Кишечные бактерии превращают овощи в молекулы, влияющие на обмен веществ

Исследователи нашли неизвестный путь, связывающий нитраты, железо, микробиоту и здоровье сосудов

Бактерии кишечника могут превращать два обычных компонента пищи — нитраты и железо — в совершенно другие биологически активные молекулы. Затем эти молекулы покидают кишечник, достигают печени и почек и вмешиваются в работу сосудов и обмен веществ.

Исследование, опубликованное в Cell, предлагает новый механизм, который может объяснять часть пользы растительной пищи. Но пока ключевые доказательства получены на мышах и клеточных моделях, поэтому превращать открытие в рекомендацию принимать нитраты или железо было бы преждевременно.

Овощи могут быть не конечным продуктом, а сырьём для кишечной «химической фабрики»

Свёкла, руккола, шпинат, салат и другие листовые овощи содержат довольно много неорганических нитратов. Бобовые, цельнозерновые продукты, зелень и другие растения одновременно служат источниками негемового железа — той формы железа, которая содержится не в гемоглобине и миоглобине животных тканей.

Обычно влияние этих компонентов рассматривают по отдельности. Нитраты могут включаться в известный путь «нитрат → нитрит → оксид азота», участвующий в регуляции сосудистого тонуса. Железо необходимо для множества ферментов и белков.

Новая работа предлагает ещё один вариант.

Исследователи показали, что при участии кишечных бактерий нитрат и негемовое железо могут становиться исходными компонентами для образования динитрозильных комплексов железа — DNIC (dinitrosyl iron complexes).

Это небольшие железосодержащие комплексы с двумя нитрозильными группами. Самое интересное начинается после их образования: DNIC способны покидать кишечник и распространяться по организму.

Иными словами, часть физиологического эффекта пищи потенциально определяется не только тем, что мы съели, но и тем, во что микробиота сумела это превратить.

Эксперимент с мышами без микробиоты показал, откуда берутся DNIC

Чтобы понять происхождение этих молекул, исследователи использовали электронный парамагнитный резонанс — метод, позволяющий обнаруживать определённые химические структуры по характерному физическому сигналу.

У обычных здоровых мышей DNIC обнаруживались прежде всего в печени и почках.

Затем исследователи проверили стерильных (germ-free) мышей — животных, выращенных без кишечной микробиоты.

У них характерный сигнал DNIC исчез.

Это оказалось одним из ключевых наблюдений всей работы: собственных процессов организма оказалось недостаточно для появления измеряемых базовых уровней этих комплексов. Требовались бактерии.

Когда обычным мышам давали нитрат, содержание DNIC в печени увеличивалось. При сочетании нитрата с железом оно возрастало ещё сильнее. Железо само по себе такого эффекта не давало.

У стерильных мышей даже добавление нитрата DNIC не создавало.

Так возникла цепочка:

пища → нитрат + негемовое железо → кишечные бактерии → DNIC → ткани организма.

Учёные нашли бактериальный «переключатель» этой реакции

Исследователи пошли дальше и попытались выяснить, какая именно способность бактерий необходима для образования DNIC.

Одним из кандидатов была нитратредуктаза — бактериальный фермент, превращающий нитрат в нитрит. Это важный этап обмена азота у многих микроорганизмов.

В эксперименте использовали обычную Escherichia coli и мутантную линию, лишённую всех трёх форм нитратредуктазы.

Обычная E. coli в анаэробных условиях образовывала DNIC из нитрата, особенно активно в присутствии железа.

Бактерии без нитратредуктазы — нет.

Похожую способность исследователи обнаружили и в образцах человеческого кала: при инкубации с нитратом и железом содержащиеся там микроорганизмы также производили DNIC.

Однако это ещё не означает, что у людей после тарелки салата возникает такой же системный эффект, какой наблюдался у экспериментальных животных. В исследовании участвовали только 10 здоровых добровольцев, а человеческие образцы использовались главным образом для демонстрации способности микробиоты образовывать DNIC вне организма.

Самый неожиданный момент — молекулы не остаются в кишечнике

Можно было бы предположить, что DNIC — лишь локальный продукт бактериального метаболизма.

