Мы и наши микробы

Сколько времени живет бактерия в организме человека. Мы и наши микробы Он также поможет исключить бешенство у питомца.

Мы и наши микробы

Сама фраза «Мы и наши микробы» свидетельствует о сформировавшемся антропоцентрическом взгляде на микроскопических обитателей нашего тела – микробиоту. Однако микробиота представляет собой неотъемлемую часть нашего организма, развиваясь и функционируя как остальные органы и ткани. Недаром ученые говорят о «суперорганизме», или о том, что каждый из нас представляет собой сложную экосистему. Несмотря на годы изучения микробиоты, эта история далека от своего завершения. Количество непознанного и непонятного здесь существенно больше того, что удалось открыть, хотя уже полученные результаты потрясают

Американский профессор Джеффри Гордон, которого называют «отцом микробиома», в 2015 г. был номинирован на Нобелевскую премию за исследования взаимодействий бактерий кишечника с кишечной стенкой и организмом человека в целом, что говорит о серьезности научных результатов, получаемых в этой области. Так что же такое микробиом (микробиота), и почему так трудно определить, кто, как и с кем взаимодействует?

Поразительный факт: численность населяющих наше тело микроорганизмов (вирусов, бактерий, грибков), подавляющая часть которых обитает в желудочно-кишечном тракте, превышает общее число собственных клеток человека. Но самое удивительное – ​это разница в количестве генов, которые эти микроорганизмы несут: в среднем их в 500 раз больше, чем генов человека.

Микробиотой называют совокупность всех микроорганизмов (вирусов, бактерий, грибков), населяющих тело человека. Резидентная, или облигатная, микробиота – ​это микроорганизмы, постоянно присутствующие в определенном отделе организма. Это сообщество, образовавшееся в процессе совместной эволюции микробов и макроорганизма, симбиотически связано с последним и часто выполняет защитную и другие полезные для него функции. Сама же микробиота таким образом обеспечивает себе устойчивые условия для существования. Наряду с резидентной существует и транзиторная микробиота – ​это «посторонние» микроорганизмы, неспособные постоянно существовать в нашем теле.
Считается, что общее число микробных клеток в организме человека достигает 10 14 , это на порядок превышает количество наших собственных клеток. Основная микробная популяция обитает в толстом кишечнике (более 500 видов), затем идет кожа (10 4 –10 6 на см 2 ), конъюнктива глаза, верхние дыхательные пути и влагалище

Микроорганизмы выполняют очень важные для нас функции, в том числе трофические и регуляторные. К примеру, кишечные бактерии разлагают непереваренные остатки пищи, выделяют в просвет кишечника различные соединения, включая витамины, ферменты и другие биологически активные вещества. Микроорганизмы активно участвуют в обменных процессах, в том числе в детоксикации, разлагая яды и токсины, поступающие с водой, пищей, воздухом и т. п.

Вся наша микробиота весит около 2 кг, что сопоставимо с такими крупными органами, как головной мозг или печень. Но в отличие от органов человека она очень плохо изучена, особенно с учетом того, как сильно микробиота варьирует от человека к человеку и у одного человека в зависимости от его состояния. И самое главное таинство – ​это то, как из нормального физиологического состояния она переходит в патологическое.

Как полнеть «из воздуха»

В современную индустриальную эпоху некогда существовавшие микробные балансы человеческого организма повсеместно нарушаются. Это приводит не просто к дискомфорту, но и к ускоренному старению, развитию множества патологических состояний, и не только желудочно-кишечного тракта. Что до кишечника, то за последние полвека частота его заболеваний, в том числе онкологических, взрывообразно возросла, причем в развитых странах начинает лидировать рак толстой кишки. Добавьте к этому воспалительные заболевания, такие как колиты и болезнь Крона.

Спектр функций нормального кишечного микробиома крайне широк – недаром его иногда выделяют в качестве отдельного органа человека. Соединения, вырабатываемые микроорганизмами, активно участвуют практически во всех метаболических процессах в организме человека. По: (Полунина, 2018)

Налицо факт микробного дисбаланса, который присущ не отдельным индивидам, а целым популяциям. Парадокс: питаться люди стали, на первый взгляд, лучше и разнообразнее, но практически у каждого человека наблюдаются те или иные признаки пищеварительной дисфункции.

Оказывается, дело не всегда в том, какое количество пищи и даже калорий человек потребляет. Потому что в зависимости от ферментативных свойств отдельных классов, родов и видов бактерий наша микробиота способна утилизировать даже те компоненты пищи, которые традиционно считались неперевариваемыми. Вспомним старую поговорку, что кто-то «полнеет прямо из воздуха». Это означает, что бактерии, извлекая такие дополнительные калории, делятся с организмом и запускают ряд процессов, приводящих к ожирению.

С точки зрения химика, ЖКТ – ​достаточно уникальная конструкция. Желудок и тонкий кишечник, запертые сфинктерами, представляют собой большие химические реакторы, где процесс пищеварения проходит с помощью ферментов, химических веществ и сильных детергентов, включая холевые кислоты, выделяемые с желчью. А благодаря кислотной среде желудка и отсутствию кислорода в тонком кишечнике там создаются относительно стерильные условия. На этой стадии из пищи извлекаются легкоусвояемые метаболиты: жиры, аминокислоты или короткие пептиды, а также «быстрые» углеводы.

Кишечная палочка (Escherichia coli) – один из самых известных обитателей нижней части кишечника теплокровных животных. Большинство штаммов E. coli безвредны. В кишечнике эта бактерия синтезирует витамин K и предотвращает развитие патогенных микроорганизмов. Фото CDC/Janice Haney Carr (вверху слева); NIAID/E. Erbe (справа)

Мечников считал, что раз в толстом кишечнике развиваются гнилостные процессы, приводящие к аутоинтоксикации организма, то его удаление позволит человеку жить дольше. Гипотеза о пользе резекции толстой кишки оказалась ложной (в то время не знали про все функции микробиоты этого отдела ЖКТ). Однако придуманные для борьбы с гниением пробиотические препараты начали производить сначала в США, а потом и по всему миру. Так ошибка гения породила огромную индустрию

Верхние отделы ЖКТ слабо обсеменены бактериями, и это неслучайно. Кислотность, антибактериальные ферменты ротовой полости и некоторые иммунные факторы контролируют процесс размножения микроорганизмов настолько, чтобы справляться и с возможными гнилостными процессами в пище. Но если в районе тонкого кишечника численность микробов возрастает, это сопровождается патологическими реакциями. Бактерии не только поедают легкоусвояемые метаболиты, но и выделяют токсины, которые тотчас всасываются в кровь.

В толстый кишечник попадает уже то, что не переварилось. В нижних отделах тонкой кишки, в месте перехода в толстый кишечник, почти полностью реабсорбируется желчь – ​очень токсичный продукт для микроорганизмов. Поэтому в толстом кишечнике, где среда практически нейтральна и концентрация кислорода выше, выживают разнообразные бактерии, которые очень тонко и «интимно» кооперируются.

Существует ли нормофлора?

В последние годы микробиота, обитающая на различных слизистых тканях человека, интенсивно исследуется как новая мишень для фармакологии. Поскольку медицина меняет свою философию, усиливая предсказательные и профилактические функции, кажется, что именно это новое биомедицинское направление позволит нам если не излечивать, то хотя бы предотвращать наступление тех или иных заболеваний.

Но чтобы направленно влиять на нашу микробиоту, мы должны сначала понять, что представляет собой «нормальная микрофлора». Понятие нормофлоры довольно иллюзорное. Можно считать, что у человека все в порядке, если он хорошо себя чувствует и его ничего не беспокоит с точки зрения пищеварения.

Существует множество факторов, определяющих состав и численность кишечного микробиома конкретного человека. Среди них можно выделить ключевые, связанные как с особенностями окружающей среды, так и с образом и историей жизни самого человека. По: (Quigley, 2017)

Если судить более глубоко, то нормофлора – ​это такое состояние триллионов клеток бактерий, при котором, во‑первых, в организме не возникает воспалительной реакции. Во-вторых, спектр метаболитов, который микробиота продуцирует, достаточен для ее автономного существования в течение длительного времени без дополнительных бактериальных интервенций.

До сих пор идут споры: можно ли это микробиотное царство разбить на энтеротипы либо это некие динамические состояния, которые переходят одно в другое, не поддаваясь четкой классификации.

