Дисбиоз как альтернативное состояние микробиома: роль метаболических связей между бактериями
Дисбаланс микробиома кишечника (дисбиоз) связан с рядом заболеваний, включая ожирение, диабет, воспалительные заболевания кишечника, инфекцию Clostridioides difficile, синдром раздраженного кишечника и др.
Само понятие дисбиоза остается недостаточно определенным. Поскольку он затрагивает не отдельные виды, а целые сообщества бактерий, для его описания требуется системный подход. Ранее в качестве маркера дисбиоза предлагалось использовать снижение микробного разнообразия, однако исследователи из Испании и США показали, что это упрощение. При воспалительных заболеваниях кишечника и инфекции Clostridioides difficile разнообразие действительно снижается по сравнению со здоровыми контролями, тогда как при синдроме раздраженного кишечника и колоректальном раке это наблюдается не всегда.
Современные исследования исходят из гипотезы, что здоровье и дисбиоз представляют собой альтернативные стабильные состояния микробиоты с различными таксономическими и функциональными конфигурациями. Однако на микробиоту влияет множество внешних факторов — диета, лекарства, образ жизни, — что затрудняет выявление таких состояний. Авторы представили математическую модель, специально разработанную для изучения экологической динамики кишечного микробиома и механизмов, лежащих в основе его коллективных состояний. Модель учитывает динамику бактерий и нутриентов, а также возможность питания одних бактерий метаболитами других.
В итоге модель успешно воспроизвела хорошо известные макроэкологические закономерности микробиома кишечника, которые наблюдаются эмпирически. Авторы выделили два класса состояний: один характеризуется быстрой сменой многих бактериальных линий, а другой — доминированием нескольких линий с квазистационарной численностью. Они связали первое состояние со здоровой микробиотой, а второе — с дисбиозом. Второе состояние было ассоциировано со значительным снижением альфа-разнообразия, а также числа ферментов и секретируемых метаболитов.
Анализ микробиоты здоровых людей и пациентов с воспалительными заболеваниями кишечника подтвердил предсказания модели. Развитие дисбиоза связано с потерей некоторых метаболических путей, так что некоторые функции теряются, а другие представлены слишком широко. Однако бета-разнообразие было ниже в здоровом состоянии, то есть здоровые микробиомы больше походят друг на друга, чем микробиомы в состоянии дисбиоза.
При дисбиозе бактериальные линии метаболизируют наиболее энергетически богатые ресурсы с меньшим количеством более прямых метаболических путей, что позволяет эффективно использовать доступные ресурсы. Бактерии в здоровом состоянии, напротив, показали большую функциональную избыточность с перекрытием метаболических путей. При переходе от здорового состояния к дисбиозу появляются консорциумы бактерий, формирующие метаболическую петлю или короткую цепь, которые эффективно метаболизируют все ресурсы и начинают доминировать в микробиоте.
Авторы разработали новую метрику под названием Индекс экологического баланса сети (Ecological Network Balance Index, ENBI), которая показывает, в каких микробных сообществах доминируют конкурентные или кооперативные взаимодействия. При дисбиозе преобладает комменсализм и мутуализм, а при здоровом состоянии — конкуренция за ресурсы. Это объясняет, почему лечение дисбиоза, например, фекальная трансплантация, не всегда эффективно.
По словам старшего автора исследования Хуана Боначелы, терапия часто основывается на идее «добавления нужных бактерий». Однако если проблема заключается в утрате ключевых взаимодействий между микробами, простое введение отдельных видов может не восстановить экосистему. Вероятно, клинический эффект трансплантации фекальной микробиоты связан не столько с внедрением отдельных бактерий, сколько с восстановлением целостных микробных сообществ.
Источник: https://pcr.news/novosti/disbioz-kishechnika-osnovan-na-dlitelnom-podavlenii-konkurentov/