Сепсис-ассоциированные метаболиты и их биотрансформация кишечной микробиотой

Высокое содержание сепсис-ассоциированных ароматических микробных метаболитов (АММ) служит прогностически неблагоприятным фактором, свидетельствует о прогрессировании полиорганной дисфункции и повышенном риске летального исхода у пациентов с сепсисом и септическим шоком. В данном исследовании проверили рабочую гипотезу, согласно которой причиной избытка сепсис-ассоциированных АММ в организме септического пациента является нарушение метаболизма (дисфункция) кишечной микробиоты.

Цель работы. Cравнить способность нормобиоты и патобиоты подвергать биотрансформации сепсис-ассоциированные метаболиты ароматических аминокислот тирозина и фенилаланина на примере фенилмолочной кислоты (ФМК) и 4-гидроксифенилмолочной кислоты (4-ГФМК).

Материалы и методы. Образцы кишечного содержимого пациентов с септическим шоком (n=10, патобиота) и здоровых добровольцев (n=9, нормобиота) помещали в пробирки с универсальной тиогликолевой средой. В модельном эксперименте in vitro имитировали избыточное поступление сепсис-ассоциированных АММ в кишечник (например, из крови или очагов воспаления), добавляя ФМК или 4-ГФМК в клинически значимых концентрациях (по 25 мкМ) в пробирки с патобиотой и нормобиотой. После инкубации в термостате (37°C, 24 ч) сравнивали изменение концентраций АММ в образцах с патобиотой и нормобиотой. Для измерения концентрации метаболитов использовали ГХ-МС анализ.

Результаты. Спустя 24 ч после добавления 4-ГФМК или ФМК к нормобиоте регистрировали снижение концентрации этих метаболитов по сравнению с контролем. Добавление ФМК и 4-ГФМК к патобиоте, напротив, не приводило к снижению концентрации этих кислот спустя 24 ч. Концентрации ФМК (p=0,002) и 4-ГФМК (p0,001) были статистически значимо выше в образцах патобиоты по сравнению с нормобиотой.

Заключение. Экспериментальным путем доказали, что при избыточной нагрузке сепсис-ассоциированными метаболитами (ФМК, 4-ГФМК) микробиота здоровых людей способна к их биотрансформации до конечных продуктов микробного метаболизма, в то время как у патобиоты септических пациентов эта функция утрачена. Тем самым подтверждается значимость дисфункции микробиоты в патогенезе сепсиса.

1. Evans L., Rhodes A., Alhazzani W., Antonelli M., Coopersmith C.M., French C., Machado F.R., et al. Surviving sepsis campaign: international guidelines for management of sepsis and septic shock 2021. Intensive Care Med. 2021; 47 (11): 1181–1247. DOI: 10.1007/s00134-021-06506-y. PMID: 34599691.

2. Zhang Y.-Y., Ning B.-T. Signaling pathways and intervention therapies in sepsis. Signal Transduct Target Ther. 2021; 6 (1): 407. DOI: 10.1038/s41392-021-00816-9. PMID: 34824200.

3. Быкова К.М., Саввина И.А., Бодарева Н.В., Забродская Ю.М. Патофизиологические аспекты и комплексная диагностика сепсис-ассоциированной энцефалопатии. Перспективы этиопатогенетической терапии. Анестезиология и реаниматология. 2022; (4): 92–98. DOI: 10.17116/anaesthesiology202204192.

4. Ковзель В.А., Давыдова Л.А., Карзин А.В., Царенко С.В., Батурова В.Ю., Полупан А.А., Гутников А.И. Методы экстракорпоральной гемокоррекции при сепсисе (обзор). Общая реаниматология. 2023; 19 (2): 68–82. DOI: 10.15360/1813-9779-2023-2-2282.

5. Adelman M.W., Woodworth M.H., Langelier C., Busch L.M., Kempker J.A., Kraft C.S., Martin G.S. The gut microbiome’s role in the development, maintenance, and outcomes of sepsis. Crit Care. 2020; 24 (1): 278. DOI: 10.1186/s13054-020-02989-1. PMID: 32487252.

