Микробиом человека современные исследования. Микробиота кишечника человека

Экология познания. Познавательно: Ученые только сейчас начинают понимать, насколько велика роль микроорганизмов, живущих внутри человека (Ричард Коннифф (Conniff))

Ученые только сейчас начинают понимать, насколько велика роль микроорганизмов, живущих внутри человека

Ричард Коннифф (Conniff)

Педиатр Барбара Уорнер никогда не забудет эту супружескую пару. До поступления в клинику, на протяжении многих лет супруги тщетно пытались завести детей, и вот, в 1997 году пациентка доктора Уорнер, наконец, забеременела. Ей было тогда около сорока пяти лет. «Для нее это был последний шанс», - поясняет Уорнер. И вот, в скором времени на свет появились двое близнецов. К сожалению, первый умер в результате тяжелой формы асфиксии, в те времена наиболее распространенного убийцы недоношенных детей.

Через неделю, прямо в День Благодарения, Уорнер пеленала второго, выжившего близнеца и... даже сейчас доктор с ужасом вспоминает о том, что она увидела: сильное покраснение (эритема) и вздутие живота.

Диагноз: некротический энтероколит (сокращенно НЭК). Об этом заболевании за пределами отделений интенсивной терапии новорожденных детей вообще мало кто слышал; некротический энтероколит имеет бактериальную природу и характеризуется внезапным и стремительно развивающимся воспалением кишечника.

Во время операции на животе малыша хирург увидел следующую картину: весь кишечный тракт - от самого желудка до прямой кишки - вообще не функционировал. Малыш был обречен. После операции доктор Уорнер, обливаясь слезами, вернула новорожденного убитым горем родителям, будучи не в силах им помочь.

«С тех пор прошло 15 лет - и ничего не изменилось», - мрачно заключает Уорнер, проходя мимо пластиковых инкубаторов, в которых лежат ее крошечные пациенты, обмотанные трубками и принимающие ванны мягкого ультрафиолета. Некротический энтероколит по-прежнему является одним из главных убийц недоношенных детей. Однако, вскоре положение может измениться, благодаря новым знаниям о природе и жизнедеятельности человека.

За последние несколько лет, достижения в области генной инженерии приоткрыли окно в удивительный, густонаселенный, не видимый нашему глазу, но имеющей огромное значение для человека мир микроорганизмов, обитающих внутри и вокруг нас, - мир бактерий, грибков и вирусов.

Ученые называют его «микробиом» . Исследованием микробиома занялась «большая наука», подключив к исследованиям международное сообщество ученых, задействовавших передовую технологию секвенирования ДНК и огромные базы данных, обработка которых по плечу лишь суперкомпьютерам. Исследования микробиома знаменуют собой мощный рывок, который медицина не делала на протяжении вот уже ста пятидесяти лет; теперь ученые понимают, что микробы могут быть не только врагами человека, но и его союзниками.

Вопрос, поднятый в статье, довольно деликатен. В отделении интенсивной терапии больницы Сент-Луиса, где работает доктор Уорнер, ученые, изучающие некротический энтероколит (НЭК), проанализировали буквально каждый подгузник и каждую пеленку, в которую заворачивали недоношенных новорожденных, попадавших в это медицинское учреждение на протяжении последних трех лет.

Ученые не ставят себе задачу, как это было раньше в истории медицины, непременно выявить какой-то отдельный возбудитель, какого-нибудь «убийцу вирусов» или бактерию. Вместо этого, говорит Филипп Тарр, детский гастроэнтеролог из Вашингтонского университета и коллега доктора Уорнер, ученые хотят научиться контролировать баланс микрофлоры, а для этого изучить особенности жизнедеятельности сотен типов микроорганизмов, населяющих кишечник новорожденных.

Ученые хотят выяснить, при каких условиях развивается некротический энтероколит , и быть может им удастся впервые в истории медицины предложить врачам, работающим в отделениях интенсивной терапии новорожденных, рекомендации по профилактике этого смертельного заболевания.

В начале нынешнего года одна из групп исследователей выяснила, что выделения, продуцируемые некоторыми полезными микробами, по всей видимости, способны предотвратить переход некротического энтероколита в ту стадию, которая ведет к летальному исходу. Таким образом, вполне вероятно, что медики вскоре смогут разобраться в причинах НЭК, о которых сегодня мало что известно, и принять, наконец, превентивные меры.

Сегодня медики и биологи стали уделять повышенное внимание исследованию микробиома, поскольку он заставляет по-новому взглянуть на проблему НЭК и лучше понять сущность человеческой природы. К примеру, мы склонны думать, что человек - это лишь та совокупность клеток, из которых выстроено человеческое тело; число этих клеток превышает десять триллионов. Но к этой цифре надо прибавить еще 100 триллионов клеток, из которых состоят микроорганизмы, которых человек приютил в своем теле. Выходит, что живое существо, которое каждый из нас видит по утрам в зеркале, лишь на 10 процентов состоит из клеток, принадлежащих собственно человеку.

Еще больше впечатляют данные о весе живущих в человеке микроорганизмов: в общей сложности у взрослого человека он составляет около трех фунтов (почти столько же весит человеческий мозг). Теперь перейдем к генам: в организме человека их насчитывается приблизительно 21 тысяча. К этой цифре надо прибавить еще почти восемь миллионов генов, из которых состоят населяющие человеческое тело микроорганизмы, многие из которых помогают нам усваивать пищу, укрепляют иммунную систему, «включают» и «выключают» наши гены - словом, помогают нам жить.

Как тут ни вспомнить знаменитое высказывание английского поэта Джона Донна: «Ни один человек - не остров, замкнутый в себе, каждый человек - это кусок континента, частица единого целого». И еще вспоминается строчка в одной из песен старой американской рок-группы «Jefferson Airplane»: «Он - полуостров». На самом деле, в нашем случае речь должна идти о здоровенном мегаполисе.

Начало эры микробиома можно отсчитывать с конца 1990-х годов , когда Дэвид Рилман (Relman), специалист по инфекционным заболеваниям, работающий в Стэнфордском университете, решил получить образец микрофлоры, населявшей его ротовую полость. Процедура проста: стоматолог проводит ватной палочкой за щекой, берет мазок с поверхности зубов или десен. На ватном тампоне вроде бы ничего нет (но, по словам одного стоматолога, «вера в невидимое должна быть крепка необычайно»).

После этого, взятые образцы направляют в лабораторию для культивирования в чашке Петри и выявляют те микроорганизмы, которые там неплохо себя чувствуют. Рилман предложил смелую идею - провести анализ ДНК с помощью метода секвенирования. С тех времен стоимость процедуры секвенирования снизилась, а исследование образцов мазков, взятых с различных участков человеческого тела для анализа ДНК, стало обычным делом при изучении микробиома.

В лабораторных условиях каждый из образцов мазка помещают в одну из 96 ячеек, расположенных на маленькой пластиковой пластинке. После проведения ряда манипуляций, образцы поступают в устройство под названием секвенатор, который внешне чем-то напоминает банкомат и минибар одновременно.

Информация, которую выдает нам секвенатор, впечатляет: выяснилось, что микрофлора ротовой полости человека насчитывает более 1000 видов микроорганизмов; при этом, в области, расположенной за ушной раковиной, живут 150 видов; на внутренней стороне предплечья - 440 видов, а в кишечнике их несколько тысяч.

Фактически, микрофлора присутствует почти во всех областях человеческого организма. Всего же в теле человека их насчитывается более 10 тысяч видов. Их число изменяется в зависимости от того, какую часть тела мы рассматриваем; в этом смысле, по мнению специалиста по изучению микрофлоры Роба Найта из Университета Колорадо, различия в количестве микроорганизмов, населяющих ротовую полость и кишечник, даже более велики, чем различия между температурой горячей воды и полярного льда.

Скажем, согласно исследованию 2010 года, число микроорганизмов, обитающих на правой и левой руке, составляет лишь 17 процентов от общего числа всех микроорганизмов, населяющих человеческое тело.

Но самое интересное заключается в том, что сообщество микроорганизмов, проживающее в человеческом теле, очень сильно влияет на образ жизни человека и даже на образ его мысли и восприятие. Недавно проведенные исследования установили связь между изменениями микробиома и некоторыми из наиболее распространенных заболеваний, включая ожирение, аллергию, диабет, дисфункцию кишечника и даже такие психические заболевания, как аутизм, шизофрения и депрессия.

В прошлом году, например, ученым удалось установить следующие факты:

• склонность к полноте у тех младенцев, которые подвергались воздействию антибиотиков в первые шесть месяцев жизни, на 22 процента выше, чем у тех малышей, которые такое воздействие на себе не испытывали; возможно, что причина здесь состоит в том, что антибиотики губительны для микроорганизмов, необходимых для жизнедеятельности человека.
• отсутствие полезной микрофлоры в кишечнике грызунов в раннем возрасте ведет к расстройству центральной нервной системы и способно непрерывно изменять уровень серотонина в головном мозге взрослой особи. Ученые предполагают, что в организме человека происходит то же самое.
• по данным исследования, проведенного в Малави, для решения проблемы голода среди детей необходимо не только наличие пищи, но и присутствие в кишечнике ребенка «правильных» микроорганизмов.

Исследователи пока что не могут с уверенностью определить, влияют ли изменения микробиома на среду или же наоборот, среда ведет к изменениям микробиома. И все же, научное сообщество стало уделять повышенное внимание изучению взаимосвязей между микробиомом и средой, в которой он существует.

В частности, большой интерес вызвали опубликованные в июне прошлого года первые результаты проекта «Human Microbiome Project» стоимостью 173 миллиона долларов, осуществленного под эгидой Национального института здоровья. Цель данного проекта заключается в создании подробной карты микрофлоры, населяющей организм трехсот здоровых добровольцев.

Медики приравнивают данный проект к обнаружению в организме человека еще одного, доселе неизвестного, органа или еще одной, не известной ранее, системы жизнедеятельности. Как говорится в одной из статей, опубликованной в январском номере Американского эпидемиологического журнала за этот год, ученые обнаружили «еще один ключ», который поможет «вскрыть тот пресловутый черный ящик», который обуславливает здоровье и заболевания людей.

О микробиоме теперь знают даже неспециалисты, особенно после того, как несколько лет назад исследователи из Университета Вашингтона установили связь между ожирением и качеством микрофлоры кишечника. Выяснилось, что в кишечнике у мышей, страдавших от избыточного веса, преобладали бактерии Firmicutes, а у худых - Bacteroidetes.

В ходе эксперимента обе группы мышей содержались на одинаковой диете, однако оказалось, что мыши, у которых в кишечнике преобладали бактерии типа Firmicutes, извлекали большее количество калорий и накапливали при этом больше жира. То же самое происходило и в человеческом организме. Теперь понятно, почему многие люди с избыточным весом подчас жалуются, что они толстеют даже, так сказать, от одного лишь запаха еды, которую без проблем поглощают их худые друзья.

Подобные эксперименты породили большой энтузиазм в отношении человеческого микробиома, на который раньше большинство ученых смотрело с некой долей брезгливости. Это все равно, как если бы читатели полюбили бы вдруг «Путешествия Гулливера» всего лишь из-за одного отрывка, в котором Джонатан Свифт изображает студента, который занимался превращением человеческих экскрементов обратно в те питательные вещества, из которых они образовались.

