Инфекция и иммунитет. 2021; 11: 1190-1199
Траектория возраст-ассоциированных изменений микробного сообщества тонкого кишечника здоровых лиц в контексте метаорганизма
https://doi.org/10.15789/2220-7619-TOA-1624Аннотация
Изучение микробиоты тонкого кишечника у человека затруднено в связи с малой доступностью биоматериала. Применение неинвазивных методов метаболомики и биоинформационного анализа данных может расширить наши представления о структуре микробиоты тонкого кишечника и ее роли в поддержании гомеостаза организма. Цель исследования — с помощью методов газовой хромато-масс-спектрометрии микробных маркеров (ГХМС ММ) и оптимального шкалирования оценить траекторию возрастных изменений микробного сообщества тонкого кишечника у здоровых лиц в контексте взаимодействия с цитокиновой и нейроэндокринной системами в рамках метаорганизма. В исследование включены 110 практически здоровых индивидуумов детского, репродуктивного и пожилого/старческого возраста. Численность представителей основных типов микробиоты тонкого кишечника (Bacteroidetes, Firmicutes, Actinobacteria, Proteobacteria и Fusobacteria) определяли методом ГХМС ММ в периферической крови. Для построения траекторий изменения сообщества микробиоты тонкого кишечника и показателей цитокиновой и нейроэндокринной систем с возрастом применяли технику оптимального шкалирования, основанную на многомерном преобразовании Джифи (метод CATPCA [Categorical Principal Components Analysis]). Установлено, что для бактериального сообщества тонкого кишечника детей и пожилых лиц была характерна значимо низкая общая численность микроорганизмов за счет низкого количества бактерий типов Firmicutes и Actinobacteria на фоне высокого числа представителей типов Proteobacteria и Fusobacteria по сравнению с аналогичными показателями в репродуктивном возрасте. Оценка траектории возраст-ассоциированных изменений микробиоты тонкого кишечника показала 1) наличие сильных динамических колебаний численности и связей внутри сообщества микроорганизмов на фоне формирования связей между основными регуляторными системами метаорганизма — иммунной и нейроэндокринной — в детском возрасте; 2) пластичность и согласованность функционирования иммунной и нервной систем, определяющие состояние динамического равновесия микробиоты тонкого кишечника у людей репродуктивного возраста; 3) максимальную степень кооперации между основными членами бактериального сообщества, обеспечивающую стабильность системы на новом уровне, как один из механизмов адаптации организма при здоровом старении. Таким образом, использование методов ГХМС ММ и оптимального шкалирования позволяет расширить наши представления о возраст-ассоциированной траектории изменений микробиоты тонкого кишечника и ее кооперации с иммунной и нейроэндокринной системами в рамках метаорганизма, что может быть использовано в разработке новых способов терапии заболеваний инфекционной и неинфекционной природы.
Список литературы
1. Аверина О.В., Даниленко В.Н. Микробиота человека: роль в становлении и функционировании нервной системы // Микробиология. 2017. Т. 86, № 1. С. 5–24. doi: 10.7868/S0026365617010050
2. Бурмистрова А.Л., Филиппова Ю.Ю. Конгруэнтность и фенотипическая пластичность иммунной и нервной систем у детей с расстройствами аутистического спектра в сравнении с расстройствами шизофренического спектра // Медицинская иммунология. 2020. Т. 22, № 4. С. 703–716. doi: 10.15789/1563-0625-CAP-1968
3. Лифшиц К., Захарова И.Н., Дмитриева Ю.А. Влияние кишечного микробиома в норме и патологии на здоровье человека // Медицинский совет. 2017. № 1. C. 155–159. doi: 10.21518/2079-701X-2017-1-155-159
4. Метаорганизм. Стресс и адаптация. Под ред. А.Л. Бурмистровой. Челябинск: Изд-во Челяб. гос. ун-та, 2019. 239 с.