Вообще на микробное сообщество влияют многие факторы. В целом высокое разнообразие микробов и их генов в кишечнике – ​это хороший признак. С возрастом многообразие микробиоты падает. Подсчет генов в микробных сообществах показал, что их число у пожилых и больных людей падает примерно в два раза по сравнению со здоровыми и молодыми. И это приводит к развитию метаболического синдрома, диабета и других заболеваний.

В разных странах микробиота людей также имеет свои особенности. Но это вопрос контекста. Если, к примеру, взять города-миллионники в РФ и Европе, то никаких особенных отличий вы не обнаружите. А вот в глубинке, вдали от крупных городов, микробиота будет намного разнообразнее, напоминая микробные сообщества, характерные для людей, живших 100—150 лет назад. Это говорит о том, что, когда мы не потребляем много продуктов так называемого индустриального питания, наш микромир стремится к разнообразию.

В микробиом толстого кишечника могут входить сотни видов различных микроорганизмов, но у взрослого человека преобладают бактерии Firmicutes и Bacteroidetes. Разнообразие микроорганизмов с возрастом падает. Методом подсчета генов в микробных сообществах было показано, что пожилые люди имеют примерно в два раза меньше этих генов, чем молодые

На сегодня важно, что мы научились изменять бактериальную динамику, так как интерес представляет не только и не столько состав микробиома, сколько его реакции на наши активные действия, например когда мы путешествуем, меняем характер питания, попадаем в больницу и т. п. Ведь микробиота, как и клетки нашего организма, накапливает мутации. У нас это нередко заканчивается онкологическими трансформациями клеток, но понять, что происходит с микробиотой, пока не удается. Так, известно, что уровень мутагенеза у бактерий коррелирует с частотой использования антибактериальных препаратов. И если посмотреть на антибактериальную политику в разных странах – ​Китае, США, Европе – ​и на число мутаций, которые накапливаются в микробах, то мы увидим прямую, очень четкую связь.

Сейчас ведутся метагеномные исследования по по­иску закономерностей, связывающих присутствие в микробиоме тех или иных микроорганизмов с развитием заболеваний. К примеру, китайские исследователи показали связь между наличием определенных бактерий и формированием диабета 2-го типа. Но пока это лишь формальное описание феномена – ​сам механизм непонятен.

Нельзя забывать и об экологической составляющей микробиома. Ведь в природе синхронизируются потоки не только человеческих генов, передаваемых по наследству, но и бактериальных, которые передавались и передаются в популяциях людей как вертикально, так и горизонтально. К примеру, большинство млекопитающих являются копрофагами, это закрепленное поведение. Есть такой рефлекс и у приматов, и у людей, однако детей уже на ранних стадиях кормления от него отучают. С точки зрения санитарии это оправданно, с точки зрения бактериального переноса – ​не очень.

Лактобактерии используют при производстве молочнокислых продуктов, а также пробиотиков. Их численность у человека увеличивается во время грудного вскармливания. Вверху – Lactobacillus acidophilus, представители нормофлоры полости рта, толстой кишки и влагалища; справа – L. paracasei, обитающие в кишечнике и ротовой полости. Фото Bob Blaylock и Horst Neve (Max Rubner-Institut)

В «магазинных» продуктах содержится много генов антибиотикорезистентности, так как большинство сельскохозяйственных животных так или иначе контактирует с антибиотиками. Эти вещества используют для активации роста, снижения издержек от инфекционных заболеваний, что актуально, когда животных содержат скученно. И мы сами нередко применяем антибиотики при любых заболеваниях, а не только бактериальных.

В результате в среде происходит постепенное накопление генов устойчивости к антибиотикам. В одной из первых статей на эту тему было показано, что в почве содержится большинство современных, при этом не химически синтезированных антибактериальных соединений, которые являются природными средствами межбактериальной коммуникации.

Но самым гигантским резервуаром антибиотико­устойчивых генов сейчас является человечество. Многие инфекционные заболевания, такие как эмфизема легких, хронические пневмонии и бронхиты, которые ранее считались внутрибольничными инфекциями, – ​результат попадания в кровоток бактерий из их естественных «местообитаний» в нашем теле. Перемещаясь, к примеру, из кишечника в легкие, такие микроорганизмы могут привести к болезни и даже гибели человека.

В идеале для смены курсовых комбинаций антибиотиков пациентам необходимо иметь карту их антибиотикорезистентности. Иначе, как и в других странах, у нас появятся супербаги – ​штаммы бактерий, нечувствительные к антибиотикам.

Покажите ваши метаболиты

Один из оптимальных способов оценки микробиоты – ​анализ спектров бактериальных метаболитов. Но и здесь не все так просто, так как последние представляют собой очень большую и плохо изведанную палитру.

Одна из проблем заключается в том, что нет надежных способов отличить эндогенные метаболиты, которые производятся клетками человека, от попадающих в организм с продуктами питания, водой, воздухом, а также созданных микроорганизмами. На животных это можно сделать с использованием радиоактивных или изотопных меток, на человеке – ​нет.

Но существуют группы метаболитов, которые можно рекомендовать для применения в медицинской практике. Прежде всего это короткоцепочечные жирные кислоты. Это рутинный анализ: сегодня их соотношение определяют у любого пациента с проблемами кишечника еще до постановки диагноза.

Метаболиты фекальных масс – это относительно простые вещества, которые синтезируются микроорганизмами кишечника (вторичные жирные кислоты, аммиак, оксиды азота, сероводород и др.) или поступают с пищей (аминокислоты и другие нутриенты). Всасываясь через кишечную стенку, метаболиты регулируют различные процессы в организме человека: пищеварение, сердечно-сосудистую и мышечную деятельность и даже когнитивные функции. Кроме того, метаболиты по принципу обратной связи регулируют состав микробиоты кишечника, активно влияют на состояние кишечной стенки и процессы воспаления. Метаболиты некоторых бактерий могут быть токсичны для человека (Levy, 2017; Cani, 2019 и др.). Вверху в центре – нормальное соотношение разных метаболитов в фекалиях человека

Вторая группа – ​гормоноподобные вещества, которые происходят из фолиевых кислот. В зависимости от спектра бактерий, которые окисляют либо продукты аддуктов фолиевой кислоты с глюкуронидами, либо ее саму, могут образовываться активные соединения стероидного ряда, имеющие свои рецепторы на надпочечниках, перикарде, миокарде, легких и т. д. Однако эти вещества эндокринологи сейчас просто «не видят».

Третья группа – ​индолы, которые в зависимости от химической модификации могут либо оказывать защитное действие, подавляя опасные кишечные патогены, либо быть мощным модулятором противовоспалительных реакций.

Какие существуют механизмы обратной связи между организмом и его микрофлорой? К примеру, когда вы садитесь на диету, ваши кишечные палочки секретируют пептиды, схожие с белковыми релизинг-факторами, которые выделяются в центральной нервной системе и служат для регуляции аппетита. Эти гормоноподобные бактериальные вещества, попадая в кровь, вызывают у вас чувство голода. Так бактерии «заставляют» вас их кормить.
Второй пример касается людей, которые обычно потребляют мало белков животного происхождения. Соответственно, у них будет недостаток пищеварительных ферментов, в частности протеаз и липаз в тонком кишечнике. Если таким людям на пикнике «налечь» на шашлык, то белковые тела попадут в толстый кишечник, где не могут быть использованы из-за отсутствия протеолитических ферментов. В результате в кишечнике запускаются интенсивные гнилостные процессы, вызванные бурным развитием анаэробных гнилостных бактерий. На следующее утро в результате аутоинтоксикации такие люди чувствуют себя как после тяжелого похмельного синдрома

Баланс всех этих веществ важен не только для назначения персонифицированных схем лечения, но и для понимания, насколько хорошо удалось добиться конечного результата – ​надежной стабилизации физиологии пациента.

По-видимому, ученым и медикам предстоит большая работа по созданию ориентированной на медицину таблицы бактериальных метаболитов, разработке относительно дешевых методов их регистрации и понятных для врачей способов интерпретации. Другими словами, речь идет о выработке «показаний». И мерить метаболиты намного проще и правильнее, чем каждый раз определять состав микробиома (последнее гораздо важнее для фундаментальной науки, чем для практической медицины).

