Микробиом человека как источник природоподобных лекарственных препаратов - фармабиотиков
В Москве прошел III российский конгресс по медицинской микробиологии и инфектологии (РКММИ-2025). Отдельная секция была посвящена современным технологиям изучения микробиома человека, все доклады на этой секции были сделаны по исследованиям лаборатории генетики микроорганизмов ИОГен РАН.
Секцию «Передовые практики исследования микробиома человека» открыл доклад профессора Валерия Николаевича Даниленко, в котором он рассказал о проекте «Нейромикробиом», объединяющем исследования микробиома и нейронаук. В консорциум по его реализации вошли семь научных институтов, базовыми организациями стали Институт общей генетики РАН и Научный центр неврологии. Инициаторы этого проекта исходили из той значительной роли, которую микробиом кишечника человека играет в функционировании всего организма, в том числе мозга. По словам профессора Даниленко, микробиом синтезирует практически все вещества, определяющие нейромодулирующий, иммуномодулирующий и противовоспалительный статус организма. Его можно использовать как источник природоподобных лекарственных препаратов и ингредиентов для функциональных продуктов питания нового поколения.
В лекарственные препараты, о которых идет речь, входят: живые биотерапевтические препараты на основе лактобактерий, бифидобактерий, фекалибактерий и др. функциональных бактерий здорового микробиома человека; постбиотики – метаболиты и компоненты пробиотических бактерий; белки ферменты и низкомолекулярные метаболиты. Профессор Даниленко подчеркнул, что эти препараты – не пробиотики, к которым все привыкли (это вчерашний день), не БАДы, а фармабиотики – таргетные препараты с установленной мишенью и механизмом действия.
В рамках проекта «Нейромикробиом» целью для таких препаратов является лечение неврологических заболеваний, таких как депрессия, аутизм, и нейродегенеративных, таких как паркинсонизм, болезнь Альцгеймера. Также они могут быть направлены на снятие побочных эффектов химио- и лучевой терапии, на последствия радиационного облучения и постковидный синдром. Если посмотреть на мировую практику, то на сегодня 53 микробиом направленных препарата проходят клинические исследования и более 800 находятся на стадии доклинических исследований.
Важнейший механизм действия компонентов микробиома – участие в эпигенетической регуляции работы генов. Микробиота ЖКТ продуцирует метаболиты, задействованные в эпигенетической регуляции: это короткоцепочечные жирные кислоты, витамины группы В, модуляторы иммунной системы, метилазы и ацетилтрансферазы бактерий. Эти эпигенетически активные метаболиты доставляются в мозг посредством внеклеточных везикул, образуемых бактериями. Их мишенями становятся ДНК, гистоны нейронов и других органов человека.
В ИОГен РАН на основе специализированной коллекции микроорганизмов ученые ведут поиск штаммов с нейромодулирующей, иммуномодулирующей и противовоспалительной активностью и создают на их основе фармабиотики с использованием омиксных технологий. Один из примеров – препарат «супербакт» на основе штамма Limosilactobacillus fermentum U-21, предназначенный для снятия последствий оксидативного стресса при неврологических заболеваниях. Другой пример – препарат-психобиотик для терапии депрессивных состояний 47f на основе бактерии L. brevis. Разработан также препарат-иммунобиотик FN3 на основе белков бифидобактерий для контроля цитокинового шторма. Методом молекулярного моделирования ученые провели анализ его механизма действия – взаимодействия белка ∆ FN3 с цитокином TNFα и другими цитокинами. Создание микробиом направленных продуктов и технологий на основе функциональных бактерий – магистральный путь биомедицинской науки ближайшего десятилетия.
Определяя задачи консорциума, профессор Даниленко сформулировал его сверзадачу - создание биологической и математических объединенных моделей «Нейросети: мозг-кишечник». Это алгоритм, предназначенный для анализа взаимосвязей между микробиомом и функционированием мозга. Такой алгоритм будет способен предсказывать эффекты терапевтических воздействий, а также предлагать индивидуальный подход к профилактике и лечению нейропсихических расстройств через воздействие на микробиом.