5. Попова А.Ю., Кафтырева Л.А., Сужаева Л.В., Войтенкова Е.В., Забровская А.В., Егорова С.А., Макарова М.А., Матвеева З.Н., Зуева Е.В., Порин А.А., Буаро М.Й., Константинов О.К., Тотолян А.А. Сравнительная характеристика особенностей микробиоты кишечника жителей Гвинейской Республики и России // Инфекция и иммунитет. 2017. Т. 7, № 4. С. 375–382. doi: 10.15789/2220-7619-2017-4-375-382
6. Филиппова Ю.Ю., Бурмистрова А.Л. Когнитивная ось старости: воспаление — микробиота тонкого кишечника // Журнал микробиологии эпидемиологии и иммунобиологии. 2017. № 5. С. 3–9. doi: 10.36233/0372-9311-2017-5-3-9
7. Щеплягина Л.А., Круглова И.В. Возрастные особенности иммунитета у детей // Русский медицинский журнал. 2009. № 23. С. 1564.
8. Arain M., Haque M., Johal L., Mathur P., Nel W., Rais A., Sandhu R., Sharma S. Maturation of the adolescent brain. Neuropsychiatr. Dis. Treat., 2013, vol. 9, pp. 449–461. doi: 10.2147/NDT.S39776
9. Belkaid Y., Hand T.W. Role of the microbiota in immunity and inflammation. Cell, 2014, vol. 157, no. 1, pp. 121–141. doi: 10.1016/j.cell.2014.03.011
10. Coyte K.Z., Schluter J., Foster K.R. The ecology of the microbiome: networks, competition, and stability. Science, 2015, vol. 350, no. 6261, pp. 663–666. doi: 10.1126/science.aad2602
11. Ding T., Schloss P.D. Dynamics and associations of microbial community types across the human body. Nature, 2014, vol. 509, no. 7500, pp. 357–360. doi: 10.1038/nature13178
12. El Aidy S., van den Bogert B., Kleerebezem M. The small intestine microbiota, nutritional modulation and relevance for health. Curr. Opin. Biotechnol., 2015, vol. 32, pp. 14–20. doi: 10.1016/j.copbio.2014.09.005
13. Esser D., Lange J., Marinos G., Sieber M., Best L., Prasse D., Bathia J., Rühlemann M.C., Boersch K., Jaspers C., Sommer F. Functions of the microbiota for the physiology of animal metaorganisms. J. Innate Immun., 2019, vol. 11, no. 5, pp. 393–404. doi: 10.1159/000495115
14. Faith J.J., Guruge J.L., Charbonneau M., Subramanian S., Seedorf H., Goodman A.L., Clemente J.C., Knight R., Heath A.C., Leibel R.L., Rosenbaum M., Gordon J.I. The long-term stability of the human gut microbiota. Science, 2013, vol. 341, no. 6141: 1237439. doi: 10.1126/science.1237439
15. Hasan N., Yang H. Factors affecting the composition of the gut microbiota, and its modulation. Peer. J., 2019, vol. 7: e7502. doi: 10.7717/peerj.7502
16. Kastl A.J. Jr, Terry N.A., Wu G.D., Albenberg L.G. The structure and function of the human small intestinal microbiota: current understanding and future directions. Cell Mol. Gastroenterol. Hepatol., 2020, vol. 9, no. 1. pp. 33–45. doi: 10.1016/j.jc-mgh.2019.07.006
17. Levy M., Thaiss C.A., Elinav E. Metabolites: messengers between the microbiota and the immune system. Genes Dev., 2016, vol. 30, no. 14, pp. 1589–1597. doi: 10.1101/gad.284091.116
18. Mariat D., Firmesse O., Levenez F., Guimarăes V., Sokol H., Doré J., Corthier G., Furet J.P. The Firmicutes/Bacteroidetes ratio of the human microbiota changes with age. BMC microbiology, 2009, vol. 9: 123. doi: 10.1186/1471-2180-9-123
19. Segal J.P., Mullish B.H., Quraishi M.N., Acharjee A., Williams H.R.T., Iqbal T., Hart A.L., Marchesi J.R. The application of omics techniques to understand the role of the gut microbiota in inflammatory bowel disease. Therap. Adv. Gastroenterol., 2019, vol. 12: 1756284818822250. doi: 10.1177/1756284818822250
