Polifenole i postbiotyki kontra C. difficile

Minęło 90 lat od chwili odkrycia patogenu ludzkiego Clostridioides difficile, który jest jednym z najtrudniejszych przeciwników w nierównej walce z zakażeniami szpitalnymi. Obecnie stosowane preparaty do leczenia pacjentów z zakażeniem C. difficile (CDI), jak np. wankomycyna czy metronidazol nie zawsze są skuteczne, zaś leczenie fidaksomycyną jest kosztowne. Różne grupy badawcze przeszukują biblioteki naturalnych preparatów biologicznych, aby wybrać najbardziej skuteczne, a jednocześnie bezpieczne preparaty, które w przyszłości mogą znaleźć zastosowanie w ograniczaniu rozwoju tego patogenu. 

Wpływ wybranych polifenoli i potencjalnych postbiotyków na modulację mikrobioty jelitowej oraz fizjologię Clostridioides difficile

W kierowanym przez ze mnie projekcie PRELUDIUM24, finansowanym przez Narodowe Centrum Nauki, będę chciał sprawdzić, czy wybrane polifenole i tzw. postbiotyki zmieniają fizjologię C. difficile to znaczy, czy mają wpływ na ograniczenie przylegania (adhezji) do komórek jelita grubego, produkcję toksyn, sporulację (wytwarzanie przetrwalników) i wytarzanie biofilmu (błony biologicznej zapewniającej mikroorganizmom zwiększoną oporność na m.in. antybiotyki). 

Równocześnie zamierzam zbadać, czy substancje te sprzyjają odbudowie mikrobioty jelitowej, która odgrywa kluczową rolę w ochronie przed zakażeniem. Szczególną uwagę poświęcę kontekstowi nieswoistych zapalnych chorób jelit (NZChJ), w których zaburzenia mikrobioty i nawracające zakażenia C. difficile stanowią poważny problem kliniczny. 

Mechanizmy wirulencji C. difficile i skala problemu epidemiologicznego

Clostridioides difficile to beztlenowa, Gram-dodatnia i przetrwalnikująca bakteria, która jest przyczyną biegunek poantybiotykowych, zapalenia okrężnicy bez błon rzekomych i rzekomobłoniastego zapalenia okrężnicy oraz – najgroźniejszego – toksycznego rozdęcia okrężnicy. 

Patogenność C. difficile warunkowana jest głównie przez kilka kluczowych mechanizmów, takich jak: zdolność do tworzenia przetrwalników, adhezji do komórek nabłonka jelit, formowania biofilmu oraz produkcji toksycznych białek – toksyn TcdA, TcdB i toksyny binarnej (CDT). Toksyny te prowadzą do zaburzenia funkcji cytoszkieletu komórek nabłonka jelit, indukcji odpowiedzi zapalnej oraz zwiększenia przepuszczalności bariery jelitowej, co w konsekwencji sprzyja nasileniu objawów klinicznych i dalszemu rozwojowi choroby. 

Z epidemiologicznego punktu widzenia zakażenia C. difficile pozostają poważnym wyzwaniem klinicznym. Szczególną uwagę zwraca rosnący odsetek zakażeń szpitalnych, ale również pozaszpitalnych, sięgający w niektórych populacjach nawet około 30%. Co więcej, dynamiczne rozprzestrzenianie się specyficznych, wysoko patogennych szczepów C. difficile – hiperwirulentnych PCR-rybotypów, charakteryzujących się nasiloną zjadliwością. Dodatkowo wysoki odsetek nawrotów zakażenia, wynoszący około 20-25% po pierwszym epizodzie i dochodzący nawet do 60% po kolejnych, jednoznacznie wskazuje na ograniczoną skuteczność standardowych terapii opartych wyłącznie na lekach przeciwdrobnoustrojowych. 

Choć antybiotykoterapia pozostaje podstawą leczenia CDI, jest ona jednocześnie kluczowym czynnikiem ryzyka nawrotów związanym z pogłębianiem dysbiozy jelitowej (zaburzenie równowagi ilościowej i jakościowej mikrobioty jelitowej) i obniżeniem oporności kolonizacyjnej mikrobioty. Do innych istotnych czynników ryzyka należą m.in.: podeszły wiek (>65. roku życia), hospitalizacja oraz współwystępowanie chorób przewlekłych, w tym chorób układu sercowo-naczyniowego i nieswoistych zapalnych chorób jelit (NZChJ).

Mechanizmy obronne przewodu pokarmowego

Oporność na kolonizację przewodu pokarmowego wobec C. difficile wynika z wielu nakładających się mechanizmów. Obejmują one: konkurencję mikroorganizmów o składniki odżywcze, wytwarzanie przeciwbakteryjnych metabolitów (takich jak kwasy organiczne czy bakteriocyny), a także zdolność mikrobioty do przekształcania pierwszorzędowych kwasów żółciowych do drugorzędowych, które hamują kiełkowanie przetrwalników. Istotną rolę odgrywa również wpływ mikrobioty na utrzymanie integralności bariery jelitowej i regulację odpowiedzi immunologicznej. Utrata tych funkcji w następstwie antybiotykoterapii prowadzi do powstania niszy ekologicznej sprzyjającej kolonizacji przez C. difficile.

W odpowiedzi na ograniczenia klasycznego leczenia rozwijane są strategie wspomagające, ukierunkowane na modulację mikrobioty jelitowej bez bezpośredniej eradykacji (całkowitego usunięcia z organizmu) patogenu, które obejmują m.in. przeszczep mikrobioty kałowej (FMT), stosowanie pro-, pre- i postbiotyków oraz naturalnych związków bioaktywnych, takich jak polifenole. Takie strategie wspomagające koncentrują się na osłabianiu potencjału chorobotwórczego patogenu oraz przywracaniu funkcjonalnej równowagi mikrobiomu jelitowego.

