Кайбышева В.О.

ФГБОУ ВО «Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н.И. Пирогова», Москва, Россия; ГБУЗ «Городская клиническая больница №31», Москва, Россия

Жарова М.Е.

ФГБУО ВО «Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н.И. Пирогова» Минздрава России, Москва, Россия; ГБУ «Научно-исследовательский институт организации здравоохранения и медицинского менеджмента Департамента здравоохранения Москвы», Москва, Россия

Филимендикова К.Ю.

ФГБОУ ВО «Ярославский государственный медицинский университет» Минздрава России, Ярославль, Россия

Никонов Е.Л.

ФГБУ "Поликлиника №1" Управления делами Президента РФ

Микробиом человека: возрастные изменения и функции

Журнал: Доказательная гастроэнтерология. 2020;9(2): 42-55

Просмотров : 2317

Загрузок : 132

Как цитировать

Кайбышева В. О., Жарова М. Е., Филимендикова К. Ю., Никонов Е. Л. Микробиом человека: возрастные изменения и функции. Доказательная гастроэнтерология. 2020;9(2):42-55.
Kaibysheva V O, Zharova M E, Filimendikova K Yu, Nikonov E L. Human Microbiome: age-related changes and functions. Russian Journal of Evidence-Based Gastroenterology. 2020;9(2):42-55.
https://doi.org/10.17116/dokgastro2020902142

Авторы:

Кайбышева В.О.

ФГБОУ ВО «Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н.И. Пирогова», Москва, Россия; ГБУЗ «Городская клиническая больница №31», Москва, Россия

Все авторы (4)

Введение

Согласно современным представлениям, «микробиом» включает в себя единый микробно-тканевый комплекс, который образуют микроколонии бактерий, грибы, вирусы, простейшие и продуцируемые ими метаболиты, а также слизь (муцин), эпителиальные клетки слизистой оболочки и их гликокаликс, клетки стромы слизистой оболочки (фибробласты, лейкоциты, нейроэндокринные клетки, клетки микроциркуляторного русла и прочее) [1].

До последнего времени изучение состава и функциональной активности микробиоты человека было крайне ограничено в связи с невозможностью культивирования подавляющего большинства микроорганизмов на питательных средах. Однако развитие таких технологий, как секвенирование 16S рибосомальной РНК, а также полногеномное секвенирование позволило (в рамках двух проектов по изучению микробиома человека Human Microbiome Project и Metagenomics of Human Intestinal Tract) получить колоссальную по своим масштабам и значению информацию о составе и метаболической активности микробиоты.

На сегодняшний день считается, что соотношение микробных клеток к клеткам человека составляет 1:1, а суммарное количество клеток в составе микробиоты человека равно 1013—1014. Эти данные основаны на оценке общего количества бактериальных клеток в толстой кишке (примерно 1013), в которой, как известно, наблюдается наивысшая плотность бактериальной колонизации [2—4].

В различных отделах пищеварительного тракта состав и численность микробиоты значительно различаются (рис. 1). Наиболее скудным является микробное сообщество желудка, в котором обнаруживают представителей родов Lactobacillus, Stomatococcus, Sarcina в количестве до 102 в 1 г содержимого. В тонкой кишке, за исключением дистальных отделов подвздошной кишки, количество микроорганизмов не превышает 104—105 клеток на 1 г. Численность микроорганизмов в дистальных отделах подвздошной кишки значительно возрастает, достигая 107—108 на 1 г. При этом в проксимальных отделах тонкой кишки обнаруживаются преимущественно грамположительные аэробные бактерии, в дистальных — грамотрицательные энтеробактерии и анаэробы. Микробиота толстой кишки представлена в основном анаэробными бактериями — их общее количество достигает огромных значений — 1013 на 1 г содержимого [1—4].

Рис. 1. Численность и основные представители микробиоты различных отделов пищеварительного тракта человека [2].


Бактерии, входящие в состав микробиоты желудочно-кишечного тракта (ЖКТ) человека, условно можно разделить на представителей облигатной (около 90%), факультативной (около 10%) и транзиторной (менее 1%) микрофлоры.

К облигатной микрофлоре, постоянно присутствующей в организме человека, выполняющей важную роль в его метаболизме и защите его от возбудителей инфекционных заболеваний, относятся преимущественно анаэробные бактерии, обитающие в толстой кишке (Bifidobacterium, Propionibacterium, Bacteroides). Видовое разнообразие облигатной флоры невелико, крайне консервативно, однако численность (по сравнению с другими представителями) максимальна.

