микробиом и микробиота в чем разница

Микробиота или микробиом

Микробиом и микробиота, всего два слова, но они охватывают триллионы живых микроорганизмов, их жизнедеятельность, значимость, роль, взаимодействие. В данной статье речь пойдет о связи микроорганизмов в нашем теле и здоровье в целом.

Сферы взаимодействия, задачи и функции крошечных микробов, отдельных органов и целых систем настолько переплетены, что отделить значимость одного от другого, просто невозможно. Каждое мгновение в теле человека множатся и умирают триллионы микробов, иммунная система и слизистые поверхности кишечника не просто держат эту невероятную компанию под контролем, но и используют для пользы нашего организма.

Бактерии принимают активное участие в процессе пищеварения, защитных функциях, участвуют в формировании малыша в утробе мамы и в процессах родов, кормления, контролируют психоэмоциональное состояние, и даже могут продлить качественную жизнь. За прошедшие 2-а десятилетия наука далеко вперед продвинулась в вопросах изучения того, как выстраиваются взаимоотношения бактерий и нашего организма, по каким причинам эти отношения ухудшаются, и как все это можно исправлять.

Тысячи и тысячи масштабных научных изысканий по всему миру подтверждают связь известных болезней и состав микрофлоры кишечника. Открываются сотни новых видов бактерий, изучаются их функции и способности, вырабатываются терапевтические методики, в которых, в качестве основного лекарства, используются бактерии и продуцируемые ими вещества.

Слово “Микробиом” вошло в обиход научного сообщества не так давно, в конце минувшего века. Этим словом было принято решение называть совокупность самих микроорганизмов вместе со средой их обитания, например, есть микробиом кишечника, кожных покровов, органов дыхания, и каждый из них рассматривается, как отдельная структура.

Под словом “Микробиота” подразумевают исключительно совокупность микроорганизмов, без среды их обитания, это основное отличие, хотя, в литературе, оба этих слова часто взаимо заменимы.

Исследования Микробиоты и Микробиома

На заре исследований микробиоты, ученые сфокусировали свое внимание на взаимосвязи микробного состава ЖКТ и различных заболеваний. Именно детальный анализ микроорганизмов помог выявить и зафиксировать различия микробиома при аллергиях, гриппе, артритах, псориазе, сахарном диабете и многих других патологиях. Следуя четким правилам научных изысканий, делать вывод о влиянии и значимости бактерий кишечника на течение болезни, было рано. Ведь микробный состав мог измениться из-за болезни, а не стать причиной, но начало было положено и исследования продолжились.

Были проведены многочисленные испытания с лабораторными животными. Например, были взяты бактерии из ЖКТ человека с избыточным весом и заселены крысам. Животные начинали быстро набирать массу, при этом крысы, которым заселили микробов от стройных людей, оставались в норме. Подобные испытания проводятся и по сей день, исследуются самые различные патологии, от депрессии до инфаркта, и каждый раз, ученые наблюдают проявление симптомов заболевания у испытуемых животных.

По результатам многочисленных исследований, ученые пришли к выводу о тесной связи между нарушением микробиома и различными заболеваниями. Однако, следует отметить, во избежание неверных трактовок, что нет определенных бактерий в ЖКТ, которые являются причиной диабета или инфаркта, мы привыкли думать о микробах, как о врагах, однако все не так просто.

Пожалуй, самыми точными определениями тут можно считать слова гармония, баланс, ведь именно в этом заключается условие успешного взаимодействия нашего тела и микробов.

Этот хрупкий союз легко нарушается в результате наших собственных неправильных действий, начиная от рациона, распорядка питания, некачественных продуктов, методов приготовления и хранения продуктов, совершенно необоснованное использование антибиотиков – при каждом чихе. Нельзя не упомянуть ГМО, химические удобрения, использование антибиотиков у животных, гормоны роста и прочая химия.

Можно провести сравнение между микробиотой и небольшим городом, при хорошем управлении все в балансе, процветает инфраструктура, развивается культура, процветают небольшие мастерские занятые своим делом. Конечно, не обходится без нарушителей порядка, но они находятся под бдительным наблюдением органов власти.

Если контроль утерян, баланс нарушен, город погрязает в разбое, беспорядках, массовой безработице, квалифицированные мастера переезжают, на улицах царят лентяи и преступники, дома пустеют, а полиция просто не справляется.

Забота о поддержании баланса микроорганизмов в желудочно-кишечном тракте – непростая задача, но она лежит в основании нашего здоровья.

Источник

Микробиота человека

МИКРОБИОТА

Современные представления о микробиоте человека

1. Введение

С момента первых исследований бактерий кишечника, описанных более 300 лет назад в работах Антони ван Левенгука, а впоследствии Л. Пастера, Р. Коха, И.И. Мечникова, представления о роли микроорга­низмов, составляющих внутреннюю среду организма человека, за по­следние годы во многом изменились. Прежде всего, прогресс в понима­нии микробного сообщества человека стал возможным благодаря иссле­дованиям в области состава генома. В работах Нормана Пэйса была вы­двинута идея выделения ДНК из океанической среды, в 1991 г. он с кол­легами опубликовал работу о выделении и идентификации последова­тельностей гена 16S рРНК из образца воды Тихого океана [1, 2]. Следу­ющей исторической вехой в развитии метагеномики стала 2-летняя Глобальная океаническая экспедиция по сбору метагеномных образцов (GOS) в 2003 г., учрежденная Крэйгом Вентером. Состав собранных об­разцов был определен по результатам секвенирования генов 16S рРНК, и в одном только Саргассовом море было найдено свыше 2000 новых ви­дов бактерий [3].

По мере изучения генов в условиях современного окружения челове­ка, формирующегося под влиянием научно-технического прогресса, сте­реотипов в питании, гигиене, общекультурных ценностей, накапливается все больше данных, многие из которых имеют высокодостоверные дока­зательства [4, 5], что биологическая среда человека изменчива и представ­лена различными типами микроорганизмов, заселяющих все экологиче­ские ниши организма. Микробиом, сформировавшийся в процессе эво­люции, имеет огромное значение как для контроля оптимального уровня метаболических процессов в организме, так и для создания высокой ко­лонизационной резистентности к условно-патогенным микроорганиз­мам. Микробные элементы человека становятся барьером на пути экзо­генной инфекции — участвуют в обеспечении реакций обезвреживания токсинов, ограничивают патогенную активность бактерий и их колониза­цию в различных органах и системах [6].

