Введение

Пластик представляет собой широкий спектр синтетических или полусинтетических материалов, основой которого являются полимеры. Широкое использование пластика в промышленности и других сферах деятельности человека связано с такими его свойствами, как легкость, устойчивость к разрушению, высокая пластичность, упругость, химическая и радиационная стойкость, незначительные электропроводность и теплопроводность, низкая стоимость. При этом свойства пластика могут значительно варьировать. Известны очень гибкие полимеры, такие как полиэтилен (ПЭ) или полиэстер, и очень прочные, например полиуретан. Ежегодное производство пластика растет с середины XX века. Со временем в окружающей среде накапливается все большее количество пластиковых отходов, которые плохо подвергаются процессам разложения. Согласно современным представлениям, к нанопластикам относят частицы с размерами от 0,001 до 1 мкм, а к микропластикам (МП) — от 1 до 1000 мкм (от 0,001 до 1 мм). Загрязнение окружающей среды МП является глобальной экологической проблемой, вызывающей серьезные последствия, такие как изменение климата, разрушение озонового слоя и подкисление океана [1—4].

Впервые термин «микропластики» ввел профессор Ричард Томпсон из Плимутского университета в Великобритании в 2004 г. Известны два типа МП — первичные и вторичные. Первичные МП — крошечные кусочки пластика, которые используются в косметике и бытовой химии. Вторичные МП — мелкие кусочки пластика, которые образуются при разложении более крупных пластиковых отходов под воздействием биологических, фотохимических и физических факторов. Пластик очень устойчив к разложению и сохраняется в окружающей среде в течение длительного времени, что приводит к неизбежному попаданию МП в пищевую цепочку человека [5]. При попадании в организм человека с продуктами животного и растительного происхождения, питьевой водой, пищевыми добавками, напитками и продуктами из пластиковой упаковки МП быстро усваиваются клетками [6, 7].

Наличие МП обнаружено в крови человека, тканях толстой кишки и кале, что вызывает обеспокоенность ученых в отношении изучения потенциального его воздействия на здоровье организма [7, 8]. Определение опасности для здоровья, которую представляют МП для людей, является проблемой мирового масштаба.

На сегодняшний день имеется небольшое количество данных о том, что происходит с частицами МП в желудочно-кишечном тракте (ЖКТ) человека, который первым контактирует с чужеродными агентами при попадании их внутрь с пищей и водой. В дальнейшем МП сталкиваются с кишечным барьером, состоящим из кишечного эпителия, слизи и микробиоты кишечника, которые препятствуют проникновению в организм хозяина экзогенных агрессоров в виде инородных частиц и патогенов. Сообщается, что МП могут преодолевать защитные барьеры организма, проникать в органы и ткани и накапливаться в них, влияя на метаболизм и функции клеток, вызывать развитие воспалительных заболеваний кишечника (ВЗК), иммунную и эндокринную патологию, бесплодие, запускать онкологический процесс [9].

Известно, что ВЗК являются тяжелой патологией со сложным взаимодействием этиопатогенетических механизмов, включающих генетические, микробные и экологические факторы [10]. В патогенезе ВЗК важную роль играют нарушения регуляции иммунной системы и изменения состава кишечной микробиоты [11—13]. За последние десятилетия отмечается значительный рост заболеваемости и распространенности ВЗК в популяции, что часто связывают с изменением окружающей среды, включая пищевые факторы [14—17]. Увеличение объемов пластиковых отходов и непосредственное воздействие МП на ЖКТ человека может быть причиной роста распространенности ВЗК. Актуальным направлением исследований является изучение влияния МП на здоровье человека путем их воздействия на кишечную микробиоту, функционирование кишечного барьера и развитие воспаления.

Цель обзора — обобщить современные экспериментальные и клинические данные о роли микропластиков в патогенезе воспалительных заболеваний кишечника.