К факультативной (сопутствующей) микрофлоре относятся условно-патогенные бактерии, доля которых в норме не превышает 10% (Escherichia, Enterococcus, Fusobacterium, Peptostreptococcus, Clostridium, Eubacterium и др.). Количественный и качественный состав факультативной флоры подвержен значительным изменениям в зависимости от внешних факторов.

Транзиторная флора составляет менее 1%, представлена стафилококками, клостридиями, протеями, дрожжеподобными грибами и др., в основном состоит из микроорганизмов, занесенных извне и транзитом проходящих ЖКТ. Некоторые представители транзиторной флоры могут обладать высоким адгезивным или токсигенным потенциалом, приводя (при ослаблении защитных функций облигатной микрофлоры) к развитию кишечных инфекций [1, 4].

Представители облигатной микробиоты образуют микроколонии, так называемую пристеночную флору, функционирующую в тесной взаимосвязи с кишечной стенкой. Облигатные анаэробы (бифидобактерии, бактероиды, пропионовокислые бактерии и др.) занимают нишу в непосредственном контакте с эпителием, далее располагаются аэротолерантные анаэробы (лактобациллы и др.), еще выше — факультативные анаэробы, а затем — аэробы [1].

Следует отметить, что бактерии, обитающие в просвете кишки (около 5% от микробной популяции) и являющиеся основными представителями фекальной микрофлоры, не взаимодействуют со слизистой оболочкой. Субстратом для жизнедеятельности полостной микрофлоры являются неперевариваемые пищевые волокна, на которых она и фиксируется. Состав полостной флоры крайне непостоянен, зависит от поступления пищевых веществ и множества других факторов. Полостная флора доминирует в фекальной микрофлоре, что заставляет с особой осторожностью оценивать изменения в различных микробных популяциях, выявляемых при бактериологическом исследовании кала [1].

Крайне важным вопросом при изучении микробиома человека является геном микроорганизмов (в связи с их огромным разнообразием и принадлежностью к разным родам, видам и прочее), который содержит, по меньшей мере, в 50—100 (а по некоторым оценкам в 200) раз больше генов по сравнению с геномом организма-хозяина. Генетическое разнообразие, которое привносит в организм человека микробиота, обусловливает возникновение дополнительных (не закодированных в организме хозяина) ферментативных путей метаболизма, влияя на функционирование организма, процессы адаптации, реактивность [4—6].

Микробиом не только дополняет человеческий генный пул, но и демонстрирует значительно бóльшие пластичность и изменчивость по сравнению с человеческим геномом. Это означает, что состав микробиоты может быстро изменяться, реагируя на иммунную агрессию организма-хозяина, инфекции, новые компоненты пищевого рациона, прием антибиотиков, многие другие факторы. Способность микробиоты быстро приспосабливаться к изменяющимся условиям внешней среды путем изменения своего состава и ферментативной активности в свою очередь обеспечивает лучшую адаптацию человеческого организма к неблагоприятным факторам [6].

Сложно переоценить роль микробиоты в развитии и функционировании иммунной системы организма-хозяина. Существует точка зрения, известная как «гигиеническая теория». Данная теория гласит, что быстрый рост аллергических и аутоиммунных заболеваний, наблюдаемый в последние десятилетия в экономически развитых странах, можно объяснить нарушением формирования микробного разнообразия у современных детей как следствие улучшения гигиенических условий, чрезмерного использования дезинфектантов, моющих средств, антибиотиков. Ограничение контакта с микроорганизмами в ранние периоды развития кишечника ребенка приводит впоследствии к неспособности организма поддерживать необходимый уровень иммунологической толерантности и развитию аллергических и аутоиммунных заболеваний [4, 7—9].

Несмотря на многообразие микроорганизмов, обитающих в просвете ЖКТ человека, известно, что более 90% кишечных бактерий у здоровых лиц представлены двумя основными типами (phyla) — Firmicutes и Bacteroidetes. Типы Actinobacteria и Proteobacteria представлены в меньшей мере (рис. 2).

Рис. 2. Преобладающие типы бактерий различных локусов организма [21].


К типу Bacteroidetes относятся грамотрицательные бактерии, принадлежащие почти к 20 родам, к типу Firmicutes — грамположительные бактерии, принадлежащие более чем к 200 родам. Подавляющее большинство лиц в человеческой популяции имеют схожие пропорции каждого из этих типов [6]. Однако на видовом и особенно штаммовом уровне микробиота каждого человека индивидуальна [4, 10, 11].

Следует отметить, что по сей день не существует понятия «нормальной» микробиоты, поскольку состав ее индивидуален, вариабелен и зависит от возраста, пола, расы, места обитания, характера питания и многих других факторов [12].