2. Микробиота как отдельный орган в организме человека

(эволюция представлений, терминология)

Бактерии, обитающие в одной экологической нише, образуют слож­ную систему межвидового обобщенного метаболизма, наиболее эффек­тивно используют имеющиеся ресурсы питательных веществ, кислород, свет. Кожа, полость рта, влагалище и желудочно-кишечный тракт обеспе­чивают среду жизнедеятельности для колоссального числа микробных единиц. Даже легкие и плацента, ранее считавшиеся стерильными, пред­полагают определенную колонизационную активность, что было показа­но в результате изучения микросред у здорового человека [1].

Понятие « микробиом » было впервые внедрено в 2001 г. для обозначения коллективных геномов микробных популяций человека. Микробиом чело­века состоит не только из бактерий, но также из археев и эукариот, таких как простейшие, грибов и нематод, вирусов, коллективно называемых virome [7]. Изучают микробиом на метагеномном уровне с использованием методик, основанных на секвенировании не только последовательности генов 16S рР­НК, но и всех генов и некодирующих участков (так называемое шотган-секве­нирование, англ.: shotgun sequencing). Вследствие этого стало возможным по­лучать информацию о таксономическом составе микробиоты различных ло­кусов организма, ее функциональном потенциале — через определение отно­сительной представленности генов, кодирующих те или иные белки, в част­ности гены ферментов метаболических путей. Количество работ по метаге­номике постоянно растет, появляетс я все больше данных о значении микро­биоты различных локусов организма в норме и патологии [8].

Широкое распространение генные исследования микроорганизмов получили только в первом 10-летии XXI века благодаря появлению высо­копроизводительных приборов для секвенирования. Первая работа по метагеному кишечника человека была опубликована американскими уче­ными в 2006 г., в ней был проведен функциональный анализ двух наборов метагеномных прочтений, полученных из образцов кала. Вслед за ней вы­шла статья группы ученых из Японии с описанием уже 13 новых образцов. В обоих исследованиях применялось полногеномное шотган-секвениро­вание с последующей de novo сборкой контигов и предсказанием откры­тых рамок считывания, а таксономическая принадлежность определялась путем поиска ближайшего сходства этих контигов с базой геномных последовательностей NCBI, в частности посредством построения генных карт и последовательностей [10].

Изучение микробиоты различных сообществ имеет фундаментальное значение. Исследования общих и частных взаимосвязей внутри микро­биоты в различных организмах и средах, значение и вклад различных ти­пов микроорганизмов в поддержание гомеостаза, механизмы ответа на раздражители внешней среды необходимы для оптимизации исследова­ний в области экологии и молекулярной биологии [11].

Медицинские и клинические аспекты изучения микробиоты затраги­вают, прежде всего, уточнение взаимосвязи вариативности микроорга­низмов с риском развития заболеваний — сердечно-сосудистых, аллерги­ческих, онкологических и т.д. Предметом наибольшего числа работ явля­ется микробиота кишечника человека как наиболее многочисленная и разнообразная по сравнению с другими локусами организма [12].

Хотя изучение микробиоты человека стало возможным только за по­следние 20 лет благодаря развитию геномных исследований, биоинфор­матики, термин «микробиота» был использован еще в середине 40-х годов прошлого века при описании микробной контаминации бактериями по­лости рта, а «микробиомом» обозначили коллекцию микробных генов в конкретной экосистеме [12, 13].

Было установлено, что связанная с человеком микробиота состоит из не менее чем 40 000 бактериальных штаммов в 1800 родах, которые содержат до 10 млн отличающихся от человека генов [10]. Современное описание микро­биоты как генетического сообщества микроорганизмов человека принадле­жит нобелевскому лауреату Joshua Lederberg (1925—2008) и рассматривается как единый организм с индивидуальными генетически признаками. Микро­биота стала предметом интенсивного изучения в области протеомики и мета­боломики, близких направлений современной биомедицины, связанных с расшифровкой нарушений синтеза и структуры белков, липидов, активно­сти ферментов. Это создает перспективы для индивидуального подбора ле­карственной терапии и раннего прогнозирования развития заболеваний [14].

Сейчас идентифицировано более 5000 видов микроорганизмов, из них 90% не культивируемы в лабораторных условиях [http://www.ensembl.org]. С этих позиций человек вместе с живущими в его кишечнике генетически совместимыми микроорганизмами представляет единый «суперорганизм» с организованной работой ферментов, кодируемых не только геномом соб­ственно человека, но и геномами всех симбиотических микроорганизмов. Суммарная масса бактерий, ассоциированных с желудочно-кишечным трактом (ЖКТ) здорового человека, достигает 2,5—3 кг [15] и сравнима с массой головного мозга у взрослого человека (около 1,5 кг). При этом ки­шечник является первым органом иммунной системы организма, он содер­жит 80% всех иммуноглобулинов и 10 6 лимфоцитов в 1 г лимфоидной ткани (M. Sun, 2015). В этой экосистеме существуют разнообразные механизмы и типы взаимоотношений как между бактериями, так и между бактериями и клетками хозяина (комменсализм, мутуализм, паразитизм).

В состав микробиоты кишечника входит более 3 млн генов. Треть ми­кробиоты кишечника человека является общей для большинства людей, в то время как 2/3 индивидуальны, создавая своеобразное «удостоверение личности» [16]. Разнообразие микробиоты кишечника определяет гене­тическую вариацию среди индивидуумов, повышая толерантность к нега­тивным факторам окружающей среды [17]. Считают, что недостаточная вариативность микробиоты кишечника у матери неблагоприятно сказы­вается на риске заболеваний у новорожденных детей [18].

