Dysbiosis of intestinal microbiota in autism spectrum disorders: new horizons in search for pathogenetic approaches to therapy. Part 1. Features of intestinal microbiota in autism spectrum disorders

Full Text

Введение

Несмотря на большую распространенность и увеличение заболеваемости расстройствами аутистического спектра (РАС), не существует официально одобренных методов лечения ключевых симптомов аутизма, что, вероятно, связано с дефицитом сведений об этиологии и патогенезе этой весьма гетерогенной группы расстройств. При этом в последние десятилетия в большом количестве исследований выявлена ассоциация между дисбиозом кишечника и поведенческими симптомами у пациентов с РАС и другими нейропсихическими расстройствами.

Значительная доля детей и взрослых с аутизмом испытывают гастроинтестинальные (ГИ) проблемы (запор, диарея, хроническая абдоминальная боль и др.), сопутствующие психопатологическим симптомам [1] и коррелирующие с тяжестью РАС [2]. B.O. McElhanon и соавт. в результате проведенного метаанализа сделали вывод о трехкратном статистически значимом увеличении риска ГИ-симптомов у детей с РАС по сравнению со здоровыми детьми [1]. Согласно другим исследованиям, около 40% пациентов с РАС имеют ГИ-жалобы [3].

Гипотетически нарушения микробиоценоза кишечника, ассоциированные с ГИ-проблемами, у детей с генетической предрасположенностью к РАС могут усиливать проявления аутистического фенотипа или тяжесть поведенческих симптомов [4]. Согласно ряду исследований, у детей с сочетанием РАС и ГИ-расстройств отмечаются более тяжелые тревога, раздражительность и социальная изоляция по сравнению с детьми с РАС без ГИ-расстройств [5]. В исследовании CHARGE (Childhood Autism Risks from Genetics and Environment) частота ГИ-нарушений была ассоциирована с более выраженным аутистическим поведением, измеренным с помощью Aberrant Behaviour Checklist. С другой стороны, тяжесть аутизма, измеренная с помощью Autism Treatment Evaluation Checklist (ATEC), коррелировала с индексом более тяжелых ГИ-нарушений [1]. Таким образом, тяжесть поведенческих симптомов ассоциирована с риском возникновения ГИ-проблем и наоборот [6], но причинно-следственная связь в исследованиях такого типа остается не изученной.

ГИ-симптомы могут быть частично связаны с дисбиозом микробиоты кишечника (МК) [7]. При
этом нельзя исключить, что МК оказывает влияние как на функционирование желудочно-кишечного тракта (ЖКТ), так и на нейробиологическое состояние (собственно симптомы аутизма) за счет нескольких механизмов, в частности продуцируемых микроорганизмами метаболитов, модулирующих работу центральной нервной системы [8]. Гипотеза о роли МК в патогенезе аутизма поддерживается исследованиями, в которых показано, что манифестация аутизма часто сопровождается ГИ-жалобами и ей предшествует использование антибиотиков: многие дети с РАС часто проходят антибиотикотерапию в течение первых 3 лет жизни, что, предположительно, дестабилизирует их МК и открывает возможности для конкурентных потенциальных патогенов вносить вклад в тяжесть РАС [9][10]. Кроме того, показано, что пероральный прием ванкомицина приводит к улучшению симптомов [11].

Ряд исследователей сфокусировались на изменениях в МК как на факторе риска для индивидуумов, генетически предрасположенных к РАС; считается, что эти изменения в МК повышают риск развития РАС, влияя на иммунную систему и обмен веществ [12].

Данный обзор литературы, включающий три сообщения, посвящен оценке современного состояния исследований о роли МК в этиологии и патогенезе РАС, а первая его часть — анализу опубликованных данных об особенностях состава МК у пациентов с РАС. Кишечный микробиом детей с аутизмом отличается от такового у нейротипичных сиблингов и здоровых детей. Кроме того, различия выявлены между собственно аутизмом и другими РАС, которые не соответствуют полным диагностическим критериям аутизма (первазивное расстройство развития без дополнительных уточнений) [13].

