением выработки слизи. Например, толщина слоя слизи толстой кишки уменьшается вместе с прогрессирующим воспалением в модели колита у мышей (Petersson et al., 2011). При отсутствии внутреннего слоя слизи бактерии могут проникать глубоко в эпителиальные крипты и взаимодействовать с эпителием толстой кишки (Johansson et al., 2008), что может усугубить заболевание. Кроме того, многочисленные исследования сообщают, что изменения секреторных процессов слизи приводят к недоразвитию внутреннего слизистого слоя толстой кишки, что часто связано с редко заполненными бокаловидными клетками и повышенной восприимчивостью к колиту (An et al., 2007; Park et al., 2009; Stone et al., al., 2009; Fu et al., 2011; Tsuru et al., 2013; Bergstrom et al., 2014).

Нокаут-мыши Muc-2

У мышей, у которых отсутствует белок слизи MUC2 (мыши MUC2 ^{— / —}), отсутствует внутренний слизистый слой толстой кишки, несмотря на присутствие бокаловидных клеток и других компонентов слизистого слоя. Интересно, что Рахман и его коллеги показали изменения иннервации толстой кишки у мышей, экспрессирующих точечную мутацию в Muc-2 (Rahman et al., 2015), подчеркнув взаимодействие между продуцированием слизи и иннервацией желудочно-кишечного тракта. Нокаут-мыши также демонстрируют измененное созревание, миграцию кишечных клеток и аномальную морфологию кишечных крипт (Velcich et al., 2002). У этих мышей развиваются аденомы и опухоли прямой кишки, а также повышается инфильтрация нейтрофилов и лимфоцитов, жидкий стул, диарея с кровью, выпадение прямой кишки, и они не могут развиваться (Velcich et al., 2002). В более долгосрочной перспективе эти мыши также демонстрируют повышенную предрасположенность к развитию рака толстой кишки (Velcich et al., 2002; van der Sluis et al., 2006).

Муковисцидоз

У пациентов с муковисцидозом обычно диагностируются сопутствующие желудочно-кишечные нарушения, включая кишечную непроходимость мекония и синдром дистальной кишечной непроходимости (Colombo et al., 2011) из-за увеличения объема секретируемой слизи, обезвоживания слизи и повышенной вязкости, что способствует закупорке тонкой кишки. У этих пациентов наблюдается как накопление слизи, так и уменьшение ее движения из-за нарушения регуляции секреции слизи. Муковисцидоз вызывается мутациями в гене, кодирующем канал регулятора трансмембранной проводимости при муковисцидозе (CFTR), важный для гидратации слизи. Эти мутации вызывают нарушение транспорта хлорид-ионов из эпителиальных клеток и обезвоживание слизи, покрывающей эпителий.У пациентов слизь остается плотно прикрепленной к эпителию тонкого кишечника, и перистальтические движения не могут продвигать слизь вперед по желудочно-кишечному тракту. В соответствии с этими изменениями, у пациентов с муковисцидозом наблюдается повышенная бактериальная нагрузка (O’Brien et al., 1993), вероятно, из-за повышенного объема и вязкости слизи, которая обеспечивает идеальную среду для комменсальных микробов.

Мышиные модели, экспрессирующие мутации CFTR, также демонстрируют тяжелую кишечную дисфункцию и слой слизи, прочно прикрепленный к эпителию слизистой оболочки (Grubb and Gabriel, 1997; Seidler et al., 2009; Frizzell and Hanrahan, 2012). Поскольку видная роль слизи заключается в улавливании и транспортировке бактерий в дистальные отделы желудочно-кишечного тракта через перистальтику, животные модели представляют собой отличный экспериментальный инструмент для исследования влияния нарушения слизи на микробный дисбиоз.

Болезнь Гиршпрунга

Экстремальные эффекты потери нейронов на функцию бокаловидных клеток и на свойства слизистого слоя наблюдались при болезни Гиршпрунга, опасном для жизни нарушении развития, при котором в дистальном отделе толстой кишки отсутствуют кишечные нейроны из-за неспособности клеток нервного гребня полностью мигрировать во время развития желудочно-кишечного тракта.Пациенты с болезнью Гиршпрунга имеют пониженную скорость оборота муцина, уменьшенную популяцию бокаловидных клеток и пониженную экспрессию Spdef и Krueppel-подобного фактора 4 , которые стимулируют дифференцировку и созревание бокаловидных клеток (Aslam et al., 1997a, b; Nakamura et al. ., 2018). Эти данные подчеркивают важность ENS для развития и функционирования бокаловидных клеток, продуцирующих слизь, в клинических условиях.