Нынешней зимой два конкурирующих проекта пригласили энтузиастов для того, чтобы взять у них на анализ фекалии, а также мазки из ротовой полости и с поверхности кожи. На банковский счет каждого из проектов поступило более 300 тысяч долларов в виде добровольных пожертвований (средняя величина пожертвования - 100 долларов) В первом из проектов, который осуществляется Лабораторией Найта при Колорадском университете и называется «American Gut», участвуют ведущие американские ученые.

В рамках данного проекта покупателям была предложена услуга по составлению «карты экосистемы кишечных бактерий человека» стоимостью 99 долларов, которую журнал «Prevention» назвал одним из десяти лучших праздничных подарков. (А романтикам для отдельных пар предлагался пакет под названием «Микробы для двоих» за 189 долларов, который в том числе давал право провести анализ образцов кала обоих партнеров. Или их собаки.)

Во втором проекте под названием uBiome развивалась идея так сказать «народной науки». Участникам предлагалось сформулировать гипотезы для экспериментальной проверки, например: «Как потребление алкоголя влияет на микробиом человека?» «Какое влияние на микробиом оказывает вегетарианская диета?»

После того, как в декабре у одного из организаторов проекта Вилла Лудингтона родился ребенок, отец стал ежедневно проводить анализ кала своего новорожденного сына Дилана, чтобы ответить на вопрос: «Каким образом наследуется микрофлора, колонизирующая кишечник младенца в течение первого года жизни?»

К проблеме микробиома с энтузиазмом обратились и венчурные капиталисты. К настоящему времени они уже инвестировали средства в как минимум четыре новых проекта с целью разработки перспективных препаратов и диагностических средств, ориентированных на микробиом.

Исполнительный директор компании «Second Genome», расположенной в окрестностях Сан-Франциско, Питер Дилаура (DiLaura) уже инвестировал около 10 миллионов долларов в проект, с помощью которого уже через три года можно было бы начать клинические испытания лекарственных средств, предназначенных для лечения таких распространенных заболеваний, как язвенный колит, причиной которого, скорее всего, является изменение микробиома. (Кстати, лозунг компании «Second Genome» такой: «Наиболее важный для человеческого организма геном может быть и не человеческого происхождения»).

Как видим, планы выглядят оптимистично, особенно если вспомнить, что начатые в свое время исследования генома человека, вопреки ожиданиям практически не привели к появлению каких-то новых методов лечения. Но, по крайней мере, они теоретически должны помочь найти способы манипулирования отдельными группами микроорганизмов.

В некоторых крупных фармацевтических компаниях, которые работают над решением проблемы диабета и ожирения, были созданы научно-исследовательские подразделения, занятые исследованием микробиома. Кроме того, крупные производители зубной пасты и жидкости для полоскания рта, уже инвестируют в разработку микробиологических методов по борьбе с кариесом.

Но и помимо создания коммерческих продуктов, сама по себе возможность картирования микробиома человека уже способна принести огромную пользу для медицины. Исследования показывают, что каждый человек обладает уникальной микрофлорой, присущей только ему. Различия между характеристиками микрофлоры отдельного человека зависят от особенностей его индивидуального режима питания, состава семьи, истории болезни, национальных и региональных различий, а также от множества других факторов - все они в той или иной степени играют свою роль.

Например, кишечник человека могут населять некоторые бактерии, которые вообще способны изменить характер терапевтического воздействия некоторых лекарственных препаратов, вплоть до того, что микроорганизмы могут нейтрализовать такие лекарственные средства, как ацетаминофен (компонент, входящий в состав обезболивающего препарата Tylenol).

В настоящее время врачам иногда приходится долго подбирать лекарство, которое бы смогло реально помочь пациенту. Однако, если изучить индивидуальный микробим пациента, то в этом случае подбор препарата несомненно ускорится. Однако, некоторые специалисты, считают, что энтузиазм в отношении микробиома - это очередное поветрие, которое лишь обещает золотые горы. опубликовано

Микробиота или микробиом — это понятие сегодня все больше входит в наш обиход. Еще недавно врачи использовали такое понятие как микрофлора кишечника , а сегодня, по мнению авторитетных ученых, оно устарело. Мы живем в уникальное время, когда крупные научные открытия совершаются регулярно. Благодаря этому мы можем лучше понять процессы, которые происходят в нашем организме. Пора поговорить о важности бактерий для здоровья человека. Многие будут удивлены, узнав, что микробы способны влиять на наше настроение и привычки.

Революция во взглядах на микроорганизмы. Неужели Роберт Кох ошибался?

Хотя идеи некоторых ученых напоминают сюжет фантастического романа, нужно признать, что микробиология сегодня переживает настоящий расцвет. Ее открытия, по всей видимости, сильно повлияют на будущее медицины и фармацевтики . В последние годы произошла революция во взглядах на роль микробов, которая осталась незамеченной широким кругом общественности. Скажем пару слов о той концепции, которую создали отцы-основатели микробиологии Луи Пастер и Роберт Кох . Они предположили, что в основе ряда болезней лежит инфекция, а поэтому микробы - это то, с чем нужно бороться.

Благодаря этим идеям удалось победить многие эпидемии. К примеру, Роберт Кох открыл бациллу сибирской язвы, туберкулезную палочку, холерный вибрион, за что был награжден Нобелевской премией в 1905 году. Также он вместе со своим ассистентом Юлиусом Петри изобрел способ культивирования микробов в специальной лабораторной посуде (чашка Петри).

За последние 30 лет ученые пришли к двум очень важным выводам . Во-первых, количество микробов, которые можно вырастить в чашке Петри, составляет малую часть от общего числа микроорганизмов, заселяющих тело человека. А во-вторых, пошатнулся тезис о тотальной вредоносности микробов для человека. Кроме действительно опасных микроорганизмов нас постоянно сопровождают те, которые помогают нам жить, быть сильными и здоровыми. Это и есть человека.

Как генетики помогли микробиологам. Микробиота играет роль эндокринного органа

Взглянуть иначе на бактерии позволило бурное развитие молекулярной генетики и информатики. На их стыке появилась геномика - наука, занимающаяся изучением генов и геномов. Итак, каким образом генетики помогли микробиологам? Здесь нужно упомянуть международный исследовательский проект «Геном человека» (The Human Genome Project, HGP), который стартовал в 1986 году. В то время группа ученых из США решила установить полную последовательность ДНК человека. Если кто не знает, геномом называют совокупность генов конкретного организма.

Создатели проекта решили опробовать свои методы на чем-то простом, например, на бактериях, населяющих наше тело. Тогда стало понятно, что их количество просто огромно, а большая часть находится в кишечнике. В теле человека массой 90 кг содержится 3 кг бактерий. Уже раздаются голоса ученых, которые называют это скопление бактерий частью нашего организма. Если эта концепция верна, то именно микробы - самый большой орган человека , а вовсе не мозг или сердце, как принято думать. Почему микробиоту можно считать органом, мы подробно расскажем ниже.

Кроме того, выяснилось, что микробы вступают с нашим телом в различные взаимодействия, часто позитивные. Оказывается, обмен веществ обеспечивается во многом ферментами, которые вырабатываются микробами. Более того, от них зависят наши привычки, вкусовые пристрастия, поведение и даже настроение .

С точки зрения микробиологии сейчас уже можно объяснить, почему пища, приготовленная дома, многим кажется вкуснее, чем где-либо ещё. Дело в том, что у членов одной семьи живут похожие бактерии. Ребенок с молоком матери впитывает и «семейные» микроорганизмы. Грубо говоря, это не у каждой конкретной семьи имеются определенные вкусовые пристрастия, а у микробов, которые населяют это семейство внутри.

Другой важный аспект в сотрудничестве микробиологии и геномики - выявление микробов, отвечающих за здоровье кишечника. Ученые и врачи стараются сделать так, чтобы микробиота была в активном состоянии. Сейчас в этом направлении удалось многого добиться. Не случайно в США уже 30 лет развиваются удивительные технологии- передача бактерий от здорового человека больному. Сюда нужно отнести такой, мягко говоря, экзотический вид терапии как пересадка кала (фекальная трансплантация).

Развитие информатики и генетики позволило изучать генетическое строение микроорганизмов. Благодаря этому ученые могут сравнить последовательность ДНК микробов больного и здорового человека. Еще геномика установила, что можно брать мазки для исследования бактерий с любой части тела.

Для чего нужно понятие микробиота человека?

Когда взгляды на влияние бактерий изменились, возникла потребность в новой терминологии. Поэтому современная наука сформулировала понятие микробиом или микробиота . Итак, микробиом человека - это сообщество микроорганизмов, своеобразная внутренняя экосистема. Она подвержена влиянию многих факторов, таких как режим питания, заболевания кишечника, прием лекарственных средств.

Микробиота — это совокупность всех бактерий человека, а они есть почти во всем организме. Но установлено всего пять мест в нашем теле, которые особенно полюбились бактериям: кишечник, кожа, дыхательные пути, полость рта, мочеполовая система. При этом большая часть микробиома у человека сосредоточена в кишечнике.

В среднем в теле каждого взрослого содержится 2 - 3 кг бактерий, а их число поистине огромно - оно в десять раз превышает число наших собственных клеток. С учетом последних открытий в микробиологии выражение «богатый внутренний мир» можно понимать буквально.

Микробы и люди: древний союз ради выживания

Ученые считают, что микробы и люди прошли вместе значительный путь. Вероятно, это очень древний союз . Речь идет о совместной эволюции. Изучив некоторые виды обезьян, а точнее их бактерии, микробиологи выявили ген, который встречается в ДНК кишечных бактерий всех приматов, в том числе и человека. Биологи предполагают, что у нашего общего предка был небольшой набор бактерий, в том числе имелась та, которая включает обнаруженный ген. Около 15 миллионов лет понадобилось, чтобы у приматов появилось современное разнообразие микробов. Установлено, что разным видам обезьян присущи свои бактерии.

По сути, люди и микробиота - это симбиоз двух форм жизни. У этого древнего союза вполне понятное объяснение: микробам нужна среда обитания и еда , а человеческий организм идеально подходит для этого. Кроме того, в ходе эволюции два этих мира научились «договариваться» между собой. К примеру, бактерии воздействуют на иммунные клетки стенок кишечника таким образом, что немного снижают их . Вероятно, поэтому у детей, которые росли без матери и ее бактерий, чаще развиваются различные виды аллергии и аутоиммунных заболеваний.

Теперь ученым ясно, что микробы действуют на людей двояко: одни из них помогают организму функционировать, а другие - разрушают его.

Кишечник как эндокринный орган. Настроение зависит от бактерий?

Особое значение для здоровья имеют микробы, населяющие пищеварительную систему. Они воздействуют на стенку кишечника с помощью особых веществ, при этом влияют на наш мозг. Когда ученые исследовали химический состав этих соединений, то были поражены. Оказалось, что бактерии продуцируют аналоги наших собственных гормонов: серотонина, тестостерона, норадреналина, дофамина, гистамина. Также ими выделяются различные ферменты и белки.

Удивительный факт - наше настроение может зависеть от того, как работает микробиота кишечника. Оказалось, что микробы способны синтезировать бензодиазепины, которые обладают успокоительным эффектом и по формуле близки к феназепаму. И это далеко не весь список веществ, изучение микробиома человека продолжается. Таким образом, можно сказать, что кишечник - это дополнительный эндокринный орган . Эта функция кишечника формируется с самого рождения, когда ребенок получает с материнским молоком все необходимые ему полезные бактерии. А поэтому бездумное применение лекарств недопустимо, особенно это касается детей.

