Мелатонин и микробиота кишечника

Изучение микробиома человека в последние годы привело к созданию теории «Ось кишечник – мозг», которая предполагает наличие взаимосвязи между бактериальным сообществом кишечника и его метаболитами и химическими соединениями, а также физиологическими и патологическими процессами головного мозга. Одним из потенциальных звеньев этой взаимосвязи считается мелатонин.

В обзоре представлена краткая информация о синтезе, метаболизме и эффектах мелатонина в организме. Рассмотрены общие паттерны влияния мелатонина на микробиоту кишечника в различных условиях, таких как пероральное и интраперитонеальное введение мелатонина, депривация сна, а также результаты изучения микробного сообщества с измерением уровня гормона.

Приведены результаты для семейств и отдельных родов микроорганизмов, полученные в исследованиях на животных моделях или при изучении заболеваний. В статье также отмечены некоторые дополнительные параметры, предположительно имеющие отношение к взаимодействию мелатонина с микробиотой кишечника. Отдельное внимание уделено бутирату как одному из наиболее изученных возможных участников этого взаимодействия. Изучение взаимосвязи между мелатонином и микробиомом представляет интерес для фундаментальной науки и практической медицины.

Поиск литературных источников был осуществлён с использованием электронных информационных ресурсов PubMed и eLibrary.

1. Ghosh TS, Shanahan F, O’Toole PW. The gut microbiome as a modulator of healthy ageing. Nat Rev Gastroenterol Hepatol. 2022; 19(9): 565-584. doi: 10.1038/s41575-022-00605-x

2. Klimenko ES, Belkova NL, Romanitsa AI, Pogodina AV, Rychkova LV, Darenskaya MA. Differences in gut microbiota composition and predicted metabolic functions: A pilot study of adolescents with normal weight and obesity. Bull Exp Biol Med. 2022; 173(5): 628-632. doi: 10.1007/s10517-022-05601-4

3. Weersma RK, Zhernakova A, Fu J. Interaction between drugs and the gut microbiome. Gut. 2020; 69(8): 1510-1519. doi: 10.1136/gutjnl-2019-320204

4. Yang L, Hung LY, Zhu Y, Ding S, Margolis KG, Leong KW. Material engineering in gut microbiome and human health. Research. 2022; 2022: 9804014. doi: 10.34133/2022/9804014

5. Савинова Ю.С., Белькова Н.Л., Семёнова Н.В., Рычкова Л.В. История, современные направления и перспективы развития прои пребиотических препаратов в России и за рубежом. Acta biomedica scientifica. 2022; 7(5-1): 211-227. doi: 10.29413/ABS.2022-7.5-1.23

6. Suturina L, Belkova N, Igumnov I, Lazareva L, Danusevich I, Nadeliaeva I, et al. Polycystic ovary syndrome and gut microbiota: Phenotype matters. Life. 2022; 13(1): 7. doi: 10.3390/life13010007

7. Sasso JM, Ammar RM, Tenchov R, Lemmel S, Kelber O, Grieswelle M, et al. Gut microbiome–brain alliance: A landscape view into mental and gastrointestinal health and disorders. ACS Chem Neurosci. 2023; 14(10): 1717-1763. doi: 10.1021/acschemneuro.3c00127

8. Wang B, Duan R, Duan L. Prevalence of sleep disorder in irritable bowel syndrome: A systematic review with meta-analysis. Saudi JGastroenterol. 2018; 24(3): 141. doi: 10.4103/sjg.SJG_603_17

9. Wong RK, Yang C, Song G-H, Wong J, Ho K-Y. Melatonin regulation as a possible mechanism for probiotic (VSL#3) in irritable bowel syndrome: A randomized double-blinded placebo study. Dig Dis Sci. 2015; 60(1): 186-194. doi: 10.1007/s10620-014-3299-8

10. Семёнова Н.В., Мадаева И.М., Колесникова Л.И. Инсомния и циркадные ритмы мелатонина у женщин в менопаузе. Acta biomedica scientifica. 2018; 3(5): 16-21. doi: 10.29413/ABS.2018-3.5.2

