Влияние кишечных микросимбионтов на продукцию цитокинов в системе in vitro

В сохранении иммунного гомеостаза кишечника важнейшая роль принадлежит иммунорегуляторным свойствам микробиоты, которая, взаимодействуя с образраспознающими рецепторами, активирует внутриклеточные сигнальные системы, экспрессию цитокинов, продукцию протективных факторов и ограничивает воспалительные реакции в кишечнике. Итог взаимодействий микробиоты и клеток хозяина (развитие воспалительного процесса или поддержание кишечного гомеостаза) зависит от многих факторов, включая потенциальную способность кишечных комменсалов влиять на цитокиновую сеть организма человека. При нарушении количественных и качественных характеристик микробиоты (дисбиоз) цитокиновый баланс, формируемый за счет влияния кишечных микросимбионтов и их метаболитов на иммунные и эпителиальные клетки кишечника, может изменяться, способствуя развитию различной патологии человека. Целью данного исследования явилась оценка иммунорегуляторных свойств эубиотических и дисбиотических кишечных микросимбионтов человека по влиянию их бесклеточных супернатантов на продукцию цитокинов в системе in vitro. Исследование было проведено на 49 эубиотических и 77 дисбиотических штаммах микроорганизмов, выделенных от условно здоровых пациентов, обследуемых на дисбиоз толстого кишечника. Для оценки иммунорегуляторных свойств кишечных микросимбионтов изучено влияние бесклеточных супернатантов исследуемых культур бактерий и грибов на продукцию про- (IFNγ, TNFα, IL-17, IL-8, IL-6) и противовоспалительных (IL-10, IL-1ra) цитокинов, секретируемых мононуклеарными клетками периферической крови здоровых людей. Микробиоту кишечника исследовали бактериологичеким методом. Идентификацию выделенных микробных культур проводили с помощью MALDI TOF MS серии Microflex LT (Bruker Daltoniсs, Германия). Уровень цитокинов определяли иммуноферментным методом с использованием коммерческих тест-систем («Цитокин», Россия). Статистический анализ включал: дискриминантный анализ, классификационное дерево решений и метод картирования равнодействующих. Применение многомерного статистического анализа позволило определить круг наиболее информативных показателей (среди цитокинов и микробных культур, изменяющих их продукцию) для оценки состояния гомеостаза при эу- и дисбиозе кишечника. Установлено, что супернатанты эубиотических культур кишечных симбионтов характеризовались выраженной способностью ингибировать уровень провоспалительных цитокинов: IFNγ, IL-8 и стимулировать секрецию противовоспалительного цитокина (IL-10), а дисбиотические культуры – преимущественно индуцировали провоспалительные цитокины IL-17, IFNγ, TNFα. В сохранение равномерного баланса между про- и противовоспалительными цитокинами при эубиозе вносили значимый вклад как ассоциации микросимбионтов (по мере убывания уровня факторных нагрузок: Bacteroides spp. > E. coli > Lactobacillus spp.), так и монокультуры (Bifidobacterium spp. и Lactobacillus spp.), через индукцию IL-10. При дисбиозе кишечника увеличивалось количество ассоциаций микросимбионтов, индуцирующих секрецию провоспалительных цитокинов. Провоспалительный профиль дисбиотических культур формировался через влияние на продукцию IFNγ (по мере убывания уровня факторных нагрузок) ассоциаций Bifidobacterium spp. > Enterococcus spp. > E. coli > Lactobacillus spp., а также ассоциации S. aureus > Candida spp. На секрецию IL-17 влияли монокультура Clostridium spp. и ассоциация C. acnes > S. aureus > Klebsiella spp., на TNFα – монокультуры бифидобактерий и эшерихий. Таким образом, при эубиозе нормобиота поддерживает равномерный баланс про- и противовоспалительных цитокинов, а при дисбиозе кишечника может происходить смещение баланса цитокинов в сторону провоспалительных за счет усиления уровня их секреции, расширения спектра данной группы цитокинов и увеличения количества моно- и ассоциаций микробных культур, влияющих на их продукцию.

