Микробиом кишечника: мир внутри нас

Микробиом человеческого кишечника представляет собой уникальную совокупность микроорганизмов. Его незримое присутствие опосредует целый ряд важных процессов: от метаболических и иммунных до когнитивных (1, 2), а отклонение его состава от нормы приводит к развитию разнообразных патологических состояний: аллергических и аутоиммунных заболеваний, сахарного диабета, ожирения и др. Формирование микробиома, его качественный и количественный состав определяются во младенчестве, и будущее здоровье человека во многом зависит от того, как протекают эти процессы. Им и будет посвящена данная статья.

В настоящее время понятие “микрофлора человека” утратило свою актуальность: мы несем в своем организме не просто набор бактерий, а настоящий биом — микробиом. Но, если биом представляет собой крупную экосистему с точки зрения экологов, то наше тело – это место обитания многочисленной популяции микроорганизмов, своего рода микробная экосистема, подверженная изменениям под влиянием факторов внешней и внутренней среды, со своей генетической регуляцией и сложным взаимодействием. Она настолько уникальна, что в мире не найдется двух людей с полностью идентичным микробиомом. Различия в микробном составе зависят от таких факторов среды, как рН, состав питательных веществ, влажность и температура. Вышеперечисленные факторы способствуют размножению бактерий и опосредуют пользу, которую они могут принести человеку-хозяину.

Весь микробиом распределён в нашем организме неравномерно, по его топографии и видовому составу принято различать микробиом кожи, полости рта, дыхательных путей, урогенитального тракта и кишечника. И наиболее крупным микробиомом нашего тела является, несомненно, кишечный. В нём могут обитать сотни видов различных микроорганизмов, но преобладающими у взрослого человека являются бактерии двух типов: Firmicutes и Bacteroidetes (3). Кишечный микробиом является наиболее изученным микробиомом человека, и многолетние исследования, о которых будет рассказано ниже, показали, что он же в большей степени влияет на здоровье своего носителя. Давайте же совершим путешествие назад в будущее и разберем, как формируется микробиом нашего кишечника.

Микробиом: начало

Еще до недавнего времени считалось, что плод в утробе матери полностью огражден от контакта с миром микроорганизмов и человек рождается полностью стерильным, а заселение бактерий происходит после рождения. Но появились данные о том, что первые колонизаторы появляются еще до появления ребенка на свет. В ряде исследований было выявлено, что в плаценте, околоплодных водах, пуповинной крови и первичном кале — меконии — присутствуют бактерии родов Enterococcus, Escherichia, Leuconostoc, Lactococcus и Streptococcus, а у недоношенных младенцев – следы Enterobacter, Enterococcus (в меньшей степени, чем у доношенных), Lactobacillus, Photorhabdus и Tannerela (4 — 14). Также, в одной из работ, были получены доказательства внутриутробной бактериальной транслокации — проникновения бактерий из кишечника матери к плоду (15). Исследователи предполагают, что это происходит посредством кровотока, механизмом сходным с “энтеромаммарной осью” о которой будет рассказано ниже. В поддержку этой гипотезы выступают данные другого исследования, в котором у мышей, перорально получавших раствор, содержащий меченых Enterococcus faecium, данные бактерии были обнаружены в плаценте и меконии (78).

Но, все же, по-настоящему серьезный контакт с миром микроорганизмов происходит после рождения, и во многом от того, как пройдет эта встреча, зависит будущее здоровье ребенка. Колонизация кишечника у здоровых детей представляет собой четыре последовательные временные фазы. Первая включает в себя промежуток от момента рождения до 2 недель. Микробный состав в этот период в основном представлен стрептококками и кишечной палочкой. В зависимости от вида вскармливания – грудного или искусственного – через некоторое время присоединяются соответственно бифидо- или лактобактерии. В небольших количествах также обнаруживаются представители родов Clostridium и Bacteroides. Через две недели начинается вторая фаза, которая продолжается до введения в рацион прикорма. Во время неё увеличивается количество представителей рода Bacteroides. С момента введения в рацион прикорма начинается третья фаза, длящаяся до завершения грудного вскармливания. В эту фазу окончательно формируется микробиом ребенка: постепенно, сообразно преобладанию в рационе твердой пищи и снижению грудного молока, увеличивается количество бактероидов и анаэробных грамположительных кокков (пептококки и пептострептококки). И, с окончанием грудного вскармливания, начинается четвертая фаза, завершающая формирование кишечного микробиома. Она характеризуется относительной стабильностью микробного состава, который сохраняется на относительно постоянном уровне в течение всей жизни индивида (16).

