Качество сна является жизненно важным фактором, определяющим здоровье и благополучие человека.
Расстройства сна неразрывно связаны с когнитивными нарушениями, а хроническое недосыпание ассоциируется с широким спектром осложнений для здоровья, включая повышенный риск воспалительных, метаболических, сердечно-сосудистых, неврологических и психиатрических заболеваний. Расстройства сна широко распространены и затрагивают примерно 40-50% населения планеты. Учитывая повсеместное воздействие расстройств сна на миллионы людей во всем мире и их серьезное влияние на когнитивные и физические функции, необходимость выяснения взаимосвязи между сном и различными биологическими процессами стала приоритетной. Значительный прогресс в понимании биологии сна был достигнут благодаря масштабным исследованиям генетических ассоциаций, а в последнее время - благодаря комплексному анализу омических данных.
Микробиом кишечника становится важным фактором, определяющим здоровье человека, связанным с протеканием ряда метаболических процессов и заболеваний, а также с осью "кишечник-мозг". Через эту ось микробиом кишечника влияет на настроение и психические расстройства, такие как расстройства аутистического спектра. Кроме того, микробиом претерпевает изменения в ответ на циркадные ритмы и напротив, нарушение циркадных ритмов может повлиять на гомеостаз микробиома кишечника. Дисбиоз кишечника может привести к снижению численности полезных бактерий и обострению воспаления, что может негативно повлиять на ось "кишечник-мозг" и, как следствие, на качество сна. В ряде исследований были получены предварительные доказательства участия микробиома кишечника в нарушениях сна как в мышиных моделях, так и у пациентов. Эти данные свидетельствуют о том, что нарушения в состоянии сна могут вызывать структурные и функциональные изменения в микробиоме кишечника, подчеркивая тесную связь между микробиомом кишечника и сном.
В последнее время большое внимание привлекает роль метаболитов, вырабатываемых микроорганизмами, таких как короткоцепочечные жирные кислоты (КЦЖК), а также метаболизма серотонина и мелатонина, в формировании сна. КЦЖК, являющиеся конечными продуктами микробной ферментации, представляют собой ключевые сигнальные молекулы, опосредующие коммуникацию между микробиотой кишечника и хозяином. Бутират, преобладающая КЦЖК, обладает нейропротекторным действием и участвует в регуляции циркадного ритма. Серотонин в основном вырабатывается в кишечнике и является важнейшим нейромедиатором, который регулирует настроение и сон. Он также является предшественником мелатонина - гормона, синтезируемого и выделяемого шишковидной железой, который необходим для регуляции сна. Известно, что микробиота кишечника прямо или косвенно влияет на выработку этих нейроактивных соединений, тем самым потенциально воздействуя на ось кишечник-мозг и сон. Эти выводы подчеркивают необходимость изучения микробиома кишечника для более глубокого понимания патофизиологии расстройств сна и потенциальных альтернатив лечения. Однако до сих пор исследования микробиома кишечника в отношении качества сна у людей были ограничены размером выборки и противоречивыми методами оценки состояния сна, что затрудняет оценку его влияния на сон.
Поэтому в данном исследовании мы стремились изучить характеристики бактерий и их функциональные метаболические процессы, связанные с качеством сна. Чтобы интерпретировать наши результаты с точки зрения общего состояния сна, независимо от конкретного заболевания, мы провели анализ микробиома кишечника 159 здоровых корейских участников с использованием ампликонов 16S рРНК. Исходя из значительного числа участников и оценки качества сна, мы проанализировали изменения в структуре бактериальных сообществ с помощью секвенирования 16S рРНК. Это позволило нам выявить бактерии, ассоциированные с качеством сна, и охарактеризовать их функциональные метаболические процессы.
В данном исследовании мы обнаружили несколько микробных маркеров, таких как Alistipes, Bacteroides, Dialister, Faecalibacterium и Veillonella, которые показали значительные различия между группами по качеству сна. Это согласуется с предыдущими результатами, связывающими эти микроорганизмы с осью "кишечник-мозг" и различными расстройствами сна и психики. Например, Bacteroides и Veillonella часто избыточны при больших депрессивных расстройствах, в то время как Faecalibacterium и Dialister представлены недостаточно. Alistipes также обогащены при больших депрессивных расстройствах, возможно, регулируя эмоции через метаболизм индола. В исследованиях, связанных со сном, численность Faecalibacterium и Prevotella снизижалась в группе хронической бессонницы, а численность Alloprevotella и Prevotella уменьшилась при снижении концентрации КЦЖК в фекалиях после депривации сна.