В то же время появились данные о том, что вариации генома макро­организма могут влиять на видовой состав кластеров бактерий. Данная закономерность была выявлена для 15 областей тела человека включая поверхностные и глубокие слои кожи, ротовую полость, кишечник, лег­кие и влагалище [19]. Таким образом наблюдается взаимное влияние ге­нетического материала макроорганизма на микробиоту, и наоборот. Микробиота человека включает облигатные возбудители, постоянно присутствующие в организме человека и выполняющие важную роль в метаболизме хозяина и защите его от возбудителей инфекционных забо­леваний. Вторая составляющая нормальной микрофлоры — транзитор­ная микрофлора (аллохтонная, случайная). Представители факульта­тивной части микрофлоры достаточно часто встречаются у здоровых людей, но их качественный и количественный состав непостоянен и время от времени меняется. Количество характерных видов относитель­но невелико, зато численно они всегда представлены наиболее обильно.

Функции нормальной микрофлоры кишечника:

Важнейшей функцией нормальной микрофлоры является ее участие в создании колонизационной резистентности (сопротивляемость, устойчи­вость к заселению посторонней микрофлорой). Механизм создания коло­низационной резистентности комплексный. Колонизационная резистент­ность обеспечивается способностью некоторых представителей нормаль­ной микрофлоры адгезироваться на эпителии слизистой оболочки кишеч­ника, образуя на ней пристеночный слой и тем самым препятствуя прикре­плению патогенных и условно-патогенных возбудителей инфекционных заболеваний. Другой механизм создания колонизационной резистентно­сти связан с синтезом микроорганизмами ряда веществ, подавляющих рост и размножение патогенов, прежде всего органических кислот, перекиси водорода и других биологически активных субстанций, а также с конкурен­цией с патогенными микроорганизмами за источники питания.

Состав микрофлоры и размножение ее представителей контролируются прежде всего макроорганизмом (колонизационная резистентность, связанная с организмом хозяина) с помощью следующих факторов и механизмов [26]:

3. Деятельность международных организаций и научных объединений по изучению микробиоты человека

(основные проекты в разных странах мира, базы данных)

Значительный прогресс в области изучения микробиоты и биологии стал возможным благодаря внедрению метода секвирования генов с ис­пользованием консервативной 16S рРНК. Эти исследования раскрыли перспективы для обнаружения некультивируемых бактерий, и уже сегод­ня значительно продвинули понимание кишечного микробиома (бакте­рии и их геном. Фундаментальные исследования были инициированы в рамках создания двух крупнейших консорциумов по изучению микро­биоты человека: MetaHIT (Metagenome of Human Intestinal Tract) в Европе и HMP (Human Microbiome Project) в США. В 2008 г. Национальный ин­ститут здравоохранения США начал финансирование проекта «Микро­биом человека» (Human Microbiome Project — НМР http://hmpdacc.org/).

Целями проекта стали:

Параллельно инициирована программа MetaHIT, продолжающаяся до настоящего времени, целью которой является «создать взаимодействия между генами микробиоты кишечника человека у здоровых и больных» (http://www.metahit.eu/) [7]. Ученые, участвующие в рамках проекта MetaHIT совместно с BGI (Beijing Genomics Institute, Китай), установили каталог из 3,3 млн преобладающих бактериальных генов в метагеноме ки­шечника человека [15].

В 2007 г. проект «Микробиом человека» получил статус приоритетного пути к открытиям в науке, активно поддерживается и сегодня, продолжает­ся до настоящего времени. Изучение человеческого микробиома также проводится на международном уровне под эгидой Международного кон­сорциума микробиомов человека в других странах. Канадские институты исследований здоровья через Институт инфекционных заболеваний и им­мунитета возглавляют «Канадскую инициативу по анализу и характеристи­кам микробов», которые колонизируют организм человека и потенциально влияют на изменение микробиоты при хронических заболеваниях.

В системе проекта «Микробиом человека» первоначально участвова­ли около 200 ученых из 80 мультидисциплинарных исследовательских ин­ститутов. Общая стоимость исследований составила 173 млн долларов. Изучены образцы тканей из 15 мест на теле 129 мужчин и 18 мест у 113 женщин. Все добровольцы — здоровые люди в возрасте от 18 до 40 лет — предоставили по три образца слизистой с внутренней стороны щек, носа, кожи за ухом и локтевого сгиба, а также фекальные пробы. Результаты опубликованы в ведущих по рейтингу журналах — Nature и др.

По результатам генетического анализа биоматериала было установле­но, что в человеческом организме обитает свыше 10 тыс. видов различных микробов. Так, если в геноме человека содержится 22 тыс. генов, кодиру­ющих белки для регуляции метаболизма, микробиом добавляет еще око­ло 8 млн уникальных бактериальных генов. В это же время исследователя­ми из США был опубликован список секвенированных геномов бактерий и архей, найденных в микробиоте человека. Эти две работы стали отправ­ными пунктами для дальнейших исследований, в частности высокоза­тратных и трудоемких методов шотган-секвенирования для качественной и количественной характеристики метагенома.

На веб-сайте проекта «Микробиом человека» за период с июня 2009 г. по август 2012 г. зарегистрировано более 190 рецензируемых публика­ций по геномным исследованиям. В настоящее время информационное поле постоянно наполняется новыми базами данных. К ним относятся IMG, база данных Integrated Microbial Genomes и система сравнитель­ного анализа IMG/M, связанная система, которая объединяет наборы метагеномных данных с изолированными микробными геномами из си­стемы IMG; CharProtDB, база данных экспериментально охарактеризо­ванных аннотаций белка и базы данных Genomes OnLine (GOLD) для мониторинга состояния геномных и метагеномных проектов во всем мире и связанных с ними метаданных. В России также ведутся исследо­вания, но главным образом в составе международных групп.

