Успехи современной биологии, 2021, T. 141, № 1, стр. 3-13

ВВЕДЕНИЕ

Катехоламины (дофамин, норадреналин, адреналин) являются производными аминокислоты тирозина, гидроксилирование которой дает дигидроксифенилаланин (ДОФА). ДОФА – непосредственный предшественник катехоламинов. В организме позвоночных катехоламины в основном вырабатываются клетками мозгового слоя надпочечников и аксонами симпатической нервной системы, отвечающей за ответ организма на стресс; они образуются также в мозгу. Значительные концентрации катехоламинов характерны для ЖКТ; например, около 50% дофамина, содержащегося в организме человека, находится в кишечнике (Liang et al., 2018). Нейромедиаторная функция установлена для дофамина и норадреналина и сомнительна в случае адреналина (Болдырев и др., 2010).

Катехоламины распространены и выполняют важные функции у беспозвоночных, в частности у насекомых (Грицай, 2017), у растений (Roshchina, 2010; Kulma, Szopa, 2007), у различных одноклеточных организмов (Roshchina, 2010). Интересно, что, например, у растений, катехоламины выделяются, как и у высших животных, в ответ на стресс: стрессированные томаты (при холодовом стрессе) значимо увеличивают продукцию катехоламинов (Lyte, 2014). В последние годы накопилось значительное количество данных, что катехоламины также способны существенно влиять на физиологию и жизнеспособность различных прокариотических организмов и модулировать иммунные реакции в организме человека.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ КАТЕХОЛАМИНОВ С МИКРООРГАНИЗМАМИ

В литературе накоплен значительный массив данных (Freestone et al., 2007) о стимулирующем эффекте катехоламинов на рост различных микро-организмов. Повышение уровня норадреналина в организме мыши путем разрушения содержащих норадреналин окончаний симпатических нервов с помощью нейротоксина 6-гидроксидофамина примерно в 10 тыс. раз увеличивало количество клеток E. coli в слепой кишке мыши. Предварительная обработка in vitro клеток Salmonella enterica var. typhimurium норадреналином повышала скорость размножения этого патогена в различных тканях экспериментально инфицированных свиней (Verbrugghe et al., 2012).

Такие факты объясняют, почему холодовой стресс у мышей, сопровождающийся выбросом катехоламинов в кровяное русло, так же, как и введение им норадреналина (Williams et al., 2006), увеличивает частоту возникновения у них сальмонеллезной инфекции. Описаны случаи гангрены и молниеносного сепсиса со смертельным исходом у больных крапивницей, которым назначали адреналин, причем применяли недостаточно простерилизованные многоразовые шприцы, где могли накапливаться споры Clostridium perfringens (Lyte, 2011, 2014).

Интересно, что норадреналин и адреналин повышают чувствительность также и растений к бактериальным и грибным инфекциям (Lyte, 2014).

Стимуляция катехоламинами роста бактерий в тканях организма-хозяина может быть обусловлена как прямым, так и опосредованным действием этих соединений на микроорганизмы. Норадреналин и другие катехоламины способны подавлять синтез и экскрецию иммуноглобулина А, а также миграцию фагоцитов к очагу инфекции, что снижает антимикробную эффективность локальной иммунной системы (Lyte, 2014). Катехоламины, стимулируя выделение желчи и ускоряя транспорт ионов через эпителий слизистой кишечника, создают такие физико-химические условия в пищеварительном тракте, которые стимулируют рост отдельных представителей кишечной микробиоты, например бактерий рода Bacteroides (Verbrugghe et al., 2012).

Прямое стимулирующее действие катехоламинов на рост микроорганизмов продемонстрировано на примере различных патогенных, оппортунистических и сапротрофных бактерий: Yersinia enterocolitica, энтеротоксических, энтерогеморрагических штаммах E. coli, Shigella spp., Salmonella spp., Pseudomonas aeruginosa (Freestone et al., 2007), Bordetella pertussis, B. bronchiseptica (Freestone, Lyte, 2008), Aeromonas hydrophila (Kinney et al., 1999), Helicobacter pylori, Haemophilus influenza, Klebsiella pneumonia (Шпаков, 2009), Listeria monocytogenes (Verbrugghe et al., 2012), Campylobacter jejuni, Borrelia burgdorfii, Mycoplasma hyopneumoniae, Staphylococcus epidermidis, симбиотических штаммах E. coli (Анучин и др., 2008; Freestone et al., 2007), а также дрожжах Saccharomyces cerevisiae (Маликина и др., 2010; Oleskin et al., 2010). У C. jejuni, которая растет в микроаэрофильных условиях (при наличии в газовой смеси кислорода в более низких, чем в атмосферном воздухе, концентрациях), нор-адреналин, помимо ускорения роста, вызывает способность расти при полном отсутствии кислорода (Lyte, 2014).