Рассмотрим подробнее то, как происходят процессы колонизации и становления иммунного ответа во время и после рождения.

Родоразрешение

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

Первое, с чем сталкивается ребенок — микрофлора родовых путей его матери. У небеременных женщин идентифицировано шесть различных видов лактобактерий, соотношение которых позволяет выделить по крайней мере, пять качественно различных типов микробиома влагалища (17). В четырех из них, характерных, как правило, для представительниц европейских и азиатских народов, преобладают следующие представители рода Lactobacillus:

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

 

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

Интересно, что женщины, имеющие IV тип микробиома влагалища, более склонны к развитию специфических и неспецифических воспалительных гинекологических заболеваний. Этот феномен связан со снижением количества Lactobacillus spp., которые в норме создают неблагоприятную для патогенов кислую среду. Также было установлено, что эти женщины имеют больше шансов заразиться ВИЧ, ведь воспалительные процессы увеличивают на поверхности слизистых численность CD4+ лимфоцитов, которые являются основными мишенями вируса (18).

При беременности из-за изменения pH влагалища бактериальное разнообразие уменьшается и наблюдается большая стабильность состава микрофлоры влагалища. Как правило, в этот период в микробиоме преобладают Lactobacillus crispatus и Lactobacillus iners. Количественное превосходство данных видов подчеркивает их важность в поддержании здоровой среды родовых путей. У европейских и азиатских женщин во время беременности могут происходить сдвиги между типами микробиомов, но, как правило, они редко переходят к IV типу (19). Таким образом, в зависимости от особенностей микрофлоры влагалища матери, ребенок может начать свою жизнь со «знакомства» с различными видами микроорганизмов, что подчеркивает важность исследований микробиома различных групп населения.

Покидая родовые пути естественным образом, доношенный новорожденный в небольших количествах заглатывает микроорганизмы, являющиеся представителями вагинальной и кишечной микрофлоры матери. В основном это представители родов Prevotella, Sneathia и Lactobacillus (20). Если родоразрешение происходит путем кесарева сечения, первичными колонизаторами организма новорожденного будут являться представители кожного микробиома матери и медицинского персонала, в основном — представители родов Propionibacterium, Corynebacterium и Streptococcus (21, 22). У таких младенцев отмечается замедленное заселение кишечника филой Bacteroidetes и низкое бактериальное разнообразие в течение первых двух лет жизни (23). Однако, с 4 месяцев различия в бактериальном разнообразии с естественнорожденными начинает уменьшается, и к 12 месяцам практически отсутствуют. (24). Бактерии в составе микробиома сообщаются за счет симбиотических взаимоотношений с эпителиальными и иммунными структурами кишечника, фактически активируя иммунную систему хозяина (25) (рисунок 1).

