Мікробіом кишечника та фіброз органів Ⅱ

4. Фіброз нирок

Хронічна хвороба нирок (ХНН)є зростаючою глобальною проблемою охорони здоров’я, яка вражає щонайменше 10 відсотків населення світу, і цей відсоток поступово зростає з віком [56]. Фіброз є останньою патологічною ознакою ХХН, і добре відомо, що він сприяє прогресуванню майже всіх формзахворювання нирок, діючи як незалежний предикторпогіршення функції нирок[57]. При ХХН фіброз зазвичай є наслідкомхронічне запаленняниркової паренхіми [58]. Незважаючи на те, що TGF- 1 вважається основним фактором патологічного фіброзного процесу при ХХН, метаболічні та вроджені імунні відповіді тепер визнані важливими факторами, на які потрібно націлити цей процес. Крім того, наявні дані свідчать про те, що активований патологічний фібробласт є домінуючою клітиною у виробленні цитокінів і хемокінів при ХХН [59].

НОВИЙ РОСЛИННИЙ СОСТАВ ДЛЯХРОНІЧНА ХВОРОБА НИРОК (ХХН)

В останнє десятиліття зростає кількість даних, які підкреслюють, що кишкова мікробіота є головним гравцем у фіброзі нирок, а саме, відіграючи відповідну роль як у місцевому, так і в системному запаленні [60]. Кілька досліджень показали, що популяція кишкових мікробіомів у пацієнтів із ХХН суттєво відрізняється від такої у здорових суб’єктів. Більшість звітів зосереджено на пацієнтах із термінальною стадією ниркової недостатності (ТПН), і лише деякі з них стосуються кишкової мікробіоти на ранніх стадіях ХХН, але загалом у пацієнтів із захворюваннями нирок спостерігається зменшення різноманітності кишкового мікробіому зі значним збільшенням патогенних бактерій En Enterobacteriaceae сімейства та зменшення кількості корисних мікробів сімейств Bifidobacteriaceae та Lactobacillaceae [61,62]. Такі зміни мікробіоти кишечника у пацієнтів із ХХН від симбіотичної до більш патогенної мікробіоти добре корелюють з уремічним станом і фіброзом нирок, підтверджуючи існування двонаправленого та синергічного взаємообміну між уремічним станом хазяїна, запаленням і кишковим дисбактеріозом. [63].

Прогресуюча ниркова недостатність у поєднанні з подальшими змінами способу життя, дієти та прийому ліків змінює склад мікробіоти та метаболізм, що спричиняє дисбактеріоз, а виробництво уремічних токсинів дисбіотичною мікробіотою ще більше погіршує уремічний стан, пошкоджуючи епітеліальний бар’єр, збільшуючи проникність кишечника та сприяння запаленню та окислювальному стресу [64]. Кілька досліджень in vivo та in vitro показали, що уремічна кишкова середовище змінює модель експресії білка щільного з’єднання в бік фенотипу підвищеної кишкової проникності [65–68], що полегшує транслокацію бактеріальних токсинів (таких як ендотоксини), мікробних метаболітів і навіть бактерії в обіг [69]. У крові виявлено ДНК популяції кишкових бактерійХХН перед діалізомта пацієнтів, які перебувають на гемодіалізі, і корелює з підвищенням рівня С-реактивного білка (СРБ) та IL-6 у плазмі [70–72]; кишкові бактеріальні компоненти були виявлені в мезентеріальних лімфатичних вузлах уремічних щурів [73], а ендотоксемія спостерігалася у пацієнтів із ХХН і корелювала із системним запаленням і серцево-судинними захворюваннями в цій популяції [74–76]. Бактеріальна транслокація призводить до активації імунних клітин через активацію шляхів протеїнкінази TLR4/NF-κB/мітоген-активованої, встановлюючи хронічний запальний стан, який сприяє склерозу [76,77]. Виявлено, що підвищення рівня циркулюючих бактеріальних ендотоксинів на всіх стадіях ХХН, досягаючи максимуму у пацієнтів на діалізі, корелює із системним запаленням, атеросклерозом і смертністю пацієнтів із ХХН [75,76]. Використовуючи мишачу модель, оброблену LPS (щурам внутрішньочеревно вводили 10 мг/кг/тиждень LPS протягом 4 тижнів), Fereshteh Asgharzadeh та його колеги [78] показали, що в клінічних умовах, які мають хронічний LPS, може виникнути як серцевий, так і нирковий фіброз. навіть за відсутності попереднього пошкодження тканин через дисбаланс окисного стресу,припускаючи, що дисбактеріоз кишечника може відігравати роль у запуску фіброзу органів сам по собі.

