Нейровоспаление после имплантации микроэлектродов в мозг может быть связано с инвазией бактерий кишечника

Микроэлектроды имплантируют в кору головного мозга мышей для изучения его активности. Однако для клинического применения этой технологии необходимо показать долгосрочную надежность микроэлектродов, на которую значительно влияет нейровоспаление. Не до конца понятно, почему при установке электродов развивается воспалительная реакция. Возможно, она связана с присутствием бактерий. Бактерии могут проникнуть в мозг на разных стадиях установки устройства. Методы стерилизации импланта хорошо отработаны, но процесс его установки нарушает гематоэнцефалический барьер. Исследователи из США предположили, что из-за этого в мозг могут проникать бактерии из кишечника.

Кишечный микробиом оказывает значительное влияние на иммунитет. Он производит биоактивные молекулы, метаболиты и даже нейротрансмиттеры, которые вовлечены в воспалительные процессы, особенно в кишечнике и мозге. Авторы оценили состав микробиома с помощью секвенирования гена 16S рРНК бактерий из фекалий и тканей мышей в разные временные промежутки. Также проанализировали влияние уничтожения микробиоты кишечника с помощью антибиотиков. Чтобы убедиться, что бактериальные сиквенсы — не артефакты (например, попавшие в образец при подготовке бактерии), авторы использовали статистическую обработку результатов. При анализе образцов мозга мышей были выявлены прочтения, принадлежащие микробной ДНК.

В мозге до имплантации медиана соотношения 16S-прочтений к прочтениям, ассоциированным с загрязнением образца, составляла 0,04 (то есть 16S-прочтений было в 26,39 раз меньше, чем прочтений, ассоциированных с загрязнением). Напротив, 16S-прочтений было в 2,1 раза больше, чем ассоциированных с загрязнением, через четыре недели после имплантации микроэлектродов. Через 12 недель количество 16S-прочтений снова снижалось до базового уровня. В образце фекалий медиана составила 3,72, а после обработки антибиотиками — 0,76.

В образцах мозга до имплантации было обнаружено очень мало бактериальной ДНК, так что авторы назвали этот уровень фоновым. Авторы считают, что это не служит доказательством существования микробиома мозга. В образцах мозга после имплантации были идентифицированы 189 видов, из них 101 был также отмечен в образцах фекалий. Фоновые прочтения принадлежали бактериям типа Bacteroidota (обычно Muribaculaceae) и Firmicutes (обычно Lactobacillus). Через четыре недели после имплантации были идентифицированы прочтения, принадлежащие типу Firmicutes (Clostridia) и роду Streptococcus. Через 12 недель опять доминировали прочтения бактерий типа Bacteroidota, но в этот раз относящиеся к роду Bacteroides. Через четыре недели было выше всего альфа-разнообразие бактерий.

Микроэлектроды работали лучше у мышей, которым вводили антибиотики, особенно на четвертой неделе. Авторы проанализировали ткани мозга в районе микроэлектродов через четыре недели после имплантации. Значительно менялись уровни экспрессии белков нейронов в зависимости от применения антибиотиков. Намного менее выраженной была разница в астроцитах. Авторы проследили, к каким сигнальным путям относятся эти белки. Также при приеме антибиотиков снижалась экспрессия маркера воспалительного фенотипа микроглии. Но длительное применение антибиотиков ухудшало работоспособность микроэлектродов и нарушало работу сигнальных путей, связанных с нейродегенерацией.

Авторы подчеркивают, что полученные данные не доказывают присутствие живых бактерий в мозге. В исследовании не был выявлен источник бактериальных последовательностей, не наблюдаемых в кишечнике или на базовом уровне. Но будущие исследования могут проанализировать такие потенциальные источники, как микробиом носа или ротовой полости. Также некоторая часть 16S ДНК попадает в мозг вместе с инфильтрующими макрофагами, которые фагоцитировали бактерии перед попаданием в мозг во время воспалительной реакции на имплантированные микроэлектроды. По мнению авторов, маловероятно, что лечение антибиотиками в течение всего периода имплантации микроэлектродов поможет им работать дольше, в том числе и из-за пагубного воздействия на организм в целом.

Рентгеновская фазово-контрастная томография выявила структурные изменения в кишечнике мышей с болезнью Альцгеймера