Эксперименты показали другое.

После образования в кишечнике комплексы обнаруживались в различных тканях, особенно в печени и почках. Дополнительные опыты указывали, что они перемещаются не просто как отдельно высвободившиеся железо и оксид азота, а как относительно стабильная структура Fe(NO)₂, способная связываться с белками и обмениваться лигандами.

Именно здесь исследование меняет привычное представление о взаимодействии человека и микробиоты.

Кишечные бактерии в данном случае не просто помогают переварить пищу. Они создают из её компонентов новую сигнальную химическую сущность, способную распространяться по организму.

DNIC оказались не просто другой упаковкой оксида азота

Оксид азота, или NO, — одна из важнейших сигнальных молекул сердечно-сосудистой системы. Он помогает расслаблять гладкую мускулатуру сосудов и участвует в регуляции кровотока.

Поэтому естественным предположением было: DNIC работают просто как контейнер, постепенно высвобождающий NO.

Авторы специально проверили эту гипотезу несколькими способами — и получили неожиданный результат.

В плазме DNIC оставались достаточно стабильными: период полураспада превышал три часа. Присутствие эритроцитов не ускоряло их разрушение, хотя свободный NO должен был бы быстро реагировать с гемоглобином.

При прямом измерении высвобождение свободного NO из DNIC было минимальным, а в цельной крови его вообще не удалось обнаружить. DNIC также не подавляли митохондриальный комплекс IV — чрезвычайно чувствительную к свободному NO мишень.

При этом комплексы продолжали проявлять выраженную биологическую активность.

Например, они расслабляли изолированные сосуды мышей при концентрациях порядка наномолей и активировали сигнальный путь растворимой гуанилатциклазы — sGC — и циклического гуанозинмонофосфата, cGMP.

Авторы поэтому предполагают, что активной сигнальной единицей может быть сама структура Fe(NO)₂, а не высвобождающийся из неё свободный оксид азота.

Это один из наиболее фундаментально интересных результатов работы.

Что происходило с давлением, сахаром и печенью у мышей

Затем исследователи проверили, имеет ли этот химический путь физиологические последствия.

Самцам мышей создали экспериментальную модель кардиометаболических нарушений с помощью западного типа питания и препарата L-NAME, подавляющего синтез оксида азота. У животных повышалось артериальное давление, ухудшалась сосудистая функция и регуляция глюкозы, возрастала жировая масса и развивался выраженный стеатоз печени.

Одной группе давали синтетический DNIC. Другой — нитрат вместе с железом, позволяя кишечным бактериям производить DNIC самостоятельно.

Оба вмешательства резко повышали содержание DNIC в тканях и ослабляли многие нарушения.

У животных снижалось повышенное давление, улучшалась функция сосудов, нормализовались показатели глюкозы и инсулина, улучшался состав тела. В печени накапливалось значительно меньше жира.

Особенно показателен отдельный эксперимент с рационом, практически лишённым железа. Добавление одного нитрата заметной метаболической пользы не принесло. Эффект появился при сочетании нитрата с железом и сопровождался ростом уровня DNIC.

Это поддерживает центральную гипотезу исследования: важен не только нитрат сам по себе, а продукт его бактериального взаимодействия с железом.

В печени нашёлся ещё один механизм

Исследователи попытались понять, почему DNIC уменьшали накопление жира в печени.

Одним из ключевых звеньев оказался сигнальный комплекс mTORC1. Его можно представить как внутриклеточный датчик доступности энергии и питательных веществ. Когда система активна, клетка получает сигнал, что ресурсов достаточно для роста и синтеза новых молекул.

При чрезмерной активности mTORC1 этот механизм может способствовать метаболическим нарушениям и накоплению липидов.

У мышей с экспериментальным кардиометаболическим заболеванием mTORC1 в печени был чрезмерно активирован. DNIC и сочетание нитрата с железом нормализовали этот сигнал и одновременно подавляли связанные с образованием жира пути S6K1 и SREBP1.

Но оставался вопрос: каким образом DNIC воздействуют на mTORC1?

Здесь исследователи обнаружили ещё одну интересную деталь.

