Рейчъл Н. Кармоди и Питър Дж. Търнбоу

Център за системна биология на FAS, Харвардски университет, Кеймбридж, Масачузетс, САЩ.

терапевтични

Адресна кореспонденция на: Peter J. Turnbaugh, FAS Center for System Biology, Harvard University, 52 Oxford Street, Cambridge, Massachusetts 02138, USA. Телефон: 617.384.9238; Имейл: [email protected].

Намерете статии от Carmody, R. в: JCI | PubMed | Google Scholar

Център за системна биология на FAS, Харвардски университет, Кеймбридж, Масачузетс, САЩ.

Адресна кореспонденция на: Peter J. Turnbaugh, FAS Center for System Biology, Harvard University, 52 Oxford Street, Cambridge, Massachusetts 02138, USA. Телефон: 617.384.9238; Имейл: [email protected].

Намерете статии от Turnbaugh, P. в: JCI | PubMed | Google Scholar

Публикувано на 8 август 2014 г. - Повече информация

Свързаните ни микробни общности играят критична роля за човешкото здраве и предразположение към болести, но степента, в която те също оформят терапевтични интервенции, не е добре разбрана. Тук интегрираме резултати от класически и настоящи изследвания на прякото и непрякото въздействие на чревния микробиом върху метаболизма на терапевтични лекарства и биоактивни съединения, получени от диета. Ние обръщаме специално внимание на микробните влияния върху отговорите на гостоприемника към ксенобиотиците, добавяйки към нарастващия консенсус, че резултатите от лечението отразяват нашето интимно партньорство с микробния свят, и предоставяме начална рамка, от която да разгледаме по-изчерпателен поглед върху фармакологията и храненето.

Човешкото тяло е дом на сложна микробна екосистема. В стомашно-чревния тракт се помещава най-многобройната микробна общност (чревната микробиота), състояща се от приблизително 10 13 микробни клетки (1). Заедно съвкупните геноми на чревната микробиота кодират над 100 пъти повече уникални гени от приблизително 20 000 гена, кодиращи протеини, открити в човешкия геном и близо 20 000 генни семейства (2). Следователно не е изненадващо, че тези гени и техните кодирани метаболитни дейности (чревния микробиом) разширяват метаболитните възможности на гостоприемника. В този преглед ние се фокусираме върху една конкретна област от критично значение за клиничната практика и разследване: въздействието на чревния микробиом върху ксенобиотиците, чужди съединения, включително терапевтични лекарства и биоактивни съединения, получени от диета (Фигура 1). Ние изтъкваме ключови проучвания, които илюстрират широчината на микробните влияния и разнообразието на участващите механизми, като същевременно предоставят първоначални доказателства, че междуиндивидуалните различия в човешкия чревен микробиом допринасят за вариациите в ксенобиотичния отговор. Накрая обсъждаме как тази нововъзникваща област на изследване може да се използва най-добре за подобряване на медицината през следващите години.

Чревна микробна модулация на ксенобиотичния метаболизъм. Директните механизми включват (i) производство на активни съединения, (ii) детоксикация и (iii) директно свързване с бактериални клетки. Косвените механизми включват микробна манипулация на физиологията на гостоприемника. (iv) Микробно участие в ентерохепатален цикъл: (1) съединенията се инактивират чрез конюгация в черния дроб; (2) конюгираното съединение преминава в жлъчка и се екскретира в чревния лумен; (3) микробни ензими освобождават конюгатната група, реактивирайки съединението; и (4) активното съединение възстановява циркулацията. (v) Променена експресия на гени гостоприемници, участващи в метаболизма на ксенобиотиците. (vi) Променена кинетика, дължаща се на микробни метаболити, конкуриращи се с ксенобиотици за местата на свързване на ензимите. (vii) Микробно производство на междинни продукти по метаболитен път. (viii) Стимулиране на имунните отговори чрез транслокация или възпаление.

Ксенобиотичният метаболизъм обикновено включва ензимното превръщане на лесно абсорбираните липофилни съединения в хидрофилни продукти за екскреция. Черният дроб е основното място на тези преобразувания, но съответните биотрансформации се срещат и в стомашно-чревния тракт и други тъкани (3). Въпреки че специфичният набор от реакции варира в зависимост от съединението, в много случаи ензимите на цитохром P450 (CYP450), карбонил редуктазите, карбоксилестеразите и други ензими първо променят ксенобиотиците чрез окисляване, редукция и/или хидролиза. След това трансферазите конюгират получените продукти със заредени видове като глюкуронова киселина и сулфат, образувайки полярни производни, които се екскретират по-лесно чрез жлъчка или урина (4).