11. Цветкова Е.С., Романцова Т.И., Полуэктов М.Г., Рунова Г.Е., Глинкина И.В., Фадеев В.В. Значение мелатонина в регуляции метаболизма, пищевого поведения, сна и перспективы его применения при экзогенно-конституциональном ожирении. Ожирение и метаболизм. 2021; 18(2): 112-124. doi: 10.14341/omet12279

12. Семенова Н.В., Мадаева И.М., Колесникова Л.И. Роль мелатонина как компонента антиоксидантной защиты при инсомнии в перименопаузе. Журнал неврологии и психиатрии им. C.C. Корсакова. 2019; 119(7): 7-13. doi: 10.17116/jnevro20191190717

13. Kolesnikova LI, Madaeva IM, Semenova NV, Suturina LV, Berdina ON, Sholohov LF, et al. Pathogenic role of melatonin in sleep disorders in menopausal women. Bull Exp Biol Med. 2013; 156(1): 104-106. doi: 10.1007/s10517-013-2289-8

14. Berdina ON, Madaeva IM, Bolshakova SE, Tsykunova MV, Sholokhov LF, Rashidova MA, et al. Circadian melatonin secretion in obese adolescents with or without obstructive sleep apnea. Russ Open Med J. 2020; 9(4): e0402. doi: 10.15275/rusomj.2020.0402

15. Kvetnoy I, Ivanov D, Mironova E, Evsyukova I, Nasyrov R, Kvetnaia T, et al. Melatonin as the cornerstone of neuroimmunoendocrinology. Int J Mol Sci. 2022; 23(3): 1835. doi: 10.3390/ijms23031835

16. Acuña-Castroviejo D, Escames G, Venegas C, Díaz-Casado ME, Lima-Cabello E, López LC, et al. Extrapineal melatonin: Sources, regulation, and potential functions. Cell Mol Life Sci. 2014; 71(16): 2997-3025. doi: 10.1007/s00018-014-1579-2

17. Cipolla-Neto J, Amaral FGD. Melatonin as a hormone: New physiological and clinical insights. Endocr Rev. 2018; 39(6): 990-1028. doi: 10.1210/er.2018-00084

18. Söderquist F, Hellström PM, Cunningham JL. Human gastroenteropancreatic expression of melatonin and its receptors MT1 and MT2. PLos One. 2015; 10(3): e0120195. doi: 10.1371/journal.pone.0120195

19. Wang B, Zhu S, Liu Z, Wei H, Zhang L, He M, et al. Increased expression of colonic mucosal melatonin in patients with irritable bowel syndrome correlated with gut dysbiosis. Genomics Proteomics Bioinformatics. 2020; 18(6): 708-720. doi: 10.1016/j.gpb.2020.06.013

20. Yu H, Dickson EJ, Jung S-R, Koh D-S, Hille B. High membrane permeability for melatonin. J Gen Physiol. 2016; 147(1): 63-76. doi: 10.1085/jgp.201511526

21. Masters A, Pandi-Perumal SR, Seixas A, Girardin J-L, McFarlane SI. Melatonin, the hormone of darkness: From sleep promotion to Ebola treatment. Brain Disord Ther. 2014; 04(01): 1000151. doi: 10.4172/2168-975X.1000151

22. Chojnacki C. Evaluation of enterochromaffin cells and melatonin secretion exponents in ulcerative colitis. World J Gastroenterol. 2013; 19(23): 3602. doi: 10.3748/wjg.v19.i23.3602

23. Paulose JK, Cassone CV, Cassone VM. Aging, melatonin biosynthesis, and circadian clockworks in the gastrointestinal system of the laboratory mouse. Physiol Genomics. 2019; 51(1): 1-9. doi: 10.1152/physiolgenomics.00095.2018

24. Su W-L, Wu C-C, Wu S-FV, Lee M-C, Liao M-T, Lu K-C, et al. A review of the potential effects of melatonin in compromised mitochondrial redox activities in elderly patients with COVID-19. Front Nutr. 2022; 9: 865321. doi: 10.3389/fnut.2022.865321

25. Семёнова Н.В. Окислительный стресс и менопауза (обзор литературы). Acta biomedica scientifica. 2014; (2): 120-125.