Russian Journal of Infection and Immunity. 2021; 11: 1190-1199
Trajectory of age-associated changes in small intestinal microbial community of healthy person metaorganism
https://doi.org/10.15789/2220-7619-TOA-1624Abstract
The study of the small intestinal microbiota in humans is complicated due to the low availability of biomaterial. Non-invasive methods of metabolomics and bioinformatic data analysis can expand our understanding of the small intestinal microbiota structure and its role in maintaining body homeostasis. Here we assess the trajectory of age-related changes in the small intestinal microbial community of healthy individuals in the context of metaorganism-wide interaction between cytokine and neuroendocrine systems, by using the methods of gas chromatography mass spectrometry of microbial markers (GCMS MM) and optimal scaling. 110 apparently healthy children, adults and elderly individuals were enrolled to the study. The main types of the small intestine microbiota (Bacteroidetes, Firmicutes, Actinobacteria, Proteobacteria, and Fusobacteria) were quantified in peripheral blood by the GCMS MM method. To construct age-related trajectories of changes in the small intestinal microbiota and parameters of cytokine and neuroendocrine systems, the optimal scaling technique based on the multivariate Gifi transformation (CATPCA method) was used. It was found, that the small intestinal bacterial community of both children and seniors contained significantly lowered total number of microorganisms due to the low number of bacteria of Firmicutes and Actinobacteria types along with high number of members of Proteobacteria and Fusobacteria types compared with adults. Assessment of the trajectory of age-associated changes in microbiota of the small intestine showed that 1) children have strong dynamic fluctuations in the number and links within microbial community along with formation of links between the main regulatory immune and neuroendocrine systems of the metaorganism, 2) adults display plasticity and consistency in functioning of immune and nervous systems that determine the state of dynamic balance of the small intestinal microbiota, 3) healthy aging is characterized by high degree of cooperation between the main members of the bacterial community, which ensures system stability at new level, as one of the mechanisms of host adaptation. Thus, using methods of GCMS MM and optimal scaling, allows us to expand our understanding about age-associated trajectory of changes in the small intestinal microbiota and its cooperation with immune and neuroendocrine systems within the metaorganism, which can be used to develop new methods of therapy for infectious and non-infectious diseases.
References
1. Averina O.V., Danilenko V.N. Mikrobiota cheloveka: rol' v stanovlenii i funktsionirovanii nervnoi sistemy // Mikrobiologiya. 2017. T. 86, № 1. S. 5–24. doi: 10.7868/S0026365617010050
2. Burmistrova A.L., Filippova Yu.Yu. Kongruentnost' i fenotipicheskaya plastichnost' immunnoi i nervnoi sistem u detei s rasstroistvami autisticheskogo spektra v sravnenii s rasstroistvami shizofrenicheskogo spektra // Meditsinskaya immunologiya. 2020. T. 22, № 4. S. 703–716. doi: 10.15789/1563-0625-CAP-1968
3. Lifshits K., Zakharova I.N., Dmitrieva Yu.A. Vliyanie kishechnogo mikrobioma v norme i patologii na zdorov'e cheloveka // Meditsinskii sovet. 2017. № 1. C. 155–159. doi: 10.21518/2079-701X-2017-1-155-159
