Актуальность
Почему в последние годы расширились возможности исследования вирома?
В последние годы интерес к вирому значительно возрос благодаря достижениям в мета-геномном секвенировании и анализе с помощью биоинформатики. Виром кишечника играет важную роль в формировании состава и функций микробиоты кишечника человека как в здоровом состоянии, так и при заболеваниях. Кроме того, вирусный фагоцитоз демонстрирует не только исключительное разнообразие, но и высокую степень индивидуальной специфичности и временной стабильности
Терминология
Что понимается под термином "эукариотические вирусы" и как они классифицируются в микробиоте человека?
Вирусы, населяющие организм человека, образуют особый компонент микробиоты – "виром", включающий эукариотические вирусы, то есть, поражающие клетки организма с ядром (Shkoporov A,., et.al., 2019):
- патогенные вирусы, инфицирующие клетки человека
- вирусы, инфицирующие бактерии, известные как бактериофаги или фаги.
Виромы также различаются в зависимости от биологической ниши (например, кожи, носоглотки, кишечника или мочеполового тракта), а также от их влияния на здоровье человека.
Что означает выражение "вирусная темная материя"?
Большая часть вирусных последовательностей, обнаруженных в образцах человека – от ~70% до ~95% – принадлежит к скрытому пространству вирусного разнообразия, называемому «вирусной темной материей» (Nayfach S, et.al., 2021) представляющей собой совокупность вирусных последовательностей, полученных из данных секвенирования, которые до сих пор остаются недостаточно характеризованными совершенно: их нельзя с точки зрения таксономии отнести к установленным семействам, родам или видам; предполагаемые хозяева не определены; биологические функции остаются неясными (Chevallereau A, et.al., 2022).
История
Какие методы выделения бактериофагов и бактерий были первыми в истории их идентификации?
Исторически идентификация и характеристика бактериофагов – как и бактерий – основывались на методах выделения и культивирования.
Мета- геномное секвенирование
Какие преимущества мета- геномного секвенирования?
Сегодня в мета-геномных исследованиях можно либо секвенировать всё сообщество и впоследствии разделить вирусные последовательности с помощью биоинформатики. Мета-геномное секвенирование всего сообщества не только позволяет идентифицировать вирусные последовательности, но и предоставляет возможность изучать взаимодействия фагов с хозяином. Это особенно актуально для анализа вирома кишечника, поскольку имеющиеся данные указывают на преобладание умеренных фагов в его составе. Мета-геномные исследования вирома кишечника обычно предоставляют качественные , а не количественные данные, выявляя доминирующие группы фагов, возможные стратегии их экспрессии и потенциальные взаимодействия с хозяином. Сегодня терапевтический потенциал бактериофагов становится все более очевидным. В дополнение к их уже существующему применению против устойчивых к антибиотикам бактерий, фаги демонстрируют перспективность в лечении воспалительных заболеваний, заболеваний печени и даже рака.
Эпидемиология
Какие фекальные бактериофаги были выявлены в последнее десятилетие в кишечнике человека?
Несмотря на то, что большая часть геномного разнообразия кишечных фагов все еще скрыта от нас в «вирусной темной материи», ее контуры постепенно проясняются: примером являются две наиболее распространенные фекальные клады фагов, crAssphage и Gubaphage, идентифицированные только в 2014 и 2021 годах (Camarillo-Guerrero LF, et.al., 2021). Организм человека постоянно подвергается воздействию большого количества бактериофагов – по оценкам специалистов, ежедневно в организм попадает около 31 миллиарда фаговых частиц (Nguyen S, et.al., 2017).
Растительные вирусы
Могут ли в вироме человека встречаться вирусы растений?
В вироме также могут присутствовать растительные вирусы, вероятно, происходящие из пищевых источников
Бактериофаги кишечника
Какие вирусы доминируют в кишечнике человека?
