Kolonizácia čriev L. reuteri

Vybudované na trávenie a vstrebávanie, niektoré miesta GI systému sa vyvinuli ako drsné pre kolonizáciu mikroorganizmami. Príklady toho možno vidieť v podmienkach nízkeho pH spôsobeného žalúdočnými kyselinami a žlčovými soľami v hornej časti tenkého čreva. Prvým krokom pri kolonizácii GI traktu je teda prežitie v takýchto prostrediach. Viaceré škvrny L. reuteri sú odolné voči nízkemu pH a žlčovým soliam ( Seo et al., 2010 ; Krumbeck et al., 2016 ). Predpokladá sa, že táto rezistencia je aspoň čiastočne závislá od jej schopnosti vytvárať biofilmy ( Salas-Jara et al., 2016 ).

L. reuteri je schopný pripojiť sa k mucínu a intestinálnemu epitelu a niektoré kmene môžu adherovať k bunkám črevného epitelu v rade hostiteľov zo stavovcov ( Li et al., 2008 ; Hou et al., 2014 , 2015 ). Možným mechanizmom adherencie je väzba povrchových molekúl baktérií na vrstvu hlienu. Proteíny viažuce hlien (MUB) a proteíny podobné MUB, kódované klastrami ortologických génov kódujúcich proteíny špecifickými pre Lactobacillales , slúžia ako mediátory adherencie alebo takzvané adhezíny ( Roos a Jonsson, 2002 ; Kleerebezem a kol., 2010 ; Gunning a kol., 2016 ). Značná diverzita MUB medzi kmeňmi L. reuteri a variácia v množstve MUB na bunkovom povrchu významne koreluje s ich schopnosťou viazať hlien ( Mackenzie et al., 2010 ). Kmeňovo špecifická úloha MUB pri rozpoznávaní prvkov hlienu a/alebo ich schopnosť podporovať agregáciu môže vysvetliť príspevok MUB k adherencii L. reuteri . Faktory, ktoré sprostredkovávajú pripojenie k povrchom, zahŕňajú viaceré veľké povrchové proteíny ( Walter a kol., 2005 ; Wang a kol., 2008 ; Frese a kol., 2011 ), MUB A ( Jensen a kol., 2014 ), glukozyltransferáza A ( GtfA) a inulosukraza (Inu) ( Walter a kol., 2008 ) a D-alanylester ( Walter a kol., 2007 ).