Рисунок 1. Схема иммунной защиты слизистой оболочки кишечника новорожденного в зависимости от гестационного возраста. (а) У младенца, рожденного в срок, все компоненты иммунной защиты слизистой оболочки являются зрелыми.   (b) Тем не менее, инициация колонизации должна начаться раньше, чем иммунная система вступит в дело. Иммунная защита кишечника включает в себя (1) специализированный эпителий (М -клетки), (2) Пейеровы бляшки, (3) интерстициальные и (4) интраэпителиальные лимфоциты, опосредующие развитие иммунных реакций. Среди лимфоидных образований кишечника выделяют одиночные лимфатические узлы (расположенные преимущественно в дистальных отделах кишечника) и пейеровы бляшки (расположенные в основном в подвздошной кишке). Последние образованы сгруппированными лимфатическими фолликулами, выпячивающими эпителий в просвет в виде купола, и межузелковыми скоплениями лимфоидной ткани. Эпителий слизистой оболочки в области бляшки содержит до 10% специфических микроскладчатых (М-) клеток. С наружной стороны они образуют “карманы” в которых расположены лимфоциты, отделенные от просвета кишечника лишь тонким слоем цитоплазмы. Под эпителием купола содержатся В-клетки, плазмоциты, Т-клетки, макрофаги и антиген-презентирующие дендритные клетки. М-клетки активно захватывают макромолекулы из просвета кишки и быстро переносят их через цитоплазму, обеспечивая их контакт с укрытыми под куполом иммунокомпетентными клетками. Источник: Robert M. Insoft, Ian R. Sanderson, W. Allan Walker. Development of immune function in the intestine and its role in neonatal diseases. Pediatr Clin 43:551–71.

 

Таким образом, очевидно, что характер родоразрешения влияет на микробиом новорожденного (рисунок 2). Хотя пока неясно, влияют ли эти различия на здоровье взрослого индивида. И, хотя некоторые эпидемиологические исследования демонстрируют связь между кесаревым сечением и различными заболеваниями (таблица 1), причина их развития выяснена не окончательно.

Рисунок 2. Изменения микробиома у новорожденных. Цвет текста и стрелки обозначают изменения специфических разновидностей (зелёный), общие изменения (розовый) и разнообразие сообщества (оранжевый).   (А) Изменения у младенцев, родившихся естественным путем в сравнении с кесаревым сечением. (В) Изменения у младенцев находящихся на грудном вскармливании в сравнении с искусственным. α-разнообразие — видовое разнообразие внутри исследуемого сообщества, β-разнообразие — видовое разнообразие между всеми сообществами данной области по Р. Уиттекеру. Источник: Nuriel-Ohayon M, Neuman H, Koren O. Microbial Changes during Pregnancy, Birth, and Infancy. Front Microbiol. 2016 Jul 14;7: 1037.

 

Грудное вскармливание

Не менее важной ступенью в формировании микробиома новорожденного является характер питания. Грудное молоко – оптимально сбалансированная пища для младенца, обеспечивающая его здоровое развитие (26). Как известно, в первые дни жизни именно оно защищает ребенка от инфекционных болезней и способствует снижению смертности от них (27) за счет содержания множества иммунных факторов: Т и В-лимфоцитов, плазматических клеток, иммуноглобулинов (в первую очередь IgА) и ферментов обеспечивающих антимикробную защиту (лизоцим и лактоферрин). Установлено, что грудное вскармливание предотвращает развитие таких хронических заболеваний, как сахарный диабет (28) и ожирение (29). И, несомненно, грудное молоко также способствует формированию «здорового» микробиома. Первые данные об обнаружении бактерий в женском молоке получены в 1950 году, но исследователи тех лет делали акцент на поиске патогенных микроорганизмов (30). И хотя уже в 70-х годах в грудном молоке были найдены первые бактерии-симбионты, ученым не удалось их идентифицировать (31). Лишь в 2003 году, когда в молоке, на коже груди и ареолах сосков 8 кормящих матерей и в ротовой полости и фекалиях их детей были обнаружены родственные лактобациллы, ученые предположили, что бактерии имеют эндогенное происхождение, а не являются результатом контаминации извне (32).

Независимо от того, материнское или донорское молоко используется при грудном вскармливании, у каждого младенца формируется свой особый микробиом. Заслуга в этом принадлежит олигосахаридам молока человека (ОМЧ) (33, 34). В составе женского молока около 8% — перевариваемые ОМЧ, которые являются пребиотиками, поддерживающими рост Bifidobacterium longum биовара infantis. (35). При этом состав ОМЧ у каждой женщины индивидуален, что обеспечивает, в свою очередь, индивидуальность младенческого микробиома (36) (рисунок 3).