Информационные базы связаны с биомедицинскими технологиями передачи и хранения информации, активно разрабатываются инструменты для сравнительного анализа, которые облегчают выявление общих моде­лей, основных тем и тенденций в сложных наборах данных. К ним относят­ся RAPSearch2, быстрый и эффективный с точки зрения памяти метод по­иска сходства с белком для данных секвенирования следующего поколе­ния; Boulder Alignment Editor (ALE), инструмент для выравнивания РНК; WebMGA — настраиваемый веб-сервер для быстрого анализа метагеном­ной последовательности и DNACLUST, инструмент для точной и эффек­тивной кластеризации филогенетических маркерных генов, разработки новых методов и систем для сбора массивных наборов данных последова­тельности. Ни один алгоритм сборки не разрешает все известные проблемы сборки коротких последовательностей, поэтому программы сборки следу­ющего поколения, такие как AMOS, являются модульными, предлагая ши­рокий набор инструментов для сборки. Разработаны новые алгоритмы для улучшения качества и практической значимости проектов геномов.

Сборка каталога секвенированных эталонных геномов чистых бакте­риальных штаммов производилась из нескольких участков тела, с кото­рыми можно сравнивать метагеномные результаты. Первоначально це­лью было определение 600 геномов. В настоящее время планируется определение 3000 геномов и создание упорядоченного каталога, по край­ней мере в черновом варианте. По состоянию на март 2012 г. было зареги­стрировано 742 генома. Создан Центр анализа данных и координации (DACC), который служит в качестве центрального хранилища для всех данных Проекта. Изучаются юридические и этические вопросы, связан­ные с целыми исследованиями секвенирования генома.

4. Основные концепции и тренды научных и клинических исследований в изучении микробиоты

Основными концептуальными положениями, позволяющими сфор­мулировать тренды научных и клинических исследований (согласно про­екту «Микробиом человека»), следует считать [7]:

5. Заключение

Таким образом, за последние 10 лет достигнут значительный прогресс в понимании микробиоты человека как экосистемы, выполняющей функции отдельного органа в макроорганизме.

Микробиом — это совокупность генов микроорганизмов в организме человека, тогда как микробиота — экосистема с генетическими признака­ми, сформировавшимися в определенное время на определенной геогра­фической территории. Микробиота взаимодействует с остальными органа­ми и системами, определяя функционирование организма в целом как у здорового человека, так и при заболеваниях. Изучением микробиоты зани­маются крупнейшие консорциумы («Микробиом человека» — США, МetaHIT — Европа). Доказана генетическая гетерогенность, или вариатив­ность микробиоты у здорового человека, определяющая устойчивость к не­благоприятным факторам, инфекциям, изучается участие микробиоты ки­шечника как наиболее генетически разнообразной и многочисленной в раннем формировании иммунного ответа как у здоровых людей различного возраста, так и при заболеваниях. Накапливается все больше данных о зна­чении применения пробиотиков и трансплантатов микробиоты в лечении иммуноопосредованных заболеваний и при метаболическом синдроме, за­болеваниях полости рта, синдроме раздраженной толстой кишки и синдро­ме избыточного бактериального роста (СИБР).

Наиболее перспективными для изучения эффективности пробиоти­ков в настоящее время следует считать следующие направления:

«Метагеномика и кишечный микробиом»

Дополнительно см.:

Список литературы

Будьте здоровы!

ССЫЛКИ К РАЗДЕЛУ О ПРЕПАРАТАХ ПРОБИОТИКАХ

Источник

Карпеева Ю.С., Новикова В.П., Хавкин А.И., Ковтун Т.А., Макаркин Д.В., Федотова О.Б. Микробиота и болезни человека: возможности диетической коррекции. Рос вестн перинатол и педиатр 2020; 65:(5): 116–125.

Микробиота и болезни человека: возможности диетической коррекции

1 ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный педиатрический медицинский университет» Минздрава России, Санкт-Петербург, Россия;
2 ОСП «Научно-исследовательский клинический институт педиатрии имени академика Ю.Е. Вельтищева» ФГАОУ ВО РНИМУ им. Н.И. Пирогова Минздрава России, Москва, Россия;
3 АО «ПРОГРЕСС», Москва, Россия;
4 ФГАНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт молочной промышленности», Москва, Россия

Microbiota and human diseases: dietary correction

1 Saint Petersburg State Pediatrics Medical University, Saint Petersburg, Russia;
2 Veltischev Research and Clinical Institute for Pediatrics of the Pirogov Russian National Research Medical University, Moscow, Russia;
3 Progress JSC, Moscow, Russia;
4 All-Russian Research Institute of the Dairy Industry, Moscow, Russia

В настоящее время микробиота признана новым «эктракорпоральным органом», который участвует в поддержании гомеостаза нашего организма. Если значение некоторых микроорганизмов уже определено, то роль большинства из них еще не понятна. Исследователи считают, что идентифицировано от 81 до 99% всех микроорганизмов у здоровых взрослых. Малоизученным остается механизм взаимодействия микроорганизмов друг с другом и с организмом человека. Не решен вопрос видового состава микробиоты у новорожденных и детей. В современных реалиях клиническое значение нормальной микрофлоры до конца непонятно. Опубликовано множество сообщений о непосредственной роли микробиоты как триггерного механизма различных заболеваний (атеросклероз, ожирение, сахарный диабет 2-го типа, воспалительные заболевания кишечника, синдром раздраженного кишечника, хроническая обструктивная болезнь легких, атопические заболевания, депрессия, аутизм и др.) и канцерогенеза. Изучение коммуникативных бактериальных связей может быть использовано в разработке новых лекарственных средств и новых стратегических подходов в лечении.

Ключевые слова: дети, кишечная микробиота и болезни, канцерогенез, микробиота, микробиом кишечника.

