Кишечная микробиота может подавлять противораковый иммунитет печени
Ученые разобрались в том, как кишечная микробиота влияет на противораковый иммунитет печени. Раньше уже было известно, что желчные кислоты, которые вырабатываются в печени и затем поступают в пищеварительный тракт, модифицируются там микроорганизмами. После этого они могут вернуться в печень и повлиять на особый тип иммунных лимфоцитов – NKT-клеток, которые в норме предотвращают образование опухолей печени.
Рис. 1. Кишечно-печеночная циркуляция желчных кислот в организме и механизм их влияния на онкогенез в печени. Печень выделяет желчные кислоты (bile acids), которые затем поступают в кишечник, где могут быть модифицированы микробиотой. Часть кислот затем возвращается через эпителий кишечника (gut epithelium; см. Intestinal epithelium) и воротную вену (portal vein) в печень (вторичные кислоты, secondary acids). Некоторые модификации позволяют вторичным кислотам влиять на уровень хемокина CLCX16, большое количество которого подавляет активность особого вида иммунных клеток – NKТ-клеток (Natural killer T cell, NKT), противостоящих образованию опухолей в печени. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science.
Теперь установлено, что вредную модификацию осуществляют бактерии рода Clostridium, и выявлены молекулярные подробности этого процесса. Полученные данные могут не только быть использованы в дальнейших исследованиях терапии рака, но и показывают связь микробиоты и ее метаболитов с иммунными ответами в печени.
С 1980 года количество случаев рака печени и метастазов раков других органов в печень возросло в 3 раза. В развитых странах он становится одной из главных причин смерти от онкологических заболеваний (R. L. Siegel et al., 2018. Cancer statistics, 2018). Это связано, с одной стороны, с факторами, провоцирующими рак печени (неумеренное потребление алкоголя и последующий цирроз печени, вредные продукты питания, различные химические соединения в окружающей среде, вирусы гепатитов В и С), а с другой стороны, – с уменьшением смертности от ряда других раков.
Недавно было показано, что на эффективность различных методов лечения рака, а также на онкогенез как таковой может влиять кишечная микробиота – совокупность микроорганизмов в пищеварительном тракте (L. Zitvogel et al., 2018. The microbiome in cancer immunotherapy: Diagnostic tools and therapeutic strategies). На данный момент до конца не ясно, как именно микроорганизмы попадают в пищеварительный тракт и заселяют его. Сейчас преобладает мнение, что изначально младенцы рождаются «чистыми», а микробиота попадает к ним с пищей, из воздуха и другими путями и формируется за первые пару лет жизни. Однако есть исследования, показывающие, что, например, некоторые лактобактерии встречаются в плаценте во время беременности.
В состав микробиоты входит множество разнообразных микроорганизмов – как анаэробных, так и аэробных (а всего у взрослого здорового человека может быть несколько десятков триллионов микроорганизмов в кишечнике – их число обычно превосходит число собственных клеток организма). Отношения большинства из них с организмом хозяина мутуалистические, основная полезная функция микробиоты состоит в усвоении пищи. Но процессы взаимодействия между микробиотой и различными органами очень разнообразны. Так, микроорганизмы микробиоты могут стимулировать иммунную систему к выработке цитокинов, иммуноглобулинов, а продукты их метаболизма могут влиять и на центральную нервную систему.
И, как выяснилось, микробиота может стимулировать или, наоборот, подавлять противораковый иммунный ответ в печени. А это главное средство противостояния раку в организме: основную функцию по нейтрализации клеток, вышедших из-под контроля и формирующих опухоли, выполняют лимфоциты иммунной системы. В печени имеется свой специфичный набор иммунных клеток, состоящий из Т- и В-лимфоцитов, макрофагов. В отличие от общей иммунной системы, в печени очень много NKT-клеток (см. Natural killer T cell, NKT), составляющих до 40% от количества Т-лимфоцитов.
