Микробиом кишечника: что мы делаем и чего не знаем

Интерес к микробиому кишечника и его знания выросли экспоненциально за последнее десятилетие. Поиск в Интернете по ключевым словам, таким как “кишечный микробиом” или “кишечная микробиота”, выдает от 1 до 2,2 миллиона результатов. Когда-то этот компонент желудочно-кишечного тракта (ЖКТ) упускался из виду, но теперь все больше осознается его важность для оптимального здоровья. Пищевая промышленность довела это до совершенства, и на полках магазинов появилось множество продуктов питания и пищевых добавок, рекламирующих “пробиотики” или “ферментированные продукты”; их рекламу можно найти в журналах, Интернете и телевизионных рекламных роликах. Никогда раньше обсуждение особенностей работы кишечника и симптомов желудочно-кишечного тракта не было таким распространенным. Интересно, что такой быстрый рост привел в замешательство как потребителей, так и многих клиницистов, поскольку данные, хотя и растут, по-прежнему оставляют много вопросов без ответов.

Еще в начале 1900-х годов Илья Мечников, российский ученый из Института Пастера в Париже, связывал долголетие сельских болгар с потреблением ими кисломолочных продуктов. Он предположил, что молочнокислые бактерии в кисломолочных продуктах, употребляемых этими крестьянами, живущими в суровом климате и бедности, оказывают омолаживающий эффект, который способствовал тому, что они значительно пережили более богатых европейцев. Он назвал этот организм “Lactobacillus bulgaricus.” В ходе исследования Мечникофф выдвинул гипотезу, что заселение кишечника полезными бактериями при употреблении кисломолочных продуктов может бороться с вредными бактериями и продлевать жизнь. Он был первым ученым, предположившим, что можно модифицировать микробиом кишечника, заменив вредные бактерии полезными, и в 1908 году он получил Нобелевскую премию за свою работу в области иммунитета. Открытие пенициллина в 1928 году сэром Александром Флемингом, шотландским биологом, переключило внимание исследователей с использования бактерий для лечения на использование производных почвенных грибов для уничтожения бактерий. В золотой век открытия антибиотиков в 1940-1960 годах большинство антибиотиков первоначально были выделены путем скрининга почвенных актиномицетов (1). Однако по мере снижения отдачи от этой платформы открытий новые открытия были основаны на синтетических соединениях.

Однако этот целенаправленный процесс скрининга крупных библиотек также потерпел неудачу, отчасти из-за неспособности этих синтетических соединений проникать через бактериальную оболочку (1). К сожалению, замедление разработки антибиотиков сопровождается распространением устойчивых бактерий и серьезной угрозой общественному здравоохранению в виде неизлечимых инфекций. Благодаря достижениям в области методов микро- и молекулярной биологии культура готова пересмотреть прошлые успехи бактериальной терапии для улучшения здоровья кишечника и иммунитета с целью разработки будущих методов лечения.

В рамках проекта Human Microbiome Project (HMP), одного из нескольких международных проектов, используются комплексные анализы для идентификации и изучения микробиома в здравоохранении человека (2,3). Программа HMP, финансируемая общим фондом NIH в 2008 году, привела к выделению и секвенированию более 1300 референтных штаммов, обнаруженных на сегодняшний день в организме человека (2,3). Консорциум HMP представил отчет о структуре и функциях микробиома человека у 300 здоровых взрослых людей (18-40 лет) в 18 участках тела за один момент времени. Это привело к получению беспрецедентного объема данных о сложности микробиома человека, что позволило заложить основу для дальнейших исследований влияния микробиома на здоровье и болезни. Являясь предшественником проекта "Микробиом человека", проект "Микробиом кишечника человека" расширил наше представление о бактериальной экосистеме, обитающей в кишечном тракте человека. Эта система состоит из микроорганизмов, таких как бактерии, археи, грибки и вирусы, которые распределены по всему желудочно-кишечному тракту (4). Продолжающиеся исследования выявляют важность кишечных микроорганизмов в оказании благотворного воздействия на здоровье человека.

