Юдина Ю.В.

ФГАОУ ВО «Первый МГМУ им. И.М. Сеченова» Минздрава России, Москва, Россия

Корсунский А.А.

ФГАОУ ВО «Первый Московский государственный медицинский университет им. И.М. Сеченова» Минздрава России, Москва, Россия; ГБУЗ «Детская городская клиническая больница №9 им. Г.Н. Сперанского» Департамента здравоохранения Москвы, Москва, Россия

Аминова А.И.

ФГАОУ ВО «Первый Московский государственный медицинский университет им. И.М. Сеченова» Минздрава России, Москва, Россия; ГБУЗ города Москвы «Детская городская клиническая больница им. Г.Н. Сперанского» Департамента здравоохранения города Москвы, Москва, Россия

Абдуллаева Г.Д.

ООО «Медквадрат», Москва, Россия

Продеус А.П.

ГБОУ ВПО «Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н.И. Пирогова» Минздрава России, Москва, Россия; ГБУЗ Москвы «Детская городская клиническая больница №9 им. Г.Н. Сперанского» Департамента здравоохранения Москвы, Москва, Россия

Микробиота кишечника как отдельная система организма

Журнал: Доказательная гастроэнтерология. 2019;8(4): 36-43

Просмотров : 3752

Загрузок : 133

Как цитировать

Юдина Ю. В., Корсунский А. А., Аминова А. И., Абдуллаева Г. Д., Продеус А. П. Микробиота кишечника как отдельная система организма. Доказательная гастроэнтерология. 2019;8(4):36-43.
Yudina Yu V, Korsunsky A A, Aminova A I, Abdullaeva G D, Prodeus A P. Gut microbiota as a separate body system. Russian Journal of Evidence-Based Gastroenterology. 2019;8(4):36-43.
https://doi.org/10.17116/dokgastro2019804-05136

Авторы:

Юдина Ю.В.

ФГАОУ ВО «Первый МГМУ им. И.М. Сеченова» Минздрава России, Москва, Россия

Все авторы (5)

В настоящее время организм человека рассматривается с точки зрения симбиотических отношений с населяющим его сообществом микроорганизмов. Данное многокомпонентное сообщество, состоящее из бактерий, археев, вирусов, грибов и простейших, получило название «микробиота». Благодаря техническому прогрессу в последние два десятилетия появились новые методы, позволяющие изучать спектр микроорганизмов без проведения микробиологического культивирования, так как 90% микроорганизмов не культивируются в лабораторных условиях. Молекулярно-генетические методы дали возможность расширить наши знания о таксономическом составе микробиомов и их роли в организме человека. Совокупность новых знаний о микробиоте кишечника позволяет рассматривать ее как отдельный орган или систему организма, связанную функционально с другими системами и играющую огромную роль в поддержании гомеостаза.

Согласно уточненным подсчетам, общая масса микробиоты человека составляет приблизительно 0,2 кг [1]. В организме человека содержится порядка 3,8·1013 бактерий, что равно количеству собственных клеток организма. В организме человека выделяют несколько биотопов, имеющих микробное население.

В совокупном геноме кишечных микроорганизмов, метагеноме, насчитывается порядка 10 млн генов, что превосходит человеческий геном по объему более чем в 100 раз [2]. Следует отметить, что микробиоте свойственна функциональная избыточность — многие из генов в метагеноме являются аналогами, содержащимися в геномах бактерий различных видов, поэтому реальное метаболическое превосходство несколько ниже [3].

Микробиота желудочно-кишечного тракта представляет собой сложнейшую микробную экосистему. Количество микробных клеток и видовое разнообразие различных отделов желудочно-кишечного тракта сильно различаются.

Желудочно-кишечный тракт наиболее населен микроорганизмами. Полость рта заселяется бактериями сразу после рождения и у взрослого человека может включать порядка 230 родов и более 600 различных видов бактерий [4]. Микробиота полости рта представлена в основном бактериями рода Streptococcus, Veillonella, Selenomonas, Gemella, Fusobacterium и Prevotella [5]. Микробиота пищевода характеризуется уникальным таксономическим составом с преобладанием стрептококков и превотелл [6]. Нормальную микрофлору желудка составляют Streptococcus, Helicobacter, Clostridium, Lactobacillus и Veillonella [7]. Микробные сообщества также населяют желчный пузырь. В микробиоте желчного пузыря преобладают типы Proteobacteria, Firmicutes, Bacteroidetes и Actinobacteria [8]. На таксономический состав и разнообразие микробиоты желчи влияют пол, гельминтная инвазия, болезни печени и общее состояние желчевыводящей системы [9].