Согласно первым исследованиям, МК при РАС характеризуется увеличенным количеством микрофлоры и сниженным микробным разнообразием; авторы предполагали, что комбинация этих факторов может привести к чрезмерному росту патогенных бактерий, способствуя выраженности симптомов аутизма [14]. Однако в дальнейших исследованиях получены не столь однозначные результаты.

При сравнении микробного разнообразия МК детей с РАС и здорового контроля в ряде исследований сообщают о его повышении при РАС [15][16], в других — о снижении микробного разнообразия в кишечнике при аутизме [17][18]. Наконец, согласно другим исследованиям, значимых различий в разнообразии кишечной микрофлоры между пациентами с РАС и здоровым контролем не отмечается [19][20].

Обнаружено, что у детей с РАС и их сиблингов по сравнению со здоровыми детьми более распространены микроорганизмы родов Lactobacillus, Clostridium, Desulfovibrio, Caloramator, Alistipes, Sarcina, Akkermansia, семейств Sutterellaceae и Enterobacteriaceae [12][15][21].

Клостридии

Согласно данным F. Mangiola и соавт., качественный состав образцов фекалий у детей с аутизмом характеризуется большим количеством Clostridium spp. (в 10 раз больше, чем у здорового контроля) [22]. В серии случаев, описанной S.M. Finegold и соавт., проведен сравнительный анализ МК у 13 детей с аутизмом и таковой у 9 детей без заболевания: у детей с аутизмом выявлены большие численность и разнообразие видов клостридий, чем в контроле [23]. Повышенный уровень клостридий был также обнаружен у пациентов с РАС в нескольких исследованиях с использованием методов 16S rRNA пиросеквенирования [3][24][25][26][27] и ПЦР в режиме реального времени: уровень 3 кластеров клостридий (I, XI и XIVab) и одного специфического вида клостридий (Clostridium bolteae) был статистически значимо выше при РАС [28].

Дальнейшие исследования с использованием ПЦР в режиме реального времени также сообщают о повышении уровня клостридий кластера I при РАС [29]. При использовании флюоресцентной in situ гибридизации обнаружено увеличение уровня Clostridium histolyticum в фекалиях пациентов с РАС по сравнению со здоровым контролем, при этом здоровые сиблинги детей с РАС также имели более высокие уровни Clostridium histolyticum, чем здоровый контроль [30].

Обилие Clostridium perfringens в фекалиях у детей с аутизмом также было подтверждено несколькими исследованиями [25, 28, 30]. В исследовании F. Strati и соавт. показано, что ГИ-проблемы у детей с РАС ассоциированы с высоким содержанием клостридий [31]. B.L. Williams и соавт. обнаружили, что увеличение уровня бактерий порядка Clostridiales в значительной степени объясняется увеличением количества микроорганизмов из семейств, входящих в данный порядок: Lachnospiraceae и Ruminococcaceae [32]. Согласно исследованию D.R. Rose и соавт., уровни Lachnospiraceae и Ruminococcaceae увеличены у детей с РАС с ГИ-симптомами по сравнению с детьми контрольной группы с похожими симптомами [5]. J. Pulikkan и соавт. также в их работе отмечают повышение содержания бактерий семейства Ruminococcaceae [19], в то время как S. Liu и соавт. обнаружили, что уровень Ruminococcaceae при РАС значимо снижен [33].

Возможная роль Clostridium spp. в этиопатогенезе аутизма была впервые предложена в 1998 г. Ellen Bolte, матерью ребенка с регрессивным аутизмом, которая отметила начало поведенческих изменений после повторных курсов антибиотиков и последовавшей за этим хронической диареи [34][35]. Наблюдая аналогичные случаи, она в общих чертах обрисовала возможность подострой хронической клостридиальной кишечной инфекции, которая может лежать в основе патогенеза аутизма у отдельных пациентов [34].