Актуальність циркулюючих метаболітів кишкового походження в системній імунозапальній відповіді при захворюваннях нирок і наслідках, а саме, у пов’язаному серцево-судинному ризику, зараз добре визнана [79]. Серед різних кишкових метаболітів, які по-різному експресуються у пацієнтів із ХХН, особлива увага приділяється впливу уремічних токсинів і SCFA [79]. Більш високі концентрації уремічних токсинів триметиламін-N-оксиду (TMAO) [80], п-крезилсульфату (PCS) та індоксилсульфату (IS) [81] і нижчі концентрації SCFA [82] постійно спостерігаються при ХХН та Хворі на ESRD [83,84]. Такі результати узгоджуються зі звітом, який показує значне збільшення кількості бактерій, що містять ферменти, що утворюють уреазу, уреазу, індол і паракрезол, і зменшення кількості бактерій, що утворюють ферменти, що утворюють бутират, у пацієнтів з ESRD [85–87] , додатково підтверджуючи відповідний внесок кишкової мікробіоти у фіброз нирок.

ТМАО є токсичним метаболітом, отриманим у кишечнику, який утворюється в результаті бактеріального метаболізму четвертинних амінів з дієти (таких як холін, фосфатидилхолін і L-карнітин) у триметиламін, який потім перетворюється на ТМАО за допомогою печінкових флавінових монооксигеназ (FMO1 і FMO3). [88]. У ХХН високі рівні ТМАО були пов’язані з порушенням функції нирок, хронічним запаленням (високі IL-6 і CRP) і підвищеною смертністю (збільшення ризику смертності в 2.8-рази) [89]. Після трансплантації нирки концентрація ТМАО в плазмі знижується до нормального рівня [90], але у пацієнтів, які перебувають на гемодіалізі, незважаючи на його ефективне видалення за допомогою гемодіалізу, рівні ТМАО в плазмі залишаються значно високими після діалізу, що свідчить про відповідний внесок дисбіотичної кишкової мікробіоти в підвищення продукція ТМАО при ХНН [80,91]. Підвищення рівня ТМАО пов’язане з нирковим тубулоінтерстиціальним фіброзом і відкладенням колагену через активацію TGF- 1/p-Smad3 і ренін-ангіотензин-альдостеронових шляхів [89,92]. Інгібування продукції ТМАО в мишачих моделях ХХН значно уповільнювало зниження функції нирок і зменшувало тубулоінтерстиціальний фіброз [93,94], підкреслюючи механізми продукції ТМАО як мішені для лікування фіброзу нирок.

Було виявлено, що рівні IS та pCS пов’язані з прогресуванням до ESRD та підвищенням смертності у пацієнтів із ХХН від легкої до тяжкої ниркової недостатності через посилення окисного стресу та запалення [81,83,95–97]. Нещодавно ІС також асоціювали з прогресуванням ХХН у дітей [98]. Було показано, що підвищені рівні IS сприяють тубулоінтерстиціальному фіброзу шляхом активації експресії NF-κB, інгібітора активатора плазміногену типу 1, тканинного інгібітора металопротеїназ і TGF- 1 шляхів [99]. Підвищені рівні pCS були пов’язані з серйозним пошкодженням канальців через посилений окислювальний стрес і рівень запальних цитокінів [100] і корелювали з підвищеним ризиком смертності від усіх причин і серцево-судинних захворювань у пацієнтів з хронічною нирковою недостатністю та хронічною нирковою недостатністю легкого та середнього ступеня тяжкості [83]. ,84]. Різні дослідження на тваринах показали, що концентрація IS та pCS у плазмі корелює з тубулярним фіброзом через активацію внутрішньониркової ренін-ангіотензинової системи та шляхів TGF- 1/p-Smad3 [100,101]. Більше того, все більше досліджень також встановили відповідну роль метаболітів триптофану, отриманих із кишечника (а саме IS, 3-IS та індол-3 оцтової кислоти (IAA)), у фіброзі нирок через активацію сигнальних шляхів арил-вуглеводневого рецептора, зокрема, через активацію арил-вуглеводневого рецептора/p38 мітоген-активованої протеїнкінази/NF-κB шляхів, які регулюють клітинну проліферацію, диференціацію та імунну функцію та індукують серцево-судинні захворювання у пацієнтів з ESRD [102]. Рівні IAA корелювали з гломерулярним склерозом та інтерстиціальним фіброзом шляхом індукції прозапального ферменту циклооксигенази-2 та окислювального стресу, і було встановлено, що його концентрація є прогностичною ознакою смертності та серцево-судинних подій у пацієнтів із ХХН [103].