Типичный здоровый человек населен триллионами микробов (рисунок 1). Но, чтобы запутать дело, у двух здоровых людей могут быть очень разные микробиомы. Анализ образцов HMP с помощью вопросников об образе жизни и анамнезе выявил связи между характеристиками анамнеза жизни и составом микробиома (5). Динг и Шлосс проанализировали набор данных о последовательности гена 16S рРНК, предоставленный Консорциумом HMP. Поскольку существенной трудностью при анализе данных о микробиоме были значительные внутри- и межличностные различия в составе микробиома человека, в данном исследовании использовался подход кластеризации образцов в ячейки на основе их таксономического сходства. Используя структуры бактериальных сообществ, собранные с 18 участков тела в трех временных точках, они применили анализ типирования сообществ, чтобы лучше понять факторы, влияющие на структуру микробиома и влияющие на здоровье человека. Использование мультиномиальных смесевых моделей Дирихле для разделения данных на типы сообществ для каждого участка тела, анализ смоделированных данных и данных HMP позволяют предположить, что типы сообществ представляют собой кластеры профилей относительной численности. С помощью этого подхода были сделаны три важных наблюдения. Во-первых, была выявлена сильная связь между тем, находился ли человек на грудном вскармливании, его полом и уровнем образования с типами сообщества на нескольких участках тела. Во-вторых, типы сообществ полости рта и микробиома кишечника предсказывали друг друга, даже несмотря на различия в конкретном таксономическом составе. Наконец, стабильность типов сообществ была наименее стабильной в полости рта и наиболее стабильной во влагалище и кишечнике в течение периода отбора проб. Таким образом, авторы пришли к выводу, что, несмотря на существенные внутри- и межличностные различия в микробиоме человека, путем разделения этих различий на типы сообщества, типы стали предсказывать друг друга и, вероятно, являются результатом характеристик, присущих истории жизни (5). На микробиом кишечника влияют множество факторов, включая способ родов и кормления ребенка, процесс старения, состав рациона, географию, лекарства и стресс (рисунок 2). В следующих разделах представлен краткий обзор современных знаний о различиях в микробиоте кишечника, связанных с этими факторами.

Ранее считалось, что желудочно-кишечный тракт был стерилен внутриутробно, и что в процессе родов произошла первая колонизация и инициация микробиома кишечника (6). Однако недавние исследования опровергли это мнение, продемонстрировав присутствие микроорганизмов в плаценте, околоплодных водах и пуповине (7–9). Эта работа все еще носит предварительный характер, но заслуживает дальнейшего изучения, поскольку она подчеркивает важность здоровья кишечной микробиоты матери. Предполагается, что при проглатывании амниотической жидкости и содержащихся в ней бактерий внутриутробно, плод начинает колонизировать развивающийся желудочно-кишечный тракт (10). Также было показано, что меконий, первый образец кала младенца, содержит микроорганизмы (11). Примечательно, что состав микробиоты мекония недоношенных детей отличается от состава микробиоты образца, полученного после первой недели жизни, демонстрируя, как происходит нормальная колонизация кишечника на протяжении всего внутриутробного развития плода (10). Отсутствие этой прогрессирующей колонизации может подвергнуть недоношенных детей риску различных желудочно-кишечных инфекций, включая некротический энтероколит (NEC) (10). В многочисленных исследованиях оценивалось применение пробиотических добавок как средства, позволяющего имитировать естественную инокуляцию кишечника, как средство влияния на частоту и тяжесть НЭК. Недавний кокрейновский обзор, который включал 24 рандомизированных контролируемых исследования (n= 5529), оценил роль пробиотических добавок у недоношенных новорожденных. Обзор подтвердил предыдущие выводы о том, что пробиотические добавки значительно снижают риск развития стадии II или более тяжелого некротизирующего энтероколита и всех причин смертности в этой популяции пациентов (12). Поскольку известно, что пробиотики оказывают потенциально благоприятное воздействие на функцию кишечника и его зрелость, Athalye-Jape с соавторами провели мета-анализ, который включал 25 рандомизированных контролируемых исследований (n = 5895), чтобы определить, повлияли ли пробиотические добавки на время первого полноценного энтерального кормления недоношенных новорожденных (13). В целом, субъектам, получавшим пробиотики, потребовалось меньше времени для получения полноценного корма (среднее различие: -1,54 дня; 95% ДИ: -2,75, -0,32 дня; p =0,01; I2 = 93%). Тип и / или количество пробиотических штаммов (например, Bifidobacterium или небифидобактерий) не повлияли на это улучшение. Кроме того, пробиотические добавки сократили продолжительность пребывания в стационаре, непереносимость пищи и продолжительность непрямой гипербилирубинемии, а также увеличили прибавку в весе и скорость роста. Ни в одном из исследований не сообщалось о неблагоприятном влиянии пробиотиков на исходы.

