Биологи обнаружили в кишечниках мышей бактерии, которые помогли им пережить облучение всего тела до 9,2 грей. Ученые пересадили микробиоту выживших после излучения мышей другим особям и показали, что микроорганизмы действительно способствуют защите от радиации.
У выживших мышей повысилось содержание бактерий семейства Lachnospiraceae, которые смягчили повреждения кишечника и стимулировали кроветворение у мышей. Защитные свойства осуществляли короткоцепочечные жирные кислоты и продукты триптофана, которые производили микроорганизмы. Эти бактерии также связали с последствиями радиотерапии пациентов с лейкемией. Исследование опубликовано в журнале Science.
Лучевая терапия довольно эффективна для лечения опухолевых заболеваний, однако она оказывает масштабное негативное воздействие на здоровые ткани. Из-за этого причиной смерти раковых больных могут становиться не только опухоли, но и проблемы с кроветворением и восстановлением кишечного эпителия после облучения. Особенно страдает от лучевой терапии желудочно-кишечный тракт, потому что его эпителий обновляется чаще любых других тканей организма.
Влияние радиотерапии на кишечник связывают с составом его микробиоты, причем количество бактерий кишечника огромно и сравнимо с количеством клеток тела — около 30 триллионов. Микроорганизмы помогают человеку расщеплять сложные углеводы, которые ферменты желудочно-кишечного тракта переварить не в силах. В процессе расщепления бактерии выделяют короткоцепочечные жирные кислоты — главный источник энергии для клеток кишечника.
Исследователи из университета Северной Каролины в Чапел-Хилл под руководством Хао Гуо (Hao Guo) подвергли мышей облучению всего тела от 8 до 9,2 грей, чтобы выяснить, как радиация повлияла на микробиоту кишечника. К удивлению биологов, некоторые мыши не только восстанавливались, но и долго жили после облучения. После исследования РНК в фекалиях выживших оказалось, что их кишечный микробиом отличается от обычного (p < 0,05).
Чтобы подтвердить влияние микробиоты на последствия облучения, исследователи провели эксперимент «грязной клетки». Они посадили мышей-реципиентов в клетки, где до этого жили выжившие после облучения мыши. Таким образом через их фекалии новым мышам передались кишечные микроорганизмы. После этого мышей-реципиентов подвергли излучению. Из них выжили 75 процентов, тогда как в контрольной группе — всего 20. Также влияние микробиома подтвердила и прямая пересадка фекалий.
Исследователи проверили, различаются ли составы микробиомов выживших мышей изначально, или различия появляются только после облучения. Анализ показал, что смещение содержания бактерий происходит только после облучения, что свидетельствует об отборе. Тогда биологи решили определить защитные функции некоторых видов бактерий из обнаруженных у людей семейств, поочередно подсаживая их мышам.
Самое значительное повышение выживаемости после облучения показали бактерии семейства Lachnospiraceae, также выживаемость повысили E. faecalis и L. rhamnosus. Реципиенты Lachnospiraceae имели лучшие показатели клеточности костного мозга, строение складок кишечника и его проницаемости. Исследователи также проверили, могут ли Lachnospiraceae защищать от радиации не только кишечник, но и опухолевые клетки. Бактерии не повлияли на рост и формирование опухоли из введенных раковых клеток, что делает их хорошими кандидатами для применения при лучевой терапии.
Чтобы выявить бактерии, связанные с защитой от радиации у человека, ученые исследовали кишечные микробиомы пациентов с лейкемией до и после лучевой терапии. В качестве параметра оценки тяжести последствий терапии использовали продолжительность диареи (в днях), которая коррелировала с нарушениями в желудочно-кишечном тракте. В кишечниках пациентов с менее продолжительной диареей содержалось больше бактерий семейств Lachnospiraceae и Enterococcaceae (p < 0,05), однако эти данные указывают только на косвенную связь с нарушениями тканей кишечника, также не означают причино-следственной связи.
Также ученые проанализировали вещества, которые выделяют эти бактерии и их влияние на защиту от радиации. Известно, что Lachnospiraceae перерабатывают углеводы в короткоцепочечные жирные кислоты — бутират, ацетат и пропионат. Эти вещества являются важными субстратами для поддержания кишечного эпителия и функционирования иммунной системы.
Терапия водой с пропионатом значительно повысила (с 28 до 79 процентов) выживаемость мышей после радиации, а ацетат и бутират показали менее весомые результаты. Пропионат также повысил содержание клеток крови и слой слизи кишечника. Тогда биологи попробовали подсаживать мышам штаммы бактерий с большой продукцией короткоцепочечных жирных кислот: такое лечение даже достигло стопроцентной защиты от последствий радиотерапии.
Независимый анализ метаболитов у выживших мышей также показал повышение содержания других веществ — продуктов триптофана. Некоторые из них (индол-3-карбоксиальдегид и кинуреновая кислота) в ходе исследования также показали защитные свойства и повысили выживаемость.
Так биологи обнаружили важное свойство микробиоты кишечника — защиту от радиации. Однако эти микроорганизмы способны оказывать и негативное воздействие на кишечный эпителий. Недавнее исследование показало, что употребление сахаров способно провоцировать воспаление толстой кишки из-за повышения содержания муколитических бактерий, которые разрушают слизистый слой.
Автор: Анна Муравьева