Основные положения

Наиболее широко производимый синтетический пластик на нефтяной основе известен как ПЭ, он используется для производства одноразовых изделий, предметов упаковки, таких как бутылки, пакеты, контейнеры для хранения продуктов. Установлено, что пакеты из ПЭ — наиболее распространенная форма МП в мире, они являются фактором риска развития кишечных заболеваний. В некоторых странах продажа пакетов из ПЭ запрещена. Упаковочные пластиковые изделия могут выделять МП в результате механического истирания или старения, а многоразовые пластиковые емкости могут быть загрязнены в процессе их повторного наполнения. Это подтверждается обнаружением частиц МП в питьевой воде, расфасованной в бутылки из пластика, в продуктах питания и дальнейшим поступлением в организм человека [4, 9, 18].

Наночастицы и МП напрямую вызывают физические повреждения пищеварительного тракта, которые могут привести к воспалению. Современные данные свидетельствуют о том, что избыточное образование активных форм кислорода (АФК) и окислительный стресс являются важными факторами, связанными с неблагоприятным воздействием МП на ткани и органы. Как известно, АФК содержатся в незначительных количествах во всех пластмассах из-за особенностей их полимеризации и переработки. В то же время АФК служат важнейшими сигнальными молекулами, ответственными за последующую воспалительную реакцию, активацию апоптоза и нарушение липидного обмена. Данные процессы также лежат в основе патогенеза ВЗК [19].

Вследствие большой удельной площади поверхности, малого размера частиц, гидрофобности и низкой биоразлагаемости МП легко адсорбируют и переносят на себе окружающие их органические загрязнители, повышая их токсичность. Это относится и к антибиотикам, что представляет серьезную угрозу для здоровья человека при поступлении МП внутрь с пищей или при вдыхании [20, 21].

Кроме того, МП представляют собой новую среду обитания для микроорганизмов. В водной среде МП, обладающие устойчивой твердой поверхностью, обеспечивают уникальную структуру для колонизации микроорганизмами, образуя экологическую нишу и поддерживая рост биопленки. Микроорганизмы (водоросли, простейшие, грибы, бактерии и даже вирусы), находящиеся на биопленке МП, могут эффективно покрывать его поверхность и влиять на его деградацию, адсорбцию, транспортировку, осаждение и многие другие процессы в окружающей среде [19, 21]. Повышенное количество колоний патогенных бактерий человека из родов Pseudomonas и Vibrio обнаружено на МП [22]. Установлено, что род Pseudomonas доминировал в составе патогенных для человека бактерий на МП в сравнении с образцами воды и осадка [23].

В 2006 г. в качестве новых загрязнителей окружающей среды рассмотрены гены антибиотикорезистентности (АРГ). В основном АРГ содержатся в водной среде и могут возникать из генетических элементов другого организма (горизонтальный перенос генов), распространяться от бактерии к бактерии в результате их естественного размножения и репликации (вертикальный перенос генов) или в результате мутаций в уже существующих функциональных генах в геноме микроорганизма. Доказано, что МП увеличивает распространенность АРГ среди бактерий в окружающей среде. Установлено, что в состав биопленок, находящихся на МП в водной среде, входит в тысячи раз больше бактерий, устойчивых к воздействию антибиотиков, чем в окружающей воде. Сосуществование на МП колоний бактерий и антибиотиков приводит к образованию у микроорганизмов АРГ и развитию их устойчивости к воздействию антибиотиков [18, 21, 22].

Подобные тенденции отмечены и в почвенной среде, где различные типы МП, как обычные, так и биоразлагаемые, значительно увеличивают количество АРГ, которые могут передаваться от почвы к растениям, животным и людям. Кроме того, АРГ могут подвергаться обширному горизонтальному переносу среди микробиома в почве, загрязненной МП [3, 19], что также представляет собой серьезную проблему для продовольственной безопасности и здоровья людей.

