Метаболіти анаеробних бактерій (летючі жирні кислоти) та реактивність макроорганізму
Академгрупа академіка РАМН Ю.Ф. Ісакова, Москва, Факультет фундаментальної медицини МДУ ім. М.В. Ломоносова
Походження летких жирних кислот (ЛЖК)
Мікроорганізми, що населяють шкіру і слизові людини, найбільшої своєї кількості досягають на слизовій оболонці товстого кишечника, де їх концентрація величезна і становить до 10 12 колонієутворюючих одиниць в 1 мл [1]. Значення власної мікрофлори для людини розкрито над повною мірою, тому часто недооцінюється. Але і на сьогоднішній день ясно, що бактерії відіграють важливу та багатопланову роль у нормальній роботі різних функцій організму.
Бактерії беруть участь у травленні та забезпеченні організму господаря речовинами, необхідними для енергетичних та пластичних процесів, утворюючи своєрідний метаболічний реактор. Вони також беруть участь у протиінфекційному захисті, формуючи колонізаційну резистентність слизових оболонок, та виробляють значну кількість різноманітних фізіологічно активних сполук, що контролюють багато процесів у макроорганізмі.
Серед інших біологічно активних речовин неоднозначним продуктом життєдіяльності анаеробних бактерій можна вважати леткі жирні кислоти (ЛЖК). Утворюючись у значних кількостях у просвіті кишки, вони залишаються байдужими метаболітами бактерій, а активно входять у роботу організму господаря. Напрямки їхньої діяльності надзвичайно різноманітні, що досить незвично для таких простих за хімічною структурою сполук.
ЛЖК - монокарбонові кислоти з довжиною ланцюга до 8 атомів вуглецю, тому в англомовній літературі їх ще називають "short certain fatty acids" (SCFA) - коротколанцюжковими жирними кислотами. До них відносяться оцтова, пропіонова, ізомасляна, масляна, ізовалеріанова,валеріанова, ізокапронова та капронова кислоти. ЛЖК – основний продукт мікробної ферментації вуглеводів, жирів та білків. Виробляються ЛЖК головним чином анаеробними бактеріями, які домінують у складі кишкової мікрофлори. Нерозгалужені ЛЖК – оцтова, пропіонова та масляна – утворюються при анаеробному бродінні вуглеводів, тоді як метаболізація білків веде до утворення розгалужених кислот – ізомасляної (з валіну) та ізовалеріанової (з лейцину) [1]. Багато харчових білків, вуглеводів і рослинної клітковини не перетравлюються людськими травними ферментами і не всмоктуються в тонкому кишечнику, а перетравлюються бактеріями в товстій кишці до ЛЖК, водню, метану і вуглекислого газу [2]. Тому дієта, багата на рослинну клітковину, здатна збільшити утворення ЛЖК в кишечнику.
Основне місце виробництва ЛЖК – кишечник, де щодня утворюється 200-1000 ммоль ЛЖК [1]. Найменші, але також значні кількості ЛШК утворюються мікроорганізмами ротової порожнини та піхви. Бактерії, що населяють шкіру, можуть не виробляти ЛШК [3].
З фекаліями екскретується тільки 2-4% ЛЖК [4], частина кислот утилізується епітеліальними клітинами кишечника як енергетичний субстрат, основна частка кислот всмоктується з нижнього відділу тонкого та з товстого кишечника і потрапляє в портальну вену, де концентрація ЛЖК у внутрішньому середовищі організму максимальна ( до 800 ммоль/л) [1]. Механізм всмоктування швидше за все пов'язаний з обміном на карбонат-аніон при проходженні мембрани ентероциту [5]. Досягши печінки, значна частина ЛШК спалюється у пероксисомах гепатоцитів. У крові, що відтікає від печінки, концентрація ЛШК значно менша і остаточної метаболізації кислоти піддаються в клітинах периферичних тканин. Водночас ЛЖК можуть вільноекскретуватись нирками.
Значення ЛЖК бактерій для макроорганізму
На роль ЛЖК, як основного аніону у просвіті кишечника, вказувалося ще минулого століття [6]. Потім ними займалися переважно ветеринари, досліджуючи роль ЛШК у травленні жуйних тварин. В останні 15 років ці речовини привертають дедалі більшу увагу дослідників людини, внаслідок чого було встановлено їх роль низки фізіологічних і патологічних процесів. В даний час, говорячи про значення ЛЖК для макроорганізму, виділяють їх участь у ряді нижче наведених процесів [1, 4, 5, 7-10].
Регуляція складу мікрофлори.ЛЖК мають відому антибактеріальну активність [11]. Завдяки цьому вони можуть бути важливим фактором у підтримці балансу мікробної екосистеми. Вони можуть перешкоджати колонізації кишечника патогенними мікроорганізмами, наприклад, шигелами і сальмонелами, так і служити промоторами росту деяких анаеробних бактерій.
