Střevní mikrobiom a kognitivní funkce ve stáří
Věk související pokles kognitivních funkcí, zejména paměti, představuje běžný problém stárnoucí populace. Mechanismus těchto změn dosud nebyl plně objasněn. Oblast mozku zvaná hippocampus, klíčová pro utváření, ukládání a vybavování vzpomínek, postupně s věkem ztrácí schopnost zpracovávat nové informace, což nelze vysvětlit pouze změnami probíhajícími přímo v mozku. Nedávná zjištění z oblasti výzkumu naznačují, že remodelace mikrobiomu může představovat jeden z mechanismů stojících za tímto poklesem. Konkrétně byl identifikován jeden bakteriální druh, který je považován za pravděpodobnou příčinu. Studie na myších naznačují, že podávání antibiotik by mohlo tyto efekty zvrátit.
V posledních letech se střevní mikrobiom ukázal jako významný faktor ovlivňující mozkové funkce. Dřívější výzkumy již poukázaly na změny v mikrobiomu s přibývajícím věkem a na to, že přenos střevních mikrobů ze starších zvířat na mladá může zhoršit jejich kognitivní schopnosti. Nicméně anatomické a molekulární dráhy propojující střevní bakterie se zpracováním paměti zůstávaly do značné míry neobjasněné. Studie publikovaná v časopise Nature, kterou provedli vědci ze Stanford University Medical Center, přináší potenciální vysvětlení těchto spojitostí.
Přenos mikrobiomu a dopad na paměť
Výzkumníci k ověření hypotézy společně chovali mladé a staré myši po dobu jednoho měsíce. Společné bydlení u myší vede k přenosu mikrobů, což způsobilo, že mladé myši získaly mikrobiom podobný starým jedincům. Následně byly testovány kognitivní funkce pomocí testu rozpoznávání nových objektů (NOR), který měří krátkodobou paměť, a Barnesova bludiště pro testování prostorového učení a paměti. Mladé myši chované společně se staršími jedinci vykazovaly zhoršený výkon v obou testech. Je důležité poznamenat, že fyzická křehkost ani průzkumné chování se nezměnily, což naznačuje, že zhoršení se týkalo specificky schopnosti tvořit nebo vybavovat si vzpomínky, nikoli snížené aktivity. Tento efekt byl pozorován u obou pohlaví a u myší pocházejících od různých dodavatelů.
Řada dalších experimentů vyloučila vliv sociálních faktorů. Například společné chování starých a mladých myší v bezmikrobním prostředí nevedlo k narušení kognitivních funkcí u mladých jedinců. Transplantace fekální mikroflóry (FMT) od starých dárců mladým bezmikrobním myším replikovala kognitivní poškození i bez společného chovu, což přímo poukazuje na vliv mikrobiomu. Bezmikrobní myši navíc vykazovaly opožděný kognitivní pokles ve srovnání s konvenčně kolonizovanými myšmi, přičemž ve věku 18 měsíců stále fungovaly normálně.
Eliminace mikrobiomu starých myší pomocí širokospektrálních antibiotik před nebo během společného chovu zabránila vzniku kognitivního deficitu. Dokonce i podání antibiotik poté, co se kognitivní deficit již projevil, vedlo k jeho zvrácení, a to jak u mladých myší chovaných společně se starými, tak u přirozeně stárnoucích myší. Tyto výsledky ukazují na mikrobiální vliv jako na příčinu přenosného kognitivního poklesu, spíše než na sociální stres nebo samotné stárnutí.
Identifikace specifického bakteriálního druhu a mechanismu
Další fáze výzkumu se zaměřila na identifikaci konkrétních střevních bakterií zodpovědných za pozorovaný kognitivní pokles. Jako hlavní kandidát se ukázal druh *Parabacteroides goldsteinii*. Jeho množství se s věkem zvyšovalo, efektivně se přenášel při společném chovu i prostřednictvím FMT, a mladé bezmikrobní nebo antibiotiky léčené myši, které byly kolonizovány pouze *P. goldsteinii*, vyvinuly kognitivní poškození.
