Бактерии как водитель ритма для кишечника

Спонтанные сокращения пищеварительного тракта играют важную роль почти у всех животных и обеспечивают здоровые функции кишечника. От простых беспозвоночных до человека наблюдаются схожие паттерны движений, при которых ритмичные сокращения мышц способствуют транспорту и перемешиванию содержимого кишечника. Эти сокращения, известные как перистальтика, необходимы для пищеварительного процесса. При различных заболеваниях пищеварительного тракта, например, тяжелых воспалительных заболеваниях кишечника у человека, происходят нарушения нормальной перистальтики. До сих пор мало исследований изучало факторы, лежащие в основе контроля этих сокращений. Впервые исследовательской группе из рабочей группы клеточной биологии и биологии развития (Bosch AG) Зоологического института Кильского университета удалось доказать, что бактериальная колонизация кишечника играет важную роль в контроле перистальтических функций.

Ученые опубликовали свои результаты, полученные на примере пресноводных полипов Hydra, в последнем выпуске журнала Scientific Reports.

Триггерами для нормальных спонтанных сокращений мышечной ткани являются так называемые клетки-водители ритма нервной системы. В определенном ритме и без внешней стимуляции они испускают электрические импульсы, которые в конечном итоге достигают гладких мышц кишечной стенки и заставляют их сокращаться. Хотя импульсы возникают сами по себе, их частота и интенсивность подвержены внешним влияниям. «Пример простого пресноводного полипа Hydra показал нам, что бактериальная колонизация организма может влиять на сокращения его пищеварительной полости. Скорее всего, они делают это, модулируя лежащие в основе сигналы водителя ритма», — сказал профессор Томас Бош, руководитель исследования и спикер Коллаборативного исследовательского центра (CRC) 1182 «Происхождение и функция метаорганизмов». В отличие от других более сложных организмов, у Hydra нет кишечника в прямом смысле слова. Их простая полость тела выполняет, среди прочего, функцию пищеварительного тракта; окружающая ткань также демонстрирует типичные сокращения, связанные с более развитыми кишечниками.

Чтобы выяснить, как регулируется перистальтика у пресноводных полипов, исследователи сравнили нормальных Hydra с типичной бактериальной колонизацией и тех, у которых микробиом был полностью удален с помощью коктейля антибиотиков. В сравнении эти организмы без бактериальной колонизации — также называемые стерильными полипами — демонстрировали сокращение количества сокращений примерно вдвое. Одновременно ритм движений нарушался, а некоторые паузы между сокращениями становились намного длиннее. Таким образом, отсутствие типичного микробиома у Hydra нарушало перистальтические движения в полости тела.

На следующем этапе ученые восстановили специфическую бактериальную колонизацию у стерильных организмов. Сначала они вводили каждый из пяти наиболее распространенных видов бактерий, обнаруженных в микробиоме Hydra, по отдельности обратно в стерильных полипов. Оказалось, что такая индивидуальная бактериальная колонизация не оказывает заметного влияния на частоту и время сокращений. Только совместное повторное введение пяти основных представителей микробиома привело к заметному улучшению перистальтики, хотя даже тогда паттерн сокращений не был полностью нормализован. Интересно, что экстракт, полученный из колонизирующих бактерий, оказывал схожее положительное влияние.

Из этих наблюдений кильская исследовательская группа сделала вывод, что только естественный микробиом Hydra — характеризующийся балансом между присутствующими бактериальными видами — может играть важную роль водителя ритма в перистальтике. Они обнаружили, что в этом случае определенные молекулы, секретируемые бактериями, могут вмешиваться в механизм контроля клеток-водителей ритма. Таким образом, бактериальные сигналы могут оказывать решающее влияние на паттерн спонтанных перистальтических сокращений. «Нам впервые удалось продемонстрировать, что в нашем простом модельном организме микробиом выполняет незаменимую функцию в частоте и времени сокращений тканей», — подчеркнул Бош.

Кроме того, пример эволюционно древнего модельного организма Hydra показывает, что контроль жизненно важных процессов многоклеточных организмов их бактериальными симбионтами возник очень рано в эволюции жизни, продолжил Бош. Эти основополагающие результаты особенно перспективны для медицинских исследований: «Фундаментальное объяснение сотрудничества между организмом и микробиомом в регуляции перистальтики в будущем поможет нам понять возникновение тяжелых заболеваний, которые возникают из-за нарушенного движения кишечника», — резюмировал Бош.