Д.б.н. Елена Ульриховна Полуэктова в своем докладе на секции, посвященной микробиому и биобанкингу, представила созданную в лаборатории генетики микроорганизмов ИОГен РАН коллекцию «Биобанк микробиоты человека». Коллекция включает 154 штамма бифидобактерий 6 видов, 177 штаммов лактобацилл 16 видов – это важнейшие культивируемые бактерии микробиоты человека. Для 40 штаммов бифидобактерий и 17 штаммов лактобацилл специалисты определили и проанализировали нуклеотидную последовательность ДНК и установили гены, отвечающие за их иммуномодулирующую, нейромодулирующую и противовоспалительную активность.
На базе коллекции ученые ведут поиск штаммов с биологической активностью, отбирают перспективные штаммы для создания фармабиотиков. На сегодняшний день отобрано пять таких штаммов: Limosilactobacillus fermentum U-21 с антиоксидантной и противопаркинсонической активностью; Levilactobacillus brevis 47f с противовоспалительной и антидепрессивной активностью; Lacticaseibacillus rhamnosus k32 с противовоспалительной активностью; Bifidobacterium longum s. longum GT-15 с противовоспалительной и иммуномодулирующей активностью; Bifidobacterium adolescentis 150 – активный продуцент ГАМК.
В этой работе специалисты используют омиксные технологии. В ходе геномного анализа для лактобацилл составлен каталог белков-антиоксидантов и определены виды с наибольшим числом генов таких белков. В пангеноме 21 штамма Bifidobacterium adolescentis определены коровые гены, уникальные и вариабельные; по коровым генам построено филогенетическое дерево. Анализ нуклеотидных последовательностей серин-треониновых протеинкиназ бифидобактерий обнаружил киназу Pkb2 в составе видоспецифического оперона. Один из генов оперона, названный fn3, содержал два фибронектиновых домена и в них – два цитокиновых рецептора. Наличие подобных рецепторов у бактерий обнаружено впервые. Клонированный С-концевой фрагмент белка Fn3 Bifidobactrrium longum был способен взаимодействовать с цитокином воспаления TNF-α. Эти данные свидетельствуют о непосредственном взаимодействии бифидобактерий с цитокинами человека, что позволяет объяснить противовоспалительные свойства штаммов бифидобактерий и позволяют предположить возможность использования белка как противовоспалительного лекарственного средства.
Далее применяется транскриптомный анализ. С его помощью, например, сравнивается экспрессия генов Levilactobacillus brevis 47f при действии двух оксидантов – кислорода и перекиси водорода; определяется транскрипционный ответ штаммов Lacticaseibacillus rhamnosus на действие цитокинов. Протеомный анализ выявляет белки в бактериальных клетках и культуральной жидкости, например, для L. fermentum U-21 найдено более 700 белков с различной активностью; метаболомный анализ этого штамма выявил 76 метаболитов. При протеомном анализе культуральной жидкости штамма L. fermentum U-21 был идентифицирован белок ClpL, отсутствующей в культуральной жидкости других штаммов того же вида. Было показано, что как культуральная жидкость штамма, так и очищенный белок ClpL-U21 обладают дезагрегирующей активностью и способствуют рефолдингу термоинактивированных белков люцифераз. Эта активность культуральной жидкости и белка ClpL отчасти объясняет антиоксидантную активность штамма и позволяет предполагать, что белок может быть использован для получения лекарственного средства– постбиотика.
Таким образом, омиксные технологии используются для прогнозирования потенциальных свойств микроорганизмов, для характеристики отдельных штаммов, а также для определения механизмов биологических свойств штаммов.
В докладе Майи Валерьевны Одорской рассказывалось о пути создания живых биотерапевтических препаратов, постбиотиков, фармабиотиков на основе штамма Limosilactobacillus fermentum U-21 с использованием омиксных технологий. Этот штамм, как и лругие лактобактерии, - постоянный компонент микробиоты человека; лактобактерии синтезируют биологически активные соединения и могут обладать иммуномодулирующими, нейромодулирующими, противовоспалительными и антиоксидантными свойствами. Штамм L. fermentum U-21 был выделен из микробиоты здорового мужчины (космонавт после полета), был депонирован в банк, а его геном секвенирован.