Мышиные модели болезни Гиршпрунга дополнительно предоставляют доказательства взаимодействия нервной ткани и слизи.Например, мыши с нокаутом рецептора В эндотелина (мыши Ednrb ^{— / —}) вместе с мышами, экспрессирующими мутацию в гене RET, который кодирует рецептор нейротрофического фактора, производного от линии глиальных клеток (GDNF), являются хорошо охарактеризованными моделями, которые имеют был исследован на предмет изменений в структуре слизи и бокаловидных клеток. У мышей, лишенных рецептора В эндотелина, известного своей ролью в ангиогенезе и нейрогенезе, наблюдается аганглионоз толстой кишки, напоминающий клинические проявления. Мыши Ednrb ^{— / —} показали увеличение как числа бокаловидных клеток, так и их размера, а также повышенную экспрессию факторов транскрипции Spdef и Math 1 в дистальном отделе толстой кишки (Thiagarajah et al., 2014). Кроме того, отсутствие Ednrb у мышей изменяет структуру слизи, о чем свидетельствует снижение проницаемости для наночастиц 200 нм in vitro (Thiagarajah et al., 2014; Yildiz et al., 2015). Кроме того, в этой модели также присутствовали значительные различия в комменсальном микробиоме (Ward et al., 2012).

Отсутствие передачи сигналов GDNF у мышей аналогичным образом приводит к сильно недоразвитой ENS. Кроме того, у этих мышей изменился состав слизи и задержка слизи (Porokuokka et al., 2019). В целом, эти данные клинических исследований и моделей на животных иллюстрируют участие нервной системы в регуляции дифференцировки и созревания бокаловидных клеток, а также влияние на свойства слизи.

Неврологические расстройства и дисфункция слизи

Пациенты с неврологическими расстройствами часто обращаются с сопутствующими заболеваниями кишечника, но неясно, связано ли это с изменениями нервной системы per se или дополнительными побочными эффектами, такими как дисбактериоз, нарушение иммунной регуляции и / или нарушение выработки слизи.Расстройства кишечника часто связаны с основными диагностическими симптомами аутизма, болезни Паркинсона, болезни Альцгеймера и рассеянного склероза и предшествуют им (Pfeiffer, 2003; Buie et al., 2010; Preziosi et al., 2013; Coggrave et al., 2014). Тяжелая желудочно-кишечная дисфункция может истощать, усугублять основные симптомы неврологического заболевания и снижать качество жизни. Таким образом, выяснение роли нервной системы в производстве и поддержании слизи может улучшить понимание патофизиологии неврологических заболеваний.Кроме того, регулирование свойств слизи для оптимизации пробиотиков и микробной инженерии может предоставить дополнительные «психобиотические» терапевтические возможности для этих расстройств.

Основная функция слизистого слоя кишечника — формирование барьера между эпителием кишечника и содержимым просвета для защиты кишечника от патогенной инвазии. На производство и объем слизи влияет ряд биологических путей: (i) на пролиферацию стволовых клеток и последующее созревание бокаловидных клеток влияют фактор транскрипции SPDEF и пути передачи сигналов Wnt / notch, а также нейронная активность; (ii) множественные пути нейротрансмиссии напрямую активируют выделение слизи из бокаловидных клеток, в том числе через мускариновые рецепторы; (iii) моторика, управляемая кишечной нервной системой, также может влиять на обновление слизи; (iv) везикулярные сигнальные молекулы регулируют выделение слизи; и (v) микробы являются неотъемлемой частью поддержания гомеостаза слизи (рис. 3).

Рисунок 3 . Как неврологическое заболевание может повлиять на выработку слизи. Схематическое изображение потенциальных изменений слизи и микробных сообществ при неврологических расстройствах. SMP, подслизистое сплетение; CM — круговая мышца; МП — миантеральное сплетение; LM, продольная мышца.

Пути развития

Ключевые пути развития, связанные с неврологическими заболеваниями, участвуют в созревании бокаловидных клеток, производстве и выделении слизи. Например, пути передачи сигналов Spdef и Wnt / Notch, которые, как известно, имеют решающее значение для развития нейронов в головном мозге, также влияют на созревание стволовых клеток в желудочно-кишечном тракте.Поскольку Spdef регулирует терминальную дифференцировку бокаловидных клеток и клеток Панета (Noah et al., 2010), изменения в этих путях будут влиять на оборот и количество бокаловидных клеток (Lo et al., 2017), тем самым модулируя свойства слизи. Путь катенина Wnt-бета также связан с неврологическими заболеваниями (Sani et al., 2012; Zhang et al., 2012, 2014; Ferrari et al., 2014; Huang et al., 2015; Hoseth et al., 2018) . Этот путь стимулирует синаптическую экспрессию и локализацию нейролигина-3, белка синаптической адгезии, связанного с расстройством аутистического спектра (Medina et al., 2018). Пути передачи сигналов Wnt также участвуют в болезни Паркинсона через взаимодействия с генами PARK (Berwick and Harvey, 2012). Хотя потенциальные изменения количества бокаловидных клеток и морфологии или свойств слизи не изучались на животных моделях аутизма или нескольких других моделях неврологических расстройств, мы прогнозируем, что Wnt-опосредованные пути изменяются в желудочно-кишечном тракте и влияют на свойства слизи, тем самым способствуя симптомы со стороны желудочно-кишечного тракта пациента.