6. Chernevskaya E., Beloborodova N., Klimenko N., Pautova A., Shilkin D., Gusarov V., Tyakht A. Serum and fecal profiles of aromatic microbial metabolites reflect gut microbiota disruption in critically ill patients: a prospective observational pilot study. Crit Care; 2020; 24 (1): 312. DOI: 10.1186/s13054-020-03031-0. PMID: 32513224.

7. Xiao K., Sun Y., Song J., Li L., Mao W., Jiang C. Gut microbiota involved in myocardial dysfunction induced by sepsis. Microb Pathog. 2023; 175: 105984. DOI: 10.1016/j.micpath.2023.105984. PMID: 36638851.

8. Wasyluk W., Zwolak A. Metabolic alterations in sepsis. J Clin Med. 2021; 10 (11): 2412. DOI: 10.3390/jcm10112412. PMID: 34072402.

9. Sun S., Wang D., Dong D., Xu L., Xie M., Wang Y., Ni T., et al. Altered intestinal microbiome and metabolome correspond to the clinical outcome of sepsis. Crit Care. 2023; 27 (1): 127. DOI: 10.1186/s13054-023-04412-x. PMID: 36978107.

10. Beloborodova N.V., Sarshor Yu.N., Bedova A.Yu., Chernevskaya E.A., Pautova A.K. Involvement of aromatic metabolites in the pathogenesis of septic shock. Shock. 2018; 50 (3): 273–279. DOI: 10.1097/SHK.0000000000001064. PMID: 29189605.

11. Beloborodova N.V. Serum aromatic microbial metabolites as biological markers in intensive care. In: Rajendram, R., Preedy, V.R., Patel, V.B. (eds.). Biomarkers in trauma, injury and critical care. Biomarkers in disease: methods, discoveries and applications. Springer, Cham. 2023; 13: 245–268. DOI: 10.1007/978-3-031-07395-3_64.

12. Белобородова Н.В., Байрамов И.Т., Оленин А.Ю., Федотчева Н.И. Экзометаболиты некоторых анаэробных микроорганизмов микрофлоры человека. Биомедицинская химия. 2011; 57 (1): 95–105. DOI: 10.18097/pbmc20115701095. PMID: 21516781.

13. Jenner A.M., Rafter J., Halliwell B. Human fecal water content of phenolics: the extent of colonic exposure to aromatic compounds. Free Radic Biol Med. 2005; 38 (6): 763–772. DOI: 10.1016/j.freeradbiomed.2004.11.020. PMID: 15721987.

14. Russell W.R., Duncan S.H., Scobbie L., Duncan G., Cantlay L., Calder A,G,, Anderson S.E., et al. Major phenylpropanoidderived metabolites in the human gut can arise from microbial fermentation of protein. Mol Nutr Food Res. 2013; 57 (3): 523–535. DOI: 10.1002/mnfr.201200594. PMID: 23349065.

15. Muñoz-González I., Jiménez-Girón A., Martín-Álvarez P.J., Bartolomé B., Moreno-Arribas M.V. Profiling of microbial-derived phenolic metabolites in human feces after moderate red wine intake. J Agric Food Chem. 2013; 61 (39): 9470–9. DOI: 10.1021/jf4025135. PMID: 24010549.

16. Saito Y., Sato T., Nomoto K., Tsuji H. Identification of phenol- and p-cresol-producing intestinal bacteria by using media supplemented with tyrosine and its metabolites. FEMS Microbiol Ecol. 2018; 94 (9): fiy125. DOI: 10.1093/fem-sec/fiy125. PMID: 29982420.

17. Gutiérrez-Díaz I., Fernández-Navarro T., Salazar N., Bartolomé B., Moreno-Arribas M.V., López P., Suárez A., et al. Could fecal phenylacetic and phenylpropionic acids be used as indicators of health status? J Agric Food Chem. 2018; 66 (40): 10438–10446. DOI: 10.1021/acs.jafc.8b. PMID: 30227707.