Рисунок 3. Взаимодействие гликанов человеческого молока и микробиоты Взаимодействие новорожденного с материнскими и содержащимися в окружающей среде микроорганизмами совпадает с потреблением молозива и содержащихся в нем гликанов, олигосахаридов молока человека (ОМЧ), которые обладают пребиотической, антиадгезионной и противовоспалительной активностью. ОМЧ облегчают экспансию симбиотических микроорганизмов, в особенности Bacteroides и Bifidobacterium, и ингибируют рост и адгезию оппортунистических и облигатных патогенов. Источник: David S. Newburg & Lorenzo Morelli. Human milk and infant intestinal mucosal glycans guide succession of the neonatal intestinal microbiota. Pediatric Research (2015) 77, 115–120.

 

Другим опосредующим формирование микробиома фактором является так называемая энтеромаммарная ось — система, которая обеспечивает транспорт бактерий кишечника матери в молочные железы. Ее первичным звеном являются дендритные клетки кишечника, которые захватывают отдельные бактерии и транспортируют их в лимфоидные фолликулы кишечника (37). В них, в свою очередь, осуществляется выработка специфического иммуноглобулина А. Эти дендритные клетки и секретирующие иммуноглобулин лимфоциты циркулируют в крови и, за счет взаимодействия между β7-интегринами и экспрессируемыми эндотелиоцитами молекулами адгезии (MAdCAM-1), могут избирательно возвращаться в кишечник. Синтез молекул MAdCAM-1 осуществляется эндотелием молочных желез во время беременности, обеспечивая избирательное поступление в молочную железу запрограммированных дендритных клеток, содержащих кишечные бактерии матери (38). Помимо бактерий молозиво и молоко матери содержат Т-клетки, экспрессирующие β7-интегрины и плазматические клетки, вырабатывающие специфический иммуноглобулин А (39).Также в молоке находятся цитокины, состав которых зависит от иммунологического опыта матери, приобретенного в течение жизни.

Имеется также теория передачи микроорганизмов из полости рта младенца в молочную железу матери с последующей выработкой в её организме специфических антител и обратным их поступлением к ребенку (40). Наличие данного механизма подтверждает тот факт, что в ротовой полости новорожденного и в грудном молоке обнаруживаются идентичные бактерии родов Gemella, Veilonella, Staphilococcus и Streptococcus (41,42). Хотя есть данные, что эти бактерии все же присутствуют в молозиве еще до начала грудного вскармливания (43), т.к. даже после тщательной гигиенической обработки молочной железы, образцы сцеженного молока содержат бактерии кожного и кишечного микробиома матери, что, однако, не отменяет возможность реализации механизма обратного заноса.

В 2011 году ученые из США обнаружили девять таксономических единиц бактерий в образцах молока от 16 женщин. Установив тем самым, что микробный состав молока чрезвычайно разнообразен, они предложили концепцию «ядра микробиома женского молока» (рисунок 4) (44). В дальнейшем было установлено, что микробиом изменяется в течение всего периода лактации. Так, в молозиве преобладают бактерии рода Weisella, Leuconostoc, Staphylococcus, Streptococcus и Lactococcus, а в молоке, вырабатываемом в первые шесть месяцев после родов, из-за частого контакта с бактериями полости рта младенца — Veillonella, Leptotrichia и Prevotella что, опять же, подтверждает теорию обратного заноса (45).