В пользу гипотезы о том, что изменение кишечного микробиоценоза с превалированием титра клостридий является потенциальным фактором риска развития РАС, свидетельствуют результаты исследования, в котором дети с регрессивным аутизмом получали 6-недельный пероральный курс ванкомицина (к которому чувствительны клостридии), что привело к значительному улучшению как
нейроповеденческих, так и желудочно-кишечных симптомов [36]. Авторы предположили, что изменение состава облигатной микрофлоры кишечника при РАС сопровождается колонизацией бактериями, продуцирующими нейротоксины. И это может отчасти способствовать развитию симптомов аутизма. Однако улучшение по окончании лечения, подтвержденное использованием многочисленных оценок до и после терапии, было кратковременным, что, вероятно, связано с устойчивостью к ванкомицину спор клостридий, которые по окончании курса лечения в условиях снижения колонизационной резистентности кишечника прорастали в вегетативную форму, продуцирующую токсины, с последующим развитием симптоматики [35][37].

Клостридии способны продуцировать некоторые метаболиты, такие как фенолы, дериваты p-крезола и индола, потенциально токсичные для человека [38]; эти метаболиты были обнаружены в образцах фекалий детей с первазивным расстройством развития без дополнительных уточнений (вариант РАС) и в еще больших количествах в образцах детей с аутизмом [25].

Недавний обзор постулирует роль глифосата — распространенного в окружающей среде пестицида в патогенезе аутизма за счет его влияния на рост токсин-продуцирующих Clostridium spp. [39]. И действительно, известно, что Clostridium perfringens и Clostridium botulinum высокоустойчивы к глифосату, в отличие от других представителей МК, таких как бифидобактерии и лактобактерии. Таким образом, уровень глифосата может оказывать вредоносное влияние на ось кишечник–мозг и способствовать патогенезу аутизма через изменение микробиома и продукцию клостридиальных токсинов [39].

Другие бактерии

В целом ряде исследований показано, что при РАС также более распространены виды Desulfovibrio [16][21][29]. Более того, отмечена сильная корреляция Desulfovibrio spp. с тяжестью проявлений аутизма [29]. Микроорганизмы вида Desulfovibrio — анаэробные палочки, устойчивые к распространенным антибиотикам, таким как цефалоспорины. У детей с аутизмом чаще в анамнезе отмечаются инфекции среднего уха, в связи с которыми они получали большее количество антибиотиков, чем дети из групп контроля [40], что может приводить к чрезмерному росту Desulfovibrio spp., продуцирующих пропионовую кислоту [21] и другие важные метаболиты (например, липополисахариды), потенциально вовлеченные в патогенез РАС.

Представители филов Firmicutes, Bacteroidetes и Proteobacteria были наиболее распространенными во всех исследованиях, хотя данные об их качественных и количественных соотношениях при РАС также значительно варьируют. Повышенное количество Bacteroidetes обнаружено у детей с РАС в 5 исследованиях [13, 16, 20, 25, 41]. По данным некоторых исследований, у детей с РАС отмечено значимое повышение соотношения Firmicutes/ Bacteroidetes в связи со снижением Bacteroidetes [19][31][32], в других же исследованиях показано отсутствие различий по уровням Bacteroidetes и Firmicutes между РАС и нормой [26, 42].

S.M. Finegold и соавт. [16] выявили сниженные уровни содержания представителей фила Firmicutes и относительно высокую распространенность Bacteroidetes, продуцирующих короткоцепочечные жирные кислоты, в частности пропионовую кислоту, и благодаря этому способных влиять на ЦНС и поведение при аутизме, т.к. пропионовая кислота проникает через гематоэнцефалический барьер и может оказывать влияние на нейрональную ткань [16]. М. De Angelis и соавт. продемонстрировали, что распространенность Firmicutes снижена в фекальных образцах детей с аутизмом по сравнению со здоровыми детьми, но этих различий не было получено между образцами детей с другими типами РАС (первазивным расстройством развития без дополнительных уточнений) и здоровых детей [12].