И снова дисбактериоз

В российской педиатрической практике до сих пор можно встретить диагноз «дисбактериоз», хотя в официальных международных классификациях болезней, например МКБ‑10, такого заболевания не существует. В случае диареи или других кишечных проблем у ребенка берут кал на посев, бактериологическая лаборатория подсчитывает количество 20—30 микроорганизмов (бифидо-, лакто-, актинобактерий и др.). Главной целью этих анализов является установление наличия воспалительного синдрома в кишечнике. Но бывают случаи, когда анализ четко показывает дисбактериоз, а человек чувствует себя нормально, никаких клинических симптомов нет, и наоборот.

Само слово «дисбактериоз» не совсем правильное. Речь идет скорее о дисбалансе, который касается не столько количественных характеристик бактерий, сколько большого числа метаболических параметров, включая содержание в кале коротких жирных кислот, индолов, свободной ДНК человека (если есть диарея, т. е. воспалительный синдром, кишечный эпителий активно слущивается). И дисбаланс проявляется не только внутри кишечника, как раньше думали, – это системное заболевание.

С дисбалансом кишечной микрофлоры связано развитие не только болезней желудочно-кишечного тракта, но и ряда других органов, а также системных и онкологических заболеваний и различных форм воспалительных процессов. По: (Schroeder & Bäckhed, 2016)

Дисбаланс кишечной флоры связан с развитием онкологических заболеваний, различных форм воспалительных процессов, а также с инфекцией клостридиями (эти бактерии часто присутствуют в кишечнике в небольшом количестве, обычно не вызывая патологии). Как правило, клостридиальная инфекция является психогенной; этих тяжелых пациентов долго и массированно лечат антибактериальными средствами.

Когда увлекались секвенированием генов и поиском бактериальных ассоциаций, выяснилось, что с кишечной миробиотой каким-то образом связаны очень многие, самые разные болезни. Среди них – ​метаболический синдром, диабет 2-го типа, астма, аутизм. Известно, что подсадка мышам микробиоты пациента с аутизмом приводит к формированию сходного синдрома, который снимается пересадкой микробиоты здоровых доноров.

Болезнь Крона

Остановимся подробнее на болезни Крона, хроническом воспалительном заболевании кишечника. За последнее столетие эпидемиология этого тяжелого заболевания существенно изменилась в худшую сторону: от 2–3 случаев на 100 тыс. человек в начале прошлого века до 150, как в некоторых современных скандинав­ских странах. Причем в эту статистику вошли лишь случаи с яркой клинической картиной. В связи с развитием методов капсульной эндоскопии, которая дала возможность смотреть прямо в середину тонкой кишки, эта статистика, вероятно, еще больше изменится.

Попыток объяснить причины и механизм развития болезни Крона было много. Так, есть генетическая теория для случаев чисто аутоиммунного процесса. И сегодня мы уже можем достаточно аккуратно распозна­вать генетические паттерны, которые коррелируют с вероятностью развития этой болезни у конкретного человека.

Исторически болезнь Крона ассоциировали со многими инфекционными заболеваниями, например туберкулезом кишечника. Недавно французские специалисты при исследовании западноевропейской популяции обнаружили, что с болезнью Крона тесно ассоциирован специализированный штамм кишечной палочки LF82. Этот известный уропатогенный штамм вызывает циститы (воспаление мочевого пузыря) и имеет склонность к повышенной адгезии и инвазии в клетки эпителия. Оказалось, что у некоторых пациентов с болезнью Крона эта кишечная палочка составляет до 80 % микробных сообществ, окружающих язвы в тонком кишечнике (в норме эта концентрация не превышает 3 %).

Один из достоверных дисбалансов в микробиоте кишечника при болезни Крона связан с численностью кишечной палочки: у 30–60% таких больных содержание E. coli в кишечнике на один-два порядка выше, чем у здоровых. По: (Gevers et al., 2014)

Алкоголизм можно рассматривать как болезнь: у алкоголиков снижено пищевое потребление, они являются истощенными людьми. Мы изучали, может ли изменение микробиоты быть у них очередным патогенетическим путем, усугубляющим течение заболевания, и действительно нашли некоторые закономерности. У алкоголиков, особенно при тяжелых состояниях, обнаружено много видов бактерий, «настроенных» на использование продуктов цикла метаболизма этанола. В целом разнообразие микробиоты у них снижено, при этом выявляются бактерии, отсутствующие в нормальных микробиомах

Казалось бы, если найден патоген, то можно как минимум продвинуться в лечении. Но, проведя филогенетический анализ, т. е. выделив и охарактеризовав штаммы у наших российских пациентов, мы поняли, что «наша» кишечная палочка отличается большим филогенетическим разнообразием и может принадлежать к обычной симбиотической флоре человека.

То, что мы обнаружили, является продолжением «философии контекстов». Во всех исследованных штаммах кишечной палочки у пациентов с болезнью Крона были найдены опероны (функциональные единицы генома у бактерий), связанные с утилизацией пропандиолов – ​продуктов распада фукозы, которая является частью защитной слизи, выделяемой слизистой оболочкой кишечника.

Эти и другие особенности бактерий кишечной палочки (например, присутствие генов, кодирующих железосодержащие белки-антиоксиданты) дают им преимущества относительно других штаммов микроорганизмов, находящихся в этот момент в кишечнике, что напоминает некоторые социальные модели развития человеческих обществ, когда скрытые группы людей при некоторых условиях становятся сильными и главными бенефициарами.

Речь идет о новой гипотезе, что кишечная палочка, не являясь в принципе патогеном, вызывающим конкретное заболевание, при развитии определенного сценария, связанного с применением антибиотиков, дисбактериозом, химическим отравлением или какими-то хроническими воспалительными процессами в слизистой, начинает получать все больше возможностей для размножения, ее численность становится подавляющей. Так начинается запуск патологического процесса.

Что такое ТФМ?

Наверное, далеко не все знают про процедуру трансплантации фекальной микробиоты (ТФМ). Не так давно американское Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов решило приостановить применение ТФМ в клинической практике, сославшись на два осложнения (одно со смертельным исходом) при пересадке кала. Причина – ​инфицирование пациентов штаммами кишечной палочки с генами множественной лекарственной устойчивости к антибиотикам.

Здесь нужно упомянуть, что в России смертельные осложнения от аппендицита составляют 1,5 %, хотя его давно научились оперировать. Если взять все опубликованные протоколы ТФМ, то мы получим процент осложнений меньше 0,001 %. К тому же это были пациенты после онкологических операций и химиотерапии, явно ослабленные. А, к примеру, наши коллеги из НИИ детской онкологии, гематологии и трансплантологии им. Р. М. Горбачевой (Санкт-Петербург) с помощью ТФМ спасают детей с острыми лейкозами, у которых главным ос­ложнением лечения является сеп­сис. Использование ТФМ в такой безальтернативной ситуации, когда иммунной системы практически нет, а антибиотики не работают, может спасти до 60 % пациентов.

Но, действительно, необходимо очень четко выработать показания к применению ТФМ. Все это вопрос контекста: если мы делаем процедуру, правильно оценив все балансы, существующие на данный момент у конкретного пациента, то имеем все шансы ему помочь.

Сенная палочка Bacillus subtillis в последние годы рассматривается как один из самых перспективных пробиотиков, который способствует усилению неспецифического и специфического иммунитета и стимулирует рост нормальной микробиоты кишечника (Савустьяненко, 2016). Фото felixtsao

Манипуляции с микробиотой – ​это одно из направлений в персонализированной медицине. Так же как в случае применения таргетных препаратов, имеющих побочные действия, это должно быть очень обдуманным шагом. Оценить все возможные взаимоотношения между микробиотой и организмом практически невозможно: их настолько много, что они даже до конца не каталогизированы. Но вполне реально разработать так называемые суррогатные оценочные приемы на основе метаболического профилирования, анализа воспаления, эндоскопических практик и определенных методов контроля.

Наши наблюдения за ТФМ и процессами заселения кишечника «чужими» бактериями показывают, что, как и в случае с группами крови, здесь также существуют подходящие к друг другу группы доноров и реципиентов. Поэтому даже успешная с точки зрения клиники процедура может дать только временный эффект, и пересаженная флора через какое-то время «уходит». Кстати сказать, сегодня ведутся работы и по созданию так называемого искусственного кала, или искусственной микробиоты, но пока не очень успешно.

Представление о том, что мы «не одиноки» на своем жизненном пути, возникло очень давно, но лишь в новом веке ученые и врачи получили в свои руки инструментарий, позволивший изучать сообщества наших микроскопических сожителей.