З іншої точки зору, SCFA є основними продуктами ферментації стійких крохмалів аеробними бактеріями в кишечнику [104]. Було показано, що їх підвищена концентрація виконує корисні функції у підтримці епітеліального бар’єру та системної регуляції імунної відповіді господаря шляхом посилення протизапальних факторів, зниження регуляції факторів, пов’язаних з аутоімунітетом, і розвитку регуляторних Т-клітин (Treg) через G- білково-зв’язані рецептори (GPCR) (наприклад, GPR41, GPR43 та GPR109A) [105–108]. SCFA є загальними інгібіторами гістондеацетилази, які можуть пригнічувати передачу сигналу TGF- 1, запобігаючи диференціації перицитів у міофібробласти [109,110]. Ацетат, пропіонат і бутират є трьома найпоширенішими SCFA і є основним джерелом енергії для епітеліальних клітин, забезпечуючи приблизно 10% добової потреби людини в калоріях [104]. При захворюваннях нирок комбінаторний ефект дієтичних обмежень (а саме рекомендованого меншого споживання продуктів, багатих калієм, таких як фрукти, овочі та продукти з високим вмістом клітковини) та дисбактеріозу кишкового мікробіому призводить до зменшення бактерій, що продукують SCFA, і у зниженні концентрації SCFA [111]. Це зниження концентрації SCFA сприяє загостренню запальних процесів і фіброзу нирок [112]. Зростаюча кількість доказів свідчить про те, що добавки SCFA є засобом для лікування ниркових і серцевих захворювань шляхом покращення ниркової дисфункції та зменшення місцевого та системного запалення, окислювального стресу та апоптозу клітин [82,113].

Зараз чітко встановлено, що дисбактеріоз кишкового мікробіому відіграє значну роль у фіброзі нирок і наслідках захворювання нирок, причому в цьому процесі беруть участь кілька гравців і метаболічних шляхів [114,115]. Тим не менш, точний внесок втрати функції нирок і дієтичних обмежень до цього дисбактеріозу залишається предметом суперечок. Деякі дослідження показують, що дієта відіграє основну роль у зміні кишкового мікробного метаболізму, що спостерігається при ХХН [85], тоді як інші припускають, що значний дисбактеріоз кишечника, який спостерігається у пацієнтів із ХХН, пов’язаний із посиленням біосинтезу уремічних токсинів із подальшим впливом на зниження функції нирок [116].

Було проведено численні дослідження із застосуванням пребіотиків, пробіотиків і симбіотиків (обговорюваних далі в розділі 8), спрямованих на відновлення здорової кишкової мікробіоти та, таким чином, на лікування уремії та стримування прогресування захворювань нирок (що характеризуються збільшенням фіброзу нирок). тканини, незалежно від етіології захворювання) [117]. Незважаючи на деякі багатообіцяючі результати, дуже особиста реакція кишкового мікробіому на численні подразники та високий ступінь варіабельності між проведеними дослідженнями поки що перешкоджали досягненню універсальної формули. Персоналізована медицина, тобто індивідуальні підходи, що задовольняють індивідуальні потреби, містить великий потенціал для лікування фіброзу нирок, який залишається значною мірою недостатньо вивченим.

5. Легеневий фіброз

Легеневий фіброз є патологічним процесом, який лежить в основі дуже гетерогенної групи легеневих захворювань з кількома причинами, клінічними проявами та патологічними ознаками [118]. В основному він характеризується запаленням і надмірним відкладенням ВКМ у легенях, що спричиняє архітектурні зміни в легеневій паренхімі, такі як потовщення та жорсткість стінок легенів, що зрештою може призвести до гострого зниження дихання та органної недостатності [119,120]. Оскільки більшість патологічних змін переважають в інтерстиції легенів, ці захворювання зазвичай називають інтерстиціальними захворюваннями легень (ІЗЛ). Ураження легень внаслідок ІЗЛ часто є прогресуючим і незворотним і є важливим джерелом захворюваності та смерті [121].