Рисунок 4. В 2011 году ученые из США обнаружили девять таксономических единиц бактерий в образцах молока от 16 женщин. Было обнаружено, что наблюдаемые сообщества достаточно сложные и при относительном постоянстве состава у одной группы испытуемых, у другой отмечались изменения с течением времени. Источник: Katherine M. Hunt, James A. Foster, Larry J. Forney, Ursel M. E. Schütte, Daniel L. Beck, Zaid Abdo, Lawrence K. Fox, Janet E. Williams, Michelle K. McGuire, Mark A. McGuire. Characterization of the Diversity and Temporal Stability of Bacterial Communities in Human Milk. Published: June 17, 2011.

 

 

Здоровье матери также играет важную роль в формировании микробного состава молока. В первый месяц лактации в молоке страдающих ожирением женщин, преобладают Lactobacillus, однако через полгода микрофлора сменяется на представителей рода Staphylococcus (46) и, как показывают исследования, они начинают преобладать и среди микроорганизмов кишечника тучных младенцев, в связи с чем учеными было выдвинуто предположение о взаимосвязи микробиома молока женщин с избыточным весом и паратрофией у детей.

Постепенное отнятие младенца от груди и переход на твердую пищу также играют важную роль в формировании бактериального разнообразия. После окончания грудного вскармливания в микробиоме детского кишечника появляются характерные для взрослого бактерии – представители типов Bacteroidetes, Firmicutes и класса Clostridia: Clostridium, Ruminococcus, Faecalibacterium, Roseburia, и Anaerostipes (47, 48).

Иммунитет

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

Рисунок 5. Эпителиальный барьер кишечника. Простой цилиндрический эпителий обладает поддерживающими целостность барьера механизмами физической и биохимической адаптации к микробной колонизации, которые включают богатые актином микроворсинки (а), плотные контакты эпителиальных клеток (b), муцины, которые формируют гликокаликс (с) и продукцию различных антимикробных пептидов (d). Специализированные эпителиальные клетки кишечника, известные как М-клетки, залегают как в Пейеровых бляшках (образованных сгруппированными лимфатическими узелками), так и в одиночных лимфоидных фолликулах. М-клетки (е) содействуют поглощению и транспортировке антиген-презентирующих клеток на поверхность эпителия из Пейровых бляшек и лимфоидных фолликулов (f). Дендриты специализированных дендритных клеток (ДК) могут также проникать через плотные контакты в просвет кишечника (g).Источник: Nat Rev Immunol (ref. 19).

 

Ученые предположили, что бактерии кишечника не только стимулируют его лимфоидные элементы, но и оказывают влияние на кишечный слизистый барьер, стимулируя образование микроворсинок (49, 50) и плотных контактов (51) (Рисунок 6).

 

Рисунок 6. Взаимодействие между иммунной системой кишечника и микробиомом младенца. Развитие вторичных лимфоидных структур, в том числе пейеровых бляшек и одиночных лимфатических узлов, происходит внутриутробно, задолго до начала бактериальной колонизации. С началом микробной колонизации происходит взаимодействие иммунной системы и бактерий-симбионтов хозяина. М-клетки, путем эндоцитоза, способствуют проникновению бактериальных антигенов. Затем дендритные клетки презентируют эти антигены, опосредуя Т-зависимое созревание В-лимфоцитов и способствуя секреции плазматическими клетками IgA, который играет важную роль в защите от патогенов. Бактерии могут также проникать путем трансцитоза через дендритные клетки и презентироваться Т-клеткам лимфатического узла, индуцируя их дифференцировку. В условиях гомеостаза, АММП* (нижняя левая панель) ассоциированные с бактериями-симбионтами, стимулируют продукцию регуляторных цитокинов (IL-25, IL-33, тимусный стромальный лимфопоэтин и трансформирующий фактор роста (TGF)-b). Трансдукция сигнала на дендритные клетки стимулирует развитие регуляторных Т-клеток и способствует секреции IL-10. В состоянии дисбиоза (нижняя правая панель) снижение количества бактерий-симбионтов приводит к размножению патогенов. Патогенные АММП индуцируют секрецию провоспалительных цитокинов (IL-1, IL-6 и IL-18), способствуя размножению эффекторных Т-клеток. Эти Т-клетки дифференцируются в CD4+ Th1 и Th17 и секретируют IL-17, фактор некроза опухоли α (TNF- α) и интерферон-γ (IFN-γ ), которые привлекают нейтрофилы в очаг воспаления, защищая организм хозяина от патогенов.   *АММП — ассоциированный с микроорганизмами молекулярный паттерн. Источник: Sabrina Tamburini, Nan Shen, Han Chih Wu & Jose C Clemente. The microbiome in early life: implications for health outcomes. Nature Medicine 22, 713–722 (2016).