Keďže L. reuteri , ktorá kolonizovala GI trakt hostiteľa, môže vytvárať biofilmy, vynaložilo sa úsilie na štúdium regulácie sekrécie biofilmu L. reuteri a jej asociácie s priľnavosťou baktérií k hostiteľskému GI epitelu. Vykonaním in vitro biofilmového testu, Water, J. et al. odhalili podiel GtfA a Inu pri tvorbe biofilmu L. reuteri TMW1.106 ( Walter et al., 2008 ). Zdá sa, že tvorba biofilmu in vivo kmeňov L. reuteri závisí od hostiteľského pôvodu kmeňov. V jednej štúdii bolo deväť kmeňov L. reuteri izolovaných z rôznych hostiteľov (človek, myš, potkan, kura a prasa) podaných myšiam bez mikróbov a biofilmy sa vyhodnotili po 2 dňoch. Je zaujímavé, že iba kmene hlodavcov boli schopné vytvárať biofilmy a priľnúť k epitelu predžalúdka, hoci luminálne populácie boli porovnateľné medzi kmeňmi rôzneho pôvodu ( Frese et al., 2013 ). Ďalšia štúdia od tých istých autorov ukázala, že špecializovaná transportná dráha (systém SecA2-SecY2) bola jedinečná v kmeňoch hlodavcov a ošípaných ( Frese et al., 2011 ). Použitím kmeňa hlodavcov L. reuteri 100-23 porovnávali extracelulárne proteíny a proteíny spojené s bunkovou stenou medzi kmeňom divokého typu a mutantom secA2 . V mutante secA2 chýbal iba jeden povrchový proteín, L. reuteri 70902 . Štúdie kolonizácie in vivo ukázali, že neprítomnosť L. reuteri 70902 vedie k takmer úplnej eliminácii tvorby biofilmu. To silne naznačuje, že L. reuteri 70902 a systém SecA2-SecY2 sú kľúčovými faktormi regulujúcimi produkciu biofilmu z L. reuteri 100-23 u myší bez mikróbov ( Frese et al., 2013 ). Ďalšia skupina skúmala úlohu dvojzložkových systémov bfrKRT a cemAKR pri tvorbe biofilmu L. reuteri 100-23 in vitro ( Su a Ganzle, 2014 ). Zistili, že delécia určitých génov v operónoch zvýšila adherenciu a tvorbu biofilmu. Príspevok bfrKRT a cemAKR k tvorbe biofilmu in vivo však zostáva ešte objasniť. Úloha exopolysacharidu (EPS) pri napomáhaní kolonizácii bola tiež skúmaná s L. reuteri 100-23. Produkcia EPS bola eliminovaná v dôsledku mutácie génu fruktozyltransferázy ( ftf ) ( Sims et al., 2011). Po podaní myšiam bez Lactobacillus v porovnaní s kmeňom divokého typu bola kolonizácia mutantu ftf v predžalúdku a slepom čreve značne narušená. To naznačuje, že produkcia EPS môže zvýšiť schopnosť kolonizácie kmeňa 100-23 v čreve. Je zaujímavé, že L. reuteri RC-14 bolo preukázané, že je schopný preniknúť do zrelého biofilmu E. coli a stať sa jeho súčasťou ( McMillan et al., 2011 ). Nedávno bol L. reuteri dodaný ako biofilm na mikrosféru a zistilo sa, že takéto dodanie podporuje priľnavosť L. reuteri k črevnému epitelu a zvyšuje jeho probiotické vlastnosti ( Olson et al., 2016 ; Navarro et al., 2017 ).

Produkcia metabolitov s zdraviu prospešným účinkom

Antimikrobiálne a imunomodulačné účinky kmeňov L. reuteri sú spojené s ich profilom produkcie metabolitov. Tu diskutujeme o niekoľkých dobre preštudovaných metabolitoch s ohľadom na probiotický potenciál L. reuteri .

L. reuteri – Sprostredkovaná modulácia hostiteľskej mikrobioty

Nové dôkazy naznačujú, že hostiteľská mikroflóra a imunitný systém interagujú s cieľom udržať homeostázu tkanív u zdravých jedincov ( Kamada et al., 2013 ; Bene et al., 2017 ). Mnoho chorôb bolo spojených s narušením mikroflóry ( Mu et al., 2015 ), pričom sa preukázalo, že obnova mikrobioty zabraňuje alebo zlepšuje niekoľko chorôb ( Scott et al., 2015 ). L. reuteri je schopný ovplyvňovať diverzitu, zloženie a metabolické funkcie črevnej, orálnej a vaginálnej mikroflóry. Tieto účinky sú do značnej miery špecifické pre kmeň ( Yang Y. a kol., 2015 ; Garcia Rodenas a kol., 2016 ; Galley a kol., 2017 ; Su a kol., 2017 ).

Úloha L. reuteri v imunomodulácii

Lactobacillus reuteri je schopný zvýšiť hladiny voľného sekrečného IgA (sIgA) u potkanov ( Wang P. et al., 2016 ). Avšak zvýšená regulácia sIgA bola eliminovaná u potkanov s deficitom vitamínu A, čo naznačuje, že L. reuteri funguje spôsobom závislým od vitamínu A. U tehotných žien príjem L. reuteri nezmenil hladiny celkového IgA alebo sIgA v materskom mlieku ( Bottcher et al., 2008 ). Pokiaľ ide o účinok L. reuteri na indukciu IgA v slinách, výsledky sú kontroverzné. Zvýšené hladiny IgA v slinách boli zaznamenané v ľudských žuvačkách obsahujúcich L. reuteri ( Ericson et al., 2013 ). Iné štúdie však ukázali, že L. reuteri neovplyvňuje koncentráciu IgA v slinách ( Garofoli et al., 2014 ; Jorgensen et al., 2016 ; Braathen et al., 2017 ). Rozdiel v kmeňoch L. reuteri použitých v štúdiách môže vysvetliť rozdiel vo výsledkoch. Dôležitým spoločným znakom je najmä to, že jedinci pozitívni na L. reuteri v slinách majú vyššie hladiny IgA v slinách. To, či L. reuteri ovplyvňuje hladiny IgA priamou reguláciou B buniek, si vyžaduje ďalšie skúmanie.