Спортивные бактерии - миф или реальность?

Ученые Гарвардского университета изучают влияние микробов на спортивные достижения. Звучит невероятно, не так ли? Исследовав микробиом гребцов и бегунов, они пришли к выводу, что существуют бактерии, ответственные за выносливость, быстрое восстановление и психологическую устойчивость . Также специалисты установили, что определенный вид активности формирует конкретную микробиоту. Они уверены, что существуют так называемые спортивные бактерии .

Сотрудник Медицинской школы этого университета Джонатан Шейман вместе с помощниками изучил образцы кала, взятые у 20 бегунов, которые участвовали в Бостонском марафоне. При этом забор анализов делался до забега и после него. В итоге выяснилось, что после соревнования у атлетов стало больше микроорганизмов определенного типа . Уже давно известно, что есть бактерии, умеющие перерабатывать молочную кислоту. А как мы знаем, данная кислота является непременным спутником катаболических процессов и вырабатывается при активной физической нагрузке. «Спортивные бактерии» как раз и помогают организму справляться с крепатурой, снимая мышечную боль.

Также ученых интересовало, насколько отличается микробиота у представителей разных видов спорта. Они сравнили микробы, живущие в теле бегунов-ультрамарофонцев и гребцов. В организме первых было обнаружено много бактерий, которые отвечают за переработку углеводов и клетчатки, что помогает преодолевать длинные дистанции.

Ученые предполагают, что на основе обнаруженных микроорганизмов удастся создать биологически активные добавки, чтобы атлеты могли добиваться более высоких результатов.

Активность в пожилом возрасте - дело бактерий

Еще одно интересное исследование провели сотрудники Школы медицины Университета Эмори в США. Они считают, что удалось найти способ, который поможет людям сохранять . Большую часть работы проделал профессор патологии и лабораторной медицины Дэниэл Калман.

Ученый с помощниками уделил особое внимание бактериям желудочно-кишечного тракта, производящим индолы. Эти ароматические вещества получаются в ходе распада аминокислоты триптофан , имеют запах капусты. Данные соединения широко применяется в парфюмерии и фармацевтике. Кстати, ближайший родственник индолов - гормон ауксин, который помогает растениям лучше развиваться.

Проводя опыты над круглыми червями (нематодами), профессор обнаружил, что индолы помогают им реже болеть. В ходе эксперимента одних червей кормили бактериями, способными производить индолы , а других - обычными. Особого эффекта Калману удалось добиться в опыте с пожилыми червями . Обычно те мало двигаются, плохо едят, болеют, а при повышенной температуре в комнате сразу погибают.

После того, как они получили полезные бактерии, их активность намного повысилась. Также эти черви старели медленнее своих собратьев и охотно употребляли пищу, хорошо переносили жару. При этом нематоды сохраняли способность к воспроизведению в 2,4 раза дольше по сравнению с контрольной группой. Похожим образом реагировали на данные бактерии мыши и мухи-дрозофилы. Получается, что активность в пожилом возрасте во многом зависит от того, насколько здорова микробиота.

Фитотерапия - перспективное направление медицины. Чем опасны метронидазол и ванкомицин?

Если учесть новые факты о пользе бактерий для здоровья человека , то становится ясно, что медикаментозное лечение не всегда является оптимальным . Без сомнения, в будущем профилактика станет мощным орудием людей в белых халатах. Поэтому современная фитотерапия - перспективное направление медицины .

Нужно понимать, что любое сильнодействующее лекарство обладает побочным действием. Как правило, страдают такие органы: печень, почки, сердце. Не случайно, Всемирная организация здравоохранения призвала использовать антибиотики лишь в самых крайних случаях. Конечно, в первую очередь, это вызвано невосприимчивостью вируса гриппа к ряду лекарств. Но есть и другая причина этого обращения ВОЗ к населению.

Дело в том, что нарушение микробиоты кишечника - это серьезная угроза для здоровья и жизни. В ряде стран, где часто применяются антибиотики метронидазол и ванкомицин , выросла заболеваемость диареей, вызванной кишечной бактерией Clostridium difficile. Научное название этого расстройства пищеварительной системы - псевдомембранозный энтероколит . Ежегодно в США 250 тысяч человек попадают в больницу из-за этого недуга, а 14 тысяч - погибают. Причина в том, что достаточно трудно восстановить нарушенный баланс бактерий в кишечнике.

В свете современных научных данных, мы можем по-новому взглянуть на то, что представляет собой фитотерапия . Как было сказано выше, антибиотики убивают микробиоту кишечника, а это снижает выработку бактериями гормонов. Таким образом, мы сами лишаем себя дополнительного эндокринного органа , что особенно опасно в пожилом возрасте. Применение растений в качестве лекарственного средства помогает этого избежать. Травы бережно воздействуют на стенки кишечника, сохраняют наш микробиом, устраняют причину заболевания.

Вполне возможно, что ценное действие многих трав происходит именно благодаря работе бактерий кишечника. Поэтому значение фитотерапии в ближайшие годы будет только расти. Врачи-фитотерапевты уверены, что кишечник умеет сам брать из растения все, что нужно организму, а затем направлять полученные вещества в больной орган. Именно поэтому компания «Парафарм» пошла по пути использования такой технологии как криообработка . Отметим, что производство биодобавок из лекарственных растений по технологии криообработки позволяет использовать клетчатку растений, которая выступает естественным пребиотиком для микрофлоры кишечника. Таким образом, целебные травы несут пользу всему организму. Благодаря ей наши сохраняют максимальное количество биологически активных веществ. Выбирая продукцию нашей компании, вы делаете шаг к здоровому долголетию!

МИКРОБИОМ ЧЕЛОВЕКА

МИКРОБИОМ ЧЕЛОВЕКА - НОВАЯ ЭРА В ПОНИМАНИИ МИКРОФЛОРЫ

Бактериальное и микробное "население" человеческого организма отличается исключительно большим разнообразием - число микроорганизмов в организме у разных людей может быть равно числу собственных клеток, а может в десять раз превосходить его, свидетельствуют первые результаты работы международного проекта "Микробиом человека" (Human Microbiome Project - HMP) .

М икробиом — собирательное название микроорганизмов, находящихся в симбиозе с организмом хозяина. Также под микробиомом подразумевают совокупность геномов микробных популяций в человеке. Различают микробиом кожи, полости рта, кишечника и т.д.

Вместе с понятием «микробиом» существует и понятие «микробиота». По сути, они несут одно и тоже смысловое значение, особенно если к этим терминам добавлена локализация, например, микробиом кишечника или кишечная микробиота. Однако в отдельности (в строго научной среде) термины понимаются по-разному:

Термин «микробиота» относится к совокупности микробов (бактерий, архей, грибов, вирусов и простейших) в конкретной среде, другими словами, к таксономии и обилию членов сообщества, а «микробиом» - это совокупность геномов микробиоты, и его часто используют для описания сущности микробных признаков (функций), кодируемых микробиотой [ Schlaeppi, K.; Bulgarelli, D. The plant microbiome at work. Mol. Plant Microbe Interact.2015, 28, 212-217.].

Микробиота используется для характеристи-ки микробиоценоза отдельных органов и систем, генетического материала и взаимосвязей внутри экологической ниши в определенный временной период на определенной территории. Микробиота взаимодействует с остальными органа-ми и системами, определяя функционирование организма в целом как у здорового человека, так и при заболеваниях. К настоящему разделу отдельно добавлен раздел и о микробиоте:

См. подробнее:

ЧЕЛОВЕК КАК ЭКОСИСТЕМА

Человек с точки зрения микробиолога представляет собой ходячую экосистему - в человеческом организме обитает множество самых разных микроорганизмов. Первые данные о наших внутренних "соседях" были опубликованы еще 300 лет назад, вскоре после изобретения микроскопа. Однако теперь, с появлением методов изучения генома, представление о внутричеловеческих экосистемах могут радикально измениться.

В теле одного человека живет сотня триллионов бактерий. На каждую клетку нашего тела приходится десять бактериальных клеток, на каждый ген - 100 бактериальных генов. По подсчетам ученых, каждый взрослый человек носит в себе от полутора до трех кг микробов. Первые бактерии попадают в новорожденный организм уже в родовых путях, и далее бактериальное сообщество не покидает нас до конца жизни. Меняется лишь его видовой состав.

Совместная с бактериями жизнь оказывает огромное влияние на состояние нашего здоровья. Часть ферментов и витаминов, необходимых для нормального пищеварения и жизнедеятельности человека вообще, выделяют именно живущие в кишечнике микробы. Так распорядилась эволюция.

Наше развивающееся понимание здорового микробиома

Ранние исследования были направлены на выявление нормального набора микробов, которые колонизируют здоровых людей, прежде всего в кишечнике, по культуре и характеристике физиологических свойств. Такие исследования лучше всего выделяют организмы, которые хорошо растут в лабораторных условиях, такие как Escherichia coli. Это смещение привело к восприятию того, что кишечная палочка является обильным и распространенным членом кишечного микробиома человека. Внедрение строго анаэробных методов в 1970-х годах позволило извлечь из кишечника более 300 видов бактерий; кроме того, подсчет жизнеспособных клеток в стандартизированных серийных разведениях в селективных средах позволил количественно оценить эти виды. Резюме четырех крупных исследований этой эпохи, в которых рассматривались образцы кала от 141 американца на различных диетах, показало, что бактерии рода Bacteroides и анаэробные кокки были распространены и многочисленны, тогда как род Clostridium был вездесущим, но в более низкой численности, хотя один вид (как тогда было определено) наблюдался у всех субъектов. Другие распространенные, но менее распространенные бактерии включали представителей родов Bifidobacterium, Eubacterium, Lactobacillus и Streptococcus, а также факультативных анаэробов, таких как Escherichia.

В то время уже предполагалось, что большое количество видов микроорганизмов, связанных с человеком, так и не было обнаружено, причем одно исследование оценило одновременное присутствие около 400 видов микроорганизмов в здоровой толстой кишке. Тем не менее, привередливые требования некоторых микробов и трудоемкий характер работы, необходимой для их культивирования, представляли значительный барьер на пути их открытия. Кроме того, не все микробы могут быть хорошо выделены как виды или штаммы путем культивирования только на селективных средах. Таким образом, для изучения этих аспектов здорового микробиома были необходимы новые методы.

Новые методы изучения микробиомов

В настоящее время широкое распространение получили культурально-независимые методы, такие как секвенирование ДНК и флуоресцентная гибридизация in situ (FISH ), а их демократизация позволила непосредственно исследовать содержание ДНК в микробных образцах. Ранние исследования с использованием FISH, нацеленных на ген 16S рибосомальной РНК, показали, что по меньшей мере две трети кишечных бактерий в западноевропейской когорте можно отнести к набору из шести групп приблизительно на уровне вида / рода: два Bacteroides, два Clostridium, Clostridium, Streptococcus/Lactococcus и Eubacterium rectale.

Некоторые из ранних попыток секвенировать гены 16S рРНК непосредственно из образцов показали, что 85-95% бактериальной численности, соответствующей известным видам, можно отнести к трем бактериальным группам, связанным с Bacteroides, кластером Clostridium XIVa и кластером Clostridium IV. Исследования 16S также показали большое разнообразие в таксономическом составе как между здоровыми людьми, так и среди тесно связанных биогеографических участков в пределах одного человека (таких как образцы слизистой оболочки и кала). Однако во всех этих исследованиях большинство (75-80%) кластеров последовательностей не соответствовало ни одному из документированных видов в то время, что объясняло большую часть недооценки разнообразия в предыдущей работе.