Для цитирования: Карпеева Ю.С., Новикова В.П., Хавкин А.И., Ковтун Т.А., Макаркин Д.В., Федотова О.Б. Микробиота и болезни человека: возможности диетической коррекции. Рос вестн перинатол и педиатр 2020; 65:(5): 116–125. DOI: 10.21508/1027–4065–2020–65–5–116–125

Today, the microbiota is recognized as a new «extracorporeal body» maintaining homeostasis of our body. The value of some microorganisms has already been determined, but the role of most of them is not yet clear. The researchers believe that 81- 99% of all microorganisms in healthy adults have been already identified. The mechanism of interaction of a consortium of microorganisms with each other and with the human body is not fully clarified yet. The species of the microbiota in newborns and children are not completely identified. In modern realities, the clinical significance of normal microflora is not fully understood. There have been published many reports on the direct role of the microbiota as a trigger mechanism for various diseases (atherosclerosis, obesity, type 2 diabetes mellitus, inflammatory bowel disease, irritable bowel syndrome, chronic obstructive pulmonary disease, atopic diseases, depression, autism etc.) and carcinogenesis. The study of communicative bacterial connections can be used for the development of new drugs and new strategic approaches to treatment.

Key words: children, intestinal microbiota and diseases, carcinogenesis, microbiota, intestinal microbiome.

For citation: Karpeeva Yu.S., Novikova V.P., Khavkin A.I., Kovtun T.A., Makarkin D.V., Fedotova O.B. Microbiota and human diseases: dietary correction. Ros Vestn Perinatol i Pediatr 2020; 65:(5): 116–125 (in Russ). DOI: 10.21508/1027–4065–2020–65–5–116–125

Человек служит домом для загадочной экосистемы микробов. В настоящее время микробиота признана новым «эктракорпоральным органом», который, бесспорно, участвует в поддержании гомеостаза нашего организма. В последние десятилетия реализован ряд крупных проектов, направленных на определение характеристик микрофлоры различных биотопов и прояснения ее роли в формировании здоровья человека. Накопленный материал о патогенетически значимой связи между микробиотой и рядом патологических состояний позволяет говорить о микробиоте как о ключевом факторе. Однако понимание механизмов этой взаимосвязи остается практически на зачаточном уровне.

Цель нашей работы – расширение и обобщение знаний о роли микробиоты в формировании различных хронических заболеваний человека, в том числе желудочно-кишечного тракта. С помощью электронных ресурсов и баз PubMed, UpToDate, Гастроскан, а также ключевых слов «микробиота», «микробиом кишечника», «кишечная микробиота» и «болезни» проводился поиск литературы. За последние 10 лет было найдено более 16 тыс. источников, из них за последние 5 лет – около 4000.

Накопленные знания о микробном сообществе человеческого организма, которыми мы обладаем, позволяют опровергнуть крылатую фразу, что «все болезни от нервов» и сказать, что большинство болезней – от дисбиоза. Микробиота человека многообразна, специфична и индивидуальна. Сейчас она однозначно рассматривается как «скрытый орган», «сверхорган», начинающий свое формирование в утробе матери во время беременности. Затем он продолжает видоизменяться в родах и в дальнейшем зависит от состояния человека, а также окружающей его среды (от типа вскармливания с рождения, типа питания в дальнейшем, приема лекарственных средств, воздействия вредных веществ, места проживания, возраста и т.д.). Этот орган наделен огромным количеством важных для человека функций, таких как участие в пищеварении (расщепление пищевых волокон, синтез пищеварительных ферментов), синтезе витаминов, иммунной защите (синтез иммуноглобулина А и интерферонов), нейтрализации вредных/токсичных соединений, регуляции эндокринной и нервной систем (microbiom-gut-hormone-brain axis), а также в одной из жизненно важных – антиканцерогенной [1–3]. Если полезная роль некоторых микроорганизмов определена, то роль большинства из них еще не понятна. Тем не менее взаимодействие микробной экосистемы и хозяина основано на принципах симбиоза, когда удовлетворены оба партнера. Нормальное функционирование микробиоты позволяет сохранять наше здоровье и для этого нам необходимо заботиться о ней [4].

Долгая и еще не до конца завершенная история изучения микроорганизмов начинается с 1676 г., когда Антони ван Левенгук с помощью своего микроскопа увидел первую бактерию. Однако большинство микроорганизмов не поддаются культивированию в лабораторных условиях, что послужило поводом к развитию метагеномики. К 2018 г. реализован и закончен ряд международных проектов, изучающих видовое многообразие бактерий и набор их генов – HMP, Metahit, Русский метагеном. Это стало возможно с совершенствованием современных молекулярно-генетических технологий и методов секвенирования. В ходе секвенирования определяется нуклеотидная последовательность гена 16S рибосомальной РНК, которая имеется в геномах всех бактерий. Эти исследования открыли более 10 тыс. видов микробов и показали, что набор микробных генов в 100 раз превышает набор генов человеческого организма, а их масса может достигать почти 3% массы тела человека. Исследователи считают, что идентифицировано от 8 до 99% всех микроорганизмов у здоровых взрослых [5]. При этом продолжают поступать новые данные, что создает необходимость пересмотра и реклассификации известных видов [6]. Малоизученным остается механизм взаимодействия микроорганизмов друг с другом и их консорциума с человеческим организмом. И еще один открытый вопрос – видовой состав микробиоты у новорожденных и детей.

В тонкой кишке концентрация микроорганизмов меньше, чем в толстой, и составляет 10 3 –10 5 КОЕ/мл. Основная масса представлена Actinobacteria, в небольшом количестве присутствуют Proteobacteria, Bacteroidetes. Наименьшая концентрация микроорганизмов – до 10 3 КОЕ/мл – определяется в желудке, что обусловлено агрессивным действием соляной кислоты. Разнообразие видов в большинстве представлено Lactobacillus, а также Prevotella, Streptococcus, Veillonella, Rothia, Haemophilus. Желудок – это среда обитания Helicobacter pylori, при обсеменении которым видовой состав меняется. Численность бактерий, особенно Bacteroidetes, у позитивных по H. pylori пациентов снижается и начинают доминировать Proteobacteria [10, 11].