1. Аверина О.В., Ермоленко Е.И., Ратушный А.Ю., Тарасова Е.А., Борщев Ю.Ю., Леонтьева Г.Ф., Крамская Т.А., Котылева М.П., Даниленко В.Н., Суворов А.Н. Влияние пробиотиков на продукцию цитокинов в системах in vitro и in vivo // Медицинская иммунология, 2015. Т. 17, № 5. С. 443-454. doi:10.15789/1563-0625-2015-5-443-454.

2. Бухарин О.В., Перунова Н.Б. Микрoсимбиоценоз. Екатеринбург: УрО РАН, 2014. 257 с.

3. Бухарин О.В., Лобакова Е.С., Немцева Н.В., Черкасов С.В. Ассоциативный симбиоз. Екатеринбург: УрО РАН, 2007. 264 с.

4. Бухарин О.В., Иванова Е.В., Перунова Н.Б., Чайникова И.Н. Роль бифидобактерий в формировании иммунного гомеостаза человека // Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии, 2015.№ 6. С. 98-104.

5. Бухарин О.В., Иванова Е.В., Перунова Н.Б., Чайникова И.Н., Андрющенко С.В. Метаболический профиль бифидофлоры при различных микроэкологических состояниях биотопа толстого кишечника человека // Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии, 2017.Т. 94, № 1. С. 3-11.

6. Годовалов А.П., Карпунина Т.И. Влияние полиаминов бактериального происхождения на продукцию ключевых цитокинов в культуре мононуклеарных лейкоцитов человека // Медицинская иммунология, 2022. Т. 24, № 2. С. 257-262. doi: 10.15789/1563-0625-IOP-2399.

7. Демидова Т.Ю., Лобанова К.Г., Ойноткинова О.Ш. Кишечная микробиота как фактор риска развития ожирения и сахарного диабета 2-го типа // Терапевтический архив, 2020. Т. 92, № 10. С. 97-104.

8. Киселева Е.П. Акцептивный иммунитет – основа симбиотических взаимоотношений // Инфекция и иммунитет, 2015. Т. 5, № 2. C. 113-130. doi: 10.15789/2220-7619-2015-2-113-130.

9. Лукичев Б.Г., Румянцев А.Ш., Акименко В. Микробиота кишечника и хроническая болезнь почек. Сообщение первое // Нефрология, 2018. Т. 22, № 4. С. 57-73.

10. Семинский И.Ж., Серебренникова С.Н., Гузовская Е.В. Роль цитокинов в патогенезе заболеваний // Сибирский медицинский журнал (Иркутск), 2015. Т. 132, № 1. С. 14-17.

11. Симбирцев А.С. Цитокины в патогенезе и лечении заболеваний человека. СПб.: Фолиант, 2018. 512 с.

12. Abe K., Takahashi A., Fujita M., Imaizumi H., Hayashi M., Okai K., Ohira H. Dysbiosis of oral microbiota and its association with salivary immunological biomarkers in autoimmune liver disease. PLoS One, 2018, Vol. 13, no. 7, e0198757. doi: 10.1371/journal.pone.0198757.

13. Al Bander Z., Nitert M.D., Mousa A., Naderpoor N. The gut microbiota and inflammation: An overview. Int. J. Environ. Res. Public Health, 2020, Vol. 17, no. 20, 7618. doi: 10.3390/ijerph17207618.

14. Allaire J.M., Crowley S.M., Law H.T., Chang S.Y., Ko H.J., Vallance B.A. The intestinal epithelium: central coordinator of mucosal immunity. Trends Immunol., 2018, Vol. 39, no. 9, pp. 677-696.

15. Andrews C., McLean M.H., Durum S.K. Cytokine tuning of intestinal epithelial function. Front. Immunol., 2018, Vol. 9, 1270. doi: 10.3389/fimmu.2018.01270.

16. Badi S.A., Khatami S.H., Irani S.H., Siadat S.D. Induction Effects of bacteroides fragilis derived outer membrane vesicles on Toll like receptor 2, Toll like receptor 4 genes expression and cytokines concentration in human intestinal epithelial cells. Cell J., 2019, Vol. 21, no. 1, pp. 57-61.

