Бактерии кишечника нашли новый путь к болезни Альцгеймера

Имидазолпропионат из кишечника связали с повреждением сосудистого барьера мозга, патологией тау и более быстрым снижением когнитивных функций

Кишечные бактерии давно связывают с болезнью Альцгеймера. Проблема была в главном вопросе: каким образом микроорганизмы, живущие в кишечнике, могут влиять на процессы, происходящие в мозге?

Новое исследование, опубликованное в Nature Communications, предлагает один из наиболее конкретных ответов. В центре работы оказался имидазолпропионат — небольшая молекула, которую некоторые кишечные бактерии образуют при переработке гистидина.

Это не означает, что ученые нашли «бактерию Альцгеймера». Гораздо интереснее другое: они проследили возможную цепочку от бактериального метаболита в кишечнике через кровь и сосуды мозга к двум ключевым признакам болезни — амилоидной и тау-патологии.

Важен не только состав микробиома, но и то, что бактерии производят

Когда говорят о микробиоме, внимание часто сосредоточено на вопросе, каких бактерий в кишечнике больше или меньше. Но для организма может быть не менее важно, какие вещества эти микроорганизмы производят.

Имидазолпропионат, или ImP, появляется при бактериальном метаболизме гистидина — незаменимой аминокислоты, которую человек получает с пищей. Для образования ImP бактериям необходим, в частности, фермент уроканатредуктаза UrdA.

Ранее повышенные концентрации ImP уже связывали с сахарным диабетом 2-го типа, нарушением функции сосудистого эндотелия, атеросклерозом, гипертензией и заболеваниями почек. Все это особенно интересно в контексте деменции: сосудистые и метаболические нарушения сами по себе относятся к факторам, способным влиять на здоровье мозга.

Авторы новой работы решили проверить более прямую гипотезу: может ли ImP быть не просто спутником неблагоприятного метаболического состояния, а одним из участников процессов, связанных с нейродегенерацией?

У 1196 человек высокий ImP совпадал с неблагоприятными признаками

Основную человеческую выборку составили 1196 когнитивно сохранных участников исследований Wisconsin ADRC и Wisconsin Registry for Alzheimer’s Prevention. Средний возраст составлял около 61 года.

Исследователи измеряли ImP в плазме и сопоставляли его с результатами когнитивных тестов и биомаркерами болезни Альцгеймера.

Чем выше был ImP, тем хуже в среднем оказывались показатели комплексных тестов, чувствительных к доклиническим когнитивным изменениям. Связь сохранялась после учета возраста, пола, индекса массы тела и носительства APOE ε4 — наиболее известного генетического фактора риска поздней болезни Альцгеймера.

Исследователи отдельно учли целый набор традиционных факторов риска — ожирение, курение, физическую неактивность, диабет, гипертензию, гиперхолестеринемию, сердечно-сосудистые заболевания, хроническую болезнь почек и депрессию. Они объясняли часть наблюдаемой связи, но не устраняли ассоциацию ImP с когнитивными показателями.

При сравнении участников с наиболее высокими и наиболее низкими уровнями ImP различалась и расчетная возрастная траектория когнитивных функций: группа с высоким ImP демонстрировала более выраженное снижение.

Это еще не доказывает, что именно ImP вызывает ухудшение памяти. Но исследователи обнаружили следующий уровень связи.

В крови появился след процессов, происходящих в мозге

Высокий ImP был связан с повышенным уровнем pTau-217 — фосфорилированной формы тау, которая сегодня считается одним из наиболее информативных биомаркеров патологии болезни Альцгеймера.

Также наблюдалась связь с нейрофиламентом легкой цепи, NfL. Этот белок попадает в биологические жидкости при повреждении нервных волокон и используется как маркер нейронального повреждения.

Для GFAP — белка, отражающего реакцию астроцитов, поддерживающих работу нервной ткани, — поперечная связь с ImP не достигла статистической значимости. Однако при моделировании возрастной динамики у людей с высоким ImP рост GFAP происходил быстрее.

Таким образом, речь шла уже не только о результатах тестов. Более высокие концентрации бактериального метаболита совпадали с несколькими независимыми признаками процессов, связанных с нейродегенерацией.

Не существует одной «плохой бактерии Альцгеймера»

У части участников исследователи изучили непосредственно кишечный микробиом. В 294 образцах кала они искали бактериальные геномы, содержащие предполагаемые варианты гена urdA, необходимого для образования ImP.

Такие гены обнаружились у представителей нескольких бактериальных групп. Некоторые из них были связаны с когнитивными показателями и биомаркерами болезни Альцгеймера.

Но здесь обнаружилась важная деталь: только Streptococcus pasteurianus показал статистически значимую положительную связь с концентрацией ImP в плазме.

Это разрушает слишком простую картину «нашли вредную бактерию — надо от нее избавиться».

Микробиом представляет собой экосистему, а концентрация ImP зависит не только от наличия определенного микроорганизма. Значение могут иметь активность микробных генов, питание, взаимодействие между бактериями и способность организма выводить метаболит.

Именно здесь исследование делает особенно интересный поворот.

Уровень бактериальной молекулы частично зависит от генов самого человека

Исследователи обнаружили генетический вариант rs7969761 в области хромосомы 12, связанный с концентрацией ImP в крови. Аллель, ассоциированный с более высоким ImP, встречался примерно у 43% изученных людей европейского происхождения.

Этот же вариант демонстрировал небольшую, но статистически значимую связь с риском болезни Альцгеймера.

