Лактобациллы - это группа грамположительных бактерий, широко распространенных как в организме человека, так и за его пределами, которые вырабатывают молочную кислоту, ферментируя лактозу и другие углеводы.
Они широко изучаются и применяются в качестве важнейшего пробиотика в пищевой промышленности, животноводстве и здравоохранении. Их пробиотические эффекты включают укрепление здоровья кишечника, повышение иммунитета и регулирование баланса кишечной флоры. Более того, экзосомы, выделяемые молочнокислыми бактериями, привлекают все большее внимание как новый тип биологических агентов.
Экзосомы вырабатываются различными организмами, такими как бактерии, грибы, растения и животные, и участвуют во множестве биологических процессов, включая клеточную сигнализацию, заражение патогенными микроорганизмами и иммунную регуляцию. По мере того как постепенно признается их важность, все большее внимание привлекает их применение в медицине, сельском хозяйстве и других областях. В настоящее время изучение экзосом стало одной из горячих точек в области биологии. В данном обзоре мы рассмотрим последние достижения в области свойств и функций экзосом Lactobacilli, методы их выделения и получения, инженерные модификации, а также их применение.
Подобно структуре экзосом из других источников, экзосомы, продуцируемые Lactobacillus, представляют собой внеклеточные везикулы, которые секретируются Lactobacillus и имеют диаметр от 20 до 400 нм, обычно состоят из одного или нескольких липидных слоев, обернутых в структуру, сходную с клеточной мембраной. Эти экзосомы содержат разнообразные биологически активные компоненты, такие как белки, полисахариды и липиды. Белки экзосом являются важными компонентами и состоят из различных ферментов и структурных белков. Ферменты играют важную роль в расщеплении пищи и регулировании флоры в кишечнике. Полисахариды в экзосомах также являются важнейшими компонентами, способствующими пролиферации и дифференцировке клеток слизистой оболочки кишечника и укрепляющими кишечный иммунитет. Нуклеиновые кислоты в экзосомах выполняют важные биологические функции как носители РНК, способные передавать информацию и влиять на экспрессию генов в организме хозяина.
Экзосомы, выделяемые молочнокислыми бактериями, вызывают значительный интерес благодаря своим потенциальным иммуномодулирующим эффектам. В частности, было обнаружено, что экзосомы молочнокислых бактерий оказывают противовоспалительное, антибактериальное, противовирусное и иммуноукрепляющее действие. Эти биоактивные молекулы вовлечены в несколько механизмов, которые модулируют иммунную систему хозяина. Экзосомы в первую очередь активируют такие клетки, как макрофаги, дендритные клетки, Т-клетки и В-клетки.
Некоторые экзосомы, производимые Lactobacillus, показали многообещающие противоопухолевые и антивирусные свойства, потенциально снижающие возникновение опухолей и вирусных инфекций. Lactobacillus gasseri и Lactobacillus jensenii были идентифицированы как особенно эффективные в стимулировании выработки IFN-γ мононуклеарными клетками периферической крови человека. Таким образом, экзосомы молочнокислых бактерий обладают широким спектром иммуномодулирующих эффектов, усиливая иммунные реакции кишечника и уменьшая воспалительные и аллергические реакции в кишечнике. Будущие исследования должны изучить механизм действия экзосом, производимых Lactobacillus, на иммуномодуляцию и разработать их применение для профилактики и лечения заболеваний, связанных с иммунитетом.
Защита кишечника и микроэкологический баланс
Экзосомы лактобацилл являются важным пробиотическим метаболитом, который играет ключевую роль в поддержании защиты кишечника и микроэкологического баланса. Экзосомы действуют через различные механизмы, поддерживая микроэкологический баланс в кишечнике, регулируя микробный состав кишечника и поддерживая стабильность кишечной микросреды. Например, некоторые белки в экзосомах, произведенных Lacticaseibacillus rhamnosus GG, могут конкурентно связываться с поверхностью кишечника, уменьшая адгезию патогенных бактерий и ослабляя воспалительный ответ в кишечнике.
Экзосомы содержат биологически активные вещества, регулирующие микробиом кишечника, такие как внеклеточные ферменты, антибиотики, противомикробные препараты, антибиотические ферменты, белки-переносчики железа, β-глюкан, siRNA и полисахариды, которые могут влиять на тип и количество кишечной флоры, улучшать рост и метаболизм пробиотиков в кишечнике, а также поддерживать здоровье кишечника.
Исследования показали, что экзосомы, произведенные Lacticaseibacillus rhamnosus GG, могут повышать целостность слизистого барьера кишечника, регулировать активность иммунных клеток в кишечнике, улучшать иммунную функцию кишечника и сопротивляемость заболеваниям. Кроме того, специфические компоненты экзосом, произведенных Lacticaseibacillus rhamnosus GG (такие как белки, полисахариды и т.д.), могут взаимодействовать с эпителиальными клетками кишечника и регулировать их пути передачи сигналов, тем самым влияя на целостность слизистого барьера кишечника и баланс иммунного ответа. Некоторые белки экзосом индуцируют пролиферацию и дифференцировку иммунных клеток, а молекулы нуклеиновых кислот усиливают функцию кишечного барьера, связываясь с Toll-подобными рецепторами на эпителиальных клетках кишечника.
