Бактериофаги в микробиоме кишечника связаны с познанием

Множество исследований последних лет свидетельствуют о том, что бактериальный состав микробиома кишечника оказывает заметное влияние на работу мозга и неврологическое здоровье. Однако новое исследование показывает, что при изучении микробиома был упущен один из ключевых факторов: состав и распространенность вирусов. В частности, исследование, опубликованное 16 февраля в журнале Cell Host & Microbe, показывает, что присутствие бактериофагов коррелирует с показателями тестов на память и исполнительные функции у мышей и плодовых мушек.

Исследование, в котором рассматривались бактериофаги порядка Caudovirales(в частности, семейство Siphoviridae) и неродственное семейство Microviridae, лишь поверхностно изучает роль, которую виром может играть в неврологическом здоровье и работоспособности, утверждают авторы. Они обнаружили отрицательную корреляцию между уровнем Microviridae и исполнительной функцией, в частности, способностью к обучению и запоминанию новой информации, но положительную корреляцию между Caudovirales - в основном Siphoviridae - и теми же когнитивными способностями. Ассоциации слабые, и вопросы остаются, но исследователи говорят, что они надеются на клинические испытания и другие последующие исследования, чтобы определить, существует ли причинно-следственная связь между составом вирома кишечника и функцией мозга.

"Концепция оси микробиота кишечника-мозг появилась в последнее десятилетие", - рассказал The Scientist соавтор исследования, исследователь питания и метаболизма из Университета Жироны Хосе Мануэль Фернандес-Реаль. "Почти все работы посвящены основным компонентам микробиоты кишечника - бактериям. Возможная роль вирусов не изучалась".
"Это первая работа, связывающая бактериофаги в микробиоме кишечника с познанием у млекопитающих и плодовых мушек", - добавляет Фернандес-Реал.

Исследование включало ряд экспериментов, направленных на определение взаимосвязи между микробиомом кишечника и исполнительной функцией. Большая часть экспериментов была проведена на мышах и плодовых мушках(Drosophila melanogaster), но ученые также соотнесли результаты когнитивных тестов групп людей с составом их микробиома.

Людей просили провести линию, соединяющую ряд кругов, обозначенных цифрами и буквами, в правильном порядке. Тем, у кого в кишечнике было больше Microviridae, потребовалось больше времени на выполнение теста, в то время как те, у кого было больше Caudovirales, выполнили его быстрее. Аналогичные корреляции были обнаружены после того, как добровольцы прошли тест на память, включающий перечисление списка цифр в обратном порядке.

В попытке выявить причинно-следственную связь между познанием и составом кишечных бактериофагов исследователи пересадили мышам фекалии человеческих доноров, после чего измерили их производительность в серии задач на память, а также провели секвенирование РНК из префронтальной коры головного мозга каждой мыши для измерения изменений в экспрессии генов. Помимо улучшения результатов тестов после процедуры, исследователи заметили, что в префронтальной коре головного мозга животных были повышены гены, связанные с формированием памяти, синаптической пластичностью и развитием нейронов.

Однако фекальные трансплантаты включали не только бактериофаги: мыши, получившие фекальные трансплантаты, поделились с человеческими донорами 1385 таксонами микробиоты кишечника, 216 из которых не были обнаружены в контрольной группе. Это говорит о том, что мышам были переданы не только вирусы, но и другие микробы, поэтому неясно, связано ли измеренное улучшение памяти именно с Caudovirales.

Чтобы определить, оказывают ли бактериофаги прямое влияние на физиологию, исследователи перешли к дрозофилам, что, по их словам, логически упростило эксперимент по сравнению с использованием мышей. Они кормили дрозофил диетой, богатой сухой молочной сывороткой, которая содержит бактериофаги Siphoviridae, а затем подвергли мух тесту на память, в котором они учились избегать горькой пищи. Те мухи, которых кормили сывороткой, избегали горькой пищи дольше, что указывает на то, что они сохранили воспоминания о своем отвращении лучше, чем те, которых не кормили диетой, богатой фагами.
Как и в случае с мышами, анализ транскрипции показал повышение уровня генов, участвующих в формировании памяти, пластичности и нейроразвитии. Улучшение когнитивных способностей и повышение уровня генов не наблюдалось у мух, которых кормили сывороткой, подвергнутой нагреванию для уничтожения фагов.