Стоит отметить и метагеномное секвенирование, которое представляет собой мощную альтернативу рРНК-секвенированию для анализа сложных микробных сообществ. Так, для получения более широкого представления о генах микробов кишечника человека ученые из проекта MetaHIT (о нем будет сказано ниже) в 2010 г. использовали технологию Illumina для проведения глубокого секвенирования общей ДНК из образцов фекалий 124 взрослых европейцев. Они сгенерировали 576,7 Гб последовательностей, что почти в 200 раз больше, чем во всех предыдущих исследованиях, собрали ее в контиги (contigs) и предсказали 3,3 миллиона уникальных открытых рамок считывания (ORF ).

Появление массивно-параллельного секвенирования с помощью метода дробовика (высокопроизводительные технологии секвенирования) существенно разрешило таксономический состав этой микробной «темной материи», хотя поразительный процент функционального разнообразия еще предстоит охарактеризовать (до 50%), как и состав нереферентных популяций. Первоначальные результаты повторяли большие межличностные различия, даже между близнецами, но также подразумевали существование набора микробных генов, которые являются общими для всех людей. Это помогло создать модель, согласно которой, подобно консервативным генам в отдельных организмах, «основной микробиом» может быть определен на функциональном, а не на таксономическом уровне.

Базовые когорты исследования микробиома

С тех пор были начаты крупномасштабные проекты по характеристике разнообразия микробного состава и его функционального потенциала, основанные на все еще растущей пропускной способности и экономической эффективности секвенирования и других молекулярных анализов. В 2010 году в исследовании «Метагеномы кишечного тракта человека» (MetaHIT - Metagenomics of the Human Intestinal Tract) сообщалось о метагеномах кишечника из образцов стула от 124 взрослых европейцев (преимущественно «здоровых»), что в то время превышало объем секвенирования всех предыдущих исследований микробиома почти в 200 раз. В 2012 году в рамках проекта «Микробиом человека» (HMP ) были представлены результаты профилирования 16S на 242 здоровых взрослых из Соединенных Штатов и метагеномного секвенирования на подгруппе из 139 человек, причем образцы, представляющие 18 мест обитания тела, были распределены между пятью основными областями тела. Большое китайское исследование диабета типа 2 вскоре дало дополнительные 145 кишечных метагеномов, примерно половина из которых была из недиабетических контролей. Кроме того, с тех пор консорциум MetaHIT продолжал публиковать новые метагеномы кишечника взрослых европейцев.

Кратко о проекте " метагеномика кишечного тракта человека"

MetaHIT (Metagenomics of the Human Intestinal Tract ) - это совместный проект, финансируемый Европейской комиссией, объединяющий 15 институтов из 8 стран. По-настоящему хорошо изучены (на 2019 г. - ред. ) лишь немногие представители микрофлоры кишечника и желудка, например, Escherichia coli или Helicobacter pylori. Об остальных известно мало. Даже видовое многообразие энтеробактерий оценивается весьма приблизительно - от 300 до 1000 видов. Но теперь ситуация начинает меняться благодаря европейскому проекту MetaHIT. Проект MetaHIT - это своего рода перепись бактериального населения кишечника. Желудочно-кишечный тракт человека - это сложная экосистема, идеальная среда обитания для множества бактерий. Их видовое многообразие ученые пытаются теперь изучить, используя методы генетического анализа. От 70 до 80 процентов бактерий, населяющих кишечник человека, не поддаются культивированию и размножению в лабораторных условиях, поэтому проект MetaHIT изучает наследственный материал бактерий. Так же, как некогда в проекте "Геном человека", задача исследователей состоит в секвенировании, то есть в расшифровке нуклеотидных последовательностей в молекулах ДНК. Но есть и существенная разница: теперь речь идет не об одном многоклеточном организме, каждая клетка которого имеет один и тот же набор генов, а о множестве одноклеточных организмов с разными наборами генов. Это сотни видов бактерий, это миллионы генов.

Типичные бактериальные компоненты микробиома

Экосистема толстой кишки является наиболее интенсивно изучаемой средой обитания организма, поскольку она может похвастаться удивительным разнообразием между людьми и микробной биомассой (количество клеток), которая затмевает экосистему других участков тела более чем на порядок величины. В сочетании с ранним появлением методов секвенирования генов 16S рРНК и методов анаэробного культивирования, эти свойства кишечника привели к особенно сильному вниманию в литературе к обитателям бактериальных кишечных микробиомов.

В настоящее время охарактеризовано более 1000 видов бактерий кишечника , что обеспечивает значительный «список деталей» бактериальных компонентов. Интересно, что за последние годы (начиная с середины 90-х) молекулярная филогенетика привела к реклассификации многих из этих видов. Особый интерес представляют виды в составе бактероидов (ранее считавшиеся наиболее обильным и распространенным бактериальным родом в кишечнике), которые были реклассифицированы в пять родов: Alistipes, Prevotella, Paraprevotella, Parabacteroides и Odoribacter с продолжением дополнительной культуральной и культурально-независимой молекулярной работы. По оценкам, в кишечных микробиомах группы MetaHIT преобладали 1000-1150 видов бактерий, из которых на каждого человека в среднем приходилось ~ 160 видов. В здоровых микробиомах кишечника, оцениваемых с помощью секвенирования, последовательно доминируют бактерии двух типов - Бактероидеты и Фирмикуты (Bacteroidetes и Firmicutes) , хотя даже при рассмотрении этого широкого уровня классификации индивидуумы различаются более чем на порядок по соотношению Firmicutes / Bacteroidetes . Распространенные бактерии в фекалиях, которые были идентифицированы с помощью молекулярных методов, расширили микробиомный список, включив в него бактерии по крайней мере из восьми семейств (рис. 1). Хотя они менее изучены, чем кишечник, многие другие места обитания организма у здоровых людей заняты микробными сообществами . Состав сообществ более сходен внутри местообитаний, чем между ними, - при этом продольные колебания существенны и до настоящего времени не имеют полностью объясненных причин.

Рис.1. Типичные роды (семейства) в человеческом микробиоме . Ранние определения «здорового» микробиома обычно фокусировались на наборах таксонов, которые, как можно было бы ожидать, будут преобладать у здоровых людей. В то время как чисто таксономические ядра любого типа оставались неуловимыми даже в относительно узко определенных популяциях, каждая среда обитания на участке тела обладает сильным филогенетическим обогащением. Типичные роды (семейства в кишечнике ) показаны здесь в здоровых популяциях на разных участках .

Формирование микробиома и ранняя колонизация

Факторы, которые влияют на динамику микробиома в раннем возрасте, являются важными факторами, способствующими здоровому микробиому. Внедрение и персистенция микробов - это полустохастический процесс, на который влияют многие элементы, что дает здоровую конфигурацию, подобную взрослой, только после первых нескольких лет жизни. Обогащение кишечного микробиома младенца симбионтами, такими как Bacteroides, Parabacteroides, Clostridium, Lactobacillus, Bifidobacterium и Faecalibacterium prausnitzii, обеспечивает несколько детерминант здорового микробиома. Как только они установлены, они являются основными производителями короткоцепочечных жирных кислот (SCFAs ), которые являются важным источником энергии из неперевариваемых углеводов. SCFAs являются иммуномодулирующими, ингибируют общие патогенные микроорганизмы и по последним данным обладают способностью подавлять опухоль. Микробиом кишечника является неотъемлемым требованием для становления и функционирования иммунной системы, и образование полезных бактериальных родов в раннем возрасте способствует иммунной толерантности и, следовательно, может ослаблять или отменять аутоиммунные заболевания.

Способ родоразрешения может влиять на формирование микробиоты в раннем возрасте, так что кесарево сечение связано с обогащением у оппортунистов, включая Haemophilus spp., Enterobacter Cancerogenus / E. hormaechei, Veillonella dispar / V. parvula и Staphylococcus. Эти микробы продолжают сохраняться, по крайней мере, в течение первого года жизни и, возможно, способствуют бремени инфекций у детей. Диета также представляет собой сильное избирательное давление на микробиом, а грудное вскармливание (в качестве первой диеты) благоприятствует определенным микробным видам из числа исходной микробиоты, которая могла быть собрана случайным образом. Например, олигосахариды грудного молока (HMO) могут использоваться в качестве единственного источника углерода только несколькими видами Bifidobacterium и Bacteroides.

О структуре микробиома здорового человека

По материалам Консорциума HMP (The Human Microbiome Project Consortium. Structure, function and diversity of the healthy human microbiome. Nature . 2012 ; 486: 207-14)

Исследования микробиома человека показали, что даже здоровые люди заметно отличаются по микробам, которые занимают такие места обитания, как кишечник, кожа и влагалище. Большая часть этого разнообразия остается необъяснимой, хотя причастны диета, окружающая среда, генетика хозяина и раннее воздействие микробов. Соответственно, чтобы охарактеризовать экологию микробных сообществ, связанных с человеком, «» или HMP (Human Microbiome Project) проанализировал самую большую когорту и набор отдельных клинически значимых сред обитания на сегодняшний день. Исследователи обнаружили, что разнообразие и обилие сигнатурных микроорганизмов в каждой среде обитания широко варьируются даже среди здоровых людей, с сильной специализацией ниши как внутри, так и среди людей. Проект столкнулся с примерно 81-99% родов, семей ферментов и конфигураций сообществ, занятых здоровым западным микробиомом. Метагеномный перенос метаболических путей был стабильным среди индивидуумов, несмотря на различия в структуре сообщества, а этнический/расовый фон оказался одной из самых сильных ассоциаций как путей, так и микробов с клиническими метаданными. Таким образом, эти результаты очерчивают диапазон структурных и функциональных конфигураций, нормальных в микробных сообществах здоровой популяции, позволяя в будущем характеризовать эпидемиологию, экологию и трансляционные приложения микробиома человека.

Обильные таксоны в микробиоме человека, которые были метагеномно и таксономически четко определены в популяции HMP

Рис. 2. Бактериальные таксоны в здоровом микробиоме . А-С) Распространенность (интенсивность, цвет, обозначающий тип / класс) и изобилие (наличие и размер ветвей) таксонов в здоровом микробиоме. Наиболее распространенные: A) метагеномно-идентифицированные, B) PATRIC «патогены» (метагеномные) и C) 16S-идентифицированные роды. Размер популяции и глубина секвенирования HMP хорошо определили микробиом на всех анализируемых участках тела, что оценивалось по насыщенности добавленного сообщества.

Бактериальные функции важные для жизни в кишечнике

Обширный неизрасходованный каталог бактериальных генов из кишечного тракта человека дает возможность выявить бактериальные функции, важные для жизни в этой среде. Существуют функции, необходимые бактерии для процветания в кишечном контексте (т.е. «минимальный геном кишечника» ) и те, которые участвуют в гомеостазе всей экосистемы, закодированные во многих видах («минимальный метагеном кишечника »). Первый набор функций, как ожидается, будет присутствовать в большинстве или всех видах бактерий кишечника, второй набор - в большинстве или всех образцах кишечника человека.