В процессе родов новорожденные подвергаются воздействию широкого спектра микроорганизмов, которые также способствуют колонизации микробиома кишечника. Способ родоразрешения влияет на состав кишечной микробиоты младенца, и, что интересно, кишечная микробиота новорожденного будет очень похожа на микробиоту, с которой они столкнулись во время родов. Во время вагинальных родов младенцу прививают вагинальную микробиоту, которая отличается от микробиоты кожи, встречающейся при кесаревом сечении (14). На уровне типа исследования показали, что у младенцев, родившихся вагинально, популяция Bacteroidetes выше, чем у Firmicutes, по сравнению с младенцами, родившимися с помощью кесарева сечения (15).

Несмотря на воздействие внутриутробно, большинство микробов, которые будут колонизировать кишечник младенца, приобретаются после родов. Считается, что начальная схема колонизации хаотична, и все больше данных свидетельствует о том, что воздействие окружающей среды в раннем возрасте, включая питание, ответственно за эти изменения (16). Колонизация кишечника у младенца происходит в несколько этапов. На ранних стадиях кишечник колонизируется преимущественно аэробными организмами, такими как энтеробактерии, стафилококки и стрептококки, многие из которых потенциально могут быть патогенными. Эти первые колонизаторы начинают изменять среду кишечника, прокладывая путь для колонизации все более анаэробным сообществом микробов (17). Структура кишечного сообщества продолжает меняться в течение первого года жизни и в последующий период в ответ на внешние факторы, такие как диета и применение антибиотиков (18, 19). Отлучение от груди, состояние грудного вскармливания и последовательное введение различных видов пищи - все это соответственно влияет на микробиом кишечника ребенка и иммунную систему (20).

Грудное молоко является оптимальной пищей для младенцев, поскольку оно отвечает всем их пищевым и физиологическим потребностям. Женское молоко содержит белки, жиры и углеводы, а также иммуноглобулины и эндоканнабиноиды (21). Грудное молоко не является стерильным, поскольку содержит до 600 различных видов бактерий, включая полезные Bifidobacterium breve, B. adolescentis, B. longum, B. bifidum и B. dentium (22). Помимо лактозы, углеводный компонент женского молока также содержит олигосахариды, которые составляют третий по величине твердый компонент (23). Олигосахариды женского молока представляют собой неперевариваемые полимеры, образованные небольшим количеством различных моносахаридов, которые служат пребиотиками, избирательно стимулируя рост представителей рода Bifidobacterium(23). Некоторые положительные эффекты грудного вскармливания по сравнению с искусственным вскармливанием объясняются воздействием олигосахаридов на полезные бактерии, поскольку у младенцев, находящихся на грудном вскармливании, отмечается повышенная доля бифидобактерий по сравнению с теми, кого кормили смесями (24). Бифидобактерии связаны с усилением защиты слизистой оболочки кишечника за счет активности против патогенов (25). Было показано, что бифидобактерии увеличивают выработку иммуноглобулина А, который коррелирует с модуляцией иммунной системы кишечника (26).

