«Наше дослідження підкреслює зростаючий консенсус щодо того, що порушення мікробіому під час розвитку може мати значний вплив на фізіологію, включаючи мозок». Philip Burnet
Якщо ми хочемо дослідити вплив фактора А на фактор Б, ми можемо зробити це кількома способами. Спочатку шляхом простого спостереження, згодом — певною маніпуляцією з фактором А: його зміною, посиленням, послабленням або повним блокуванням.
Щодо впливу кишкового мікробіому на людський організм сумнівів уже немає. Ми знаємо, що новонароджений отримує оптимальний склад кишкового мікробіому під час пологів природним шляхом, тоді як дитина, народжена шляхом кесаревого розтину, не має навіть віддалено ідеального складу і є більш схильною до алергій, атопій, астми та інших проблем.
Одним із способів дослідження впливу кишкового мікробіому на поведінку в експериментах на тваринах є виведення безмікробної особини (GF = germ free): дитинча, народжене шляхом кесаревого розтину, поміщають у стерильне середовище і годують стерильно обробленою їжею. Безмікробні миші та щури проявляють більшу рухову активність у новому середовищі. Тоді як стандартні миші через пів години значно знижують рухову активність, GF-особини продовжують досліджувати простір навіть через шістдесят хвилин.
Безмікробні молоді миші та щури мають у своїй поведінці елементи, що нагадують аутизм: вони мають менший інтерес до соціальних контактів, до нових подразників і схильні до повторюваної поведінки (repetitive behavior). Проте, якщо після відлучення їх помістити в простір зі стандартними друзями, ця поведінка може нормалізуватися.
Також інші дослідження підтверджують існування причинно-наслідкового зв'язку між дисбіозом кишкового мікробіому та соціальною поведінкою. Нащадки мишей, яких годували дієтою з високим вмістом жирів, також демонструють деякі риси аутичної поведінки: погіршену соціабельність, підвищену тривожність і повторювану поведінку. У них також менше нейронів, що експресують окситоцин, у гіпоталамусі та наявний кишковий дисбіоз. Цей стан є виправним шляхом додавання Lactobacillus reuteri, після чого нормалізується як рівень окситоцину, так і поведінка.
Немає потреби використовувати складні техніки для появи на світ безмікробних мишей, антибіотики також завдають чималої шкоди кишковому мікробіому і порушують природне різноманіття. Дослідження на гризунах показують, що прийом антибіотиків викликає когнітивний дефіцит, вісцеральний біль та зміни поведінки, включаючи поведінку, подібну до аутичної. Наприклад, введення низьких доз пеніциліну на ранніх етапах життя має довгостроковий вплив на склад мікробіому та довготривалі зміни поведінки, що характеризуються зниженою соціабельністю та зниженням інтересу до нових соціальних імпульсів. В обох проведених досі дослідженнях, які це відстежували, додавання мікроба Lactobacillus rhamnosus одночасно з антибіотиками захистило дитинчат від цих змін.
Порушення поведінки через втручання в мікробіом не є специфікою лише наймолодшого віку. Антибіотичний коктейль, що вводиться у ключовий період підліткового віку, порушує кишковий мікробіом, когнітивні функції та соціальну поведінку подібним чином. Також доводиться знижена експресія нейропептиду вазопресину та окситоцину; останнього — лише в ситуаціях, коли тварина піддається стресу. І також подібно: додавання Lactobacillus reuteri може призвести до підвищення рівня плазмового окситоцину.
Katerina Johnson та Philip Burnet з Оксфорда досліджували спільні характеристики та відмінності, які з'являються у безмікробної молодої миші та миші, чий мікробіом був зруйнований сильним антибіотичним коктейлем. Вони зосередилися не лише на спостережуваній поведінці, а й на поведінці систем нейромедіаторів, особливо опіоїдів, окситоцину та вазопресину, оскільки це головні модулятори соціальної поведінки. У методично точному експерименті вони відстежували поведінку обох груп тварин in vivo, а згодом досліджували їхній мозок, зазначаючи, що про розлади поведінки вже є стисла інформація, але незрозумілим залишається їхній нейробіологічний механізм.
Результати дещо здивували, оскільки між обома групами була значна різниця у змінах у фронтальній корі. Що стосується експресії генів у досліджуваних нейромедіаторів, то після введення антибіотиків у всіх трьох спостерігалося зниження. У опіоїдів значущість становила p=0,021, у окситоцину p=0,016, а у вазопресину p=0,079. Ці зміни не спостерігалися ні в гіпокампі, ні в гіпоталамусі, проте була значно підвищена експресія опіоїдів у стовбурі мозку (p=0,046). Тут була значна міжіндивідуальна варіабельність, але, підсумовуючи: комбінована даунрегуляція в усіх регіонах була значущою на рівні значущості в один відсоток.
На відміну від цієї групи, у безмікробних мишей відбулася лише одна зміна, і то в зовсім протилежному напрямку. У фронтальній корі значно підвищилася експресія опіоїдного рецептора (p=0,018). (Це узгоджується з опіоїдною гіпотезою аутизму Panksepp, яку автори не згадують). Також, на відміну від антибіотичної моделі, експресія цього гена знизилася в гіпоталамусі (p=0,046). Також знизилася експресія генів для проопіомеланокортину як у фронтальній корі, так і в інших регіонах.
Автори роблять висновок, що хоча в обох випадках йдеться про несприятливий вплив на роботу мозку, викликаний дисбіозом, це два різні моделі, з чим необхідно рахуватися в подальших міркуваннях. Johnson сказав: «Несприятливий вплив антибіотиків на ендорфінову систему може мати наслідки не лише для соціальної поведінки, а й для регуляції болю. Насправді ми знаємо, що кишковий мікробіом впливає на реакцію на біль, тому це міг би бути один із способів, як він це робить.
Дещо несподіваним спостереженням нашого дослідження був контраст результатів у мишей без бактерій та мишей після антибіотиків, оскільки нейрогенетичні зміни були загалом у протилежному напрямку. Це релевантне відкриття, оскільки використання антибіотиків для виснаження мікробіому часто вважається більш доступною альтернативою тваринам без мікробів. Ми, однак, наголошуємо, що при дослідженні впливу мікробів на мозок і поведінку ці два методи лікування слід вважати різними моделями маніпуляції з мікробіомами».
Автор: MUDr. Radkin Honzák психіатр
Katerina V. A. Johnson, Philip W. J. Burnet. Opposing effects of antibiotics and germ-free status on neuropeptide systems involved in social behaviour and pain regulation. BMC Neuroscience, 2020; 21 (1) DOI: 10.1186/s12868-020-00583-3