Сама проблема составления полного каталога всех микроорганизмов, населяющих организм человека, является в первую очередь технологической, так как лишь очень немногие из них поддаются выра­щиванию на искусственных питательных средах. Причин этому несколько. Ведь даже очень богатые среды могут не иметь каких-то компонентов, необходимых для жизненного цикла того или иного штамма. К тому же разные бактерии обычно живут не одиночно, а составляют сообщество, поддерживая и дополняя друг друга.

Однако сейчас для того, чтобы узнать, есть ли те или иные виды бактерий в образце, достаточно выделить из него нуклеиновые кислоты, в первую очередь ДНК, и, «расшифровав» ее, сравнить с уже имеющимися базами данных. Удешевление этой процедуры позволило изучить то огромное разнообразие микроорганизмов, которые живут вместе с нами.

Большинство штаммов кишечной палочки являются безвредными, однако один из серотипов может вызывать тяжелые пищевые отравления. Фото Rocky Mountain Laboratories, NIAID, NIH

Наиболее сложным, но и, пожалуй, самым интересным объектом для изучения в этом смысле является кишечник. Его микробиом представляет собой очень сложную, иерархически организованную структуру. Ведь когда говорят о триллионах кишечных бактерий, то речь обычно идет о так называемой просветной флоре, той, что находится в просвете кишечника. Однако микроколонии бактерий живут и на самой слизистой – ​слое эпителиальных клеток, обращенных в просвет кишечника.

И здесь возникает множество вопросов. К примеру, как взаимодействуют между собой «просветные» и прикрепленные микроорганизмы, какова их роль в защите нас от патогенов, регуляции иммунитета? На сегодняшний день далеко не на все эти вопросы есть внятный ответ. При этом изучение микроорганизмов, живущих в слизистой, очень важно, так как они более устойчивы к воздействию антибиотиков и, в случае наступления антибиотик-ассоциированной диареи, могут послужить базой для регенерации кишечного микробиома.

Проблема лекарственной устойчивости бактерий заслуживает особого внимания. Если вы используете антибиотики без рекомендации врача, то размножаете у себя пусть и дружественные бактерии, но с резис­тентностью к подобным лекарствам. И эта способность путем горизонтального переноса генов может передаваться другим, уже болезнетворным бактериям. Поэтому бесконтрольное использование антибиотиков, безусловно, влияет на скорость распространения в человеческой популяции резистентных штаммов.

Наука о микробиоте человека сейчас очень быстро развивается. Новые данные появляются с фантастической скоростью, и с каждым месяцем мы узнаем все больше о наших микроскопических симбионтах, во многом определяющих наше здоровье и саму жизнь.

Arumugam M., Raes J., Pelletier E. et al. Enterotypes of the human gut microbiome // Nature. 2011. V. 473. P. 174–180.

Arumugam M., Sunagawa S., Mitreva M. et al. Genomic variation landscape of the human gut microbiome // Nature. 2013. V. 493. P. 45–50.

Claesson M. J., Jeffery I. B., Conde S. et al. Gut microbiota composition correlates with diet and health in the elderly // Nature. 2012. V. 488. P. 178–184.

Dubinkina V. B., Tyakht A. V., Odintsova V. Y. et al. Links of gut microbiota composition with alcohol dependence syndrome and alcoholic liver disease // Microbiome. 2017. V. 5(1):141.

Huttenhower C., Gevers D., Knight R. et al. Human Microbiome Project Consortium. Structure, function and diversity of the healthy human microbiome // Nature. 2012. V. 486. P. 207–214.

Karlsson F. H., Fåk F., Nookaew I. et al. Symptomatic atherosclerosis is associated with an altered gut metagenome // Nat. Commun. 2012. V. 3:1245.

Lagier J.-C., Million M., Hugon P. et al. Human gut microbiota: repertoire and variations // Front Cell Infect. Microbiol. 2012. V. 2:136.

Ogorodova L. M., Fedosenko S. V., Popenko A. S. et al. Comparison Study of Oropharyngeal Microbiota in Case of Bronchial Asthma and Chronic Obstructive Pulmonary Disease in Different Severity Levels // Vestn. Ross. Akad. Med. Nauk. 2015. V. 6. P. 669–678.

Olekhnovich E. I., Manolov A., Samoilov A. E. et al. Shifts in the Human Gut Microbiota Structure Caused by Quadruple Helicobacter pylori Eradication Therapy // Front Microbiol. 2019. DOI: 10.3389/fmicb.2019.01902.

O’Hara A. M. & Shanahan F. The gut flora as a forgotten organ // EMBO Rep. 2006. V. 7. P. 688–693.

Petrov V. A., Saltykova I., Zhukova I. A. et al. Analysis of Gut Microbiota in Patients with Parkinson’s Disease // Bull. Exp. Bio. l Med. 2017. V. 162(6). P. 734–737.

Qin J., Li Y., Cai Z. et al. A metagenome-wide association study of gut microbiota in type 2 diabetes // Nature. 2012. V. 490. P. 55–60.

Tyakht A. V., Kostryukova E., Popenko A. S. et al. Human gut microbiota community structures in urban and rural populations in Russia // Nat. Commun. 2013. V. 4:2469.

Tyakht A. V., Manolov A., Kanygina A. V. et al. Genetic diversity of Escherichia coli in gut microbiota of patients with Crohn’s disease discovered using metagenomic and genomic analyses // BMC Genomics. 2018. V. 19(1):968.

Wu G. D., Chen J., Hoffmann C. et al. Linking long-term dietary patterns with gut microbial enterotypes // Science. 2011. V. 334. P. 105–108.

Yatsunenko T., Rey F. E., Manary M. J. et al. Human gut microbiome viewed across age and geography // Nature. 2012. V. 486. P. 222–227.

Микробиом кишечника: мир внутри нас

Обзор

В реальном мире достаточно поводов для благоговейного изумления. Природа куда более изобретательна в отношении чудес, чем мы с вами. Карл Саган.

Автор
Редакторы
  • Биология
  • Иммунология
  • Микробиология
  • Питание

Статья на конкурс «био/мол/текст»: Микробиом человеческого кишечника представляет собой уникальную совокупность микроорганизмов. Его незримое присутствие опосредует целый ряд важных процессов: от метаболических и иммунных до когнитивных, а отклонение его состава от нормы приводит к развитию разнообразных патологических состояний: аллергических и аутоиммунных заболеваний, сахарного диабета, ожирения и др. Качественный и количественный состав микробиома, от которого во многом зависит будущее здоровье человека, определяется во младенчестве. Процессам его формирования и будет посвящена эта статья.

«Био/мол/текст»-2016

Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «био/мол/текст»-2016.

Генеральным спонсором конкурса, согласно нашему краудфандингу, стал предприниматель Константин Синюшин, за что ему огромный человеческий респект!

Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма «Атлас».

Спонсор публикации этой статьи — Александр Коваленко.

В настоящее время понятие «микрофлора человека» утратило свою актуальность: мы несем в своем организме не просто набор бактерий, а настоящий биом — микробиом . Но если биом с точки зрения экологов представляет собой крупную экосистему, то наше тело — это место обитания многочисленной популяции микроорганизмов, своего рода микробная экосистема, характеризующаяся своей генетической регуляцией и сложными взаимодействиями и реагирующая на влияние факторов внешней и внутренней среды. Она настолько уникальна, что в мире не найдется двух людей с идентичным микробиомом. Различия в микробном составе зависят от таких факторов среды, как набор питательных веществ, рН, влажность и температура. Те или иные их значения способствуют размножению бактерий и опосредуют пользу, которую они могут принести хозяину — человеку [1], [2].

Утрачивает актуальность оно еще и потому, что современный уровень знаний позволяет выражаться более корректно, и всё чаще «микрофлору» заменяют термином «микробиота» (наряду с «микробиомом»), подчеркивая, что бактерии и грибы (ну и вирусы с простейшими тоже) никак к «флоре», то есть миру растений, не относятся. Однако многие микробиологи «микрофлору» спокойно помещают в научные статьи и не кидаются друг в друга тухлыми помидорами: ничего особо ужасного в этом традиционном термине нет. — Ред.

Микробиом распределен в нашем организме неравномерно, по его топографии и видовому составу принято различать микробиом кожи, полости рта, дыхательных путей, урогенитального тракта и кишечника. Наиболее крупным микробиомом нашего тела является, несомненно, кишечный. Он может состоять из сотен видов различных микроорганизмов, но у взрослого человека преобладают бактерии двух типов: Firmicutes и Bacteroidetes [3]. Кишечный микробиом изучен лучше других бактериальных сообществ человека, и многолетние исследования, о которых будет рассказано ниже, показали, что именно он в большей степени влияет на здоровье своего носителя. Давайте же совершим путешествие в прошлое и разберем, как формируется микробиом нашего кишечника.

