Продуцирующие серотонин кишечные бактерии снизили риск развития аллергии у мышей

Колонизация кишечника бактериями — один из важнейших факторов правильного развития этого органа и всей иммунной системы человека. Недавние исследования показали, что для детей с пищевыми аллергиями, астмой и дефектами развития нервной системы характерны отклонения в составе кишечного микробиома. Известно, что младенческий возраст играет решающую роль в развитии иммунной толерантности к бактериям-комменсалам, а также пищевым антигенам. Тем не менее, механизм развития ареактивности (отсутствия ответа на ангитен) у новорожденных остается малоизученным, как и влияние развивающейся микробиоты кишечника на этот процесс.

Авторы работы, опубликованной в журнале Science Immunology, выяснили, каким образом метаболом кишечника новорожденных формирует иммунный ответ в младенчестве. Для этого ученые провели серию сравнительных тестов между тремя группами мышей: мышатами дикого типа (WT), мышатами без микробиоты (germ-free, GF) и взрослыми особями, выращенными в условиях, свободных от специфических патогенов (SPF). Мышат исследовали в возрасте от 4 до 18 дней (P4–P18).

Нецелевое метаболомное профилирование содержимого кишечника у молодых и взрослых особей показало сильное различие в количестве нейромедиаторов. У WT P14 было в разы больше серотонина (5-НТ), гипотаурина и ацетилхолина, чем у взрослых мышей, что указывает на уникальное состояние метаболома новорожденных мышей.

Синтез серотонина у взрослых мышей происходит под влиянием триптофангидроксилазы (TPH1) в эпителиальных энтерохромаффинных клетках (ECS). Однако механизм появления нейромедиатора у новорожденных особей остается неизвестным. Исследуя содержимое кишечника молодых и взрослых мышей, ученые отметили повышенные уровни 5-НТ, несмотря на одинаковое количество триптофана. При этом уровень 5-НТ увеличился в 5 раз с 4-го по 18-й день развития.

Дальнейшее изучение механизма регуляции кишечной микробиоты у мышей показало, что у новорожденных особей SPF WT экспрессия TPH1 была увеличена в 2,5 раза по сравнению с GF WT. При этом экспрессия моноаминоксидазы А (MAO-A), которая расщепляет серотонин, у них была в 15 раз ниже. Полученные результаты показывают, что микробиота кишечника новорожденных увеличивает уровень 5-НТ не только за счет самостоятельной выработки, но и за счет увеличения экспрессии TPH1 и снижения уровня MAO-A.

Путем иммуноферментного анализа (ELISA) и иммунофлюоресцентного окрашивания толстой кишки новорожденных мышей ученые выяснили, что именно кишечная микробиота продуцирует серотонин. В свою очередь, у взрослых особей основным источником серотонина выступают тучные клетки и ECS.

Чтобы исследовать возможный состав бактерий, продуцирующих 5-НТ, ученые выделили микробов из новорожденных WT SPF P14 аэробным и анаэробным путем и создали библиотеку из более чем 30 бактериальных изолятов. В нормализованных бактериальных супернатантах определяли содержание 5-НТ методом ELISA. Почти половина бактериальных изолятов продуцировала 5-НТ. Около трети изолятов бактерий, продуцирующих 5-НТ, составляли Rodentibacter heylii, а еще треть — Enterococcus gallinarum. Далее из биобанка были взяты и проанализированы образцы кала младенцев человека. В 16 из 26 изолятов бактерий 5-НТ продуцировали преимущественно Staphylococcus aureus, Clostridium perfringens, Klebsiella grimontii, Staphylococcus epidermis и Enterobacter cloacae. Анализ кала взрослых мышей и людей выявил гораздо меньшее содержание бактерий, продуцирующих серотонин.

Ранние исследования показали, что 5-НТ увеличивает уровень Т-супрессоров (Treg) в ЦНС. Однако оставалось неизвестным, влияет ли серотонин на иммунную регуляцию в кишечнике напрямую. В подтверждение этого ученые обнаружили избирательное снижение Treg у мышей P14 GF по сравнению с особями SPF. Это позволило предположить, что микробиота играет роль в развитии популяции Treg в кишечнике новорожденных. Кроме того, исследователи не обнаружили у новорожденных мышей короткоцепочечных жирных кислот (SCFA), индуцирующих Т-супрессоры. У трансгенных мышей, лишенных рецепторов SCFA, количество Т-супрессоров не отличалось. Ученые пришли к выводу, что дифференцировке и размножению Т-супрессоров в кишечнике новорожденного способствует SCFA-независимый механизм.

Иммунная толерантность к пищевым антигенам развивается в раннем возрасте, чему способствуют Т-супрессоры. Чтобы проверить, влияет ли уровень 5-НТ на арезистентность к пищевым антигенам у новорожденных мышей, особям GF вводили серотонин через пероральный зонд в на восьмой и девятый день жизни. Далее была проведена сенсибилизация овальбумином (OVA) и последующая эвтаназия. Исследователи отметили, что мыши, получавшие 5-НТ, имели более низкие уровни антител IgE и IgG к OVA по сравнению с контрольными особями, которые не получали серотонин. Аналогичная ситуация сложилась со специфическими антителами IgM к OVA. Кроме того, повышенный уровень 5-НТ способствовал появлению иммунной толерантности к комменсальным бактериям.

Исследование показывает, что до того, как кишечник станет достаточно зрелым, чтобы вырабатывать собственные нейромедиаторы, уникальные кишечные бактерии могут поставлять нейротрансмиттеры, необходимые для таких важных процессов, как, например, регуляция развития иммунитета.

Аллергические заболевания связаны с нарушением кишечной микробиоты в младенчестве