26. Панов А.В., Дикалов С.И., Даренская М.А., Рычкова Л.В., Колесникова Л.И., Колесников С.И. Митохондрии: старение, метаболический синдром и сердечно-сосудистая патология. Становление новой парадигмы. Acta biomedica scientifica. 2020; 5(4): 33-44. doi: 10.29413/ABS.2020-5.4.5

27. Darenskaya M, Rychkova L, Semenova N, Belkova N, Kolesnikova L. The role of oxidative stress and changes in the composition of the gut microbiota in the genesis of adolescent obesity. Int J Biomed. 2022; 12(3): 344-348. doi: 10.21103/Article12(3)_RA3

28. Diaz De Barboza G, Guizzardi S, Moine L, Tolosa De Talamoni N. Oxidative stress, antioxidants and intestinal calcium absorption. World J Gastroenterol. 2017; 23(16): 2841. doi: 10.3748/wjg.v23.i16.2841

29. Gao T, Wang Z, Cao J, Dong Y, Chen Y. Melatonin attenuates microbiota dysbiosis of jejunum in short-term sleep deprived mice. J Microbiol. 2020; 58(7): 588-597. doi: 10.1007/s12275-020-0094-4

30. Yin J, Li Y, Han H, Chen S, Gao J, Liu G, et al. Melatonin reprogramming of gut microbiota improves lipid dysmetabo lism in high‐fat diet‐fed mice. J Pineal Res. 2018; 65(4): e12524. doi: 10.1111/jpi.12524

31. Zhang H, Liu X, Zheng Y, Zha X, Elsabagh M, Zhang Y, et al. Effects of the maternal gut microbiome and gut-placental axis on melatonin efficacy in alleviating cadmium-induced fetal growth restriction. Ecotoxicol Environ Saf. 2022; 237: 113550. doi: 10.1016/j.ecoenv.2022.113550

32. Zhang SL, Bai L, Goel N, Bailey A, Jang CJ, Bushman FD, et al. Human and rat gut microbiome composition is maintained following sleep restriction. Proc Natl Acad Sci. 2017; 114(8). doi: 10.1073/pnas.1620673114

33. Xu P, Wang J, Hong F, Wang S, Jin X, Xue T, et al. Melatonin prevents obesity through modulation of gut microbiota in mice. J Pineal Res. 2017; 62(4): e12399. doi: 10.1111/jpi.12399

34. Benedict C, Vogel H, Jonas W, Woting A, Blaut M, Schürmann A, et al. Gut microbiota and glucometabolic alterations in response to recurrent partial sleep deprivation in normal-weight young individuals. Mol Metab. 2016; 5(12): 1175-1186. doi: 10.1016/j.molmet.2016.10.003

35. Park YS, Kim SH, Park JW, Kho Y, Seok PR, Shin J-H, et al. Melatonin in the colon modulates intestinal microbiota in response to stress and sleep deprivation. Intest Res. 2020; 18(3): 325-336. doi: 10.5217/ir.2019.00093

36. Paulose JK, Wright JM, Patel AG, Cassone VM. Human gut bacteria are sensitive to melatonin and express endogenous circadian rhythmicity. PLos One. 2016; 11(1): e0146643. doi: 10.1371/journal.pone.0146643

37. Song L, He M, Sun Q, Wang Y, Zhang J, Fang Y, et al. Roseburia hominis increases intestinal melatonin level by activating p-CREB-AANAT Pathway. Nutrients. 2021; 14(1): 117. doi: 10.3390/nu14010117

38. Gao T, Wang Z, Dong Y, Cao J, Chen Y. Melatonin-mediated colonic microbiota metabolite butyrate prevents acute sleep deprivation-induced colitis in mice. Int J Mol Sci. 2021; 22(21): 11894. doi: 10.3390/ijms222111894

39. Zhao Z, Yuan X, Cui Y, Liu J, Shen J, Jin B, et al. Melatonin mitigates oxazolone-induced colitis in microbiota-dependent manner. Front Immunol. 2022; 12: 783806. doi: 10.3389/fimmu.2021.783806

40. Huang X, Qiu Y, Gao Y, Zhou R, Hu Q, He Z, et al. Gut microbiota mediate melatonin signalling in association with type 2 diabetes. Diabetologia. 2022; 65(10): 1627-1641. doi: 10.1007/s00125-022-05747-w

41. Hua X, Zhu J, Yang T, Guo M, Li Q, Chen J, et al. The gut microbiota and associated metabolites are altered in sleep disorder of children with autism spectrum disorders. Front Psychiatry. 2020; 11: 855. doi: 10.3389/fpsyt.2020.00855

