WPŁYW PROBIOTYKÓW NA UKŁAD IMMUNOLOGICZNY

WPŁYW PROBIOTYKÓW NA UKŁAD IMMUNOLOGICZNY

THE INFLUENCE OF PROBIOTICS ON THE IMMUNE SYSTEM

Streszczenie

Probiotyki mają coraz większe zastosowanie w zapobieganiu i leczeniu chorób, w których dochodzi do nieprawidłowej aktywacji układu immunologicznego. Bakterie probiotyczne, podobnie jak bakterie komensalne zasiedlające przewód pokarmowy, wpływają na układ immunologiczny przez aktywację tkanki limfatycznej, związanej z błonami śluzowymi, tzw. układ GALT. Probiotyki stymulują produkcję przeciwciał, uszczelniają barierę jelitową i aktywują produkcję cytokin regulujących odpowiedź zarówno prozapalną, jak i proalergiczną. W artykule przedstawiono mechanizmy działania bakterii probiotycznych i komensalnych.

Summary

Probiotics are used in prevention and treatment of diseases in which disturbances in the activation of immune system occur. Alike non-pathogenic bacteria colonizing the gut, probiotics affect the immune system by activation of the gut associated lymphoid tissue (GALT). They stimulate production of antibodies, enhance the intestinal barrier and activate production of cytokines regulating both pro-allergic and pro-inflammatory responses. In this paper mechanisms by which probiotic and commensal bacteria affect the immune system are presented.

Słowa kluczowe/Key words

probiotyki > układ immunologiczny > GALT > TLR > limfocyty T regulujące

probiotics > the immune system > GALT > TLR > regulatory T lymphocytes

Terminem probiotyki są określane żywe drobnoustroje, które podane w odpowiedniej ilości wywierają korzystny wpływ na zdrowie gospodarza [1]. Bakterie probiotyczne są coraz częściej stosowane w profilaktyce i leczeniu wielu schorzeń, takich jak choroby alergiczne, nieswoiste zapalenia jelit (choroba Leśniowskiego-Crohna, wrzodziejące zapalenie jelita grubego), tj. chorób, w których dochodzi do nieprawidłowej aktywacji układu immunologicznego. Zgodnie z teorią higieniczną nieprawidłowe działanie układu immunologicznego, związane jest z zaburzonym rozwojem komensalnej mikroflory jelitowej zasiedlającej przewód pokarmowy [2]. Niepatogenne bakterie jelitowe mają podstawowe znaczenie w dojrzewaniu i rozwoju układu immunologicznego związanego z błonami śluzowymi, tzw. układu MALT (ang. mucosa associated lymphoid tissue) [3]. Probiotyki wpływają na układ immunologiczny bezpośrednio, jak również pośrednio przez oddziaływanie na skład ekosystemu jelitowego. Działanie probiotyków, podobnie jak bakterii komensalnych, związane jest z indukcją reakcji immunologicznych przez receptory rozpoznające charakterystyczne struktury drobnoustrojów [4]. Wśród receptorów dla cząsteczek CAMP (commensal associated molecular patterns), znanych jako receptory rozpoznające wzorce PPR (ang. pattern recognition receptors), największe znaczenie mają receptory toll-like TLR. Są one zlokalizowane na powierzchni komórek, mających bezpośredni kontakt z bakteriami jelitowymi, tj. na komórkach nabłonkowych przewodu pokarmowego oraz komórkach dendrytycznych [5].

Wpływ bakterii jelitowych na rozwój i dojrzewanie układu immunologicznego

Układ immunologiczny zdrowego noworodka pomimo wykształcenia organów limfatycznych jest niedojrzały i „dziewiczy”, a limfocyty określane są jako komórki „naiwne”, tzn. pozbawione wcześniejszego kontaktu z antygenami zewnętrznymi. Niepatogenne bakterie jelitowe zasiedlające przewód pokarmowy są jednym z pierwszych antygenów aktywujących rozwój i fizjologiczne dojrzewanie układu immunologicznego [3]. Przewód pokarmowy noworodka już w kilka godzin po porodzie zasiedlany jest bakteriami pochodzenia matczynego, wśród których w pierwszej fazie dominują bakterie względnie beztlenowe typu Escherichia coli, mające możliwość rozwoju w jelicie noworodka, a w następnej kolejności bakterie Lactobacillus [6]. U dzieci karmionych piersią zaczynają dominować bakterie Bifidobacterium. Dopiero około drugiego roku życia mikroflora jelitowa tworzy skomplikowany ekosystem jelitowy, ukształtowany podobnie jak u osoby dorosłej, z przewagą bakterii bezwzględnie beztlenowych Bacteroides.