Благодарение на разнообразието си от ензимни дейности, чревният микробиом може да метаболизира много съединения по начини, по които хората не могат. Известно е, че над 40 терапевтични и диетични биоактивни съединения претърпяват директна микробна модификация (подробни прегледи: референции 5 - 7), но в почти всички случаи отговорните микробни видове или консорциуми остават неизвестни. По-долу изтъкваме примери за директен микробен метаболизъм на ксенобиотици, при които са изяснени връзките между свойствата на микробната общност и съответните биохимични трансформации. В допълнение, ние предоставяме примери за съединения, чиято дейност изглежда се променя чрез физическо свързване с микробни клетки.

Микробно производство на активни съединения. Чревният микробиом може да превърне неактивните терапевтични средства (т.е. пролекарства) и диетичните биоактивни вещества в техните полезни форми. Например, пролекарството сулфасалазин, предписано за улцерозен колит, се състои от противовъзпалителна молекула на 5-аминосалицилова киселина (5-ASA), свързана със сулфапиридинова молекула чрез N-N двойна връзка (Фигура 2). Лекарството остава неактивно, докато достигне дисталното черво, където азоредуктазите, кодирани от чревния микробиом, разцепват N-N двойната връзка, за да освободят активен 5-ASA (8). По този начин анализите на фекалиите от конвенционални животни отразяват пълното превръщане в съставни молекули, докато животните без микроби или третирани с антибиотици отделят пролекарството (8).

Механизми на пряка микробна интерференция с избрани терапевтични и диетични съединения. Вижте текста на статията за подробни описания на тези взаимодействия.

По същия начин плодовете, зеленчуците, зърнените култури и кафето съдържат конюгирани хидроксицинамати, антиоксидантни и противовъзпалителни съединения, които се активират след микробна биотрансформация (9 - 11). Активните съединения - включително кофеинова киселина, ферулова киселина и стр-кумарова киселина - обикновено присъстват като естерни конюгати в растенията (Фигура 2). Хората зависят от чревния микробиом за цинамоиловите естерази, необходими за разцепване на тези естерни връзки, което обяснява защо кофеилът, ферулоилът и стр-кумароиловите групи съществуват в естерифицирана форма в проксималното черво, но като свободни киселини в дебелото черво (12, 13). Членове на Bifidobacterium, Лактобацилус, и Ешерихия експериментално е показано, че в човешките черва хидролизират естери на кофеинова киселина и ферулова киселина (11); тази дейност обаче е вероятно по-широко разпространена, тъй като много бактерии и гъби произвеждат цинамоил естерази (14). Има няколко допълнителни примера за микробен метаболизъм на диетични съединения, които дават биоактивни молекули, включително хидролиза на циказин в канцерогенния гликозид метилазоксиметанол (15), производство на нестероиден естроген еквал от соевия изофлавоноид даидзеин (16) и освобождаване на агликони с противоракови свойства от антоцианини (17).

Чревният микробиом също детоксикира хранителните съединения. Например, много растения произвеждат оксалат (22), силен хелатиращ агент, който се свързва с Ca 2+ и други катиони на свободни метали, допринасяйки за хипероксалурия, камъни в бъбреците, бъбречна недостатъчност и нарушения на сърдечната проводимост (23 - 25). При бозайниците липсват ензимите, необходими за детоксикация на оксалат, като вместо това разчитат на микробна биотрансформация (справка 26 и фигура 2). Известно е, че три микробни ензима участват в катаболизма на оксалат: оксалат: формиат антипортер, който позволява на оксалат да навлезе в бактериалната клетка; формил-КоА трансфераза, която превръща оксалат в оксалил-КоА; и оксалил-КоА декарбоксилаза, която дава формил-КоА. Oxalobacter formigenes е една от ключовите бактерии, отговорни за тази реакция: (а) може да използва оксалат като единствен източник на въглерод (27); б) липса на О. формигени е свързан с повишен риск от хипероксалурия и камъни в бъбреците (28); и в) администриране на О. формигени намалява концентрациите на оксалат в урината (29, 30).

Директното свързване от чревните микроби също може да има благоприятни ефекти. Хетероцикличните амини (HCA) се образуват по време на овъгляването на месо, птици и риби чрез катализирана от топлината кондензация на креатин, аминокиселини и монозахариди, присъстващи в мускулната тъкан (39). Епидемиологичните проучвания съобщават за връзка между приема на HCA и повишения риск от рак на дебелото черво (40, 41), като експериментите in vitro и опитите за хранене на животни подкрепят причинно-следствена връзка (39, 42). Многобройни изследвания съобщават, че млечнокиселите бактерии, присъстващи в човешките черва и във ферментиралите храни, могат директно да се свързват с 2-амино-1-метил-6-фенилимидазо [4,5-б] пиридин (PhIP), 2-амино-3-метилимидазо [4,5-е] хинолин (IQ), 2-амино-3,8-диметилимидазо [4,5-е] хиноксалин (MeIQx), 3-амино-1-метил-5З.-пиридо (4,3-б) индол (Trp-P-2) и други важни мутагени, получени от диета (42 - 45), потенциално предотвратяващи индуциране на увреждане на ДНК и пренеопластични лезии (справка 46 и фигура 2). Необходими са допълнителни проучвания, за да се изясни обхватът на бактериите, способни да се свързват директно с HCA, механизмите на свързване, физиологичните ефекти върху бактериите и гостоприемника и значението на тези явления за канцерогенезата.