Шварц и соавторы изучали младенцев на грудном и искусственном вскармливании и их матерей. У каждого младенца были собраны образцы кала, выделена и секвенирована микробная ДНК; мРНК была выделена из кала, содержащего отшелушенные эпителиальные клетки кишечника хозяина, и обработана для анализа микрочипами (20). Они обнаружили, что микробиом младенцев, находящихся на грудном вскармливании, значительно обогащен генами, связанными с функциональностью вирулентности, и продемонстрировали многомерную корреляцию между генами кишечной флоры, связанными с патогенностью бактерий, и экспрессией генов хозяина, связанных с иммунными и защитными механизмами. Интересно, что состав оперативной таксономической единицы (OTU) и генетический потенциал микробиоты различались у младенцев на грудном и искусственном вскармливании. Исследователи предположили, что их результаты указывают на то, что грудное молоко способствует возникновению взаимных помех между иммунной системой слизистой оболочки и микробиомом в поддержании гомеостаза кишечника. Необходимы дополнительные исследования, чтобы лучше определить механизмы, с помощью которых бифидобактерии вызывают эти эффекты.

Аэротолерантность кишечной микробиоты, по-видимому, также различается у детей, находящихся на грудном и искусственном вскармливании. Аэробные организмы чаще встречаются в кале детей, находящихся на грудном вскармливании, тогда как анаэробные и факультативно-анаэробные организмы, которые преимущественно используют анаэробный гликолиз, чаще выявляются в кале детей, находящихся на искусственном вскармливании (27). Колонизация бактероидами и клостридиями различается в зависимости от двух типов вскармливания, при этом младенцы, находящиеся на грудном вскармливании, характеризуются более низкими концентрациями обоих (28-30).

Благодаря лучшему пониманию состава человеческого грудного молока разработчики сложных детских смесей попытались имитировать его питательную ценность, сделав их приемлемой альтернативой для матерей, не способных кормить грудью. Смеси для детского питания не являются идеальной заменой грудного молока, поскольку в грудном молоке отсутствуют биологически активные соединения, которые, как известно, влияют на усвоение питательных веществ и пищеварение, иммунную защиту и противодействие потенциально патогенным микробам (21). К сожалению, трудно имитировать действие этих биологически активных соединений. Хотя было показано, что у младенцев, которых кормят смесями, обогащенными олигосахаридами, в кале содержится больше бифидобактерий, необходимы дополнительные доказательства того, что детские смеси, имитирующие грудное молоко, полезны (31).

Согласно результатам метагеномного анализа, состав кишечной микробиоты меняется на ранних стадиях развития человека и зависит от рациона питания (32). Поскольку рацион питания младенца состоит из грудного молока и молочных смесей, это отражается в том, что микробиом отличается минимальным разнообразием и обогащен генами, способствующими утилизации лактата (33). Изменение функциональной способности к преимущественному использованию гликанов растительного происхождения происходит до введения твердой пищи. Примерно к 3 годам бактериальный состав напоминает состав взрослого человека и остается стабильным до старости, когда вариабельность состава сообщества возрастает (34). С точки зрения экологической преемственности, микробиота младенца, в которой преобладают бифидобактерии, со временем трансформируется в микробиоту взрослого человека, в которой преобладают бактериоидеты и фирмикуты (35). Это распределение остается довольно стабильным на протяжении всего взрослого возраста при отсутствии нарушений, таких как длительные изменения в рационе питания или повторное применение антибиотиков.

Уменьшение количества зубов, функции слюнных желез, пищеварения и времени прохождения через кишечник может повлиять на микробиоту кишечника с возрастом (36). Существуют заметные различия в микробиоте пожилых людей по сравнению с молодыми взрослыми, при этом относительная доля Bacteroidetes преобладает у пожилых людей по сравнению с более высокой долей Firmicutes у молодых взрослых (37). У пожилых людей также отмечается значительное снижение количества бифидобактерий, бактериодес и клостридий IV группы (38). Вариабельность сильно варьируется у разных людей - от 3 до 92% для Bacteroidetes и от 7 до 94% для Firmicutes (34). Однако микробиота менее изменчива у отдельных субъектов (34).