Існує понад 200 причин ІЗЛ. Основні відомі тригери захворювання включають вік і особисту генетичну схильність (наприклад, генетичні захворювання, такі як нейрофіброматоз і хвороба Гоше), вплив певних небезпек навколишнього середовища (наприклад, азбест, кремнезем, вугільний пил, берилій, деякі тверді метали, радіаційне лікування, хіміотерапевтичні препарати, антибіотики, протизапальні та серцеві препарати, тваринні білки, цвіль або мікроби) і наявність основного захворювання, такого як шлунково-кишковий флюс та аутоімунні захворювання (наприклад, вовчак, ревматоїдний артрит, саркоїдоз та склеродермія) [122]. –125]. Для цілей лікування ІЗЛ можна класифікувати, враховуючи їх відомі основні захворювання (наприклад, легеневий фіброз, пов’язаний з ревматоїдним артритом), на основі їх тригерних агентів (наприклад, пневмоконіоз), або їх можна назвати ідіопатичним легеневим фіброзом [126,127]. Загальна поширеність ІЗ становить ~70–80 випадків на 100{10}} людей у ​​Європі та Сполучених Штатах. Саркоїдоз, асоційовані із захворюваннями сполучної тканини ЗЗЗ та ідіопатичний легеневий фіброз є найпоширенішими фіброзними ЗЗЗ, з оцінками поширеності 30, 12 і 8 випадків на 100 000 осіб відповідно [128].

В останні роки кілька епідеміологічних та експериментальних досліджень підкреслили існування двонаправленої осі кишка-легені з відповідними наслідками в патофізіології великої кількості захворювань легенів, таких як астма, хронічне обструктивне захворювання легень, муковісцидоз, респіраторні інфекції, рак легенів, а також ІЗЛ [129,130]. Численні дослідження встановили внутрішній і взаємний зв’язок між респіраторними захворюваннями та захворюваннями шлунково-кишкового тракту [131–141]. Оскільки респіраторний і шлунково-кишковий тракти мають однакове ембріологічне походження та подібні за структурою [142], перекриття захворювань легенів і кишківника не є дивним. Дві тканини містять епітеліальну поверхню, вкриту підслизовою оболонкою з пухкої сполучної тканини та лімфоїдної тканини, пов’язаної зі слизовою оболонкою, які забезпечують фізичні бар’єри проти зовнішніх мікробів, регулюють вибірку антигену, транспорт лімфоцитів і захист слизової оболонки, таким чином функціонуючи як первинна вроджена та адаптивна імунна відповідь проти патогени [142]. Крім того, обидві тканини сильно васкуляризовані та колонізовані мікробіотою, яка розвивається поряд з ними протягом раннього життя [143].

Хоча більшість доказів щодо ролі мікробіома в осі легені–кишка залишаються в основному асоціативними, деякі механізми підтримують прямі імунологічні перехресні переговори між кишечником і легенями, що спричиняє взаємообмін мікроорганізмами [144–147], імунними функціями [17,144,146,148]. –151] і метаболіти [129,151] через кровотік і лімфатичну систему.

Що стосується важливості кишкових метаболітів у гомеостазі легенів, більшість досліджень показують відповідну роль SCFA у захворюваннях легенів через інгібування гістондеацетилази та GPCR, які беруть участь у захворюваннях легенів [152]. Показані бутират, пропіонат і ацетатпротизапальні лікиіімуномодулюючі функціїна гомеостаз легень та імунітет [104,153].

Загалом, вагомі докази підтверджують значення мікробіому кишечника та його метаболітів у гомеостазі легенів. Беручи до уваги той факт, що ІЗЛ характеризуються посиленим запальним станом, який за своїми гравцями подібний до більшості легеневих захворювань, дані свідчать про роль кишкового мікробіому у фіброзі легенів, яка залишається вкрай недостатньо вивченою. Деякі дослідження повідомляють про прямий зв’язок між мікробіомом кишечника та фіброзом легень. Перехресне дослідження поширеності кишкового дисбактеріозу у пацієнтів із системною склеродермією (системне захворювання сполучної тканини, що характеризується дифузним фіброзом і судинними аномаліями шкіри, суглобів і внутрішніх органів) показало, що 76% цих пацієнтів демонстрували кишковий дисбактеріоз і що оцінка тяжкості дисбактеріозу була гіршою у пацієнтів з іншими супутніми захворюваннями, а саме з ІЗЛ, що корелювало з підвищеними сироватковими запальними маркерами (наприклад, СРБ і швидкість осідання еритроцитів) [154].