Для определения функций, кодируемых минимальным геномом кишечника , ученые использовали тот факт, что эти функции должны присутствовать в большинстве или во всех видах бактерий кишечника и поэтому появляются в генном каталоге с частотой, превышающей частоту функций, присутствующих только в некоторых видах бактерий кишечника. Относительная частота различных функций может быть выведена из числа генов, набранных в различные кластеры Базы данных биологической информации eggNOG , после нормализации для длины гена и числа копий. Исследователи ранжировали все кластеры по частотам генов и определили диапазон, который включал кластеры, определяющие хорошо известные существенные бактериальные функции, такие как те, которые определены экспериментально для хорошо изученного представителя Фирмикутов, Bacillus subtilis , предполагая, что дополнительные кластеры в этом диапазоне одинаково важны. Как и ожидалось, диапазон, который включал большинство основных кластеров B. subtilis (86%), находился в самом верху порядка ранжирования. Около 76% кластеров с эссенциальными генами Escherichia coli находились в пределах этого диапазона, подтверждая обоснованность подхода авторов. Это говорит о том, что 1244 метагеномных кластера, обнаруженных в пределах диапазона, определяют функции, важные для жизни в кишечнике.

Ученые обнаружили два типа функций среди кластеров диапазона: те, которые требуются для всех бактерий («ведение домашнего хозяйства»), и те, которые потенциально специфичны для кишечника. Среди многих примеров первой категории являются функции, которые являются частью основных метаболических путей (например, центральный метаболизм углерода, синтез аминокислот), а также важных белковых комплексов (РНК-полимеразы , ДНК-полимеразы , АТФ-синтазы , общего секреторного аппарата ).

Рис. 3. Функциональный состав минимального кишечного генома и метагенома (функции минимального генома и метагенома: редк. - редкие, част. - частые) .

Предполагаемые кишечно-специфические функции включают те, которые участвуют в адгезии к белкам хозяина (коллаген, фибриноген, фибронектин) или в сборке сахаров глобо-серий гликолипидов, которые "декорируют" клетки крови и эпителиальные клетки. Кроме того, 15% кластеров диапазона кодируют функции, которые присутствуют в <10% геномов Базы данных eggNOG и в значительной степени (74,3%) не определены (рис. 3). Детальное их изучение должно привести к более глубокому пониманию бактериальной жизни в кишечнике.

(по результатам 16S секвенирования и метагномного секвенирования от авторов проекта MetaHIT )

Было подсчитано, что микробы в нашем организме в совокупности составляют до 100 триллионов клеток, что в десять раз превышает число человеческих клеток, и предположено, что они кодируют в 100 раз больше уникальных генов, чем наш собственный геном. Большинство микробов обитает в кишечнике, оказывают глубокое влияние на физиологию человека и питание и имеют решающее значение для жизни человека. Кроме того, кишечные микробы способствуют получению энергии из пищи, а изменения микробиома кишечника могут быть связаны с заболеваниями кишечника или ожирением.

А) 16S секвенирование

По материалам David A. Relman, et. al. Diversity of the Human Intestinal Microbial Flora. Science . 2005 Jun 10; 308(5728): 1635-1638.

Чтобы понять и использовать влияние кишечных микробов на здоровье и благополучие человека, необходимо расшифровать содержание, разнообразие и функционирование микробного сообщества кишечника. Методы, основанные на секвенировании генов 16S рибосомных РНК (16S рРНК ), показали, что два бактериальных отдела, Бактероидеты и Фирмикуты (Bacteroidetes & Firmicutes), составляют более 90% известных филогенетических категорий и доминируют в микробиоте дистального отдела кишечника. В соответствующем исследовании ученые сфокусировались на 16S рДНК, учитывая ее универсальное распределение среди всех прокариот и надежность для определения филогенетических связей. Образцы слизистой оболочки и фекалии были получены от трех здоровых взрослых субъектов (А, B, С), которые были частью более крупного популяционного исследования «случай-контроль». Образцы слизистой оболочки были получены во время колоноскопии из здоровых участков в шести основных отделах толстой кишки человека: слепая кишка, восходящая толстая кишка, поперечная толстая кишка, нисходящая толстая кишка, сигмовидная кишка и прямая кишка. Образцы фекалий отбирали у каждого субъекта также через 1 месяц после колоноскопии (итого было взято по 7 образцов от каждого субъекта). Исследователи, как было сказано выше, сфокусировались на 16S рДНК. 16S рДНК амплифицировали из образцов с полимеразной цепной реакцией (ПЦР ) и бактериальными и архейными праймерами широкого спектра действия. Семь образцов от субъекта B и образец фекалий от субъекта C дали археальные продукты; Все 21 образец дал бактериальные продукты. Продукты ПЦР были клонированы и секвенированы в двух направлениях, и были применены численные экологические подходы.

Из 395 бактериальных филотипов 244 (62%) были новыми, а 80% представляли последовательности из видов, которые не культивировались. Большинство предполагаемых организмов были членами Firmicutes и Bacteroidetes, что согласуется с другими молекулярными анализами кишечной флоры (1 , 2 , 4 ). Тип Firmicutes состоял из 301 филотипа, 191 из которых были новыми; большинство (95%) последовательностей Firmicutes были членами класса Clostridia. Исследователи обнаружили значительное количество Firmicutes, связанных с известными бутират-продуцирующими бактериями (2454 последовательности, 42 филотипа), все из которых являются членами кластеров клостридий IV, XIVa и XVI. Мы ожидали заметного представления этой функциональной группы среди наших здоровых контрольных субъектов, учитывая ее роль в поддержании и защите нормального эпителия толстой кишки. Большие различия между 65 филотипами Bacteroidetes были отмечены между субъектами, как описано ранее (, ). B. thetaiotaomicron был обнаружен у каждого субъекта и данный вид, как известно, участвует в полезных функциях, включая всасывание питательных веществ и созревание и поддержание эпителиальных клеток. Относительно небольшое количество последовательностей было связано с типами Proteobacteria, Actinobacteria, Fusobacteria и Verrucomicrobia. Низкое содержание последовательностей протеобактерий (включая Escherichia coli) не было неожиданным, учитывая, что факультативные виды могут представлять около 0,1% бактерий в строгой анаэробной среде толстой кишки; это согласуется с предыдущими результатами (, 3 , ).

Б) Метагеномное секвенирование

По материалам Qin J, Li R, Raes J, Arumugam M, Burgdorf KS, Manichanh C, et al. A human gut microbial gene catalogue established by metagenomic sequencing. Nature. 2010;464:59-65.

Метагеномное секвенирование представляет собой мощную альтернативу рРНК-секвенированию для анализа сложных микробных сообществ. Применительно к кишечнику человека, такие исследования уже к 2010 г. сформировали около 3 Гб (Гб - здесь Гигабаза = 1 млрд. пар нуклеотидов ) микробной последовательности из образцов фекалий 33 человек из США или Японии. Так, для получения более широкого представления о генах микробов кишечника человека авторы очередного исследования из проекта MetaHIT ("метагеномика кишечного тракта человека" - Metagenomics of the Human Intestinal Tract) использовали технологию Illumina Genome Analyzer (GA ) для проведения глубокого секвенирования общей ДНК из образцов фекалий 124 взрослых европейцев. Они сгенерировали 576,7 Гб последовательностей, что почти в 200 раз больше, чем во всех предыдущих исследованиях, собрали ее в контиги (contigs) и предсказали 3,3 миллиона уникальных открытых рамок считывания (ORF ). Этот каталог генов содержит практически все распространенные гены микробов кишечника в когорте MetaHIT, дает широкое представление о функциях, важных для бактериальной жизни в кишечнике, и указывает на то, что многие бактериальные виды являются общими для разных людей. Результаты также показывают, что кратковременное метагеномное секвенирование может быть использовано для глобальной характеристики генетического потенциала экологически сложных сред.

Общее бактериальное ядро

Глубокое метагеномное секвенирование дает возможность исследовать существование общего набора видов микробов (общего ядра) в когорте. Для этой цели авторы использовали нередуцированный набор из 650 секвенированных бактериальных и археальных геномов. Они выровняли показания Illumina GA каждого микробного образца кишечника человека по набору геномов, используя 90%-ный порог идентичности, и определили долю геномов, охваченных чтениями, которые выровнены только по одной позиции в наборе. При охвате 1%, который для типичного кишечного бактериального генома соответствует средней длине около 40 кб , что примерно в 25 раз больше, чем у гена 16S, обычно используемого для идентификации видов, исследователи обнаружили 18 видов у всех идивидуумов, 57 в ≥90% и 75% ≥50% людей. При 10% охвате, требующем ~ 10-кратного увеличения численности в выборке, ученые все же обнаружили 13 из вышеуказанных видов у ≥90% индивидуумов и 35 у ≥50%.

Когда накопленная длина последовательности увеличилась с 3,96 Гб до 8,74 Гб и с 4,41 Гб до 11,6 Гб для используемых образцов MH0006 и MH0012 (156,9 Мб и 154,7 Мб), соответственно, число штаммов, общих для двух образцов при пороге охвата 1%, увеличилось на 25%, с 135 до 169. Это говорит о существовании значительно большего общего ядра, чем то, которое мы могли бы наблюдать на глубине последовательности, обычно используемой для каждого человека.

Изменчивость численности микробных видов у индивидуумов может сильно повлиять на идентификацию общего ядра. Чтобы визуализировать эту изменчивость, исследователи сравнили количество считываний секвенирования, выровненных по разным геномам у людей из их когорты MetaHIT. Даже для наиболее распространенных 57 видов, присутствующих у ≥90% индивидуумов с охватом генома >1%, межвидовая изменчивость варьировала от 12- до 2187 кратной (рис. 4 . ). Как и ожидалось, Bacteroidetes и Firmicutes имели наибольшую численность.

Дополнительный материал

БАКТЕРОИДЕТЫ, ФИРМИКУТЫ и ДРУГИЕ

Знания, полученные в течение более чем столетия изучения микробиоты желудочно-кишечного тракта человека, показали, что эта экосистема действительно является «забытым органом». Множество данных о микробиоте ЖКТ сильно разбросано во времени, а потому обзорная работа по систематизации знаний в этой области крайне необходима. И такая работа есть. В ней после анализа научной литературы (конца IXX - нач. XXI века) даны систематический обзор и подробные ссылки на 1057 микробных видов кишечника.

На нашем сайте небольшая часть указанного обзора включена в раздел о бактероидетах и фирмикутах. Данный выбор не случайный и продиктован растущим интересом к доминирующей кишечной микрофлоре, к которой относятся представители Firmicutesи Bacteroidetes, а также произошедшей за последнее время переклассификацией ряда отдельных иерархических групп и видов кишечных микроорганизмов. Подробнее см. здесь :

Представлено также микробиоты желудочно-кишечного тракта человека, в котором явно выделяются упомянутые фирмикуты и бактероидеты. Известно, что соотношение Firmicutes к Bacteroidetes отличается у тучных и худощавых людей, и эта доля уменьшается с потерей веса на низкокалорийной диете. Поэтому разумно предположить, что увеличение у людей, вероятно, вызванное их высококалорийной диетой, может считаться полезным биомаркером ожирения.

Также дополнительно представлен графический обзор относительного обилия ключевых типов состава кишечной микробиоты человека на разных этапах жизни. Данные взяты из исследований со следующими условиями: грудное и искусственное вскармливание, детское твердое питание, антибиотики для малышей, здоровый или истощенный малыш, взрослые, пожилые и 100-летние здоровые и взрослые, страдающие ожирением.

