Резюме

В аналитическом обзоре представлены современные данные о микробиоме человека - сообществе комменсальных микроорганизмов в комплексе с генетическим материалом, молекулами межклеточного взаимодействия и средой обитания. Обозначены проблемы и актуальные перспективы изучения микро-биома, представлена информация о новых научных направлениях и достижениях в этой области. Обсуждается патогенез инфекционных и неинфекционных заболеваний с учетом сообщества микроорганизмов человека.

Ключевые слова:микробиом, микробиота, комменсальные бактерии

На протяжении последних двух десятилетий фундаментальным фактором, определяющим физиологию и патологию хозяина, признано микробное сообщество (микробиота) организма человека. Совокупность разнообразия генов микробиоты человека известна как микро-биом человека. Микробиота по числу совокупных генов в подавляющем большинстве случаев превосходит кодирующую способность генома человека и составляет более 3 млн генов [1].

Среди важных для хозяина функций микробиоты отмечены биодеградация ряда неперевариваемых полисахаридов, синтез незаменимых аминокислот и витаминов, детоксикация ксенобиотиков [2, 3]. Роль ассоциативных взаимодействий и спектр характеристик микробиома уже доказаны в ряде инфекционных и неинфекционных заболеваний человека, а современные исследования вышли далеко за пределы классического понимания значения микроорганизмов в нормальной и патологической физиологии человека.

Цель аналитического обзора - охарактеризовать современный уровень знаний микробиома человека с учетом практических результатов внедрения микробиом-ассоциированных методов лечения.

Важной инициативой на сегодняшний день является Проект микробиома человека, включающий исследования для улучшения понимания характеристик микробиоты, связанной со здоровьем и заболеваниями человека. В рамках проекта проводится секвенирование 16S рРНК бактерий микробиоты человека [4]. Большинство исследований микробиома основано на определении последовательности вариабельных областей высококонсервативного гена, кодирующего WS-субъединицу рибосомальной РНК (16S рРНК) микроорганизмов. Этот ген присутствует в бактериях, но отсутствует у млекопитающих и содержит 9 гипервариабельных областей (от V1 до V9), что позволяет идентифицировать различные бактерии.

Следует отметить, что классические микробиологические (культуральные) методы несостоятельны для исследования микробиоты человека. К сожалению, результаты посевов на среды образцов стула, слюны, влагалищного отделяемого и т.д. не отражают реального состава и плотности микробиоты. Более того, они вводят в заблуждение некоторых врачей и многих пациентов, что чревато принятием неверных решений, безосновательным назначением антибактериальных препаратов и других лекарственных средств. В связи с этим современному врачу стоит исключить из своей лексики не известные в остальном мире термины "дисбактериоз", "дисбиоз", основанные на результатах бактериологических методов диагностики патологических состояний.

Несмотря на значительное разнообразие видов микроорганизмов в составе микробиоты, большинство представителей принадлежат только к 4 типам современной биологической систематики: Bacteroidetes, Firmicutes, Actinobacteria и Proteobacteria. Типы Firmicutes и Bacteroidetes составляют >90% бактериального сообщества толстой кишки, где плотность микробиоты наибольшая. В то же время представители типов Actinobacteria и Proteobacteria практически всегда присутствуют в составе микробиоты, но их содержание относительно невысоко [5, 6].

Микробиота кишечника играет решающую роль в удалении из организма человека патогенных и условно-патогенных бактерий и предотвращении избыточного роста потенциально опасных "малочисленных" бактерий, колонизирующих желудочно-кишечный тракт (ЖКТ). Полезные функции бактерий, населяющих ЖКТ человека, обсуждались еще лауреатом Нобелевской премии И.И. Мечниковым, идеи которого послужили основой для работы многих поколений исследователей.

Возрастные изменения микробиома у детей

Эволюция и созревание кишечного микробиома на ранних стадиях жизни являются важным фактором здоровья, а нарушение формирования микробного сообщества у ребенка предрасполагает к развитию заболеваний как в младенчестве, так и в зрелом возрасте, что наиболее изучено при аллергических заболеваниях и метаболических синдромах [7-9].

Известно, что после родов кишечник новорожденного естественным путем заселяется бактериями родового канала матери, а при выполнении кесарева сечения его микробиота представлена в основном бактериями, населяющими кожу взрослого человека. При этом стрептококки доминируют в составе микробиоты таких детей [10]. Высказано предположение, что это может представлять собой фактор риска развития инфекций в детском возрасте. Весьма значимы результаты исследования, в котором после кесарева сечения была проведена обработка кожных покровов новорожденных тампоном, смоченным содержимым влагалища матери, что приводило к колонизации кожных покровов ребенка материнской микрофлорой, как у детей после родов через естественные родовые пути [11].