В допълнение към директната промяна на ксенобиотиците, неотдавнашната работа подчертава, че метаболизмът на ксенобиотиците в гостоприемника се определя от чревния микробиом. По-долу предоставяме примери за разнообразните механизми, чрез които е известно, че чревните микроби влияят върху метаболизма на ксенобиотиците на гостоприемника. По-нататъшната работа в тази област обещава да изясни дългогодишни въпроси за това как общуваме със свързаните с нас микроби.

Механизми на микробна модулация на ксенобиотичния метаболизъм на гостоприемника за избрани терапевтични и получени от диета съединения. Вижте текста на статията за подробни описания на тези взаимодействия.

Променена експресия на ген на гостоприемник поради колонизация на микроби. Сега се появяват доказателства, че наличието на чревна микробиота може да промени ключовите ензими-гостоприемници, участващи в метаболизма на ксенобиотиците. Например, многобройни проучвания показват, че чернодробната експресия на гените CYP450 се различава между конвенционалното и състоянието без микроби (60 - 62). Без микроби мишки показаха повишена експресия на P450 оксидоредуктаза, единственият донор на електрон за ензимите CYP450 тип II, и повишена експресия на конститутивния андростанов рецептор (CAR), който служи като главен регулатор на чернодробния ксенобиотичен метаболизъм (62). Тези разлики бяха функционално значими; мишки без микроби се възстановяват с 35% по-бързо от анестезия, предизвикана от пентобарбитал, отколкото конвенционалните животни (Фигура 3). Един потенциален механизъм е, че повишените нива на CAR активаторите билирубин, първични жлъчни киселини и стероидни хормони при безклетъчни животни могат да увеличат експресията на CAR и следователно да увеличат скоростта на метаболизма.

По подобен начин наскоро беше показано, че l-карнитинът, съединение, богато на червено месо, ускорява атеросклерозата при хората чрез микробното производство на ТМА и последващото чернодробно производство на ТМАО (74). Предизвикателствата на l-карнитин, приложени след едноседмичен курс на широкоспектърни антибиотици, доведоха до почти пълно потискане на производството на ТМАО, като производството на ТМАО се върна след отнемане на антибиотика. Интересното е, че индуцираните от диетата вариации в чревните микробни общности при субектите водят до разлики в производството на TMAO след орално предизвикване на l-карнитин, като всеядните субекти показват повишен капацитет за образуване на TMAO в сравнение с веганите или вегетарианците. Заедно тези открития са в съответствие със задължителната роля на чревния микробиом в образуването на ТМАО от 1-карнитин и предполагат, че диетичната история може потенциално да увеличи рисковете от ССЗ, свързани с приема на предшественици на ТМА.

Втори, смъртоносен пример за въздействието на конкуренцията за местата на свързване на ензима на гостоприемника върху метаболизма на ксенобиотиците идва от антивирусния агент соривудин. През 1993 г. са съобщени 18 смъртни случая и многобройни случаи на сериозни нежелани реакции сред японски пациенти с рак с вирусно заболяване херпес зостер, на които е предписан соривудин върху съществуващите курсове на противотуморното лекарство 5-флуороурацил (5-FU) или един от няколко 5 -FU пролекарства. Комбинираната терапия доведе до токсично натрупване на 5-FU поради инхибиране на 5-FU катаболния ензим дихидропиримидин дехидрогеназа (DPD) чрез необратимо свързване чрез (Е.) -5- (2-бромовинил) урацил (BVU), микробен метаболит на соривудин (реф. 80 и фигура 3). Плъховете без микроби и лекувани с антибиотици избягват вредните ефекти на комбинираната терапия, подчертавайки критичната роля на чревната микробиота в това фатално лекарствено взаимодействие. За съжаление, тези смъртни случаи биха могли да бъдат предотвратени, тъй като механизмите на микробното преобразуване на соривудин-BVU, абсорбцията на BVU в червата и наблюдението, че BVU необратимо инхибира DPD на черния дроб на плъх, което води до повишена плазмена концентрация на 5-FU след коинжекция на 5-FU и BVU вече са докладвани в литературата (81).

