Пробиотики, их внеклеточные везикулы и инфекционные заболевания (аннотация)Пробиотики, их внеклеточные везикулы и инфекционные заболевания
Могут ли пробиотики бороться с инфекционными заболеваниями? Множество клинических исследований поставили этот вопрос во главу угла, показав положительный эффект в профилактике и/или лечении инфекционных заболеваний.
В этом обзоре мы провели поиск пробиотических бактерий, используемых для лечения инфекционных заболеваний, а затем обсудили текущие знания о внеклеточных везикулах (EVs), выделяемых этими пробиотическими видами. Изучение EVs, выделяемых пробиотическими штаммами, все еще находится в зачаточном состоянии и до сих пор не было широко проанализировано. В нескольких исследованиях было показано, что штаммы, продуцирующие EV, оказывают благоприятное воздействие как в моделях in vitro, так и in vivo, однако испытания на людях (обязательное условие для утверждения пробиотика) еще не завершены.
В контексте применения пробиотиков против инфекционных заболеваний, широко распространенные эффекты или "общие преимущества" пробиотиков включают механизмы, которые действуют непосредственно путем подавления патогенов и косвенно путем усиления барьерной функции эпителия хозяина и иммунного ответа. Пробиотики, по-видимому, действуют через широкий репертуар механизмов, но конкретные пути и ключевые регуляторные молекулы, лежащие в основе их полезных эффектов, в основном неизвестны. В этом ряду EVs связаны с различными функциями межклеточной коммуникации и, по-видимому, являются общим языком между царствами (т.е. бактериями и эукариотическими клетками) (Ñahui Palomino et al., 2021).
Несмотря на то, что эффект пробиотиков зависит от конкретного штамма, в данном обзоре мы отобрали ряд клинических исследований, в которых оценивались преимущества пробиотических видов в борьбе с инфекционными заболеваниями. Согласно результатам нашего поиска, почти 50% этих видов выделяли EVs. Семь из 24 штаммов выделяли EVs, которые оказывали благоприятное воздействие на патогены в моделях in vitro, ex vivo или in vivo. Фактически, некоторые из этих штаммов являются известными пробиотиками: например, Escherichia coli Nissle 1917 и Lacticaseibacillus rhamnosus GG. Мы ограничили наш поиск бактериями, хотя некоторые грибы также считаются пробиотиками.
Пробиотические бактерии с успешными результатами в борьбе с инфекционными заболеваниями в основном включают бифидобактерии и лактобактерии, которые представляют собой наиболее изученные пробиотики, и другие грам (+) бактерии, принадлежащие к родам Streptococcus, Bacillus, Propionibacterium и Clostridium. С другой стороны, насколько нам известно, единственным штаммом Грам (-) бактерий, который был признан эффективным в клинических испытаниях, является E. coli Nissle 1917. E. coli Nissle 1917 уже более века считается пробиотиком и используется для лечения кишечных заболеваний. Однако этот штамм содержит островок патогенности (pks), кодирующий колибактин - генотоксин, который оказывает противовоспалительное действие и в настоящее время связан с причинными мутациями, обнаруженными при колоректальном раке человека.
Внеклеточные везикулы вырабатываются во всех царствах жизни: археями, бактериями и эукариями. На сегодняшний день установлено, что EV производятся всеми типами клеток всех изученных организмов. Все EV состоят из липидного бислоя с мембранными белками и содержат ДНК, РНК и белки. Уровень знаний о бактериальных EVs ниже, чем об эукариотических EVs, но количество исследований постоянно растет. В частности, EVs из Грам (+) бактерий были менее изучены, и наше понимание их биогенеза и взаимодействия с клетками хозяина только начинается.
Размер бактериальных EVs находится в наномасштабе (менее 500 нм) и связан с физиологией бактерий, включая пробиотические и патогенные эффекты. В случае грам (+) бактерий EVs называются мембранными везикулами (MVs), а липидный бислой окружает цитозольный материал. Напротив, в случае бактерий Грам (-) EV называются везикулами внешней мембраны ( OMVs), а липидный бислой окружает периплазматический материал. EVs грам (+) и грам (-) бактерий также отличаются по составу поверхности, например, наличием липополисахарида (LPS). Разнообразие грузовых молекул, содержащихся в EVs, может объяснить разнообразие описанных ролей, начиная от приманки для вирусных и антибиотических атак, зондирования кворума и заканчивая регуляцией иммунной защиты хозяина.
Как уже упоминалось, пробиотики включают в себя живые микроорганизмы, которые при приеме в достаточном количестве приносят пользу здоровью хозяина. В то же время появляется все больше доказательств того, что неживые микроорганизмы и их биоактивные соединения (метаболиты, которые они могут производить в результате ферментации или воздействия на компоненты пищи) оказывают положительное влияние на здоровье человека. Экспертная группа ISAPP определила постбиотик как "препарат из неживых микроорганизмов и/или их компонентов, который приносит пользу здоровью хозяина" (Salminen et al., 2021). В этом ряду EVs являются секреторными компонентами, связанными с полезными свойствами пробиотических бактерий, и, следовательно, могут считаться постбиотиками (Wegh et al., 2019).