У детей с РАС зарегистрирована также большая численность бактерий рода Sutterella [43][44], в частности подтверждено наличие Sutterella spp. у более чем 50% детей с РАС и их полное отсутствие у контрольных детей. Микроорганизмы рода Sutterella были идентифицированы также при воспалительных заболеваниях кишечника, но в дальнейшем и у здоровых людей [45]. В настоящее время остается непонятным, являются ли они непатогенными представителями МК или же могут проявлять патогенность при определенных условиях. В двух других исследованиях обнаружено, что Sutterella spp. менее распространены при РАС [18][46].

Бактерии Sutterella spp. связаны с метаболизмом слизистой оболочки, и данные об их ассоциации с РАС были подтверждены другими микробиологическими исследованиями кала у детей с РАС [44]. Однако в нескольких случаях различия не были статистически значимыми между пациентами с аутизмом и их сиблингами. Поскольку имеется большое количество множественных семейных случаев РАС, была выдвинута гипотеза о том, что дети с аутизмом могут передавать свою фекальную микробиоту своим сиблингам и другим тесно контактирующим сверстникам, что приводит к развитию аутизма у предрасположенных детей [16]. Об этом также могут свидетельствовать результаты S.V. Gondalia и соавт. [47], которые показали отсутствие клинически значимых различий в характеристиках МК между детьми, страдающими аутизмом, и их нейротипическими сиблингами.

В трех исследованиях сообщалось, что уровень лактобацилл был значительно выше при РАС [19][29][31]. Особенно примечательно 32-кратное превышение Lactobacillus spp. у детей с РАС по сравнению со здоровыми детьми, полученное в исследовании J. Pulikkan и соавт. [19].

Имеются весьма многочисленные данные о снижении при аутизме уровней бактерий рода Bifidobacterium [16][24][25], которые могут оказывать защитное действие благодаря своим противовоспалительным свойствам. Но в двух работах сообщалось о значимом увеличении Bifidobacterium spp. [19][27]. Лактобациллы и бифидобактерии обычно используются в пробиотических добавках. Поэтому применение пробиотиков может способствовать увеличению числа этих бактерий. Однако использовались ли пробиотики пациентами в начале исследования, в соответствующих публикациях не уточняется.

В нескольких исследованиях сообщалось о снижении уровней Prevotella spp. при РАС, а также бактерий рода Coprococcus и семейства Veillonellaceae, ответственных за переваривание и ферментацию углеводов [17][18][31][42]. Низкая распространенность Prevotella spp. — комменсального микроорганизма, участвующего в метаболизме сахаридов и в биосинтезе витаминов, обнаружена также в слюнных пробах людей с РАС [40]. Поскольку считается, что у пациентов с аутизмом нарушено усвоение углеводов, восстановление относительного дефицита Prevotella spp. может иметь терапевтический потенциал для симптомов РАС [40]. При этом J. Plaza-Díaz и соавт. [27] выявили значительное повышение уровня Prevotella spp. при РАС.

L. Wang и соавт. [48] обнаружили снижение распространенности Akkermansia muciniphila у пациентов с РАС относительно контроля. A. muciniphila является муцин-деградирующей бактерией, обычно присутствующей в больших количествах в здоровом кишечнике. Таким образом, ее отсутствие может способствовать изменению барьерной функции слизи. И наоборот, сообщалось также о повышенных уровнях бактерий рода Akkermansia при РАС [15]. J. Plaza-Díaz и соавт. [49] на основании комплексного обследования 48 детей в возрасте 2–6 лет с РАС и их 57 здоровых сверстников с применением метагеномного подхода и использованием платформы секвенирования следующего поколения выявили, что Actinobacteria, Proteobacteria на уровне фила, а Bacilli, Erysipelotrichia и Gammaproteobacteria на классовом уровне были обнаружены в более высоких концентрациях у детей с РАС.