Считается, что пищевод в норме не имеет постоянной (резидентной, облигатной) и разнообразной микрофлоры. Преимущественно это виды, которые попадают со слюной из полости рта: Firmicutes (Clostridium, Ruminococcus, Eubacterium, Peptostreptococcus, Peptococcus, Lactobacillus), Bacteroidetes, Proteobacteria (типы Enterobacteriaceae) и Actinobacteria (Bifidobacterium). В качестве основного представителя данного биотопа практически всегда описывают Streptococcus [12]. В 2009 г. была предложена классификация микробиоты пищевода с подразделением на микробиоту I и II типа. В I типе преобладают Firmicutes, и он ассоциирован с нормальным пищеводом. II тип связан с патологией пищевода и включает Veillonella, Prevotella, Haemophilus, Neisseria, Granulicatella и Fusobacterium [13]. В работе по изучению микробного спектра верхних отделов пищеварительного тракта у подростков и взрослых, проведенной в Тверской государственной медицинской академии с применением бактериологического метода, в 100% случаев в здоровом пищеводе высевались Staphylococcus, в 60% – H. pylori, в 40% – Lactobacillus, в 10–30% – Bacteroides, Enterobacterium, Corynebacterium, Neisseria [14]. Ротовая полость – второй биотоп после кишечника по численности и разнообразию микрофлоры. В ней содержатся практически все типы, но преимущество остается за кокками – Streptococcus, Staphylococcus.

Большое внимание придается изучению микробиоты как возможного модулятора различных заболеваний человека. Многие научные работы показали взаимосвязь болезней человека с дисбиотическими процессами в кишечнике как наиболее заселенного (атеросклероз, ожирение, сахарный диабет 2-го типа, воспалительные заболевания кишечника, синдром раздраженного кишечника, хроническая обструктивная болезнь легких, атопические заболевания, депрессия, аутизм, аутоиммунные заболевания и др.). Для некоторых заболеваний уже определены микробиотные маркеры [15, 16]. Так, ассоциированная с антибиотиками диарея вызвана повышением титра Clostridium difficile и Klebsiella oxytoca; воспалительные заболевания кишечника – преобладанием Enterobacteria, Proteobacteria, адгезивной E. coli и дефицитом Clostridium coccoides, Faecalibacterium; синдром раздраженного кишечника – избытком Cl. coccoides, Veillonella, Eubacterium rectale и дефицитом Bifidobacterium, Faecalibacterium; депрессия ассоциирована с высоким уровнем Firmicutes и низким уровнем Faecalibacterium; при сахарном диабете происходит уменьшение численности Firmicutes (Clostridiales spр., Eubacterium rectale, Faecalibacterium prausnitzii, Roseburia intestinalis, Roseburia inulinivorans) и повышение Bacteroides caccae, Clostridium ramosum, Clostridium symbiosum, E. coli, Lactobacillus, а при атопическом дерматите увеличивается численность Staphylococcus aureus (см. таблицу). Как видно, происходит дисбаланс между Bacteroidetes и Firmicutes в пользу последних, которые являются «провоспалительными» бактериями [17–21].

Таблица. Некоторые взаимосвязи (ассоциации) между микроорганизмами и болезнями человека
Table. Some relationships (associations) between microorganisms and human diseases

Считалось, что к развитию болезни приводят патогенная и условно-патогенная флора. Однако в современных реалиях клиническое значение нормальной микрофлоры до конца непонятно. Так, появляются работы, которые подрывают нашу веру в абсолютную пользу нормофлоры и указывают на неоднозначную роль этих бактерий для организма. В исследовании, проведенном в Норвегии, анализировали образцы крови у 15 пациентов. B. longum была выделена у пациента с абдоминальным фасциитом и миозитом наряду с Clostridium clostridioforme, Bacteroides thetaiotaomicron и Bacteroides fragilis, а у пациента с некротическим кишечником – вместе с Clostridium glycolyticum, Cl. clostridioforme и Prevotella. В свою очередь Bifidobacterium breve выделялась у пациента с инфекцией мочеполовых путей [22].

Исследования последних лет изменили длительно существующую парадигму о «стерильности» матки. В работе, проведенной в Италии, показано, что эндометрий контаминирован Streptococcus spp., E. faecalis, Escherichia coli, Staphylococcus spp. и у более 70% женщин при этом доказан хронический эндометрит [40]. Сходные данные получены в российских исследованиях [8]. В свою очередь хронический эндометрит диагностируется в 60% случаев у женщин с «бесплодием» и привычным невынашиванием беременности. В недавней работе турецких ученых была показана взаимосвязь дисбиоза кишечника и эндометриоза, при котором в просвете прямой кишки доминируют Escherichia/Shigella [51]. Таким образом, мы можем говорить о еще одной жизненно-важной функции, в которой, возможно, принимает участие микробиота, – репродуктивной функции.

В то же время, как видно из данных, представленных в таблице, нарушения в консорциуме микроорганизмов коррелируют с онкологическими болезнями, нередко сопровождающимися летальным исходом. Во всем мире заболеваемость раком, особенно органов желудочно-кишечного тракта, не снижается, а сохраняет лидирующие позиции в показателях летальности. Так, рак желудка занимает третье место среди причин смерти от раков всех локализаций. Колоректальный рак занимает третье место по распространенности и четвертое – по причине смерти. Рак пищевода является восьмым наиболее распространенным типом рака, но шестым – в структуре смертности [52]. Возникновение онкологических заболеваний органов желудочно-кишечного тракта ассоциировано со множеством бактерий: S. bovis, B. fragilis, E. faecalis, Cl. septicum, Fusobacterium, E. coli и др. Но только H. pylori считается единственной признанной бактерией, вызывающей онкологическое заболевание – рак желудка. Нам необходимо принять эту новую парадигму, в которой микроорганизмы вносят свой вклад не только в здоровье, но и в развитие патологий у человека. За последнее время опубликовано множество сообщений о непосредственной роли микробиоты как пускового механизма различных заболеваний и канцерогенеза [51–54], который многогранен и мало изучен. И даже факторы, нашедшие подтверждение, требуют дальнейшего изучения.