Probiotyki to najczęściej bakterie (z wyjątkiem drożdżaków z rodzaju Saccharomyces) wyizolowane z mikroflory jelitowej. Do probiotyków zaliczane są bakterie Lactobacillus, Bifidobacterium [1], tj. bakterie jelitowe najwcześniej zasiedlające przewód pokarmowy i odgrywające główną rolę w rozwoju układu immunologicznego.

Bakterie jelitowe działają za pośrednictwem układu limfatycznego, który jest związany z przewodem pokarmowym, tzw. układ GALT (ang. gut associated lymphoid tissue), który stanowi integralną część układu limfatycznego, związanego z błonami śluzowymi, zwanego układem MALT [3]. System GALT składa się z zorganizowanych kompleksów komórkowych (kępki Peyera i samotne grudki chłonne) oraz rozproszonych komórek zlokalizowanych w blaszce właściwej jelita (limfocyty T i B, makrofagi, komórki dendrytyczne) i w okolicach nabłonka (limfocyty śródnabłonkowe).

Kępki Peyera (KP) i samotne grudki chłonne są miejscem indukcji odpowiedzi immunologicznej na antygeny zewnętrzne. W nabłonku jelitowym pokrywającym KP znajdują się wyspecjalizowane komórki, tzw. komórki M, które wychwytują antygeny zewnętrzne (w tym bakteryjne) i przekazują komórkom prezentującym je antygen limfocytom T i B. Probiotyki mogą być również bezpośrednio wychwytywane przez komórki dendrytyczne obecne w blaszce właściwej jelita [7]. Wypustki komórek dendrytycznych mają zdolność przechodzenia przez połączenia międzykomórkowe nabłonka jelitowego, reakcji z bakteriami jelitowymi i ich fagocytozy. W eksperymentalnych modelach mysich pokazano, że wypełnione bakteriami komensalnymi komórki dendrytyczne migrują do krezkowych węzłów chłonnych, gdzie stanowią rodzaj rezerwuaru antygenowego aktywującego układ immunologiczny [8]. W odróżnieniu od patogenów bakterie komensalne nie mają zdolności do przenikania do innych organów wewnętrznych i krwi.

W konsekwencji stymulacji antygenowej limfocytów dochodzi do namnażania się naiwnych limfocytów T i B. Aktywowane w przewodzie pokarmowym komórki migrują naczyniami chłonnymi do węzłów chłonnych krezki i przez przewód piersiowy dostają się do obiegu krwi (ryc. 1). Z krwią są one transportowane z powrotem do struktur limfatycznych związanych nie tylko z przewodem pokarmowym, ale również z błonami śluzowymi innych układów (układu oddechowego, moczowo-płciowego, gruczołów endokrynnych), gdzie osiedlają się jako komórki efektorowe. Skutkiem działania bakterii jelitowych jest stymulacja plazmocytów, tj. limfocytów B produkujących przeciwciała, regulujących i pomocniczych CD4 pozytywnych limfocytów T oraz śródnabłonkowych limfocytów T CD8 pozytywnych (ryc. 1).