Для дальнейшего изучения роли фагов в этих результатах мухи были разделены на несколько групп: одних кормили стандартной диетой, других - сывороткой, обе группы служили контрольными. Других кормили либо стандартным рационом, либо сывороткой, прошедшей термическую обработку для удаления загрязнений и дополненной фагом Lactococcus lactis phage 936, который относится к группе Siphoviridae. Обе группы, дополненные фагом, продемонстрировали значительно лучшее сохранение памяти по сравнению с соответствующими контрольными группами. Автор исследования, исследователь питания и метаболизма из Института биомедицинских исследований Жироны Анна Кастельс-Нобау сказала The Scientist, что этот результат "является одним из самых больших открытий в нашей публикации".

"Это действительно интересное исследование, но также и исследование, которое подчеркивает, насколько сложно разграничить сбивающие эффекты, такие как потребление бактериофагов и потребление ферментированных молочных продуктов(таких как сыворотка)", - сказал The Scientist исследователь микробиологии и ферментации Деннис Нильсен из Университета Копенгагена, который не работал над исследованием. "Однако, несмотря на эти ограничения, это и другие исследования подчеркивают потенциальную важность бактериофагов, обитающих в кишечнике, для здоровья и болезней человека".

Фернандес-Реал говорит, что для установления причинно-следственной связи у людей "нам крайне необходимы рандомизированные двойные слепые исследования, в которых эти вирусы добавлялись бы в рацион по сравнению с плацебо или по сравнению с нагретыми(инактивированными) вирусами".

Ху Шаохуа, нейробиолог и директор отделения психиатрии в Медицинской школе Чжэцзянского университета(Китай), который не работал над новым исследованием, сообщил The Scientist, что в целом он был очень впечатлен "фантастической исследовательской работой". Однако он добавляет, что, хотя исследование "дало нам новое представление о "микробиомно-кишечно-мозговой оси", ключевой молекулярный путь "все еще неизвестен", и исследователям необходимо продолжить изучение механизмов, с помощью которых микробиота может регулировать функции мозга.

"На данный момент мы можем только предполагать возможные механизмы", - говорит Фернандес-Реал в интервью The Scientist. Исследователи обнаружили, что высокий уровень бактериофагов Caudovirales коррелирует с различными молочнокислыми бактериями у людей, мышей и мух, например, - вывод, который исследователи затем подтвердили, используя данные из других, более крупных человеческих групп. Это может говорить о том, что вирусный микробиом помогает формировать и модулировать бактериальный микробиом с помощью таких механизмов, как горизонтальный перенос генов, и что измененный бактериальный микробиом может затем влиять на познание.

Но могут быть задействованы и другие механизмы. "Бактериофаги, как известно, пересекают гематоэнцефалический барьер(ГЭБ). Мы не можем исключить, что повышенная проницаемость кишечника, связанная с метаболическими заболеваниями(например, ожирением), в сочетании с проницаемостью гематоэнцефалического барьера может опосредовать некоторые эффекты трансплантации кала, что приведет к повышению экспрессии некоторых генов, участвующих в памяти", - говорит Фернандес-Реал. Тем не менее, он добавляет, что команда считает, что "наши результаты связаны с диетой", отмечая, что Siphoviridae, как известно, присутствуют в молочных продуктах, и что потребление этих продуктов "было связано с улучшением познания в некоторых исследованиях".

В конечном итоге, Фернандес-Реал говорит, что статья показывает, что "вирусы - это не подозреваемые компоненты нашего рациона, которые мы отвергали. Возможные взаимодействия внутри микробиома кишечника, вероятно, гораздо сложнее, чем считалось ранее".