Używamy plików cookie

Kompleksowe badanie nad bakteryjną produkcją serotoniny w jelitach

Przedstawione badanie stanowi nowatorską pracę eksperymentalną łączącą badania in vitro na hodowlach bakteryjnych z badaniami in vivo na modelach mysich oraz analizą kliniczną pacjentów z zespołem jelita drażliwego. Autorzy przeprowadzili serię doświadczeń obejmujących izolację i hodowlę bakterii jelitowych, analizy metabolomiczne wykorzystujące spektrometrię mas, eksperymenty na myszach pozbawionych mikrobioty oraz myszach z niedoborem enzymu TPH1, a także badanie kohortowe z udziałem 147 pacjentów z IBS i 27 zdrowych osób kontrolnych w ramach projektu SYMBOWL (Symptom Generation in Functional Bowel Disorders).

Badanie objęło 10-tygodniowe myszy pozbawione mikrobioty jelitowej (germ-free) oraz myszy z genetycznym niedoborem enzymu hydroksylazy tryptofanu 1 (TPH1), odpowiedzialnego za obwodową syntezę serotoniny. W części klinicznej uczestniczyło 147 pacjentów z rozpoznanym zespołem jelita drażliwego oraz 27 zdrowych ochotników. Analizowano próbki kału i surowicy pod kątem stężenia serotoniny, oceniano całkowity czas pasażu jelitowego oraz konsystencję stolca według skali Bristol Stool Form. Dodatkowo przeprowadzono izolację i charakterystykę szczepów bakteryjnych z próbek kałowych sześciu zdrowych dawców, wykorzystując podłoża hodowlane MRS (De Man, Rogosa and Sharpe) i LYBHI. Mikrobiota kałowa była hodowana w warunkach beztlenowych, a stężenia serotoniny mierzono do 48 godzin po inokulacji.

Przełomowe odkrycie bakterii syntetyzujących serotoninę

Kluczowym odkryciem badania jest identyfikacja dwóch gatunków bakterii jelitowych człowieka - Limosilactobacillus mucosae i Ligilactobacillus ruminis - które współdziałając ze sobą, są zdolne do syntezy bioaktywnej serotoniny poprzez dekarboksylację 5-hydroksytryptofanu. Mechanizm ten zachodzi niezależnie od gospodarza, bez udziału enzymu TPH1. Bakterie te nie hydroksylują tryptofanu do 5-HTP, ale potrafią przekształcać dostępny 5-HTP w serotoninę poprzez bakteryjną dekarboksylazę zależną od fosforanu pirydoksalu, której gen zidentyfikowano w genomie L. mucosae. Co istotne, produkcja serotoniny zachodziła tylko w konsorcjum obu szczepów, nie obserwowano jej w monokulturach ani w rekonstytułowanych ko-kulturach in vitro, choć te ostatnie wykazywały aktywność in vivo. Bakterie produkują również tryptaminę z tryptofanu, co wskazuje na obecność aktywności dekarboksylazy tryptofanu. Kolonizacja myszy pozbawionych mikrobioty tym konsorcjum bakteryjnym przez 15 dni prowadziła do zwiększenia stężenia serotoniny w kale, normalizacji czasu pasażu jelitowego oraz zwiększenia gęstości neuronów w splotach jelitowych, szczególnie w splocie mięśniowym układu nerwowego jelitowego. Efekty te były bardziej wyraźne u samic myszy.

Jak bakterie jelitowe wpływają na poziom serotoniny i motorykę jelit?

Wyniki badania wykazały, że myszy pozbawione mikrobioty jelitowej charakteryzowały się obniżonymi poziomami serotoniny w kale i surowicy w porównaniu do myszy konwencjonalnie hodowanych. Myszy TPH1-deficytowe miały również obniżone poziomy serotoniny zarówno w kale jak i surowicy. Po kolonizacji konsorcjum L. mucosae i L. ruminis obserwowano istotny wzrost stężenia serotoniny w kale, ale nie w krążeniu ogólnym ani w krążeniu wrotnym, co sugeruje lokalny wpływ bakteryjnej produkcji serotoniny na jelito. Mikrobiota kałowa od trzech z sześciu zdrowych dawców produkowała serotoninę in vitro, osiągając stężenia do około 500 nM w ciągu pierwszych 12 godzin hodowli. Bakterie zwiększały immunoreaktywność serotoniny w tkance okrężnicy oraz w obrębie splotu mięśniowego jelitowego układu nerwowego, co potwierdzono barwieniem markerem pan-neuronalnym Tuj1. Kolonizacja prowadząca do wzrostu serotoniny w kale korelowała pozytywnie z przyspieszeniem pasażu jelitowego, przy czym korelacja ta była istotna statystycznie szczególnie u samic. Ważne jest, że kolonizacja nie zwiększała ekspresji TPH1 ani nie zmniejszała ekspresji oksydazy monoaminowej w tkance okrężnicy, co potwierdza bakteryjne pochodzenie serotoniny. W badaniu klinicznym u pacjentów z zespołem jelita drażliwego stwierdzono istotnie statystycznie zmniejszoną liczebność L. mucosae w kale w porównaniu do zdrowych osób kontrolnych, niezależnie od podtypu IBS. Zmniejszona liczebność tego szczepu korelowała negatywnie z występowaniem twardych stolców według skali Bristol (BSF 1-2), co może wskazywać na związek ze spowolnieniem pasażu jelitowego. Nie stwierdzono jednak różnic w poziomach serotoniny w kale i surowicy między pacjentami z IBS a grupą kontrolną.

Podsumowanie

Badanie wykazało, że bakterie jelitowe L. mucosae i L. ruminis syntetyzują bioaktywną serotoninę poprzez dekarboksylację 5-HTP, wpływając na motorykę jelit i rozwój układu nerwowego jelitowego niezależnie od enzymu TPH1 gospodarza. U pacjentów z zespołem jelita drażliwego stwierdzono istotnie zmniejszoną liczebność L. mucosae w mikrobiocie jelitowej, co korelowało z występowaniem twardych stolców i spowolnieniem pasażu jelitowego. Bakteryjna produkcja serotoniny działa lokalnie w jelitach, nie wpływając na poziom krążący, co sugeruje możliwość celowanej probiotykoterapii. Odkrycie to otwiera nowe perspektywy leczenia zaburzeń czynnościowych przewodu pokarmowego poprzez modulację mikrobioty serotoninogennej jako alternatywy dla farmakoterapii systemowej.

Bibliografia

Chiara H. Moretti, Estelle Grasset, Jiaying Zhu, et al. Identification of human gut bacteria that produce bioactive serotonin and promote colonic innervation.

https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247%2825%2901205-7