 

 

Исследуя влияние бактерий на защитные механизмы кишечника, ученые искусственно колонизировали бактерией Bacteroides thetaiotaomicron кишечники безмикробных мышей. Затем РНК эпителия кишечника анализировали на предмет изменения экспрессии генов (52). Была отмечена обширная активация генов эпителиоцитов, которые регулировали функцию эпителиального барьера и способствовали повышению экспрессии рецептора к IgА. Это исследование наглядно показывает влияние бактериальной колонизации на кишечник новорожденного, ведь он в данном контексте такой же — практически безбактериальный — организм.

Все новые исследования подчеркивают важную роль бактериальной колонизации в формировании здоровья индивида. В недавнем исследовании Toll-подобных рецепторов, в ходе которого был нокаутирован ген рецептора, расположенного на базолатеральной поверхности энтероцитов, развившееся изменение кишечной микробиоты фенотипически проявлялось развитием ожирения и метаболического синдрома (53). Из чего последовало предположение, что микробиом может быть индикатором развития многих заболеваний.

Колонизация бактериями-симбионтами играет роль в формировании не только приобретенного, но и естественного иммунитета. Например, рецепторы энтероцитов и иммунных клеток слизистой оболочки кишечника взаимодействуют с антигенами микроорганизмов, что вызывает естественную, самоограничивающуюся воспалительную реакцию, предотвращающую проникновение бактерии через слизистую оболочку (54, 55). Когда ребенок покидает утробу матери, происходит контакт с огромным количеством бактерий. И для того, чтобы предотвратить непрерывную воспалительную реакцию в ответ на колонизацию кишечника, снижается экспрессия вышеуказанных рецепторов, в частности TLR-2 и 4 (56). Кроме того, механизмы врожденного иммунного ответа позволяют предотвратить проникновение патогенных бактерий через эпителиальный барьер кишечника, но при этом отличают их от безвредных симбионтов. К сожалению, у детей, появившихся на свет раньше срока, данные механизмы еще незрелые, что часто приводит к развитию некротического энтероколита (57).

Исследования последних лет показали, что кишечные бактерии могут внести свой вклад в развитие иммунной толерантности. Эти наблюдения чрезвычайно актуальны для разработки возможных терапевтических вмешательств, ведь многие виды этих бактерий имеют количественное преимущество лишь на ранних этапах колонизации во время грудного вскармливания (см. раздел микробиом и грудное вскармливание). Например, полисахарид А на поверхности Bacteroides fragilis может взаимодействовать с Toll-рецепторами 2 типа (TLR-2) дендритных клеток кишечника, активируя продукцию противовоспалительных цитокинов, которые создают микросреду для бактерий (58). Как было показано, некоторые виды клостридий подобным образом увеличивают количество функционирующих Т-клеток, предотвращая IgE-опосредованные заболевания (59). Это подтверждает, что колонизация уместна именно для периода новорожденности и напрямую зависит от конкретных микроорганизмов, представленных в материнском молоке. Данные механизмы позволяют выработать толерантность по отношению к “полезным” антигенам и бактериям, тем самым предотвращая в дальнейшем развитие аллергий и аутоиммунных заболеваний. 

И другие…

Помимо генетических факторов, условий родоразрешения и характера вскармливания, на формирование микробиома и иммунитета у новорожденного в той или иной мере оказывают влияние антибиотикотерапия, особенности питания и факторы окружающей среды (рисунок 7). Стоит сказать несколько слов и о них.

