«Все больше и больше исследований показывают, что мыши или другие модельные организмы с изменениями в их кишечных микробах демонстрируют измененное поведение», — объясняет Элейн Сяо, доцент кафедры биологии и биологической инженерии и старший автор исследования. «Нас интересует, как микробы общаются с нервной системой. Для начала мы исследовали идею о том, что нормальные кишечные микробы могут влиять на уровни нейротрансмиттеров в своих хозяевах».Периферический серотонин вырабатывается в пищеварительном тракте энтерохромаффинными (ЕС) клетками, а также определенными типами иммунных клеток и нейронов.
Сяо и ее коллеги сначала хотели узнать, влияют ли кишечные микробы на выработку серотонина в кишечнике, и если да, то в каких типах клеток. Они начали с измерения периферических уровней серотонина у мышей с нормальными популяциями кишечных бактерий, а также у стерильных мышей, у которых отсутствуют эти резидентные микробы.
Исследователи обнаружили, что клетки ЕС от стерильных мышей производили примерно на 60 процентов меньше серотонина, чем их сверстники с обычными бактериальными колониями. Когда этих свободных от микробов мышей повторно заселили нормальными кишечными микробами, уровень серотонина снова поднялся, показывая, что дефицит серотонина можно обратить вспять.
«Клетки ЭК являются богатыми источниками серотонина в кишечнике. В этом эксперименте мы увидели, что они, по-видимому, зависят от микробов, которые вырабатывают серотонин — или, по крайней мере, большую его часть», — говорит Джессика Яно, первый автор статьи. и техник-исследователь, работающий с Сяо.
Затем исследователи хотели выяснить, взаимодействуют ли определенные виды бактерий из разнообразного пула микробов, населяющих кишечник, с клетками ЭК для выработки серотонина.После тестирования нескольких различных видов и групп известных кишечных микробов Яно, Сяо и его коллеги заметили, что одно условие — присутствие группы примерно из 20 видов спорообразующих бактерий — повышает уровень серотонина у стерильных мышей.
Мыши, получавшие эту группу, также показали увеличение моторики желудочно-кишечного тракта по сравнению с их стерильными собратьями и изменения в активации тромбоцитов крови, которые, как известно, используют серотонин для ускорения свертывания крови.Желая разобраться в механизмах, которые могут быть задействованы в этом интересном сотрудничестве между микробом и хозяином, исследователи начали искать молекулы, которые могут оказаться ключевыми.
Они определили несколько конкретных метаболитов — продуктов метаболизма микробов — которые регулируются спорообразующими бактериями и повышают уровень серотонина в клетках ЭК в культуре. Кроме того, увеличение количества этих метаболитов у мышей, свободных от микробов, увеличивало уровень серотонина.Предыдущая работа в этой области показала, что некоторые бактерии могут вырабатывать серотонин сами по себе.
Однако это новое исследование предполагает, что большая часть серотонина в организме зависит от определенных бактерий, которые взаимодействуют с хозяином для производства серотонина, говорит Яно. «Наша работа демонстрирует, что микробы, обычно присутствующие в кишечнике, стимулируют клетки кишечника хозяина вырабатывать серотонин», — объясняет она.«Хотя связи между микробиомом и иммунной и метаболической системами хорошо известны, исследования роли кишечных микробов в формировании нервной системы — захватывающий рубеж в биологических науках», — говорят Саркис К. Мазманян, Луис Б. и Нелли. Су, профессор микробиологии и соавтор исследования. «Эта работа элегантно расширяет предыдущие плодотворные исследования Калифорнийского технологического института в этой развивающейся области».
Дополнительный соавтор Рустем Исмагилов, профессор химии и химической инженерии Этель Уилсон Боулз и Роберт Боулз, добавляет: «Эта работа иллюстрирует как богатство химических взаимодействий между хозяевами и их микробными сообществами, так и научную широту и проницательность доктора Сяо, который руководил этим. Работа."Серотонин важен для многих аспектов здоровья человека, но Сяо предупреждает, что необходимы дополнительные исследования, прежде чем какие-либо из этих результатов можно будет применить в клинике.
«Мы определили группу бактерий, которые, помимо увеличения серотонина, вероятно, обладают и другими эффектами, которые еще предстоит изучить», — говорит она. «Кроме того, есть условия, при которых избыток периферического серотонина, по-видимому, пагубен».Хотя это исследование было ограничено серотонином в кишечнике, Сяо и ее команда сейчас изучают, как этот механизм может быть важен для развивающегося мозга. «Серотонин является важным нейротрансмиттером и гормоном, который участвует во множестве биологических процессов.
Открытие того, что кишечные микробы регулируют уровень серотонина, открывает интересную перспективу их использования для изменения биологии», — говорит Сяо.