Однако наиболее важным биотопом человеческого организма является кишечник, в состав которого входит более 700 родов бактерий и 2500 различных видов микроорганизмов [10]. Сходство с системой или тканью организма создает специфическая структура пристеночного геля, в котором бактерии располагаются в строгой последовательности на расстоянии, равном размеру микробной клетки, и группируются в отдельные функциональные группы. Химус и слизистый слой являются питательным субстратом для бактерий. Роль соединительной ткани выполняет гликокаликс; он является сорбентом-катализатором, на котором происходит связывание нутриентов и их последующее химическое превращение с участием ферментов. Одновременно гликокаликс играет защитную роль, обеспечивая адгезию токсинов, антигенов, антител. Скопление бактерий и их метаболитов в гликокаликсе способствует созданию микроколоний эубиотической флоры. К поверхности гликокаликса прилегает слой слизистого геля толщиной 0,5—5 мм. Основным компонентом геля является муцин, который секретируется бокаловидными клетками. Слизистый гель рассматривается как сорбент с большой емкостью адгезии. Микрофлора, утилизирующая муцин, изменяет его физико-химические свойства и функциональные особенности структуры. Вновь образуемый гель плотно прилегает к гликокаликсу, имеет повышенную плотность, вязкость, нерастворим в воде. По мере продвижения в сторону просвета кишки и в процессе расщепления бактериями он утрачивает эти свойства, переходит в растворимую форму, вязкость его уменьшается — и он отторгается в просвет кишки, что указывает на процессы, идентичные процессам слущивания покровных эпидермальных тканей.

Вегетирующие микробные популяции, входящие в состав пристеночного микробиотопа, не расположены в геле диффузно, в виде биопленки, а образуют отдельные микроколонии, которые неравномерно расположены в толще слизи. Эти микроколонии состоят из сбалансированного набора содружественных членов [11].

Как и любая система организма, микробиота кишечника проходит определенные этапы развития и созревания. Ранее считалось, что плод в утробе матери не встречается с миром микроорганизмов, т. е. рождается полностью стерильным. Однако появились данные, опровергающие эту теорию. Проведенные исследования показали, что в плаценте, околоплодных водах, пуповинной крови, меконии имеются бактерии родов Enterococcus, Escherichia, Leuconostoc, Lactococcus, Streptococcus, Lactobacillus, Photorhabdus и Tannerella [12—16].

Но все же более активное заселение кишечника происходит после рождения. В этом процессе выделяют четыре последовательные временны́е фазы:

— 1-я фаза длится от момента рождения до 2 нед. Спектр микроорганизмов в этот период представлен в основном стрептококками и кишечной палочкой.

— 2-я фаза зависит от вида вскармливания и длится до введения в рацион прикорма. В этой фазе происходит заселение бифидобактериями и лактобактериями, а также в небольших количествах представителями родов Clostridium и Bacteroides.

— 3-я фаза начинается с момента введения прикорма и длится до завершения грудного вскармливания. В это время возрастает численность представителей рода Bacteroides. По мере увеличения в рационе доли твердой пищи и снижения доли грудного молока растет количество бактероидов и анаэробных грамположительных кокков (пептококков и пептострептококков).

— 4-я фаза начинается после окончания грудного вскармливания. Характеризуется относительной стабильностью микробного состава, который сохраняется в течение всей жизни индивида [17].

На формирование микробиоты кишечника большое влияние оказывают следующие факторы: способ родоразрешения, вскармливание, перенесенные заболевания, прием антибиотиков, особенности питания и условия жизни. Ряд исследований показывает, что кишечная микробиота при естественном родоразрешении представлена бактериями рода Escherichia coli и другими энтеробактериями, энтерококками и стафилококками. При оперативном родоразрешении новорожденный в первую очередь встречается с микрофлорой кожных покровов матери и медицинского персонала; это в основном бактерии рода Propionibacterium, Corynebacterium и Streptococcus [18, 19].

С конца первой недели жизни ребенка в кишечной микробиоте начинают доминировать строгие анаэробы (бифидобактерии, бактероиды и клостридии), которые подавляют аэробную флору [20]. У детей, рожденных путем кесарева сечения, формирование кишечной микробиоты происходит дольше и чаще обнаруживаются различные условно-патогенные микробы, такие как Clostridium difficile, Enterococcus, Klebsiella, Streptococcus, Haemophilus и Veillonella [20—22].