Підтримка енергообміну.У жуйних тварин ЛШК забезпечують майже 70% енергопотреби організму. Хоча справжній внесок цих кислот в енергетичний баланс людини не встановлено, вважають, що він становить до 20-25% щоденної потреби, особливо якщо їжа багата на рослинну клітковину. Особливо велика роль кислот з парним числом атомів вуглецю - оцтової, олійної та капронової кислот [13].
ЛЖК, особливо масляна кислота, є основним джерелом живлення колоноцитів, забезпечуючи їх енергією майже на 70% [9, 12]. ЛШК стимулюють проліферацію кишкового епітелію [14]. Їхня відсутність у просвіті кишки або порушення утилізації колоноцитами призводить до розвитку виразкового коліту та інших запальних захворювань кишечника [15, 16].
Антиканцерогенна дія.Масляна кислота діє на багато клітинних регуляторів, що беруть участь у диференціювання епітелію товстого кишечника. Численні дослідження показали захисну роль масляної кислоти щодо появи та зростання ракової пухлини товстого кишечника. Можливо, в цьому полягає антиканцерогенна дія дієти, багатої рослинної клітковиною.
У ЛЖК виявлено ще багато інших здібностей, які остаточно не осмислені. Наприклад, регулювати глікогенез та кетоноутворення в печінці [17], розслаблювати гладку мускулатуру кишечника [18] та мезентеріальних судин [19], впливати на експресію різних генів у колоноцитах [20], впливати на рівень деяких гормонів гіпофіза (гонадотропінів [21] гормону [22]), пригнічувати реплікацію вірусів герпесу та цитомегаловірусу [23, 24].
Небезрезультатно досліджується роль ЛШК у патогенезі різних інших патологічних станів: колоректальної аденоми [25], анемії [26], артеріальної гіпертензії [27], антибіотик-асоційованої діареї, інтоксикаційного синдрому, хвороби оперованого кишечника [29], синдрому ], розвиток яких пов'язують із недостатністю ЛШК. Ведуться численні розробки методів лікування вищезгаданих захворювань з використанням безпосередньо ЛШК або дієтичної стимуляції мікрофлори рослинною клітковиною [30].
У цьому огляді ми можемо докладніше зупинитися усім функціях ЛЖК, але цей поверхневий перелік демонструє дивовижну багатогранність біологічної активності цих простих сполук мікробного походження.
На наш погляд, одна надзвичайно важлива властивість ЛШК необґрунтовано замовчується при характеристиці цих сполук. В останні роки проведено досить великекількість досліджень, що показують, що ЛЖК – реально активні модулятори діяльності імунної системи макроорганізму. Не виключено, що саме ця їхня здатність згодом вийде на перший план у розумінні значення ЛЖК у житті людини та її мікрофлори. Ролі ЛЖК у складних взаємовідносинах захисних сил організму господаря з його мікрофлорою та присвячена дана робота.
Вплив ЛЖК на проліферацію Т- та В-клітин
Проліферативна відповідь на стимуляцію – основний показник активності лімфоцитів та їх здатності до антибактеріального захисту. У ряді робіт показано, що ЛЖК жорстко пригнічують здатність Т-і В-клітин до поділу.
У роботах Eftimiadi С. та співавт., що вивчають продукцію ЛЖК анаеробними бактеріями в періодонтальній ділянці, вказувалося на те, що ЛЖК пригнічують активацію лімфоцитів. Особливо виражений імуносупресивний ефект був виявлений у олійної кислоти [31]. Відомо, що масляна кислота здатна стримувати реактивність та проліферативну відповідь Т-клітин на антигенну стимуляцію, що пов'язують з пригніченням клітинного циклу ранню G1-фазу зростання [32].
У роботі японських дослідників Kishiro Y. та співавт. [33] було показано, що масляна кислота в концентрації 200-600 мкМ значно підвищувала продукцію антитіл до еритроцитів барана в культурі клітин селезінки миші і чинила пригнічуючу дію на проліферативну реакцію спленоцитів у відповідь на дію таких стимуляторів, як ліпополісахарид (Л (Con А).
При дослідженні впливу ЛШК на проліферацію та продукцію цитокінів мишачими селезінковими клітинами [34] було отримано, що низькомолекулярні термостабільні речовини з фільтрату культур Porphyromonas gingivalis, Prevotella loescheii та Fusobacterium nucleatum (анаеробні бактерії, що викликаютьзахворювання пародонту) значно пригнічували проліферацію клітин, стимульованих СоnА або ЛПС. Летючі жирні кислоти (масляна, пропіонова, валеріанова, ізовалеріанова), екстраговані з імуносупресивного супернатанту, дозозалежно і ефективніше, ніж нелеткі жирні кислоти, пригнічували проліферацію Т-і В-клітин.
У роботі Eftimiadi С. та співавт. [35] вивчався вплив пропіонової, масляної та ізомасляної кислот на проліферацію Т-клітин. Було отримано дозозалежний ефект придушення поділу клітин, стимульованих фітогемагглютиніном при мілімолярних концентраціях ЛШК. При цьому за своєю активністю масляна кислота перевершувала пропіонову, а пропіонову - ізомасляну.