Неправильная упаковка белка

Из-за высокого уровня продуцируемого белка процессы продуцирования слизи внутри бокаловидных клеток чувствительны к неправильной укладке белка, задержке в эндоплазматическом ретикулуме (ER) и стрессу ER.Известно, что неправильная сворачивание белка запускает ответ развернутого белка (UPR), который связан с хроническим воспалением и аутоиммунными изменениями при нейродегенеративных заболеваниях, таких как БП, болезнь Альцгеймера и рассеянный склероз (Mhaille et al., 2008; Matus et al., 2011 ). Соответственно, неправильная укладка белка может привести к изменению продукции и апоптозу бокаловидных клеток, влияя, таким образом, на свойства слизи.

Белки, ассоциированные с пузырьками

Биологические пути, необходимые для нейротрансмиссии и выделения слизи, имеют общие молекулярные компоненты.Множественные неврологические расстройства связаны с генными мутациями, которые нарушают нейронную связь через синапсы, поэтому мутации в головном мозге потенциально влияют на свойства слизи в желудочно-кишечном тракте. Примеры компонентов выделения слизи, которые перекрываются с системами синаптических нейротрансмиттеров, включают синтаксин, Munc 18, VAMP и белки SNAP. Эти ассоциированные с везикулами белки обычно экспрессируются на синаптических мембранах нейронов и были идентифицированы как мутировавшие при неврологических расстройствах (синтаксин; ASD, SNAP; ADHD, Munc 18; эпилепсия / ASD (Guerini et al., 2011; Дурдякова и др., 2014; Hamada et al., 2017). Изменения функции этих белков не только способствуют развитию заболеваний головного мозга, но также могут нарушать везикулярную секрецию слизи. Следовательно, необходимы дальнейшие исследования свойств слизи на этих моделях и у пациентов с неврологическими расстройствами, которые потенциально могут выражать мутации в этих и связанных с ними синаптических генах.

Микробный дисбиоз, связанный со слизистой оболочкой

При неврологических заболеваниях изменения свойств слизи могут дополнительно изменять популяции комменсальных микробов.Сообщалось о дисбиозе микробиома, содержащего слизь, у пациентов с различными неврологическими расстройствами, включая аутизм, болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера и рассеянный склероз (таблица 2). Поскольку дисбактериоз может изменять барьерную функцию кишечника (т. Е. Изменять толщину слизи), это может способствовать прогрессированию заболевания. Популяции микробов влияют на гидратацию слизи, высвобождая ферменты, которые изменяют структурные сети слизи. Микробы выделяют ферменты, разрушающие слизь, и это ферментативное расщепление муциновых комплексов расширяет и гидратирует трехмерную структуру слизи.Например, повышенное высвобождение ферментов, разлагающих муцин, из-за чрезмерного роста бактерий, проживающих в слизи (таких как Akkermansia muciniphila ), увеличивает толщину слизи и усиливает защитный барьер слизистой оболочки (Ottman et al., 2017). Дополнительным эффектом увеличения толщины слизи может быть снижение всасывания питательных веществ. Такое увеличение может быть полезным (например, в случае ожирения), но пагубным при нейродегенеративных заболеваниях, таких как рассеянный склероз и болезнь Паркинсона (Cani, 2018).

Таблица 2 . Измененный микробиом слизистой оболочки у пациентов с неврологическими заболеваниями.

Аутизм

Расстройство аутистического спектра — это расстройство нервного развития, характеризующееся нарушением социальных взаимодействий и ограничительным и повторяющимся поведением. В 2018 году в США каждому 59-му ребенку был поставлен диагноз аутизм. Дисфункция желудочно-кишечного тракта является основным сопутствующим заболеванием у пациентов с аутизмом (Kohane et al., 2012; Chaidez et al., 2014; McElhanon et al., 2014) и включает такие симптомы, как боль в животе, диарея, запор и вздутие живота.Измененные уровни бактерий, связанных со слизистой оболочкой, описаны у пациентов с аутизмом с дисфункцией желудочно-кишечного тракта с Akkermansia muciniphila Dorea, Blautia, Sutterella Neisseria , имеющими пониженную численность, в то время как связанные со слизистой оболочкой Clostridiales ( Lachnospiraceae и Lachnospiraceae и ) Ruminococcaceae, Lachnospiraceae и Sutterella имеют повышенную численность (Wang et al., 2011; Williams et al., 2011, 2012; Kushak et al., 2017; Luna et al., 2017).