Пища для кишечной микробиоты

Питание и конфигурация кишечного микробиома

Со времени возрождения микробиомных исследований в последнее десятилетие накопилось много знаний о силах, формирующих архитектуру и функциональность резидентных микроорганизмов в кишечнике человека. Из множества вовлеченных эндогенных и экзогенных факторов, связанных с хозяином, основным детерминантом структуры и функционирования сообщества микробиоты кишечника является питание. Вводя пищевые сигналы в связь между хозяином и его микробиотой, питание поддерживает гомеостаз или способствует восприимчивости к болезням. Микробиота модулирует патогенез, прогрессирование и лечение заболеваний, начиная от метаболических нарушений до неврологических патологий. Изменение формы взаимодействия хозяина и микробиоты посредством персонифицированного питания является новым терапевтическим направлением как для борьбы с болезнями, так и для их профилактики. Состав и функция микробиоты кишечника формируется с младенчества, и в дальнейшем на нее оказывают сильное влияние многие факторы окружающей среды, из которых диета - является ключевым детерминантом конфигурации микробиоты , посредством модуляции обилия конкретных видов и их индивидуальных или коллективных функций. Кроме того, воздействие конкретного рациона питания на отдельных людей в популяции отличается от человека к человеку и может зависеть от сочетания особенностей хозяина и микробиома, причем последнее влияние в основном определяется окружающей средой, а не генетическим фоном, и поэтому потенциально более поддается вмешательству. Понимание того, как диетические питательные вещества модулируют микробиом кишечника, представляет большой интерес для разработки пищевых продуктов и моделей питания для борьбы с глобальным бременем неинфекционных заболеваний . Современные исследования показывают, что пищевые волокна , включая арабиноксиланы, галактоолигосахариды, инулин и олигофруктозу, способствуют развитию ряда полезных бактерий и подавляют потенциально вредные виды. Доклинические данные свидетельствуют о том, что количество и тип жира модулируют как полезные, так и потенциально вредные микробы, а также соотношение / в кишечнике. Клинические и доклинические исследования показывают, что тип и количество белков в рационе также оказывает существенное и дифференцированное влияние на микробиоту кишечника. То же относится к витаминам, микроэлементам, минералам, полифенолам, пищевым добавкам и т.д.

О важности оси "диета-микробиом-хозяин" см. по ссылкам :

• Роль диетических питательных веществ в модуляции микробиоты

Из истории изучения микробиома

Первые результаты проекта HMP

Human Microbiome Project

Начальная цель проекта - расшифровка 900 полных геномов микробов, представленных простейшими одноклеточными животными, бактериями и археями, однако даже это количество, в конечном итоге, будет лишь малой толикой информации о всех микробах, живущих в человеческом теле, которые и составляют так называемый "МИКРОБИОМ" .

Проект "Микробиом человека" является логическим развитием проекта "Геном человека", целью которого является полная расшифровка человеческого генома. Несмотря на то, что проект стартовал в 1990 году, а первый полный геном человека был опубликован в 2003-м, этот проект до сих пор не завершен, так как нерасшифрованными остаются некоторые участки человеческой ДНК.

Пять ключевых мест человеческого тела, а именно: кишечник, полость рта, дыхательные пути, кожные покровы и мочеполовая система, обильно населены различными видами микробов. В связи с этим они играют важную роль в поддержании иммунитета, обмена веществ, пищеварения и других функций.

Пищеварительный тракт - пристанище большинства наших микроскопических сожителей, именно здесь находится микробиом человека. То есть кишечный м икробиом - это то, что прежде называлось микрофлорой кишечника.

Сейчас, с началом масштабных геномных исследований самых разных бактериальных сообществ (например, некоторых участков дна океанов, сточных вод и пр.), название микробиом стало более популярным. Оно подразумевает совокупность не столько самих микробов, сколько всех микробных генов, оказывающих влияние на среду, в которой они существуют. Человеческий организм - это тоже среда обитания микробов...

НОВЫЙ ВЗГЛЯД НА БИОЛОГИЮ ЧЕЛОВЕКА

Итоги проекта «Микробиом человека»

Консорциум американских ученых в 2012г. опубликовал результаты пятилетней работы над проектом Национальных институтов здоровья "Микробиом человека" (Human Microbiome Project). В работе над проектом Микробиом человека приняли участие около 200 ученых из 80 мультидисциплинарных исследовательских институтов. Общая стоимость исследования составила 173 миллиона долларов.

Целью проекта было охарактеризовать все микробы, присутствующие в организме человека, для чего ученые взяли образцы тканей из 15 мест на теле 129 мужчин и из 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.

По результатам генетического анализа биоматериала было установлено, что в человеческом организме обитает свыше 10 тысяч видов различных микробов. Как утверждают авторы исследования, такое разнообразие микробиома обеспечивает человека гораздо большим количеством генов, чем можно было представить. Так, если в геноме человека содержится 22 тысячи генов, кодирующих белки для регуляции метаболизма, микробиом добавляет еще около восьми миллионов уникальных бактериальных генов.

«Вопрос о том, как индивидуальные вариации типов бактерий среди здоровых людей влияют на возможное развитие болезней, пока остается открытым», - комментирует один из членов консорциума Энтони Фодор (Anthony Fodor).

Оказывается, почти у каждого человека в теле содержится низкое количество вредоносных видов бактерий, патогенных микроорганизмов, которые уже стали известны из-за причиняемых ими инфекций. Но когда человек здоров, как и те 242 взрослых американца, которые добровольно прошли тестирование в проекте, эти микроорганизмы спокойно сосуществуют с полезными микробами, которые в свою очередь «держат их в узде».

Следующий момент, который хотят выяснить врачи - почему патогенные микроорганизмы вредят некоторым людям и одновременно не влияют на других? Какие изменения происходят в микросреде человека, которые приводят к риску различных заболеваний от инфекций синдрома раздраженного кишечника до псориаза?

Все эти и многие другие вопросы ставились перед учеными, участвующими в одном из самых масштабных проектов Национального института здоровья в США. Полученные результаты уже меняют взгляды ученных на то, каким образом люди остаются здоровыми и наоборот - болеют.

«Это совершенно новый взгляд на биологию человека и человеческие болезни, и это впечатляет», - прокомментировал доктор Филипп Тарр из Вашингтонского университета в Сент-Луисе, один из ведущих ученых в $ 173-милионном проекте, который финансируется Национальным институтом здоровья США.

«Эти бактерии не являются «пассажирами» в нашем теле, - подчеркнул Тарр, - они метаболически активные. Они, как сообщество, и мы должны считаться с ними так же, как мы считаемся с экосистемой леса или воды. И так же, как и в экосистемах окружающей среды, состав микробов на каждой части вашего тела разный. Ваша кожа, например, сравнима с тропическими лесами, а кишечник изобилует различными видами микроорганизмов, как океан.

Ученым уже давно известно, что в человеческом теле сосуществуют триллионы отельных бактерий. Это называется микробиомом человека. До сих пор проводились исследования только тех микробов, которые являлись причиной разных заболеваний. Вы можете вспомнить, как часто медики говорят, что каждый третий человек является носителем золотистого стафилококка (в носу, или на коже), которым может заразить и других. Но никто не знает все виды микроорганизмов, которые населяют тело здорового человека, где именно они находятся и как влияют на наш организм. Около 200 ученых из 80 научных исследовательских организаций работали вместе в течении пяти лет над самой первой в истории переписью, для того чтобы ответить на эти вопросы, разгадывая ДНК микроорганизмов с помощью одного из методов, который используется для расшифровки генетики человека. Результаты этих исследований были напечатаны в серии отчетов в журналах Nature и Public Library of Science .

Сначала ученые должны были собрать образцы тканей с разных участков тела человека - рта, носа, некоторых участков кожи, влагалища у женщин и с кала. Затем они отделили ДНК бактерий от ДНК человека и начали анализ сложных бактерий: лактобациллус, стрептококк, коринебактерии.

«Каждая клетка человеческого тела является «домом» для около 10 бактериальных клеток, но они насколько микроскопические, что общая масса всех микроорганизмов составляет от 1 до 3-х процентов массы тела человека», - объяснил доктор Эрик Грин из Национального Центра Исследований Человеческого Генома в Национальной Организации Здравоохранения США (NIH). Это значит, что человек весом 90 кг содержит в себе до 3-х кг бактерий.

Человеческий геном содержит около 22 000 генов. Но, по оценкам нового проекта, микробы наделяют наш организм еще большей силой, равной 8-ми миллионов генов. Гены бактерий выполняют определенную работу по отношению к нашему организму. Некоторые из них играют важную роль для здоровья и развития человеческой клетки, в которой они содержатся, как рассказал доктор Брюс Биррен, другой исследователь проекта. Гены кишечной бактерии, например, расщепляют некоторые белки и жиры. А также они вырабатывают полезные соединения, которые борются с разного рода воспалениями. И еще, ученые обнаружили, что не существует какого-то основного состава микроорганизмов, которые выполняют определенные функции, это могут делать разные сочетания бактерий.

ОТЛИЧИЕ МИКРОБИОМА СРЕДИ ЭТНИЧЕСКИХ ГРУПП

Небольшое отступление. В 2018 г. ученые обнаружили 12 конкретных типов бактерий, которые регулярно варьируются в изобилии в зависимости от этнической принадлежности. Поскольку этническая принадлежность захватывает многие факторы, начиная от диеты до генетики, трудно сказать, почему это так, сказал Эндрю Брукс (Andrew Brooks), докторант университета Вандербильта (Vanderbilt University) в Институте генетики Вандербильта, который проанализировал данные, предоставленные американским проектом Gut (American Gut Project) и проектом микробиома человека (Human Microbiome Project). Но это основа для понимания здоровых различий в микробиомах между людьми...

«Каждый человек имеет разный состав бактерий в организме, при этом, они организованы так, чтобы выполнять определенные функции», - сказал Биррен. Вполне возможно, что наш образ жизни и окружающая среда стимулировала появление такого рода механизма, который работает на нас.

На данный момент проводятся исследования, которые бы показали, как отличается состав микроорганизмов у человека с определенной болезнью от здорового человека с дальнейшей целью профилактики и лечения заболеваний.

Рассмотрим, например, желудочно-кишечный сверхинфект (бактерии, устойчивые к воздействию антибиотиков, к ним относится также золотистый стафилококк), которым часто заражаются люди, пребывающие в больнице и от которого иногда умирают. Филипп Тарр (Вашингтонский университет) хочет узнать, какой состав из кишечных бактерий может предотвратить поражение ЖКТ дизбактериозом, или же уменьшить его пагубное действие и выяснить, кто из людей более подвержен заражению.

Исследователи Медицинского колледжа Бейлора сообщили, что бактерии, которые находятся во влагалище беременной женщины, имеют свойства меняться во время протекания беременности, возможно для того, чтобы создавалась наиболее благоприятная здоровая среда при рождении ребенка. Предыдущие исследования также показали, что состав бактерий у детей, которые принимались традиционными родами, отличается от бактерий детей, которые рождались с помощью кесарева сечения. Это объясняет, почему кесарево сечение повышает риск заражения ребенка некоторыми инфекциями.

«Каждая новая информация становится шокирующей для нас, потому что она показывает как много еще нужно работать над тем, чтобы понять тот мир, который существует внутри нас», - отметил специалист по инфекционным заболеваниям доктор Дэвид Рэльман (Стэнфордский университет), который написал обзор по результатам этого проекта в журнале Nature.