U-21 отобран из большого количества штаммов по антиоксидантной активности: сначала при помощи биосенсорной тест-системы, созданной на основе E. coli, а затем на модели паракват-индуцированного стресса у нематоды C. elegans. Затем специалисты оценивали активность U-21 на модели паракват-индуцированного паркиноснизма у крыс; препарат снижал двигательные нарушения в тесте «открытого поля» и сохранял координацию движений в тесте «сужающейся дорожки». По результатам иммуногистохимического анализа он сохранял количество активных дофаминергических нейронов.
В геноме штамма L. fermentum U-21 специалисты нашли 29 генов, продукты которых могут проявлять антиоксидантные свойства. Путем транскриптомного анализа они оценили экспрессию этих генов, а в ходе протеомного анализа провели разделение белков различных фракций. Обнаружено, что наиболее ценные биологически активные белки выделяются в культуральную жидкость, где они находятся в составе везикул. Внеклеточные везикулы лактобактерий — это контейнеры и универсальные переносчики, они способны проникать в ткани и органы, в том числе в мозг. Их применение для доставки биологически активных веществ к мишеням — новое направление в использовании потенциала микробиома.
По функциональным свойствам ученые выделили у штамма U-21 три группы белков: с актиоксидантной активностью, с иммуномодулирующей активностью и белки-шапероны. Наконец, метаболомный анализ выявил три группы метаболитов: дезагрегазы (препятствующие агрегации белков), метаболиты с иммуномодулирующей активностью и с нейромодулирующей активностью (в том числе ГАМК).
Алла Вадимовна Ставровская, руководитель лаборатории экспериментальной патологии нервной системы и нейрофармакологии Института мозга рассказала о совместной работе с лабораторией генетики микроорганизмов по применению препарата U-21 на основе штамма L. fermentum на экспериментальной модели паркинсонизма. Остановившись на патогенезе паркинсонизма, она упомянула, что, помимо гибели дофаминергических нейронов, происходит накопление в нервной ткани агрегированной формы белка α-синуклеина, а также нейровоспалительные процессы, причем не только в мозге, но и в энтеральной нервной системе, которая тесно взаимодействует с микробиотой. Есть гипототеза, что патологические процессы и начинаются именно там, а затем распространяются на центральную нервную систему.
Специалисты использовали комбинированную модель паркинсонизма на крысах (интрацеребральное введение лактацистина и системное введение полисахарида ЛПС), которая вызывает накопление агрегированного α-синуклеина и нейровоспаление. Важно, что эта комбинированная модель имитирует раннюю стадию развития паркинсонизма, на которой еще не выражены двигательные расстройства.
На этой модели испытывали действие выделенного из микробиоты штамма L. fermentum U-21. В тесте «открытого поля» используемые по отдельности токсины вызывали у крыс разнонаправленные изменения поведения, а введение препарата U-21 нормализовало поведение до уровня контрольных животных. U-21 также уменьшал нарушения поведения при выполнении теста «сужающейся дорожки». Специалисты провели морфохимическое исследование нейронов черной субстанции (ЧС), это область мозга со скоплением дофаминергических нейронов, которые дегенерируют при паркинсонизме. Введение лактацистина в ЧС одного полушария мозга уменьшало число дофаминергических нейронов (нейроны были окрашены на тирозингидроксилазу). На фоне препарата U-21 снижение числа нейронов в ЧС гораздо менее выражено, что свидетельствует о замедлении нейродегенеративного процесса. В другом исследовании иммунофлуоресцентное исследование тонкой кишки крыс показало, что введение штамма U-21 препятствует накоплению агрегированного α-синуклеина.
При этом препарат U-21 не влиял на поведенческие и биохимические показатели здоровых животных, что очень важно, подчеркнула А.В. Ставровская. Подопытные крысы принимали его с ярко выраженным удовольствием, так что с его влиянием на дофаминергическую систему подкрепления еще предстоит разобраться.