Энтеротипы

В зависимости от доминирующего рода бактерий в составе микробиоты предложено условное выделение 3 основных ее типов — «энтеротипов». Впервые термин «энтеротип» появился в публикации журнала «Nature» в 2011 г., получив с тех пор широкое распространение [13].

Энтеротипы отличаются не только составом, но и главными метаболическими путями извлечения энергии из пищевых субстратов. Так, энтеротип 1 (тип с преобладанием бактерий рода Bacteroides) характеризуется высокой сахаролитической активностью, энтеротип 2 (тип с преобладанием бактерий рода Prevotella) — способностью расщеплять гликопротеины слизи, энтеротип 3 (тип с преобладанием бактерий рода Ruminococcus) — расщеплением гликопротеинов и трансмембранным транспортом углеводов.

Основным из ключевых положений концепции об энтеротипах является устойчивость и постоянство микробного состава энтеротипа. Если состав микробиоты и подвержен изменениям в ответ на внешние факторы (прием антибиотиков, изменения пищевого рациона), то происходит это на уровне видового и штаммового разнообразия, но не приводит к смене доминирующего рода бактерий в составе энтеротипа. Считалось, что энтеротипы не имеют континентальной или национальной специфичности, изначально определяясь путем родоразрешения, методом вскармливания в грудничковый период и рационом питания в семье. Преобладающий род бактерий в составе микробиома толстой кишки наделялся способностью определять характер метаболизма пищевых и лекарственных веществ и даже склонность к некоторым заболеваниям [13]. Большое количество экспериментальных и клинических исследований посвящено поиску ассоциаций между различными заболеваниями и энтеротипами. Так, например, обнаружено, что ожирение чаще наблюдается у лиц с преобладанием бактерий типа Firmicutes (энтеротип 3).

Тем не менее в настоящее время накапливается все больше данных, ставящих под сомнение концепцию энтеротипов. Считается, что столь категоричное разделение микробиоты человека на 3 энтеротипа слишком условно, тогда как в большинстве случаев имеет место некий промежуточный вариант, изменяющийся в зависимости от внешних факторов, прежде всего от характера питания, между типами с преобладанием бактерий рода Bacteroides и Prevotella [14—21].

Более того, вопреки предыдущим представлениям о значительной устойчивости энтеротипов, в некоторых экспериментальных работах наглядно показана возможность изменения энтеротипа в течение нескольких дней с дальнейшим сохранением «нового» доминирующего рода бактерий. Так, в работе D. Knights и соавт. под названием «Переосмысливая концепцию энтеротипов» (Rethinking «enterotypes») показана возможность быстрой смены энтеротипа Ruminococcus на энтеротип с преобладанием Bacteroides, а также энтеротипа Bacteroides на энтеротип Prevotella [17]. В целом у большинства наблюдаемых субъектов с течением времени (5—10 лет) зафиксирована смена энтеротипа, что поставило под сомнение идею об устойчивости и постоянстве энтеротипов, а значит и целесообразность подобной классификации [14, 17].

В связи с этим возник закономерный вопрос о правомочности рассмотрения тех или иных энтеротипов как маркеров, ассоциированных с развитием определенных заболеваний. Требуются дальнейшие исследования для ответа на указанные вопросы, однако уже сейчас очевидно, что взаимодействия между бактериальными родами в составе микробиоты кишечника значительно сложнее, чем представлялось ранее.

Микробиота здорового человека и ее развитие в течение жизни

Становление микробиоты человека начинается еще в период внутриутробного развития в полости матки. Бактерии обнаруживаются в околоплодной жидкости, пупочном канатике, оболочках плода, плаценте и меконии. Видовой состав этих бактерий в большей степени соответствует микробиоте кишечника и ротовой полости матери (например, Fusobacterium spp. и Bacteroides spp.). Предполагается, что бактерии из полости рта через микроповреждения слизистой оболочки могут попадать в системный кровоток, гематогенным путем достигать плаценты и колонизировать ее [22].

Существуют работы, показывающие ассоциацию между заболеваниями периодонта у матери и повышением риска преждевременных родов и внутриутробных инфекций плода [22, 23]. Таким образом, микробиом матери может быть как источником первых бактерий, колонизирующих ЖКТ плода, так и причиной патологических состояний. В ходе ряда исследований выявлены следующие перинатальные факторы, оказывающие негативное влияние на микробиоту новорожденного и/или плаценты: чрезмерный набор массы тела и избыточное содержание жира в рационе матери во время беременности, инфекционные заболевания, стрессы, сахарный диабет [22, 23].