Недавние исследования на мышах показали, что внеклеточные везикулы Lactobacillus plantarum Q7 усиливают барьерные функции слизистой оболочки кишечника и уменьшают воспаление и аллергические реакции. Они эффективно облегчали симптомы колита, снижали уровень провоспалительных цитокинов и корректировали дисбиоз микробиоты кишечника, увеличивая количество противовоспалительных Bifidobacteria и Muribaculaceae и уменьшая количество Proteobacteria, что демонстрирует их потенциал в поддержании здоровья кишечника.
Другие эксперименты показали, что экзосомы нескольких штаммов Limosiactobacillus reuteri способствуют пролиферации и дифференцировке Т-клеток и стимулируют мононуклеарные клетки периферической крови и кишечные макрофаги к высвобождению воспалительных цитокинов, в частности IL-6 и IL-1β. Они также оказывают модулирующее действие, подавляя секрецию IFN-γ и снижая секрецию TNF-α, которые обычно индуцируются Staphylococcus aureus.
Применение экзосом, вырабатываемых лактобактериями
Экзосомы, произведенные лактобациллами, были исследованы на предмет их терапевтического применения при целом ряде заболеваний. Например, было показано, что они обладают противовоспалительным и иммуномодулирующим действием, что делает их привлекательными кандидатами для лечения аутоиммунных и воспалительных заболеваний. Благодаря потенциальному присутствию гетерологичных белков в экзосомах, произведенных Lactobacillus, их пероральное применение является идеальным способом доставки.
В исследовании на мышиной модели колита было обнаружено, что экзосомы при пероральном введении значительно облегчают воспаление толстой кишки, способствуют восстановлению тканей и улучшают функцию кишечного барьера, что полезно при с целом ряде заболеваний, таких как синдром раздраженного кишечника и воспалительные заболевания кишечника. Эти данные позволяют предположить, что экзосомы, продуцируемые Lactobacillus, могут иметь потенциальное терапевтическое применение. Кроме того, было установлено, что экзосомы, выделяемые лактобактериями, регулируют ось "кишечник-мозг", которая представляет собой двунаправленную систему связи между кишечником и центральной нервной системой и участвует в регуляции ряда физиологических функций, таких как настроение и аппетит у человека.
Несмотря на потенциал экзосом, производимых Lactobacillus, все еще существует ряд проблем, которые необходимо решить. Например, выделение и очистка экзосом, еще не полностью оптимизированы. Кроме того, механизмы действия экзосом in vivo не до конца понятны, и их долгосрочная безопасность нуждается в дальнейшем изучении.
Инженерия экзосом Lactobacilli подразумевает создание экзосом с определенными функциями с помощью методов редактирования генов и их трансформации. Существует два основных аспекта инженерии экзосом Lactobacilli: модификация бактерий для получения большего количества или более эффективных экзосом и генетическая или химическая модификация уже выделенных экзосом для придания им новых или улучшенных функций. Исследователи использовали методы рекомбинантной генной инженерии для вставки генов, связанных с экзосомами, в геном клеток, чтобы улучшить производство экзосом. Кроме того, они оптимизировали условия культивирования молочнокислых бактерий для улучшения производства экзосом. Для модификации экзосом использовались методы редактирования генов для имплантации специфических пептидных последовательностей на поверхность экзосом, чтобы придать им специфическую способность к распознаванию и связыванию. Химические методы модификации также используются для добавления молекул, таких как полисахариды и пептиды, чтобы усилить их биологическую активность.
Инженерия экзосом может быть также применена для создания новых вакцин. Например, исследователи интегрировали ген белка вируса папилломы человека E7 в последовательность ДНК L. lactis, что привело к улучшению иммунопротекторного эффекта в экспериментах на мышах, что подразумевает перспективность экзосом Lactobacilli в качестве носителя вакцин.
Несмотря на все преимущества, исследования и применение экзосом лактобацилл по-прежнему остаются сложными. Во-первых, методы выделения и очистки этих экзосом еще не совершенны и требуют оптимизации для повышения их выхода и чистоты. Во-вторых, сложная и гетерогенная структура и состав экзосом, производимых Lactobacillus, требуют более полного анализа их структурных и функциональных взаимосвязей для раскрытия механизма их действия в живых организмах. Кроме того, необходимы дополнительные исследования для оценки механизмов доставки лекарств, распределения в естественных условиях, метаболизма и долгосрочной безопасности экзосом.
В заключение следует отметить, что исследования экзосом лактобацилл представляют собой многообещающее направление, однако для реализации их потенциала необходимо провести значительное количество фундаментальных и клинических исследований. Кроме того, необходимо укрепить стандартизированные протоколы производства и контроля качества экзосом, производимых лактобациллами, чтобы обеспечить их безопасное и эффективное применение.