18. Жиркова Е.А., Спиридонова Т.Г., Сачков А.В., Елисеенкова Е.А., Брыгин П.А., Никулина В.П., Кашолкина Е.А., с соавт. Биомаркеры воспаления при острой дыхательной недостаточности у пациентов с ингаляционной травмой. Анестезиология и реаниматология. 2022; (5): 23 29. DOI: 10.17116/anaesthesiology202303145.

19. Козлов И.А., Соколов Д.А. Оценка биомаркера напряжения миокарда NT-proBNP в реальной клинической практике. Общая реаниматология. 2023; 19 (1): 4–12. DOI: 10.15360/1813-9779-2023-1-2272.

20. Dwivedy A.K., Shah S.N. Effects of phenylalanine and its deaminated metabolites on Na+,K+-ATPase activity in synaptosomes from rat brain. Neurochem Res. 1982; 7 (6): 717-25. DOI: 10.1007/BF00965524. PMID: 6289150.

21. Zhu L., Shao Y.D., Wang J.Y., Lin D.L., Gu C.L., Li Y.H., Gu J.G., et al. Effect of beta-phenyl lactic acid on platelet aggregation, thrombosis, and plasma cAMP content. Zhongguo Yao Li Xue Bao. 1988; 9 (3): 249–251. PMID: 2850712.

22. Вахитовa Т.Я., Чалисова Н.И., Ситкин С.И., Салль Т.С., Шалаева О.Н., Демьянова Е.В., Моругина А.С., с соавт. Низкомолекулярные компоненты метаболома крови регулируют пролиферативную активность в клеточных и бактериальных культурах. Доклады академии наук. 2017; 472 (4): 491–493. DOI: 10.1134/S0012496617010069. PMID: 28429257.

23. Martiìn M., Gibello A., Fernaìndez J., Ferrer E. , Garrido-Pertierra A. Catabolism of 3- and 4-hydroxyphenylacetic acid by Klebsiella pneumoniae. J Gen Microbiol. 1991; 137 (3): 621–628. DOI: 10.1099/00221287-137-3-621. PMID: 1851804.

24. Calder P.C. n-3 fatty acids, inflammation, and immunity — relevance to postsurgical and critically ill patients. Lipids. 2004; 39 (12): 1147–1161. DOI: 10.1007/s11745-004-1342-z. PMID: 15736910.

25. Dodd D., Spitzer M.H., Van Treuren W., Merrill B.D., Hryckowian A.J., Higginbottom S.K., Le A., et al. A gut bacterial pathway metabolizes aromatic amino acids into nine circulating metabolites. Nature. 2017; 551 (7682): 648–652. DOI: 10.1038/nature24661. PMID: 29168502.

26. Díaz E., Ferrández A., Prieto M.A., García J.L. Biodegradation of aromatic compounds by Escherichia coli. Microbiol Mol Biol Rev. 2001; 65 (4): 523–569. DOI: 10.1128/MMBR.65.4.523-569.2001. PMID: 11729263.

27. Clarkson S.M., Giannone R.J., Kridelbaugh D.M., Elkins J.G., Guss A.M., Michener J.K. Construction and optimization of a heterologous pathway for protocatechuate catabolism in Escherichia coli enables bioconversion of model aromatic compounds. Appl Environ Microbiol. 2017; 83 (18): e01313–17. DOI: 10.1128/AEM.01313-17. PMID: 28733280.

28. Smith E.A., Macfarlane G.T. Enumeration of human colonic bacteria producing phenolic and indolic compounds: effects of pH, carbohydrate availability and retention time on dissimilatory aromatic amino acid metabolism. J Appl Bacteriol. 1996; 81 (3): 288–302. DOI: 10.1111/j.1365-2672.1996.tb04331.x. PMID: 8810056.

