Индол, выделяемый кишечной микробиотой, подавляет рост патогенных кампилобактерий

Грамотрицательная бактерия Campylobacter jejuni — один из ведущих возбудителей пищевых отравлений. Ранее в экспериментах на хорьках группа ученых из США показала, что колонизации кишечника этой бактерией способствует воспаление, хотя обычно оно призвано бороться с патогенами. В новой работе в Science Advances авторы провели дополнительные эксперименты на мышах, чтобы подробнее исследовать этот механизм.

Ученые моделировали у мышей колит, вводя им перорально 3% раствор декстран сульфата натрия (DSS) — это вещество сильно раздражает кишечник и вызывает воспаление. Затем мышей инфицировали штаммом C. jejuni 11168, после чего они получали обычную воду и питание. В качестве групп сравнения использовали мышей с раздраженным кишечником, которым не вводили бактерию, мышей, которым не вводили DSS, но заражали их патогеном, и незараженных здоровых мышей.

На первый день после заражения кампилобактерии детектировались в фекалиях инфицированных мышей на одинаковом уровне, вне зависимости от того, получали ли они DSS или нет. К третьему дню появились различия: уровень патогена снижался в фекалиях мышей со здоровым кишечником и возрастал у животных с раздраженным кишечником. В этой же временной точке наблюдался пик содержания C. jejuni в кишечнике мышей, получавших DSS, в то время как у мышей со здоровым кишечником патоген не выявлялся вовсе.

DSS действительно вызывал воспаление: у мышей с раздраженным кишечником в 5–15 раз повышался уровень транскриптов провоспалительных факторов IL-6, TNF-a и CXCL1, при этом уровень противовоспалительного цитокина IL-10, напротив, снижался в пять раз. При инфицировании C. jejuni у мышей с раздраженным кишечником эти изменения были еще более выраженными. Методами иммуногистохимии авторы зарегистрировали повышение числа пролиферирующих эпителиальных клеток кишечника, что говорит о запуске механизмов регенерации поврежденного эпителия. Изменилось также потребление кислорода и его доступность в ткани: если в норме в люмене кишечника наблюдается физиологическая гипоксия, то после введения DSS и особенно после инфицирования кампилобактериями улучшалась оксигенация ткани.

Затем ученые оценили, как изменился состав кишечной микробиоты у животных. Метрики альфа-разнообразия не показали значимых изменений, то есть колонизация раздраженного кишечника патогеном не была связана с общей потерей разнообразия микробного сообщества. Зато состав микробиома изменяли как обработка DSS, так и инфекция. Например, после обработки DSS уменьшилась представленность бактерий родов Anaerotruncus, Roseburta и других продуцентов короткоцепочечных жирных кислот (в т.ч. бутирата), которые необходимы для поддержания целостности кишечного эпителия и выработки слизи. Также снизилась представленность родов Anaerotruncus, Oscillibacter и других, ответственны за переработку аминокислот (в особенности триптофана) в индол и его производные. Индол также отвечает за поддержание целостности эпителиального барьера.

Данные масс-спектрометрии подтвердили, что в кишечнике мышей после обработки DSS и (или) инфицирования патогеном снижается содержание индола и в то же время накапливается триптофан, то есть нарушается его переработка в индол. Одновременно снижалась экспрессия AhR — рецептора индола и по совместительству транскрипционного фактора, который отвечает за поддержание целостности кишечного эпителия.

В норме концентрации индола в кишечнике находятся в диапазоне 0,25–1 мМ. Исследователи провели эксперименты in vitro, чтобы проверить, действительно ли индол влияет на рост С. jejuni. При добавлении 1 мМ индола в бактериальную культуру рост значительно снижался уже через 6 ч, а через 30 ч бактерии погибали. Аналогичные результаты были получены на трех клинических изолятах C. jejuni. Проведя анализ транскриптома бактерий, ученые показали, что через 6 ч обработки индолом у бактерий нарушается экспрессия генов, связанных с клеточным дыханием, циклом трикарбоновых кислот и другими метаболическими путями. Помимо обычного метаболизма C. jejuni, индол угнетал нитратное дыхание: именно на него бактерия опирается в раздраженном кишечнике, в котором повышена генерация альтернативных акцепторов электронов из-за активности фермента iNOS.

Если мышам с раздраженным кишечником сначала вводили C. jejuni, а затем — индол (150 мг/кг массы тела) ежедневно на протяжении двух дней после инфекции, то содержание патогена снижалось почти на три порядка. Вместе с тем индол не снижал воспаление. На основе этого ученые заключили, что индол напрямую подавляет рост бактерии, а не улучшает состояние кишечника, воспаление в котором способствует росту патогена.

Подавляли рост C. jejuni и пробиотики, производящие индол. Для эксперимента выбрали пробиотик E. coli Nissle 1917, который экспрессирует триптофаназу — фермент, превращающий триптофан в индол. В тестах in vitro при совместном культивировании пробиотика и C. jejuni рост патогена был значительно подавлен. Напротив, мутант пробиотика, не экспрессирующий триптофаназу, терял способность влиять на рост патогена. В аналогичном эксперименте in vivo совместное введение пробиотика и патогена в соотношении 1:1 снизило содержания C. jejuni в кишечнике в 100 раз, а воспаление также не разрешилось. Таким образом, именно индол подавляет рост патогена, а пробиотики, способные его вырабатывать, могут стать перспективным средством для лечения пищевых отравлений.

Против возбудителя детских инфекций Haemophilus influenzae можно создать универсальную вакцину