Исследования, включавшие тысячи детей, выявили связь между использованием антибактериальных препаратов в течение первого года жизни и риском развития бронхиальной астмы к 6-7 годам, что опосредованно подтверждает важную роль микробиома в формировании здоровья человека [12-15].

Зашитные биохимические механизмы микробиома

Представители микробиоты совместно с иммунной системой участвуют в метаболизме ряда биохимических веществ, в том числе желчных кислот, преобразуя их в токсичные продукты распада, которые способны ингибировать рост некоторых патогенов, например C. difficile [16-18].

В экспериментальных исследованиях на лабораторных животных показано, что важнейшим защитным барьером на пути колонизации патогенов являются ингибиторные короткоцепочечные жирные кислоты: ацетат, пропионат и бутират, которые продуцируют нормальные представители дифференцированной кишечной микробиоты. Исследовательской группой из США было продемонстрировано, что данные жирные кислоты, будучи терминальными продуктами расщепления растительных пищевых волокон с помощью кишечных бактерий, являются противовоспалительными медиаторами и играют важнейшую роль в кишечном гомеостазе [19]. Низкий уровень потребления растительной клетчатки приводит не только к уменьшению микробного разнообразия и продукции короткоцепочечных жирных кислот, но и к изменению микробиом-ассоциированного метаболизма в кишечнике, в частности происходит сдвиг к использованию менее эффективных энергетических субстратов, а именно эндогенных белков и мукопротеинов хозяина [20-22].

Микробиом-ассоциированнаяфармакология

В настоящее время, несмотря на большой интерес к исследованиям в области микробиома, связь между микробиомом и современной фармакологией остается крайне недооцененной. Открытие того факта, что бактерии кишечника человека участвуют в метаболизме лекарственных средств, произошло практически 100 лет тому назад [23]. Микроорганизмы кишечника человека способны воздействовать на лекарственные средства с помощью различных механизмов, которые можно классифицировать как прямые и косвенные. Прямые механизмы включают биотрансформацию лекарств или их метаболитов в вещества с измененной активностью. Косвенные механизмы включают более сложные взаимодействия микроорганизмов с лекарственными препаратами и организмом человека, что приводит к изменению метаболических и транспортных путей конкретного препарата [24].

Классический пример - сердечный гликозид дигоксин, применяемый в терапии нарушений ритма и сердечной недостаточности. Дозирование дигоксина является весьма сложным для врача из-за чрезвычайно узкого терапевтического диапазона, что делает даже незначительные колебания его концентрации клинически значимыми для пациента. Известно, что примерно у 10% пациентов определяют высокий уровень неактивного метаболита дигоксина - дигидродигоксина, что является результатом бактериального метаболизма (восстановления) ненасыщенного лактонового кольца молекулы этого лекарственного средства [25, 26]. В ряде случаев более 50% вводимого дигоксина инактивируется микробиотой кишечника, что существенно снижает его концентрацию в крови и эффективность [27].

В серии исследовательских работ, посвященных выявлению микробного вида, ответственного за столь значимое снижение эффективности дигоксина, было показано, что отдельные штаммы Eggerthella lenta (штамм DSM2243) имеют так называемый CGR-оперон (cardiac glycoside reductase), индуцируемый сердечными гликозидами, что запускает биохимический каскад, ведущий к инактивации данного лекарственного средства [28-31].

Роль кишечного микробиома в предупреждении развития инфекции, ассоциированной c Clostridium difficile

C. difficile - грамположительный анаэробный цитотоксин-продуцирующий спорообразующий микроорганизм, который в настоящее время конкурирует за лидерство среди инфекций, связанных с оказанием медицинской помощи. Несмотря на то что C. difficile-ассоциированная инфекция (КДАИ) как внутрибольничная не является новой проблемой уже более 30 лет, сейчас она достигла масштабов эпидемии [32, 33].

Являясь облигатным анаэробом, C. difficile способна сохраняться в окружающей среде и может легко передаваться восприимчивым людям за счет формирования эндоспор. Споры C. difficile, попадая в организм человека, могут прорастать в метаболически активные, вегетативные формы и размножаться в толстой кишке, где условия среды наиболее благоприятны для анаэробов. Клостридии начинают продуцировать токсины А и В, которые проникают в клетки кишечного эпителия и приводят к нарушению функции межклеточных контактов эпителиального барьера кишечной стенки [34, 35]. Данные повреждения обеспечивают дальнейший патогенез КДАИ, которая может проявляться как легкой диареей, так и псевдомембранозным колитом, с развитием потенциально опасного для жизни пациента токсичного мегаколона [36, 37].

