Бактериофаг-опосредованные манипуляции микробиотой при заболеваниях желудочно-кишечного тракта (аннотация)Бактериофаг-опосредованные манипуляции микробиотой при заболеваниях желудочно-кишечного тракта
Хроническое воспаление желудочно-кишечного тракта (ЖКТ) является основной причиной развития злокачественных опухолей ЖКТ.
Пациенты с воспалительными заболеваниями кишечника (ВЗК) и избыточным ростом бактерий в тонком кишечнике испытывают длительное воспаление кишечника и подвергаются воздействию иммуносупрессивной терапии, повышающей риск развития злокачественных опухолей кишечника. К ним относятся колоректальный рак (КРР), аденокарцинома тонкой кишки, кишечная лимфома, рак прямой кишки, холангиокарцинома, а также внекишечные злокачественные опухоли.
Кроме того, хронические заболевания ЖКТ ухудшают качество жизни, социальную и трудовую деятельность, поскольку приводят к ослаблению моторики ЖКТ, дисфункциональной связи между кишечником и мозгом, иммунной активации слизистой и изменению микробиоты кишечника. Лекарственные препараты, используемые для лечения воспаления кишечника, такие как кортикостероиды и иммуносупрессивные средства, часто назначаются на длительный срок, направлены в основном на облегчение клинических симптомов без устранения основной причины и могут способствовать канцерогенезу. Кроме того, антибиотики не обладают таксономической точностью и уничтожают большой консорциум бактерий, включая полезные сообщества с противовоспалительными свойствами, что затрудняет лечение пациентов с КРР.
Микробиота кишечника человека состоит из разнообразных бактерий, грибов, архей, вирусов и эукариотических организмов. Она считается важным органом, играющим роль в иммунном гомеостазе, метаболизме хозяина и предотвращении колонизации патогенов. Действительно, состав бактериального сообщества (бактериома) и появление резистентных к антибиотикам бактерий связывают со злокачественными опухолями кишечника. Кроме того, изменения в бактериоме, включая снижение разнообразия и расширение специфических таксонов бактерий, могут привести к дисрегуляции иммунного ответа, вызывая воспаление, такое как болезнь Крона и язвенный колит, две основные формы ВЗК.
Исследования показали, что пациенты с ВЗК имеют потенциально иную микробную сигнатуру, чем здоровые контрольные группы, со значительным снижением количества полезных бактерий, таких как Faecalibacterium и Bifidobacterium, и увеличением количества Enterobacteriaceae и Bacteroides. Кроме того, было показано, что присутствие Fusobacterium nucleatum у пациентов с КРР конкурирует с полезным бутират-продуцирующим Clostridium butyricum, способствуя прогрессированию опухоли и устойчивости к химиотерапии. Было установлено, что другие провоспалительные и проопухолевые бактерии, такие как адгезивная инвазивная Escherichia coli (AIEC) и Klebsiella pneumoniae, колонизируют кишечник пациентов с ухудшением клинических симптомов воспаления и прогрессированием опухоли кишечника.
До настоящего времени большинство исследований было сосредоточено на бактериомных сигнатурах при заболеваниях ЖКТ и злокачественных опухолях. Однако недавние исследования показали, что вирусная часть микробиома, состоящая в основном из бактериофагов, по-видимому, взаимодействует как с бактериомом, так и с хозяином, играя важную роль в гомеостатической регуляции и развитии заболеваний у пациентов с воспалением ЖКТ и злокачественными опухолями. Действительно, исследования показали наличие потенциальных фаговых сигнатур или биомаркеров у пациентов с ВЗК и КРР по сравнению со здоровыми людьми. В данном обзоре мы рассматриваем имеющиеся данные о роли фагов и наличии потенциальных фаговых сигнатур у здоровых людей и людей с хроническим воспалением кишечника и злокачественными новообразованиями.
В последние несколько лет фаги изучались в качестве терапевтического агента как дикого типа, так и в модифицированном виде. Хотя несколько многообещающих исследований показали эффективность использования фагов in vivo, несколько основных моментов все же должны быть изучены дополнительно, прежде чем эта технология будет применяться у людей. Действительно, предполагалось, что чувствительные к фагам бактерии могут присутствовать и распространяться в недоступных для фагов местах слизистой оболочк, что способствует сосуществованию фагов и чувствительных к ним бактерий и возможной низкой эффективности перорально введенных фагов. Таким образом, жизнеспособность и хранение фагов или фаговых продуктов до сих пор остаются недостаточными.
Для стабилизации фагов и их эффективного высвобождения в кишечной среде используется микрокапсулирование фагов. Yin et al. показали, что фаги, упакованные в микрокапсулы альгината натрия/хлорида кальция, были более устойчивы в моделируемой кишечной жидкости и эффективнее уничтожали E. coli у крыс по сравнению со свободными фагами. Более того, пытаясь оптимизировать пероральную доставку разработанной фаговой системы в кишечник мыши, Hsu et al. разработали состав для инкапсуляции на водной основе (альгинатные бусины, покрытые полиэлектролитной многослойной пленкой) с механизмом высвобождения на основе микробиоты, который обеспечивает высвобождение при попадании в толстый кишечник с высокой бактериальной плотностью.
