Постнатальный метаболомный анализ сыворотки показал, что уровень 4-этилфенилсульфата (4-EPS), производного тирозина, был в 46 раз выше у потомства MIA по сравнению с контрольным потомством.
Postnatal treatment with the human commensal Bacteroides fragilis improved several features of ASD in MIA offspring and restored the 4-EPS levels which were explained by the improvements in intestinal permeability and thus decreased translocation of 4-EPS to the circulation.
p-Крезол, производное тирозина и метаболит, отличающийся от 4-EPS заменой метильной группы в фенильном кольце вместо этильной, также был напрямую связан с нарушениями нейроразвития.
Распространенность ожирения у женщин репродуктивного возраста растет во всем мире из-за потребления высококалорийной диеты с низким содержанием клетчатки, потребления промышленных продуктов с высоким содержанием сахара и малоподвижного образа жизни (Hanson et al., 2017; Poston et al., 2016). Широко признано, что материнское ожирение до и во время беременности имеет краткосрочные и долгосрочные неблагоприятные последствия для здоровья как матерей, так и их детей. Данные исследований как на животных, так и на людях показали, что материнское ожирение может привести к более высокому риску диабета, гипертонии и поведенческих изменений у потомства (Drake and Reynolds, 2010; Godfrey et al., 2017; Harris et al., 2020), что указывает на то, что материнское ожирение может быть одним из «источников развития здоровья и болезней» (Drake and Reynolds, 2010).
Высокая распространенность ожирения у матерей означает, что определение любых таких долгосрочных эффектов в настоящее время является неотложным приоритетом (Heslehurst et al., 2010).
Недавние общенациональные лонгитюдные исследования в Великобритании и США показали, что существует повышенный риск более низких когнитивных результатов и расстройств аутистического спектра (РАС) у детей матерей с ожирением до беременности (Basatemur et al., 2013; Pugh et al., 2015). Недавние исследования на грызунах также показали, что материнская диета с высоким содержанием жиров (mHFD) вызывает долгосрочные когнитивные дефициты, которые охватывают несколько поколений (Sarker and Peleg-Raibstein, 2018). Несмотря на потенциальную важность для общественного здравоохранения, лишь немногие когортные исследования изучали нейробиологический механизм, лежащий в основе влияния материнского ожирения на поведение и функцию мозга потомства.
Целостность и селективность гематоэнцефалического барьера в отношении микробных метаболитов.
Гематоэнцефалический барьер ограничивает прохождение большинства молекул, продуцируемых микробами, из кровообращения в центральную нервную систему.
Только определенные аминокислоты, карнитин и фенольные производные вместе со вторичными желчными кислотами и продуктами метаболизма углеводов могут пересекать гематоэнцефалический барьер.
Белки-переносчики, такие как монокарбоксилатные транспортеры, рецепторно-опосредованный или адсорбционный трансцитоз, облегчают перемещение метаболита.
Вместо того чтобы пересекать гематоэнцефалический барьер, метаболиты могут изменять целостность гематоэнцефалического барьера, что приводит к повышению проницаемости и перемещению.
Сокращения: 5-AVAB, бетаин 5-аминовалериановой кислоты; GABA, ɣ-аминомасляная кислота; SCFA, короткоцепочечная жирная кислота; 3M-4-TMAB, 3-метил-4-(триметиламмонио)бутаноат; 4-TMAP, 4-(триметиламмонио)пентаноат; TMA(O), триметиламин (-N-оксид). (Рисунок создан с помощью Biorender.com)
Более того, многосайтовая метаболомика выявила четыре фенольных производных и сульфата: фенилсульфат, пирокатехинсульфат, 3-(3-сульфооксифенил)пропановую кислоту и индоксилсульфат, как потенциальные сигнальные молекулы, полученные из микробиоты в контексте обучения страху и поведения.
a, ИФА-определение кортикостерона в плазме у мышей Ctrl и ABX.Данные объединены из трех независимых экспериментов. Ctrl n=12. ABX n = 11.
