Lactobacilli cư trú ở ruột kích hoạt Nrf2 ở gan và Bảo vệ gan chống lại tổn thương do oxy hóa

Bài viết bởi TS.BS Nguyễn Khánh Hòa - Chuyên viên quản lý dự án nghiên cứu, Viện nghiên cứu Tế bào gốc và Công nghệ gen Vinmec

Saeedi và cộng sự chứng minh rằng microbiome ruột hoạt động ở khoảng cách xa để kích hoạt phản ứng chống oxy hóa trong gan. Những phản ứng này có thể được khuếch đại bởi quản lý Lactobacilli ngoại sinh và bảo vệ chống lại tổn thương gan oxy hóa. Cuối cùng, họ xác định một Lactobacilli sản xuất ra các phân tử nhỏ làm trung gian cho một phần những hiệu ứng này.

1.Tóm tắt

Nhiều nghiên cứu đã đề xuất vai trò của vi khuẩn cư trú ở ruột (vật chủ- ‘microbiome ruột- Sức khỏe); tuy nhiên, các cơ chế mà chúng tác động đến hệ thống sinh lý vẫn chưa được biết rõ. Trong nghiên cứu này, nghiên cứu chuyển hóa của gan ở chuột nuôi trong điều kiện vô khuẩn tiết lộ sự điều hòa của Nrf2 phản ứng chống oxy hóa và xenobiotic trong hệ vi khuẩn ruột. Sử dụng Drosophila dựa trên xét nghiệm sàng lọc, chúng tôi đã xác định các thành viên của chi Lactobacillus có khả năng kích thích Nrf2. Thật vậy, Lactobacillus rhamnosus GG (LGG) có khả năng kích hoạt Nrf2 trong mô hình gan Drosophila và gan chuột. Điều này kích hoạt hệ thống đủ để bảo vệ chống lại hai mô hình tổn thương gan bằng oxy hóa bởi acetaminophen liều cao và ngộ độc ethanol cấp tính. Đặc tính lưu hành của chuột được điều trị LGG bằng phương pháp khối phổ song song xác định một nhỏ chất kích hoạt phân tử của Nrf2, 5-methoxyindoleacetic axit, được sản xuất bởi LGG. Tóm lại, những dữ liệu này chứng minh một cơ chế trong đó vi khuẩn ruột điều chỉnh tính nhạy cảm của gan đối với quá trình tổn thương oxy hóa.

2. Bối cảnh và ý nghĩa

Các nghiên cứu gần đây đã chứng minh rằng hệ vi sinh vật đường ruột có thể tác động đến chức năng của các mô ngoài ruột. Làm sao vi khuẩn tạo ra những tác động này và liệu chúng có thể được sử dụng để điều trị bệnh hay không vẫn chưa được biết rõ. Các nhà nghiên cứu tại Đại học Emory đã chứng minh rằng microbiome có tác dụng làm tăng khả năng chống oxy hóa của gan thông qua kích hoạt yếu tố phiên mã Nrf2. Điều này có thể được tăng cường bởi việc uống Lactobacillus rhamnosus GG, trong đó vi khuẩn tạo ra một phân tử nhỏ (axit 5-methoxyindoleacetic) đi từ ruột đến gan để kích hoạt Nrf2. Phân tử này đủ để bảo vệ gan khỏi ngộ độc acetaminophen cấp tính và độc tính ethanol. Những phát hiện này chứng minh một cơ chế độc lập mà vi sinh vật đường ruột tác động đến sức khỏe của các cơ quan ngoài ruột.

3. Giới thiệu

Các vi sinh vật sống trong ruột của con người bao gồm hơn 100 nghìn tỷ vi khuẩn, cùng với vô số nấm và vi rút. Cho đến gần đây, rất ít thông tin về chức năng của cộng đồng đa dạng và năng động này trên vật chủ. Với sự ra đời của hồ sơ phân loại dựa trên axit nucleic và sự phát triển của các hệ thống mô hình không có mầm bệnh, nhiều tiến bộ đáng kể đã đạt được những hiểu biết về tác dụng của hệ vi sinh vật đường ruột về sinh lý và cân bằng nội môi. Điều tra ban đầu của các tương tác giữa vi sinh vật chủ tập trung vào sinh lý học và bệnh lý của ruột, mô mà các vi khuẩn này đang tiếp xúc trực tiếp. Nhiều nghiên cứu đã chứng minh: Rối loạn đường ruột có các nguyên nhân khác nhau, bao gồm cả viêm bệnh đường ruột, hội chứng ruột dễ bị kích thích, bệnh celiac và ung thư ruột kết chịu ảnh hưởng rất sâu sắc của hệ vi sinh vật đường ruột. Tuy nhiên, gần đây, các nhà nghiên cứu đã bắt đầu đánh giá cao ảnh hưởng của vi khuẩn thường trú trong ruột không giới hạn ở mô ruột, mà có thể vươn xa ảnh hưởng đến các cơ quan khác, bao gồm gan, tuyến tụy, tim, và thậm chí não.