Все катехоламины обусловливали стимуляцию роста (судя по нарастанию оптической плотности культуры и числу колониеобразующих единиц) пробиотика Lactobacillus acidophila NK-1 и его биохимической активности (снижения рН среды в результате образования органических кислот). Дофамин также стимулировал рост и антибактериальную активность всех тестированных штаммов (K-205, К-729, К-194, F-116) пробиотика Lactococcus lactis subsp. lactis, в то время как другие испытанные амины (адреналин и серотонин) оказывали стимуляторное действие только на один из этих штаммов – К-194 (Vodolazov et al., 2018).

Дофамин в низких концентрациях стимулировал, а в высоких – ингибировал свечение (биолюминесценцию) штамма E. coli TGI c встроенным люциферазным lux-геном из Photorhabdus luminescencens ZMI. Норадреналин ингибировал свечение при всех испытанных концентрациях. Эта биолюминесценция рассматривается как интегральная характеристика физиологического состояния клеток E. coli (Oleskin et al., 2017b).

Катехоламины в высоких концентрациях способны оказывать цитотоксическое действие, что связывают с возможностью индукции ими оксидативного стресса. Так, миллимолярные концентрации дофамина (а также 6-гидроксидофамина) не только подавляли рост дрожжей (S. cerevisiae, Pichia pastoris, Candida albicans и др.), но и убивали их. Добавление в среду культивирования антиоксидантов (аксорбата и глютатиона) ослабляло ингибирующее и токсическое действие дофамина (Macreadie et al., 2010).

Катехоламины усиливают адгезию микроорганизмов ЖКТ к слизистой кишечника, образование необходимых для адгезии пилей типа I у симбиотических штаммов E. coli, адгезию Staphylococcus epidermidis к клеткам кожи, а также формирование этими микроорганизмами биопленок (Lyte, 2010, 2011). У энтеротоксического штамма E. сoli катехоламины, кроме пролиферации клеток, стимулировали также образование токсинов и адгезинов (Freestone et al., 2007). Повышение вирулентности и способность колонизировать ЖКТ отмечена в этих условиях и для других патогенных бактерий (Шпаков, 2009; Clarke et al., 2006).

У Salmonella typhimurium под влиянием норадреналина возрастает экспрессия факторов вирулентности, особенно системы секреции типа III (молекулярной иглы, служащей для инъекции бактериальных белков в цитоплазму клеток хозяина), усиливается жгутиковая подвижность (Lyte, 2011). Адгезия клеток энтерогеморрагической кишечной палочки (штамм O157:H7), в частности к слизистой стенки слепой кишки, в присутствии норадреналина усиливается (Lyte, 2011) из-за его способности индуцировать экспрессию пилей F5, ответственных за прикрепление бактериальных клеток к эпителию тонкого кишечника (Verbrugghe et al., 2012). Норадреналин усиливает также интернализацию патогенного штамма кишечной палочки в Пейеровы бляшки (лимфоидную ткань кишечника) (Lyte, 2011).

На мышиной модели было продемонстрировано, что частичное хирургическое удаление печени, повышая концентрацию норадреналина в просвете кишечника, стимулировало адгезию Pseudomonas aeruginosa к его слизистой оболочке (Freestone et al., 2007).

Эффекты катехоламинов варьировали в зависимости от концентрации и таксономической принадлежности тестируемых микроорганизмов. Норадреналин, адреналин и дофамин стимулировали рост Vibrio parahaemolyticus, V. mimicus, но не V. vulnificus и V. cholerae (Nakano et al., 2007). Нор-адреналин ингибировал рост Mycoplasma hyopheunomiae, подавляя экспрессию необходимых для пролиферации генов (Oneal et al., 2008). Дофамин существенно стимулировал пролиферацию дрожжей Saccharomyces cerevisiae, норадреналин, напротив, был малоэффективен (Маликина и др., 2010). Дофамин и норадреналин, добавленные в плотную питательную среду, различались по своему эффекту на образование микроколоний E. coli К-12: норадреналин стимулировал этот процесс, а дофамин ингибировал его (Анучин и др., 2008). Норадреналин и адреналин сдвигают в кишечнике человека баланс между Clostridium и Bacteroides в пользу Clostridium (Bailey et al., 2011).

Дофамин и адреналин стимулировали прорастание спор у актинобактерии Saccharopolyspora erythraea (штаммы RIA 1387 и RIA 120) и стабилизировали состав ее популяции, повышая долю колониеобразующих единиц доминирующего фенотипа (наиболее эффективного продуцента анти-биотика эритромицина). В то же время только дофамин, но не адреналин, повышал выживаемость и способствовал переходу в активное (вегетативное) состояние спор S. erythraea после хранения в течение трех месяцев или кратковременного (10-минутного) замораживания, то есть и в этой системе налицо различие эффектов разных катехоламинов на микроорганизмы (Filippova et al., 2010).

Норадреналин и дофамин меняют профиль экспрессии генов у ряда прокариот: Mycoplasma hyopneumoniae, Salmonella enterica serovar Typhi-murium, Vibrio parahaemolyticus (Lyte, 2014).