Перспективным методом комплексного изучения пациентов с РАС является анализ метагенома, основанный на построении метагеномных сигнатур, который позволяет оценить функциональные изменения в МК и нейромодулирующий потенциал МК человека [50]. Одним из передовых исследований с применением данного метода является работа группы российских ученых. По результатам метагеномного анализа с применением разработанного ими биоинформатического алгоритма были выявлены статистически значимые различия в таксономическом и генном составе МК детей с РАС относительно группы нейротипичных детей. Показано пониженное содержание родов Barnesiella и Parabacteroides, видов Alistipes putredinis, Bacteroides intestinihominis, Eubacterium rectale, Parabacteroides distasonis и Ruminococcus lactaris, а также увеличение представленности бактерий вида Bacteroides stercoris [50].

Другие микроорганизмы

Дисбиоз кишечника при РАС характеризуется количественными и качественными изменениями не только бактериальной, но и грибковой составляющей [15][31][51]. Candida albicans в ЖКТ в 2 раза чаще встречаются у детей с РАС (они высеваются у 57,5% пациентов с аутизмом), чем у здоровых детей, причем обнаруживаются агрессивные формы с псевдогифами, что говорит о возможности их облегченной адгезии к слизистой кишечника [51]. Грибы рода Candida могут выделять аммиак, d-арабинитол и другие токсины, вызывая аутистическое поведение [51]. Роль грибов в патогенезе РАС не была четко выяснена, и необходимы дополнительные исследования с большими выборками, т.к. исследования, проведенные в последние годы, свидетельствуют о вероятном значимом влиянии этого типа микрофлоры. Большее количество грибковой флоры у пациентов с РАС может быть лишь следствием изменений в балансе бактериальной микробиоты и не иметь отношения к нейропсихологическим симптомам, но, с другой стороны, наличие синтезируемых C. albicans токсинов, способных проникать через кишечную стенку, требует пристального дальнейшего изучения этой темы. Кроме того, согласно отдельным гипотезам, избыточная колонизация кишечника новорожденного C. albicans, полученными от матери при родах, может нарушать формирование нормальной бактериальной микрофлоры.

Обсуждение

Как можно видеть из приведенных выше результатов многочисленных исследований, несмотря на большое количество публикаций по дисбиозу МК при РАС, до сих пор нет единого мнения относительно точного состава микробиома кишечника, специфичного для людей с РАС, не говоря уже о том, что некоторые исследования описывают прямо противоположные результаты [15].

Причиной противоречий может быть отсутствие однородности с точки зрения демографических характеристик, диеты, фармакологического лечения участников, географической области исследований, сопутствующих заболеваний, тяжести поведенческих и ГИ-симптомов среди включенных пациентов, а также методологии исследований. Например, микробиота фекалий молодых людей содержит пропорционально меньше бактерий, принадлежащих филу Bacteroidetes, по сравнению с пожилыми людьми [52], и профиль микробиома может варьировать в зависимости от участка ЖКТ, из которого была взята проба [28]. Следовательно, для правильного сравнения и оценки результатов необходимы исследования с однородными группами пациентов. По той же причине — большой разнородности в подходах к исследованию данной темы — в настоящее время практически нет метаанализов, которые бы позволили обобщить имеющиеся данные.

Наличие ГИ-симптомов является важным вмешивающимся фактором при изучении МК и РАС, т.к. желудочно-кишечные нарушения сами по себе, независимо от биологических механизмов, из-за кишечного дискомфорта могут влиять на поведение детей с РАС [53].

Очевидна необходимость исследований каузальности взаимоотношений МК и поведенческих нарушений, т.к. на настоящий момент существуют преимущественно гипотезы. Для этого, вероятно, необходимы не кросс-секционные исследования, а исследования с проспективным дизайном, оценкой МК с момента новорожденности до возникновения симптомов РАС, а также исследования с интервенцией с длительным динамическим наблюдением состава МК и оценкой в динамике психопатологического состояния пациента.

Огромным препятствием на пути к пониманию проблемы служит также то, что РАС не является заболеванием с единым механизмом патогенеза, это спектр, целая группа психических расстройств, имеющих разные молекулярные механизмы патогенеза. Поэтому гипотетически в разных случаях РАС роль МК в формировании психопатологических расстройств может быть принципиально различной: от минимальной и клинически незначимой (как результат особых пищевых предпочтений пациента) до максимальной патогенетически значимой (когда манифестация симптомов является преимущественным результатом тяжелого кишечного дисбиоза при наличии определенной генетической предрасположенности к психическому расстройству).