Mnohé štúdie ukázali, že L. reuteri môže indukovať protizápalové Treg bunky, čo pravdepodobne prispieva k priaznivým účinkom L. reuteri v širokom rozsahu chorobných a nechorobných stavov ( tabuľka​Tabuľka22). Vlastnosť L. reuteri indukujúca Treg je do značnej miery závislá od kmeňa. Avšak protizápalový účinok L. reuteri nie vždy závisí od indukcie Treg buniek. Dobrým príkladom je supresia Th1/Th2 reakcií sprostredkovaná L. reuteri u Treg-deficientných myší ( He et al., 2017 ). Niektoré kmene L. reuteri sú schopné znížiť produkciu mnohých prozápalových cytokínov. Napríklad L. reuteri GMNL-263 môže znížiť hladiny MCP-1, TNF a IL-6 v sére u myší kŕmených diétou s vysokým obsahom tukov ( Hsieh et al., 2016 ). Podobné účinky boli pozorované u myší liečených teplom usmrteným GMNL-263. V niektorých prípadoch sa však zdá, že imunomodulačné účinky L. reuteri závisia od jeho metabolitov, pretože supernatant kultúry L. reuteri BM36301 by mohol znížiť produkciu TNF z ľudských myeloidných THP-1 buniek ( Lee et al., 2016 ). Je zaujímavé, že tryptofánové katabolity L. reuteri boli rozpoznané ako ligandy pre arylový uhľovodíkový receptor (AhR). Prostredníctvom aktivácie AhR môže L. reuteri podporovať lokálnu produkciu IL-22 z vrodených lymfoidných buniek (ILC) ( Zelante et al., 2013 ). Okrem toho môžu deriváty tryptofánu generované L. reuteri indukovať vývoj regulačných CD4 ⁺ CD8αα ⁺ dvojito pozitívnych intraepiteliálnych lymfocytov spôsobom závislým od AhR ( Cervantes-Barragan et al., 2017 ). Vzhľadom na to, že AhR je všadeprítomne exprimovaný, L. reuteri a jeho metabolity môžu byť schopné ovplyvniť oveľa viac typov imunitných buniek okrem ILC a T buniek ( Nguyen et al., 2013 ).

Neuromodulačná schopnosť L. reuteri

Črevná mikroflóra hrá úlohu vo funkciách enterického nervového systému (ENS) ( Yoo a Mazmanian, 2017 ). Subjekty s depléciou mikrobioty vykazujú abnormálny stav ENS ( Anitha a kol., 2012 ; Brun a kol., 2013 , 2015 ; Yoo a Mazmanian, 2017 ). Antibiotická liečba znižuje počet neurónov v ENS. To môže súvisieť s poklesom neurotrofického faktora odvodeného od gliálnej bunkovej línie (GDNF), ktorý môže byť obnovený stimuláciou TLR2 ( Brun et al., 2013 ). Okrem toho zvieratá bez mikróbov vykazujú defektnú morfológiu a excitabilitu ENS, ktorú možno zvrátiť kolonizáciou mikrobiotami ( McVey Neufeld et al., 2013 ; Collins et al., 2014 ). L. reuteri , konkrétne, môže zabrániť reakcii na viscerálnu bolesť hlavne znížením aktivity enterického nervu počas kolorektálneho distenzného tlaku u myší ( Kamiya et al., 2006 ; Ma et al., 2009 ). Je zaujímavé, že živé, teplom usmrtené, gama ožiarené L. reuteri alebo dokonca upravené médiá mali všetky podobný účinok ( Kamiya et al., 2006 ). L. reuteri môže tiež produkovať kyselinu gama-aminomaslovú (GABA), hlavný inhibičný neurotransmiter v centrálnom nervovom systéme ( Su et al., 2011 ; Barrett et al., 2012 ; Pallin et al., 2016 ). Bioaktivita in vivo vyrobenej GABA však nebola riešená ( Yoo a Mazmanian, 2017 ). Okrem toho môže L. reuteri zvýšiť excitabilitu a počet akčných potenciálov v senzorických neurónoch hrubého čreva potkanov ( Kunze et al., 2009 ). Tieto odlišné účinky L. reuteri môžu byť spôsobené rozdielom v cieľových neurónoch ( Lai et al., 2017 ).