Эффекты катехоламинов на микроорганизмы допускают два объяснения, обсуждаемых в литературе.

Первое: эти соединения способны хелатировать трехвалентное железо, отнимая его у лактоферрина и трансферрина в кровяной сыворотке и других биологических жидкостях. Связанное катехоламинами железо становится доступным для микроорганизмов, которые используют для его переноса в клетку специальные переносчики – сидерофоры (энтеробактин). В результате стимулируется рост железозависимых штаммов E. coli, Salmonella enterica var. enteritidis, Campylobacter jejuni, Bordetella bronchiseptica, Pseudomonas aeruginosa, Listeria monocytogenes и коагулазо-отрицательных стафилококков (Verbrugghe et al., 2012). Подобный механизм эффекта катехоламинов позволяет объяснить, почему инкубация энтеробактерий в бедной питательными веществами, лимитированной по железу среде, которая до определенной степени воспроизводит условия в организме хозяина, при добавлении норадреналина приводит к увеличению числа бактерий на несколько порядков по сравнению с контрольной системой без катехоламинов (Lyte, 2011). Чем меньше взятое для посева количество бактериальных клеток, тем более значительны эффекты катехоламинов. Именно наличием катехоламинов в организме хозяина можно объяснить, почему очень малое число клеток патогенных бактерий, например, энтерогеморрагического штамма E. coli O157:H7, оказывается достаточным для пищевых инфекций (Lyte, 2011).

Второе объяснение интерпретирует эффекты катехоламинов на бактериальные объекты с позиций quorum sensing-коммуникации (Clarke et al., 2006; Bansal et al., 2007). Предполагается, что они функционируют как аналоги аутоиндуктора AI-3 и, подобно ему, связываются рецепторными гистидинкиназами QseC и QseE, которые поэтому можно рассматривать как функциональные аналоги рецепторов эукариотических клеток, хотя по своей структуре они отличаются от рецепторов эукариот, G-белков (Clarke et al., 2006; Hughes et al., 2009). Гены, родственные гену гистидинкиназы QseC, обнаружены, кроме представителей родов Salmonella и Shigella и вида Haemophilus influenzae, также у большого числа бактерий, не связанных с организмом человека, например, у Erwinia carotovora, Thiobacillus denitrificans, Psychrobacter sp., а также у гриба Aspergillus nidulans (Шпаков, 2009). Это указывает на возможное участие подобных рецепторов в контроле развития микробных сообществ.

Бактериальные рецепторы QseC функционально напоминают α-адренергические рецепторы эукариот, так как их взаимодействие с катехоламинами норадреналином и адреналином, а также с AI-3, блокируется α-адреноблокаторами фентоламином, феноксибензамином и празозином, но не β-адреноблокаторами пропранолом и лабеталолом у патогенного штамма E. coli O157:H7, Salmonella enterica, Yersinia enterocolitica (Clarke et al., 2006; Freestone et al., 2007). В частности, было установлено, что стимулирующее действие нор-адреналина на адгезию E. coli O157:H7 к эпителию слепой кишки и на интернализацию клеток патогенного штамма кишечной палочки в Пейеровы бляшки предотвращается предварительной обработкой кишечной ткани фентоламином (Freestone et al., 2007; Lyte, 2011).

В свете имеющихся данных можно полагать, что рецепторные системы микроорганизмов ЖКТ, взаимодействуя с аутоиндуктором AI-3 и катехоламинами, вносят свой вклад в общение микробных клеток между собой и химический диалог между микроорганизмами и организмом-хозяином. Стрессорные агенты и факторы, повышающие уровень синтеза катехоламинов, могут влиять на количество, видовое разнообразие и функции микробиоты, обитающей в ЖКТ, а также, возможно, на коже и слизистых других частей тела млекопитающих, включая человека. Синтезируемые симбиотическими бактериями молекулы АI-3, в свою очередь, могут модифицировать эффекторные системы клеток хозяина и клеток населяющих его микробных сообществ (Шпаков, 2009). В процессе длительной совместной эволюции организма-хозяина и его микробиоты нейроактивные вещества эукариотического и/или прокариотического происхождения стали, вероятно, необходимой частью системы оповещения как для клеток хозяина, так и для патогенных и оппортунистических бактерий (Trueba, Ritz, 2013).

Антагонисты адренорецепторов и рецепторов к дофамину представляют потенциальный медицинский интерес. Например, адренергические антагонисты могут ингибировать зависимый от AI-3, адреналина или норадреналина quorum sensing-каскад у патогенных штаммов E. coli, лишая их возможности экспрессировать гены вирулентности. Эти антагонисты могут стать новым классом антимикробных препаратов (Clarke et al., 2006).

