Ученые выяснили, что вызывающая болезнь Крона инвазивная кишечная палочка выделяет пропионат, который вызывает хроническое воспаление.
Если лишить бактерию субстрата, из которого она получает пропионат, то E. coli ведет себя менее агрессивно и не приводит к воспалению в мышиных моделях. Авторы работы, опубликованной в Cell Host&Microbe, надеются, что их исследование поможет в создании терапии против болезни Крона.
Болезнь Крона — хроническое воспалительное заболевание желудочно-кишечного тракта, для которого не существует специфичной терапии. Среди симптомов отмечают длительную диарею, боли в животе, потерю массы тела. Развитие болезни ученые связывают с характерными изменениями в микробиоме, точнее, с инвазивным распространением кишечной палочки Escherichia coli. В норме — симбиотическая бактерия, у пациентов с болезнью Крона E. coli внедряется в стенки желудочно-кишечного тракта, цепляясь ворсинками за его эпителиальные клетки.
Исследователи подозревают, что инвазивная E. coli научилась получать необходимые ей вещества из тех соединений, которые не используются остальными видами, входящими в микробиом. К таким соединениям относят, например, «отрезанный» ферментами от фосфолипидов слизистой этаноламин, или сахар фукозу, или 1,2-пропандиол — продукт брожения фукозы. В условиях хронического воспаления умение использовать альтернативные источники углерода для клеточного дыхания выигрышно для бактерий: например, известно, что 1,2-пропандиолом питаются бактерии рода Salmonella, вызывающие гастроэнтерит. У сальмонелл за использование 1,2-пропандиола отвечают гены группы pdu, и ген рduC кодирует большую часть дегидратазы, фермента, который превращает спирт в пропиональдегид, а пропиональдегид, в свою очередь, превращается в пропионат. У инвазивных E. coli также находят ген рduC, и эти же кишечные палочки чаще выживают в макрофагах, то есть лучше сопротивляются атакам иммунной системы человека.
Ученые из Корнеллского университета в предыдущей работе показали, что инвазивная кишечная палочка усиливает Т-клеточный ответ иммунитета, вызывая воспаление. В новой статье авторы под руководством Рэнди Лонгмана (Randy S. Longman) объяснили, как именно использование 1,2-пропандиола в качестве источника углерода помогает E. coli активно внедряться в стенки кишечника и способствует развитию воспаления.
Сначала ученые показали, что ген рduC в десять раз чаще встречается у бактерий рода Escherichia, полученных от пациентов с болезнью Крона, чем у людей с язвенным колитом или здоровых. Затем исследователи проверили, насколько пропандиол-дегидратаза (PduC) необходима для запуска воспаления кишечника. Для этого авторы работы создали кишечную палочку, в которой функция дегидратазы была нарушена, и пропионат не выделялся. Кишечник мышей из двух групп колонизировали либо такими E. coli, либо обычными с функциональным ферментом, а затем вводили дополнительные Т-клетки. Мыши, которым достались кишечные палочки с неправильной дегидратазой, меньше теряли вес и в целом показывали лучшую выживаемость. Таким образом, действие пропандиол-дегидратазы необходимо для инвазии E. coli и соответствующего ответа Т-клеток, который ведет к колиту.
Также авторы работы определили, что бактерии с геном pduC провоцируют при помощи вырабатываемого пропионата заставляют фагоциты усиленно выделять интерлейкин 1 бета (IL1β), сигнальную молекулу-цитокин, что и ведет к воспалительному ответу иммунной системы.
Полученные результаты давали ученым предположить, что распространение инвазивной E. coli можно регулировать, управляя доступными ей субстратами. Точнее, если ограничить доступ к фукозе, сахару, продуктом брожения которого и является 1,2-пропандиол. Поскольку фукоза — одно из соединений на поверхности клеток слизистой кишечника, чтобы проверить действие такого подхода на практике, мышам вместе с инвазивной кишечной палочкой вводили молекулу-ингибитор фукозилирования (реакции присоединения фукозы в слизистой). У мышей снизилось содержание пропионата в кишечнике и замедлилась потеря веса, несмотря на то, что E. coli по-прежнему хорошо колонизировала кишечник. Анализ тканей также показал снижение интенсивности иммунного ответа.
Авторы исследования надеются, что проведенное исследование приближает к пониманию механизма развития болезни Крона, и что предложенный ими способ лишать кишечную палочку фукозы вернет равновесие в микробиом пациентов.
Люди с хроническими воспалительными заболеваниями кишечника, в том числе болезнью Крона, имеют повышенный риск развития колоректального рака. Ученые ищут способы предотвратить развитие таких последствий: кто-то предлагает снижать интенсивность воспаления, а кто-то уже тестирует вакцину против колоректального рака на людях.
Автор: Вера Сысоева