Активное заселение пищеварительного тракта микробами начинается в процессе родов, и происходит это за счет бактерий, входящих в состав микробиоты влагалища, кожи, кишечника, ротовой полости матери (Lactobacillus, Prevotella, Sneathia). Способ родоразрешения в значительной мере определяет видовой состав микробиоты младенцев. У детей, рожденных посредством кесарева сечения, заселение кишечника бактериями рода Bacteroides и Bifidobacterium запаздывает, по меньшей мере, на 1 мес по сравнению с детьми, рожденными естественным путем (рис. 3). В составе микробиоты таких детей доминируют виды, колонизирующие кожные покровы, а не родовые пути матери, такие как Staphylococcus, Corynebacterium и Propionibacterium, наблюдается активное размножение бактерий вида Clostridium difficile. Для микробиоты детей, родившихся посредством кесарева сечения, характерно снижение микробного разнообразия, у них повышен риск развития аллергических и аутоиммунных заболеваний, таких как бронхиальная астма, аллергический ринит, целиакия и прочее [22, 23].

Рис. 3. Факторы, влияющие на состав микробиоты ЖКТ в течение жизни [23].


Большое значение для состава микробиоты кишечника имеет также срок родоразрешения. У недоношенных детей наблюдается снижение разнообразия кишечной микробиоты, низкое содержание лакто- и бифидобактерий (Lactobacillus spp., Bacteroides spp. и Bifidobacterium spp). Считается, что это может быть связано не столько с недоношенностью, сколько с применением антибиотиков, пребыванием в палатах интенсивной терапии и другими ятрогенными факторами. Нарушение состава кишечной микробиоты у недоношенных детей ассоциировано с развитием некротизирующего энтероколита, тяжелых воспалительных процессов в ЖКТ [22, 23].

Роль питания в раннем детском возрасте в формировании микробиоты толстой кишки

В 1-й год жизни микробиота младенцев характеризуется относительно невысоким микробным разнообразием. Постепенно, в зависимости от метода вскармливания и обширности контакта с окружающей средой (наличие животных в доме, число братьев и сестер, гигиенические условия, применение антибиотиков), таксономическое разнообразие микробиоты толстой кишки значительно обогащается (см. рис. 3) [22, 23]. Большое значение в становлении микробиоты кишечника ребенка имеет метод вскармливания (грудное вскармливание или искусственные смеси). Грудное молоко не стерильно, оно содержит до 600 видов различных бактерий, численность бактерий в 1 мл молока достигает 103—104. Большую часть бактерий грудного молока составляют бактерии родов Lactobacillus, Leuconostoc, Streptococcus, Enterococcus, Lactococcus, Weissella, Bifidobacterium. Кроме того, в грудном молоке могут присутствовать грамотрицательные бактерии Serratia, Pseudomonas, а также типичные представители микробиома полости рта Veillonella, Leptotrichia, Prevotella [24—30].

Одним из компонентов грудного молока являются олигосахариды (галактоолигосахариды). Незначительно расщепляясь в тонкой кишке, они достигают толстой кишки преимущественно в непереваренном виде, где ферментируются Bifidobacterium с образованием короткоцепочечных жирных кислот (КЦЖК) и молочной кислоты. Таким образом, присутствие в молоке олигосахаридов обусловливает размножение в кишечнике детей, находящихся на грудном вскармливании, грамположительных бактерий типа Actinobacteria (преимущественно бифидобактерий), сдерживающих размножение бактерий других типов [20, 22, 23, 31, 32].

Большинство современных молочных смесей обогащено олигосахаридами, что теоретически должно способствовать развитию бактерий рода Bifidobacterium. Однако у детей, находящихся на искусственном вскармливании, обнаруживаются такие изменения состава микробиоты толстой кишки, как чрезмерное развитие представителей Bacteroides и Clostridium, увеличение доли условно-патогенных видов бактерий, например Escherichia coli, Clostridium difficile [33—36]. Вероятно, влияние грудного молока на становление микробиоты толстой кишки младенца обусловлено не только олигосахаридами. Помимо них, грудное молоко содержит иммуноглобулины IgA и IgG, антимикробные вещества — лизоцим и лактоферрин, интерлейкин (ИЛ) ИЛ-10, лимфоциты, фактор роста опухоли TGF-β, модулирующие работу иммунной системы ребенка и влияющие на состав микроорганизмов, которые смогут прижиться в его ЖКТ [29, 37—39]. Известно, что добавление к рациону искусственно вскармливаемых детей пастеризованного человеческого молока способствует становлению микробиоты, близкой по составу к таковой у детей, находящихся на грудном вскармливании [36].