Механизмам противопаркинсонической активности штамма U-21 был посвящен доклад Дианы Резниковой. В этой работе использовали модель паркинсонизма у крыс, вызванную системным введением параквата. Этот токсин индуцирует в организме окислительный стресс, приводящий в нервной ткани к накоплению агрегированного α-синуклеина и к повреждению дофаминегических нейронов. Нейромодулирующую активность штамма U-21 оценивали по экспрессии гена фактора роста нервов ngf; выяснилось, что у крыс с индуцированным паркинсонизмом уровень экспрессии ngf при введении U-21 возрастает в 19 раз. Антиоксидантный эффект оценивали по активности ферментов антиоксидантной защиты и уровню восстановленного глутатиона в печени: и то, и другое повышается в группах с введением U-21. Наконец, U-21 снижает степень проявления геморрагических участков в легких модельных животных.
Доклад Вероники Сергеевны Летвиновой был посвящен технологиям контролируемой ферментации — это совокупность биотехнологических методов, направленных на метаболическую активность микроорганизмов в стандартизированных условиях культивирования. Технологии обеспечивают воспроизводимость биосинтеза целевых метаболитов за счет точного контроля параметров ферментации (температуры, рН, состава питательной среды, аэрации, уровня растворенного кислорода, редокс-потенциала). Ключевым моментом работы является отработка контроля качества получаемого продукта фармабиотика по количественному анализу наличия в нем фармакологически активных ингредиентов.
Мария Марсова рассказала про подходы к выявлению биологической активности штаммов кишечных бактерий, в частности, штамма лактобактерии Levilactobacillus brevis 47f, как перспективного фармабиотика. С начала эволюции бактерийных препаратов – от Мечниковской простокваши и пробиотиков, несущих общий оздоровительный эффект, к живым биотерапевтическим продуктам, применяемым для профилактики и лечения определенного заболевания, исследования направлены на получение достоверной информации о действующих началах таких препаратов.
Возможные механизмы действия пробиотиков – это модуляции компонентов кишечного микробиома, снижение окислительного потенциала в просвете кишечника, влияние на проницаемость слизисто-эпителиального барьера кишечника. Если же в разработке находится перспективный штамм-фармабиотик, обладающий высокой нейромодулирующей или протекторной активностью, нам необходимо знать о конкретных метаболитах и механизмах, лежащих в основе этой активности, включая конкретные молекулы и их мишени, обеспечивающие наблюдаемые результаты в экспериментальных моделях. Именно эта информация способна обеспечить получение высокой эффективности и предсказуемого результата, одновременно с максимальной безопасностью препарата. Фармабиотики – это препараты на основе микроорганизмов с установленными фармакологически активными ингредиентами и механизмом действия, которые можно использовать в медицинской практике для лечения конкретных нозологий.
В лаборатории генетики микроорганизмов для поиска биологически активных штаммов используются как классические подходы (скрининг культуральных жидкостей и/или биомассы и оценка биологической активности методами хроматографии, электрофореза, иммунохимии, а также исследование на модельных организмах), так и молекулярные и биоинформатические подходы. Для определения механизма действия применяются омиксные технологии (геномика, метаболомика, протеомика, транскриптомика). Используются пан-геномные и белковые базы данных, в том числе для реконструкции метаболических сетей и построения прогностических моделей.
В геноме штамма L. brevis 47f, проявляющего протекторные, антиоксидантные, нейро и иммуномодулирующие свойства в биологических моделях, были выявлены гены метаболизма углеводов и связанные с адаптацией к ксенобиотикам; гены транспортных систем, важные для межклеточной коммуникации; гены синтеза соединений с иммуномодулирующим, адаптогенным и актиоксидантным действием, а также гены синтеза нейромедиатора ГАМК, гены белков-шаперонов и ферментов гликолитического пути.