Постбиотики - это новая клиническая стратегия, которую следует рассмотреть для лечения инфекций. Например, при язвах диабетической стопы нарушен кожный барьер, поэтому введение живых бактерий не является безопасным подходом (Nam et al., 2021). Именно здесь введение EV, полученных из пробиотиков, может заменить такие полезные эффекты пробиотиков, как ингибирование патогенов и иммуномодуляция.
Внеклеточные везикулы играют центральную роль во многих физиологических и патологических процессах благодаря своей способности переносить биологически активные макромолекулы, которые могут эффективно изменять биологические свойства клеток-мишеней. Благодаря этому свойству они могут рассматриваться как новые агенты с различными терапевтическими применениями. Существует множество клинических исследований, изучающих использование человеческих EVs для различных терапевтических подходов, включая вакцинацию против патогенов, противоопухолевую терапию, регенеративную терапию и доставку лекарств (Lener et al., 2015; Théry et al., 2018).
В случае применения EVs против инфекционных заболеваний существуют две различные стратегии: оценка EVs, выделяемых патогеном или инфицированными клетками естественным образом, и EVs, полученных in vitro. Однако, насколько нам известно, клинических исследований, связанных с использованием EVs из пробиотических бактерий для профилактики и/или лечения каких-либо инфекционных заболеваний, не проводилось.
Использование EVs в качестве систем доставки может обеспечить ряд преимуществ, включая их наноразмер, биосовместимость по сравнению с синтетическими системами доставки лекарств (низкая токсичность), способность преодолевать биологические барьеры, способность защищать свой груз от неблагоприятных условий окружающей среды (pH, ферменты, окислительный стресс) и возможность инженерии родительских клеток для изменения состава EV. В отношении бактериальных EV все еще существует огромный разрыв между фундаментальными исследованиями и клиническими испытаниями.
Для профилактики инфекционных заболеваний до сих пор в качестве вакцин использовались только EVs патогенных бактерий, относящихся к группе Грам (-), которые неоднократно демонстрировали свою безопасность и эффективность, в то время как другие находятся на стадии изучения. Например, существуют клинически доступные вакцины на основе EV против Neisseria meningitidis, возбудителя менингита. Разработка вакцин на основе EV является перспективным направлением для профилактики инфекций. Однако выделение EVs из нескольких патогенных микроорганизмов для создания вакцин может иметь ограничения. Например, многие патогены, такие как бактерии, грибы и паразиты, не могут быть выращены в лаборатории. В случае вирусов, которые не производят EV, для разработки вакцин на основе EV необходимы клеточные культуры.
В этой связи вакцинация с помощью сконструированных EVs из пробиотических бактерий может стать полезной платформой для экспрессии антигенов патогенов, которые можно использовать в качестве вакцин без токсичности для человека. Насколько нам известно, E. coli Nissle 1917 был единственным штаммом, оцененным для такого применения в животной модели. Дальнейшие исследования, сравнивающие Грам (-) и Грам (+) пробиотические EVs, необходимы для выяснения того, является ли присутствие определенных компонентов, таких как LPS на поверхности, важным для усиления иммунного ответа. Важно подчеркнуть, что различный химический состав LPS вызывает различные воспалительные реакции, и это необходимо учитывать для повышения иммуногенности EV (Migale et al., 2015; Jastrząb et al., 2021).
С другой стороны, для лечения инфекционных заболеваний можно использовать генную инженерию для ингибирования патогенов путем увеличения экспрессии антимикробных пептидов и дальнейшей инкапсуляции в EVs. Бактериоцины - это мощные небольшие противомикробные пептиды, синтезируемые некоторыми бактериями, которые могут быть назначены в качестве альтернативы традиционным антибиотикам. Бактериоцины в составе EVs превращают их в потенциальных кандидатов для борьбы с инфекциями, в том числе вызванными патогенами, резистентными к антимикробным препаратам. Введение пробиотических EVs может быть использовано не только для лечения и/или профилактики инфекций, но и для снижения использования антимикробных препаратов.
Используя преимущества универсальности EV, можно применять другие подходы генной инженерии для модификации груза или поверхности EV для доставки лекарств в клетки-мишени. Генная инженерия позволяет осуществлять сверхэкспрессию белков или синтез малых РНК, которые могут заставить замолчать гены хозяина-мишени. Груз EV может быть защищен от неблагоприятных условий окружающей среды, а дополнительные поверхностные молекулы могут направлять EV к клеткам-мишеням. Эта стратегия может быть актуальна для доставки двух или более синергетических препаратов и/или доставки соединений, которым трудно преодолеть клеточную мембрану.
Новая эра постбиотиков привела к появлению новой точки зрения на благотворное влияние пробиотиков. Произведенные пробиотиками EVs могут, по крайней мере частично, опосредовать благотворное воздействие пробиотиков на инфекционные заболевания через: ингибирование патогенов, усиление барьерной функции эпителия и модуляцию иммунной системы. Примечательно, что EVs могут достигать кровотока и, следовательно, доставляться во внекишечные органы, где, как было показано, пробиотики оказывают благоприятное воздействие. Будущие исследования должны быть сосредоточены на характеристике активных компонентов EV и их взаимодействии с хозяином. Новые технологии на основе EV являются перспективными для разработки терапии и/или вакцин против инфекций. Более того, пробиотики, содержащиеся в пищевых матрицах, могут быть использованы в качестве устройств для высвобождения EV в ЖКТ с потенциальным применением в индустрии функциональных продуктов питания.