После введения прикорма в рацион ребенка происходит значительное изменение микробного сообщества толстой кишки, характеризующееся снижением доли Bifidobacterium наряду с активизацией размножения бактерий, ферментирующих полисахариды (типов Bacteroidetes или Firmicutes) [40—42].

Примерно к 3 годам у ребенка формируется взрослый тип микробиоты, который в отсутствие тяжелых заболеваний, кардинальных изменений в диетических пристрастиях или длительного приема антибиотиков характеризуется постоянством состава на уровне доминирующего типа бактерий.

Влияние антибиотикотерапии в раннем детском возрасте на формирование микробиоты толстой кишки

Применение антибиотиков в раннем детском возрасте приводит к значительному снижению микробного разнообразия, обеднению представителей преобладающего типа Actinobacteria с одновременным увеличением доли Proteobacteria, а также селекции антибиотикорезистентных штаммов [43—45].

В работе S. Tanaka и соавт. проанализирован результат антибиотикотерапии препаратами широкого спектра действия в течение первых 4 дней жизни детей [46]. Согласно полученным данным, в 1-ю неделю в составе микробиоты толстой кишки наблюдалось снижение доли Bifidobacterium наряду с патологической колонизацией Enterococcus. В течение последующего месяца зафиксирован избыточный рост Enterobacteriaceae и Enterococcus.

В целом данные эпидемиологических исследований свидетельствуют о том, что применение антибиотиков в раннем детском возрасте сопровождается значительными изменениями еще несформированной микробиоты, нередко приводя к непрогнозируемым и серьезным последствиям. Известно, что лечение антибиотиками повышает у детей риск развития таких заболеваний, как астма, экзема, сахарный диабет 1-го типа, воспалительные заболевания кишки, ожирение и др. [47].

Факторы, оказывающие влияние на состав микробиоты взрослых людей

Кроме возраста, на состав микробиоты человека влияют такие факторы, как пол, пищевые предпочтения, социально-экономический статус и уровень образования, прием антибиотиков и прочее. Имеют значение и географические различия, предположительно связанные с характером питания. У взрослого человека со сформировавшейся микробиотой характер питания не является главным фактором, определяющим ее состав, но некоторые бактериальные таксоны (например, энтеротип 1 с преобладанием бактерий рода Bacteroidetes) могут быстро реагировать на изменения пищевого рациона [48].

Так, употребление в пищу продуктов с высоким содержанием пищевых волокон приводит к увеличению в составе микробиоты доли определенных видов бактерий (Roseburia, Blautia, Eubacterium rectale, Faecalibacterium prausnitzii), ферментирующих растительные волокна с образованием бутирата, а также некоторых бактерий, относящихся к типам Actinobacteria (Bifidobacteria, Lactobacilli) и Bacteroidetes [49—52]. Известно, что доминирующими бактериями в микробиоте вегетарианцев являются Prevotella, Clostridium clostridioforme и Faecalibacterium prausnitzii [50, 53]. По сравнению с лицами, употребляющими животные продукты, у вегетарианцев наблюдается снижение доли бактерий, принадлежащих к Bacteroides, Bifidobacteria, Enterobacteriaceae species [54].

Высокобелковая диета характеризуется увеличением активности протеолитических бактерий, таких как, например, Bacteroides spp. [49, 50]. Богатая жирами диета приводит к синтезу большого количества желчных кислот, что в свою очередь способствует размножению тех бактерий, которые метаболизируют эти кислоты, и угнетает размножение других видов [49, 50]. Диеты с преобладанием животных продуктов способствуют развитию бактерий, устойчивых к желчным кислотам, таких как Bacteroides, Alistipes и Bilophila, а также бутират-продуцирующих клостридий [50, 53].

Таким образом, преобладание в пищевом рационе одного из макронутриентов (белков, жиров, углеводов) детерминирует развитие определенных видов бактерий в составе микробиоты толстой кишки (рис. 4) [22, 23].

Рис. 4. Развитие определенных видов бактерий в составе микробиоты толстой кишки в зависимости от преобладания в пищевом рационе одного из макронутриентов (белков, жиров, углеводов) [58].


Например, «западная диета», распространенная в экономически развитых странах Европы и Северной Америки, изобилует жирами, рафинированными углеводами, животными белками на фоне крайне низкого содержания растительных волокон. Такая диета ассоциирована со снижением микробного разнообразия, увеличением доли Bacteroides и снижением бактерий рода Prevotella [49].