b, ИФА-определение кортикостерона в плазме у мышей Ctrl и GF. Данные объединены из трех независимых экспериментов. Ctrl n = 12. GF n = 11. Данные представляют собой среднее значение ± SEM.
c, Структуры фенилсульфата, пирокатехинсульфата, 3-(3-сульфооксифенил)пропановой кислоты и индоксилсульфата.
d, Относительное содержание фенилсульфата, пирокатехинсульфата, 3-(3-сульфооксифенил)пропановой кислоты и индоксилсульфата в образцах кала у мышей Ctrl_fostered, GF и ex-GF_fostered, определенное с помощью ЖХ-МС. n = 3/группа.
e, Относительное содержание фенилсульфата, пирокатехинсульфата, 3-(3-сульфооксифенил)пропановой кислоты и индоксилсульфата в образцах спинномозговой жидкости (СМЖ) от мышей Ctrl и GF, определенное с помощью ЖХ-МС. Данные являются репрезентативными для двух независимых экспериментов n = 8/группа. Данные представляют собой среднее значение ± SEM. Использовались непарные двусторонние t-тесты. Значения P указаны на рисунке.
f, Схематическое изображение оси микробиота-кишечник-мозг при обучении угасанию страха. Наши данные информируют о модели, в которой изменения в микробиоте и ее метаболитах влияют на нейронную функцию и пластичность, связанную с обучением, что может быть связано с измененным синаптическим прунингом, опосредованным микроглией, и впоследствии регулируют поведение угасания страха.
В недавней работе Вуонг и др.продемонстрировали, что материнская микробиота играет решающую роль в таламокортикальном аксоногенезе плода, аксональном разветвлении, соединяющем таламус с корковыми областями мозга.
Впоследствии отсутствие или истощение материнской микробиоты нарушило нейроповеденческие реакции взрослого потомства. Колонизация бактериями, доминантными Clostridia, была достаточной для восстановления аксоногенеза плода, и эффект был опосредован выбранными метаболитами, полученными из бактерий. Было обнаружено, что TMAO, 5-AVA, бетаин 5-аминовалериановой кислоты (5-AVAB), имидазолпропионовая кислота и гиппуровая кислота способствуют аксоногенезу как in vitro, так и in vivo, в отсутствие живых бактерий.
ИТАК. Влияние материнсого питания, бактерий матери на развитие плода. Продолжение....Хотя зависимость от микробиоты и материнская транслокация названных метаболитов к плоду были описаны в нескольких работах 130.Wikoff WR, Anfora AT, Liu J, Schultz PG, Lesley SA, Peters EC, Siuzdak G. Metabolomics analysis reveals large effects of gut microflora on mammalian blood metabolites. Proc Natl Acad Sci U S A. 2009;106(10):3698–3703. doi: 10.1073/pnas.0812874106. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar] https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC2656143/
131.Pessa-Morikawa T, Husso A, Kärkkäinen O, Koistinen V, Hanhineva K, Iivanainen A, Niku M. Maternal microbiota-derived metabolic profile in fetal murine intestine, brain and placenta. BMC Microbiol. 2021;22(1):46. doi: 10.1186/s12866-022-02457-6. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar] https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC8819883/
132.Koistinen VM, Kärkkäinen O, Borewicz K, Zarei I, Jokkala J, Micard V, Rosa-Sibakov N, Auriola S, Aura AM, Smidt H, et al. Contribution of gut microbiota to metabolism of dietary glycine betaine in mice and in vitro colonic fermentation. Microbiome. 2019;7(1):103. doi: 10.1186/s40168-019-0718-2. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar] https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6621954/
Кроме того, нейрогенные свойства метаболитов могут не ограничиваться ранней жизнью, поскольку было обнаружено, что индол, метаболит триптофана, усиливает нейрогенез в гиппокампе взрослых мышей.