Микробиота кишечника – естественный защитный барьер для патогенов. Комменсалы ингибируют колонизацию кишечника патогенами, возможно, путем конкуренции за рецепторы адгезии, за питательные вещества и выработку антимикробных веществ. Смещение равновесия, или дисбиоз, инициирует драматические процессы. Роль ключевого фактора в патогенезе отводится иммунной системе. Микроорганизмы индуцируют возникновение заболеваний, в частности опухолей в толстой кишке посредством продукции факторов вирулентности (токсинов и генных продуктов), изменения проницаемости кишечного эпителия, а также запуская хроническое системное воспаление. Это приводит к выработке провоспалительных цитокинов (TNF-α, IL-6, IL-1, IL-17 и IL-23) и активных форм кислорода, что активно способствует канцерогенезу. Длительное воспаление и онкогенез могут приводить к уменьшению численности видов микробиома, в основном бутиратпродуцирующих, важных для целостности кишечного эпителия и иммунного гомеостаза. В качестве защитного механизма рассматривается ферментация сложных углеводов (клетчатки) в короткоцепочечные жирные кислоты (бутират, пропионат, ацетат), которые формируют слизистый барьер, поддерживают плотные контакты (клаудин-2), обеспечивают энергией колоноциты, вызывают апоптоз раковых клеток [51].

Некоторые адгезивные штаммы E. coli имеют «островки патогенности», а именно остров поликетидсинтазы (pks). Его функция заключается в экспрессии гена колибактина, вызывающего развитие опухоли через онкогенные мутации с двухспиральными разрывами ДНК [51, 52]. Энтеротоксигенные штаммы B. fragilis обнаруживают ген, который кодирует токсин фрагилизин. Он приводит к усилению пролиферации клеток, индуцирует секрецию IL-8 и повреждает ДНК. Подобный островок имеют Proteus mirabilis и K. pneumoniae [52]. Fusobacterium nucleatum обладает высокой инвазивной способностью (за счет фактора вирулентности FadA) и оказывает провоспалительное действие, что реализуется за счет экспрессии TNF-α, ингибирования функции NK-клеток.

Помимо факторов вирулентности в канцерогенезе рассматривается роль метаболической активности микробов. Это возможно за счет процессов регуляции выработки вторичных желчных кислот, активации проканцерогенных соединений. Вторичные желчные кислоты за счет «санирующего» действия могут видоизменить микробный состав и увеличивать количество видов, которые ассоциированы с колоректальным раком. Они непосредственно участвуют в апоптозе и пролиферации клеток, вызывают повреждения ДНК за счет проокислительных молекул (например, азот). При ферментации белков, в отличие от углеводов (с образованием бутирата и т.д.), происходит выработка проканцерогенных метаболитов (фенолы, этанол, сульфиды, аммиак, нитрозамины), с влиянием которых связано развития рака кишечника [52].

Патогенез ожирения и его осложнения – неалкогольной жировой болезни печени – ассоциируется с Akkermansia muciniphila, В. infantis, Erysipelotrichi. Механизм реализуется посредством повышения проницаемости кишечника, модуляции метаболизма холина в пище, регуляции метаболизма желчных кислот, продуцирования эндогенных продуктов (этанола и др.), а также через хронический воспалительный процесс с повышенным уровнем интерлейкинов (TNF-α, IL-6, IL-8) и усилением перекисного окисления липидов с выработкой активных форм кислорода. Эндогенные микробные продукты распознаются в организме через «рецепторы распознавания образов». Последние включают мембранные Toll-подобные рецепторы (TLR). Он распознают потенциальные патогены в просвете кишечника и вызывают иммунный ответ. Такие продукты, как липополисахариды, липопептиды, ДНК и РНК, обладают потенциально гепатотоксическим свойством и служат мощными индукторами воспаления. Показано, что роль в развитии неалкогольной жировой болезни печени играют TLR2, TLR4 и TLR9 [53].

Холин играет важную роль в метаболизме жиров в печени и способствует транспорту липидов из печени. Дефицит холина стимулирует стеатоз печени. Кишечная микробиота выделяет ферменты, которые расщепляют пищевой холин до его токсичных метаболитов (иметиламин и триметиламин). Печень поглощает эти токсичные метиламины и превращает их в триметиламин-N-оксид, который и вызывает воспаление в печени [47]. Гепатотоксичные соединения типа этанола, фенолов, аммиака и др. обладают способностью увеличивать кишечную проницаемость, что усиливает прохождение их из просвета кишечника в портальную систему. Таким образом, через активацию TLR запускается окислительный стресс со стимуляцией выработки оксида азота и провоспалительными цитокинами (TNF-α и др.) [53].

Желудочно-кишечный тракт – эндокринный орган, принимающий участие в патогенезе многих заболеваний. В нем в высокой концентрации выявляются нейропептиды (вазоактивный кишечный пептид, вещество Р, соматостатин, пептид YY, нейротензин и др.). В научных трудах показано, что нейропептиды принимают непосредственное участие в формировании аллергических заболеваний и бронхиальной астмы (тимусный стромальный лимфопоэтин, вазоактивный кишечный пептид, вещество Р), воспалительных заболеваний кишечника, целиакии (пептид YY). Крайне важно понимать, что микробиота – это активный участник нейрофизиологической регуляции, известной как микробиом-кишечно-гормоно-мозговая ось (microbiom-gut-hormone-brain axis) [53].