Болезнь Паркинсона

Болезнь Паркинсона (БП) — второе по распространенности нейродегенеративное заболевание, наблюдаемое у людей старше 60 лет (de Lau and Breteler, 2006). Кроме того, БП все чаще коррелирует с расстройствами ЖКТ до появления характерных двигательных симптомов, таких как тремор и координация сложных движений. Хотя патофизиология БП остается неясной, накопление α-синуклеина, по-видимому, вызывает гибель нейронов (Kirik et al., 2002; Браак и др., 2003). У пациентов с болезнью Паркинсона с воспалением толстой кишки также наблюдались отложения α-синуклеина в толстой кишке (Holmqvist et al., 2014). Образцы биопсии слизистой оболочки пациентов с БП показали повышенное содержание Akkermansia muciniphila и Ralstonia, а также снижение численности Faecalibacterium (Blautia, Coprococcus, Roseburia) и Prevotella (Keshavarzian et al., 2015; Scheperjans et al., 2015; Петров и др., 2017; Heintz-Buschart et al., 2018).

Болезнь Альцгеймера

Болезнь Альцгеймера — все более распространенное нейродегенеративное заболевание, характеризующееся прогрессирующим снижением когнитивных функций, а также наличие коморбидной дисфункции желудочно-кишечного тракта.Пациенты с болезнью Альцгеймера, у которых также были симптомы, указывающие на СРК, демонстрировали дисбактериоз, связанный с увеличением количества муколитических бактерий, включая Akkermansia muciniphila и Prevotella denticola (Zhuang et al., 2018). Аналогичным образом образцы стула пациентов с болезнью Альцгеймера, исследованные на предмет бактерий-мишеней, показали увеличение численности Escherichia / Shigella (провоспалительные таксоны) и снижение численности E. rectale (противовоспалительные таксоны) (Cattaneo et al., 2017). Микробный дисбиоз при болезни Альцгеймера связан с увеличением проницаемости кишечника, что может влиять на системное воспаление и нарушение гематоэнцефалического барьера (Vogt et al., 2017; Kowalski and Mulak, 2019).

Рассеянный склероз

Рассеянный склероз включает в себя аберрантную иммунную систему, которая вызывает воспаление и приводит к демиелинизации в центральной нервной системе. Многочисленные исследования у пациентов с рассеянным склерозом показали увеличение количества бактерий слизистой оболочки, включая Akkermansia muciniphila, Methanobrevibacter и Acinetobacter calcoaceticus , а также снижение численности Butyricimonas , Faecalibacterium 137., 2015; Jangi et al., 2016; Berer et al., 2017; Cekanaviciute et al., 2017). Такие изменения в микробиоме слизистой оболочки потенциально способствуют росту патогенных бактерий, которые изменяют состав слизистого слоя и, следовательно, могут усугублять основные симптомы этих нарушений (Camara-Lemarroy et al., 2018; Buscarinu et al., 2019)

Заключение

Таким образом, нарушения нервной системы при неврологических заболеваниях могут влиять на несколько путей, имеющих отношение к гомеостазу слизи.Кроме того, измененные свойства слизи могут способствовать широко распространенным наблюдениям за микробным дисбиозом при аутизме, болезни Паркинсона, болезни Альцгеймера и рассеянного склероза и потенциально усугублять основные симптомы. В целом, в этом обзоре подчеркивается, что свойства слизи могут быть нарушены при неврологическом заболевании, и открываются новые возможности для клинически значимых исследований дисфункции ЖКТ при этих расстройствах.

Авторские взносы

Все авторы участвовали в оформлении и составлении окончательной рукописи.

Финансирование

MH получил докторскую степень в Мельбурнском университете. Эта работа была поддержана Future Fellowship Австралийского исследовательского совета (FT160) и Senior Research Fellowship вице-канцлера RMIT в EH-Y, которые поддерживали SH. JB получил грант на проект NHMRC (APP1158952).

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Список литературы

Альколадо, Н. Г., Конрад, Д. Дж., Порока, Д., Ли, М., Альшафи, В., Чаппе, Ф. Г. и др. (2014). Дисфункция регулятора трансмембранной проводимости при муковисцидозе у мышей с нокаутом VIP. Am. J. Physiol. Cell Physiol. 307, C195 – C207. DOI: 10.1152 / ajpcell.00293.2013