В развивающихся странах с низким социально-экономическим статусом (особенно в сельской местности) пищевой рацион жителей, напротив, богат растительными волокнами, сложными углеводами (за счет наличия большого количества свежих овощей, фруктов и цельнозерновых продуктов). Микробиота толстой кишки людей, проживающих в данных регионах, характеризуется разнообразием видов бактерий (Prevotella, Succinivibrio, Treponema), ферментирующих полисахариды и образующих КЦЖК [22, 23, 53, 55, 56].

КЦЖК, образующиеся в процессе ферментации пищевых волокон, являются ключевыми субстратами в энергетическом метаболизме колоноцитов, играют важнейшую роль в нормальном функционировании барьерной функции кишки, модулируют работу иммунной системы организма-хозяина. Считается, что низкой продукцией КЦЖК у людей, предпочитающих «западную диету», можно объяснить возросшую распространенность аллергических и аутоиммунных заболеваний в экономически развитых странах [57].

Развитие определенных видов бактерий в составе микробиоты толстой кишки в зависимости от преобладания в пищевом рационе одного из макронутриентов (белков, жиров, углеводов) представлено на рис. 4 [58].

Возможность влияния на состав микробиоты и ее метаболическую активность путем изменения характера питания (увеличение доли свежих овощей и фруктов в рационе, применение пищевых волокон, способствующих развитию бутиратпродуцирующей флоры) представляется перспективным направлением современной медицины.

Микробиом у людей пожилого возраста

Микробиом ЖКТ у пожилых людей характеризуется тенденцией к снижению доли бактерий, относящихся к типу Bacteroidetes и роду Bifidobacteria, с одновременным увеличением доли бактерий Firmicutes [59]. Согласно данным нескольких исследований, редукция бактерий видов Bacteroides spp., Prevotella spp., Faecalibacterium prausnitzii наряду с увеличением бактерий семейства Enterobacteriaceae ассоциирована со снижением качества жизни у людей пожилого возраста [59—61]. Считается, что факторами, способствующими изменениям микробиоты кишки в пожилом возрасте, являются прием большого количества медикаментов, изменения гормонального статуса и рациона питания, тяжелые соматические заболевания, пребывание в пансионах для престарелых лиц [62]. Кроме того, неблагоприятные сдвиги состава микробиоты полости рта, происходящие в пожилом возрасте, также оказывают значительное влияние на состояние микробиоты ЖКТ [63].

Функции кишечной микробиоты

Симбиотические отношения между кишечной микробиотой и макроорганизмом включают метаболические, иммунные и нейроэндокринные взаимодействия. Доказано, что микробиота задействована в важнейших процессах жизнедеятельности организма, таких как обмен веществ, развитие, дифференцировка и колонизационная резистентность эпителия, формирование врожденной и адаптивной иммунной систем. Микробиота обеспечивает трофику кишечного эпителия, синтез витаминов, метаболизм пищевых компонентов, холестерина, желчных кислот, регулирует моторику кишечника [4].

Основные функции микробиоты кишечника и связанные с ней ключевые метаболиты представлены в таблице [64].

Метаболиты кишечной микробиоты и их функции [64]


Многие хронические заболевания, например ожирение, воспалительные заболевания кишки, сахарный диабет, метаболический синдром, атеросклероз, неалкогольная болезнь печени и даже цирроз и гепатоцеллюлярная карцинома, ассоциированы с развитием дисбаланса в составе микробиоты ЖКТ (рис. 5) [64].

Рис. 5. Заболевания, ассоциированные с нарушением микробиома [12].
ВЗК — воспалительные заболевания кишечника.


Механизмы, в силу которых симбиотические микроорганизмы могут способствовать или, напротив, препятствовать развитию перечисленных заболеваний, включают следующее [1, 4, 12, 64]:

— увеличение энергетической ценности пищи за счет бактериальной ферментации нутриентов, не подвергающихся расщеплению ферментами пищеварительного тракта человека;

— влияние на аппетит;

— метаболизм ксенобиотиков;

— метаболизм желчных кислот;

— синтез витаминов;

— синтез КЦЖК;

— обеспечение колонизационной резистентности слизистой оболочки кишки и синтез антимикробных веществ;

— участие в развитии и созревании местного иммунитета слизистой оболочки пищеварительного тракта и иммунной системы организма-хозяина;

— участие в развитии и созревании нервной системы;

— регуляция метаболизма липидов и гомеостаза глюкозы.

Метаболизм веществ и энергии

Анализ образцов фекалий человека с использованием секвенирования 16S рибосомальной РНК и методов метагеномного секвенирования показал значительное расширение путей метаболизма белков, полисахаридов, аминокислот, ксенобиотиков и микроэлементов за счет ферментов, синтезируемых микробиотой кишечника [12].