Trong các hệ thống cơ quan này, Gan đóng vai trò quan trọng và duy nhất trong việc tiếp nhận thông tin từ hệ vi khuẩn ruột. Các chất tiêu hóa trong ruột - xenobiotics hấp thu bị động hoặc tích cực bởi biểu mô ruột và vận chuyển vào hệ tuần hoàn cửa. Thành phần này của hệ thống tuần hoàn thu thập máu từ phần lớn của ruột và dẫn về đến gan- cơ quan trao đổi chất và giải độc chủ yếu của sinh vật có vú. Gan, do đó, có chức năng bảo vệ quan trọng tại giao diện giữa một loạt các xenobiotic ngoại sinh và một hệ thống nội môi.

Từ lâu người ta đã biết chức năng của gan là giải độc các chất độc ngoại sinh được phát triển để đối phó với sự tiếp xúc với vật lạ đến từ ruột trong khi ăn. Một số tác nhân điều hòa dịch mã, thụ thể pregnane X receptor (PXR), constitutive active/androstane receptor (CAR), và aryl hydrocarbon receptor (AHR), có thể cảm nhận sâu sắc sự hiện diện của các phân tử xenobiotic và điều hòa phản ứng của tế bào. Ngoài ra, các nghiên cứu gần đây đã cho thấy rằng những con đường tín hiệu này không chỉ nhạy cảm với những thay đổi trong chế độ ăn uống mà còn có thể bị thay đổi bởi các peptide và các phân tử nhỏ có nguồn gốc từ hệ microbiome ruột.

Điều này là do các hoạt động sinh hóa đa dạng được mã hóa trong bộ gen của vi sinh vật đóng vai trò quan trọng trong việc biến đổi sinh học và tiêu hóa chất dinh dưỡng ăn vào và các tác nhân dược lý. Nhiều đường dẫn tín hiệu, bao gồm cả những con đường liên quan trong sinh tổng hợp axit mật, chu trình urê và chuyển hóa choline, đã được chứng minh là nhạy cảm khi thay đổi các cộng đồng vi sinh vật của ruột. Microbiome xuất hiện để sửa đổi tính nhạy cảm đối với một số bệnh gan, bao gồm cả bệnh gan nhiễm mỡ không do rượu (NAFLD), bệnh gan do rượu (ALD), và ung thư biểu mô tế bào gan (HCC), trong số những người khác. Do đó, mối quan hệ microbiome- ruột-gan đang nổi lên như một yếu tố quan trọng trong nhiều trạng thái sinh lý và bệnh lý. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã thực hiện một cách tiếp cận toàn thể để xác định con đường tín hiệu trong gan được sửa đổi bởi microbiome. Chúng tôi đã thực hiện phân tích chuyển hóa trên mô gan từ những con chuột không có mầm bệnh hoặc thông thường (microbiome-replete). Ở động vật thông thường, chúng tôi quan sát thấy một sự gia tăng đáng kể trong các chất chuyển hóa liên quan đến chất chống oxy hóa và xenobiotic. Do đó, mối quan hệ -microbiome- ruột-gan đang nổi lên như một yếu tố quan trọng trong nhiều trạng thái sinh lý và bệnh lý.

Để xác định quần thể vi sinh vật chịu trách nhiệm cho quan sát thấy sự kích hoạt của Nrf2 ở gan, chúng tôi đã sử dụng một chủng biến đổi gen Nrf2 Drosophila melanogaster. Kết quả của chúng tôi cho thấy các thành viên của chi Lactobacillus có khả năng kích hoạt Nrf2 toàn thân. Hơn nữa, khi cho chuột uống Lactobacillus, Lactobacillus rhamnosus GG (LGG), đã tạo ra Nrf2 trong gan chuột thông thường, và kích hoạt này là đủ để bảo vệ chống lại hai mô hình khác nhau của gan oxy hóa cấp tính thương tật. Cuối cùng, chúng tôi đã thực hiện các thí nghiệm phân tích LC MS / MS độ phân giải cực cao để tìm phân tử nhỏ có trong cổng thông tin lưu hành chuột được điều trị bằng LGG và xác định 5-methoxyindoleacetic axit (5-MIAA) là một phân tử nhỏ mới có nguồn gốc từ LGG có khả năng kích hoạt Nrf2 ở gan. Những dữ liệu chủ chốt của chúng tôi đã khỏa lấp khoảng trống trong sự hiểu biết về trục gan-ruột và cung cấp hiểu biết sâu sắc hơn về vai trò của hệ vi sinh vật đường ruột trong tác dụng bảo vệ sức khỏe và cân bằng nội môi của gan.

4. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Trong nghiên cứu này chúng tôi đã tìm thấy

Các loại chuột vô khuẩn nuôi trong điều kiện thông thường tự gây ra đáp ứng với vi khuẩn ngoại lai và chống oxy hóa gan.

So sánh chuột nuôi trong điều kiện vô khuẩn với chuột vô khuẩn được tiếp xúc với vi khuẩn sau 3 tuần (tiếp xúc tự nhiên), chúng tôi phát hiện thấy có sự khác biệt về chuyển hóa trong gan ở nhóm chuột tiếp xúc với vi khuẩn (nuôi tự do) so với chuột nuôi trong điều kiện vô khuẩn. Cụ thể hơn, con đường chuyển hóa axit amin gan, sinh tổng hợp axit mật và chu trình urê đã bị thay đổi bởi microbiome. Những phân tích này cũng tiết lộ một phản ứng của các mạng lưới liên quan đến chuyển hóa thuốc và phản ứng chống oxy hóa, bao gồm cả thay đổi trong các chất chuyển hóa cytochrom P450 và tổng hợp glutathione.

Ghép cộng sinh Lactobacilli sp. kích hoạt hệ thống tín hiệu Nrf2 ở mô mỡ Drosophila melanogaster

Trong số các vi khuẩn đã được thử nghiệm, Lactobacilli là chất gây cảm ứng mạnh nhất của Nrf2 trong chất béo. Chúng tôi tiến hành ghép Lactobacillus plantarum Drosophila commensal và Lactobacillus rhamnosus GG (LGG) của con người. Những dữ liệu này phù hợp với các báo cáo trước đây từ nhóm nghiên cứu của chúng tôi cho thấy rằng việc sử dụng L. plantarum hoặc LGG bằng miệng có thể kích hoạt Nrf2 trong biểu mô ruột của cả ruồi và chuột. Hơn nữa, những dữ liệu Drosophila này chứng minh rằng một tập hợp vi khuẩn cụ thể có thể gây ảnh hưởng đến Nrf2 vượt ra ngoài giới hạn của ruột trong các mô không trải qua tiếp xúc trực tiếp với tế bào.

Các minh chứng cho phát hiện về tác dụng của Lactobacillus rhamnosus GG

Tiếp tục nghiên cứu sâu thêm về vai trò của Lactobacillus rhamnosus GG, chúng tôi phát hiện thêm các tác dụng kích hoạt tín hiệu Nrf2 trong gan của chuột trong khi Bacillus cereus (BC) hoàn toàn không có tác dụng này. Nhờ vào đó, Lactobacillus rhamnosus đã giúp cho gan chống lạ được các thương tổn gây ra bởi các chất oxy hóa có phụ thuộc Nrf2. Hơn nữa, Lactobacillus rhamnosus làm giảm tác dụng gây độc của Acetaminophen gây độc cho gan ở chuột thông thường. Cơ chế Lactobacllus chống lại tác dụng gây độc của acetaminophen tại gan thông qua con đường tín hiệu Nrf2. Sau khi phân tích kỹ càng bừng các kỹ thuật LC/MS, GC/MS chúng tôi tìm thấy Lactobacillus rhamnosus GG-sán xuất ra of 5 Methoxyindoleacetic Acid – là chất có tác dụng hoạt hóa Hepatic Nrf2.

Những phát hiện của nghiên cứu này đưa thêm vào sự hiểu biết của chúng tôi về hậu quả chức năng của trục microbiome-ruột-gan. Hơn nữa, chúng tôi xác nhận rằng Lactobacillus là một tác nhân tiềm tàng khởi động cho con đường tín hiệu Nrf2 trong gan. Đồng thời chúng tôi cũng bổ sung vào kho tài liệu y sinh học về tác dụng bảo vệ gan của Lactobacillus rhamnosus. Những dữ liệu này cũng chỉ ra rằng microbiota, ngoài việc mã hóa cụ thể các hoạt động sinh học, còn có khả năng tạo ra một con đường chuyển hóa của vật chủ, với những kết quả tiềm tàng khi tiêu hóa các sinh vật ngoại lai và các tác nhân dược lý.