Воздействие МП вызывает интенсивную метаболическую активность, которая влияет на распространение АРГ. Так, разлагаемые пластики могут служить потенциальным источником углерода для почвенных бактерий, оказывая на них выраженное стимулирующее воздействие. Усиление метаболической активности микроорганизмов в условиях увеличения количества МП также влияет на распространение АРГ [18, 24]. В качестве исходных источников генов антибиотикорезистентности рассматриваются такие микроорганизмы, как Flavobacterium и Chryseobacterium, которые в большом количестве содержатся на МП. По мере того как популяция бактерий на МП становится более плотной, скорость горизонтального переноса АРГ на мобильные генетические элементы (МГЭ) между таксонами увеличивается. На МП наблюдается большая частота МГЭ, что свидетельствует о более высокой скорости горизонтального переноса АРГ и может способствовать распространению бактерий, резистентных к воздействию антибиотиков не только в бактериальных сообществах на МП, но и в окружающей среде. Высокая скорость переноса АРГ на МП благоприятствует росту бактериальных популяций, не чувствительных к воздействию антибиотиков. Увеличение разнообразия МП способствует образованию биопленки таких патогенных бактерий, как Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa и Vibrio cholerae. Установлено, что бактериальные сообщества в составе биопленки на МП могут вырабатывать устойчивость к антибиотикам в 1000 раз быстрее, чем планктонные клетки [18]. Поступление микроорганизмов, содержащих АРГ, в организм человека может снижать эффективность использования антибиотиков, отягощая течение инфекционной патологии [20]. Избыточное образование АФК может способствовать горизонтальному переносу генов за счет повышения проницаемости клеточных мембран. В свою очередь, избыточное образование АФК в микробиоме, вероятно, является причиной увеличения количества АРГ, вызванного МП. Различные типы МП обусловливают разный уровень окислительного стресса, и более высокое разнообразие МП может усиливать этот стресс, играя важную роль в увеличении количества АРГ в почве [18, 24].

Следует также обратить внимание на проблемы, связанные с токсичностью нанопластиков, поскольку процессы окисления и окислительного растворения обладают потенциалом для уменьшения размеров МП и получения нанопластиков. Эндоцитоз — один из способов проникновения нанопластиков в клетки млекопитающих, он вызывает развитие окислительного стресса. Нанопластики могут оказывать воздействие на врожденную иммунную систему рыб и млекопитающих, включая человека [19].

Обнаружено, что наличие пластиковых отходов в океанской воде создает условия для накопления различных видов микроорганизмов, которые обычно не встречаются в естественном морском субстрате, что приводит к образованию особого сообщества, известного как пластисфера. Пластисфера может способствовать образованию парниковых газов, усиленному росту патогенных и инвазивных штаммов, изменению привычек питания животных. Сообщается, что ПЭ является наиболее распространенным полимерным материалом, обнаруженным в реках. В пресной воде и водопроводной воде чаще всего встречаются полимерные материалы из ПЭ, он находится в большом количестве в рыбных продуктах или съедобных моллюсках. В то же время в атмосферных осадках содержится вторая по величине концентрация ПЭ. Обнаружено, что пищевые продукты также могут содержать МП из ПЭ. Широкое использование ПЭ пленок в пищевой упаковке для консервации, хранения и транспортировки продуктов является одной из причин поступления МП из ПЭ в продукты питания. Загрязнение окружающей среды и продуктов питания вызывает повышенное поступление МП в организм, оказывая воздействие на здоровье человека. Установлено, что МП из ПЭ является наиболее распространенным типом полимеров в человеческих фекалиях [24].

В совокупности недавние исследования показывают, что воздействие МП из ПЭ представляет значительную опасность для здоровья кишечника человека.

В исследовании Z. Yan и соавт. проанализированы характеристики МП в фекалиях пациентов с ВЗК и здоровых людей. Авторами впервые обнаружено, что концентрация МП в фекалиях пациентов с ВЗК (41,8 частиц/г сухого вещества) была значительно выше, чем у здоровых людей (28,0 частиц/г сухого вещества). В общей сложности в фекалиях пациентов обнаружено 15 видов МП, из которых преобладали ПЭ (22,3—34,0%) и полиамид (8,9—12,4%). Установлена положительная корреляционная связь между концентрацией МП в фекалиях и тяжестью ВЗК. На основе анкетирования и изучения характеристик МП в фекалиях исследователи пришли к выводу, что пластиковая упаковка для питьевой воды и продуктов питания, а также воздействие пыли являются важными источниками воздействия МП на человека. Кроме того, положительная корреляционная связь между содержанием МП в фекалиях и наличием ВЗК позволяет предположить, что воздействие МП может играть определенную роль в патогенезе воспаления в кишечнике, и это должно быть предметом дальнейшего изучения [8].

