Когда кишечным бактериям не хватает клетчатки, они могут начать "есть" вас

Растительная пища благотворно влияет на здоровье, поддерживая кишечник, иммунную систему, обмен веществ и сердечно-сосудистую систему. Частично этот эффект обусловлен стимуляцией разнообразия кишечных бактерий. Ученым давно известно, что пищевые волокна способствуют этим преимуществам, поскольку кишечные микробы помогают их расщеплять. Растения также содержат яркие "фитохимические вещества", которые защищают их от внешних угроз и могут влиять на здоровье человека. Тем не менее, исследователи все еще пытаются точно понять, как кишечные бактерии перерабатывают многочисленные компоненты растительной пищи и как эти взаимодействия приводят к полезным эффектам.

Два исследования под руководством Дженны АбуСалим из Ладдигского Принстонского университета и директора Джошуа Рабиновица дают новое понимание этого процесса. Одно из них опубликовано в текущем выпуске Proceedings of the National Academy of Sciences, а другое — в журнале Nature Metabolism в июне. Первое исследование показало, что растительная клетчатка и определенные растительные белки могут изменять метаболизм микробов, увеличивая количество полезных метаболитов и уменьшая вредные. Второе исследование показало, что ряд биологически важных метаболитов, которые обычно относят к работе кишечных микробов, могут также в значительных количествах производиться метаболизмом млекопитающих.

"Наблюдается растущий интерес во всех медицинских дисциплинах к манипулированию человеческим микробиомом или использованию его метаболических продуктов для терапии", — сказал Рабиновиц. "Диета обладает большим потенциалом для контроля над микробиомом и его продуктами. Но для разработки эффективных терапевтических вмешательств нам необходимо понимать, какие аспекты диеты контролируют определенные микробные продукты".

Как растительная пища меняет метаболиты кишечника

В исследовании PNAS Рабиновиц, АбуСалим и их коллеги изучали, как растительная пища влияет на фенольные метаболиты. Кишечные бактерии создают эти соединения при переваривании аминокислот тирозина и фенилаланина, но получаемые метаболиты могут оказывать совершенно разное влияние на здоровье.

Фенилпропионат и гиппуровая кислота образуются, когда бактерии перерабатывают фенилаланин, и они связаны с здоровьем кишечника и нормальным весом тела. В отличие от них, п-крезолсульфат и фенолсульфат образуются из тирозина и связаны с худшими исходами у пациентов с раком, а также с системной токсичностью у людей с заболеваниями почек.

"Наши исследования показали, что как клетчатка, так и неусваиваемые белки из растений — которые мы называем 'имитирующими клетчатку белками' или Prif — смещают баланс фенольных метаболитов от вредных, образующихся из тирозина, к полезным, получаемым из фенилаланина", — сказала АбуСалим.

Клетчатка давно признана важной частью здоровой диеты, но неусваиваемые растительные белки получили гораздо меньше внимания. АбуСалим, Рабиновиц и их коллеги обнаружили, что эти белки перерабатываются кишечными микробами и могут изменять как состав микробиома, так и метаболизм хозяина. Работая совместно с неусваиваемой растительной клетчаткой, они также могут изменять метаболическую активность кишечных бактерий таким образом, что это способствует производству полезных фенолов.

Когда кишечные бактерии обращаются к слизистой кишечника

Чтобы проследить, откуда берутся эти соединения, исследователи маркировали белки стабильными (не радиоактивными) изотопами и отслеживали их переваривание в кишечнике мышей. Они обнаружили, что "плохие" фенолы образовывались, когда бактерии потребляли белки хозяина, включая белки, содержащиеся в слизистой оболочке кишечника. Хорошие фенолы, напротив, почти полностью поступали из неусваиваемых белков в пище (Prif).

Клетчатка уменьшала бактериальное расщепление слизистой оболочки кишечника, что, в свою очередь, снижало выработку вредных фенолов. Prif увеличивали количество пищевого белка, достигающего кишечных микробов, давая им больше материала для производства полезных фенолов.

"Мы считаем, что Prif представляют собой новый класс пищевых нутриентов, которые формируют состав кишечного микробиома и могут оказывать широкое влияние на метаболическое здоровье", — сказала АбуСалим.

"Возможно, в будущем на упаковках продуктов питания Prif будут указывать прямо под клетчаткой", — сказал Рабиновиц.

Переосмысление происхождения кишечных метаболитов

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

Индольные метаболиты связаны с широким спектром заболеваний, включая воспалительные заболевания кишечника, нейродегенеративные расстройства и рак. В исследованиях рака было обнаружено, что они влияют на такие процессы, как метастазирование рака и противоопухолевые иммунные реакции.

Ученые в целом предполагали, что фенолы и индолы производятся только кишечными бактериями. АбуСалим, Рабиновиц и их коллеги решили проверить это предположение. Исследователи особенно интересовались диетическими подходами и пробиотиками, которые могли бы увеличить количество полезных индольных метаболитов. Но эти стратегии, возможно, придется пересмотреть, если именно метаболизм млекопитающих, а не микробы, отвечает за значительную часть того, что циркулирует в организме.

Используя изотопное мечение у мышей, крыс и человеческих клеток, исследователи обнаружили, что метаболизм млекопитающих может самостоятельно производить многие индольные и фенольные метаболиты. К ним относились важные соединения, такие как индол-3-лактат и индол-3-ацетат.

У мышей циркулирующие уровни этих метаболитов оставались высокими даже после того, как антибиотикотерапия нарушила микробиом. Аналогичная картина наблюдалась в образцах от пациентов, принимающих антибиотики, включая пациентов с раком. В то же время, метаболиты, производимые исключительно микробами, включая индол-3-пропионат и п-крезолсульфат, снизились после антибиотикотерапии.

Новые подсказки для диетических и микробиомных терапий

В совокупности два исследования дают более ясное представление о происхождении фенольных и индольных метаболитов и о том, как они производятся. Результаты могут повлиять на разработку терапевтических подходов, направленных на повышение или понижение уровня определенных метаболитов.

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

"Кроме того", — сказал Рабиновиц, — "более четкое понимание того, как различные продукты взаимодействуют с микробиомом для модуляции производства бактериальных метаболитов, поможет уточнить рекомендации, которые диетологи и врачи могут давать людям для профилактики заболеваний и терапии".