Диалог в системе микробиота–хозяин, осуществляемый с помощью катехоламинов, имеет двунаправленный характер, поскольку не только клетки хозяина, но и сами микроорганизмы активно продуцируют эту группу биогенных аминов. Методом высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) с амперометрической детекцией было количественно определено содержание катехоламинов в культурах многих про- и эукариотических микроорганизмов (Цавкелова и др., 2000). Например, норадреналин в концентрациях 0.2–2 мкМ присутствовал в биомассе B. mycoides, B. subtilis, P. vulgaris и S. marcescens; дофамин в количестве 0.5‒2 мкМ – в биомассе большинства тестированных прокариот. Их концентрации существенно превышали таковые в крови человека, где содержится 0.1–0.5 нM дофамина и 1–2 нM норадреналина (Eldrup, 2004).

На примере богатой матриксом бактерии Bacillus subtilis (вариант М) показано, что нейромедиаторные амины (норадреналин и дофамин) содержатся не внутриклеточно, а в покрывающем клетки матриксе. Данный факт представляет довод в пользу возможной межклеточной коммуникативной роли этих аминов, поскольку слагающие матрикс биополимеры способствуют диффузии низкомолекулярных химических сигналов в пределах колонии или биопленки. У большинства микроорганизмов обнаружены также продукты метаболизма (окислительного дезаминирования) нейротрансмиттеров – 5-гидроксииндол-уксусная кислота (5-ГИУК) и дигидрофенилуксусная кислота (ДГФУК) (Цавкелова и др., 2000).

Дофамин в микромолярных концентрациях детектирован также у M. morganii (2.46 мг/л, ~16 мкМ), K. pneumonia (1.06 мг/л; 6.9 мкМ) и H. alvei (0.73 мг/л; 4.7 мкМ), изолированных из рыбных продуктов (Özogul, 2004). Некоторые исследователи убеждены в универсальной распространенности дофамина в мире про- и эукариотических микроорганизмов (Vidal-Gadea, Pierce-Shimomura, 2012). У Saccharomyces cerevisiae и Penicillium chrysogenum обнаружили достаточно высокие концентрации норадреналина: 0.21 и 21.1 мкМ соответственно (Цавкелова и др., 2000). У B. subtilis норадреналин и дофамин присутствовали, в основном, не внутриклеточно, а снаружи клеточной стенки. В свете предположения о коммуникативной функции нейротрансмиттеров они, возможно, служат информационными молекулами ограниченного радиуса действия не только у животных, где они передают информацию от нейрона к нейрону, но и у прокариот.

На модели E. coli (Шишов и др., 2009) было показано, что максимальные (микромолярные) концентрации катехоламинов накапливаются в лаг-фазе роста культуры, на основании чего можно предположить, что нейромедиаторные амины являются своеобразными триггерами, активирующими рост и деление клеток в начальной фазе онтогенеза микробной культуры. Это сопоставимо с эффектами других известных ауторегуляторных соединений. В биомассе E. coli, S. cerevisiae, Bacillus cereus, лактобацилл детектировали также ДОФА, который в животных клетках известен как предшественник катехоламинов, и продукты окислительного дезаминирования катехоламинов – ДГФУК, гомованилиновую кислоту.

Анализ данных литературы позволяет предположить, что пути метаболизма нейромедиаторных аминов универсальны для прокариотических и эукариотических организмов и протекают по следующей схеме:

с участием ферментов синтеза катехоламинов (гидроксилаз и декарбоксилаз аминокислот) и их деградации, в частности, моноаминоксидаз (МАО). Имеются данные о наличии подобных МАО у микроорганизмов. Так, Sarcina lutea содержит МАО, которая способна окислять дофамин, но не гистамин и диамины (Yagodina et al., 2000).

Наличие всех стадий пути синтеза катехоламинов у микроорганизмов согласуется с гипотезой, что межклеточная сигнализация у позвоночных животных (включая передачу импульсов через синаптическую щель между нейронами) была результатом горизонтального переноса генов от микробиоты (Lyte, 2011).

Анализ культуральной жидкости E. coli, выращенной на синтетической минеральной среде, показал на поздних фазах роста бактерий содержание в ней наномолярных концентраций внеклеточных серотонина, дофамина и норадреналина (Шишов и др., 2009), которых достаточно для связывания этих нейромедиаторов с соответствующими рецепторами пищеварительного тракта животных или человека.

Заслуживает внимания обнаружение в культуре E. coli, выращенной на среде М-9, предшественника катехоламинов 3,4-дигидроксифенилаланина (ДОФА), который детектировался в микромолярных концентрациях как в клетках, так и в культуральной жидкости. Можно предположить, что ДОФА выступает в качестве регулятора дальнего радиуса действия, а его превращение в дофамин, который является стимулятором роста E. coli (Анучин и др., 2008), происходит внутри поглотившей ДОФА клетки. Известный уже более ста лет феномен сокращения лаг-фазы и стимуляции пролиферации клеток бактериальной культуры под воздействием бесклеточного супернатанта культуры экспоненциальной фазы роста может быть объяснен, наряду с другими уже найденными аутостимуляторами, также и воздействием внеклеточного ДОФА.