N. Zolotova и соавт. в модели на мышах установили, что МП полистирола диаметром 5 мкм в дозе 2,3 мг на 1 кг массы тела в сутки при воздействии в течение 6 нед вызывает изменения в слизистой оболочке толстой кишки, характеризующиеся увеличением количества эндокринных клеток, содержания высокосульфатированных муцинов бокаловидных клеток и количества клеток в собственной пластинке на фоне уменьшения доли макрофагов. Авторы приходят к выводу, что потребление МП полистирола приводит к более тяжелому течению колита, индуцированного декстрансульфатом натрия (DSS), который характеризуется большей распространенностью язвенного воспалительного процесса и снижением содержания нейтральных муцинов в бокаловидных клетках [25].

Исследование S. Liu и соавт., проведенное на модели монослоя клеток Caco-2, показало, что обработка МП из полистирола пищеварительными ферментами уменьшала вызываемое ими повреждение клеток и нарушение транспортной функции МП. При этом обработка в процессе пищеварения увеличила провоспалительные эффекты, вызванные МП. Следует отметить, что модели in vitro данного исследования включали только клетки Caco-2. Как важный барьер организма, кишечный эпителий реагирует на воздействие патогенов, секретируя цитокины и хемокины, которые могут инициировать иммунный ответ в течение короткого времени. Несмотря на то что воспаление развилось, отсутствие иммунных клеток привело к определенным различиям по сравнению с исследованием in vivo. В дальнейшем использование системы совместного культивирования клеток Caco-2 и иммунных клеток поможет изучить комплексные ответы на воздействие МП. Авторы делают вывод, что при оценке риска для здоровья при пероральном воздействии МП следует учитывать процесс пищеварения [26].

Исследование, проведенное A. Tamargo и соавт. по изучению воздействия МП из ПЭ на человека, установило, что различные виды кишечных микробов человека, такие как E. coli, P. aeruginosa и Staphylococcus epidermidis, способны прилипать к поверхности МП и даже образовывать биопленки. Выявлено влияние МП как на состав, так и на разнообразие микробных сообществ толстой кишки. Изменения в составе кишечной микробиоты характеризовались снижением индексов альфа-разнообразия и увеличением соотношения Firmicutes/Bacteroidetes. В частности, установлено снижение общего количества Bifidobacterium spp. и Clostridium spp. Выявленное снижение уровней Bacteroides, Parabacteroides и Alistipes позволяет предположить, что МП могут оказывать важное антибактериальное действие на этих ключевых членов микробиоты кишечника на фоне относительного увеличения других условно-патогенных микроорганизмов типа Firmicutes, таких как Phascolarctobacterium, Lachnoclostridium и Megasphaera. Изменение пропорций микробных представителей после воздействия МП будет оказывать влияние не только на поддержание баланса микробных сообществ кишечника, но и на его иммунный гомеостаз и барьерную функцию, дисбаланс которых может быть связан с развитием ВЗК. Более того, увеличение содержания представителей Proteobacteria и Desulfobacterota (ранее — Deltaproteobacteria), которое характеризовалось увеличением соотношения Escherichia/Shigella и Bilophila, также рассматривается в качестве микробиологического маркера воспаления в кишечнике и повышения риска развития ВЗК и колоректального рака [1].