Доклад Ольги Авериной был посвящен штамму Levilactobacillus brevis 47f, который проявляет свойства психобиотика. Предпосылкой для этой работы является тот факт, что кишечная микробиота может участвовать в патогенезе депрессии: через воспалительные процессы, окислительный стресс, метаболиты с нейромодулирующей активностью, регуляцию работы гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой системы, влияние на эпигенетические процессы. Поэтому терапевтические методы, направленные на микробиоту, могут быть эффективны в лечении депрессии.
На мышиной модели депрессии (депрессивно-подобное поведение вызывали у грызунов неизбегаемым действием ультразвука переменных частот) ученые исследовали действие L. brevis 47f и двух штаммов бифидобактерий. Они использовали поведенческие тесты на агедонию, на социальное взаимодействие, на двигательную и исследовательскую активность, а также оценивали состав микробиоты у мышей до и после введения лактобактерий. Препараты нормализовали как поведение мышей, так и состав микробиоты.
Наиболее активный штамм L. brevis 47f исследовали на 20 пациентах с депрессией на фоне ожирения. После 28-дневного приема препарата 47f депрессия уменьшалась со средней степени до легкого депрессивного расстройства по шкале Гамильтона у всех пациентов, кроме одного. Отмечалось снижение тревоги и повышение когнитивных функций. Терапия сопровождалась положительными изменениями в биохимических показателях крови и нормализацией кишечной микрофлоры.
Штамм L. brevis 47f был выделен из микробиоты здоровой женщины. В исследованиях он проявил высокую антиоксидантную активность, протекторную активность в отношении слизисто-эпителиального слоя и его окислительно-восстановительного баланса. Показано, что штамм продуцирует ГАМК.
Алексей Ватлин рассказал про разработку пробиотика нового поколения (метабиотика) в рамках совместного проекта с Центром акушерства, гинекологии и перинатологии им. В.И. Кулакова, по коррекции микробиома у новорожденных детей после приема антибиотиков. Для этого исследуются штаммы Faecalibacterium prausnitzii. Из большого количества штаммов этой бактерии по сравнению полных геномов из базы NCBI специалисты отобрали наиболее перспективные. У них провели биоинформатический анализ 12 генов, связанных с нейромодулирующей и противовоспалительной активностью, провели полногеномное секвенирование, выявили метаболиты, которые они продуцируют, в том числе короткоцепочечные жирные кислоты, проявляющие противовоспалительные свойства. Планируется доклиническое исследование эффективности постбиотика из отобранного штамма F. prausnitzii на модели мышей с язвенным колитом.
Этой же бактерии Faecalibacterium prausnitzii был посвящен доклад Лидии Флоренской. Данный микроорганизм – ключевой комменсал кишечной микробиоты человека, важный для поддержания здоровья кишечника. Его штаммы различаются по потенциалу патогенности и устойчивости к антибиотикам. В исследовании сравнивали 16 изолятов F. Prausnitzii из России, Австралии, Японии и Южной Африки. Задача состояла в том, чтобы найти штаммы с минимальным числом генов патогенности и устойчивости к антибиотикам.
В результате ученые обнаружили 21 ген вирулентности и 6 генов лекарственной устойчивости. В геномах российских штаммов нашли гены устойчивости к линкозамидам, бацитрацину, тетрациклину и полимиксину. Как кандидат для использования в качестве пробиотика выбран российский штамм fp3, обладающий наименьшим числом генов вирулентности и лекарственной устойчивости.
В докладе Олеси Галановой рассказывалось про перспективные методы машинного обучения для изучения метагенома человека, на примере его изучения при расстройстве аутистического спектра (РАС). Предпосылкой к исследованию стал значительный интерес к роли кишечной микробиоты в развитии РАС. Задача состояла в выявлении биомаркеров, ассоциированных с РАС, на уровне метагенома. Машинное обучение позволило преодолеть такие проблемы метагеномного исследования, как большие объемы данных, их высокое разнообразие и мультиколлинеарность, когда несколько признаков зависят друг от друга. Обычные статистические методы в данном случае не работают.
