Аэробные бактерии повредили легкие при кислородном отравлении

Повреждение легких при кислородном отравлении оказалось связано с изменением состава бактериальных сообществ этого органа. Как говорится в статье, опубликованной в журнале Science Translational Medicine, при высоких концентрациях кислорода в микробном составе легких происходит сдвиг в сторону аэробных микроорганизмов, таких как патогенный Staphylococcus aureus, которые способствуют повреждению легких.

Вдыхание чистого кислорода широко используется при коррекции острой и хронической гипоксемии — сниженном уровне кислорода в крови. Тем не менее гипероксия — повышенное содержание кислорода во вдыхаемом воздухе и, как следствие, его повышенное парциальное давление в крови, — вызывает летальные повреждения легких у животных, а у людей она связана с повышенной смертностью, тяжелым повреждением легких и пневмонией. Однако механизмы, посредством которых гипероксия провоцирует диффузное воспаление и повреждение альвеол легких, остаются недостаточно изученными.

Ученые под руководством Шанны Эшли (Shanna L. Ashley) из Медицинской школы Университета Мичигана изучили, как меняется легочная микробиота при гипероксии у мышей и людей. Сначала они проанализировали легочный микробиом 1523 тяжелобольных пациентов, которые находились на искусственной вентиляции легких более суток. Пациенты были разделены на группы, в соответствие с фракцией вдыхаемого кислорода (FiO₂): низкая (FiO₂ от 21 до 46 процентов), средняя (FiO₂ от 43 до 55 процентов) и высокая (FiO₂ больше 55 процентов) гипероксия.

У пациентов с низким уровнем FiO₂ процент бактерий S. aureus и P. aeruginosa в посеве секретов дыхательных путей составил 28,3 и 22,6 процента соответственно. Напротив, респираторные образцы пациентов с высоким FiO₂ при культивировании давали в два раза больше колоний S. aureus по сравнению с P. aeruginosa (35,9 против 14,9 процента). При многомерном анализе с поправками на пол, возраст, расу и лечение выяснилось, что частота выделения P. aeruginosa была выше у пациентов, получавших низкие и средние концентрации FiO₂ (8,6 и 7,6 процента соответственно; р = 0,001 и р = 0,007 соответственно). При этом темпы роста S. aureus достоверно не отличались у пациентов, получавших смеси с низким, средним или высоким FiO₂ (р > 0,05 для всех сравнений). Таким образом, ученые пришли к выводу, что гипероксия независимо предсказывает последующий рост бактерий в легких тяжелобольных пациентов.

Острая гипероксия также изменила состав бактериального сообщества микробиоты легких взрослых мышей (p = 0,0064). При гипероксии у мышей наблюдалось быстрое и стойкое снижение относительного обилия анаэробных таксонов. Напротив, кислород-толерантное семейство стафилококков увеличивалось после 72 часов гипероксии (р = 0,0007).

При сравнении относительных сроков нарушения микробиоты легких при воздействии кислорода оказалось, что изменения бактериального состава начинались спустя 24 часа гипероксии (р = 0,0001), а обнаруживаемые повреждения легких определялись только через 72 часа (р = 0,0001). Ученые пришли к выводу, что дисбактериоз легочной микробиоты, вызванный повышенным содержанием кислорода, предшествовал появлению обнаруживаемого повреждения легких, что указывает на то, что изменение микробиома легких не было следствием повреждения легких.

Как уже сообщалось ранее, легочные концентрации ФНО-α и интерлейкина-17 увеличиваются пропорционально времени гипероксии. После 48 часов гипероксии оба цитокина обратно коррелировали с микробным составом (р = 0.0013 для ФНО-α и р = 0,0012 для интерлейкина-17). При этом ни одна таксономическая группа не была ответственна за корреляцию между бактериальными сообществами легких и концентрациями цитокинов, что указывает на комплексный эффект сообщества, а не на прямое воздействие одного вида бактерий.

Гипероксия также оказывала существенное влияние на состав сообщества кишечных бактерий (р = 0,005), хотя статистически значимый эффект проявлялся только после 72 часов воздействия кислорода (р = 0,001). Более того, изменение микробного состава кишечных бактерий положительно коррелировало с воспалением в легких через 48 часов после начала воздействия кислорода (р = 0,0039 для ФНО-α и р = 0,0008 для интерлейкина-17).

У мышей с обычной микробиотой высокие концентрации кислорода провоцировали диффузное повреждение альвеол легких с повышением концентрации альвеолярного белка через 72 часа (р = 0,0018). Легкие гнотобиотических мышей, подвергшихся воздействию гипероксии, содержали значительно меньше альвеолярного белка, чем легкие мышей с обычной микробиотой (Р < 0,0001).

Через 96 часов гипероксии в легких мышей с обычной микробиотой обнаруживались признаки острого повреждения легких, включая диффузный эпителиальный некроз с гиалиновыми мембранами. В отличие от этого, легкие гнотобиотических мышей сохраняли свою альвеолярную структуру, в них не было признаков повреждения эпителия или образования гиалиновых мембран. Эти результаты подтвердили, что гнотобиотические мыши были защищены от повреждения легких, вызванного кислородом.

Данная работа показывает, что легочная микробиота, изменяющаяся при гипероксии, вносит свой вклад в патогенез кислородного повреждения легких у мышей. Более глубокое понимание роли кислорода в микробном гомеостазе и его нарушении позволит изменять состав микробиоты легких и кишечника для профилактики и лечения вызванных кислородом повреждений легких.

Впрочем, даже поврежденные легкие можно спасти. Недавно мы рассказывали, что ученым удалось поврежденные донорские легкие удалось восстановить, подключив их к кровеносной системе свиньи.

Вячеслав Гоменюк