S. Xie и соавт. в моделях колита у мышей при воздействии МП из ПЭ выявили незначительное повышение в толстой кишке уровней интерлейкина (IL)-1β и IL-6, а также снижение содержания бокаловидных клеток. При обработке МП наблюдалось увеличение количества и глубины крипт, повышение уровней маркеров кишечных стволовых клеток в сочетании с экспрессией ядерного антигена пролиферирующих клеток и протоонкогена c-Myc. Данные результаты показали, что эпителий толстой кишки после воздействия МП находится в чрезвычайно активном состоянии пролиферации. Дополнительно отмечено, что влияние МП на пролиферацию и дифференцировку крипт регулируется чрезмерной активацией сигнального пути Notch в кишечных органоидах. Кроме того, воздействие МП ускорило развитие колита с тяжелой потерей веса, диареей и кровавым стулом, макроскопическими и патологическими повреждениями и высоким уровнем воспаления. Полученные результаты свидетельствуют о том, что МП нарушил баланс между самообновлением и дифференцировкой эпителия толстой кишки, которые находятся в хрупком равновесии, что усугубляет развитие колита и может быть фактором риска развития заболеваний, связанных с воздействием факторов окружающей среды [27].

В исследовании M. Djouina и соавт. изучено влияние воздействия МП из ПЭ на гомеостаз кишечника на мышиных моделях. Животные в течение 6 нед подвергались пероральному воздействию микрогранул ПЭ двух размеров, 36 мкм и 116 мкм, которые соответствуют обнаруженным в человеческом стуле. Оба размера микрогранул ПЭ найдены в стуле мышей. Кишечные расстройства наблюдались после воздействия микрошариков ПЭ каждого размера, наиболее выраженные негативные эффекты обнаружены у мышей, подвергшихся комбинированному воздействию. На морфологическом уровне глубина крипт увеличивалась по всему кишечнику. Поступление в организм МП из ПЭ привело к повышению проницаемости кишечной стенки и росту воспалительных биомаркеров. Обнаружено, что воздействие МП влияет на несколько бактериальных таксонов микробиоты слепой кишки с ростом штаммов, связанных с развитием воспаления в кишечнике. Кроме того, воздействие ПЭ уменьшало количество защитных бактерий Lactobacillales и увеличивало количество Rhodospirillales. Эти результаты показывают, что прием микрошариков ПЭ вызывает значительные изменения важнейших кишечных маркеров у мышей, и подчеркивают необходимость дальнейшего изучения воздействия МП на здоровье людей [28].

E. Fournier и соавт. изучили влияние многократного воздействия МП из ПЭ на микробиоту кишечника человека и кишечный барьер с использованием искусственной модели толстой кишки взрослого человека и на культуре эпителиальных клеток кишечника. Установлено, что воздействие МП из ПЭ вызывало увеличение численности потенциально вредных патобионтов, таких как Desulfovibrionaceae и Enterobacteriaceae, а также уменьшение количества полезных бактерий, таких как Christensenellaceae и Akkermansiaceae. Выработка короткоцепочечных жирных кислот кишечной микробиотой человека после воздействия ПЭ МП существенно не изменилась, но увеличилась выработка индола и скатола, что может быть связано с увеличением популяции Desulfovibrio. Скатол не обнаружен в толстом кишечнике во время ферментации у здоровых людей, но выявлен в значительных концентрациях в кишечнике пациентов с ВЗК. При этом не было существенного влияния МП из ПЭ, опосредованного изменениями в кишечных микробных метаболитах, на кишечный барьер. Такое быстрое увеличение содержания индола или скатола в организме после воздействия МП из ПЭ позволяет предположить, что нарушение регуляции ЖКТ может быть вызвано микробиотой [29].

Заключение

Объем микропластиков в качестве новых загрязняющих веществ будет постоянно увеличиваться на фоне глобального роста производства и использования пластмасс, что может серьезно повлиять на экосистемы. Токсическое воздействие микропластиков, изменение микробиоты кишечника, вызванное ими, нарушает иммунный гомеостаз и целостность кишечного эпителия, повышая риск развития воспалительных заболеваний кишечника. За исключением характеристик структуры самих микропластиков, информация о взаимодействии материалов с организмом человека остается ограниченной, что указывает на необходимость проведения дальнейших исследований.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.