29. Liu Y., Guo Y., Hu S., Wang Y., Zhang L., Yu L., Geng F. Analysis of the dynamic changes in gut microbiota in patients with different severity in sepsis. BMC Infect Dis. 2023; 23 (1): 614. DOI: 10.1186/s12879-023-08608-y. PMID: 37723420

30. Zhou Y., Luo Y., Wang X., Luan F., Peng Y., Li Y., Ma X., et al. Early gut microbiological changes and metabolomic changes in patients with sepsis: a preliminary study. Int Microbiol. 2023; 26 (4): 1131–1142. DOI: 10.1007/s10123-023-00363-z. PMID: 37145385.

31. Evans T., Ali U., Anderton R., Raby E., Manning L., Litton E. Lower gut dysbiosis and mortality in acute critical illness: a systematic review and meta-analysis. Intensive Care Med Exp. 2023; 11 (1): 6. DOI: 10.1186/s40635-022-00486-z. PMID: 36732439.

32. Chanderraj R., Baker J.M., Kay S.G., Brown C.A., Hinkle K.J., Fergle D.J., McDonald R.A., et al. In critically ill patients, anti-anaerobic antibiotics increase risk of adverse clinical outcomes. Eur Respir J. 2023; 61 (2): 2200910. DOI: 10.1183/13993003.00910-2022. PMID: 36229047.

33. Zanza C., Romenskaya T., Thangathurai D., Ojetti V., Saviano A., Abenavoli L., Robba C., et al. Microbiome in critical care: an unconventional and unknown ally. Curr Med Chem. 2022; 29 (18): 3179–3188. DOI: 10.2174/0929867328666210915115056. PMID: 34525908.

34. Zaborin A., Smith D., Garfield K., Quensen J., Shakhsheer B., Kade M., Tirrell M., et al. Membership and behavior of ultra-low-diversity pathogen communities present in the gut of humans during prolonged critical illness. mBio 2014; 5 (5): e01361-14. DOI: 10.1128/mBio.01361-14. PMID: 25249279.

35. Ситкин С.И., Вахитов Т.Я., Демьянова Е.В. Микробиом, дисбиоз толстой кишки и воспалительные заболевания кишечника: когда функция важнее таксономии. Альманах клинической медицины. 2018; 46 (5): 396–425. DOI: 10.18786/2072-0505-2018-46-5-396-425.

36. Zhang Z., Cheng L., Ning D. Gut microbiota and sepsis: bidirectional Mendelian study and mediation analysis. Front Immunol. 2023; 14: 1234924. DOI: 10.3389/fimmu.2023. 1234924. PMID: 37662942.

37. Balaban N.Q., Merrin J., Chait R., Kowalik L., Leibler S. Bacterial persistence as a phenotypic switch. Science. 2004; 305 (5690): 1622–1625. DOI: 10.1126/science.1099390. PMID: 15308767.

38. Андрюков Б.Г., Ляпун И.Н. Молекулярные механизмы персистенции бактерий. Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2020; 97 (3): 271–279. DOI: 10.36233/0372-9311-2020-97-3-10.

39. Orman M.A., Brynildsen M.P. Inhibition of stationary phase respiration impairs persister formation in E. coli. Nat Commun. 2015; 6: 7983. DOI: 10.1038/ncomms8983. PMID: 26246187.

40. Маркелова Н.Н., Тутельян А.В., Писарев В.М., Гапонов А.М. Некоторые закономерности формирования персистирующих форм клинических изолятов грамотрицательных бактерий. Антибиотики и Химиотерапия. 2018; 63 (7–8): 41–46.

41. Zelezniak A., Andrejev S., Ponomarova O., Mende D.R., Bork P., Patil K.R. Metabolic dependencies drive species co-occurrence in diverse microbial communities. Proc Natl Acad Sci U S A. 2015; 112 (20): 6449–54. DOI: 10.1073/pnas.1421834112. PMID: 25941371.