Микробиом: начало

Еще до недавнего времени считалось, что плод в утробе матери полностью огражден от контакта с миром микроорганизмов, то есть человек рождается полностью стерильным, а его заселение бактериями происходит позже. Но появились данные о том, что первые колонизаторы осваивают организм человека еще до его рождения. В ряде исследований было выявлено, что в плаценте, околоплодных водах, пуповинной крови и первичном кале — меконии — присутствуют бактерии родов Enterococcus, Escherichia, Leuconostoc, Lactococcus и Streptococcus, а у недоношенных младенцев — следы Enterobacter, Enterococcus (в меньшей степени, чем у доношенных), Lactobacillus, Photorhabdus и Tannerella [4–14]. Также в одной из работ были получены доказательства внутриутробной бактериальной транслокации — проникновения бактерий из кишечника матери к плоду [13]. Исследователи предполагают, что это происходит посредством кровотока: механизмом, сходным с «энтеромаммарной осью», о которой поговорим чуть позже. Эту гипотезу поддерживают данные другого эксперимента, в котором беременные мыши перорально получали меченых Enterococcus faecium, после чего эти бактерии «заявляли о себе» в плаценте и даже меконии еще не рожденных мышат [13].

Но всё же по-настоящему серьезный контакт с миром микроорганизмов происходит после рождения, и во многом от того, как пройдет эта встреча, зависит будущее здоровье человека. Колонизация кишечника у здоровых детей укладывается в четыре последовательные временны́е фазы. Первая длится от момента рождения до двух недель. Микробная популяция в этот период представлена в основном стрептококками и кишечной палочкой. В зависимости от вида вскармливания — грудного или искусственного — через некоторое время присоединяются бифидо- или лактобактерии соответственно. В небольших количествах обнаруживаются и представители родов Clostridium и Bacteroides. Через две недели начинается вторая фаза, которая продолжается до введения в рацион прикорма. В это время увеличивается численность представителей рода Bacteroides. С момента введения прикорма начинается третья фаза, длящаяся до завершения грудного вскармливания. В эту фазу окончательно формируется микробиом ребенка: постепенно, по мере увеличения в рационе доли твердой пищи и снижения доли грудного молока, растет количество бактероидов и анаэробных грамположительных кокков (пептококков и пептострептококков). Окончание грудного вскармливания знаменует переход к четвертой фазе. Она характеризуется относительной стабильностью микробного состава, который сохраняется в течение всей жизни индивида [15].

А теперь рассмотрим подробнее, как протекают процессы колонизации и становления иммунного ответа во время и после рождения.

Родоразрешение

Как оказалось, даже характер родоразрешения (ребенок может появиться на свет естественным путем, а может и оперативным, с помощью кесарева сечения) влияет на состав микробиома младенца.

Первое, с чем сталкивается ребенок, — микробный мир родовых путей его матери. У небеременных женщин идентифицировано шесть видов лактобактерий, исходя из соотношения которых выделяют по крайней мере пять качественно различных типов микробиома влагалища [16]. В четырех из них — характерных, как правило, для представительниц европейских и азиатских народов — преобладают следующие представители рода Lactobacillus:

  • L. crispatus (I тип микробиома);
  • L. gasseri (II тип микробиома);
  • L. iners (III тип микробиома);
  • L. jensenii (V тип микробиома).

IV тип микробиома часто встречается у чернокожих и латиноамериканских женщин и характеризуется низким уровнем Lactobacillus spp. и большим числом анаэробных бактерий.

Интересно, что женщины, имеющие IV тип микробиома влагалища, более склонны к развитию специфических и неспецифических воспалительных гинекологических заболеваний. Этот феномен связан со снижением количества Lactobacillus spp., которые в норме создают неблагоприятную для патогенов кислую среду. Также было установлено, что у этих женщин больше шансов заразиться ВИЧ, ведь воспалительные процессы увеличивают на поверхности слизистых оболочек численность CD4-содержащих лимфоцитов — основных мишеней вируса [17].

При беременности из-за изменения pH влагалища бактериальное разнообразие уменьшается, но повышается стабильность состава микробиоты. Как правило, в этот период в микробиоме преобладают Lactobacillus crispatus и Lactobacillus iners. Количественное превосходство этих видов подчеркивает их важность для поддержания здоровой среды родовых путей. У европейских и азиатских женщин во время беременности могут происходить сдвиги между типами микробиомов, но, как правило, они редко переходят к IV типу [18]. Таким образом, в зависимости от особенностей микробиоты влагалища матери ребенок начинает свою жизнь со «знакомства» с определенным видовым набором микроорганизмов, что подчеркивает важность исследований микробиомов различных групп населения.

Но во что же выливается это знакомство? Почему вообще заселение микробами так важно для ребенка? Дело в том, что бактерии за счет симбиотических взаимоотношений с эпителиальными и иммунными структурами кишечника фактически активируют иммунную систему хозяина (рис. 1) [21].

Покидая родовые пути естественным образом, доношенный новорожденный в небольших количествах заглатывает представителей вагинальной и кишечной микробиоты матери. В основном это бактерии родов Prevotella, Sneathia и Lactobacillus [15]. Если же родоразрешение происходит путем кесарева сечения, одними из первых колонизируют организм новорожденного представители кожных микробиомов матери и медицинского персонала, в основном — бактерии родов Propionibacterium, Corynebacterium и Streptococcus [19], [20]. У таких младенцев отмечают замедление заселения кишечника филой Bacteroidetes и низкое бактериальное разнообразие в течение первых двух лет жизни [22]. Однако с четырех месяцев различия в бактериальном разнообразии с естественно рожденными детьми начинают стираться, и к 12 месяцам практически исчезают [19].

Схема иммунной защиты слизистой оболочки кишечника плода

Рисунок 1. Схема иммунной защиты слизистой оболочки кишечника плода в зависимости от гестационного возраста. а — У младенца, рожденного в срок, все компоненты иммунной защиты слизистой оболочки являются зрелыми. б — Однако чтобы иммунная система приобрела работоспособность, должна произойти ее стимуляция первичными колонизаторами. Иммунная защита кишечника включает в себя: специализированный эпителий, или М-клетки (1), пейеровы бляшки (2), интерстициальные (3) и интраэпителиальные (4) лимфоциты, опосредующие развитие иммунных реакций. Среди лимфоидных образований кишечника выделяют одиночные лимфатические узлы (расположены преимущественно в дистальных отделах кишечника) и пейеровы бляшки (расположены в основном в подвздошной кишке). Последние образованы сгруппированными лимфатическими фолликулами, выпячивающими эпителий в просвет кишки в виде купола, и межузелковыми скоплениями лимфоидной ткани. Эпителий слизистой оболочки в области бляшки содержит до 10% специфических микроскладчатых (М-) клеток, обеспечивающих трансэпителиальный транспорт, механизм которого — трансцитоз: благодаря тонкому гликокаликсу они активно поглощают апикальной поверхностью макромолекулы (в том числе антигены) из просвета кишки, в составе эндосом перемещают их через свою цитоплазму и посредством экзоцитоза передают иммунокомпетентным клеткам пейеровых бляшек. Для ускорения процесса М-клетки снизу образуют «карманы», заполняющиеся «иммунным винегретом» из В-клеток, плазмоцитов, Т-клеток, макрофагов и антигенпрезентирующих дендритных клеток.

Тем не менее очевидно, что характер родоразрешения влияет на микробиом новорожденного (рис. 2). Правда, пока неясно, сказываются ли эти различия на здоровье взрослого индивида: хотя некоторые эпидемиологические исследования демонстрируют связь между кесаревым сечением и различными заболеваниями (табл. 1), причина их развития окончательно не выяснена.

Изменения микробиома у новорожденных

Рисунок 2. Изменения микробиома у новорожденных. Цвет текста и стрелки обозначают изменения специфических разновидностей (зеленый), общие изменения (розовый) и разнообразие сообщества (оранжевый). а Изменения у младенцев, родившихся естественным путем, относительно извлеченных хирургически. б — Изменения у младенцев, находящихся на грудном вскармливании, относительно «искусственников». α-разнообразие — видовое разнообразие внутри исследуемого сообщества, β-разнообразие — видовое разнообразие между сообществами данной области (по Р. Уиттекеру).