Бактериофаги преобладают в вирусном разнообразии кишечника, составляя до 90% его компонента. Фаги влияют на микрофлору кишечника и способствуют горизонтальному переносу генов, тем самым формируя и расширяя функциональный потенциал микробного сообщества. Несмотря на то, что бактериофаги составляют большинство вирусных частиц в кишечнике, их состав уникален для каждого индивидуума и остается удивительно стабильным в течение нескольких месяцев. Таким образом, состав фагов может служить индивидуальным «вирусным отпечатком», потенциально полезным для диагностики и мониторинга изменений в микрофлоре кишечника.
Взаимосвязь бактериофагов кишечника с иммунитетом
Каким образом бактериофаги кишечника влияют на иммунную систему человека?
Помимо прямого воздействия на кишечные бактерии, появляется все больше свидетельств того, что фаги могут влиять на организм человека, включая иммунную систему. Один из таких механизмов включает высвобождение про-воспалительных молекул в просвет кишечника при лизисе бактериальных клеток фагами. Кроме того, данные о трансфере фагов через эпителиальные клетки кишечника предполагают, что фаги могут напрямую стимулировать иммунную систему человека (Sinha A, Maurice CF., 2019). Фаги могут значительно снизить бактериальную нагрузку и облегчить течение заболевания, целенаправленно воздействуя на патогенные бактерии в условиях инфекции и/или нарушения биоценоза.
Какие виды рака можно диагностировать с помощью оценки вирома кишечника?
Прогностические модели, основанные на кишечных бактериофагах, уже продемонстрировали воспроизводимость и высокую точность прогнозирования колоректального рака и колоректальной аденомы (Chen F, et.al., 2022). Кроме того, было показано, что кишечные вирусные биомаркеры значительно отличают пациентов с раком поджелудочной железы от здоровых людей, что предполагает их потенциальную полезность в раннем прогнозировании заболевания (Zhang P, et.al., 2024).
Каким образом Enterococcus hirae повышает чувствительность опухолей к иммунотерапии?
.Особый интерес представляет способность фагов усиливать иммунный ответ. Например, было показано, что профаг Enterococcus hirae может индуцировать Т-клетки, перекрестно реагирующие с опухолевыми антигенами, тем самым повышая чувствительность опухоли к иммунотерапии (Pham F, et.al., 2021). Другие исследования продемонстрировали, что определенные фаги могут активировать ассоциированные с опухолью макрофаги, тем самым способствуя разрушению опухолевых клеток и стимулируя врожденные иммунные реакции (Eriksson F, et.al., 2009).
Каким образом бактериофаги повышают риск рака прямой кишки?
Исследования показывают, что у пациентов с болезнью Крона и язвенным колитом наблюдается снижение бактериального разнообразия в их микробиоте кишечника, а виром при этих заболеваниях отличается от нормы и характеризуется значительным увеличением числа бактериофагов класса. Кроме того, предполагается, что виром играет важную роль в развитии рака прямой кишки. Повышенное альфа-разнообразие кишечных фагов при этом раке предположительно приводит к истощению бактериального компонента микрофлоры кишечника из-за увеличения числа литических инфекций, что, в свою очередь, стимулирует развитие колоректального рака. Связь с данного рака была показана для ряда вирусных семейств: в частности, обогащение семейств Myoviridae , Podoviridae и Siphoviridae и истощение семейства Herelleviridae (таксономические названия вирусных семейств приведены здесь в соответствии с оригинальными цитируемыми работами). Семейство Herelleviridae , по-видимому, способствует целостности барьерной функции кишечника, а его истощение при раке потенциально способствует прогрессирующем течении опухоли. Кроме того, у пациентов с коло-ректальном раке была выявлена повышенная активность путей биосинтеза жирных кислот, что, как было показано ранее, увеличивает риск этого заболевания
Взаимосвязь бактериофагов кишечника с центральной нервной системой
Какие бактериофаги способствуют улучшению памяти?
Помимо модуляции иммунной системы хозяина, фаги также могут влиять на функцию мозга и память. Например, было обнаружено, что бактериофаги из семейств Demerecviridae и Drexlerviridae , класса Caudoviricetes (в оригинальной публикации используется ныне устаревшее название отряда Caudovirales и название семейства Siphoviridae ), связаны с улучшением памяти за счет повышения экспрессии генов, участвующих в пластичности, развитии нейронов и формировании памяти (Mayneris-Perxachs J, et.al., 2022).
