Бактерии из кишечника проникают в мозг мыши на высокожировой диете

Микробиом кишечника влияет на мозг различными путями, модулируя иммунную, нейроэндокринную и вегетативную нервную системы, а также через секретируемые метаболиты и токсины. Изменения в составе микробиома иногда связаны с повышением проницаемости кишечного барьера, что может позволить микробам или метаболитам проникать из кишечника в собственную пластинку слизистой оболочки кишечника и воротную вену. Некоторые исследования показали, что на высокожировой диете состав микробиома меняется, а проницаемость кишечного барьера растет. Исследователи из США провели ряд экспериментов, чтобы больше выяснить о влиянии таких изменений на мозг и его патологии.

Сначала авторы использовали мышиную модель холестатического заболевания печени (мышей Mdr2^−/−). Mdr2 — гомолог человеческого белка-транспортера желчи MDR3, отсутствие которого приводит к прогрессирующему развитию внутрипеченочного холангита, фиброза и цирроза у мышей. У мышей Mdr2^−/− нарушается ток желчи, а состав кишечной микробиоты меняется относительно мышей дикого типа.

Уже через девять дней на высокожировой диете у Mdr2^−/− мышей в фекалиях выросла доля бактерий семейства Staphylococcaceae (от 0,5% до 15,4%), Bacteroidaceae (от 0% до 21,8%) и Akkermansiaceae (от 0,16% до 15%) и снизилась доля бактерий Lactobacillaceae (от 14,6% до 0,8%). Одновременно выросла проницаемость стенок кишечника.

Авторы проанализировали легкие, сердце, почки, селезенку, мозг и кровь мышей Mdr2^−/− на высокожировой диете на наличие бактерий. Неожиданно небольшое количество бактерий обнаружилось в мозге этих мышей, но не контролей. Бактерии находились не в мозговых оболочках или спинномозговой жидкости (признак менингита). Спектрометрия показала, что это были бактерии Staphylococcus xylosus, Staphylococcus sciuri и Enterococcus faecalis. Стафилококки и энтерококки обнаруживались и в кишечнике экспериментальных мышей на высокожировой диете.

Малое количество бактерий, включая S. xylosus, изолировали также из блуждающего нерва, соединяющего кишечник и мозг. Авторы проверили, не могли ли бактерии из кишечника достигнуть мозга благодаря блуждающему нерву. Для этого нарушали целостность нерва. У таких мышей в головном мозге было в 20 раз меньше бактерий при совпадении всех остальных условий, у некоторых мышей бактерий не было вовсе.

Но являются ли бактерии в мозге теми же, что пережили путь из кишечника в мозг? Полногеномное секвенирование показало, что S. xylosus, выделенный из образцов фекалий, подвздошной кишки и мозга одной и той же мыши, демонстрировал среднюю нуклеотидную идентичность (ANI) 99,9982%. Аналогично, изоляты S. sciuri из этих образцов демонстрировали ANI 99,9977%, а изоляты E. faecalis — 99,9989%.

После этого тем же мышам на высокожировой диете давали коктейль из антибиотиков (ванкомицин, ампициллин, неомицин и метронидазол). В таких условиях доля Staphylococcus в кишечнике снижалась, а Paenibacillus cineris — повышалась. Соответственно, в мозге мышей Mdr2^−/− на высокожировой диете было мало Staphylococcus, а P. cineris преобладала, хотя и встречалась всего у 40% мышей. P. cineris не обнаруживалась в крови или других системных органах помимо мозга. Антибиотики не повышали проницаемость кишечника еще сильнее.

Бактерии в мозге на высокожировой диете обнаруживались и у мышей C57BL/6 дикого типа — S. xylosus (статистически значимо) и E. faecalis (не значимо из-за малого количества мышей с этой бактерией в мозге). Больше в системных органах и крови бактерий не было. Количество бактерий снижалось в разы при удалении части блуждающего нерва.

Бактерии всегда сначала детектировались в блуждающем нерве и только потом — в мозге. Однако достоверно доказать, что блуждающий нерв — путь транслокации бактерий из кишечника в мозг, пока не удалось.

У мышей на высокожировой диете нарушается слизистая оболочка подвздошной кишки — там становится меньше бокаловидных клеток (которые вырабатывают слизь). Этим может объясняться происходящая транслокация бактерий.

Мышам C57BL/6 давали антибиотики, затем вносили в их микробиом Enterobacter cloacae (с опознаваемой баркодирующей последовательностью). Через несколько дней на высокожировой диете E. cloacae обнаруживалась в мозге 40% мышей. Характерная последовательность присутствовала у этих бактерий, что подтверждает их происхождение. Одного присутствия бактерии в кишечнике недостаточно, чтобы те переместились в мозг, необходимо еще и снижение проницаемости кишечного барьера.

До этого бактерии обнаруживали культивированием, классическим методом ПЦР это удалось сделать с трудом после короткого периода культивирования. Однако капельная цифровая ПЦР сработала и без этого этапа. Этот метод подтвердил полученные ранее результаты.

Если после девяти дней на высокожировой диете снова перевести мышей на нормальную диету, то проницаемость кишечного барьера снижается уже через 14 дней, а через 28 дней очень схожа с контрольной (у мышей Mdr2^−/−). У мышей C57BL/6 происходили такие же процессы, только восстановление занимало меньше времени.

Ранние исследования указывают на то, что нарушение микробиома кишечника и повышение проницаемости кишечного барьера связаны с нейродегенеративными заболеваниями, такими как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, а также с нарушениями нейроразвития, например, расстройствами аутистического спектра. У мышей, моделирующих эти состояния, был выявлен дисбиоз. Даже на нормальной диете у модельных мышей в мозге детектировалось небольшое число бактерий, причем такие же бактерии наблюдались и в кишечнике.

Микробиота кишечника влияет на угасание когнитивных функций при старении