Сепсис-ассоциированная энцефалопатия.

Глава 3. Монография «Сепсис-ассоциированная энцефалопатия». Авторы: Гречко А.В., Буякова И.В., Белобородова Н.В.

Абстракт

Дисфункция головного мозга является основным осложнением сепсиса и называется сепсис-ассоциированной энцефалопатией (SAE), включая делирий, кому, судороги и очаговые неврологические признаки. SAE, несомненно, ассоциируется с бактериями; в то же время невозможно назвать конкретные этиологически значимые бактерии. Энцефалопатия, ассоциированная с сепсисом (SAE), определяется как диффузная дисфункция головного мозга, вторичная по отношению к инфекции в других частях тела без явной инфекции ЦНС.

Введение

Известно, что сепсис является опасным для жизни состоянием, связанным с бактериями, и в случае развития SAE вероятность летального исхода возрастает. При сепсисе методами клинической микробиологии из крови или очага инфекции чаще выделяют грамположительные (Enterococci spp., Staphylococci spp.) или грамотрицательные (Klebsiella pneumonia, Pseudomonas spp., Acinetobacter spp.) виды бактерий. Это не означает, что существует только несколько видов бактерий  вовлечена в развитие сепсиса, по крайней мере, потому, что сотни видов бактерий присутствуют и функционируют в организме человека как его часть – микробиота. Список бактерий – так называемых патогенов - сильно зависит от спектра действия используемых антибиотиков и часто связан с отбором устойчивых к антибиотикам штаммов.

Бактерии и компоненты их клеточных стенок

SAE - это патологический процесс, в основе которого лежит диффузная церебральная дисфункция, вызванная воспалительной реакцией организма на инфекцию, при которой микробы не проникают в спинномозговую жидкость и ткани головного мозга и не могут непосредственно воздействовать на центральную нервную систему. До сих пор неясно, как бактерии взаимодействуют с мозгом. Справедливо предположить, что в этом процессе участвуют не целые бактериальные клетки, а их компоненты. Структурные компоненты клеточной стенки бактерий существенно различаются у грамотрицательных и грамположительных бактерий. Слой пептидогликана является общим для обеих групп бактерий, но принципиальными различиями являются наличие липополисахарида (ЛПС) во внешней мембране грам(-) бактерий, который также называется эндотоксином, в то время как грам (+) бактерии не имеют внешней мембраны, но содержат липотейхоевые кислоты в клетке мембрана.

Липополисахарид (ЛПС). Наиболее изученным из молекулярных паттернов, связанных с патогеном, можно считать липополисахарид (ЛПС). Было установлено, что реакция реакция лейкоцитов (нейтрофилов/макрофагов) на такой патоген-ассоциированный фактор, как ЛПС, считается основным пусковым механизмом развития системной воспалительной реакции. Являясь сложной многоклеточной структурой сосудистой системы центральной нервной системы (ЦНС), гематоэнцефалический барьер (ГЭБ) отделяет ЦНС от системного кровообращения и регулирует приток и отток веществ для поддержания стабильной среды в ЦНС. Липополисахарид (LPS), компонент клеточной стенки грамотрицательных бактерий, может преодолевать ГЭБ и в дальнейшем способствовать возникновению и развитию энцефалопатии, ассоциированной с сепсисом (SAE) [9].

Липотейхоевая кислота (LTA). В отличие от эффекта липополисахарида-агониста TLR4 (LPS), роль липотейхоевой кислоты-агониста TLR2 грамположительных бактерий в иммунно-мозговой коммуникации изучена недостаточно. LTA участвует в активации периферического иммунитета и инициирует нейровоспалительные процессы в головном мозге, которые связаны с подавлением регуляции компонентов ГЭБ.

Фосфолипид. Среди структурных компонентов клеток полезных анаэробных бактерий особое внимание в последнее время уделяется изучению фосфолипида Akkermansia muciniphila, который, по мнению исследователей, индуцирует гомеостатические иммунные реакции.

Микробиота как основной источник MAMPs

Результаты наших исследований позволяют утверждать, что метаболическая дисфункция микробиоты является не только обязательным спутником критического состояния, но и, довольно часто, предвестником, предсказывающим исход.

В настоящее время в медицинской практике имеются многочисленные факты, подтверждающие, что кишечная микробиота пациентов в отделениях интенсивной терапии (ОИТ) претерпевает множество изменений из-за критических состояний, антибиотиков и других специфических для ОИТ лекарственных препаратов. Важно подчеркнуть, что глубокие изменения в микробиоте уже присутствуют у пациента в критическом состоянии на момент поступления в отделение интенсивной терапии, даже до начала антибактериальной терапии.