Например, в проекте принимали участие в основном белокожие добровольцы, живущие в округах Хьюстона и Сэнт Льюиса. Д-р Рэльман отметил, что нужно будет еще проделать большую работу над определением микробиома людей с разной расовой принадлежностью, этнического и географического происхождения. Есть также много открытых вопросов касательно того как эти микробы взаимодействуют с генетикой человека.

«Мы, по сути, совсем не осведомлены о том какие функции обеспечивает микробная экосистема, которая находится внутри нас и как она влияет на наше здоровье», - отметил Рэльман.

ВИДЕОЛЕКЦИЯ О МИКРОБИОМЕ

Рассказывает Константин Северинов - доктор биологических наук, заведующий лабораторией регуляции экспрессии генов элементов прокариот Института молекулярной генетики РАН, заведующий лабораторией молекулярной генетики микроорганизмов Института биологии гена РАН, профессор Университета Ратгерса (США), профессор Сколковского института науки и технологий (SkolTech)

Константин Северинов:

"Самый большой орган в нашем организме не печень и не мозг, а микробы, которые образуют т.н. микробиом…" (

Микробиом кожи – популярная тема. Практически каждую неделю появляются новые данные о том, что те или иные бактерии повинны в развитии дерматологических болезней, таких как акне, розацеа, псориаз и т.д.

А раз враг обнаружен, то его, понятно, следует тут же обезвредить, разработав инновационные косметические формулы и выпустив их на рынок.

Складывается впечатление, что сегодня поверхность кожи исхожена человеком вдоль и поперек, как поверхность Луны.

Почему же мы решили зайти на эту изведанную территорию?

Мы постоянно отслеживаем мировые тенденции в эстетической медицине и дерматологии и в последнее время не могли не отметить появляющиеся controversies вокруг темы микробиома.

В этой статье мы попытаемся разобраться, так ли они обоснованны, и где в этой теме кончается наука и начинается маркетинг?

Но сначала вернемся ненадолго в университет.

Кожа под микроскопом

По данным американских микробиологов (Grice 2011) , на коже находится 1,8 м 2 разнообразных мест обитания микроорганизмов, включая бактерии, грибы, вирусы, клещи.

Микрофлора делится на постоянную – резидентную (около 90 % микробов), факультативную (условно-патогенную) – около 9,5 % и случайную (транзиторную) – 0,5 %.

Согласно доктору медицинских наук Виктору Бондаренко, заведующему лабораторией генетики вирулентности бактерий Института эпидемиологии и микробиологии им. Н. Ф. Гамалеи РАМН, около 20 % микроорганизмов от общего числа обитает в полости рта (более 200 видов), 18–20 % приходится на кожные покровы, 15–16 % - на глотку, 2–4 % – на урогенитальный тракт у мужчин и примерно 10 % – на вагинальный биотоп у женщин, а больше всего микроорганизмов (до 40 %) – в желудочно-кишечном тракте (Бондаренко 2007) .

Микробиом кожи определяется такими факторами, как pH, температура, влажность, уровень выработки кожного сала, окислительный стресс, диета, инфекции. Кожа обладает высокой обновляемостью клеток, поскольку она постоянно противостоит воздействию внешних факторов.

Микробиом кожи меняется от человека к человеку. Уникальный профиль микробиоты человека задается в зависимости от «экониши», на него также влияет количество света и влажности/сухости, число волосяных фолликулов, пол и возраст (Krajewska-Włodarczyk 2017) .

Таблица 1. Кожный микробиом

Известно, что сухие участки кожи на предплечьях, ягодицах и кистях активно заселены бактериями вида Actinobacteria, Proteobacteria, Firmicutes и Bacteriodetes. Удивительной особенностью микробиоты этих зон является обилие граммотрицательных организмов. Когда-то считалось, что они колонизируют кожу редко. Интересно, что на этих участках разнообразие бактерий больше, чем в кишечнике или полости рта одного и того же человека. Кроме того, микроорганизмы «привязаны» к текущему участку тела. И, пересаженные из одной среды обитания в другую, например, с языка на лоб, не способны колонизировать новую территорию или изменить существующее в этой области микробное сообщество (Costello et al. 2009) .

Как этому невидимому и густонаселенному миру удается относительно спокойно и мирно существовать друг с другом на таком ограниченном участке, как наша кожа?

Ответ кроется в гомеостазе.

Гомеостаз кожи

Чтобы эффективно выполнять свою защитную функцию (физического и иммунного барьера при стрессах, внешних вмешательствах или инфекциях), кожа полагается на механизмы непрерывного удаления мертвых клеток.

Это происходит в результате гомеостаза, когда на коже поддерживается баланс между иммунорегуляцией и толерантностью к внешней среде. Если это равновесие нарушается, иммунная система может нанести удар и начать патогенез (Belkaid 2014; Sil et al. 2018) .

Многие механизмы кожного гомеостаза до сих пор не до конца понятны и изучены, а то, что известно, подробно изложено в учебниках. Здесь, чтобы не цитировать страницы, мы опишем лишь некоторые важные открытия на пути к этому пониманию.

Если вы не хотите утомлять себя обилием терминов, то можете без вреда пропустить этот раздел.

Белок AhR и гомеостаз

Рецептор ароматических углеводородов AhR – это белок, который относится к лиганд-зависимым транскрипционным факторам и осуществляет регуляцию ферментов, способствующих метаболизму ксенобиотиков.

Он опосредует многочисленные биологические и токсикологические эффекты, индуцируя транскрипцию различных чувствительных к AhR генов.

Японские ученые исследовали роль этого белка и пришли к выводу, что он оказывает ряд функциональных воздействий на гомеостаз кожи (Furue et al. 2014) .

Они установили следующее:

• AhR участвует в оксидативном стрессе. Например, кератиноциты выделяют AhR-комплекс, который взаимодействует с бензоапиреном и другими факторами окислительного стресса, что приводит к повреждению клеток. Бензоапирен – один из главных ингредиентов, выделяющихся при курении табака, и, возможно, есть связь между AhR и такими индуцированными табакокурением заоблеваниями кожи, как псориаз и пальмоплантарный пустулез.
• AhR связан с эпидермальной функцией. Активация этого белка может приводить к индукции дифференцировки эпидермиса. Это значит, что может повышаться экспрессия филаггрина, лорикрина и хорнерина, а также происходить утолщение эпидермиса. Все это вкупе с нарушением микробиома кожи, связанного с бактериями Propionibacterium acnes, может приводить к развитию акнеподобных состояний кожи.
• AhR может модулировать меланогенез, контролируя экспрессию меланогенных генов.

И это далеко не полный список реакций, в которых принимает участие этот белок, во многом его действие остается загадочным.

Сигнальный путь Wnt и гомеостаз

Немецкие ученые занимались изучением нарушений в передаче сигналов Wnt и его роли в поддержании барьерной функции кожи для ее правильного физического, биохимического и иммунологического функционирования (Augustin 2015) .

Они установили, что кожа является сложным динамическим органом с высоким клеточным обменом, при котором стволовые клетки обеспечивают постоянное обновление кожи. Сигнальный путь Wnt контролирует рост стволовых клеток и участвует в обновлении различных тканей. Нарушение передачи сигналов Wnt в коже вызывает такие нарушения, как алопеция, хронические воспалительные заболевания кожи или рак.

Транскрипционный фактор Foxn1 и гомеостаз

Много исследований было сосредоточено на клеточных и молекулярных механизмах, которые регулируют биологию кожи. Факторы транскрипции являются ключевыми молекулами, которые настраивают экспрессию генов и способствуют или подавляют транскрипцию гена. И эпидермис является ключевым источником транскрипционных факторов, которые регулируют многие функции эпидермальных клеток, такие как пролиферация, дифференцировка, апоптоз и миграция.

В одном из недавних исследований было установлено, что активация эпидермальных факторов транскрипции вызывает изменения в дерме кожи (Bukowska et al. 2018) .

Транскрипционный фактор Foxn1 играет особую роль в биологии кожи. Регуляторная функция Foxn1 связана с физиологическими (развитие и гомеостаз) и патологическими (заживление ран) изменениями. В частности, Foxn1 участвует в способности кожи регулировать образование рубцовой ткани, что может быть перспективно в регенеративной медицине.

Иммунный ответ второго типа

В развитии микробиома и регуляции бактерий, которые колонизируют поверхность кожи, решающее значение имеет иммунная система, а получаемые от микробов сигналы постоянно формируют и устанавливают ответ иммунных реакций.

Канадские ученые установили, что иммунный ответ второго типа лежит в основе развития атопии и аллергии. Микробы модулируют иммунные ответы типа 2 через воздействие на цитокины типа 2, дендритные клетки и регуляторные Т-клетки. Микробная колонизация в кишечнике, легких и коже в ранний период иммунного развития, по-видимому, имеет особое значение для развития толерантности и регуляции иммунных ответов, которые позднее могут быть связаны с аллергией (McCoy et al. 2018) .

Даже вышеприведенных немногочисленных данных достаточно, чтобы прийти к выводу о том, что микромир тонок, неоднозначен и непостоянен, а протекающая в этом мире бурная активность, взаимодействия и регуляция еще не до конца понятны.

Обозначим проблему

Хотя человек и изучил кожу, установил количественное соотношение микрофлоры, классифицировал и присвоил бактериям романтичные названия (вспомним глобальный проект «Микробиом человека», начатый в 2008 году), но нам так и не удалось установить причинно-следственные связи между этими процессами.

Однако набирают популярность мнения, что виной кожных болезней являются нарушения в микробиоме, иначе дисбаланс микроорганизмов.

Но так ли это на самом деле? Корректно ли делить бактерии на «вредных» и «полезных»?

Сначала немного статистики:

• Установлено, что в 90 % случаев при атопическом дерматите происходит колонизация кожи Staphylococcus aureus, причем этому подвержены не только пораженные участки, но и участки здоровой кожи (Kong et al. 2012) .
• При псориазе в очагах поражений обнаруживаются большие колонии Streptococcus и Propionibacterium (Statnikov et al. 2013) .
• Вид Propionibacterium acnes долгое время рассматривался как важный провоцирующий механизм акне. Однако было выявлено, что в воспаленных фолликулах присутствуют не только P. acnes, но и другие бактерии, например Streptococcus epidermidis (Bek-Thomsen et. al 2008).
• На Западе бушует эпидемия кожной аллергии, причем количество случаев, по оценкам ученых, значительно возросло за последние 5–10 лет (Wallen-Russell et al. 2017) .

Мы привели лишь крошечную часть данных. Исследования также показывают, что дисбаланс микрооорганизмов может лежать в корне и таких заболеваний, как синдром Крона, колиты и синдром раздраженного кишечника, аутоиммунные заболевания, склероз или диабет I типа (Campbell 2014) .

Конечно, при таких данных есть соблазн «свалить» всю вину за болезнь на бактерии.

Но почему есть сомнения?

Группа американских ученых (Wallen-Russell et al. 2017) высказала обоснованные сомнения новомодным течениям.

Они отметили следующее:

1. До сих пор нет абсолютного способа измерения микробиома и оценки состояния здоровья кожи.
2. Как понять, когда микробиом кожи является индикатором болезни кожи, а когда – ее здоровья?
3. В природе именно биоразнообразие является гарантией стабильности среды, и при этом факторы окружающей среды также влияют на микробиом. Ученые проследили, например, что у предков человека кожа сильно отличалась от кожи «современного» человека (которая постоянно обрабатывается и улучшается) и показывала беспрецедентные уровни разнообразия бактерий.