Вероятно, до тех пор, пока не будут преодолены современные трудности в классификации психических расстройств (пока не произойдет перехода от описательного подхода с опорой на внешние фенотипические признаки к подходу на основе патогенеза и с опорой на молекулярные механизмы развития заболевания), вопрос, каким образом гомогенизировать выборки в исследованиях РАС, останется актуальным. Но в то же время перехода к патогенетической классификации не произойдет, пока не будет получено достаточное количество данных о различных факторах этиологии и патогенеза.

Этот замкнутый круг в настоящее время может быть преодолен благодаря использованию исследовательского подхода с описанием максимального количества данных о пациентах, включенных в исследование, в том числе с применением новых технологий: методов секвенирования нового поколения, метаболомики с интегрированием данных транскриптомики и протеомики, а также тщательным психопатологическим описанием участников исследования стандартизированными валидизированными методами. Кроме того, учитывая большую роль в развитии РАС нарушений индивидуального развития организма на каком-либо этапе онтогенеза, очевидной становится необходимость обследования пар мать пациента–пациент для оценки возможного вклада факторов, влияющих на внутриутробное развитие плода. Причем оптимальным при этом был бы проспективный динамический дизайн исследований, в котором наблюдения проводятся с самых ранних этапов онтогенеза. Это могут быть либо исследования больших выборок из общей популяции, либо прицельные исследования семей, в которых уже есть пациенты с РАС. Подобный подход поможет более детально изучить некоторые дополнительные механизмы развития аутизма. Так, согласно одной из теорий, трансплацентарное поступление избытка некоторых аутоантител матери класса IgG к плоду ведет к патологической «перенастройке» его иммунной системы (по механизмам материнского иммунного импринтинга) [54][55]. Иммунные сдвиги у беременной женщины, проявляющиеся изменениями продукции аутоантител и цитокинов, могут быть вызваны разными факторами среды, в том числе микроэкологическими нарушениями пищеварительного и вагинального тракта, инфекциями и др. [54][55]. Трудности, связанные с большими объемами данных в таких исследованиях, трудозатратностью и высокой стоимостью методов исследования, могут быть преодолены в междисциплинарном подходе с привлечением исследователей из разных научных сфер и географических регионов.

Заключение

Таким образом, представляется актуальным дальнейшее изучение особенностей МК при РАС, поскольку имеющиеся к настоящему времени данные говорят о возможной этиопатогенетической роли кишечного дисбиоза в развитии симптомов аутизма. При этом большое количество противоречий в имеющихся к настоящему времени данных, гетерогенность состояний, включенных в понятие РАС, многофакторность этиологии этих состояний требуют обширных исследований со сложным дизайном и максимальной стандартизацией оценок как биологических показателей, так и психопатологических симптомов.

About the authors

A. S. Blagonravova

Privolzhsky Research Medical University

Email: fake@neicon.ru
ORCID iD: 0000-0002-1467-049X

Anna S. Blagonravova — D. Sci. (Med.), Assoc. Prof., Vice-rector for research, prof., Department of epidemiology, microbiology and evidence-based medicine

Nizhny Novgorod

Russian Federation

T. V. Zhilyaeva

Privolzhsky Research Medical University

Email: fake@neicon.ru
ORCID iD: 0000-0001-6155-1007

Tatyana V. Zhilyaeva — PhD. (Med.), Assoc. Prof., Department of psychiatry

Nizhny Novgorod

Russian Federation

D. V. Kvashnina

Privolzhsky Research Medical University

Author for correspondence.
Email: daria_tsariova@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9317-4816

Darya V. Kvashnina — PhD. (Med.), senior lecturer, Department of epidemiology, microbiology and evidence-based medicine

Nizhny Novgorod

Russian Federation

References

Supplementary files