4. Metaorganizm. Stress i adaptatsiya. Pod red. A.L. Burmistrovoi. Chelyabinsk: Izd-vo Chelyab. gos. un-ta, 2019. 239 s.
5. Popova A.Yu., Kaftyreva L.A., Suzhaeva L.V., Voitenkova E.V., Zabrovskaya A.V., Egorova S.A., Makarova M.A., Matveeva Z.N., Zueva E.V., Porin A.A., Buaro M.I., Konstantinov O.K., Totolyan A.A. Sravnitel'naya kharakteristika osobennostei mikrobioty kishechnika zhitelei Gvineiskoi Respubliki i Rossii // Infektsiya i immunitet. 2017. T. 7, № 4. S. 375–382. doi: 10.15789/2220-7619-2017-4-375-382
6. Filippova Yu.Yu., Burmistrova A.L. Kognitivnaya os' starosti: vospalenie — mikrobiota tonkogo kishechnika // Zhurnal mikrobiologii epidemiologii i immunobiologii. 2017. № 5. S. 3–9. doi: 10.36233/0372-9311-2017-5-3-9
7. Shcheplyagina L.A., Kruglova I.V. Vozrastnye osobennosti immuniteta u detei // Russkii meditsinskii zhurnal. 2009. № 23. S. 1564.
8. Arain M., Haque M., Johal L., Mathur P., Nel W., Rais A., Sandhu R., Sharma S. Maturation of the adolescent brain. Neuropsychiatr. Dis. Treat., 2013, vol. 9, pp. 449–461. doi: 10.2147/NDT.S39776
9. Belkaid Y., Hand T.W. Role of the microbiota in immunity and inflammation. Cell, 2014, vol. 157, no. 1, pp. 121–141. doi: 10.1016/j.cell.2014.03.011
10. Coyte K.Z., Schluter J., Foster K.R. The ecology of the microbiome: networks, competition, and stability. Science, 2015, vol. 350, no. 6261, pp. 663–666. doi: 10.1126/science.aad2602
11. Ding T., Schloss P.D. Dynamics and associations of microbial community types across the human body. Nature, 2014, vol. 509, no. 7500, pp. 357–360. doi: 10.1038/nature13178
12. El Aidy S., van den Bogert B., Kleerebezem M. The small intestine microbiota, nutritional modulation and relevance for health. Curr. Opin. Biotechnol., 2015, vol. 32, pp. 14–20. doi: 10.1016/j.copbio.2014.09.005
13. Esser D., Lange J., Marinos G., Sieber M., Best L., Prasse D., Bathia J., Rühlemann M.C., Boersch K., Jaspers C., Sommer F. Functions of the microbiota for the physiology of animal metaorganisms. J. Innate Immun., 2019, vol. 11, no. 5, pp. 393–404. doi: 10.1159/000495115
14. Faith J.J., Guruge J.L., Charbonneau M., Subramanian S., Seedorf H., Goodman A.L., Clemente J.C., Knight R., Heath A.C., Leibel R.L., Rosenbaum M., Gordon J.I. The long-term stability of the human gut microbiota. Science, 2013, vol. 341, no. 6141: 1237439. doi: 10.1126/science.1237439
15. Hasan N., Yang H. Factors affecting the composition of the gut microbiota, and its modulation. Peer. J., 2019, vol. 7: e7502. doi: 10.7717/peerj.7502
16. Kastl A.J. Jr, Terry N.A., Wu G.D., Albenberg L.G. The structure and function of the human small intestinal microbiota: current understanding and future directions. Cell Mol. Gastroenterol. Hepatol., 2020, vol. 9, no. 1. pp. 33–45. doi: 10.1016/j.jc-mgh.2019.07.006
17. Levy M., Thaiss C.A., Elinav E. Metabolites: messengers between the microbiota and the immune system. Genes Dev., 2016, vol. 30, no. 14, pp. 1589–1597. doi: 10.1101/gad.284091.116
18. Mariat D., Firmesse O., Levenez F., Guimarăes V., Sokol H., Doré J., Corthier G., Furet J.P. The Firmicutes/Bacteroidetes ratio of the human microbiota changes with age. BMC microbiology, 2009, vol. 9: 123. doi: 10.1186/1471-2180-9-123
19. Segal J.P., Mullish B.H., Quraishi M.N., Acharjee A., Williams H.R.T., Iqbal T., Hart A.L., Marchesi J.R. The application of omics techniques to understand the role of the gut microbiota in inflammatory bowel disease. Therap. Adv. Gastroenterol., 2019, vol. 12: 1756284818822250. doi: 10.1177/1756284818822250