Доказано, что кишечная микробиота значительно повышает эффективность расщепления и усвоения пищевых веществ. И если раньше так называемое симбионтное пищеварение, происходящее при содействии микрофлоры, считалось прерогативой жвачных животных, то теперь стало очевидно, что в процессе бактериальной ферментации неперевариваемых углеводов в анаэробных условиях образуются КЦЖК (уксусная, пропионовая и масляная кислоты), являющиеся важнейшими энергетическими субстратами для эпителиальных тканей человека [12].

Известно, что до 70% молекул АТФ колоноциты синтезируют из КЦЖК, преимущественно бутирата. В целом ферментация бактериями непереваренных пищевых волокон способствует более эффективному извлечению энергии (на 10%) из пищи. В норме микробиота кишечника синтезирует около 50—100 ммоль/л КЦЖК в день, которые практически полностью всасываются в кишечнике [12].

Всосавшиеся в кровоток из просвета кишки КЦЖК оказывают многообразное действие на функционирование различных органов и систем макроорганизма. Например, активизируют моторику кишки, являясь субстратами для глюконеогенеза и липогенеза, регулируют липидный и углеводный обмен в печени, активность воспалительных процессов [12].

Метаболизм желчных кислот

Как известно, в организме человека желчные кислоты синтезируются в печени из холестерина, конъюгируются с таурином или глицином (первичные желчные кислоты) и выделяются в двенадцатиперстную кишку, участвуя в эмульгировании и абсорбции жиров. В дальнейшем 95% первичных желчных кислот реабсорбируется в дистальной части подвздошной кишки, в то время как оставшиеся 5% неабсорбированных первичных желчных кислот подвергаются трансформации (деконъюгации) до вторичных желчных кислот (дезоксихолевая кислота и литохолевая кислота) с участием гидролаз кишечных бактерий (преимущественно за счет ферментов Clostridium perfringens и Clostridium scindens). Часть вторичных желчных кислот в последующем вновь реабсорбируется в печень, где происходит их конъюгация. Неабсорбированные желчные кислоты выводятся с калом.

Важно, что первичные и вторичные желчные кислоты способны активировать ядерный фарнезоидный рецептор Х (FXR) в ядре клеток организма-хозяина. Данный рецептор регулирует синтез желчных кислот, метаболизм глюкозы и даже процессы аутофагии печеночных клеток. Кроме того, вторичные желчные кислоты обладают мощным антимикробным действием, ингибируя рост и размножение бактерий.

Взаимодействие микробиоты с иммунной и нервной системами

Кишечный барьер, состоящий из нескольких функциональных компонентов, включающих физические (эпителиальные и слизистые слои), биохимические (ферменты и антимикробные белки) и иммунологические (IgA и эпителиальные иммунные клетки) факторы, служит границей между внешним миром и внутренней средой организма. Повышение проницаемости кишечного барьера для микробных метаболитов и других компонентов, содержащихся в полости кишки, ведет к развитию воспалительных или патологических иммуновоспалительных реакций [64].

Для поддержания кишечного гомеостаза и толерантности иммунной системы к бактериям-симбионтам разграничения патогенов и комменсальных микробов необходимы соблюдение очень тонкого баланса между регуляторными (Т-лимфоциты супрессоры) и эффекторными (Т-лимфоциты хелперы) клетками, гармоничное сочетание «иммунологической толерантности и продуктивного иммунного ответа». Значительную роль в созревании иммунной системы и развитии иммунологической толерантности отводят кишечной микробиоте.

Исследования, проведенные на мышах-гнотобионтах (безмикробные животные, с рождения выращиваемые в стерильных условиях), показали, что у таких животных имеются тяжелые нарушения развития лимфоидной ткани кишки и других иммунокомпетентных органов, а также нарушена продукция антител [65, 66].

Известно, что некоторые условно-патогенные микроорганизмы, такие как Bacteroides fragilis, Bifidobacterium infantis и Firmicutes, способствуют привлечению в стенку кишки регуляторных Т-лимофцитов (Т-супрессоров), продуцирующих противовоспалительные ИЛ, подавляя развитие патологических иммунных реакций. Такое «толерантное» состояние иммунной системы позволяет симбиотическим микроорганизмам мирно существовать, тесно контактируя с эпителиоцитами кишечной стенки, не вызывая иммунной агрессии со стороны организма-хозяина [64].