Они заявили, что многие исследования причин возникновения кожных болезней были сосредоточены на поиске связей между конкретными типами микробов, обитающими на коже, и специфическими кожными заболеваниями (Wallen-Russell et al. 2017) .

Однако (sic!) на данный момент недостаточно доказательств того, что здоровая или нездоровая кожа определяется наличием специфических доминирующих типов микробиома (Findley et al. 2014) .

Например, рассмотрим акне.

На протяжении десятилетий изучалась роль Propionibacterium acnes в патогенезе болезни, но роль этой бактерии все еще неясна, но установлено, что этот микроорганизм является главным симбионтом нормальной флоры кожи, P. acnes использует липиды кожи для получения короткоцепочечных жирных кислот, которые могут аналогичным образом предотвратить микробиологические угрозы (Grice et al. 2011; Dessinioti et al. 2010) .

Возникает закономерный вопрос: к какой категории тогда следует относить P. Acnes?

Записывать ли ее во врага и кидать все силы на ее истребление?

Или сделать другом?

Стоит ли стремиться к балансу?

Способность кожи противостоять инфекциям и болезням является очень сложным многофакторным процессом.

Это комбинация большого количества систем, которые должны работать в синергизме (Grice et al. 2008; Cogen et al. 2009) . К ним относятся физический барьер, поверхностный рН хозяина и «активный синтез» генетически кодируемых молекул в его организме.

Неграмотно проводить различия между «полезными» и «вредными» микроорганизмами. Можно только опираться на способность самой кожи противостоять болезням и инфекциям, а не пытаться объяснять это «сложным внутренним миром» самих микробов, навешивая на них субъективные ярлыки «отрицательных» или «положительных» героев.

Кроме того, нельзя забывать о связи кожи с иммунной системой.

Микробы на коже могут влиять на поведение иммунных клеток. Недавние испытания показали, что Staphylococcus epidermidis помогает иммунной системе контролировать инфекции, изменяя функцию Т-клеток (ключевой компонент адаптивного иммунного ответа организма) для повышения иммунитета хозяина.

Исследования обнаружили, что различные микробы сообща влияют на составляющие иммунной системы, и то, как они общаются с иммунной системой, очень специфично для каждого микроба (Wallen-Russell et al. 2017) .

Многие из кожных микроорганизмов являются безвредными и в некоторых случаях обеспечивают жизненно важные функции, которые человеческий геном не развил. Симбиотические микроорганизмы занимают широкий спектр кожных ниш и защищают от вторжения более патогенных или вредных организмов. Эти микроорганизмы могут также влиять на миллиарды Т-клеток, которые с их помощью учатся противостоять патогенам.

И вся эта система должна находиться в тонком балансе не только между собой, но еще и «дружить» с организмом-хозяином.

Американцы показали, что разнообразие микробов – это гарантия стабильности и равновесия в организме (Wallen-Russell et al. 2017) .

Вывод: чем разнообразнее микробиом, тем лучше здоровье.

Главный вопрос: что делать?

Стоит ли однозначно полагаться на популярные мнения о том, что микробиотические продукты различной направленности – это средство Макропулоса?

Могут ли эти препараты нарушить спокойствие в микромире?

На первый взгляд, нет.

Но, вот, казалось бы, популярный и безобидный витамин B12, который многие пациенты принимают в качестве биологически активной добавки.

Недавно канадские врачи (Kang et al. 2015) выяснили, что биосинтез этого витамина в присутствии бактерий Propionibacterium acnes значительно снижался у пациентов с угревой болезнью. Они предположили, что человек, принимающий витамин B12, модулирует деятельность микробиоты кожи и способствует патогенезу акне.

Чтобы проверить эту гипотезу, канадцы проанализировали микробиоту кожи у здоровых людей, и дополнили ее витамином B12.

Они обнаружили, что добавка витамина подавляет экспрессию генов биосинтеза витамина B12 у P. acnes и изменяет транскриптомы микробиоты кожи.

В результате у одного из десяти испытуемых появилось акне через неделю после приема витамина.

Кроме того, проанализировав молекулярный механизм, ученые обнаружили, что добавка витамина B12 в культуры P. acnes способствовала производству порфиринов, которые, как уже известно, провоцируют воспалительный процесс.

Это новое свидетельство о роли внешнего провоцирующего фактора, подрывающего тонкий баланс.

А сколько еще предстоит выяснить?

Схожие вопросы возникают и в теме популярных, особенно в России, добавок с пре- и пробиотиками.

Напомним:

Пробиотики – живые микроорганизмы (или лиофилизированные споры), которые, при использовании в определенном количестве, как считается, положительно влияют на здоровье.

Пребиотики не содержат живых микроорганизмов, но стимулируют размножение «хорошей» микрофлоры за счет создания питательной среды.

Есть еще группа синбиотиков , продуктов, совмещающих пробиотики и пребиотики.

Идея использования пробиотиков для восстановления флоры кишечника постулируется очень давно (см., например, Rowland et al. 2009) , и проблема с внутренней средой организма заключается в том, что она недоступна и изолирована от внешней среды и ее сложно изучать и поэтому контролировать (Grönlund et al. 1999) .

С кожей все должно быть проще – она видна невооруженным глазом, ежедневно подвергается внешнему воздействию и не имеет проблемы доступа к микробиому.

Но опять появляется «но».

Американцы установили, что на кожу влияет окружающая среда, которая провоцирует проблемы, и поэтому бессмысленно использовать «пробиотические» средства, если в окружающей среде присутствует что-то, что сразу же нивелирует эффект (см. Wallen-Russell et al. 2017) .

Как только действие пробиотиков заканчивается, кожа сразу же возвращается в привычное состояние.

Кроме того, есть и сложности при производстве пробиотиков.

Мы обратились к эксперту – косметическому химику – и попросили ее рассказать, какие особенности бывают при использовании пробиотических продуктов и когда их уместно применять.

Для использования пробиотиков в косметике есть определенные сложности – бифидо-, ацидо- и лактобактерии не способны образовывать споры и легко разрушаются.

При выборе пробиотического препарата возникает несколько проблемных вопросов.

Первый – выживаемость, так как пробиотическими свойствами обладают только живые микробы. Более того, целым рядом работ было показано, что минимально достаточной дозой, способной осуществлять значимое действие, может считаться доза не менее 107 КОЕ (Saavedra 2001) .

Выживаемость бактерий зависит от технологии производства и условий хранения препарата. Например, добавление бифидобактерий в кефир не гарантирует их сохранности и способности к размножению; жизнеспособность микрофлоры как в жидких, так и в простых сухих формах препаратов может быть утрачена ранее официального срока. Для большинства пробиотиков, особенно для жидких лекарственных форм, требуются особые условия хранения, например, температура.

Следует учитывать разрушительное действие желудочного сока на незащищенную флору. Доказано, что лишь небольшое число штаммов лактобактерий (L. reuteri, L. plantarum NCIB8826, S. boulardii, L. acidophilus, L. casei Shirota) и бифидобактерий обладает кислотоустойчивостью. Большинство микробов погибает в желудке.

По данным Анатолия Безкоровайны (Bezkorovainy 2001) , лишь 20–40 % селективных штаммов выживает в желудке.

Д. Почарт (Pochart et al. 1992) продемонстрировал, что из 108 микр. тел лактобактерий, принятых в кислотоустойчивой капсуле, в кишечнике обнаруживается 107, после приема такого же количества в йогурте – 104 микр. тел, а после приема той же дозы в открытом виде (порошок) микробы в кишечнике не обнаруживаются вовсе. Поэтому предпочтительны пробиотики, заключенные в кислотоустойчивую капсулу.

Впрочем, после того как микробиологическое равновесие в кишечнике будет восстановлено, прием различных кисломолочных продуктов нужен и важен!

По данным публикаций, внутренний прием различных видов пробиотиков эффективен для решения ряда проблем кожи (табл. 2) .

Таблица 2. Штаммы пробиотиков, которые исследовались относительно положительного влияния при лечении различных видов заболеваний

Бактерии используют очень широко и в продуктах по уходу за кожей. В средствах для волос они работают как укрепляющие и стимулирующие рост. Также на их основе можно делать инновационные консерванты («мертвые бактерии (лизаты) – убивают живые бактерии»).

Вот примеры:

• Aspergillus/Rice Ferment Extract – аспаргилус, плесневый гриб, который называют еще «плесень кодзи». Ценен тем, что может перерабатывать то, что не под силу Saccharomyces – ферментирует крахмал. Используется для производства саке (из рисового зерна), соевого соуса и мисо-пасты. Но самое обширное применение – это использование для получения лимонной кислоты. Для кожи используется как выравнивающий тон компонент, осветляющий пигментацию; также он эффективно отшелушивает кожу, запуская процесс омоложения.
• Leuconostoc Ferment Filtrate – лейконосток, лактобактерия, которая вызывает квашение огурцов и капусты. Натуральная альтернатива консервантам и противомикробным добавкам. Эффективно подавляет все виды патогенных микроорганизмов.
• Saccharomyces/Magnesium Ferment и Saccharomyces/Copper Ferment и Saccharomyces/Iron Ferment и Saccharomyces/Zinc Ferment – смесь дрожжевых «сахарных» грибов, которые росли в присутствии ионов магния, меди, железа и цинка. Необходимые для роста волос минералы, аминокислоты и витамины дрожжей делают комплекс универсальным для решения проблем волос.
• Lactobacillus/Rye Flour Ferment Filtrate – лактобактерии, выросшие на ржаной муке. Регулируют работу иммунной системы кожи; уменьшают количество пропионовых бактерий, потому хорошо себя показывают при лечении проблемной кожи; увлажняют кожу и стимулируют ее заживление.
• Bifida Ferment Lysate – лизат бифидобактерий. Оказывает противовоспалительное и заживляющее действие; применяется как антистрессовая добавка, уменьшающая чувствительность кожи; используется для anti-age препаратов, так как нормализует обменные процессы.

Выводы

Мы написали эту статью, чтобы показать, что все классификации и споры о полезных и вредных бактериях условны.

Когда в 2008 году Национальные институты здравоохранения США затеяли крупный проект Human Microbiome Project, подобный столь же масштабному проекту по расшифровке генома человека, ученые хотели удовлетворить исследовательский интерес.

Тогда амбициозная задача ученых – понять наконец, как изменения в микробиоме сказываются на здоровье человека, – так и не была решена, равно как и расшифровка генома человека не дала окончательных ответов на то, как функционируют гены.

Ответы еще предстоит получить, и можно предположить, что они не будут однозначными.

Однако академические идеи были выхвачены из контекста и из-под чутких рук ученых, вынесены за пределы лабораторий и стали достоянием широкой публики, породив множество мифов и неверных интерпретаций.

То, что мы наносим на кожу «хорошие» бактерии и надеемся с их помощью победить «вредные» или принимаем внутрь препараты и считаем, что они безобидны, может тем не менее колебать баланс микроорганизмов. Вот почему очень важно прислушиваться к своему врачу и использовать правильные продукты и ингредиенты и только тогда, когда это действительно необходимо.

Нет «плохих» или «хороших» бактерий, важен только баланс между ними. И его поддержание в наших руках.