Рисунок 7. Факторы, обеспечивающие формирование микробиома младенца Инфекции половых путей у матери могут привести к бактериальному загрязнению матки. Микрофлора кишечника и ротовой полости может транспортироваться с кровью к плоду. Характер родоразрешения формирует первичную микрофлору. Постнатальные факторы, такие как режим питания, использование антибиотиков, генетика и воздействие окружающей среды оказывают дополнительное влияние на микробиом. Источник: Sabrina Tamburini, Nan Shen, Han Chih Wu & Jose C Clemente. The microbiome in early life: implications for health outcomes. Nature Medicine 22, 713–722 (2016).

 

Антибиотики являются одними из наиболее часто выписываемых детям препаратов. Назначение их матери в послеродовом периоде или же новорожденному может нарушить хрупкие процессы, которые лежат в основе формирования микробиома, и стать причиной ряда заболеваний у младенца (таблица 1). Исследования последних лет лишь подчеркивают важность понимания процессов, которые лежат в основе неонатального дисбиоза и развития в дальнейшем таких заболеваний, как диабет 2 типа, воспалительные заболевания кишечника или аллергическая реакция на компоненты молока (60 — 65). Изменения в микробиоме, которые вызывают антибиотики, зависят от способа введения, точки приложения, разновидности и дозировки препарата. Их влияние пока плохо изучено у младенцев, что затрудняет понимание влияния антибиотикотерапии на формирование нормальной микрофлоры..

Отдельно стоит сказать о пробиотиках и пребиотиках, которыми повсеместно обогащены смеси для искусственного вскармливания, несмотря на недоказанность их эффективности (66). Пробиотики содержат живые микроорганизмы, которые, предположительно, должны участвовать в формировании микробиома, а пребиотики содержат вещества, которые способствуют росту полезных микроорганизмов. Использование пробиотиков в педиатрической практике — довольно спорный момент, хотя их влияние на различные детские заболевания достаточно широко изучалось.  Так, некоторые мета-анализы обнаружили их эффективность в терапии атопического дерматита, в то время как другие не нашли существенных эффектов на детей младше 12 месяцев (67 — 70). Была проведена оценка воздействия самых популярных пробиотических добавок в детском питании (Lactobacillus и Bifidobacterium spp. L. reuteri) на колики у младенцев. Спустя три недели от начала применения, в кишечнике новорожденных увеличивалось количество лактобацилл и уменьшалось содержание кишечной палочки (71). Однако, на сегодняшний день, большинство исследований полагают, что преимущества, предоставляемые пре- или пробиотиками не оказывают значительного влияния на качественный и количественный состав микробиома кишечника.

Окружающая среда не стерильна, и предметы быта, с которыми сталкивается новорожденный, тоже являются источниками микроорганизмов и участвуют в формировании микробиома. К примеру, вероятность обмена бактериями посредством предметов быта и воздуха в помещении увеличивается сообразно количеству людей, проживающих в доме. В исследовании 60 семей в США было показано, что члены одной семьи имеют более схожий микробиом, чем чужие друг другу люди (72). Частый контакт с компонентами домашней пыли и большая семья в первые два месяца жизни могут привести к изменениям в микробиоме, связываемым с возникновением аллергии. Они заключаются в увеличении у младенцев количества Bifidobacterium (за исключением B. adolescentis) и снижении Lactobacillus spp., Bifidobacterium adolescentis и Clostridium difficile (73). Было установлено также, что бактериальное разнообразие гораздо выше у детей, живущих в поселках, чем у городских (74). Следует отметить, что некоторые штаммы были обнаружены у матерей и их взрослых дочерей, из чего следует вывод, что некоторые разновидности бактерий обеспечивают пожизненную колонизацию.