42. Iesanu MI, Zahiu CDM, Dogaru I-A, Chitimus DM, Pircalabioru GG, Voiculescu SE, et al. Melatonin–microbiome two-sided interaction in dysbiosis-associated conditions. Antioxidants. 2022; 11(11): 2244. doi: 10.3390/antiox11112244

43. Wang T, Wang Z, Cao J, Dong Y, Chen Y. Melatonin prevents the dysbiosis of intestinal microbiota in sleep-restricted mice by improving oxidative stress and inhibiting inflammation. Saudi J Gastroenterol. 2022; 28(3): 209. doi: 10.4103/sjg.sjg_110_21

44. Wrzosek L, Miquel S, Noordine M-L, Bouet S, ChevalierCurt MJ, Robert V, et al. Bacteroides thetaiotaomicron and Faecalibacterium prausnitzii influence the production of mucus glycans and the development of goblet cells in the colonic epithelium of a gnotobiotic model rodent. BMC Biol. 2013; 11(1): 61. doi: 10.1186/1741-7007-11-61

45. Gao T, Wang Z, Cao J, Dong Y, Chen Y. Melatonin alleviates oxidative stress in sleep deprived mice: Involvement of small intestinal mucosa injury. Int Immunopharmacol. 2020; 78: 106041. doi: 10.1016/j.intimp.2019.106041

46. Wu Y, He F, Zhang C, Zhang Q, Su X, Zhu X, et al. Melatonin alleviates titanium nanoparticles induced osteolysis via activation of butyrate/GPR109A signaling pathway. J Nanobiotechnology. 2021; 19(1): 170. doi: 10.1186/s12951-021-00915-3

47. Bishayi B, Adhikary R, Nandi A, Sultana S. Beneficial effects of exogenous melatonin in acute Staphylococcus Aureus and Escherichia Coli infection-induced inflammation and associated behavioral response in mice after exposure to short photoperiod. Inflammation. 2016; 39(6): 2072-2093. doi: 10.1007/s10753-0160445-9

48. He F, Wu X, Zhang Q, Li Y, Ye Y, Li P, et al. Bacteriostatic potential of melatonin: therapeutic standing and mechanistic insights. Front Immunol. 2021; 12: 683879. doi: 10.3389/fimmu.2021.683879

49. Luo H, Schneider K, Christensen U, Lei Y, Herrgard M, Palsson BØ. Microbial synthesis of human-hormone melatonin at gram scales. ACS Synth Biol. 2020; 9(6): 1240-1245. doi: 10.1021/acssynbio.0c00065

50. Anderson G, Rodriguez M, Reiter RJ. Multiple sclerosis: Melatonin, orexin, and ceramide interact with platelet activation coagulation factors and gut-microbiome-derived butyrate in the circadian dysregulation of mitochondria in glia and immune cells. Int J Mol Sci. 2019; 20(21): 5500. doi: 10.3390/ijms20215500

51. Jin CJ, Engstler AJ, Sellmann C, Ziegenhardt D, Landmann M, Kanuri G, et al. Sodium butyrate protects mice from the development of the early signs of non-alcoholic fatty liver disease: Role of melatonin and lipid peroxidation. Br J Nutr. 2016; 116(10): 1682-1693. doi: 10.1017/S0007114516004025

52. Baumann A, Jin C, Brandt A, Sellmann C, Nier A, Burkard M, et al. Oral supplementation of sodium butyrate attenuates the progression of non-alcoholic steatohepatitis. Nutrients. 2020; 12(4): 951. doi: 10.3390/nu12040951

53. Averina OV, Kovtun AS, Polyakova SI, Savilova AM, Rebrikov DV, Danilenko VN. The bacterial neurometabolic signature of the gut microbiota of young children with autism spectrum disorders. J Med Microbiol. 2020; 69(4): 558-571. doi: 10.1099/jmm.0.001178

54. Kovtun AS, Averina OV, Angelova IY, Yunes RA, Zorkina YA, Morozova AY, et al. Alterations of the composition and neurometabolic profile of human gut microbiota in major depressive disorder. Biomedicines. 2022; 10(9): 2162. doi: 10.3390/biomedicines10092162