Другие проблемы в исследованиях фагов включают выделение фагов из клинических образцов, подготовку библиотек и стратегии секвенирования. Большинство исследований, посвященных фагам, выделяют только двуцепочечную вирусную ДНК и исключают РНК и одноцепочечные ДНК вирусов, поэтому потенциально важные экологические взаимодействия игнорируются. Кроме того, 95% вирусных последовательностей классифицируются как "неизвестные", что не позволяет исследователям полностью охарактеризовать фагоом, изучить взаимодействие фаг-бактерия-хозяин и связь фагоома с заболеваниями. Кроме того, поскольку метагеномные исследования выявляют все большее геномное разнообразие, недавно были введены новые таксономические ранги, упразднив порядок Caudovirales и семейства Myoviridae, Podoviridae и Siphoviridae, которые были основаны на морфологических типах фагов. В данном обзоре приведены таксономии, упомянутые в различных публикациях, в надежде, что новые классификации будут внедрены и унифицированы в будущих исследованиях). Более того, проблемы, связанные с ограниченным культуральным методом, делают некоторые бактериальные штаммы и соответствующие им фаги некультивируемыми и более сложными для выделения, особенно фаги и их анаэробные хозяева.
Еще одной проблемой при использовании фагов является способ введения. Выбор конкретного способа может потенциально изменить клинические результаты. Было показано, что фаги, введенные перорально, безопаснее и эффективнее, чем фаги, введенные внутрибрюшинно, в подавлении опухолеобразования в доклинических моделях. Кроме того, потребление диетических соединений, таких как полифенолы, чай и подсластители, может потенциально влиять на физиологию фагов, либо ингибируя активность фагов, либо стимулируя фаговые реакции. Таким образом, диета является важным элементом участия фагов в борьбе с заболеваниями ЖКТ и прогрессированием рака.
Бактерии сосуществуют с сотнями других видов в кишечнике, несмотря на изменение диеты, фаговые инфекции и другие нарушения. Действительно, эти бактерии выработали стратегии для сохранения в своей среде и уклонения от фагов, такие как модификация поверхностных рецепторов с высокой частотой или изменением фага, системы рестрикции-модификации и локусы CRISPR или адаптивный иммунитет бактерий. Например, кишечные симбионты, такие как Bacteroides thetaiotaomicron, производят множество изменяемых по фазе капсульных полисахаридов и других липопротеинов, создавая фенотипическую гетерогенность и изменяя тропизм хозяина, что приводит к выживанию бактерий и предотвращению хищничества фагов.
Наконец, фаги могут играть роль как в иммунном гомеостазе, так и в обострении иммунных ответов in vivo. Фаги сами по себе могут снижать уровень провоспалительных цитокинов и хемокинов, таких как фактор некроза опухоли (TNF-альфа), интерлейкин 1 (IL-1), Toll-подобный рецептор 4 (TLR4), реактивные виды кислорода (ROS), CXCL1 и CXCL5. Они также могут индуцировать противовоспалительные ILs (ILs 4, 10, ILRa) и супрессор цитокиновой сигнализации 3 (SOCS3) с последующим ослаблением острого и хронического GI GvHD.
Интересно, что профаг, интегрированный в бактерию Enterococcus hirae, усиливал опосредованный иммунотерапией противоопухолевый ответ через эпитоп MHC-класса I, закодированный в хвостовом белке (TMP) бактериофага. Это позволяет предположить, что компоненты бактериофагов могут быть использованы в качестве иммуностимулирующих агентов. Однако некоторые фаги могут кодировать анкирины, которые могут способствовать уклонению и выживанию бактерий в различных экосистемах, включая кишечник, путем снижения скорости фагоцитоза макрофагов и уменьшения экспрессии провоспалительных цитокинов.
Аналогичным образом было показано, что терапия фагами вызывает экспансию иммунных клеток со стимуляцией интерферона гамма, усиливая воспаление кишечника в мышиной модели колита. Эта проблема может быть решена путем генной инженерии иммуногенных белков фагов для снижения воспаления и предотвращения нейтрализации фагов иммунной системой, хотя генная инженерия фагов все еще находится в зачаточном состоянии.
Биологические стратегии с использованием фагов, природных или сконструированных, представляют собой новую и неизведанную область исследований, направленных на восстановление баланса кишечного бактериома, снижение инфекции и воспаления, а также предотвращение прогрессирования рака. Исследования фагов показали большой потенциал их использования и их безопасность в организме млекопитающих, однако еще многое предстоит сделать для понимания динамики между фагами, бактериальным хозяином, бактериомом и млекопитающим хозяином в зависимости от типа фагов (модифицированные фаги против фагов дикого типа) и различных когорт заболеваний и стадий заболеваний.