Продукты метаболизма микробиоты попадают в печень из пищеварительного тракта через эпителий кишечника и воротную вену, доставляющую 75% всей крови, поступающей в печень. Было показано, что они влияют на развитие гепатоцеллюлярной карциномы (S. Yoshimoto et al., 2013. Obesity-induced gut microbial metabolite promotes liver cancer through senescence secretome), но механизмы этого влияния оставались неизвестными. Гепатоцеллюлярная карцинома – наиболее частый первичный рак печени, возникающий в результате перерождения гепатоцитов, составляющих примерно 80% всей массы печени. Этот рак плохо поддается лечению. На ранних стадиях, когда опухоль меньше 5 см, ее можно удалить или осуществить пересадку печени. На более поздних стадиях лечение практически никогда не бывает успешным.
Большой коллектив ученых из научных учреждений США, Германии и Тайланда во главе с Тимом Гретеном (Tim F. Greten) исследовал на модельных мышах роль кишечной микробиоты в формировании иммунитета печени к гепатоцеллюлярной карциноме (ГК), а также влияние микробиоты на метастазы раков других органов, поскольку такие метастазы возникают чаще всего именно в печени. В соответствии с ранними результатами других ученых подавление микробиоты введением животным смеси антибиотиков в питьевой воде приводило к резкому угнетению ГК, вызванной у них снятием репрессии онкогена MYC доксициклином (рис. 2).
Рис. 2. Подавление бактерий пищеварительного тракта подавляет и развитие рака печени. У трансгенных мышей вызывали на 4 неделе жизни гепатоцеллюлярную карциному, после чего давали им либо чистую питьевую воду (H2O), либо воду со смесью антибиотиков (АВХ). Еще через 10 недель мышей забивали, извлекали печень и подсчитывали на ней узлы раковых опухолей – на графике хорошо видно, что у мышей, получавших простую воду, опухоли развивались гораздо сильнее. Внизу слева для примера показаны печени мышей из каждой группы. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science.
Подавление микробиоты не влияло на формирование первичных опухолей после инъекции мышам под кожу раковых клеток других органов, но количество метастазов в печени сильно сокращалось. При этом не наблюдалось никакого замедления метастазирования в легкие. Следовательно, влияние микробиоты на метастазирование специфично для печени.
Чтобы понять, как возникает противоопухолевый эффект подавления микробиоты, авторы проанализировали его влияние на набор иммунных клеток в печени. Они обнаружили заметное увеличение количества NKT-клеток, при этом количество других иммунных клеток существенно не изменялось. Это наблюдалось и на здоровых мышах независимо от их возраста и пола (рис. 3). Накопление NKT-клеток оказалось специфичным для печени (например, в селезенке набор иммунных клеток не менялся).
Рис. 3. Подавление кишечной микробиоты стимулирует формирование натуральных киллеров Т (NKT) в печени. Мышам, которых поили водой или водой с антибиотиками (АВХ), трансплантировали под кожу раковые клетки EL4 и через 2,5 недели определяли в их печени содержание иммунных лимфоцитов разных типов. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science.
Ранее было показано, что для накопления и выживания NKT-клеток в печени важен рецептор хемокина типа 6 CXCR6 (F. Geissmann et al., 2005. Intravascular immune surveillance by CXCR6+ NKT cells patrolling liver sinusoids). И действительно, все NKT-клетки печени подопытных мышей экспрессировали CXCR6. Также NKT-клетки печени оказались активными продуцентами интерферона γ – более активными, чем другие лимфоциты.
Естественное предположение, что именно с NKT-клетки борются с опухолями и метастазами в печени, подтвердилось в экспериментах in vivo на мышах: в нокаутных по CXCR6 мышах (у которых сильно снижалась активность NKT-клеток в печени) метастазирование не зависело от подавления микробиоты.
Единственным лигандом рецептора CXCR6 является хемокин CXCL16, поэтому ученые проследили связь экспрессии этих двух белков. Оказалось, что в печени (точнее – в эндотелии синусов, но не в гепатоцитах) мышей, принимавших антибиотики, уровень экспрессии мРНК Cxcl16 оказался повышенным, что сопровождалось увеличением количества NKT-клеток.