17. Caffaratti C., Plazy C., Mery G., Tidjani A.R., Fiorini F., Thiroux S., Toussaint B., Hannani D., le Gouellec A. What we know so far about the metabolite-mediated microbiota-intestinal immunity dialogue and how to hear the sound of this crosstalk. Metabolites, 2021, Vol. 11, no. 6, 406. doi: 10.3390/metabo11060406.

18. Ciesielska A. TLR4 and CD14 trafficking and its influence on LPS-induced pro-inflammatory signaling. Cell Mol. Life Sci., 2021, Vol. 78, no. 4, pp. 1233-1261.

19. Coquant G., Aguanno D., Brot L., Belloir C., Delugeard J., Roger N., Pham H.P., Briand L., Moreau M., de Sordi L., Carrière V., Grill J.P., Thenet S., Seksik P. 3-oxo-C12:2-HSL, quorum sensing molecule from human intestinal microbiota, inhibits pro-inflammatory pathways in immune cells via bitter taste receptors. Sci. Rep., 2022, Vol. 12, no. 1, 9440. doi: 10.1038/s41598-022-13451-3.

20. Duary R.K., Batish V.K., Grover S. Immunomodulatory activity of two potential probiotic strains in LPS-stimulated HT-29 cells. Genes Nutr., 2014, Vol. 9, no. 3, 398. doi: 10.1007/s12263-014-0398-2.

21. Dyakov I.N., Mavletova D.A., Chernyshova I.N., Snegireva N.A., Gavrilova M.V., Bushkova K.K., Dyachkova M.S., Alekseeva M.G., Danilenko V.N. FN3 protein fragment containing two type III fibronectin domains from B. longum GT15 binds to human tumor necrosis factor alpha in vitro. Anaerobe, 2020, Vol. 65, 102247. doi: 10.1016/j.anaerobe.2020.102247.

22. Gao J., Xu K., Liu H., Liu G., Bai M., Peng C., Li T., Yin Y. Impact of the gut microbiota on intestinal immunity mediated by tryptophan metabolism. Front. Cell. Infect. Microbiol., 2018, Vol. 8, 13. doi: 10.3389/fcimb.2018.00013.

23. Guzmán-Mejía F., Godínez-Victoria M., Vega-Bautista A., Pacheco-Yépez J., Drago-Serrano M.E. Intestinal homeostasis under stress siege. Int. J. Mol. Sci., 2021, Vol.22, no. 10, 5095. doi: 10.3390/ijms22105095.

24. Harrison O.J., Powrie F.M. Regulatory T cells and immune tolerance in the intestine. Cold Spring Harb. Perspect. Biol., 2013, Vol. 5, no. 7, a018341. doi: 10.1101/cshperspect.a018341.

25. Hills R.D. Jr, Pontefract B.A., Mishcon H.R., Black C.A., Sutton S.C., Theberge C.R. Gut microbiome: profound implications for diet and disease. Nutrients, 2019, Vol. 11, no. 7, 1613. doi: 10.3390/nu11071613.

26. Holden V.I., Breen P., Houle S., Dozois C.M., Bachman M.A. Klebsiella pneumoniae siderophores induce inflammation, bacterial dissemination, and HIF-1α stabilization during pneumonia. mBio, 2016, Vol. 7, no. 5, e01397-16. doi: 10.1128/mBio.01397-16.

27. Hsieh C.Y., Osaka T., Moriyama E., Date Y., Kikuchi J., Tsuneda S. Strengthening of the intestinal epithelial tight junction by bifidobacterium bifidum. Physiol. Rep., 2015, Vol. 3, e12327. doi: 10.14814/phy2.12327.

28. Iacob S., Iacob D.G. Infectious threats, the intestinal barrier, and its trojan horse: dysbiosis. Front Microbiol., 2019, Vol. 10, 1676. doi: 10.3389/fmicb.2019.01676.

29. Kayama H., Takeda K. Manipulation of epithelial integrity and mucosal immunity by host and microbiota-derived metabolites. Eur. J. Immunol., 2020, Vol. 50, no. 7, pp. 921-931.