Връзки между микробите, имунитета и ксенобиотиците. Последните проучвания на противоракови лекарства показват, че чревният микробиом може също да повлияе на ефикасността на лекарството, като стимулира имунната система на гостоприемника. Например, сред мишки, носещи тумор, получаващи имунотерапия с CpG-олигонуклеотид, антибиотичното лечение намалява производството на TNF и провъзпалителни цитокини, компрометирайки антитуморната активност на клетки, получени от миелоиди (реф. 82 и фигура 3). Уредът с LPS е възстановен Tnf експресия при мишки без микроби, но не и при мишки, които нямат TLR за LPS (Tlr4 -/- ), което предполага, че производството на LPS от Грам-отрицателни бактерии подготвя имунната система на гостоприемника за CpG-олигонуклеотидна имунотерапия. Потвърждаване на този модел, Tnf експресията е положително корелирана с изобилието на Грам-отрицателния род Алистипес, и инокулация чрез Алистипес след антибиотично лечение спаси производството на TNF (82).

Грам-положителните бактерии също са кредитирани за подобряване на ефикасността на лекарствата срещу рак. Чревната пропускливост, причинена от противораковото пролекарство циклофосфамид, доведе до значителна транслокация на Грам-положителни бактериални видове (главно Lactobacillus johnsonii и Enterococcus hirae) навън от червата и в мезентериални лимфни възли и далак (справка 83 и фигура 3). Транслоцираните бактерии стимулират диференциацията на патогенни Th17 (pTH17) клетки от наивни CD4 + Т клетки in vitro и in vivo, докато контролните бактерии и пречистеният LPS не предизвикват отговор. Без микробни мишки или мишки, лекувани с ванкомицин, антибиотик, който е насочен главно към Грам-положителни бактерии, показват намаляване на pTH17 отговорите, които инхибират антитуморните ефекти на циклофосфамид, с възприемане на трансфер на pTH17 клетки в третирани с ванкомицин мишки, спасяващи тези ефекти.

Заедно такива проучвания показват, че обичайната практика за прилагане на антибиотици с химиотерапия, обикновено се прави, за да се компенсира ниският брой на белите кръвни клетки, носи по-рано неоценени терапевтични рискове. Необходима е допълнителна работа за определяне на относителния принос на директното стимулиране на имунната система от бактериални антигени и непреки ефекти, дължащи се на микробен метаболизъм на администрираните съединения и/или микробни модификации на метаболизма на ксенобиотик гостоприемник. Също така ще бъде важно да се тества дали междуиндивидуалните вариации в структурата и функцията на микробната общност допринасят за клинично значимите промени в лекарствения отговор.

Предстоят много предизвикателства. Присъщата сложност на взаимодействията между гостоприемника и микробите е накарала Никълсън и Уилсън (84) да сравнят ксенобиотичния метаболизъм с пачинко (японски пинбол), при който резултатът се определя от вероятностното движение и сблъсъците на безброй елементи на гостоприемника и микробните органи. В техния модел съдбата на топка (ксенобиотик) с определен размер и форма (биохимични свойства) ще зависи от разпределението на щифтовете (човешки и микробни ензими), които определят пътя му през машината (тялото) и вероятната точка в от която излиза (екскреция). Вероятностният модел се усложнява допълнително, тъй като броят и позицията на щифтовете непрекъснато се променят, реагирайки на взаимодействията между генетиката на гостоприемника, състава и функцията на чревната микробна общност и многобройните фактори на околната среда.

Основните въпроси относно ролята на чревния микробиом остават без отговор за по-голямата част от терапевтичните и диетични ксенобиотици и за микробния метаболизъм като цяло. Какви са включените микробни таксони и молекулярни механизми? Кои метаболитни дейности са повсеместни и кои варират в зависимост от гостоприемника? Как факторите гостоприемник и околната среда влияят върху метаболизма на микробите? До каква степен микробният метаболизъм е стабилен, трансмисивен и устойчив на смущения? Влияе ли миналото излагане на дадено съединение върху бъдещия микробен отговор? Какви селективни сили са оформили еволюцията на микробните ензими за метаболизма на ксенобиотиците и какъв е обхватът на достъпните природни и чужди субстрати? В крайна сметка отговорът на такива въпроси може да бъде ключът към по-изчерпателен поглед върху човешката биология и по-предсказуем и персонализиран подход към медицината.

Искрено се извиняваме на многобройните ни изключителни колеги, чиято работа беше пропусната поради ограничение на пространството; все още е необходим по-изчерпателен преглед по този въпрос. Благодарим на Емили Балскус, Ницан Копел, Кристен Сейм и 3-те анонимни рецензенти за полезни коментари по ръкописа. Тази работа беше подкрепена от NIH (1F32DK101154, P50GM068763) и програмата Bauer Fellows в Харвардския университет.

Конфликт на интереси: Понастоящем Peter J. Turnbaugh се финансира от Ethicon за работа, несвързана с тази прегледна статия.

Справочна информация: J Clin Invest. 2014; 124 (10): 4173–4181. doi: 10.1172/JCI72335.