Грудное вскармливание

Не менее важным фактором в формировании микробиома новорожденного является характер питания. Грудное молоко — оптимально сбалансированная пища для младенца, обеспечивающая его нормальное развитие [23]. Как известно, в первые дни жизни именно оно защищает ребенка от инфекционных болезней и способствует снижению смертности от них [24] за счет содержания множества иммунных факторов: Т- и В-лимфоцитов, плазматических клеток, иммуноглобулинов (в первую очередь IgА) и антимикробных ферментов (лизоцима и лактоферрина). Установлено, что грудное вскармливание в какой-то мере предотвращает развитие таких хронических заболеваний, как сахарный диабет [25] и ожирение [26]. И, несомненно, грудное молоко способствует формированию «здорового» микробиома. Первые данные об обнаружении бактерий в женском молоке были получены в 1950 году, но исследователей тех лет интересовали лишь патогенные микроорганизмы [27]. И хотя уже в 70-х годах в грудном молоке были найдены первые бактерии-симбионты, ученым не удалось их идентифицировать [27]. Лишь в 2003 году, когда в молоке, на коже груди и ареолах сосков восьми кормящих матерей и в ротовой полости и фекалиях их детей были обнаружены родственные лактобациллы, ученые предположили, что эти бактерии не занесены случайно извне, а имеют эндогенное происхождение [28].

Независимо от того, материнское или донорское грудное молоко используется для вскармливания, у каждого младенца формируется свой особый микробиом. Заслуга в этом принадлежит олигосахаридам молока человека (ОМЧ) [29], [30]. В составе женского молока около 8% отведено перевариваемым ОМЧ — пребиотикам, поддерживающим рост Bifidobacterium longum subsp. infantis [31]. При этом профиль ОМЧ у каждой женщины уникален, что обеспечивает, в свою очередь, индивидуальность младенческого микробиома (рис. 3) [32].

Взаимодействие гликанов человеческого молока и микробиоты

Рисунок 3. Взаимодействие гликанов человеческого молока и микробиоты. Взаимодействие новорожденного с материнскими и содержащимися в окружающей среде микроорганизмами опосредовано потреблением молозива и содержащихся в нём гликанов (олигосахаридов молока человека, ОМЧ). ОМЧ обладают пребиотической, антиадгезионной и противовоспалительной активностью, облегчают экспансию симбионтов — в особенности Bacteroides и Bifidobacterium — и ингибируют рост и адгезию оппортунистических и облигатных патогенов.

Другим опосредующим формирование микробиома фактором является так называемая энтеромаммарная ось — система, которая обеспечивает транспорт бактерий из кишечника (будущей) матери в молочные железы. Ее первичным звеном служат дендритные клетки кишечника, которые захватывают бактерий и транспортируют их в местные лимфоидные фолликулы [1]. Там осуществляется выработка специфического иммуноглобулина А. Эти дендритные клетки и секретирующие иммуноглобулин лимфоциты циркулируют в крови, но могут избирательно возвращаться в кишечник за счет взаимодействия между β7-интегринами и выделяемыми эндотелиоцитами молекулами адгезии (адрессинами, MAdCAM-1). Клетки эндотелия молочных желез синтезируют молекулы MAdCAM-1 во время беременности, обеспечивая избирательное поступление в железу «запрограммированных» дендритных клеток, содержащих кишечные бактерии [33]. Помимо бактерий, в молозиве и молоке матери содержатся Т-клетки, производящие β7-интегрины, и плазматические клетки, вырабатывающие специфический IgА [34]. Также в молоке находятся цитокины, состав которых зависит от иммунологического опыта матери, приобретенного в течение жизни.

Существует теория, предполагающая передачу микроорганизмов из полости рта младенца в молочную железу матери с последующей выработкой в ее организме специфических антител и их поступлением в ЖКТ ребенка [34]. Предположение подтверждается тем фактом, что в ротовой полости новорожденного и в грудном молоке обнаруживаются идентичные бактерии родов Gemella, Veillonella, Staphylococcus и Streptococcus [35], [36]. Хотя есть данные, что они присутствуют в молозиве еще до начала грудного вскармливания (даже после тщательной гигиенической обработки железы образцы сцеженного молока содержат бактерии кожного и кишечного микробиома матери [37]), это всё же не отменяет возможность реализации механизма обратного заноса.

В 2011 году ученые из США обнаружили девять таксономических единиц бактерий в образцах молока от 16 женщин. Установив тем самым, что микробный состав молока чрезвычайно разнообразен, они предложили концепцию «ядра микробиома женского молока» (рис. 4) [35]. В дальнейшем стало ясно, что микробиом изменяется в течение всего периода лактации. Так, в молозиве преобладают бактерии родов Weissella, Leuconostoc, Staphylococcus, Streptococcus и Lactococcus, а в молоке, вырабатываемом в первые шесть месяцев после родов, видимо, из-за частого контакта с обитателями полости рта младенца происходит «перекос» в сторону Veillonella, Leptotrichia и Prevotella — что опять же подтверждает теорию обратного заноса [37].

Бактерии из молока 16 женщин

Рисунок 4. Девять бактериальных таксономических единиц, обнаруженных в образцах молока от 16 женщин в 2011 году. Наблюдаемые сообщества оказались достаточно сложными, и при относительном постоянстве состава у одной группы испытуемых у другой с течением времени отмечались изменения.

Здоровье матери также играет важную роль в формировании микробного состава молока. В первый месяц лактации в молоке страдающих ожирением женщин преобладают Lactobacillus, однако через полгода их сменяют представители рода Staphylococcus [37], которые, как показывают исследования, начинают преобладать и в кишечнике тучных младенцев, в связи с чем ученые предположили существование связи между особенностями микробиома женского молока и паратрофией у детей.

Паратрофия

Паратрофия — один из любимых в нашей стране педиатрических «диагнозов». Да, такое состояние есть, но диагноза такого в МКБ-10 нет. По идее, с лингвистической точки зрения, термин «паратрофия» (плавающий исключительно в рунете, ну и в российских медкартах тоже) мог бы описывать любые расстройства питания (для них в МКБ-10 выделена категория E40—E68, nutritional diseases), но традиционно паратрофией у нас называют единственное патологическое состояние из группы расстройств питания — которое в МКБ-10 можно притянуть к рубрике «ожирение и другие виды избыточности питания» (Е65-68). До года, а то и до полутора лет, особенно если ребенок находится исключительно на грудном вскармливании, диагнозу «ожирение» предпочитают именно «паратрофию». К детям старше двух лет применим только диагноз «избыточная масса тела/ожирение». «Диагноз» паратрофия по сути просто констатирует факт тучности младенца.

Паратрофик отличается повышенным индексом массы тела (ИМТ), избыточными, а кое-где и нормальными, параметрами (излишнее накопление жира особенно заметно на животе и бедрах, характерна «шарпееподобная складчатость»), нередко имеет признаки нарушения трофики тканей (кожа может быть пастозной и бледной, мышцы дряблыми).

На вопросы, касающиеся лечения и рисков такого состояния, пока нельзя ответить однозначно. Основная масса врачей считает, что всё нормализуется после того, как ребенок научится ходить, то есть существенно повысит расход энергии. Но это при условии, что паратрофия возникла именно на грудном вскармливании, а не из-за неадекватных и обильных прикормов. (Кстати, паратрофию еще называли «мучной болезнью», поскольку изначально наблюдали у детей, переведенных на однообразное питание углеводными продуктами.) Единственным заслуживающим внимание следствием паратрофии большинство педиатров считает временную задержку моторного развития: ясно, что тучным детям сложнее переворачиваться, ползать, вставать и т.д. Однако некоторые врачи всё же рекомендуют снизить количество потребляемого молока и добавить овощной прикорм. Беда в том, что пока нет достаточных научных оснований для утверждения, что между паратрофией и детским, а затем и взрослым ожирением связи нет. Да хотя бы и то, что у паратрофика есть проблемы с моторикой, теоретически может заложить основу для развития ожирения. Так или иначе — и в этом солидарны как «оптимисты», так и «перестраховщики» из медсообщества, — такой «диагноз» уж точно не повод для родительской паники.

Постепенное отнятие младенца от груди и переход на твердую пищу также играют важную роль в формировании бактериального разнообразия. После завершения грудного вскармливания в микробиоме детского кишечника появляются характерные для взрослого бактерии — представители типов Bacteroidetes, Firmicutes и класса Clostridia: Clostridium, Ruminococcus, Faecalibacterium, Roseburia, и Anaerostipes [19], [38].