Изменения в микробиоме кишечника связаны с проблемами со здоровьем, присущими пожилым людям, такими как немощь. Значительное сокращение микробного разнообразия с уменьшением состава лактобацилл, Bacteroides/Prevotella и Faecalibacterium prausnitzii и увеличением доли Ruminococcus, Atopobium и Enterobacteriaceae наблюдалось у людей с высокими показателями хрупкости (39). Клаессон и соавторы исследовали связи между питанием, окружающей средой, здоровьем и микробиотой у 178 пожилых людей (> 65 лет) и обнаружили связь между разнообразием микробиома кишечника и функциональной независимостью (39). Снижение микробного разнообразия было отмечено у лиц, проживающих в условиях краткосрочного или долгосрочного стационарного лечения, по сравнению с теми, кто живет по месту жительства, и это различие было связано с повышенной хрупкостью, снижением разнообразия рациона питания и параметров здоровья, а также повышением маркеров воспаления (сывороточный TNF-α, IL-6, IL-8 и С-реактивный белок) (38). Структура питания в жилых районах коррелировала с разделением на основе состава микробиоты, при этом наиболее разборчивыми типами продуктов питания были овощи, фрукты и мясо. Полная кластеризация связей выявила четыре диетические группы: с низким содержанием жира / высоким содержанием клетчатки и умеренным содержанием жира / высоким содержанием клетчатки, включающие 98% пациентов по месту жительства и в дневных стационарах; и с умеренным содержанием жира / низким содержанием клетчатки и высоким содержанием жира / низким содержанием клетчатки, включающие 83% пациентов с длительным пребыванием (39). Значимые связи между несколькими показателями здоровья / слабости были обнаружены с минимальной вариабельностью среди жителей сообщества, но среди пациентов с длительным пребыванием наиболее значимые ассоциации были связаны с функциональной независимостью, индексом Бартеля (оценка функциональности) и питанием, за которыми следовали артериальное давление и окружность икры. Авторы предположили, что более позднее может быть связано с влиянием диеты и / или микробиоты на мышечную массу и саркопению и, следовательно, хрупкость.