В то же время из экспериментов на мышах известно, что так называемые нитевидные бактерии, напротив, обладают мощным иммуностимулирующим действием, активируя Т-хелперы 17, индуцируя продукцию ими провоспалительных ИЛ-17 и ИЛ-22, тем самым усиливая антимикробную защиту и резистентность слизистой оболочки кишки к Citrobacter rodentium [67].

Таким образом, правильное взаимодействие Т-супрессоров/Т-хелперов 17, регулируемое в том числе микробными метаболитами, имеет важнейшее значение в поддержании целостности кишечного барьера, иммунологической толерантности, предотвращении развития патологических иммунных реакций, и в то же время препятствует инвазии патогенов.

Конечно, не все представители микробиоты кишки ведут к здоровому и правильному развитию и функционированию кишечного барьера, некоторые из них, напротив, могут вызывать воспалительные процессы, приводить к возникновению злокачественных новообразований. Однако на современном этапе развития учения о микробиоте наше понимание данных процессов еще далеко от совершенства [12].

Интересно, что кишечная микробиота играет немаловажную роль в созревании и нормальном функционировании нервной системы организма-хозяина.

Механизмы влияния микробиоты на функционирование центральной нервной системы (ЦНС) связаны с выработкой молочной кислоты, аммиака, КЦЖК, нейротрансмиттеров. Так, например, в процессе ферментации углеводов некоторыми молочнокислыми бактериями образуется D-лактат, который в случае повышения кишечной проницаемости способен оказывать нейротоксическое действие [4].

Аммиак — нейротоксин, продуцируемый из мочевины под действием бактериальной уреазы. Аммиак обладает прямыми нейротоксическими свойствами, изменяет функцию гематоэнцефалического барьера, тормозит синтез серотонина и допамина [4].

КЦЖК, продуцируемые микробиотой, напротив, оказывают позитивное влияние на функционирование нервной системы, принимая участие в созревании микроглии (резидентных макрофагов) ЦНС. Исследования, проведенные на мышах с дефектом развития рецепторов к КЦЖК, показали нарушение созревания микроглии в ЦНС у таких животных. В то же время колонизация кишечника мышей гнотобионтов нормальной микробиотой приводила к созреванию первоначально незрелой микроглии [68, 69].

Известно также, что некоторые бактерии способны синтезировать гормоны и нейротрансмиттеры, такие как ацетилхолин и гамма-аминомасляную кислоту (ГАМК), норадреналин, серотонин, мелатонин, допамин, глутамин [4]. Серотонин, продуцируемый микробиотой кишечника, участвует в регуляции перистальтики кишки, рвотного рефлекса и восприятии боли через спинальные афферентные нейроны [4]. Выделение серотонина и других биогенных аминов обусловливает влияние микробиоты кишки на настроение, аппетит, пищевые пристрастия человека [4].

ГАМК — антистрессорный медиатор, продуцируется в больших количествах микробиотой кишки, образуя единый пул с эндогенной фракцией ГАМК. Изменение уровня ГАМК у пациентов с синдромом раздраженного кишечника, возможно, объясняет склонность больных к повышенной возбудимости и тревожности, а также пониженный болевой порог у данной группы пациентов по сравнению со здоровыми субъектами.

Колонизационная резистентность

Еще одной важной ролью микробиоты кишечника является формирование колонизационной резистентности, предотвращающей инвазию патогенных микроорганизмов в слизистую оболочку кишки.

Колонизационная резистентность обеспечивается способностью нормальной микрофлоры адгезироваться на эпителии кишечника, которая образует на ней пристеночный слой и тем самым препятствует прикреплению патогенных и условно-патогенных микроорганизмов. Другой механизм создания колонизационной резистентности связан с синтезом микробиотой кишки антимикробных веществ (органических кислот, перекиси водорода и других биологически активных субстанций), а также с конкуренцией с патогенными микроорганизмами за источники питания [4].

Заключение

До последнего времени изучение состава и функциональной активности микробиоты человека было ограничено в связи с невозможностью культивирования подавляющего большинства микроорганизмов на питательных средах. Однако развитие таких технологий, как секвенирование 16S рибосомальной РНК, а также полногеномное секвенирование, позволило значительно расширить понимание роли кишечной микробиоты и ее уникальных метаболитов в регуляции различных физиологических функций макроорганизма, включая обеспечение колонизационной резистентности слизистых оболочек, метаболизм, развитие и гомеостаз иммунной и нервной систем.

Интерес к микробиому человека за последние десятилетия существенно вырос, и все же на современном этапе развития учения о микробиоте понимание данных процессов еще далеко от совершенства, что обусловливает необходимость дальнейших исследований.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

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