Несомненно, вскармливание также влияет на колонизацию микроорганизмов. При грудном вскармливании микробиота кишечника представлена в основном молочнокислыми бактериями, такими как Lactobacillus, Leuconostoc, Streptococcus, Enterococcus, Lactococcus и Weissella, а также некоторыми полезными видами Bifidobacterium [23, 24].

Другие исследования показали, что у детей, получающих молочные смеси, в микробиоте преобладает анаэробная флора — Bacteroides и Clostridium [25].

Применение антибиотиков также оказывает существенное влияние на формирование кишечной микробиоты. Антибактериальная терапия уменьшает общее разнообразие микробиома, смещает состав микробиоты кишечника в сторону высокого содержания протеобактерий и низкого содержания актинобактерий [26].

Процесс формирования микробиоты происходит параллельно и в тесной взаимосвязи с этапами созревания иммунной системы. В старости разнообразие состава микробиоты и ее функционирование снижается [27].

Микробиоту кишечника с точки зрения сходства по составу можно разделить на энтеротипы — это устойчивые композиции микробиоты с определенным таксономическим составом. В 2011 г. многочисленная международная группа ученых из Европейской лаборатории молекулярной биологии (EMBL), используя метод 16S секвенирования РНК, идентифицировала из огромного количества бактерий, колонизирующих желудочно-кишечный тракт, три доминирующих рода микроорганизмов: Bacteroides, Ruminococcus, Prevotella. По мнению авторов [28], энтеротипы не связаны ни с особенностями питания человека, ни с его полом, возрастом или индексом массы тела, хотя данное исследование показало преобладание рода Clostridium у людей пожилого возраста. Однако в ходе последующих исследований три обособленных энтеротипа выявить повторно не удалось. Так, в исследовании G. Wu и соавт. [29] фактически подтверждено существование только двух кластеров, первый из которых представлял собой сочетание энтеротипа Bacteroides с энтеротипом Ruminococcus, поскольку отличительные признаки последнего были слабо выражены, а второй соответствовал энтеротипу Prevotella. При этом указанные энтеротипы были строго связаны с характером питания исследуемых лиц. Другое исследование, проведенное в Республике Корея, показало, что в микробиоте кишечника здоровых корейцев выделяется два энтеротипа: энтеротип 1 с преобладанием Bacteroides (42%) и энтеротип 2 с преобладанием Prevotella (58%) [30]. Энтеротип 3 (Ruminococcus) в данном исследовании не выявили. Кроме того, энтеротип 2 при этом ассоциировался с характером питания. Энтеротипы не коррелировали с такими показателями, как возраст, индекс массы тела, уровень артериального давления, уровень сахара в крови натощак, уровень общего холестерина и триглицеридов.

В российском метагеномном исследовании отмечалось разделение всех образцов на две группы: одну — с преобладанием рода Prevotella (аналог энтеротипа 2), другую — с преобладанием нескольких родов филума Firmicutes (аналог энтеротипа 3). Энтеротипа с преобладанием рода Bacteroides, соответствующего энтеротипу 1, выявить не удалось. Это может быть объяснено высоким уровнем потребления животных белков и жиров и меньшим уровнем потребления клетчатки [31].

В связи с этим предложенная теория не имела успеха в научном сообществе, тем не менее вопрос о возможности разделения микроорганизмов на категории остается открытым. В настоящее время преобладает мнение о том, что микробиота не поддается классификации, а правильнее говорить о непрерывном изменении состава микробиоты в популяции [32].

Таким образом, несмотря на противоречивые данные об энтеротипах, полностью исключить их наличие не представляется возможным. На наш взгляд, более перспективным является изучение метаболических взаимоотношений с организмом человека. Говоря о непрерывном изменении состава микробиоты, необходимо учитывать факторы, влияющие на спектр микроорганизмов, характер питания, возраст, применение лекарственных средств, перенесенные заболевания и прочее. Все это, безусловно, влияет на микробиоту нашего организма.

Как известно, орган — это часть тела, которая не только имеет определенную форму, строение, место расположения, но и выполняет несколько функций. Кишечная микробиота как орган выполняет ряд важных функций (см. рисунок).