Wei GZ, Martin KA, Xing PY, Agrawal R, Whiley L, Wood TK, Hejndorf S, Ng YZ, Low JZY, Nicholson JK, et al. Tryptophan-metabolizing gut microbes regulate adult neurogenesis via the aryl hydrocarbon receptor. Proc Natl Acad Sci U S A. 2021;118(27):e2021091118. doi: 10.1073/pnas.2021091118. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
Нейротрансмиссия
Помимо продукции нейротрансмиттеров, кишечная микробиота и ее метаболиты могут влиять на центральный метаболизм нейроактивных соединений хозяина.130
Наиболее надежными примерами нейротрансмиттеров, полученных из кишечных бактерий, являются производные ароматических аминокислот дофамин и норадреналин и производное глутамата γ-аминомасляная кислота (ГАМК).
Фенилаланин, тирозин и триптофан метаболизируются по восстановительному пути одними и теми же ферментами. Первым шагом является реакция аминотрансферазы, вероятно, катализируемая аминотрансферазой ароматических аминокислот (Aat).
Для окислительного пути фенилпируват и 4-ОН-фенилпируват сначала окислительно декарбоксилируются пируват: ферредоксин оксидоредуктазой A (PorA, CLOSPO_00147-149), затем следуют реакции фосфатацилтрансферазы и ацилкиназы, которые еще предстоит изучить.
Фермент, участвующий в производстве индолилуксусной кислоты, остается неизвестным, однако гены-кандидаты в геноме включают пируват: ферредоксин оксидоредуктазы B и C (PorB, CLOSPO_02262; PorC, CLOSPO_03792).
Преобразования, для которых неизвестны конкретные вовлеченные гены, обозначены красным цветом.
Тирамин, β-(n-оксифенил)-этиламин, HO-C6H4-CH2-CH2-NH2, органическое вещество из группы биогенных аминов. Тирамин найден в спорынье, гниющих тканях, сыре. Отсюда и его название (от греч. tyros – сыр). Физиологически активен (в связи с сосудосуживающим действием повышает кровяное давление, влияет на процессы возбуждения и торможения в нервной системе) и токсичен. Образуется из аминокислоты тирозина под действием бактериальных декарбоксилаз, в частности при гнилостных процессах в кишечнике млекопитающих животных и человека. Обезвреживание избыточного тирамина в живом организме осуществляется в результате его окисления ферментом моноаминоксидазой (МАО)
Более 90% серотонина в организме вырабатывается энтерохромаффинными клетками кишечника, синтезирующими серотонин из триптофана, процесс, в котором кишечные комменсалы играют важную регуляторную роль. 8,9
Было обнаружено, что тирамин, дезоксихолевая кислота и 4-аминобензойная кислота стимулируют синтез серотонина как in vitro, так и in vivo.
Пропионовая кислота улучшила стресс-чувствительность, тревожное и депрессивное поведение у мышей, что сопровождалось снижением активности нескольких гипоталамических генов, участвующих в передаче сигналов о стрессе.144
Метаболиты также могут оказывать отрицательное нейромодулирующее действие: было обнаружено, что введение п-крезола модулирует окситоцинергическую и опиоидергическую системы, оборот дофамина и активность рецепторов в определенных областях мозга, одновременно вызывая негативные черты в социальном и тревожном поведении у мышей или крыс.