Дальнейшее изучение потенциальных антагонистов среди представителей микробиома показало, что коммен-сальная бактерия C. scindens может ингибировать рост C. difficile за счет образования вторичных желчных кислот - дезоксихолевой и литохолевой [18]. В эксперименте было продемонстрировано, что искусственное заселение кишечника только C. scindens или данной бактерией в составе микробного коктейля защищало лабораторных животных от колонизации C. difficile и развития КДАИ на фоне введения антибактериальных препаратов. При проверке этой гипотезы было обнаружено, что наличие C. scindens в составе микробиома человека снижало риск колонизации C. difficile [18].

В рамках клинических исследований микробиома человека, проведенных группой исследователей из США, были выделены представители микробного сообщества, которые защищали от колонизации и инфекции C. difficile. Изучение микробиома было проведено в когорте 234 пациентов, перенесших аллогенную трансплантацию гемопоэтических стволовых клеток, среди которых у 53 (22,6%) пациентов развилась КДАИ. Выявлено, что присутствие микроорганизмов 3 различных бактериальных таксонов (тип Bacteroidetes, семейства Lachnospiraceae и Ruminococcaceae) коррелировало с защитой от инфекции C. difficile [38]. Следует отметить, что сохранность в микробиоме данных таксономических групп к моменту приживления трансплантата снижала риск развития C. difficile-ассоциированной инфекции на 60%, причем независимо от множества других включенных в анализ клинических и лабораторных факторов.

Механизмы устойчивости микробиома желудочно-кишечного тракта к колонизации патогенами

Прямые механизмы устойчивости к колонизации патогенами обеспечиваются способностью комменсальной микробиоты ограничивать экзогенную микробную колонизацию и предотвращать размножение эндогенных потенциально опасных бактерий при помощи факторов межбактериального взаимодействия и независимо от регуляторных процессов организма хозяина [39]. Эти механизмы включают конкуренцию за питательные вещества, продукцию бактериоцинов, секреторную систему VI типа.

Косвенные механизмы устойчивости к колонизации патогенами опосредованы регуляторными факторами хозяина, активирующими микробиом-ассоциированную защиту от экзогенных возбудителей [39]. Они включают продукцию антимикробных пептидов, поддержание эпителиального барьера кишечника, метаболизм желчных кислот.

Трансплантация фекальной микробиоты

Известно, что уже несколько десятилетий назад отдельные врачи-новаторы выполняли фекальные трансплантации от здоровых доноров, часто близких родственников, пациентам с рецидивирующими C. difficile-ассоциированными инфекциями и псевдомембранозным колитом [40]. Эффективность этого метода уже тогда впечатляла, а сегодня клинический успех достигается примерно в 90% случаев [41, 42].

Рецидивы инфекции, ассоциированной с C. difficile, могут быть очень тяжелыми, опасными, и трансплантация фекальной микробиоты (ТФМ) является наиболее эффективным методом их лечения [43, 44]. В то же время следует помнить об инфекционных рисках, которые несет эта процедура. Один из способов ограничить риски ТФМ - тщательный скрининг доноров на наличие инфекционных и воспалительных заболеваний, которые могут быть связаны с кишечным микробиомом.

Таким образом, "здоровый" разнообразный кишечный микробиом обеспечивает устойчивость к колонизации различными экзогенными патогенами. Выполнены исследования по изучению клинической эффективности ТФМ в качестве метода потенциальной терапии [45, 46]. Введение пациенту подготовленной и очищенной смеси из полезных представителей микробиома позволит достичь клинической эффективности, а также избежать рисков, связанных с трансплантацией всего комплекса бактерий кишечника. Кроме того, зная, какие именно представители микробиома являются наиболее опасными, можно попытаться избирательно воздействовать именно на них.

Микробиом и неинфекционные заболевания

Микробиом человека может способствовать развитию заболеваний с помощью целого ряда механизмов, включая продукцию токсичных веществ, способность к избыточному росту и поддержку воспалительных процессов. В центре внимания ученых по всему миру находится вопрос о роли нарушений кишечного микробиома в развитии инсулинорезистентности, эндотелиальной дисфункции, дислипидемии, повышении артериального давления, ожирении. Практический акцент ставится на то, что для предотвращения кардиометаболических заболеваний, помимо реализации уже хорошо известных профилактических мероприятий, важно сохранение разнообразного состава кишечного микробиома [47].