Основные функции микробиоты кишечника в организме. КЖК — короткоцепочечные жирные кислоты; NO — оксид азота; H2S — сероводород. КЖК — short chain fatty acids; NO — nitric oxide; H2S — hydrogen sulfide.
В первую очередь кишечные микроорганизмы участвуют в процессе пищеварения, расщепляя неперевариваемые пищевые волокна растительного происхождения [33]. Наибольшими возможностями гидролиза углеводов обладают бактерии родов Bacteroides (крахмал, ксилан), Roseburia (крахмал, ксилан, олигосахариды), Ruminococcus (крахмал, целлюлоза), Bifidobacterium (олигосахариды), Faecalibacterium и Enterobacteria. Такие бактерии, как Akkermansia muciniphila, составляющие около 3% от общего числа бактерий микробиоты человека, способны переваривать муцин — основной гликопротеид мукозного слоя кишечника [34].

Продуктом данного процесса являются короткоцепочечные жирные кислоты (КЖК) — бутират, ацетат, пропионат и другие [35]. КЖК выполняют множество функций в организме, а с точки зрения пищеварения являются одним из главных субстратов, которым питаются колоноциты кишечной стенки человека [36].

В одном из российских исследований оценивались изменения метаболома сыворотки крови и показателей микробиоценоза кишечника у пациентов с язвенным колитом и целиакией. Авторами впервые показано статистически значимое повышение общего количества бутират-продуцирующих бактерий, играющих ключевую роль в энергетическом обеспечении кишечного эпителия [37].

Микробиота также участвует в трансформации желчных кислот, способствуя тем самым формированию мицелл, необходимых для переваривания жиров в кишечнике [38, 39].

Помимо этого, микробиота кишечника участвует в метаболизме липидов, подавляя ингибирование липопротеинлипазы в адипоцитах. Bacteroides thetaiotaomicron способствует гидролизу липидов, увеличивая экспрессию колипазы [40].

Спектр микроорганизмов обладает значительным потенциалом для гидролиза белков, утилизации и синтеза аминокислот. Многие представители микрофлоры кишечника, такие как Prevotella ruminicola, Butyrivibrio fibrisolvens, Megasphaera elsdenii, Mitsuokella multacidas, Selenomonas ruminantium и Streptococcus bovis, несут в геноме множество дипептидилпептидаз и дипептидаз. Основные механизмы катаболизма свободных аминокислот сводятся к декарбоксилированию и деаминированию. Продуктами бактериального гидролиза аминокислот являются азот и газы: водород, углекислый газ, метан и сероводород. Отдельные метаболиты могут быть включены в синтез бутирата, пропионата и ацетата, жирных кислот, органических кислот и так далее [41]. Потенциально микробиота способна гидролизовать все аминокислоты, но предпочтительными субстратами являются глутамин/глутамат, аспарагин/аспартат, лизин, аргинин, глицин, лейцин, валин и изолейцин [42].

Еще одной важной функцией кишечной микробиоты является секреторная функция. Кишечные бактерии синтезируют ряд витаминов и витаминоподобных веществ (витамины группы B, С, К, фолиевой, никотиновой кислот), которые используются как организмом человека, так и микроорганизмами [43]. Только кишечная палочка синтезирует 9 витаминов. Микробиота производит также нейроактивные вещества: норадреналин, серотонин, гамма-аминомасляную кислоту, оксид азота, сероводород [44—46]. Синтез гормонов и биологически активных веществ лежит в основе регуляторного действия микрофлоры на функции внутренних органов и центральной нервной системы [47]. КЖК в свою очередь выполняют регуляторную функцию. Бутират и пропионат влияют на генетическую экспрессию в клетках организма-хозяина, взаимодействуя с ферментом гистондеацетилазой и регулируя фосфорилирование гистонов [48].

Кишечные бактерии способны к синтезу антибактериальных веществ — бактериоцинов, а это необходимо для защиты организма от колонизации патогенными бактериями [49]. Например, КЖК, в частности бутират, оказывают противовоспалительный эффект на слизистую оболочку кишечника за счет супрессии активации NF-κB, что позволяет поддерживать физиологический уровень воспаления, необходимый для защиты от патогенной флоры [50]. К другим полезным качествам бутирата относится потенцирование секреции муцина, снижение pH кишечника, усиление фагоцитоза, укрепление межклеточных соединений в эпителии, что позволяет снижать проницаемость кишечной стенки для бактерий и нарушать бактериальную адгезию к ней [50—53].