Иммунитет

Недавние исследования подтвердили важную роль кишечной микрофлоры в развитии иммунной защиты. В Nature Reviews Immunology был опубликован обзор, подчеркнувший важный вклад бактерий-комменсалов в функционирование эпителиального барьера кишечника (рис. 5).

Эпителиальный барьер кишечника

Рисунок 5. Эпителиальный барьер кишечника. Простой цилиндрический эпителий обладает механизмами физической и биохимической адаптации к микробной колонизации, поддерживающими целостность барьера. К ним относятся: богатые актином микроворсинки; плотные контакты эпителиальных клеток (а); муцины, которые формируют «сито» для просеивания молекул — гликокаликс; продукция различных антимикробных пептидов. М-клетки, покрывающие пейеровы бляшки и одиночные лимфоидные фолликулы, обеспечивают транслокацию молекул из просвета кишки под эпителий, к антигенпредставляющим клеткам. Дендриты специализированных дендритных клеток (ДК) могут проникать в просвет кишечника через плотные контакты (б).

Ученые предположили, что бактерии кишечника не только стимулируют его лимфоидные элементы, но и оказывают влияние на кишечный слизистый барьер, стимулируя образование микроворсинок [39], [40] и плотных контактов [41].

фраза

Рисунок 6. Взаимодействие между иммунной системой кишечника и микробиомом младенца. Развитие вторичных лимфоидных структур, в том числе пейеровых бляшек и одиночных лимфоузлов, происходит внутриутробно, задолго до начала бактериальной колонизации. С ее началом настраиваются механизмы взаимодействия иммунной системы хозяина и бактерий-симбионтов. М-клетки путем трансцитоза передают бактериальные антигены дендритным клеткам, те их презентируют, опосредуя Т-зависимое созревание В-лимфоцитов и способствуя секреции плазматическими клетками IgA, который играет важную роль в защите от патогенов. Бактерии могут транслоцироваться также через дендритные клетки и презентироваться Т-клеткам лимфоузла, индуцируя их дифференцировку. Нижняя левая панель — АММП — ассоциированный с микроорганизмами молекулярный паттерн. В условиях гомеостаза АММП, ассоциированные с бактериями-симбионтами, стимулируют продукцию регуляторных цитокинов (IL-25, IL-33, тимусного стромального лимфопоэтина и трансформирующего фактора роста, TGF-β). Трансдукция сигнала на дендритные клетки стимулирует развитие регуляторных Т-клеток и способствует секреции IL-10. Нижняя правая панель — В состоянии дисбиоза снижение количества бактерий-симбионтов приводит к размножению патогенов. Патогенные АММП индуцируют секрецию провоспалительных цитокинов (IL-1, IL-6 и IL-18), способствуя размножению эффекторных Т-клеток. Эти Т-клетки дифференцируются в CD4 + Th1 и Th17 и секретируют IL-17, фактор некроза опухоли (TNF-α) и интерферон-γ (IFN-γ), которые привлекают в очаг воспаления нейтрофилы, защищая организм хозяина от патогенов.

Исследуя влияние бактерий на защитные механизмы кишечника (рис. 6), ученые искусственно колонизировали бактерией Bacteroides thetaiotaomicron кишечники безмикробных мышей. Затем РНК кишечного эпителия анализировали на предмет изменения экспрессии генов [42]. Была отмечена обширная активация генов эпителиоцитов, которые регулировали функцию эпителиального барьера и способствовали повышению продукции рецептора к IgА. Это исследование прекрасно отражает влияние бактериальной колонизации на кишечник новорожденного, ведь он в данном контексте такой же, практически безбактериальный, организм.

Всё новые работы подчеркивают важную роль бактериальной колонизации в формировании и поддержании здоровья млекопитающих. В недавнем эксперименте, посвященном изучению функций Toll-подобных рецепторов, нокаутировали ген важного компонента врожденного иммунитета — рецептора TLR5, расположенного на базолатеральной поверхности энтероцитов мышей. Это повлекло за собой следующее: мыши начали регулярно объедаться и в конце концов развили метаболический синдром, сопровождавшийся изменением состава кишечной микробиоты. Возникло предположение, что микробиом может служить индикатором развития многих заболеваний. Но ученые пошли дальше и пересадили «патологическую» микробиоту из TLR5-дефицитных особей безмикробным мышам с нормальным рецептором, и у тех тоже проявились признаки метаболического синдрома. То есть микробиом, возможно, может служить не только индикатором системных проблем, но и непосредственно участвовать в их возникновении. Интересно, что ограничение питания TLR5-дефицитных мышей предотвращало развитие ожирения, но не резистентности к инсулину [43].

Вообще, связь колонизации бактериями-симбионтами с развитием как приобретенного, так и врожденного иммунитета, демонстрировали неоднократно. Было установлено, что взаимодействие рецепторов энтероцитов и иммунных клеток кишечника с антигенами микроорганизмов вызывает естественную, самоограничивающуюся воспалительную реакцию. Таким способом механизмы врожденного иммунного ответа позволяют предотвратить проникновение патогенов через эпителиальный барьер кишечника, при этом отличая их от безвредных симбионтов (рис. 6) [44], [45]. Когда ребенок покидает утробу матери, происходит контакт с огромным количеством бактерий. И для того чтобы избежать непрерывной воспалительной реакции в ответ на колонизацию кишечника, снижается экспрессия упомянутых рецепторов, в частности TLR2 и TLR4 [46]. К сожалению, у детей, появившихся на свет раньше срока, описанные механизмы еще незрелые, что часто приводит к развитию некротического энтероколита [47].

Исследования последних лет показали, что кишечные бактерии могут вносить свой вклад и в развитие иммунной толерантности, то есть защиты от избыточных иммунных реакций. Эти наблюдения чрезвычайно актуальны для разработки возможных терапевтических вмешательств, ведь многие бактериальные виды имеют количественное преимущество лишь на ранних этапах колонизации, во время грудного вскармливания (см. главу «Микробиом и грудное вскармливание»). Как же симбионтов связали с иммунотолерантностью? Например, полисахарид А капсулы Bacteroides fragilis может взаимодействовать с TLR2-рецепторами дендритных клеток кишечника, активируя продукцию противовоспалительных цитокинов, которые создают для бактерий специфическую микросреду [48]. Некоторые виды клостридий подобным образом увеличивают количество регуляторных Т-клеток — контролеров, подавляющих иммунный ответ, если Т-эффекторы неоправданно разбушевались, — предотвращая тем самым IgE-опосредованные заболевания [49]. Таким образом, конкретные микроорганизмы, представленные в материнском молоке, еще во младенчестве могут предопределить степень «аллергичности» индивида: упомянутые механизмы позволяют выработать толерантность к «полезным» антигенам и бактериям, предотвращая в дальнейшем развитие аллергий и аутоиммунных заболеваний .

Дополнительно о связях микробиома с иммунитетом, питанием, болезнями и препаратами для их лечения можно прочитать на «биомолекуле»: «Зоопарк в моем животе» [50].

И другие.

Помимо генетических факторов, характера родоразрешения и вскармливания, на формирование микробиома и иммунитета у новорожденного в той или иной мере оказывают влияние особенности питания, опыт приема антибиотиков и факторы окружающей среды (рис. 7).

Факторы, обеспечивающие формирование микробиома младенца

Рисунок 7. Факторы, обеспечивающие формирование микробиома младенца. Инфекции половых путей женщины могут привести к бактериальному загрязнению матки. Микрофлора кишечника и ротовой полости может транспортироваться с кровью к плоду. Характер родоразрешения формирует первичную микрофлору. Генетика и постнатальные факторы, такие как режим питания, использование антибиотиков и воздействие окружающей среды оказывают дополнительное влияние на микробиом.

Антибиотики — одни из наиболее часто выписываемых детям препаратов. Назначение их матери в послеродовом периоде или же новорожденному может нарушить хрупкие процессы, которые лежат в основе формирования микробиома, и стать причиной ряда заболеваний (табл. 1). Исследования последних лет регулярно подчеркивают важность понимания процессов, ведущих к неонатальному дисбиозу и развитию в дальнейшем таких патологий, как диабет II типа, воспалительные заболевания кишечника или аллергическая реакция на компоненты молока [51–56]. Изменения в микробиоме, провоцируемые антибиотиками, зависят от способа введения, мишени, типа и дозировки препарата. Всё это пока плохо изучено у младенцев, что затрудняет понимание влияния антибиотикотерапии на формирование нормальной микрофлоры.