Poruchy raného života

Využitím bezpečnosti a tolerancie L. reuteri u dojčiat a malých detí sa vynaložilo veľké úsilie na testovanie potenciálnej aplikácie L. reuteri proti poruchám v ranom veku ( tabuľka​Tabuľka 33). Vo všeobecnosti sú výsledky sľubné. Preukázalo sa, že L. reuteri je prospešný pri prevencii a/alebo liečbe mnohých stavov vrátane hnačky, funkčnej bolesti brucha, kazu, atopickej dermatitídy, alergie, intolerancie kŕmenia a regurgitácie. Kojenecká kolika bola napríklad hlavným terapeutickým cieľom L. reuteri ( tabuľka​Tabuľka 33). Kojenecká kolika je charakterizovaná nemiernym plačom a postihuje 10–30 % dojčiat ( Mi et al., 2015 ). Presná príčina a účinná liečba tohto stavu zostali nepochopiteľné. Klinická účinnosť L. reuteri DSM 17938 bola preukázaná, keďže väčšina klinických štúdií bola úspešná ( tabuľka​Tabuľka 33). Neúspech niektorých štúdií možno vysvetliť rozdielmi v dávkovaní L. reuteri , vekom dojčiat, keď sa štúdie začali, alebo základnou štruktúrou mikroflóry. Stojí za zmienku, že L. reuteri je prirodzene obsiahnutá v ľudskom materskom mlieku ( Soto et al., 2014 ), hoci medzi jednotlivcami existujú nezrovnalosti. Prítomnosť L. reuteri v mlieku môže skomplikovať výsledky štúdií, ktoré sa týkali dojčenia. Pri podávaní počas tehotenstva L. reuteri nepreukázal významný účinok na alergiu a ekzém u dojčiat po narodení ( tabuľka​Tabuľka 33).