Wpływ bakterii komensalnych i probiotyków na rozwój układu GALT został udokumentowany na eksperymentalnych modelach zwierząt GF (ang. germ-free), tj. zwierząt całkowicie pozbawionych mikroflory jelitowej i chowanych w sterylnych warunkach [9]. Zwierzęta GF posiadają zaledwie pojedyncze limfocyty B, a ich układ GALT jest nierozwinięty. Zasiedlanie tych zwierząt komensalnymi bakteriami stymuluje układ immunologiczny, powodując powstawanie aktywnych KP, namnażanie się limfocytów w blaszce właściwej oraz zwiększoną produkcję przeciwciał sekrecyjnych jak i krążących, głównie klasy IgA i IgM. Niepatogenne bakterie jelitowe stymulują przede wszystkim powstawanie tzw. naturalnych przeciwciał, będących podstawowym składnikiem nieswoistych mechanizmów odpornościowych [10]. Przeciwciała, reagując z licznymi antygenami zewnętrznymi (bakteryjnymi i pokarmowymi), tworzą pierwszą linię obrony. Wychwytują one również potencjalne alergeny i nie dopuszczają do ich przenikania przez barierę jelitową. Badania Macphersona i wsp. potwierdziły, że aktywacja plazmocytów przez bakterie jelitowe jest niezależna od limfocytów T [8].

Nasze badania przeprowadzone we współpracy z Instytutem Matki i Dziecka w Pradze (Czechy), dotyczące zasiedlania noworodków niedonoszonych probiotycznymi szczepami E. coli (O86 i Nissle 1917) pokazały, że probiotyki stymulują długotrwałą produkcję przeciwciał sekrecyjnych i krążących [11]. Viljanen i wsp. obserwowali wzrost produkcji sekrecyjnych przeciwcial IgA po aplikacji probiotycznych bakterii Lactobacillus GG dzieciom z alergią na białka mleka krowiego [12].

Probiotyki mogą również bezpośrednio wpływać na szczelność bariery jelitowej. Ostatnie badania na nabłonkowych liniach komórkowych, pochodzących z jelita potwierdziły, że probiotyczne bakterie Lactobacillus acidophilus przywracają szczelność połączeń międzykomórkowych, uszkodzonych działaniem prozapalnych cytokin, tj. TNF-alfa i interferon-gamma (IFN-gamma) [13]. Rosenfeldt i wsp. pokazali, stosując test z laktulozą i manitolem, że probiotyczne szczepy Lactobacillus rhamnosus 19070-2 i Lactobacillus reuteri DSM 12246 podawane dzieciom z atopowym zapaleniem skóry zmniejszały przepuszczalność bariery jelitowej [14].

Rola receptorów TLR w aktywacji układu immunologicznego

W procesie aktywacji układu immunologicznego podstawową rolę odgrywają receptory z rodziny „toll-like receptors” (TLR), obecne na enterocytach i licznych komórkach układu immunologicznego (w tym komórkach dendrytycznych) [15]. Dotychczas zidentyfikowano 13 receptorów TLR (numerowanych kolejno od TLR-1 do TLR-13), przy czym u człowieka opisano ich 10, a TLR-11, 12 i 13 zostały scharakteryzowane tylko u myszy. Receptory te rozpoznają zarówno elementy molekularne związane z komensalami – CAMP, jak i elementy molekularne związane z patogenami – PAMP (ang. pathogen associated molecular patterns).

W tabeli 1 przedstawiono znane cząsteczki PAMP/CAMP oraz wiążące je receptory TLR. Cząsteczki PAMP i CAMP mają podobną strukturę, ale efekt ich oddziaływania z TLR jest zdecydowanie różny. Mechanizm odróżniania bakterii patogennych i bakterii komensalnych nie jest jeszcze w pełni poznany. Bakterie probiotyczne i komensalne nie aktywują odpowiedzi prozapalnej skierowanej przeciwko sobie, lecz indukują nieswoiste mechanizmy odpornościowe chroniące przed antygenami zewnętrznymi oraz wpływają na procesy odpowiedzialne za homeostazę immunologiczną [3, 5]. Bakterie patogenne, reagując z TLR, pobudzają szlaki sygnalizacyjne aktywujące odpowiedź prozapalną przez jądrowy czynnik transkrypcyjny NF-kappa B. Bakterie komensalne oprócz wywoływania reakcji prozapalnej jednocześnie stymulują mechanizmy ograniczające procesy zapalne w jelicie, m.in. przez hamowanie degradacji inhibitora czynnika NF-kappa B, aktywację białka reagującego z TLR – Tollip (ang. toll-interacting protein) [5]. Mechanizm regulujący odpowiedź zapalną na komensalne bakterie zasiedlające przewód pokarmowy został szczegółowo opisany dla bakterii Bacteroides thetaiotaomicron, obecnej w jelitach większości osobników dorosłych. Bakteria ta aktywuje jądrowy receptor PPAR-gamma (peroxisome proliferator-activated receptor), który reagując z podjednostką ReIA czynnika NF-kappa B, kontroluje pobudzenie prozapalnych szlaków sygnalizacyjnych [16]. Jednocześnie bakterie jelitowe aktywują limfocyty T do syntezy cytokin (czynnika TGF-beta1 i interleukiny (IL)-10), które regulują zarówno limfocyty T, odpowiedzialne za produkcję cytokin indukujących procesy alergiczne (limfocyty Th2), jak i limfocyty produkujące cytokiny, aktywujące reakcje zapalne (limfocyty Th1). Limfocyty regulujące (Treg) hamują odpowiedź zarówno prozapalną Th1, jak i proalergiczną Th2 i kontrolują równowagę Th1/Th2 w organizmie.

