Газообразные метаболиты микробиоты толстой кишки как отражение ее функционального состояния
Материал предоставлен к.м.н., сотрудником факультета фундаментальной медицины МГУ им. М.В.Ломоносова Маргаритой Белоусовой для Секции по фундаментальным исследованиям микробиоты
В настоящее время благодаря все более широкому внедрению в научную и клиническую практику метагеномных исследований стало возможным обнаружение значительного количества микроорганизмов в составе кишечного микробиома, однако данные исследования не позволяют определить функции и метаболические особенности каждого из обнаруженных микроорганизмов или их групп и сообществ. В связи с этим большое развитие получили исследования метаболома, то есть изучение низкомолекулярных метаболитов, продуцируемых микробиотой.
Ключевыми метаболитам, способными отражать функциональное состояние микробиоты являются газы – водород (Н2), метан (СН4) и сероводород (H2S). Анализ научной информации по ферментативной активности микробиоты кишечника и генерируемым при этом газовым метаболитам позволяет предположить, что при определении содержания водорода и метана мы можем определять функциональное состояние групп микробов, генерирующих эти газы. Работы последних лет показывают наличие корреляции между уровнем водорода, генерируемого микробиотой толстой кишки и возможностью оценки его содержания в выдыхаемом воздухе. Обнаружен ряд бактерий как участвующих в синтезе водорода, так и в его утилизации (гидрогенотрофы, метаногенные археи и сульфатредуцирующие бактерии). От 14 до 58% образованного микробиотой водорода выделяются через легкие. При этом данные о корреляции уровня водорода в выдыхаемом воздухе и функционального состояния микробиоты разнятся: повышение H2 в клинической практике чаще всего связывают с патологическим состоянием организма (например, СИБР), тогда как ряд исследователей предполагают защитную антиоксидантную роль молекулярного водорода, что было подтверждено многочисленными публикациями в рецензируемых журналах начиная с 2007 года. Так, к примеру, потребление большого количества клетчатки приводило к повышению продукции водорода, так как она служила субстратом для микробиоты, что приводило к улучшению общего антиоксидантного статуса организма. Концентрация другого газообразного метаболита - метана - имеет более однозначное прогностическое значение в интерпретации функциональной активности микробиоты и состояния организма хозяина. Доля метан-генерирующих микроорганизмов возрастает параллельно со старением организма. Это сопровождается уменьшением количества водорода, способного попасть в кровоток и оказать системное антиоксидантной действие. Известно, что для синтеза одной молекулы метана требуется 4 молекулы водорода, поэтому одними из способов увеличения эндогенного водорода могут быть диетические и фармакологические факторы, подавляющие активность метан-генерирующих микроорганизмов.
Основываясь на стойкой корреляции между уровнем газообразных метаболитов в выдыхаемом воздухе и возможностью динамического мониторинга функционального состояния микробиоты в зависимости от внешних воздействий, в 2021 году компания Gemelli Biotech в сотрудничестве с клиникой Cedars-Sinai, Los Angeles, входящей в первую десятку лучших клиник США по версии журнала US News and World Reportанонсировала создание специализированного прибора для одновременного анализа трех газообразных метаболитов: водорода, метана и сероводорода в выдыхаемом воздухе.
Таким образом, анализ качественного и количественного состава выдыхаемого воздуха является перспективным направлением во многих отраслях медицины: это простой неинвазивный метод, позволяющий динамически отслеживать изменения функционального состояния микробиоты в результате диетологического (переход на более здоровое питание) или фармакологического (применение лекарственных веществ, активных в отношении микробиоты, таких как антибиотики или пробиотические агенты) воздействия.
Источники:
- Drabińska N, Flynn C, Ratcliffe N, Belluomo I, Myridakis A, Gould O, Fois M, Smart A, Devine T, Costello BL. A literature survey of all volatiles from healthy human breath and bodily fluids: the human volatilome. J Breath Res. 2021 Apr 21;15(3). doi: 10.1088/1752-7163/abf1d0. PMID: 33761469.
- Ohsawa I, Ishikawa M, Takahashi K, Watanabe M, Nishimaki K, Yamagata K, Katsura K, Katayama Y, Asoh S, Ohta S. Hydrogen acts as a therapeutic antioxidant by selectively reducing cytotoxic oxygen radicals. Nat Med. 2007 Jun;13(6):688-94. doi: 10.1038/nm1577. Epub 2007 May 7. PMID: 17486089.
- Takakura, W., Oh, S.J., Singer-Englar, T. et al. Comparing the rates of methane production in patients with and without appendectomy: results from a large-scale cohort. Sci Rep 10, 867 (2020).
____________