В то же время изменения в метаболизме микробиоты нельзя объяснить только потерей устойчивости к колонизации и заселением пациента мультирезистентными больничными патогенами, характерными для микроэкологии отделения интенсивной терапии.  Исследования выявляют межиндивидуальное разнообразие и чрезвычайно гетерогенную структуру кишечной микробиоты у пациентов в критическом состоянии. Различия в составе микробиоты между здоровой контрольной группой и всеми тяжелобольными пациентами с сепсисом различного генеза (инфекция легких, брюшной полости, мочевыводящих путей) были очень значимыми, р = 0,0005.

Трансплантация фекальной микробиоты (FMT). Метод коррекции кишечной микробиоты, а именно трансплантация фекальной микробиоты (FMT) от здоровых доноров, в настоящее время активно изучается на экспериментальном уровне и обсуждается в литературе. Мы ограничимся кратким комментарием, подчеркнув, что перенос микробиоты от одного индивидуума к другому не случайно был назван трансплантацией, поскольку пока невозможно предсказать последствия трансплантации такого чужеродного многокомпонентного генетического материала.

Некоторые авторы рассматривают FMT как будущий метод модуляции кишечной микробиоты. FMT обычно считается безопасной, и распространенными побочными эффектами являются незначительные нежелательные явления, включая преходящую диарею, спазмы в животе или боль, субфебрилитет, вздутие живота, метеоризм и запор. Однако в ходе экспериментальных исследований были получены некоторые нежелательные эффекты, подтверждающие высокий риск непредсказуемых опасных последствий. В исследовании Tengeler et al. (2020) молодых стерильных (без микробов) мышей колонизировали микробиотой от индивидуумов с нарушениями развития нервной системы (дефицит внимания или гиперактивность) и без них и изучали данные микробиома мыши, поведение в группе поведенческих тестов, оценивали структуру и функции мозга с помощью магнитно-резонансной томографии. Авторы демонстрируют, что измененный микробный состав может быть движущей силой изменения структуры и функций мозга и сопутствующих изменений в поведении животных. В другом исследовании Sharon et al. (2019) также использовались мыши без микробов, которым была пересажена кишечная микробиота от людей-доноров с расстройством аутического спектра  и, для сравнения, от здоровых доноров (контрольная группа). Только в мозге мышей, колонизированных микробиотой пациентов с аутизмом, наблюдались изменения в генах, связанных с расстройством аутизма. Авторы предположили, что связи между кишечником и головным мозгом вовлечены в патофизиологию поведенческих отклонений и модулируют возбудимость нейронов в головном мозге и что кишечная микробиота регулирует поведение посредством выработки нейроактивных метаболитов.

Накапливается клинический опыт применения FMT у различных групп тяжелых пациентов, в том числе с психическими расстройствами [30-32]. Небольшие группы пациентов обычно содержат положительные отзывы, в то время как редкие публикации с данными сравнительных рандомизированных исследований все еще неубедительны. Мы ограничимся кратким комментарием, подчеркнув, что перенос микробиоты от одного индивидуума к другому был назван трансплантацией, поскольку пока невозможно предсказать долгосрочные последствия трансплантации такого чужеродного многокомпонентного генетического материала, как фекалии.

Микробные метаболиты

Попытки выявить закономерности развития CAЭ у пациентов в зависимости от бактерий, доминирующих в микробиоте, в соответствии с принципом соотношения грамположительных и грамотрицательных, не привели к результатам. Также не было обнаружено никаких ассоциаций между разнообразием микробиоты, соотношением Firmicutes/Bacteroidetes. В настоящее время более перспективным является метаболомный подход с использованием технологий метаболомного анализа, который будет представлен более подробно ниже.

Подчеркивая разнообразие и важность активных метаболических процессов, происходящих благодаря кишечной микробиоте, в литературе кишечник можно образно назвать “метаболическим реактором

Особенностью SAE является развитие воспалительного процесса в тканях головного мозга при отсутствии возбудителя в этом очаге. Следовательно, метаболиты, циркулирующие в крови, в том числе те, которые происходят из микробиоты, могут влиять на мозг. Напротив, мозг может страдать от недостатка необходимых метаболитов, когда на фоне массивной антимикробной терапии при сепсисе серьезно нарушается микробиота. Результаты экспериментальных исследований в области взаимодействия кишечника и мозга показывают, что комбинация из пяти антибиотиков, вводимых животному, способствует развитию когнитивных расстройств, вызванных антибиотиками.

Короткоцепочечные жирные кислоты (КЖК). КЖК - это микробные метаболиты пищевых волокон, состоящие из сложных углеводных полисахаридов; они ферментируются кишечными анаэробами совместно с разнообразным классом гликозидгидролаз и полисахаридаз. В здоровом организме с нормальным составом микробиоты вырабатывается достаточное количество SCFAS на миллимолярном уровне. SCFA являются источниками энергетического питания для эпителиальных клеток толстой кишки и, таким образом, обеспечивают барьерную функцию кишечника.

