Ученые обнаружили: недостаток клетчатки заставляет микробы повреждать защиту кишечника

Фото из открытых источников

Растительные диеты поддерживают здоровье несколькими способами, включая пользу для кишечника, иммунной системы, обмена веществ и сердечно-сосудистой системы. Часть этого эффекта связана с стимулированием разнообразной популяции бактерий в кишечнике. Учёные давно знают, что пищевые волокна способствуют этим преимуществам, потому что микробы кишечника помогают их расщеплять. Растения также содержат яркие «фитохимикаты», которые помогают защищать их от экологических угроз и могут влиять на здоровье человека. Тем не менее, исследователи всё ещё работают над тем, чтобы понять, как бактерии кишечника обрабатывают многочисленные компоненты растительной пищи и как эти взаимодействия оказывают положительные эффекты.

Два исследования под руководством Дженны Абу Салим из Людвига Принстона и режиссёра Джошуа Рабиновица дают новое понимание этого процесса. Один из них опубликован в текущем номере Proceedings of the National Academy of Sciences, а другой был опубликован в Nature Metabolism в июне. Первое исследование показало, что растительная клетчатка и некоторые растительные белки могут изменять метаболизм микроорганизмов таким образом, что увеличивает количество полезных метаболитов, одновременно снижая вредные. Второй показал, что несколько биологически важных метаболитов, обычно приписываемых микробам кишечника, также могут вырабатываться в значительных количествах метаболизмом млекопитающих.

«Растёт интерес в медицинских дисциплинах к манипуляции микробиомом человека или использованию его метаболических продуктов для терапии», — сказал Рабинович.

«Диета даёт большие перспективы для контроля микробиома и его выходов. Но чтобы разработать эффективные терапевтические вмешательства, нам нужно понять, какие аспекты рациона контролируют какие микробные выделения.»

Как растительные продукты изменяют метаболиты кишечника

В исследовании PNAS Рабинович, АбуСалим и их коллеги изучали, как растительные продукты влияют на метаболиты фенолов. Кишечные бактерии вырабатывают эти соединения при переваривании аминокислот тирозина и фенилаланина, но полученные метаболиты могут оказывать совершенно иное влияние на здоровье.

Фенилпропионат и гиппуриновая кислота образуются при переработке фенилаланина бактериями и связаны со здоровьем кишечника и здоровым весом тела. В отличие от этого, сульфат p-крезоля и фенолсульфат получают из тирозина и связаны с ухудшением исходов у онкологических пациентов, а также с системной токсичностью у людей с заболеваниями почек.

«Наши исследования показали, что как клетчатка, так и неперевариваемые белки растений — которые мы называем "белки, имитирующие клетчатку" или Prif — смещают баланс метаболитов фенолов с вредного тирозина на здоровый вариант, полученный из фенилаланина», — сказал Абу Салим.

Клетчатка давно признана важной частью здорового питания, но неперевариваемые растительные белки получают гораздо меньше внимания. АбуСалим, Рабинович и их коллеги обнаружили, что эти белки перерабатываются кишечными микробами и могут изменять как состав микробиома, так и метаболизм хозяина. Работая вместе с неперевариваемой растительной клетчаткой, они также могут изменять метаболическую активность кишечных бактерий таким образом, что способствует образованию полезных фенолов.

Когда бактерии кишечника обращаются к слизистой кишечной оболочке

Чтобы проследить происхождение этих соединений, исследователи маркировали белки стабильными (нерадиоактивными) изотопами и отслеживали их переваривание в кишечнике мыши. Они обнаружили, что «плохие» фенолы образуются, когда бактерии потребляют белки хозяина, включая белки, содержащиеся в слизистой оболочке кишечника. Хорошие фенолы, напротив, почти полностью поступали из неперевариваемых белков рациона (Prif).

Клетчатка уменьшала бактериальное разложение слизистой слизистой кишечника, что, в свою очередь, снижало выработку вредных фенолов. Prif увеличил количество пищевого белка, попадающего в микробы кишечника, давая им больше материала для производства полезных фенолов.

«Мы считаем, что прифы представляют собой новый класс пищевых питательных веществ, которые формируют состав микробиома кишечника и могут оказать далеко идущее влияние на метаболическое здоровье», — сказал Абу Салим.

«Упаковка продуктов еды может в конечном итоге указывать Prif прямо ниже клетчатки», — сказал Рабинович.

Переосмысление, откуда берутся метаболиты кишечника

Исследование Nature Metabolism было сосредоточено на происхождении феноловых метаболитов, а также индольных метаболитов, которые производятся из аминокислоты триптофана. Как и фенолы, индолы изучаются на предмет их возможной терапевтической ценности.

Метаболиты индола связаны с широким спектром заболеваний, включая воспалительные заболевания кишечника, нейродегенеративные заболевания и рак. В исследованиях рака они влияют на процессы, включающие метастазирование рака и противоопухолевые иммунные ответы.

Учёные обычно предполагали, что фенолы и индолы производятся только кишечными бактериями. Абу Салим, Рабинович и их коллеги решили проверить это предположение. Исследователи особенно заинтересованы в диетических и пробиотических подходах, которые могут увеличить уровень полезных метаболитов индола. Однако эти стратегии, возможно, придется пересмотреть, если за большую часть циркуляции в организме отвечает метаболизм млекопитающих, а не микробы.

Используя трассировку изотопов у мышей, крыс и человеческих клеток, исследователи обнаружили, что метаболизм млекопитающих может самостоятельно производить множество метаболитов индола и фенола. К ним относились важные соединения, такие как индол-3-лактат и индол-3-ацетат.

У мышей циркулирующие уровни этих метаболитов оставались высокими даже после нарушения микробиома лечением. Похожая картина наблюдалась у образцов пациентов, принимающих антибиотики, включая пациентов с раком. В то же время метаболиты, вырабатываемые исключительно микробами, включая индол-3-пропионат и сульфат p-крезол, снизились после обработки антибиотиками.

Новые подсказки для диетических и микробиомных терапий

Вместе эти два исследования дают более чёткое представление о том, откуда берутся метаболиты фенола и индола и как они производятся. Результаты могут повлиять на разработку терапий, направленных на повышение или снижение уровня специфических метаболитов.

Они также добавляют важные детали в понимание учеными того, как диета взаимодействует с микробиомом. Знание, какие продукты влияют на конкретные микробные продукты, в конечном итоге может помочь исследователям разрабатывать более точные диетические, пробиотические или метаболические вмешательства.

«Кроме того, — сказал Рабинович, — более чёткое представление о том, как разные продукты взаимодействуют с микробиомом для модуляции выработки бактериальных метаболитов, поможет уточнить рекомендации, которые диетологи и врачи могут дать людям по профилактике заболеваний и терапии.»