Systémový lupus erythematosus

SLE je multisystémové autoimunitné ochorenie, ktoré zahŕňa genetiku aj prostredie ako hlavné príčinné faktory ochorenia ( Tsokos, 2011 ; Edwards et al., 2017 ). Nedávne štúdie naznačili úlohu črevnej mikroflóry pri rozvoji SLE a probiotiká boli navrhnuté ako potenciálne imunoregulátory pri SLE ( Mu a kol., 2015 , 2017b ; de Oliveira a kol., 2017 ; Edwards a kol., 2017 ; Esmaeili a kol., 2017 ). Uviedli sme signifikantne zníženú hladinu Lactobacillaceae u samíc myší MRL/lpr náchylných na lupus v porovnaní so zdravými kontrolnými myšami pred aj po ochorení iniciovanom u myší MRL/lpr ( Zhang et al., 2014 ). Okrem toho sme zistili, že liečba kyselinou retinovou zlepšila ochorenie obličiek u myší MRL/lpr a že zlepšenie symptómov lupusu bolo spojené s obnovením laktobacilov . To naznačuje možný priaznivý účinok laktobacilov na lupus. Preto sme myši MRL/lpr ošetrili zmesou piatich kmeňov Lactobacilli , aby sme určili ich terapeutický prínos. Ako sa očakávalo, zvýšenie počtu laktobacilov v čreve zlepšilo funkciu obličiek, znížilo sérové ​​autoprotilátky a predĺžilo prežitie myší MRL/lpr ( Mu et al., 2017c ). Je zaujímavé, že L. reuteri a nekultivovaný Lactobacillus sp. predstavovali > 99 % pozorovaných účinkov. Naznačuje ústrednú úlohu L. reuteri pri zmierňovaní lupusovej nefritídy. Ďalej sme zistili, že myši MRL/lpr mali počas progresie ochorenia „deravé“ črevo, zatiaľ čo liečba Lactobacillus u týchto myší posilnila funkciu črevnej bariéry a následne znížila metabolickú endotoxémiu ( Mu et al., 2017c ). Súčasne bola lokálna a systémová pro- a protizápalová sieť znovu vyvážená liečbou Lactobacillus . Špecificky, produkcia IL-10 bola zvýšená, zatiaľ čo hladina IL-6 bola systémovo znížená. Prekvapivo boli prínosy laktobacilov pozorované len u samíc a kastrovaných samcov, ale nie u intaktných samcov. Zhodou okolností sa relatívna abundancia laktobacilov v črevnej mikroflóre neznížila s progresiou ochorenia u samcov myší MRL/lpr ( Zhang et al., 2014 ). V súlade s našimi pozorovaniami denná konzumácia L. reuteri BM36301 významne znížila hladinu TNF v sére u žien, ale nie u mužov ( Lee et al., 2016 ). Vysoká hladina testosterónu v sére u mužov mohla viesť k rozdielom v odpovedi naL. reuteri . Tieto výsledky spoločne naznačujú možnú interakciu medzi pohlavnými hormónmi a črevnou mikrobiotou pri vývoji autoimunitného ochorenia ( Markle et al., 2013 ; Yurkovetskiy et al., 2013 ). Vyžaduje sa ďalšie skúmanie tohto prepojenia. V inom modeli myši lupus, NZB/W F1, sa ukázalo, že podávanie dvoch kmeňov L. reuteri spolu s jedným kmeňom L. paracasei je účinné pri zmierňovaní lupusovej hepatitídy ( Hsu et al., 2017 ). Pečeňové abnormality, prejavujúce sa ako zvýšené pečeňové enzýmy, portálny zápal a histopatologické zmeny, boli pozorované u myších modelov s lupusom aj u pacientov so SLE ( Hsu et al., 2008 ; Grover et al., 2014 ). V tejto štúdii perorálna liečba L. reuteri do značnej miery zmiernila apoptózu a zápal pečene, čo naznačuje ochrannú funkciu L. reuteri proti ochoreniu pečene súvisiacemu s lupusom ( Hsu et al., 2017 ). Zdá sa, že ochrana sa spolieha na schopnosť L. reuteri zvýšiť antioxidačnú aktivitu a znížiť cytokíny spojené so závažnejším lupusom, ako je IL-6 a TNF ( Tzang et al., 2017 ). Je zaujímavé, že v rámci týchto dvoch kmeňov L. reuteri môže iba GMNL-263 významne podporovať diferenciáciu Treg buniek, čo opäť zdôrazňuje nerovnomerné imunoregulačné schopnosti rôznych kmeňov L. reuteri .

Obezita

Korelácia medzi črevnou mikrobiotou a obezitou je dobre zdokumentovaná ( Okeke et al., 2014 ; Harakeh et al., 2016 ). Zloženie mikroflóry sa líši medzi chudými a obéznymi jedincami a prekvapivo vysoká hladina Lactobacillus spp. sa našiel v mikrobiote obéznych dospelých aj obéznych detí ( Armougom a kol., 2009 ; Bervoets a kol., 2013 ). Medzi rôznymi druhmi Lactobacillus bol L. reuteri špecificky opísaný ako spojený s obezitou ( Million et al., 2012 , 2013a ). Asociácia bola ďalej stanovená, keď sa L. reuteri rezistentný na vankomycín v črevnej mikroflóre určil ako prediktor prírastku telesnej hmotnosti počas liečby vankomycínom ( Million et al., 2013b ). V randomizovanej, dvojito zaslepenej a placebom kontrolovanej klinickej štúdii však podávanie L. reuteri JBD301 počas 12 týždňov významne znížilo telesnú hmotnosť u dospelých s nadváhou ( Chung et al., 2016 ). Navyše suplementácia dojčenskej výživy L. reuteri nezvýšila prírastok hmotnosti u dojčiat ( Braegger et al., 2011 ; Koleva et al., 2015 ). Tieto protichodné výsledky naznačujú, že L. reuteri môže ovplyvniť vývoj obezity spôsobom závislým od kmeňa. Táto hypotéza je čiastočne overená v štúdii na zvieratách. V tejto štúdii sa použili tri rôzne kmene L. reuteri na testovanie ich vplyvu na obezitu vyvolanú stravou ( Fåk a Bäckhed, 2012 ). Ukázalo sa, že iba L. reuteri PTA 4659 účinne znižoval telesnú hmotnosť myší kŕmených diétou s vysokým obsahom tukov (HFD), zatiaľ čo myši liečené L. reuteri L6798 dokonca pribrali. Zmeny hmotnosti tuku a pečene boli v súlade so zmenou telesnej hmotnosti.