Ukazatele jako neurogeneze a hustota dendritických trnů byly u mladých myší chovaných společně se starými jedinci normální; u přirozeně stárnoucích myší se sice změnily, ale nebyly přenosné prostřednictvím mikrobiomu. Analýza RNA-seq však odhalila, že exprese takzvaných „immediate-early gene“ (IEG), což jsou geny rychle aktivované při stimulaci neuronů, například *Fos*, byla snížena u mladých myší chovaných společně se starými, u starších myší a u bezmikrobních příjemců stárnoucí mikroflóry. Barvení FOS potvrdilo sníženou neuronální aktivaci v hippocampu v reakci na expozici novým objektům. Kolonizace samotným *P. goldsteinii* podobně potlačila hippokampální FOS reakce. Tyto výsledky naznačují, že mikrobiom specificky narušuje schopnost mozku aktivovat neurony v reakci na nové podněty, spíše než aby způsoboval strukturální poškození mozku.
Výzkumem bylo dále zjištěno, že se pozornost soustředí na nucleus tractus solitarius (NTS), strukturu v mozkovém kmeni, která slouží jako primární přijímací stanice pro signály z bloudivého nervu (nervus vagus). Bloudivý nerv je nejdelším hlavovým nervem v těle, který inervuje většinu vnitřních orgánů, včetně celého gastrointestinálního traktu. Ablací a aktivací různých neuronálních podtypů výzkumníci určili, že se jedná o dysfunkci bloudivého nervu, nikoli míšních nervů, z nichž některé také přenášejí signály do NTS. Stimulace bloudivého nervu obnovila kognitivní funkce, což potvrdilo důležitost této vagální dráhy. Kognitivní deficit však nebyl způsoben sníženou produkcí střevních hormonů. Bylo předpokládáno, že něco jiného potlačuje vagální funkci, a proto výzkumníci hledali odlišný mechanismus.
Role středněřetězcových mastných kyselin a zánětu
Bylo zjištěno, že kapalina, která obklopovala bakterie *P. goldsteinii* a obsahovala její vylučované molekuly (supernatant), byla sama o sobě dostačující k narušení kognitivních funkcí. Metabolomická analýza pomohla přičíst tento účinek středněřetězcovým mastným kyselinám (MCFA), které *P. goldsteinii* produkuje. Střevní hladiny MCFA se s věkem zvyšovaly u konvenčně kolonizovaných, ale ne u bezmikrobních nebo antibiotiky léčených myší, a byly přenosné společným chovem.
Výzkumníci dále testovali viry infikující bakterie (bakteriofágy) ohledně jejich schopnosti obnovit paměť u stárnoucích myší. Jeden z těchto fágů, φPDS1, známý pro svůj účinek na jiný bakteriální rod, konzistentně zlepšoval kognitivní funkce u starších myší. Zdá se, že tento fág nepůsobí zabíjením *P. goldsteinii*, ale změnou jeho genové exprese způsobem, který snižuje produkci MCFA.
Receptor GPR84 na povrchu buněk je aktivován MCFA. Myši s nedostatkem GPR84 byly rezistentní vůči kognitivnímu poklesu, což potvrdilo GPR84 jako receptor, jehož prostřednictvím MCFA uplatňují své účinky na kognici. Jednobuněčná RNA sekvenace střevních imunitních buněk však ukázala, že gen *Gpr84* je exprimován výhradně myeloidními buňkami, jako jsou makrofágy, monocyty a neutrofily, na rozdíl od mikroglií (rezidentních imunitních buněk mozku) nebo lymfocytů. Toto rozlišení naznačuje, že zánětlivý proces vedoucí ke kognitivnímu poklesu probíhá mimo mozek.
Na závěr autoři prokázali, že zánětlivé cytokiny TNF a IL-1β jsou následnými efektory signalizace GPR84, které narušují vagální funkci. Exogenní TNF nebo IL-1β byly dostatečné k narušení kognitivních funkcí, přičemž tento stav byl reverzibilní vagální stimulací. Vyřazení receptoru IL-1β specificky na vagálních neuronech zablokovalo účinek MCFA na paměť a vynucené spuštění těchto neuronů bylo dostatečné k překonání zánětlivé blokády. Tato zjištění ukazují, že časová osa poklesu paměti není pevně daná, ale je aktivně modulována v těle, přičemž gastrointestinální trakt hraje v tomto procesu klíčovou regulační roli.