В отличие от E. coli, S. cerevisiae накапливал только внутриклеточно как нейромедиаторы (дофамин, норадреналин, а также серотонин), так и продукты их метаболизма (гомованилиновую кислоту, ДГФУК). При росте на богатой нейромедиаторами среде Сабуро концентрации всех указанных соединений снижались в процессе культивирования дрожжей, что указывает на их активное поглощение из среды клетками S. cerevisiae (Маликина и др., 2010; Шишов, 2010; Oleskin et al., 2010). По-видимому, нейромедиаторные амины не служат межклеточными коммуникативными факторами в популяциях S. cerevisiae, но могут участвовать в регуляции развития дрожжевых культур в случае их синтеза другими компонентами экосистемы, ибо дрожжи реагируют на экзогенные нейромедиаторы.

Катехоламины и серотонин химически сходны с ароматическими спиртами (фенилэтанолом и триптофолом), функционирующими у S. cerevisiae в качестве ауторегуляторов, контролирующих цитодифференцировку от одиночных клеток к разветвленным нитям (псевдомицелию) при дефиците в среде культивирования источников азота (Chen, Fink, 2006), и, возможно, воспринимаются клетками дрожжей как их функциональные аналоги. У дрожжей выявлен структурно сходный с предшественником катехоламинов тирозином ауторегулятор тирозол (Chen et al., 2004), относящийся к семейству алкилоксибензолов, которые контролируют образование покоящихся форм у многих представителей прокариот и у дрожжей (Эль-Регистан и др., 2006).

Большое значение имеет обнаружение катехоламинов в кисломолочных продуктах, ферментированных пробиотическими бактериями. Так, в различных образцах йогурта выявлены норадреналин и дофамин в концентрациях 0.1‒2 мкМ и 1‒10 мкМ соответственно, тогда как в исходном сырье (цельное молоко 2.5%-ной жирности) содержание норадреналина не превышало 0.09 мкМ, а дофамин полностью отсутствовал. ДОФА содержался в йогуртах в количествах 80‒250 мкМ, а в молоке его содержание не превышало 57 мкМ (Жиленкова и др., 2013).

Заквасочные штаммы лактобацилл (Lactobacillus helveticus 100аш, L. helveticus NK-1, L. casei K3III24 и L. delbrueckii subsp. bulgaricus) различались продуктивностью катехоламинов: на 1%-ном молоке или среде с панкреатическим гидролизатом молока дофамин синтезировали только L. helveticus NK-1 и L. delbrueckii subsp. bulgaricus; все штаммы, кроме L. casei К3III24, обогащали обе среды норадреналином. Все штаммы образовывали ДОФА, его максимальная концентрация (свыше 5 мкM) достигалась при использовании штамма NK-1 (Олескин и др., 2014; Oleskin et al., 2014). Поскольку ДОФА проникает через кишечный и гематоэнцефалический барьер (ГЭБ) и используется для лечения болезни Паркинсона (Дубынин и др., 2010), эти результаты открывают перспективы использования кисломолочных продуктов в качестве источника ДОФА. Продукция ДОФА выявлена также у одноклеточного паразитического простейшего Toxoplasma gondii. В мозговой ткани промежуточного хозяина (мыши или крысы) клетки токсоплазмы превращают тирозин в ДОФА, затем превращающийся в дофамин, концентрация которого в гиппокампе и миндалине мозга увеличивается примерно на 14%. В результате поведение грызуна становится активнее, более того, его начинает привлекать запах кошачьей мочи. Все это повышает вероятность поедания зараженной токсоплазмой мыши или крысы кошкой, что позволяет токсоплазме попасть в организм своего окончательного хозяина – кошки (Rohrscheib, Brownlie, 2013).

T. gondii при попадании в человеческий мозг вызывает психические нарушения (бред и галлюцинации; кроме продукции предшественника дофамина, токсоплазма меняет экспрессию генов, связанных с синтезом дофамина в организме хозяина; паразит влияет также на экспрессию генов, необходимых для функционирования и других нейрохимических систем в мозгу, которые зависят от серотонина, глутаминовой и гамма-аминомасляной кислот). Выработка антител к токсоплазме повышена у индивидов с тяжелыми психическими расстройствами, включая шизофрению. Выдвинута гипотеза о роли T. gondii в возникновении шизофрении (для которой характерны повышенные концентрации дофамина в функциональных зонах мозга), а также, возможно, и маниакально-депрессивного психоза (Yolken, Torrey, 2015).

На модели безмикробных мышей, интрагастрально инокулированных смесью 46 видов клостридий групп coccoides и leptum (Clostridium-коктейль), было установлено, что в просвете слепой кишки содержание дофамина и норадреналина превышало таковое до введения этих бактерий. При этом в кишечнике контрольных мышей 90% дофамина и 40‒50% норадреналина находились в связанной форме, в то время как у мышей с интродуцированными клостридиями 90% катехоламинов находилось в свободной, активной форме (Asano et al., 2012). Основываясь на этих наблюдениях, авторы делают вывод, что микробиота кишечника играет важную роль в образовании биологически активных форм катехоламинов в просвете кишечника (Asano et al., 2012).