Таблица 1. Основные факторы, служащие связующим звеном между дисбалансом микробиома в раннем возрасте и склонностью к последующему развитию заболеваний.Таблица из [71].

Фактор, вызывающий дисбалансХарактеристика когортыИсходы
Кесарево сечение1,9 млн датских детей в возрасте 0–15 летАстма, системные заболевания соединительной ткани, ювенильный ревматоидный артрит, воспалительные заболевания кишечника, иммунодефициты и лейкозы
1255 трехлетних детей из СШАОжирение, высокий ИМТ
2803 норвежских ребенка 0–3 летАллергическая реакция на куриные яйца, рыбу или орехи
Антибиотикотерапия1401 ребенок 0–6 месяцев из СШААстма и аллергия
5780 британских детей 0–2 летАстма и экзема
12 062 финских ребенка 0–2 летИзбыточный вес и ожирение
162820 детей 2–18 лет из СШАИзбыточный вес
9 млн британских детейВоспалительные заболевания кишечника
Пробиотики215 испанских детей 0–6 месяцевСнижение частоты инфекций ЖКТ и верхних дыхательных путей
Европейское общество специалистов в области детской гастроэнтерологии, гепатологии и питания, комиссия по вопросам питанияСнижение частоты неспецифических желудочно-кишечных инфекций
Пищевые добавки139 африканских детей 6–14 летС большей частотой — воспалительные заболевания кишечника, с меньшей — колики
Гигиена184 ребенка 0–3 лет (исследование чистоты пустышек)Чистота пустышек снижала риск развития астмы, аллергии и сенсибилизации
Домашние животные3143 финских ребенка 0–1 годаСнижение риска развития диабета I типа

Отдельно стоит сказать о пробиотиках и пребиотиках, которыми повсеместно обогащены смеси для искусственного вскармливания, несмотря на недоказанность их эффективности [57]. Пробиотики представляют собой живые микроорганизмы, которые, предположительно, должны участвовать в формировании микробиома, а пребиотики — это вещества, которые способствуют росту полезных микроорганизмов. Использование пробиотиков в педиатрической практике — до сих пор спорный момент, хотя их влияние на различные детские заболевания изучалось достаточно широко. Так, некоторые мета-анализы обнаружили их эффективность в терапии атопического дерматита, в то время как другие не выявили существенного влияния на детей младше 12 месяцев [58–61]. Была проведена оценка воздействия самых популярных пробиотических добавок в детском питании (Lactobacillus и Bifidobacterium spp., L. reuteri) на колики у младенцев. После трех недель их применения в кишечнике новорожденных увеличивалось количество лактобацилл и уменьшалось содержание кишечной палочки [62]. Однако на сегодняшний день большинство исследований показывает, что пре- или пробиотики значительно не влияют на качественный и количественный состав микробиома кишечника.

Окружающая среда не стерильна, и предметы быта, с которыми сталкивается новорожденный, тоже служат источниками микроорганизмов, участвующих в формировании микробиома. К примеру, вероятность обмена бактериями посредством предметов быта и воздуха в помещении увеличивается соразмерно количеству людей, проживающих в доме. Исследование 60 семей из США выявило, что члены одной семьи (домовладения) имеют более схожие микробиомы, чем члены разных семей [63]. Особенно показательно максимальное сходство микробиоты кожи у супругов, а также обмен поверхностными бактериальными сообществами между хозяевами и их собаками. Частый контакт с компонентами домашней пыли и большая семья в первые два месяца жизни могут привести к изменениям в микробиоме, ассоциированным с возникновением аллергии. Они заключаются в увеличении у младенцев количества бифидобактерий (за исключением B. adolescentis) и снижении численности Lactobacillus spp., Bifidobacterium adolescentis и Clostridium difficile [64].

Вероятно, частый контакт с животными, а соответственно, и с их микробиотой, на первом году жизни оказывает защитное действие, повышая иммунную толерантность. Например, взаимодействие с домашними животными с раннего возраста снижает риск развития аллергических состояний и астмы, но механизмы этого явления пока в полной мере не выявлены [65]. Ну и после всего сказанного, конечно, не станет сюрпризом вывод ученых о том, что бактериальное разнообразие гораздо выше у сельских детей, чем у городских [66]. В заключение стόит отметить, что ряд бактериальных штаммов обнаруживается одновременно у матерей и их взрослых дочерей, из чего следует, что одни бактерии временно «арендуют» жилплощадь, а другие получают в макроорганизме пожизненную «прописку».

Коррекция

В недавно проведенных исследованиях изучались терапевтические вмешательства, которые могли бы изменять микробом и профилактировать микробный дисбаланс еще в раннем детстве.

Подходы к модификации микробиома, как правило, подразделяются на три основные группы: очищение от микроорганизмов, их модуляция и замена, восстановление микробиоты. К примеру, антибиотики из-за их способности эффективно очищать кишечник от бактерий часто используют для лечения состояний, вызванных неспецифической патогенной микробиотой (рис. 8).

Микробная терапия

Рисунок 8. «Микробная терапия» в зависимости от стадии заболевания. На доклинических стадиях болезнь еще не проявляется в полной мере: ее симптомы (если вообще они есть) минимальны и неспецифичны, но тонкие биологические изменения уже происходят. Использование культур определенных бактериальных сообществ на ранних стадиях болезни может с максимальной эффективностью предотвратить дисбиоз и развитие патологии. По мере прогрессирования заболевания происходит обогащение микробиома патогенами (изображены красным), продуцирующими провоспалительные метаболиты и тем самым активирующими воспалительные пути (рис. 6). Слизистый слой, защищенный эпителием, истончается по мере накопления патогенов, утяжеляя течение заболевания. Диетотерапия и антибиотики на этом этапе могут использоваться в качестве радикальной меры, изменяющей количественный и качественный состав бактерий. На поздних стадиях продолжающееся истончение слизистого слоя позволяет бактериям прорваться через эпителиальный барьер. Тогда агрессивная антибиотикотерапия в сочетании с трансплантацией микробиоты может помочь восстановить микробный баланс. АММП — ассоциированный с микроорганизмами молекулярный паттерн.

Однако у детей раннего возраста длительное применение антибиотиков чревато значительным риском осложнений. Состав микробиоты можно изменить и посредством диетотерапии, употребляя продукты, которые способствуют росту «полезных» микроорганизмов. Одним из примеров подобной диеты является особое энтеральное питание, применяемое для симптоматической терапии болезни Крона у детей. Оно представляет собой специфическую смесь всех необходимых микро- и макронутриентов и потому в течение длительного времени может служить единственным источником питательных веществ. Оно подается исключительно в жидком виде — перорально либо через зонд — и способствует достижению клинической ремиссии за счет создания своеобразного «режима покоя»: снижения функциональной нагрузки на воспаленный кишечник и уменьшения его травматизации [67].

Исследования в области дефицита питания продемонстрировали, что на сегодняшний день невозможно, используя только диетотерапию, существенно повлиять на состав кишечного микробиома, хотя изучение влияния характера питания на него продолжается.

Учитывая то, какое значительное воздействие на здоровье оказывает микробиота в раннем детстве, весьма актуальными выглядят методы, направленные на своевременное, профилактическое, восстановление микробного баланса. Недавно удалось показать, что микробиом новорожденных, появившихся на свет посредством кесарева сечения, можно восстановить до состояния, схожего с младенцами, родившимися естественным путем. Обтирание таких детей тампонами, которые были введены за час до кесарева сечения во влагалище матери, приводило к значительному обогащению их микробиома представителями Lactobacillus и Bacteroides. Правда, пока не выяснены возможные последствия такой процедуры для здоровья [68].

Микробиом кишечника можно рассматривать как целый отдельный орган нашего тела. Мы приобретаем его при рождении, и то, каким он будет, зависит от множества факторов. Но одно можно сказать наверняка: он будет непохожим ни на какой другой микробиом. Это практически такой же уникальный признак, как папиллярные линии и сосудистый рисунок сетчатки глаза. И подобно тому, как отпечатки пальцев могут рассказать следователям криминальную биографию преступника, микробиом кишечника может предъявить ученым вехи онтогенеза своего хозяина. И как нельзя лучше процесс бактериальной колонизации и его значимость для организма отражает знаменитая пословица: «Что посеешь, то и пожнешь». Берегите свой микробиом и будьте здоровы!