Ostatnie badania potwierdzają, że probiotyki, podobnie jak bakterie komensalne, wpływają na regulację równowagi cytokinowej poprzez TLR [4]. W eksperymentalnych modelach nieswoistych zapaleń jelit u myszy pokazano, że korzystny wpływ probiotyków (E. coli Nissle 1917) na przebieg kliniczny jest związany z aktywacją TLR-2 i -4 [17]. Podobny efekt ma również TLR-9, pobudzany przez niemetylowane sekwencje CpG, pochodzące z DNA probiotyków [18].

Działanie niektórych szczepów bakterii probiotycznych został poznany dzięki badaniom in vitro komórek dendrytycznych i nabłonkowych linii komórkowych. Wykazano, że probiotyczne bakterie Lactobacillus aktywują komórki dendrytyczne poprzez lektynowy receptor DN-SIGN (ang. dendritic cell-specific intercellular adhesion molekule 3-grabbing non-integrin), należący, podobnie jak TLR, do receptorów rozpoznających elementy molekularne (PPR) [19]. Szczepy probiotyczne, reagując z DN-SIGN, pobudzają regulacyjne limfocyty T do produkcji interleukiny IL-10.

Wpływ probiotyków na profil cytokinowy pokazano także w badaniach klinicznych. U pacjentów z IgE-zależnym AZS, leczonych probiotycznym szczepem Lactobacillus rhamnosus GG, obserwowano jednocześnie wzrost produkcji IFN-gamma, hamowanie sekrecji proalergicznych cytokin Th2 oraz aktywację limfocytów Treg i zwiększoną sekrecję IL-10 [20, 21, 22]. Nasze badania pokazały, że probiotyczne bakterie Lactobacillus casei i paracasei aktywują u małych dzieci z AZS głównie produkcję prozapalnych cytokin (IL-12, TNF-alfa, IFN-gamma, IL-18) oraz czynnika regulującego TGF-beta1, hamują natomiast sekrecję proalergicznej IL-5 [23].

U pacjentów z chorobą Leśniowskiego-Crohna dodanie probiotycznych szczepów Lactobacillus casei i Lactobacillus bulgaricus do hodowli bioptatów jelita cienkiego hamowało nadmierną produkcję prozapalnego TNF-alfa [24].

Zastosowanie probiotyków w chorobach o podłożu immunologicznym

Higieniczna teoria rozwoju chorób o podłożu immunologicznym zakłada, że wzrost częstości występowania alergii, chorób autoimmunologicznych oraz przewlekłych chorób zapalnych, obserwowany w ostatnich dekadach, związany jest z zaburzeniami w składzie mikroflory jelitowej. Zmieniona mikroflora jelitowa indukuje nieprawidłową reakcję immunologiczną na antygeny zewnętrzne (alergeny pokarmowe i wziewne, patogeny), a nawet własną mikroflorę jelitową (w przypadku wrzodziejącego zapalenia jelita grubego, choroby Leśniowskiego-Crohna) [2]. Brak bakterii jelitowych, regulujących odpowiedź immunologiczną przez aktywację limfocytów Treg, może powodować, w zależności od predyspozycji genetycznych, wzmożoną aktywację limfocytów TH1 lub TH2, co doprowadza do rozwoju przewlekłych chorób zapalnych i autoimmunologicznych oraz chorób alergicznych. Probiotyki wpływają na utrzymanie równowagi cytokinowej TH1/TH2, dlatego mogą korzystnie wpływać na przebieg schorzeń zarówno alergicznych, jak i zapalnych (ryc. 2).