Масляная кислота привлекла наибольшее внимание среди SCFA как ключевой медиатор противовоспалительной активности. Этот метаболит является мощным ингибитором гистондеацетилаз (HDAC), которые регулируют эпигенетические сигналы активации генов. Потенциальные фармакологические эффекты бутирата широко изучены, поскольку при многих нейродегенеративных заболеваниях наблюдается нарушение ацетилирования гистонов.

Пропионовая кислота. Пропионовая кислота вырабатывается бактериями рода Propionibacterium в качестве конечного продукта их анаэробного метаболизма.

Итак, в одноцентровом проспективном исследовании, в котором приняли участие в общей сложности 118 пациентов с сепсисом, было показано, что повышенный уровень пропионовой кислоты в сыворотке крови на ранней стадии сепсиса был связан со смертностью. Содержание пропионовой кислоты также было выше у пациентов с септическим шоком Авторы пришли к выводу, что пропионовая кислота в сыворотке крови является значимым предиктором тяжести сепсиса и прогностическим биомаркером у пациентов с сепсисом наряду с другими биомаркерами воспаления.

Уксусная кислота. Уксусная кислота или ацетат участвует в различных метаболических путях и известна прежде всего как активная молекула, которая легко проникает через ГЭБ, попадает в мозг и активирует нейроны в гипоталамусе. Один из эффектов чрезмерной нагрузки ацетатом описан как подавление аппетита центрального происхождения.

Метаболиты аминокислот

Метаболиты триптофана. Ароматическая аминокислота триптофан играет важную роль в эндогенном метаболизме человека. Образование производных триптофана происходит индольным и кинурениновым путями. Индольный путь превращения триптофана условно делится на серотониновый и микробный, приводящий к образованию нейромедиатора серотонина, мелатонина, а также нескольких других метаболитов, содержащих индольное кольцо, например, триптамина, который подвергается дальнейшей биотрансформации с образованием индолуксусной и индолпропионовой кислот, индола и индоксила. Кинурениновый путь сопровождается разрушением индольного кольца триптофана и приводит к образованию L-кинурениновой, кинуреновой и хинолиновой кислот или кофермента никотинамидадениндинуклеотида (NAD+).

Метаболиты фенилаланина и тирозина

При сепсисе среди сотен изученных метаболитов различных групп всегда значительно повышаются такие ароматические микробные метаболиты (AMM), как фенилмолочная кислота (FMC), 4-гидроксифенилмолочная кислота (4-GFMC) и гидрокси-фенилуксусная кислота (4-GFUC).

Мы называем эти три метаболита “АММ, ассоциированный с сепсисом”, динамика их концентраций в сыворотке крови прогностически значима и тесно коррелирует с развитием септического шока и смертью. На связь с SAE указывают такие косвенные данные, как многократное повышение концентрации AMM в сыворотке крови накануне смерти (за сутки до наступления смерти). Невозможно исключить их прямое токсическое воздействие на мозг при высоких концентрациях в крови, но таких исследований не проводилось.

Подтверждением участия AMM, а именно HPhAA, являются интересные данные, полученные группой исследователей из Медицинского университета Чунцина, Китай [69]. Были собраны образцы крови у 31 пациента с SAE и 28 здоровых лиц контрольной группы, и они были использованы для выявления изменений метаболизма методом газовой хроматографии-масс-спектрометрии (GC-MS). Целью исследования было определить, какие метаболиты существенно различались между контрольной группой и группой SAE. Пациенты с SAE были разделены на четыре группы в соответствии с оценкой комы Глазго (GCS). Они обнаружили корреляцию между концентрацией 4-гидроксифенилуксусной кислоты и тяжестью нарушений сознания. Концентрация 4-HPhAA у пациентов с сепсисом снижалась вместе с уменьшение GCS. Авторы предполагают, что 4-гидроксифенилуксусная кислота может быть потенциальным биомаркером SAE и полезна для прогнозирования состояния пациента.

Также было показано, что уровень микробных метаболитов в сыворотке крови изменяется во время антибактериальной терапии и зависит от спектра антимикробной активности лекарственных препаратов. Это очень важно, поскольку САЭ развивается в условиях текущего септического состояния, и поэтому пациенты нуждаются в антибактериальной терапии. С другой стороны, именно нарушение связи между микробиотой и головным мозгом может способствовать развитию энцефалопатии, а антибиотики неизбежно влияют на микробиоту. На сегодняшний день в отделении интенсивной терапии нет рекомендаций или алгоритмов по подбору антибиотиков или их комбинаций, которые наряду с антимикробным эффектом одновременно не усугубляли бы метаболическую дисфункцию микробиоты. Мы называем такой подход к лечению пациентов с сепсисом стратегией терапии, ориентированной на микробиоту.