Бутират может напрямую передаваться через блуждающий нерв, действуя как сигнальная молекула, вызывающая наступление сна. Однако этот механизм резко изменяется при определенных патофизиологических условиях. Хотя в ряде обсервационных исследований было показано, что КЦЖК подавляют воспаление и способствуют улучшению сна, парадоксально, но недавнее исследование показало, что низкая эффективность сна у пожилых людей соответствует более высоким уровням КЦЖК в фекалиях. Следовательно, КЦЖК могут влиять на сон путем модуляции воспаления и оси кишечник-мозг, однако точные метаболические связи остаются неясными и требуют дальнейшего изучения. В данном исследовании маркерные микробы (Bacteroides, Prevotella, Veillonella, L. pectinoschiza и F. prausnitzii) были тесно связаны с производством КЦЖК, что указывает на возможную связь между качеством сна и бактериальным составом.
Основываясь на наблюдениях за микробными маркерами, мы также изучили профили функциональных метаболических процессов, чтобы определить потенциальные ассоциации с качеством сна. было показано, что процессы биосинтеза L-аргинина и тиаминдифосфата (производного витамина B1) положительно коррелировали с лучшим качеством сна и были тесно связаны с индукцией сна. L-аргинин, предшественник нейротрансмиттера оксида азота, как известно, вызывает сон и усиливает медленноволновой сон. Было продемонстрировано, что добавки с L-аргинином смягчают патологические изменения, вызванные лишением REM-сна. Кроме того, витамин B1 играет ключевую роль в качестве кофактора в метаболизме глюкозы и принимает активное участие в регуляции деятельности центральной нервной системы, выступая в качестве основного источника для метаболизма таких нейротрансмиттеров, как глутамат, ГАМК и ацетилхолин. Дефицит витамина B1 связывают в том числе с нарушениями сна.
Микробные процессы, участвующие в деградации ГАМК, отрицательно коррелировали с улучшением качества сна. ГАМК, наиболее распространенный тормозной нейротрансмиттер, при снижении его уровня ассоциируется с усилением гипервозбудимости при бессоннице, а также с сокращением продолжительности сна. Кроме того, КЦЖК являются продуктами деградации ГАМК, и повышенное количество микробов, продуцирующих КЦЖК, может быть связано с усилением активности метаболических путей деградации ГАМК. Этот вывод позволяет выявить потенциальную связь между качеством сна и метаболическими процессами, такими как метаболические пути L-аргинина, L-триптофана, витамина B1 и ГАМК, и предположить, что они могут влиять на ось кишечник-мозг сильнее, чем КЦЖК.
F. prausnitzii, одна из самых распространенных бактерий в кишечнике, вызывает значительный интерес из-за своей потенциальной роли в здоровье кишечника. Это ключевая бактерия, продуцирующая бутират в кишечнике, и было обнаружено, что она отрицательно связана с различными воспалительными заболеваниями кишечника, такими как язвенный колит и болезнь Крона; эти данные позволяют предположить, что данная бактерия является потенциальным маркером здоровья кишечника. Хотя ни одно исследование напрямую не связывало F. prausnitzii со сном, она является одним из бактериальных таксонов, численность которого снижается при изменении циркадных ритмов и синдроме обструктивного апноэ во сне. В нашем исследовании ASV3334, принадлежащий к F. prausnitzii, был единственным микробным маркером, численность которого линейно увеличивалась с качеством сна. Таким образом, наши результаты свидетельствуют о потенциальной связи между F. prausnitzii и качеством сна, что расширяет представления об исследованиях циркадных ритмов.
В заключение следует отметить, что наше исследование выявило потенциальную связь между составом микробиоты кишечника, ее метаболическими функциями и качеством сна, определив ключевые различия в микробном разнообразии между группами, определяемыми по качеству сна. Для раскрытия механизмов, лежащих в основе улучшения качества сна за счет микробиоты кишечника, необходимы дополнительные исследования in vivo микробов-маркеров сна и метаболомов, представленных в данном исследовании. В целом, данное исследование расширяет наше понимание сложной взаимосвязи между качеством сна и микробиомом, создавая основу для будущих терапевтических стратегий. Эти стратегии могут помочь в облегчении расстройств сна путем изменения микробиома с помощью пробиотиков и пребиотиков.