Jak na patogeny jelitowe mogą działać polifenole? 

Polifenole, w tym galusan epigallokatechiny, kwercetyna i resweratrol, wykazują plejotropowe (na wiele, pozornie niezwiązanych ze sobą procesów) działanie biologiczne. Oprócz bezpośrednich efektów przeciwdrobnoustrojowych, związki te modulują szlaki sygnalizacyjne organizmu, wpływają na skład i aktywność metaboliczną mikrobioty jelitowej oraz charakteryzują się silnymi właściwościami antyoksydacyjnymi. W ostatnich latach zwraca się uwagę na ich potencjalne zastosowanie jako czynników wspomagających w zakażeniach przewodu pokarmowego, w tym w infekcjach wywoływanych przez C. difficile. W badaniach eksperymentalnych sugeruje się, że niektóre polifenole mogą wpływać na wzrost i przeżywalność mikroorganizmów oraz ekspresję genów związanych z czynnikami wirulencji, jednak mechanizmy te nie zostały dotychczas jednoznacznie scharakteryzowane w odniesieniu do C. difficile. 

Istotnym aspektem działania polifenoli jest ich interakcja z mikrobiotą jelitową. Związki te są metabolizowane głównie przez mikrobiotę jelita grubego, a powstające metabolity mogą sprzyjać wzrostowi korzystnych mikroorganizmów oraz zwiększać produkcję krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych (SCFA). Pośrednio może to prowadzić do wzmocnienia bariery jelitowej i poprawy oporności kolonizacyjnej, co ma kluczowe znaczenie w zapobieganiu rozwojowi i nawrotom CDI.

Nowa generacja probiotyków i ich metabolity – obiecujący kierunek badań 

Bakterie takie jak Faecalibacterium prausnitzii, Akkermansia muciniphila oraz nieenterotoksycznotwórcze szczepy Bacteroides fragilis (NTBF) są obecnie intensywnie badane jako tzw. probiotyki nowej generacji (NGP). Stanowią one istotny element prawidłowej mikrobioty jelitowej, a zmniejszenie ich liczebności obserwuje się w przebiegu dysbiozy towarzyszącej wielu chorobom, w tym NZChJ. Ich aktywność obejmuje produkcję SCFA, zwłaszcza kwasu masłowego, modulację odpowiedzi immunologicznej oraz wsparcie integralności bariery śluzowej. Kwas masłowy pełni istotną funkcję, będąc głównym substratem energetycznym dla enterocytów, wzmacniając połączenia ścisłe komórek jelit i wykazując działanie przeciwzapalne.

Zastosowanie NGP w praktyce klinicznej napotyka jednak istotne ograniczenia. Bakterie te są wrażliwe na tlen, trudne w hodowli i standaryzacji, a ich podanie może wiązać się z potencjalnym ryzykiem u pacjentów z uszkodzoną barierą jelitową lub w stanie immunosupresji. Z tego względu coraz większe zainteresowanie budzą postbiotyki, czyli metabolity (np. SCFA, indole, bakteriocyny) lub składniki strukturalne komórek bakteryjnych (np. białka błon komórkowych), które mogą odtwarzać korzystne efekty biologiczne bez konieczności stosowania żywych mikroorganizmów. Postbiotyki stanowią obiecujący kierunek rozwoju terapii wspomagających w zakażeniach C. difficile, szczególnie jako element profilaktyki nawrotów i modulacji mikrobioty jelitowej u pacjentów z NZChJ.

Szansa dla pacjentów z chorobą Leśniewskiego-Crohna?

Jedną z głównych postaci NZChJ jest choroba Leśniowskiego-Crohna. Pacjenci z tą jednostką chorobową charakteryzują się istotnymi zaburzeniami mikrobioty jelitowej – jej ograniczoną różnorodnością oraz naruszeniem integralności bariery jelitowej. Predysponuje to zarówno do zwiększonej kolonizacji przez C. difficile, cięższego przebiegu CDI oraz wyższego ryzyka nawrotów. Dodatkowo, leczenie immunosupresyjne, niezbędne w farmakoterapii choroby, może nasilać niekorzystne zmiany w mikrobiomie jelitowym. W tym kontekście badanie, czy polifenole i metabolity NGP są w stanie jednocześnie ograniczać wirulencję (zdolność do wnikania, kolonizacji, namnażania się i wywoływania zmian chorobowych w organizmie) C. difficile oraz przywracać korzystne profile metaboliczne mikrobioty pobranej od pacjentów z chorobą Leśniowskiego-Crohna, ma istotne znaczenie translacyjne.

Podsumowanie

Pozycja C. difficile jako problemu klinicznego jest złożona. Zdolność do sporulacji, produkcji toksyn, adhezji do komórek jelita grubego oraz formowania biofilmu sprawia, że strategie ukierunkowane na ograniczanie wirulencji i odbudowę mikrobiomu jelitowego stanowią perspektywiczny kierunek badań.

Polifenole oraz metabolity bakterii beztlenowych wykazują uzasadnione mechanistycznie działanie antywirulencyjne i modulujące mikrobiotę, jednak ich rzeczywista skuteczność kliniczna wymaga potwierdzenia w dobrze zaprojektowanych badaniach. Zintegrowana ocena wpływu tych związków, zarówno na czynniki wirulencji C. difficile, jak i na skład oraz metabolomikę mikrobioty pacjentów z chorobą Leśniowskiego-Crohna, może dostarczyć danych niezbędnych do opracowania bezpiecznych, ukierunkowanych strategii terapeutycznych ograniczających ryzyko rozwoju CDI i nawrotów zakażenia.