Было доказано, что географическое положение и этническая принадлежность являются факторами, определяющими разнообразие и общий состав микробиоты. В исследовании 2013 года, проведенном Prideaux (40) и соавторами, были изучены субъекты европеоидной расы и китайцы в Соединенных Штатах и Гонконге и было обнаружено, что микробный состав различался между странами и этническими группами в пределах одной страны. В элегантном исследовании Яцуненко и соавт. охарактеризовали виды бактерий в образцах фекалий 531 человека, состоящих из здоровых детей и взрослых из Амазонок Венесуэлы, сельских районов Малави и мегаполисов США, и включали моно- и дизиготных близнецов (41). У всех исследованных популяций были выявлены общие особенности развития микробиома кишечника в течение первых трех лет жизни, включая возрастные изменения в генах, участвующих в биосинтезе и метаболизме витаминов. Филогенетический состав фекальной микробиоты был значительно изменен у людей, живущих в разных странах, с выраженным разделением, произошедшим между США и кишечными сообществами малави и индейцев; это было верно для людей в возрасте 0-3 лет, 3-17 лет и для взрослых. Однако также наблюдалось разделение между популяциями за пределами США. Бактериальное разнообразие увеличивалось с возрастом во всех трех популяциях, при этом микробиом населения США отличался наименьшим разнообразием. Были проанализированы наборы данных микробиома детей, находящихся на грудном вскармливании (n = 110: (24 младенца (возраст от 0,6 до 5 месяцев), 60 детей и подростков (от 6 месяцев до 17 лет) и 26 взрослых), чтобы определить, какие бактериальные таксоны монотонно изменялись с увеличением возраста внутри трех отобранных популяций и между ними. У всех младенцев последовательности 16S рРНК сопоставлены с членами РодBifidobacterium, и хотя бифидобактерии доминировали в фекальных сообществах в течение первого года жизни, за этот период их количество пропорционально уменьшилось. Также были отмечены возрастные и популяционные изменения в метаболизме. Было идентифицировано в общей сложности 476 ферментов, которые значительно различались у детей из США по сравнению с малавийцами и индейцами, находившимися на грудном вскармливании (p<0,001). Наиболее заметные различия касались путей, связанных с биосинтезом витаминов и метаболизмом углеводов. У младенцев из Малави и индейцев, но не у взрослых, было более высокое содержание ферментов, которые являются компонентами пути биосинтеза витамина В2 (рибофлавина). По сравнению со взрослыми микробиомы младенцев были обогащены ферментами, участвующими в очистке гликанов, представленных в грудном молоке и слизистой оболочке кишечника (маннаны, сиалилированные гликаны, галактоза и фукозилолигосахариды), причем некоторые из этих генов значительно преобладали в микробиомах младенцев индейцев и Малави по сравнению с НАМИ. Интересно, что представленность гена уреазы была значительно выше, но снижалась с возрастом в микробиомах младенцев Малави и индейцев, в отличие от Соединенных Штатов, где она была низкой от младенчества до зрелого возраста. Мочевина, которая составляет до 15% азота, присутствующего в грудном молоке человека, расщепляется уреазой до аммиака, который затем может быть использован микробами для биосинтеза незаменимых и несущественных аминокислот. Уреаза также играет решающую роль в рециркуляции азота, особенно когда в рационе питания не хватает белка, что делает уреазу потенциально полезной как для микробиома, так и для хозяина, когда поступление азота с пищей неоптимально (42). Типичный рацион питания американцев богат белком, в то время как в рационе малави и индейцев преобладают кукуруза и маниока. Различия между микробиомами США и малави / индейцев могут быть связаны с этими различиями в рационе питания. Ферменты, которые были наиболее значительно обогащены в фекальных микробиомах США, соответствуют различиям, наблюдаемым у плотоядных и травоядных млекопитающих (43). Интересно, что несколько ферментов, участвующих в разложении аминокислот, были чрезмерно представлены в микробиоме фекалий взрослых американцев, включая аспартат, пролин, орнитин и лизин, а также ферменты, участвующие в катаболизме простых сахаров (глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа и 6-фосфофруктокиназа), заменителей сахара (L-идитол 2-дегидрогеназа, которая разлагает сорбит) и гликанов хозяина (α-маннозидаза, β -маннозидаза и α-фукозидаза). Напротив, в микробиомах малави и индейцев было чрезмерно представлено α-амилаза, которая участвует в разложении крахмала, что отражает их рацион, богатый кукурузой. Возможно, из-за богатой жирами диеты, в микробиомах США было чрезмерно представлено количество ферментов, участвующих в биосинтезе витаминов (кобаламин, биотин и липоевая кислота), в метаболизме ксенобиотиков (фенилацетат-КоА-лигаза), которая участвует в метаболизме ароматических соединений, и редуктазы ртути, а также в метаболизме солей желчи (холоилглицингидролаза).

Чтобы получить представление об общих чертах и различиях между микробиомами кишечника в разных популяциях, Арумугам и соавторы секвенировали 22 европейских метагенома особей из Дании, Франции, Италии и Испании, которые были отобраны из-за разнообразия, и объединили их с предыдущими результатами секвенирования японцев и американцев, получив в общей сложности 39 особей (44). Они обнаружили, что, несмотря на огромное количество видов, обитающих в кишечнике, и их межиндивидуальную изменчивость, состав микробиоты можно разделить по крайней мере на 3 отдельные группы, или энтеротипы. Энтеротипы содержат функциональные маркеры, которые коррелируют с индивидуальными особенностями, такими как возраст и индекс массы тела (ИМТ). Например, ферменты разложения крахмала, такие как гликозидазы и глюканфосфорилазы, увеличиваются с возрастом, что может быть реакцией на снижение эффективности расщепления пищевых углеводов хозяином с возрастом (45 лет). Три маркерных модуля, два из которых представляли собой атфазные комплексы, сильно коррелировали с ИМТ хозяев, подтверждая обнаруженную связь между способностью кишечной микробиоты собирать энергию и ожирением у хозяина (46). Авторы пришли к выводу, что эти функциональные маркеры могут быть использованы для диагностики и, возможно, даже для прогнозирования многочисленных заболеваний человека, например, колоректального рака и сопутствующих заболеваний, связанных с ожирением, таких как метаболический синдром, диабет и сердечно-сосудистые патологии.