Каким образом виром кишечника можно использовать для диагностики депрессии?
В литературе сообщалось о потенциальной роли кишечных фагов в развитии депрессии, предполагая, что дисбаланс фагов может служить как отличительной чертой, так и диагностическим маркером этого расстройства (Wu J, et.al., 2022).
Трансплантация фекального вирома
Можно ли с помощью трансплантации фекального вирома лечить инфекцию , вызванную Clostridium difficile?
Перспективна терапевтическая стратегия — трансплантация фекального вирома, которая включает перенос вирусных частиц, включая бактериофаги, и связанных с ними метаболитов от здорового донора к реципиенту. В отличие от традиционной трансплантации фекальной микробиоты, этот подход фокусируется именно на вирусном компоненте микробиоты кишечника, который продемонстрировал клинические преимущества в лечении рецидивирующих инфекций Clostridium difficile у людей (Ott SJ, et.al., 2017).
Литература
Camarillo-Guerrero LF, Almeida A, Rangel-Pineros G, Finn RD, Lawley TD. Massive expansion of human gut bacteriophage diversity. Cell. 2021;184(4):1098-1109.e9.
Chen F, Li S, Guo R, Song F, Zhang Y, Wang X, et al. Meta-analysis of fecal viromes demonstrates high diagnostic potential of the gut viral signatures for colorectal cancer and adenoma risk assessment. J Adv Res. 2023;49:103–14.
Chevallereau A, Pons BJ, van Houte S, Westra ER. Interactions between bacterial and phage communities in natural environments. Nat Rev Microbiol. 2022;20(1):49–62.
Eriksson F, Tsagozis P, Lundberg K, Parsa R, Mangsbo SM, Persson MA, et al. Tumor-specific bacteriophages induce tumor destruction through activation of tumor-associated macrophages. J Immunol. 2009;182(5):3105–11.
Mayneris-Perxachs J, Castells-Nobau A, Arnoriaga-Rodríguez M, Garre-Olmo J, Puig J, Ramos R, et al. Caudovirales bacteriophages are associated with improved executive function and memory in flies, mice, and humans. Cell Host Microbe. 2022;30(3):340-356.e8.
Nayfach S, Páez-Espino D, Call L, Low SJ, Sberro H, Ivanova NN, et al. Metagenomic compendium of 189,680 DNA viruses from the human gut microbiome. Nat Microbiol. 2021;6(7):960–70.
Nguyen S, Baker K, Padman BS, Patwa R, Dunstan RA, Weston TA, et al. Bacteriophage transcytosis provides a mechanism to cross epithelial cell layers. mBio. 2017;8(6):e01874-17.
Ott SJ, Waetzig GH, Rehman A, Moltzau-Anderson J, Bharti R, Grasis JA, et al. Efficacy of sterile fecal filtrate transfer for treating patients with Clostridium difficile infection. Gastroenterology. 2017;152(4):799-811.e7.
Pham F, Moinard-Butot F, Coutzac C, Chaput N. Cancer and immunotherapy: a role for microbiota composition. Eur J Cancer. 2021;155:145–54.
Shkoporov AN, Clooney AG, Sutton TDS, Ryan FJ, Daly KM, Nolan JA, et al. The human gut virome is highly diverse, stable, and individual specific. Cell Host Microbe. 2019;26(4):527-541
Sinha A, Maurice CF. Bacteriophages: uncharacterized and dynamic regulators of the immune system. Mediators Inflamm. 2019;2019:3730519.
Wu J, Chai T, Zhang H, Huang Y, Perry SW, Li Y, et al. Changes in gut viral and bacterial species correlate with altered 1,2-diacylglyceride levels and structure in the prefrontal cortex in a depression-like non-human primate model. Transl Psychiatry. 2022;12(1):74.
Zhang P, Shi H, Guo R, Li L, Guo X, Yang H, et al. Metagenomic analysis reveals altered gut virome and diagnostic potential in pancreatic cancer. J Med Virol. 2024;96(7):e29809.
Добавить комментарий