V štúdiách na zvieratách sa uvádza, že niekoľko kmeňov L. reuteri negatívne reguluje rozvoj obezity ( Dahiya et al., 2017 ). Okrem priaznivého účinku L. reuteri JBD301 na ľudských obéznych pacientov spomenutých vyššie bola priaznivá úloha tohto kmeňa L. reuteri proti prírastku hmotnosti potvrdená u myší kŕmených HFD ( Chung et al., 2016 ). V modeloch obéznych myší vyvolaných HFD bola tiež zaznamenaná prospešná úloha L. reuteri GMNL-263 ( Hsieh et al., 2016 ). Liečba L. reuteri GMNL-263 znížila telesnú hmotnosť, ako aj percentá tukového tkaniva a pečene k telesnej hmotnosti. Je zaujímavé, že teplom usmrtený GMNL-263 má zrejme veľmi podobnú prospešnú funkciu ( Hsieh et al., 2016 ; Liao et al., 2016 ). L. reuteri 6475 sa tiež ukázal ako prospešný proti obezite u myší ( Poutahidis et al., 2013b ). Predpokladalo sa, že funkcia L. reuteri 6475 je do značnej miery závislá od jej schopnosti indukovať bunky Treg bez zmeny črevnej mikrobiálnej ekológie. Okrem toho vlastnosti niektorých činidiel na zníženie hmotnosti sa pripisujú ich schopnostiam zvýšiť L. reuteri u myší. Kyselina polymanurónová bola napríklad schopná zvýšiť relatívnu abundanciu L. reuteri a významne znížiť prírastok telesnej hmotnosti vyvolaný HFD ( Liu F. et al., 2017 ). Či je nárast L. reuteri príčinou úbytku hmotnosti, si vyžaduje ďalšie skúmanie.

Neurodevojová porucha

Vystavenie obezite matiek in utero zvyšuje u detí riziko neurovývojových porúch, ako je porucha autistického spektra ( Connolly et al., 2016 ). V nedávnej štúdii na myšiach sa ukázalo, že materská HFD (MHFD) vyvoláva sociálne deficity u potomkov ( Buffington et al., 2016 ). Zhoršená sociálna schopnosť u myší GF bola obnovená transplantáciou fekálnej mikrobioty z potomstva s pravidelnou stravou matky (MRD), ale nie MHFD, čo naznačuje potenciálnu úlohu mikrobioty v tomto procese. Ďalšia analýza ukázala, že početnosť L. reuteri bola znížená viac ako deväťnásobne v črevnom mikrobióme MHFD v porovnaní s MRD potomkami. Sociálne defekty u potomkov MHFD boli zachránené priamym podaním L. reuteri , čo naznačuje účinok L. reuteri pri regulácii neurovývoja u myší MHFD. Táto regulačná funkcia L. reuteri bola pripisovaná jeho schopnosti zvyšovať hladinu oxytocínu ( Poutahidis et al., 2013a ; Buffington et al., 2016 ). Výsledky týchto štúdií naznačujú potenciálne uplatnenie L. reuteri pri liečbe pacientov, ktorí trpia neurovývojovými poruchami.