Соединение, образующееся при расщеплении пищевых волокон кишечными бактериями, может не только кратковременно успокаивать воспаление, но и оставлять в кишечнике длительную защитную «память». Исследователи из Northwestern Medicine обнаружили, что бутират может перепрограммировать клетки слизистой оболочки кишечника таким образом, чтобы они продолжали стимулировать противовоспалительные иммунные реакции даже после исчезновения этого соединения. У мышей этот эффект усилил выработку успокаивающей иммунную молекулы IL-10 и снизил тяжесть колита.
Исследователи утверждают, что результаты подтверждают идею о том, что полезные соединения, вырабатываемые кишечными микробами, могут эффективно «тренировать» слизистую оболочку кишечника, помогая ей сохранять иммунную толерантность с течением времени.
«Наша лаборатория давно интересуется тем, как кишечная микробиота регулирует иммунные реакции на поверхности слизистой оболочки кишечника», - сказал первый и соавтор исследования Тяньмин Ю, доктор философии, научный сотрудник-профессор медицины в отделении гастроэнтерологии и гепатологии. «Известно, что короткоцепочечные жирные кислоты (КЖК), которые вырабатываются кишечными бактериями в процессе ферментации пищевых волокон, обладают противовоспалительным действием в кишечнике».
Как бутират может влиять на иммунитет кишечника
Однако один важный вопрос остается нерешенным, сказал Ю.
«Значительная часть бутирата в кишечнике быстро всасывается и метаболизируется эпителиальными клетками кишечника (ЭКК), что ограничивает количество свободного бутирата, которое может напрямую достигать нижележащих иммунных клеток», - сказал Ю. «Это побудило нас задаться вопросом, может ли бутират действовать через ЭКК для регуляции кишечного иммунитета».
Для исследования ученые добавляли бутират в питьевую воду мышам на определенный период, а затем прекратили лечение. Через две недели после прекращения приема бутирата CD4+ Т-клетки все еще продуцировали повышенный уровень ИЛ-10, важного противовоспалительного цитокина, который помогает контролировать воспаление кишечника.
Мыши, подвергшиеся лечению, также оказались более устойчивыми к химически индуцированному колиту. По сравнению с нелечеными животными, они теряли меньше веса, имели более низкие уровни воспалительных маркеров и у них развивалось менее серьезное повреждение тканей. Согласно исследованию, эта защита зависела от сигнализации IL-10.
Исследователи также установили, что длительный эффект не был результатом изменений в самом микробиоме кишечника. В экспериментах с участием безмикробных мышей, у которых отсутствуют все микробы, бутират все же создавал устойчивую иммунорегулирующую среду.
«Мы обнаружили, что пероральное применение бутирата вызывает устойчивый иммунорегуляторный ответ в кишечнике, характеризующийся увеличением продукции ИЛ-10 в CD4+ Т-клетках и защитой от воспаления кишечника даже после прекращения лечения бутиратом», - сказал Ю. «Этот эффект также наблюдался у мышей, выращенных в стерильных условиях, что позволяет предположить, что бутират может создавать устойчивую кишечную среду, не зависящую от постоянной микробной стимуляции».
Клетки кишечника могут хранить долговременный биологический сигнал.
Далее Ю и его коллеги сосредоточились на эпителиальных клетках кишечника (ЭКК), которые образуют физическую границу между организмом и микробиомом. В лабораторных экспериментах воздействие бутирата на эпителиальные клетки вызывало значительное увеличение продукции ИЛ-10 как в Т-клетках мышей, так и человека.
«Мы также обнаружили, что культуральная среда, полученная от обработанных бутиратом эпителиальных клеток кишечника, сильно индуцировала продуцирующие ИЛ-10 CD4+ Т-клетки как в культурах мышиных, так и человеческих Т-клеток», - сказал Ю. «Эти результаты свидетельствуют о том, что эпителиальные клетки кишечника секретируют некоторые иммунорегуляторные факторы после обработки бутиратом, и эти факторы могут воздействовать на Т-клетки».
Затем команда использовала метаболомный анализ для поиска молекул, которые могли бы нести этот сигнал. Одним из вероятных кандидатов оказался N1-ацетилспермидин. По словам Ю, это соединение увеличивало выработку ИЛ-10 в Т-клетках и, по-видимому, частично объясняло иммунорегулирующую активность, генерируемую эпителиальными клетками, подвергшимися воздействию бутирата.
«С механистической точки зрения мы обнаружили, что бутират воздействует на эпителиальные клетки кишечника и вызывает устойчивую транскрипционную и эпигенетическую активацию Sat1, фермента биосинтеза ацетилполиаминов», - сказал Ю. «Это способствует выработке метаболита N1-ацетилспермидина, который влияет на способность культуральной среды, обработанной бутиратом и содержащей экстракт эпителиальных клеток кишечника, индуцировать выработку ИЛ-10 в CD4⁺ Т-клетках».
Полученные результаты опровергают традиционное представление о том, что эпителиальные клетки кишечника являются преимущественно временными реагирующими клетками, основная роль которых заключается в создании барьера. Вместо этого, результаты показывают, что эти клетки могут сохранять более долговременную молекулярную запись полезных сигналов от микробиома.
«Значение этой работы заключается в том, что она выявляет механизм, посредством которого метаболит, продуцируемый микробиотой, может создавать устойчивое взаимодействие между эпителиальными Т-клетками», - сказал Ю. «Кишечный эпителий часто рассматривается как недолговечный барьер, быстро реагирующий на стимулы в просвете кишечника. Наши результаты показывают, что он также может сохранять длительный отпечаток сигнала микробного метаболита. Исследование также выдвигает идею о том, что полезные микробные метаболиты могут «тренировать» эпителиальные клетки кишечника для поддержания иммунной толерантности с течением времени».
Возможные последствия для воспалительных заболеваний кишечника
Для подтверждения полученных результатов и определения того, действует ли тот же механизм у людей, потребуются дополнительные исследования, но Ю отметил, что эта работа в конечном итоге может иметь значение для воспалительных заболеваний кишечника.
«Важным следующим шагом является определение того, как этот эпителиальный метаболический путь функционирует при заболеваниях кишечника человека, особенно у пациентов с воспалительными заболеваниями кишечника», - сказал Ю. «Нам интересно проверить, изменяется ли путь бутират-Sat1-N1-ацетилспермидин в эпителиальных клетках кишечника человека и коррелирует ли он с иммунной регуляцией или активностью заболевания».
Исследователи также намерены изучить другие метаболиты, которые могут способствовать этому эффекту. Сам по себе N1-ацетилспермидин не в полной мере объяснял всю иммунорегулирующую активность, наблюдаемую в экспериментах.
В долгосрочной перспективе, по словам Ю, полученные результаты могут расширить понимание учеными взаимосвязи между питанием, метаболитами, вырабатываемыми кишечными микробами, и слизистой оболочкой кишечника.
«Многие исследования были сосредоточены на том, как воспаление может оставлять вредную память в эпителиальных клетках, но наши результаты показывают, что полезные микробные метаболиты также могут формировать защитные эпителиальные программы», - сказал он. «Понимание того, как диета, метаболиты, образующиеся в результате деятельности микробиоты, и воспаление формируют кишечную эпителиальную память, может открыть новые направления для восстановления кишечной иммунной толерантности при воспалительных заболеваниях кишечника».