Использование пробиотиков имеет большое значение для производства катехоламинов, вызывает изменения в нейрохимических процессах кишечника и микробиоме высших животных.

Широко распространенный класс металлоферментов позволяет кишечным микробам метаболизировать катехоламины, полученные из организма хозяина и рациона питания. В кишечнике человека бактерия Eggerthella lenta производит фермент Dadh, который может метаболизировать дофамин. Это имеет значение для взаимодействия между микробиомом кишечника и нервной системой и неразрывно связано со здоровьем человека (Maini Rekdal et al., 2020).

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ КАТЕХОЛАМИНОВ С НЕРВНОЙ СИСТЕМОЙ

Катехоламины дофамин и норадреналин относятся к числу важнейших нейромедиаторов и в то же время гормонов (норадреналин – гормон надпочечников, дофамин – нейрогормон гипоталамуса). Адреналин – только гормон надпочечников, но, вероятно, не нейромедиатор, в отличие от комбинирующего гормональную и нейромедиаторную нагрузку норадреналина. Уровни катехоламинов в крови повышаются при стрессовых состояниях. Функциональная роль катехоламинов в организме связана с активацией симпатической части периферической нервной системы, готовящей организм к реализации реакций типа бей-или-беги (fight-or-flight response), что сопряжено с ускорением сердечного ритма, усилением сокращений миокарда и повышением артериального давления. Катехоламины выполняют также более специфические функции. Например, дофамин способствует вазодилатации – расширению кровеносных сосудов (при невысоких концентрациях), вызывает повышение сердечного выброса, улучшает кровоток, стимулирует распад гликогена, экскрецию ионов натрия и выделение мочи почками, подавляет секрецию инсулина поджелудочной железой и кишечную моторику (Bronwen, Knights, 2011). Катехоламины участвуют в общей регуляции эндокринной системы. Они также задействованы в когнитивных процессах, в формировании памяти, эмоций (Аверина, Даниленко, 2017; Oleskin et al., 2017a).

Активность дофамина обусловлена его связыванием с D-рецепторами пяти подтипов (D1–5), которые сопряжены с G-белками. Рецепторы D1 и D5 активируют, а рецепторы D2–4 ингибируют аденилатциклазу, соответственно повышая или понижая уровень внутриклеточного циклического аденозинмонофосфата (цАМФ). Недавно описанный дополнительный рецептор TAAR1 (trace amine-associated receptor 1) также действует на активность внутриклеточной аденилатциклазы (Grandy et al., 2016). Преобладают рецепторы D1, составляющие около ¾ всех дофаминовых рецепторов в организме человека (Дубынин и др., 2010).

Дофамин как нейромедиатор ЦНС вырабатывается нервными клетками зон ствола мозга – черной субстанции (substantia nigra) и покрышки среднего мозга, а также в различных ядрах гипоталамуса (Дубынин и др., 2010). Выделение дофамина нейронами вентральной части покрышки ведет к их распространению по аксонам в прилежащее ядро гипоталамуса и в префронтальную кору (мезолимбический и мезокортикальный пути). Этими путями дофаминергическая система мозга способствует активному бодрствованию и поиску интересных занятий и удовольствий (гедонистическому поведению). Дофамин вовлечен не только в мотивацию получения удовольствий, но и, наряду с опиоидами (через стимуляцию их выделения), в сам акт наслаждения вкусной едой, любовной игрой или видеороликом (Arias-Carrión, Pŏppel, 2007). Уже предвкушение того или иного вознаграждения ведет к повышению уровня дофамина в мозгу, и многие наркотики стимулируют выделение дофамина или блокируют обратное поглощение дофамина выделившим его нейроном. Часть дофаминергической системы мозга – черная субстанция – имеет ключевое значение для мотивации и эмоциональной регуляции материнского поведения (Марков, 2011).

Напомним, что предшественником дофамина служит ДОФА, способный проходить через барьер между кишкой и кровотоком и ГЭБ. Это представляет интерес в рамках понимания оси микробиота–кишечник–мозг, ибо вырабатывающие ДОФА микроорганизмы как пробиотические (лактобациллы), так и потенциально патогенные, включая Bacillus cereus (Шишов, 2010; Oleskin et al., 2010), могут вызывать у контактирующего с ними индивида состояние эйфории в результате превращения микробной ДОФА в дофамин в мозгу. Такая эйфория будет особенно примечательной в случае патогенных продуцентов ДОФА, поскольку будет развиваться на фоне бактериальной инфекции и ухудшенного общего состояния. Повышенное настроение больного на фоне тягостной симптоматики заболевания может показаться парадоксальным.