Затем авторы применили менделевскую рандомизацию. Это генетический метод, позволяющий приблизиться к вопросу причинности: если наследственный вариант повышает определенный биологический показатель с рождения, можно проверить, связано ли такое генетически обусловленное повышение с заболеванием.

Увеличение генетически предсказанного нормализованного уровня ImP на одно стандартное отклонение соответствовало повышению риска болезни Альцгеймера примерно на 16%.

Однако эту цифру нельзя превращать в индивидуальный прогноз. Анализ основывался фактически на одном генетическом инструменте, и сами авторы называют это ограничением. Результат усиливает аргумент в пользу возможной причинной роли ImP, но не закрывает вопрос окончательно.

Вот как молекула из кишечника может добраться до проблемы в мозге

Самая важная часть работы начинается там, где заканчивается обычное наблюдательное исследование.

Авторы проверили ImP экспериментально.

У мышей с моделью амилоидной патологии длительное воздействие ImP увеличивало количество амилоидных бляшек в коре и сопровождалось усиленной реакцией астроцитов. В другой модели, воспроизводящей тау-патологию, ImP усиливал изменения тау и реактивность астроцитов.

Но оставался очевидный вопрос: как эта молекула вообще получает доступ к мозгу?

Исследователи обнаружили ImP в ткани коры мышей после длительного введения вещества. Одновременно эксперименты на человеческих эндотелиальных клетках мозга показали ухудшение барьерной функции клеточного слоя.

У мышей увеличивалось и проникновение красителя Evans blue из сосудов в ткань мозга — классический экспериментальный признак повышения сосудистой проницаемости.

Проще говоря, ImP может действовать не по схеме «молекула свободно проходит через совершенно исправный барьер». Исследование предполагает более тревожный механизм: она сама способна ухудшать состояние сосудистой границы между кровью и мозгом.

Второй удар приходится на тау

Гематоэнцефалический барьер оказался лишь частью истории.

В нейронах ImP усиливал фосфорилирование тау. Тау в норме помогает поддерживать внутреннюю структуру нервной клетки, однако при болезни Альцгеймера его химическая модификация нарушается: белок чрезмерно фосфорилируется и становится частью патологического процесса.

Анализ сигнальных путей указал на фермент GSK3β — киназу, способную присоединять фосфатные группы к белкам.

Когда исследователи воздействовали ImP на первичные нейроны, количество одной из патологически фосфорилированных форм тау выросло более чем втрое. Добавление ингибитора GSK3β полностью подавляло этот эффект в использованной клеточной модели.

Так абстрактная «ось кишечник — мозг» превращается в проверяемую биохимическую цепочку.

Почему исследование еще не доказывает, что ImP вызывает болезнь Альцгеймера у человека

Работа сильна именно сочетанием нескольких уровней доказательств: данные людей, генетический анализ, микробиом, две модели болезни у мышей, клетки сосудов мозга и первичные нейроны.

Но ограничения остаются существенными.

Большинство участников человеческой части исследования были когнитивно сохранны. Это полезно для изучения ранних изменений, но результаты нельзя автоматически переносить на всех пациентов с деменцией.

Человеческие ассоциации сами по себе остаются преимущественно наблюдательными. Менделевская рандомизация усиливает аргумент о причинности, но опиралась на ограниченное число генетических инструментов.

Концентрацию ImP у людей определяли методом ненаправленной метаболомики, поэтому исследователи работали с нормализованными относительными значениями, а не с абсолютной концентрацией, которую можно было бы превратить в клинический порог.

Эксперименты на мышах проводились только на самцах. Кроме того, животным давали готовый ImP с питьевой водой. Это не полностью воспроизводит ситуацию, когда вещество постоянно образуется бактериями внутри кишечника.

Поэтому сегодня нельзя сказать: «высокий ImP означает будущую болезнь Альцгеймера». Тем более нельзя использовать его уровень как утвержденный диагностический тест.

Почему нельзя просто убрать гистидин из питания

Логичный бытовой вывод мог бы звучать так: если бактерии получают ImP из гистидина, нужно есть меньше продуктов с гистидином.

Авторы специально предостерегают от такой логики.

Гистидин — незаменимая аминокислота, необходимая организму. Она широко представлена в обычной белковой пище. Поэтому задача потенциальной терапии состоит не в том, чтобы лишить человека важного питательного вещества.

Гораздо интереснее вмешаться в конкретный микробный метаболический путь.

В перспективе исследователи рассматривают несколько вариантов: изменить активность бактерий, производящих ImP; блокировать фермент UrdA; уменьшить образование ImP из гистидина; ограничить его попадание из кишечника в кровоток или воздействовать на механизмы, через которые он повреждает ткани.

Пока ни один из этих подходов не является доказанной профилактикой или лечением болезни Альцгеймера.

Микробиом становится похож не на список бактерий, а на химическую фабрику

Это, возможно, наиболее важный смысл исследования.

Многие ранние работы о микробиоме строились вокруг каталогизации: у больных людей одних бактерий больше, других меньше. Такие наблюдения интересны, но из них трудно сделать терапевтическую мишень.

Метаболиты меняют ситуацию. Молекулу можно измерить. Можно определить фермент, который ее производит. Можно изучить ее транспорт и выведение. Можно найти рецептор или сигнальный путь, на который она действует. Наконец, можно попытаться создать препарат, изменяющий именно этот процесс.

Авторы проводят аналогию с холестерином: когда-то фактор риска превратился в измеряемый биомаркер и терапевтическую мишень. Для ImP такой сценарий пока остается гипотезой, а не клинической реальностью.

Но направление стало значительно конкретнее.