30. Laffont S., Siddiqui K.R., Powrie F. Intestinal inflammation abrogates the tolerogenic properties of MLN CD103+ dendritic cells. Eur. J. Immunol., 2010, Vol. 40, no. 7, pp. 1877-1883.

31. Lederberg J. Infectious history. Science, 2000, Vol. 288, no. 5464, pp. 287-293.

32. Liu T., Wang S., Wornow M., Altman R.B. Construction of disease-specific cytokine profiles by associating disease genes with immune responses. PLoS Comput. Biol., 2022, Vol. 18, no. 4, e1009497. doi: 10.1371/journal.pcbi.1009497.

33. Liu M., Nieuwdorp M., de Vos W.M., Rampanelli E. Microbial tryptophan metabolism tunes host immunity, metabolism, and extraintestinal disorders. Metabolites, 2022, Vol. 12, no. 9, 834. doi: 10.3390/metabo12090834.

34. Lo B.C., Chen G.Y., Núñez G., Caruso R. Gut microbiota and systemic immunity in health and disease. Int. Immunol., 2021, Vol. 33, no. 4, pp. 197-209.

35. Martin-Gallausiaux C., Béguet-Crespel F., Marinelli L., Jamet A., Ledue F., Blottière H.M., Lapaque N. Butyrate produced by gut commensal bacteria activates TGF-beta1 expression through the transcription factor SP1 in human intestinal epithelial cells. Sci Rep., 2018, Vol. 8, no. 1, 9742. doi: 10.1038/s41598-018-28048-y.

36. Martin-Gallausiaux C., Marinelli L., Blottière H.M., Larraufie P., Lapaque N. SCFA: mechanisms and functional importance in the gut. Proc. Nutr. Soc., 2021, Vol. 80, no. 1, pp. 37-49.

37. Nezametdinova V.Z., Mavletova D.A., Alekseeva M.G., Chekalina M.S., Zakharevich N.V., Danilenko V.N. Species-specific ser-ine-threonine protein kinase Pkb2 of bifidobacterium longum subsp. Longum: genetic environment and substrate specificity. Anaerobe, 2018, Vol. 51, pp. 26-35.

38. Nezametdinova V.Z., Yunes R.A., Dukhinova M.S., Alekseeva M.G., Danilenko V.N. The role of the PFNA operon of bifidobacteria in the recognition of host’s immune signals: prospects for the use of the FN3 protein in the treatment of COVID-19. Int. J. Mol. Sci., 2021, Vol. 22, no. 17, 9219. doi: 10.3390/ijms22179219.

39. Nicolas G.R., Chang P.V. Deciphering the chemical lexicon of host-gut microbiota interactions. Trends Pharmacol. Sci., 2019, Vol. 40, no. 6, pp. 430-445.

40. Nikiforov I.A. Geochemical classification by means of mapping resultants. Geochem. Int., 2014, Vol. 52, no. 4, pp. 325-332.

41. Nogacka A.M., Oddi S., Salazar N., Reinheimer J.A., Gueimonde M., Vinderola G., de Los Reyes-Gavilán C.G. Intestinal immunomodulation and shifts on the gut microbiota of BALB/c mice promoted by two bifidobacterium and lactobacillus strains isolated from human samples. Biomed Res. Int., 2019, Vol. 2019, 323540. doi: 10.1155/2019/2323540.

42. Perrotta G. The intestinal microbiota: Towards a multifactorial integrative model. Eubiosis and dysbiosis in morbid physical and psychological conditions. Arch. Clin. Gastroenterol., 2021, Vol. 7, no. 2, pp. 024-035.

43. Rabe H., Lundell A.-C., Sjöberg F., Ljung A., Strömbeck A., Gio-Batta M., Maglio C., Nordström I., Andersson K., Nookaew I., Wold A.E., Adlerberth I., Rudin A. Neonatal gut colonization by Bifidobacterium is associated with higher childhood cytokine responses. Gut Microbes, 2020, Vol. 12, no.1, pp. 1-14.