Дофаминергические нейроны участвуют в поддержании уровня двигательной активности и, кроме того, позволяют человеку (животному) точно выполнять произвольные движения, подавляя непроизвольные. По мере повышения активности дофаминергических систем мозга снижается порог активации для реализации различных форм двигательного поведения. Чувство гибкости и легкости, радость от снятия усталости, возникающие при активации дофаминергических синапсов, часто связаны с удовольствием, получаемым, например, от танца и сложных спортивных упражнений.

Дофамин также необходим для переключения внимания с одного этапа когнитивной деятельности на другой.

Дефицит дофамина в функционально важных зонах мозга (обонятельная и зрительная кора, лобная кора, миндалевидное тело, таламус и гипоталамус и др.) ведет к апатии и потере инициативы, более серьезный дефицит – к полной невозможности совершить активное действие, так что лишенная дофамина крыса тонет в воде. Затрудненный запуск движений (акинезия), усиленный мышечный тонус (ригидность), дрожание конечностей (тремор) и навязчивые повторяющиеся движения характерны для болезни Паркинсона, при которой гибнет большинство образующих дофамин нейронов substantia nigra. Препараты, повышающие уровни дофамина в мозгу, являются стимуляторами физической и психической активности человека, некоторые из этих препаратов приобрели также статус наркотиков (например амфетамины, стимулирующие выделение дофамина в синаптическую щель).

Нейромедиаторная функция норадреналина связана с активацией мозга, повышением уровня двигательной активности и агрессивности (Дубынин и др., 2010). Нейромедиаторное и гормональное действие норадреналина (и только гормональное – адреналина) обусловлено связыванием метаботропными α- и β-рецепторами. α-рецепторы включают подтип α1, который, связывая норадреналин, активирует фосфолипазу С и повышает внутриклеточные концентрации инозитолтрифосфата и ионов кальция, и подтип α2, который функционирует через ингибирование аденилатциклазы и понижение уровня цАМФ. Рецепторы β-типа (подтипы β1, β2, β3) связаны с G-белками и, напротив, активируют аденилатциклазу при связывании норадреналина.

В мозгу норадреналин в основном вырабатывается нейронами голубого пятна (locus coeruleus), латеральной ретикулярной формации, продолговатого мозга и ядер одиночного тракта (Болдырев и др., 2010); их аксоны формируют синапсы в большой концентрации в разных отделах ЦНС, в том числе в коре мозжечка и больших полушарий (Дубынин и др., 2010). Норадреналин усиливает кровоснабжение мозга, активирует бодрствующую ЦНС (тормозя центры сна), повышает двигательную активность, снижает тревожность и повышает агрессивность, участвует в развитии эмоций азарта и удовольствия от риска, а также в процессе обучения. Норадреналин называют гормоном ярости, так как в результате выброса в кровь норадреналина всегда возникает реакция агрессии, значительно увеличивается мышечная сила. Норадреналин способствует бдительности, стимулирует запоминание информации и ее извлечение из памяти, также усиливает беспокойство и тревожное поведение. Норадреналин принимает участие в реализации реакций типа бей-или-беги, ускоряя сердечный ритм, повышая кровяное давление, стимулируя выход глюкозы из депо в кровоток, повышая кровоснабжение скелетных мышц и в то же время снижая кровоток через сосуды ЖКТ, замедляя перистальтику кишечника и подавляя опорожнение мочевого пузыря. Это оказывает влияние на условия фиксации микробиоты в ЖКТ (например, способствуя адгезии микробных биопленок к клеткам эпителия). Норадреналин расширяет зрачок и усиливает увлажнение глаза слезной жидкостью.

Действие норадреналина, а также его метилированного производного адреналина на сердце связано со стимулирующим его влиянием на β-адренорецепторы (β-АР) сердечной мышцы, что приводит к увеличению сердечного выброса и ускорению сердечных сокращений. Гормональное влияние норадреналина как фактора стрессового ответа дополняется его нейротрансмиттерным эффектом, направленным на мобилизацию мозга при стрессе. Уровень норадреналина в мозгу, особенно в зоне голубого пятна, минимален во время сна (опускаясь почти до нуля во время сна со сновидениями – REM-сна) и возрастает в бодрствующем состоянии (Berridge et al., 2012); дополнительные количества норадреналина выделяются при воздействии стрессорных факторов, при шоке, травмах, кровопотерях, ожогах, тревоге, страхе, нервном напряжении; при сильном стрессе существенное значение приобретет обезболивающее (анальгетическое) действие нор-адреналина (Дубынин и др., 2010).

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ КАТЕХОЛАМИНОВ С ИММУННОЙ СИСТЕМОЙ

Иммуноциты реагируют на биогенные амины и в то же время синтезируют и выделяют эти соединения. Среди рецепторов к катехоламинам иммунные клетки в наибольшей степени экспрессируют β2-АР. Ответ макрофагов и моноцитов на β2-АР-стимуляцию носит в основном противовоспалительный характер. Дендритные клетки, ответственные за презентацию антигенов, экспрессируют как α-АР, так и β-АР. При этом α-АР рассматриваются преимущественно как рецепторы, связанные со стимуляцией иммунного ответа, тогда как взаимодействие с β-АР, скорее, сопровождается ингибированием активности иммунной системы и развития воспалительных процессов.