Należy podkreślić, że efekt kliniczny probiotyków jest szczepozależny i korzystnych działań określonego szczepu nie można przenosić na inny szczep tego samego gatunku. Doniesienia kliniczne wskazują na możliwość zastosowania określonych szczepów probiotycznych w zapobieganiu (Lactobacillus rhamnosus GG, E. coli O83) i leczeniu (Lactobacillus rhamnosus GG, Lactobacillus rhamnosus 19070-2, Lactobacillus reuteri DSM 122460, Lactobacillus fermentum VRI-003 PCC, Bifidobacterium lactis Bb-12) alergii o podłożu atopowym, głównie AZS [25]. W przypadkach nieswoistych zapaleń jelit stosowano głównie probiotyczny szczep E. coli Nissle 1917 (wrzodziejące zapalenie jelita grubego), drożdżaki Saccharomyces boulardii (choroba Leśniowskiego-Crohna) oraz mieszaninę probiotyków (preparat VSL#3), zawierającą 4 szczepy bakterii Lactobacillus, 3 szczepy Bifidobacterium, 1 szczep Streptococcus salivarius (pouchitis) [26]. Najbardziej obiecujące wyniki otrzymano w przypadku stosowania mieszaniny probiotyków VSL#3, która u pacjentów z pouchitis wydłużała okres remisji.

Podsumowanie

Probiotyki podobnie jak bakterie komensalne wpływają na układ immunologiczny przez aktywację limfocytów systemu GALT. Stymulują one nieswoiste mechanizmy obronne, takie jak produkcja naturalnych przeciwciał, dojrzewanie bariery jelitowej, oraz odpowiadają za utrzymanie równowagi cytokinowej Th1/Th2 przez aktywację regulujących limfocytów T. Poznanie mechanizmów działania probiotyków umożliwi zrozumienie obserwowanych korzystnych efektów klinicznych w schorzeniach o podłożu zarówno alergicznym, jak i zapalnym.

Opisane badania własne wykonano w ra­mach projektu KBN 2 P05E 06726 (0777/PB05/2004).

Piśmiennictwo:

1. Joint FAO/WHO Working Group Report on Drafting Guidelines for the Evaluation of probiotics in food, London, Ontario, Canada, April 30–May 1, 2002, 1–11.

2. Wold A. E.: The hygiene hypothesis revised: is the rising frequency of allergy due to changes in intestinal flora? Allergy 1998, 53, 20–5.

3. Tlaskalova-Hogenova H., Stepankova R., Hudcovic T. et al.: Commensal bacteria (normal microflora), mucosal immunity and chronic inflammatory and autoimmune diseases, Immunol Lett 2004, 93, 97–108.

4. Marco M.L., Pavan S., Kleerebezem M.: Towards understanding molecular modes of probiotic action., Curr Opin Biotechnol 2006, 17, 204–10.

5. Rakoff-Nahoum S., Paglino J., Eslami-Varzaneh F. et al.: Recognition of commensal microflora by toll-like receptors is required for intestinal homeostasis, Cell 2004, 118, 229–41.

6. Haevy P.M., Rowland I.R.: The gut microflora of the developing infant: microbiology and metabolism, Microb Ecol Health Dis 1999, 11, 75–83.

7. Drakes M., Blanchard T., van der Kleij D. et al.: Bacterial probiotic modulation of dendritic cells, Infect Immun 2004, 72, 3299–309.

8. Macpherson A. J., Uhr J.: Induction of protective IgA by intestinal dendritic cells carrying commensal bacteria, Science 2004, 303, 1662–5.

9. Tlaskalova-Hogenova H., Sterzl J., Stepankova R. et al.: Development of immunological capacity under germfree and conventional conditions, Ann NY Acad Sci 1983, 409, 96–113.