За последние несколько лет достигнут серьезный прогресс в изучении взаимодействий центральной нервной системы (ЦНС), локальной нервной системы кишечника с самим желудочно-кишечным трактом. Серия революционных доклинических исследований показала важную роль микробиома кишечника во взаимодействии с ЦНС. Основываясь на исследованиях с использованием мышей-гнотобионтов, было установлено, что микробиом способен влиять на эмоциональные реакции, системы регуляции стресса и болевых реакций, а также на нейромедиаторы ЦНС. В то же время для однозначных выводов в отношении функционирования оси "микробиом-ЦНС" пока не хватает объемных доказательных исследований, проведенных среди людей [48].

S. Yoshimoto и соавт. [49] сообщили, что в экспериментах по канцерогенезу у мышей с ожирением наблюдали изменения микробиома кишечника, и это приводило к увеличению продуцирования микробной дезоксихолевой кислоты в кишечнике, которая, как известно, способна вызывать повреждение ДНК. Повышенные уровни дезоксихолевой кислоты индуцируют сенесцентный секреторный фенотип у звездчатых клеток Ито печени, которые начинают выделять провоспалительные и канцерогенные факторы. Сенесцент-ные (старые) клетки, по мнению профессора J.L. Kirkland, директора Центра по изучению проблем старения в клинике Мейо (США), - это "хорошие граждане, но плохие соседи". Так их называют, когда нужно объяснить, зачем разрабатывается терапия для устранения сенесцентных клеток из организма. Считается, что эти стареющие клетки поддерживают частичную функциональность, но разрушают свою микросреду. Сенесцентные клетки не могут делиться, зато они активно выделяют ряд медиаторов воспаления, в том числе цитокины, хемокины и протеазы, благодаря так называемому сенесцентному секреторному фенотипу, ассоциированному с процессом старения. Число клеток с таким секреторным фенотипом увеличивается во многих тканях с возрастом [50-53].

Эксперимент S. Yoshimoto и соавт. показал, что, в отличие от контрольной группы, у мышей с нарушениями состава микробиома, ожирением и сенесцентным секреторным фенотипом клеток Ито после нагрузки химическим канцерогеном быстро развивался рак печени [49]. Полученные экспериментальные данные позволяют считать, что бактериальные метаболиты кишечника могут способствовать развитию рака печени на фоне ожирения.

На протяжении многих лет активных исследований с помощью традиционных микробиологических методов, а именно культивирования на питательных средах и микроскопии, изучали микробиоту влагалища. На основе этих работ состав микробиоты оценивали "здоровым", когда в нем преобладали перекись-продуцирующие Lactobacillus spp. с наибольшей долей среди них L. crispatus. Внедрение за последнее десятилетие молекулярно-генетических методов значительно углубило понимание структуры и вариаций микробиоты влагалища в норме и при патологии. Теперь ясно, что разнообразие бактериальных видов в ее составе намного сложнее, чем признавалось в раннее опубликованных работах [54].

Наиболее активно исследуют вопрос: какие характеристики микробиома влагалища могут быть предикторами преждевременных родов? Получены первые данные, например R.W. Hyman и соавт. показали, что беременные с более высоким содержанием лактобацилл во влагалище имели меньший риск преждевременных родов [55].

Влагалищный микробиом значительно варьирует на протяжении всей жизни женщины и ассоциирован с рядом физиологических и патологических состояний. Считавшиеся ранее стерильными органы женской репродуктивной системы, оказывается, содержат небольшие количества бактерий. Влияние на микробиом влагалища антибактериальных препаратов еще предстоит более точно изучить, а системный анализ микробиома в аспекте репродуктивного здоровья, несомненно, прольет свет на наиболее значимые нарушения в этой сфере.

Перспективы изучения микобиома и вирома человека

Бактериальный микробиом более или менее изучен, однако гораздо меньше известно о микобиоме и вироме. Как бактерии, так и грибы, вирусы, очевидно, весьма разнообразно представлены в кишечнике, и уже есть данные о том, что они также вступают во взаимодействие с иммунной системой организма хозяина [56-59]. При этом все еще не ясно, какие функции грибы и вирусы выполняют в поддержании гомеостаза организма хозяина и насколько они важны для здоровья человека.

Таким образом, возможно, в будущем в клиническую практику будут внедрены методы воздействия на микро-биом пациентов с конкретными целями, как, например, профилактика атеросклероза или оптимизация лечения рака. Это может быть достигнуто в клинических условиях посредством таких вмешательств, как специализированные диеты, введение полезных микробных сообществ и персонализированная антибактериальная терапия. Уже сегодня разрабатываются новые стратегии, которые меняют тактику классической антибиотикотерапии. Цель этих стратегий -избирательное уничтожение возбудителей инфекций без повреждения микробиома или даже восстановление полезных микробных сообществ организма человека.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.