Экспозиция дендритных клеток в присутствии норадреналина после стимуляции агонистами Toлл-подобных рецепторов приводит к снижению секреции IL-12, а также IL-6, TNF-α, IL-23 и повышению секреции IL-10 и, как следствие, к потенциальной иммуносупрессии и нарушенному Th1-праймингу. Вследствие этого норадреналин может вносить вклад в стресс-индуцированную прогрессию Th2-ассоциированных заболеваний (например, различные аллергические патологии). Применение β2-АР-агонистов, напротив, может иметь успех в терапии преимущественно Th1-опосредованных заболеваний (например рассеянный склероз, диабет 1 типа) (Cosentino, Marino, 2012). Катехоламины (в том числе норадреналин, адреналин, дофамин) также могут синтезироваться различными иммунными клетками. Синтез и метаболизм этих соединений в иммунной системе близок таковым в клетках нейрогуморальной системы. И те и другие клетки экспрессируют тирозингидроксилазу, а также ферменты для деградации катехоламинов – МАО и катехол-О-метилтрансферазу (Jiang et al., 2006; Cosentino et al., 2013).

Предполагается, что секреция норадреналина в иммуноцитах является ацетилхолин- и кальций-зависимой, подобно хромаффинным клеткам надпочечников (Jiang et al., 2006). Дофаминовые рецепторы экспрессированы на поверхности всех клеток иммунной системы (включая Т- и В-лимфоциты, дендритные клетки, макрофаги, нейтрофилы, NK-клетки, Т-регуляторные клетки) (Cosentino et al., 2013). Аутоиммунные Т-клетки, лейкемические и лимфомные Т-клетки также экспрессируют дофаминовые рецепторы. Дофамин уже в достаточно малых концентрациях ~10^–8 M играет важные аутокринную и паракринную роли (Levite, 2016). Противовоспалительное действие дофамина проявляется в виде подавления функций макрофагов. Так, на модели мышиных перитонеальных макрофагов установлено, что дофамин ингибирует синтез активатора воспаления IL-12p40 в ответ на бактериальный LPS-антиген и усиливает продукцию подавляющего воспаление IL-10 (Орлова и др., 2012). Дофамин также участвует в супрессии активированных Т-клеток (Cosentino et al., 2013).

Опубликовано значительное количество данных, свидетельствующих об иммуностимулирующем действии дофамина. Так оказалось, что дофамин способен активировать покоящиеся/наивные Т-клетки. У наивных Т-лимфоцитов дофамин через D2/D3-рецепторы стимулировал адгезию к фибронектину. Помимо этого, взаимодействуя с D2/D3- и D1/D5-рецепторами этих лимфоцитов, дофамин мог стимулировать секрецию TNF-α и IL-10 (Cosentino et al., 2013). Активация покоящихся Т-клеток дофамином реализуется как путем прямого на них воздействия, так и через ингибирование активности Т-регуляторных клеток (T_reg). T_reg-клетки играют важную роль в иммуносупрессии. Они имеют дофаминовые рецепторы и именно через них этот катехоламин участвует в аутокринной и паракринной регуляции T_reg.

При дофаминовой стимуляции D1-рецепторов у Т-регуляторных клеток человека (CD4⁺CD25^+high) происходит подавление их иммуносупрессивной активности, и снижается продукция IL-10 и TGF-β (Орлова и др., 2012). Будучи супрессором иммуносупрессии, дофамин способен проявлять активирующее действие на иммунный ответ. Подтверждением этому является также ингибирование дофамином функций второго важнейшего клеточного компонента иммуносупрессии – супрессорных клеток миелоидного происхождения MDSC (myeloid derived suppressor cells). Исследования показали, что дофамин, действуя на D1-рецепторы MDSC, в значительной степени нивелирует их супрессорную активность в отношении пролиферации и секреции Т-клеток, усиливая, в частности, противоопухолевый иммунитет. Этот эффект дофамина связывают также с его противовоспалительными свойствами (Levite, 2016). Как известно, дофамин является одним из медиаторов счастья. Иммуномодулирующие свойства дофамина могут быть компонентами его благотворного влияния на позитивные эмоциональные проявления человека.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Кишечные бактерии содержат ферменты, метаболизирующие нейромедиаторы. Это имеет существенное значение для взаимодействия между микробиомом кишечника и нервной и иммунной системами человека. Нейромедиаторы способны выступать в качестве пищевых субстратов, эффекторов, кофакторов, что наиболее важно в контексте их воздействия на микробный консорциум и на организм хозяина. Они являются важным видом метабиотиков, представляющих структурные компоненты микроорганизмов, их метаболиты и сигнальные молекулы с определенной химической структурой, которые могут воздействовать на организм хозяина, на его микроэкологическую, нервную и иммунную системы, что исключительно важно для медицины, психологии и биотехнологии.