Один из сигналов изобилия для клетки — лейцин

Лейцин — незаменимая аминокислота и одновременно один из питательных сигналов, способных активировать mTORC1.

В клеточном эксперименте DNIC дозозависимо снижали транспорт лейцина внутрь клеток через систему переносчиков аминокислот L-типа.

Если этот механизм подтвердится в физиологических условиях, возникает довольно стройная схема.

DNIC одновременно активируют сигнальный путь sGC–cGMP и могут уменьшать поступление лейцина в клетку. Оба процесса способны воздействовать на mTORC1, снижая чрезмерную активацию путей, стимулирующих образование жира.

Однако сами авторы подчёркивают: точный механизм влияния DNIC и на sGC, и на транспорт лейцина пока окончательно не установлен.

Эффект проверили и на клетках человеческой печени

Работа не ограничилась мышами.

Исследователи использовали трёхмерные сфероиды из первичных человеческих гепатоцитов — небольшие клеточные структуры, которые лучше обычной плоской культуры сохраняют свойства ткани печени.

Клетки получили от трёх доноров.

При воздействии свободных жирных кислот в сфероидах развивался стеатоз — накапливались липиды. Добавление DNIC уменьшало это накопление у всех трёх доноров.

Эффект наблюдался не только при начале воздействия одновременно с жирными кислотами, но и тогда, когда стеатоз уже начал формироваться.

Одновременно снижалась активность SREBP1 и SCD1 — элементов программы, связанной с синтезом и накоплением жиров.

Это важный мост между экспериментами на животных и человеческой биологией. Но это всё ещё клетки вне организма, а не клиническое исследование пациентов.

Это не означает, что нужно принимать железо вместе с нитратами

Такой вывод из исследования был бы особенно опасным упрощением.

Авторы не проверяли, улучшает ли приём комбинации нитратов и железа здоровье людей. Они не определяли оптимальные дозировки для человека и не показали, что дополнительное железо полезно людям с нормальными его запасами.

Избыток железа сам по себе может быть нежелателен, поэтому исследование не является основанием для самостоятельного приёма препаратов железа.

Не доказывает работа и того, что вся польза овощей объясняется DNIC.

Растительные продукты содержат клетчатку, калий, полифенолы, витамины и множество других соединений, а рацион влияет на здоровье одновременно через десятки механизмов.

Новая работа добавляет к ним ещё один возможный путь.

Почему исследование всё же может изменить наше представление о питании

Долгое время питание рассматривали преимущественно как взаимодействие между молекулами пищи и организмом человека.

Сегодня эта модель становится сложнее.

Между ними находится огромная биохимическая система — кишечная микробиота. Поэтому одна и та же молекула пищи может иметь совершенно разные последствия в зависимости от того, какие микроорганизмы встретят её в кишечнике и какие ферменты у них есть.

Новое исследование показывает особенно наглядный пример такой цепочки:

растительная пища поставляет исходные вещества → бактерии проводят химическую реакцию → возникает новая молекула → она выходит за пределы кишечника → воздействует на сигнальные системы тканей.

Состав микробиоты при этом потенциально может определять эффективность всего процесса, поскольку гены нитратредуктазы распространены среди кишечных бактерий неодинаково.

Это пока гипотеза для человека, которую предстоит проверить.

Главный вопрос теперь — происходит ли всё это у людей в значимом масштабе

Именно здесь проходит граница между интересной биологией и возможной медициной.

Функциональные эксперименты исследования проводились преимущественно на самцах мышей. Авторы прямо называют это ограничением. Хотя способность образовывать DNIC была обнаружена в образцах и мужчин, и женщин, неизвестно, будут ли системные физиологические эффекты одинаковыми.

Человеческая часть исследования также была небольшой: образцы крови и кала получили от 10 здоровых участников.

Кроме того, измерять DNIC у человека сложно. Эти соединения преимущественно накапливаются в тканях, а не свободно циркулируют в крови.

Следующий этап — научиться надёжно отслеживать их образование у людей и выяснить, действительно ли обычный рацион способен заметно изменять уровень DNIC в организме.

Только после этого можно будет обсуждать, способен ли этот путь стать мишенью профилактики или лечения.