Машинное обучение состоит в том, что модель обучается на имеющихся данных, и таким способом удалось найти в метагеноме биомаркеры РАС. В работе использовались две когорты пациентов, разных по возрасту и по полу. Исследователи брали метагеномные данные, получали контиги, затем проводили функциональную аннотацию и составляли метагеномные сигнатуры. Далее обучали модели машинного обучения и отбирали характеристики метагенома, ассоциированные с РАС. Из использованных четырех моделей наилучшие результаты были получены для модели «случайный лес» (точность свыше 90%). Среди значимых сигнатурных пар чаще всего встречались гены, ответственные за синтез ГАМК, пропионовой кислоты и бутирата. Ученые считают, что предлагаемые методы позволяют выявлять значимые биомаркеры, ассоциированные с различными заболеваниями ЦНС при исследованиях микробиома кишечника. Ранее в лаборатории уже проводился аналогичный поиск биомаркеров, ассоцированных с депрессией.
В докладе д.м.н., профессора Александра Альбертовича Штиля, зав. лабораторией НИИ канцерогенеза НМИЦ онкологии им. Н.Н.Блохина были представлены результаты исследования белков бифидобактерий для перспектив создания лекарственных препаратов против цитокинового шторма у онкогематологических больных. Синдром высвобождения цитокинов, или цитокиновый шторм, является частым побочным действием лечения онкогематологии, в частности, при применении высокотехнологичного метода САR-T терапии. Было показано, что микробиота кишечника связывается с одним из ключевых цитокинов TNF α, фактором некроза опухоли.
Объектом исследования стал белок ∆FN3 бифидобактерий, содержащий два фибронектиновых домена с рецепторами цитокинов. Специалисты изучили специфическое взаимодействие ∆FN3.1 Bifidobacterium longum GT15 с цитокинами. Механизм действия белка они исследовали in siliko, построив модель его взаимодействия с TNF α. Для анализа взаимодействия белков бифидобактерий с цитокинами использовали также метод поверхностного плазмонного резонанса.
Итак, в исследовании была установлена способность белка ∆FN3.1 из штамма B. longum GT15 селективно связываться с цитокинами TNF α, IL-8 и IL-10. Предлагается использовать фрагменты белков, содержащие фибронектиновые домены FN3, для создания серии препаратов, регулирующих уровень цитокинов для ограничения осложнений терапии онкогематологических больных.
В совокупности в докладах на конкретных примерах родемонстрированы стратегии и алгоритмы создания микробиом направленных продуктов на основе функциональных бактерий с использованием омиксных технологий и машинного обучения. Созданная технологическая платформа может быть использована для создания новых природоподобных лекарств нового поколения.
текст Надежды Маркиной
Авторы докладов:
Даниленко Валерий Николаевич
д.б.н., профессор, заведующий отделом генетических основ биотехнологии, заведующий лабораторией генетики микроорганизмов ИОГен РАН
Полуэктова Елена Ульриховна
д.б.н., главный научный сотрудник ИОГен РАН
Одорская Майя Валерьевна
научный сотрудник лаборатории генетики микроорганизмов ИОГен РАН
Ставровская Алла Вадимовна
к.б.н., руководитель лаборатории экспериментальной патологии нервной системы и нейрофармакологии Института мозга ФГБНУ «НЦН»
Резникова Диана Андреевна
младший научный сотрудник лаборатории генетики микроорганизмов ИОГен РАН
Летвинова Вероника Сергеевна
младший научный сотрудник ИОГен РАН
Марсова Мария Викторовна
научный сотрудник лаборатории генетики микроорганизмов ИОГен РАН
Аверина Ольга Викторовна
старший научный сотрудник лаборатории генетики микроорганизмов ИОГен РАН
Ватлин Алексей Александрович
старший научный сотрудник ИОГен РАН
Флоренская Лидия Кирилловна
младший научный сотрудник ИОГен РАН
Галанова Олеся Олеговна
младший научный сотрудник лаборатории генетики микроорганизмов ИОГен РАН
Штиль Александр Альбертович
д.м.н., профессор, заведующий лабораторией механизмов гибели опухолевых клеток НИИ канцерогенеза ФГБУ «НМИЦ онкологии им. Н.Н. Блохина»