Peculiarities of the relationship between microbiome, matrix metalloproteinases and morphological changes of epithelium in patients with functional and organic intestinal pathology

Abstract

Intestinal dysbiosis has recently been considered as one factor that significantly impacts the development of both functional and organic intestinal pathology. Therefore, determining the relationships between the microbiota, morphological changes in the epithelium, and immune abnormalities that may occur under the influence of microbiotic disorders can help to identify a predisposition to intestinal diseases and correct treatment in a timely manner. The aim of our study was to investigate in patients with irritable bowel syndrome (IBS), ulcerative colitis (UC) and adenomatous colon polyps (ACP) in Poltava Region the possibility of a relationship between intestinal dysbiosis activity of matrix metalloproteinases -1,-3,-9, tissue inhibitor of matrix metalloproteinases-1 in blood serum, morphological changes and the degree of accumulation of mucins MUC1 and MUC5AC in the intestinal epithelium. The study was conducted in 127 patients with IBD, UC, and ACP; the control groups consisted of 34 healthy individuals and 18 patients with CRC. The most pronounced abnormalities in the microbiota were found in patients with UC with high disease activity (p≤0.05), in the general group of patients with UC (p≤0.01) (r=0.69) and in patients with CP that occurred on the background of IBS compared to the groups of IBS and CP (p≤0.05) (r=0.88). In dysbiosis of II and III degrees, the amount of MMP-1 in the blood increased in all patients, most pronouncedly in UC (p≤0.001) and with high UC activity (p≤0.01). The average content of MMP-9 in all patients went beyond the range of fluctuations of reference values, most pronounced in UC (p≤0.01) (r=+0.61). Among the examined groups, the association of dysbiosis of II and III degrees with severe acuteness of the CM lesion in UC (p≤0.05) and a sharp decrease in the PAS response of goblet cells (p≤0.05) and with moderate acuteness of the process in IBS (p≤0.001) was revealed. In patients with UC with II and III degrees of dysbiosis, the frequency of detection of weak or absent MUC1 expression in the crypt epithelium significantly increased compared with the first degree of dysbiosis (p≤0.05), which worsened the protective functions of the intestinal mucosal barrier. The data obtained indicate the presence of a relationship between the increase in the degree of dysbiosis, the quantitative content of serum matrix metalloproteinases MMP-1,-9 and the increase in the severity of colon epithelial damage, most pronounced in patients with UC. The detected changes have a negative prognosis for the course and progression of intestinal diseases and require the development of corrective therapy.

Кишковий дисбіоз останнім часом розглядається як один із чинників, який має суттєвий вплив на розвиток як функціональної так і органічної патології кишечника. Тому визначення взаємозв’язків між мікробіотою, морфологічними змінами епітелію та імунними відхиленнями, які можуть виникнути під впливом мікробіотичних порушень, можуть своєчасно допомогти виявити схильність до кишкових захворювань та провести корекцію лікування. Метою наших досліджень було дослідити у пацієнтів із синдромом подразненої кишки (СПК), неспецифічним виразковим колітом (НВК) та аденоматозними поліпами товстої кишки (АПТК) Полтавського регіону можливість взаємозв’язків між кишковим дисбіозом, активністю матриксних металопротеїназ -1,-3,-9, тканинним інгібітором матриксних металопротеїназ-1 сироватки крові, морфологічними змінами та ступенем накопичення муцинів MUC1 і MUC5AC у епітелії кишечника. Обстеження проведено у 127 пацієнтів із СПК, НВК, АПТК, контрольні групи склали 34 здорові особи та 18 пацієнтів із КРР. Найбільш виражені відхилення у мікробіоті визначено у хворих на НВК із високою активність хвороби (p≤0,05), в загальній групі хворих на НВК (p≤0,01) (r=0,69) та у хворих на ПТК, що виникли на фоні СПК, в порівнянні із групами СПК та ПТК (p≤0,05) (r=0,88). При дисбактеріозі ІІ та ІІІ ступенів зростала кількість ММР-1 у крові серед всіх пацієнтів, найбільш виражено при НВК (p≤0,001) та при високій активності НВК (p≤0,01). Середній вміст ММР-9 у всіх хворих виходив за межі коливання референтних значень, найбільш виражено при НВК (р≤0,01) (r=+0,61). Серед обстежених груп виявлено асоціацію дисбіозу ІІ та ІІІ ступенів із вираженою гостротою процесу ураження СОТК при НВК (р≤0,05) і різким зниженням PAS-реакції келихоподібних клітин (р≤0,05) та із помірною гостротою процесу при СПК (р≤0,001). У хворих із НВК при ІІ та ІІІ ступенях дисбіозу достовірно зростала частота виявлення слабкої або відсутньої експресії MUC1 в епітелії крипт, порівнюючи із І ступенем дисбіозу (р≤0,05), що погіршувало захисні функцій слизового бар’єру кишечника. Отримані дані свідчать про наявність взаємозв’язку між зростанням ступеню дисбіозу, кількісним вмістом матриксних металопротеїназ ММР-1,-9 сироватки крові та підсиленням гостроти ураження епітелію товстої кишки, найбільш виражено у пацієнтів із НВК. Виявлені зміни мають негативний прогноз, щодо перебігу та прогресування кишкових захворювань і потребують розробки коригуючої терапії.