44. Rivière A., Selak M., Lantin D., Leroy F., de Vuyst L. Bifidobacteria and butyrate-producing colon bacteria: importance and strategies for their stimulation in the human gut. Front. Microbiol., 2016, Vol. 7, 979. doi: 10.3389/fmicb.2016.00979.

45. Sharon G., Garg N., Debelius J., Knight R., Dorrestein P.C., Mazmanian S.K. Specialized metabolites from the microbiome in health and disease. Cell Metab., 2014, Vol. 20, no. 5, pp. 719-730.

46. Shehata E., Parker A., Suzuki T., Swann J.R., Suez J., Kroon P.A., Day-Walsh P. Microbiomes in physiology: insights into 21st-century global medical challenges. Exp. Physiol., 2022, Vol. 107, no. 4, pp. 257-264.

47. Silva Y.P., Bernardi A., Frozza R.L. The Role of short-chain fatty acids from gut microbiota in gut-brain communication. Front. Endocrinol., 2020, Vol. 1, 25. doi: 10.3389/fendo.2020.00025.

48. Sonnenburg J.L., Bäckhed F. Diet-microbiota interactions as moderators of human metabolism. Nature, 2016, Vol. 535, pp. 56-64.

49. Spari D., Beldi G. Extracellular ATP as an inter-kingdom signaling molecule: release mechanisms by bacteria and its implication on the host. Int. J. Mol. Sci.,2020, Vol. 21, no. 15, 5590. doi: 10.3390/ijms21155590.

50. Sun M., Wu W., Liu Z., Cong Y. Microbiota metabolite short chain fatty acids, GPCR, and inflammatory bowel diseases. J. Gastroenterol., 2017, Vol. 52, no. 1, pp. 1-8.

51. Telesford K.M., Yan W., Ochoa-Reparaz J., Pant A., Kircher C., Christy M. A., Begum-Haque S., Kasper D.L., Kasper L.H. A commensal symbiotic factor derived from Bacteroides fragilis promotes human CD39(+)Foxp3(+) T cells and Treg function. Gut Microbes, 2015, Vol. 6, no. 4, pp. 234-242.

52. Thaiss C.A., Levy M., Suez J., Elinav E. The interplay between the innate immune system and the microbiota. Curr. Opin. Immunol., 2014, Vol. 26, pp. 41-48.

53. Turkina M.V., Vikström E. Bacteria-host crosstalk: sensing of the quorum in the context of pseudomonas aeruginosa infections. J. Innate Immun., 2019, Vol. 11, no. 3, pp. 263-279.

54. Winter S.E. Lopez C.A., Bäumler A.J. The dynamics of gut-associated microbial communities during inflammation. EMBO Rep., 2013, Vol. 14, no. 4, pp. 319-327.

55. Yadav A.K., Tyagi A., Kumar A., Panwar S., Grover S., Saklani A.C., Hemalatha R., Batish V.K. Adhesion of lactobacilli and their anti-infectivity potential. Crit. Rev. Food Sci. Nutr., 2017, Vol. 57, no. 10, pp. 2042-2056.

56. Yang Y.H., Qian W., Hou X.H., Dai C.B. Bifidobacterium bifidum and Bacteroides fragilis induced differential immune regulation of enteric glial cells subjected to exogenous inflammatory stimulation. Inflammation, 2022. doi: 10.1007/s10753-022-01700-6.

57. Yu R., Zuo F., Ma H., Chen S. Exopolysaccharide-producing Bifidobacterium adolescentis Strains with similar adhesion property induce differential regulation of inflammatory immune response in Treg/Th17 Axis of DSS-Colitis Mice. Nutrients, 2019, Vol. 11, no. 4, 782. doi: 10.3390/nu11040782.

58. Zhao L., Xie Q., Etareri Evivie S., Liu D., Dong J., Ping L., Liu F., Li B., Huo G. Bifidobacterium dentium N8 with potential probiotic characteristics prevents LPS-Induced intestinal barrier injury by alleviating the inflammatory response and regulating the tight junction in Caco-2 cell monolayers. Food Funct., 2021, Vol. 12, pp. 7171-7184.