10. Cukrowska B., Kozakova H., Rehakova Z., Sinkora J., Tlaskalova-Hogenova H.: Specific antibody and immunoglobulin responses after intestinal colonization of germ-free piglets with non-pathogenic Escherichia coli O86, Immunobiology 2001, 204, 425–33.

11. Cukrowska B., Lodinova-Zadnikova R., Enders C., Sonnenborg U., Schulze J., Tlaskalova-Hogenova H.: Specific proliferative and antibody responses of premature infants to intestinal colonization with non-pathogenic probiotic E. coli strain Nissle 1917, Scand J Immunol 2002, 55, 204–9.

12. Viljanen M., Haahtela T., Juntunen-Korpela R., Savilahti E.: Probiotic effects on faecal inflammatory markers and on faecal IgA in food allergic atopic eczema/dermatitis syndrome infants, Pediatr Allergy Immunol 2005, 16, 65–71.

13. Resta-Lenert S., Barrett K. E.: Probiotics and commensals reverse TNF-alpha- and IFN-gamma-induced dysfunction in human intestinal epithelial cells, Gastroenterology 2006, 130, 731–46.

14. Rosenfeldt V., Benfeldt E., Valerius N.H., Paerregaard A., Michaelsen K.F.: Effect of probiotics on gastrointestinal symptoms and small intestinal permeability in children with atopic dermatitis, J Pediatr 2004, 145, 612–6.

15. Akira S., Takeda K.: Toll-like receptor signaling, Nat Rev Immunol 2004, 4, 499–511.

16. Kelly D., Campbell J.I., King T.P.: Commensal anaerobic gut bacteria attenuate inflammation by regulating nuclear-cytoplasmic shuttling of PPAR-gamma and ReIA, Nat Immunol 2004, 5, 104–112.

17. Grabig A., Paclik D., Cuzy C. et al.: Escherichia coli strain Nissle 1917 ameliorates experimental colitis via toll-like receptor 2- and toll-like receptor 4-dependent pathways, Infect Immun 2006, 74, 4075–82.

18. Rachmilewitz D., Katakura K., Karmeli F. et al.: Toll-like receptor 9 signaling mediates the anti-inflammatory effects of probiotics in murine experimental colitis, Gastroenerology 2004, 126, 520–28.

19. Smits H.H., Engering A., van der Kleij D.: Selec­tive probiotic bacteria induce IL-10-producing regulatory T cells in vitro by modulating dendritic cell function through dendritic cell-specific intercellular adhesion molecule 3-grabbing nonintegrin, J Allergy Clin Immunol 2005, 115, 1260–7.

20. Pohjavuori E., Viljanen M., Korpela R.: Lactobacillus GG effect in increasing IFN-gamma production in infants with cow’s milk allergy, J Allergy Clin Immunol 2004, 114, 131–6.

21. Pochard P., Gosset P., Grangette C. et al.: Lactic acid bacteria inhibit TH2 cytokine production by mononuclear cells from allergic patients, J Allergy Clin Immunol 2002, 32, 563–70.

22. Pessi T., Sutas Y., Hurme M., Isolauri E.: Interleukin-10 generation in atopic children following oral Lactobacillus rhamnosus GG, Clin Exp Allergy 2000, 30, 1804–8.

23. Rosiak I., Witosław U., Ceregra A. et al.: The impact of probiotic Lactobacillus casei and paracasei strains on cytokine profile in children with atopic dermatitis, Ann Diag Paediatr Pathol 2006, 10, 37–42.

24. Borruel N., Carol M., Casellas F. et al.: Increased mucosal tumor necrosis factor ? production in Crohn’s disease can be downregulated ex vivo by probiotic bacteria, Gut 2002, 51, 659–64.

25. Cukrowska B., Ceregra A., Rosiak I.: Probiotyki w profilaktyce i leczeniu atopowego zapalenia skóry, Zakażenia 2006, 2, 58–61.

26. Travis S.: Advances in therapeutic approaches to ulcerative colitis and Crohn’s disease, Curr Gastroenterol Rep 2005, 7, 475–84.

Bożena Cukrowska

Elżbieta Czarnowska

Cały artykuł możesz odnaleźć w czasopiśmie. Zapraszamy do prenumeraty.