КЖК являются единственными известными лигандами для рецептора GPR43, который участвует в регуляции воспаления посредством ингибирования аденилатциклазы и активации фосфолипазы С [54]. Активация данного рецептора рассматривается как один из механизмов взаимодействия макроорганизма и микробиоты, нарушение работы которого приводит к дисбалансу иммунитета и провоспалительному фенотипу [55].

Микробиота кишечника играет важную роль в поддержании иммунной системы человека. Как известно, слизистая оболочка кишечника обладает собственной лимфоидной тканью, известной как GALT (gut-associated lymphoid tissue), которая является одним из важных компонентов иммунной системы макроорганизма. В слизистой оболочке кишечника локализовано около 80% иммунокомпетентных клеток, 25% слизистой оболочки кишечника состоит из иммунологически активной ткани. Таким образом, кишечник можно рассматривать как самый большой иммунный орган человека. Микрофлора участвует в формировании как местного (активация продукции IgА, фагоцитарной активности), так и системного иммунитета. Само наличие бактерий оказывает постоянное антигенное тренирующее действие [56].

Следует также отметить, что иммунная система сама по себе эволюционировала в постоянном присутствии микроорганизмов. В результате этого даже наличие микрофлоры само по себе является одним из важнейших факторов, необходимых для становления иммунитета [57].

Кроме приведенных функций, известно также, что микробиота осуществляет взаимодействие с нервной системой человека. Данное взаимодействие рассматривается в рамках концепции «ось мозг — кишечник» (англ. Gut—Brain Axis) и заключается во взаимном влиянии в системе «микробиота — головной мозг», осуществляемом посредством секреции нейроактивных факторов, изменения напряжения иммунного ответа, регуляции работы кишечника, а также через n.vagus [58].

Ввиду активного участия микробиоты в физиологических процессах, протекающих в организме человека, ее тесной связи с иммунной системой и колонизацией бактерий человек часто рассматривается в качестве «суперорганизма», а микробиота — как квазиорган такого организма и неотъемлемая его часть [59].

Проведя обзор научной литературы, можно утверждать, что в организме нет ни одной функции, на которые бы не влияла микробиота кишечника тем или иным образом. На спектр микрофлоры большое влияние оказывают способ родоразрешения, вскармливание, перенесенные заболевания, прием лекарственных средств, характер питания и условия жизни.

Важным остается вопрос энтеротипов, но, вероятно, больший научный интерес представляет изучение метаболических взаимоотношений с организмом человека. Установлено, что наиболее распространенным спектром микроорганизмов обладает кишечник, в нем осуществляется гидролиз белков, жиров, углеводов, происходит образование короткоцепочечных жирных кислот, необходимых для нормального функционирования кишечной стенки. Нормальная микрофлора обеспечивает синтез многих макро- и микронутриентов (витаминов группы B, С, К, фолиевой, никотиновой кислот), синтез гормонов и биологически активных веществ, а также нейтрализует многие токсические субстраты и метаболиты. Кишечные бактерии способны вырабатывать антибактериальные вещества — бактериоцины, которые необходимы для защиты организма от колонизации патогенными бактериями. Микробиота кишечника также играет важную роль в поддержании иммунной системы человека; благодаря фагоцитарной активности и продукции IgА происходит формирование как местного, так и системного иммунитета.

Таким образом, микробиотоп кишечника имеет свойства органа или системы и отвечает всем требованиям, предъявляемым к системам. Это основные свойства (признаки) систем — целостность и делимость, наличие устойчивых связей, организация и эмерджентность.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

The authors declare no conflict of interest.

Сведения об авторах

Юдина Ю.В. — https://orcid.org/0000-0001-9813-6616; e-mail: yuliayudina1989@mail.ru

Корсунский А.А. — https://orcid.org/0000-0002-9087-1656

Аминова А.И. — https://orcid.org/0000-0002-1951-6424

Абдуллаева Г.Д. — https://orcid.org/0000-0003-0991-4346

Продеус А.П. — e-mail: prodeus@mail.ru

Автор, ответственный за переписку: Юдина Ю.В. — e-mail: yuliayudina1989@mail.ru

Юдина Ю.В., Корсунский А.А., Аминова А.И., Абдуллаева Г.Д., Продеус А.П. Микробиота кишечника как отдельная система организма. Доказательная гастроэнтерология. 2019;8(4-5):36-43. https://doi.org/10.17116/dokgastro2019804-05136

Подтверждение e-mail

На test@yandex.ru отправлено письмо с ссылкой для подтверждения e-mail. Перейдите по ссылке из письма, чтобы завершить регистрацию на сайте.

Подтверждение e-mail