Кишечник млекопитающих теплый, влажный и невероятно богат питательными веществами - среда, которая идеально подходит для роста бактерий. Сообщества «хороших бактерий» в кишечнике, обычно называемые микробиомом, являются жизненно важными партнерами для организма, помогая переваривать клетчатку, извлекать питательные вещества и предотвращать различные заболевания. Мы все знакомы с иммунными реакциями и болезнями, возникающими в результате проникновения в организм вредных или патогенных бактерий. Итак, если иммунная система эволюционировала, чтобы отталкивать микробы, то как млекопитающие поддерживают гармоничные отношения с полезными бактериями в кишечнике?
Теперь новое исследование Калифорнийского технологического института показывает, как определенный вид полезных бактерий на самом деле использует иммунный ответ организма, чтобы он мог комфортно обосноваться в кишечнике.
Работа была выполнена в лаборатории Саркиса Мазманяна, Луиса Б. и Нелли Су, профессора микробиологии и исследователя Медицинского научно-исследовательского института наследия. Статья с описанием исследования была опубликована 3 мая в журнале Science..
Во главе с аспирантом Грегори Дональдсоном исследователи из Мазманской лаборатории решили изучить микроб под названием Bacterioides fragilis. Этот конкретный вид в изобилии встречается в толстом кишечнике многих млекопитающих, включая людей, и ранее лаборатория Mazmanian показала, что он защищает мышей от определенных воспалительных и неврологических расстройств, таких как воспалительное заболевание кишечника и рассеянный склероз. Интересно, что хотя существует несколько штаммов B. fragilis, здоровые люди формируют длительные моногамные отношения только с одним штаммом.
«Исследования, проведенные в других лабораториях, показали, что большинство людей являются носителями одного и того же штамма B. fragilis на протяжении всей своей жизни», - говорит Дональдсон. «Мы хотели понять на молекулярном уровне, как эти бактерии способны стабильно и долго колонизировать кишечник».
Во-первых, исследователи стремились изучить симбиотические отношения B. fragilis с кишечником, физически изучив места, где обитают бактерии. Используя электронную микроскопию образцов кишечника мышей, команда смогла увидеть, что B. fragilis слипаются в агрегаты глубоко внутри толстого слоя слизи, выстилающей кишечник, и располагаются близко к эпителиальным клеткам, выстилающим поверхность кишечника. Дональдсон и его сотрудники предположили, что эта пространственная ниша необходима для того, чтобы один вид мог обосноваться и закрепиться на нем.
Затем команда исследователей стремилась определить, какие механизмы позволяют B. fragilis колонизировать такую нишу в кишечнике. Они обнаружили, что каждая бактерия B. fragilis заключена в толстую капсулу из углеводов. Капсула обычно связана с патогенами (вредными бактериями), пытающимися скрыть себя от распознавания и атаки со стороны иммунной системы организма. Мутантные бактерии, лишенные этой капсулы, не могут агрегировать и не обитают в слизистом слое. Таким образом, исследователи предположили, что капсульные углеводы необходимы штаммам B. fragilis, чтобы монополизировать свою нишу в кишечнике.
Поскольку было известно, что бактериальные капсулы связаны с иммунным ответом патогенных бактерий, Дональдсон и Мазманиан предположили, что иммунный ответ также может быть на капсулу B. fragilis. Действительно, они обнаружили, что антитела, иммунные белки, которые захватывают и маркируют определенные бактерии или вирусы, чтобы другие иммунные клетки могли их поглотить и уничтожить, связывались с B.ломкой капсулы в кишечнике. Один конкретный тип антител, иммуноглобулин А или IgA, встречается по всему кишечнику - на самом деле, это наиболее распространенный тип антител у людей, - но его специфические функции остаются загадочными.
Обычно ответ антител означает неизбежную смерть патогенных бактерий. Но любопытно, что IgA не оказывает негативного влияния на большинство бактерий, которые обычно живут в кишечнике. Исследователи обнаружили, что в случае с B. fragilis бактерии действительно прикрепляются к эпителиальным клеткам. Кроме того, у мышей, у которых отсутствовал IgA, бактерия менее успешно колонизировала поверхность кишечника и сохраняла долгосрочную стабильность.
Команда считает, что этот ответ IgA на капсулу B. fragilis помогает закрепить бактерии на поверхности эпителия, тем самым обеспечивая преимущество.
«Удивительно, что иммунный ответ на самом деле помогает размножаться полезным бактериям, что, в свою очередь, помогает размножаться хозяину», - говорит Дональдсон.«Изучение иммунологии в основном проводилось в контексте патогенных бактерий. Но в кишечнике есть триллионы бактерий, и большую часть времени ни одна из них не вызывает у вас заболевания. Наше исследование показывает, что существует активное иммунное распознавание этих бактерий., но скорее помогает, чем мешает. Это говорит о том, что иммунная система - это больше, чем просто защитная система, а антитела - это больше, чем просто оружие».
В будущей работе исследователи планируют изучить, как в первую очередь возникает реакция кишечника на антитела и почему она помогает B. fragilis, в то время как другие антитела повреждают бактерии. В конечном счете, эта работа может быть использована для улучшения колонизации другими полезными бактериями, например, с помощью пробиотиков.
«За последнее десятилетие многие исследования изучали микробиом кишечника при различных заболеваниях, образе жизни, географическом положении и после рождения», - говорит Мазманян. «Мы узнали, что состав микробиома сообщества коррелирует с конкретными состояниями - например, измененные конфигурации микробиома могут способствовать воспалительным заболеваниям кишечника, аутизму и болезни Паркинсона. Что осталось в значительной степени неизвестным, так это то, как создается и поддерживается микробиом. Наше исследование раскрывает молекулярный механизм, с помощью которого определенные полезные бактерии активно способствуют долгосрочной колонизации кишечника, привлекая и кооптируя иммунную систему, а не пытаясь уклониться от нее, как это делают патогены. Это открытие может привести к новым способам исправления дисбаланса микробиома и, возможно, к профилактике и лечению различных заболеваний человека».