В 1978 г. была сформулирована общая теория существования биопленок. Биопленка – обладающее пространственной и метаболической структурой сообщество микроорганизмов, располагающихся на поверхности раздела сред путем прочной адгезии или погруженных во внеклеточный полимерный матрикс (слизь). Считается, что бактериальные биопленки являются формой существования 95–99% всех микроорганизмов. Их формирование происходит посредством коммуникаций между микроорганизмами через сигнальные молекулы, что получило название Quorum Sensing. Сигнальные молекулы позволяют общаться микробам друг с другом и координировать свои действия. К настоящему времени показано, что биопленки образуются на поверхности изделий медицинского назначения, таких как мочевые катетеры, эндотрахеальные трубки, ортопедические и грудные имплантаты, контактные линзы, внутриматочные приспособления и хирургические нити. Биопленки также обнаруживаются на поверхности ран, атеросклеротических бляшках (укрепляя их), на стентах после шунтирования. Активное изучение биопленки привело к накоплению информации о ее роли в инфекционных заболеваниях человека. Способностью к образованию биопленки обладают Enterococcus, S. aureus, Staphylococcus epidermidis, Streptococcus viridans, E. coli, Kl. pneumoniae, Proteus mirabilis, Pseudomonas aeruginosa и др. Установлена роль биопленок как минимум в 60% случаев всех хронических и рецидивирующих инфекций. В составе биопленки бактерии ограждены от воздействия стрессовых ситуаций, в том числе действия антибиотиков. В итоге формируется одно из наиболее тревожных последствий для медицины – резистентность к антибиотикам, антимикробным средствам и неэффективность лечения. Очевидно, что изучение данных коммуникативных бактериальных связей может быть использовано в разработке новых лекарственных средств и новых стратегических подходов в лечении. В то же время применение антибактериальных препаратов при инфекционно-воспалительных заболеваниях у детей – важнейшая составляющая терапевтического процесса [54]. Их внедрение в педиатрическую практику позволило в значительной мере решить проблему снижения заболеваемости и смертности от инфекционной патологии. Однако их широкое и зачастую необоснованное применение нередко приводит к осложнениям, среди которых особое место занимает нарушение микроэкологии желудочно-кишечного тракта человека [55]. Особенно это касается применения антибиотиков при острых вирусных заболеваниях, сопровождающихся симптомами поражения желудочно-кишечного тракта: воспаление усугубляется антибиотико-ассоциированным дисбиозом. Тем не менее применение антибактериальных препаратов бывает вынужденным: в случаях затянувшейся лихорадки, присоединения интеркуррентной бактериальной инфекции, активизации условно-патогенной флоры [3].

В 1962 г. Теодор Розбери сформулировал понятие об индигенных (аутохтонных) микроорганизмах [7, 16]. Эти резидентные виды занимают промежуточную нишу между патогенной и транзиторной микрофлорой. Патогенные для человека микробы (антибионты) абсолютно вредны для организма, содружественные микробы (симбионты) составляют с организмом единую систему, в то время как амфибионты (комменсалы) занимают промежуточное положение. Эти микроорганизмы живут в организме хозяина, не причиняя ему явного вреда, но способны вызывать заболевание при нарушении баланса микроб–хозяин или баланса внутри микробных ассоциаций [16]. С общебиологических позиций среди амфибионтов нет четкого разделения на микроорганизмы безусловно- и условно-патогенные, так как все эти бактерии патогенны потенциально и их способность индуцировать болезнь реализуется при ослаблении защитных свойств макроорганизма и нарушении микробного равновесия, вызванного химиопрепаратами (в первую очередь антибиотиками) [56]. Комплекс патологических сдвигов в составе микрофлоры кишечника вследствие применения антибиотиков может привести к развитию ассоциированных с антибиотиками дисбактериоза кишечника или диареи [57, 58].

В связи с этим особую актуальность приобретает изучение эффективности кисломолочных продуктов детского питания, обогащенных пробиотиками, как средства профилактики расстройств пищеварительного тракта. Так, на базе НИКИ педиатрии им. академика Ю.Е. Вельтищева (отдел гастроэнтерологии) и детского инфекционного отделения ГБУЗ МО «Дмитровская городская больница» проведено проспективное сравнительное открытое рандомизированного исследование по оценке эффективности, переносимости и безопасности использования в питании продукта «Йогурт питьевой под товарным знаком «ФрутоНяня», обогащенного пребиотиками и пробиотиками, 2,5% у детей от 8 до 18 мес». Результаты исследования показали, что ежедневное употребление детских неадаптированных кисломолочных продуктов – йогуртов питьевых, обогащенных пребиотиками и пробиотиками, улучшали процессы пищеварения, нормализовали состав микрофлоры после антибактериальной терапии, стимулировали синтез секреторного иммуноглобулина А и лизоцима. Авторы исследования рекомендовали включать детские неадаптированные кисломолочные продукты – йогурты питьевые, обогащенные пребиотиками и пробиотиками, в ежедневный рацион здоровых детей старше 8 мес, рацион детей с функциональными нарушениями желудочно-кишечного тракта (запорами) и нарушением состава микрофлоры кишечника для профилактики нарушений состава микрофлоры кишечника, в острый период респираторных инфекционных заболеваний, а также на этапе реконвалесценции [58].

Conflict of interest: The authors of this article confirmed the lack of conflict of interest and financial support, which should be reported.

© Коллектив авторов, 2020

Адрес для корреспонденции: Карпеева Юлия Сергеевна – к.м.н., ст. науч. сотр. лаборатории медико-социальных проблем в педиатрии НИЦ Санкт-Петербургского государственного педиатрического медицинского университета, ORCID: 0000-0002-3351-6084, e-mail: povetyevaj@ yandex.ru

Новикова Валерия Павловна – д.м.н., проф., зав. кафедрой пропедевтики детских болезней с курсом общего ухода за детьми, зав. лабораторией медико-социальных проблем в педиатрии НИЦ Санкт-Петербургского государственного педиатрического медицинского университета, ORCID: 0000-0002-0992-1709 194100 Санкт-Петербург, ул. Литовская, д. 2

Хавкин Анатолий Ильич – д.м.н., проф., гл. науч. сотр. отдела гастроэнтерологии Научно-исследовательского клинического института педиатрии им. академика Ю.Е. Вельтищева, ORCID: 0000-0001-7308-7280, 125412 Москва, ул. Талдомская, д. 2

Ковтун Татьяна Анатольевна – к.м.н., мед. советник АО «ПРОГРЕСС», ORCID: 0000-0002-0303-6899

Макаркин Дмитрий Васильевич – к.т.н., дир. департамента инноваций и управления изменениями АО «ПРОГРЕСС», ORCID: 0000-0001-8119-5388, 115172 Москва, ул. Гончарная, д. 21

Федотова Ольга Борисовна – д.т.н., ученый секретарь Всероссийского научно-исследовательского института молочной промышленности, ORCID: 0000-0002-7348-6019, 115093 Москва, ул. Люсиновская, д. 35, корп. 7

Источник