Далее нужно было установить связь микробиоты с экспрессией печеночных CXCL16 и CXCR6. Хорошо известно, что бактерии-симбионты в пищеварительном тракте регулируют состав желчных кислот, которые синтезируются в печени. Через желчный пузырь они попадают в кишечник, где участвуют в усвоении жиров. Желчные кислоты совершают своеобразный круговорот: часть из них из кишечника попадает в венозную кровь и возвращается в печень (рис. 1). Различают так называемые первичные кислоты, синтезируемые в печени, и вторичные – прошедшие через кишечник (возможно, не один раз) и модифицированные там ферментами микробиоты. И тех, и других довольно много. В деталях неизвестно, какие из разнообразных микроорганизмов микробиоты производят какие модификации желчных кислот и какие из модифицированных желчных кислот «полезные», какие «вредные». У мышей первичной желчной кислотой является, например, β-мурихолевая кислота (β-МСА), а вторичной – ω-мурихолевая кислота (ω-МСА).
На связи желчных кислот с экспрессией CXCL16 и сосредоточились ученые. Они выяснили, что колестирамин (лекарственное средство, понижающее уровень желчных кислот) увеличивал в печени мышей уровень NKT-клеток и что параллельно усиливалась экспрессия мРНК Cxcl16. Это позволило предположить, что желчные кислоты влияют на накопление NKT-клеток путем регуляции экспрессии CXCL16.
Проверили это так. Во-первых, подавление микробиоты антибиотиками ожидаемо приводило к увеличению доли первичных и уменьшению доли вторичных желчных кислот. Во-вторых, в культурах клеток эндотелия синусов печени in vitro при обработке ω-МСА экспрессия мРНК Cxcl16 подавлялась, а под действием β-МСА – усиливалась. В-третьих, при добавлении в пищу мышей вторичных кислот накопление NKT-клеток подавлялось, а первичные кислоты в пище его стимулировали. И, соответственно, вторичные кислоты стимулировали формирование раковых опухолей, а первичные его подавляли.
Следующий вопрос, который разрешили авторы, касался идентификации бактерий микробиоты, ответственных за «вредоносную» модификацию желчных кислот. Авторы оценили влияние на продукцию NKT-клеток антибиотиков разных спектров действия. Добавление в пищу мышей ванкомицина или цефоперазона (cefoperazone), подавляющих грамположительные бактерии, уменьшало содержание вторичных кислот (и повышало уровень NKT-клеток) в печени, а неомицин проявлял лишь слабый эффект. Ранее уже было показано, что наиболее важные реакции превращения первичных кислот во вторичные связаны в основном с ограниченным набором бактерий микробиоты, в который входят клостридии (J. M. Ridlon et al., 2006. Bile salt biotransformations by human intestinal bacteria). Действительно, ванкомицин сильно подавляет рост клостридий, а неомицин влияет на них слабо. А вот после того, как микробиота мышей была подавлена и пищеварительный тракт был вновь заселен C. scindens, NKT-клетки хуже накапливались в печени и в ней активизировался рост раковых опухолей.
Таким образом, ученые более-менее полностью разобрались, как бактерии пищеварительного тракта, способные превращать первичные желчные кислоты во вторичные, могут влиять рост раковых опухолей печени.
Результаты, полученные на мышах, были проверены и подтвердились на тканях печени человека. Также известно, что кроме противоопухолевого действия NKT-клетки являются важным регулятором аутоиммунных ответов. Поэтому полученные результаты позволяют полагать, что микробиота и желчные кислоты могут стать потенциальной мишенью для лечения и аутоиммунных заболеваний печени.
Источники:
1) C. Ma et al. Gut microbiome–
mediated bile acid metabolism regulates liver cancer via NKT cells // Science. 2018. DOI: 10.1126/science.aan5931.
2) N. Hartmann, M. Kronenberg.
Cancer immunity thwarted by the microbiome // Science. 2018. (Популярный синопсис к обсуждаемой статье).
Вячеслав Калинин, «Элементы»
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