48–50
Такие результаты могут частично объяснить вредное воздействие п-крезола на нейроразвитие
Фенилэтиламин является полным агонистом дофаминовых рецепторов, вырабатываемым штаммами Morganella morganii и способным пересекать ГЭБ.15
Ранее описанные 5-AVA и таурин также могут действовать как слабые агонисты рецепторов ГАМКA. 42
Триптамин обнаруживается в низких концентрациях в мозге, вырабатывается выбранными бактериальными штаммами видов Clostridium sporogenes и Ruminococcus gnavus 145 и действует через эпителиальный серотониновый рецептор (5-HT4), рецептор, связанный с G-белком, увеличивая секрецию толстой кишки и время прохождения кишечника, не влияя на экскрецию серотонина толстой кишкой.71
Производные индола накапливаются в мозге; 55,146 перепроизводство индола, будь то острое или хроническое, запускало поведение, подобное тревожности, и стимулировало вагальные афферентные волокна в слизистой оболочке кишечника у крыс.55
Однако у мышей хроническое перепроизводство индола имело неблагоприятные последствия для поведение только тогда, когда мыши подвергались хроническому стрессу.146 Противоречиво, что повышенные индолы, особенно индолилуксусной кислоты, были связаны с уменьшением тревожного поведения у мышей, получавших трансплантацию фекальной микробиоты от пациентов с синдромом раздраженного кишечника и впоследствии лечившихся пробиотическим штаммом Saccharomyces boulardii.147 Индол также способствует кратковременному высвобождению глюкагоноподобного пептида-1 из клеток толстой кишки L,56 в то время как короткоцепочечные жирные кислоты вызывают секрецию как глюкагоноподобного пептида-1, так и пептида YY из энтероэндокринных клеток и лептина из адипоцитов, все гормоны участвуют в регуляции приема пищи, сигнализируя в центральной и периферической нервной системе.10−13
ГЭБ представляет собой полупроницаемый диффузионный барьер, разделяющий циркулирующую кровь и области мозга, за исключением циркумвентрикулярных органов.154 Вместе с астроцитами, перицитами, микроглией, нейронами и внеклеточным матриксом микрососудистые эндотелиальные клетки мозга, соединенные белками плотных контактов, образуют динамическую клеточную систему, поддерживающую гомеостаз мозга. В своей нейропротекторной роли барьер ограничивает попадание патогенов, периферических иммунных факторов и крупных молекул в мозг, а также ограничивает прохождение кишечных метаболитов в ЦНС. Микробиота кишечника жизненно важна для нормальной барьерной функции в пренатальный и постнатальный периоды, поскольку проницаемость ГЭБ была увеличена у ГФ по сравнению с мышами, не содержащими специфических патогенов.73 Более того, колонизация мышей ГФ продуцирующими масляную кислоту C. tyrobutyricum или продуцирующими уксусную и пропионовую кислоту Bacteroides thetaiomicron или пероральное введение бутирата натрия восстановили проницаемость ГЭБ до состояния, наблюдаемого в контрольной группе. Введение бутирата натрия увеличило экспрессию окклюдина в лобной коре и гиппокампе, а также увеличило деацетилирование гистонов мозга, что также было обнаружено у мышей GF, инокулированных C. tyrobutyricum. Соответственно, в мышиной модели черепно-мозговой травмы, характеризующейся тяжелым нарушением ГЭБ, однократная внутрибрюшинная инъекция бутирата натрия воспроизвела частично смягчающие эффекты на целостность ГЭБ за счет повышения экспрессии белка zonula occludens-1 (ZO) и окклюдина.74 Добавление физиологически значимой дозы пропионовой кислоты к in vitro модели человеческого ГЭБ показало, что модуляторный эффект не зависит от экспрессии белка плотного контакта.78 Вместо этого пропионат способствовал целостности ГЭБ за счет смягчения окислительных и провоспалительных путей и снижения экспрессии специфического транспортера эффлюкса, белка 1, связанного с рецептором липопротеинов низкой плотности. Высокоаффинные монокарбоксилатные транспортеры облегчают транслокацию короткоцепочечных жирных кислот и в изобилии экспрессируются на эндотелиальных клетках, нейронах и астроцитах.21 Более того, рецептор короткоцепочечных жирных кислот FFAR3 широко экспрессируется в симпатической нервной системе и был обнаружен в мозговой ткани крыс, но не мышей.
Однако, вопреки выводам исследований in vitro и на крысах, поглощение SCFA в ЦНС, по-видимому, является номинальным у людей, поскольку периферические уровни находятся в мкмолярном диапазоне по сравнению с пикомолярным диапазоном, наблюдаемым в мозговой ткани.21 Это подразумевает, что эффекты SCFA могут скорее быть результатом периферической сигнализации, а не прямого поглощения мозгом, как это было показано в моделях животных.