У дослідженні Zhou et al. [155], порівняльний аналіз кишкового мікробного складу зразків фекалій 18 пацієнтів із прогресуючим легеневим фіброзом, індукованим кремнеземом, і 21 здорового суб’єкта з використанням технології секвенування гена 16S рРНК показав, що пацієнти з силікозом мають чіткий профіль кишкової мікробіоти, відображення нижчих рівнів бактерій з типів Firmicutes і Actinobacteria, роду Devosia, порядку Clostridiales, роду Alloprevotella та кишкової групи Rikenellaceae RC9, а також збільшення кількості таксонів, що належать до родини Lachnospiraceae та роду Lachnoclostridium, що корелювало із захворюванням прогресування.

Використовуючи тваринні моделі, Gong et al. [124] проаналізували кишкову мікробіому та метаболіти в моделях легеневого фіброзу з кремнезему та блеоміцину, і комбінаторні результати секвенування 16S рДНК та метаболоміки підтвердили певну кореляцію між мікробіотою кишківника та легеневим фіброзом. Отримані результати продемонстрували незалежну від моделі специфічну зміну в 412 родах кишкової мікробіоти та 28 видах метаболітів в обох моделях. Сім репрезентативних кишкових мікроорганізмів (з родів Allopre Botella, Dubosiella, Helicobacter, OIsenella, Parasutterella, Rikenella та Rikenllaceae групи RC9) і дев’ять метаболітів (тригонеллін, бетаїн, цитозин, тимідин, гліцерофохолін, тау-шоколад, аденін, дезоксиаденозин, дезоксицитидин) сильно корелювали з фіброзними показниками. Крім того, крива робочих характеристик приймача (яка використовується для оцінки репрезентативної диференціальної кишкової мікробіоти та метаболітів для діагностики фіброзного стану в двох експериментальних моделях) показала, що можна відрізнити підтверджений легеневий фіброзний статус від нормального контролю за допомогою аналізу кишкової мікробіоти та споріднені метаболіти в мишачих моделях [124].

Нещодавно нова мишача модель склеродермії, пов’язаної з імунітетом проти топоізомерази-I, припустила, що ранні зміни в мікробній спільноті кишечника можуть формувати фіброзні реакції пацієнтів протягом усього їхнього життя [156]. З іншої точки зору, Уонд і його колеги [157] виявили, що моделі тварин, спричинені кишково-легеневим дисбактеріозом, призвели до тварин із цукровим діабетом і легеневим фіброзом, пов’язаним із сигнальним шляхом NF-kB. Вплив фікоціаніну (білка, що збирає світло з фотосинтезу водоростей, який може ферментувати кишкова мікробіота) на мишачих моделях легеневого фіброзу, індукованого блеоміцином і радіацією, показало, що втручання фікоціаніну послаблює легеневий фіброз і значно пригнічує вироблення медіаторів запалення одночасно збільшуючи різноманітність і багатство кишкових бактерій [158,159]. У фіброзній моделі, спричиненій блеоміцином, фікоціанін інгібував синтез IL-1, фактора некрозу пухлини (TNF-) і LPS, одночасно значно зменшуючи кількість бактерій, пов’язаних із запаленням, і збільшуючи кількість бактерій і пробіотиків, що продукують SCFA [159]. ]. При радіаційно-індукованому фіброзі легенів як попереднє введення, так і терапевтичне введення фікоціаніну зменшили пошкодження запалення та відкладення колагенових волокон і значно знизили рівні TNF-, LPS та IL-6 у легенях, кишечнику та крові [ 158].

In vitro аналіз впливу SCFA на TGF- 1-індуковану диференціацію лінії клітин MRC5 фетальних легеневих фібробластів людини показав, що бутират (C4), SCFA, який є результатом метаболізму кишкового мікробіому, пригнічує експресію маркерів фіброзу та посилює мітохондріальну функцію, таким чином запобігаючи TGF- 1-індукованій диференціації альвеолярних міофібробластів, що є ключовим фактором легеневого фіброзу [160]. Загалом, як прямі, так і непрямі докази вказують на те, що кишковий мікробіом бере участь у регуляції імунної відповіді та запального стану речей, з наслідками, пов’язаними з лікуванням легеневого фіброзу.