Гипотетически, частый контакт с животными, а, соответственно, и с их микрофлорой, на первом году жизни тоже оказывает защитное действие, повышая иммунную толерантность. Например, взаимодействие с домашними животными с раннего возраста снижает риск развития аллергических заболеваний и астмы, но механизмы этого явления пока не выявлены в полной мере (75).

Коррекция

В недавно проведенных исследованиях изучались терапевтические вмешательства, которые могли бы изменить микробом и позволить осуществлять профилактику микробного дисбаланса еще в раннем детстве.

Подходы к модификации микробиома, как правило, подразделяются на три основные группы: очищение от микроорганизмов, их модуляция и замена, либо восстановление микробиоты. К примеру, антибиотики, вследствие их способности эффективно очищать кишечник от микроорганизмов, часто используются для лечения состояний, вызванных неспецифической патогенной микрофлорой (рисунок 8).

Рисунок 8. “Микробная терапия” в зависимости от стадии заболевания На доклинических стадиях болезнь еще не проявляется, симптомы не являются очевидными, но тонкие биологические изменения уже происходят. Такие меры, как использование инокулята определенных бактериальных сообществ, на ранних стадиях болезни могут наиболее эффективно предотвращать дисбиоз и развитие заболевания. По мере прогрессирования заболевания, происходит обогащение микробиома патогенной микрофлорой (изображена красным), продуцирующей просопалительные метаболиты и активируя воспалительные пути (рисунок 6). Слизистый слой, защищенный эпителием, истончается одновременно с накоплением патогенов, увеличивая степень тяжести заболевания. Диетотерапия и антибиотики на данном этапе могут быть использованы в качестве радикальной меры, изменяющей количественный и качественный состав бактерий. На поздних стадиях продолжающееся истончение слизистого слоя позволяет бактериям прорваться через эпителиальный барьер. Агрессивная антибиотикотерапия в сочетании с трансплантацией микробиоты может помочь восстановить микробный баланс на этой стадии.   АММП — ассоциированный с микроорганизмами молекулярный паттерн. Источник: Sabrina Tamburini, Nan Shen, Han Chih Wu & Jose C Clemente. The microbiome in early life: implications for health outcomes. Nature Medicine 22, 713–722 (2016).

 

Однако, у детей раннего возраста длительное применение антибиотиков имеет значительный риск осложнений. Состав микрофлоры также можно изменить посредством диетотерапии, употребляя продукты, которые способствуют росту «полезных» микроорганизмов. Одним из примеров подобной диеты является специфическое энтеральное питание, применяемое в качестве симптоматической терапии болезни Крона у детей. Оно представляет собой специфические смеси всех необходимых микро- и макронутриентов и потому может выступать в течение длительного времени единственным источником. Оно подается исключительно в виде жидкостей — перорально, либо через зонд — и способствует достижению клинической ремиссии за счет снижения функциональной нагрузки на воспалённый кишечник, уменьшения травматизации и создания своеобразного “режима покоя” для дистальных отделов желудочно-кишечного тракта (77).

Исследования в области дефицита питания продемонстрировали, что на сегодняшний день невозможно, используя диетотерапию, эффективно повлиять на состав микробиома, хотя изучение влияния характера питания на микрофлору продолжается.

Учитывая то, какое значительное влияние на здоровье оказывает микрофлора в раннем детстве, весьма актуальными являются профилактические методы, направленные на восстановление микробиома. Недавно было установлено, что микрофлору новорожденных, появившихся на свет посредством кесарева сечения, можно восстановить до состояния, схожего с младенцами, родившимися естественным путем. Омывание детей, рожденных оперативным путем, тампонами, которые были введены за час до родов во влагалище матери, приводило к значительному обогащению их микробиома Lactobacillus и Bacteroides. Правда до конца не выяснены возможные последствия данной процедуры для здоровья (76).

Микробиом кишечника можно рассматривать как целый отдельный орган нашего тела. В отличие от остальных органов, микробиом мы приобретаем при рождении, и то, каким он будет — зависит от множества факторов.Но одно можно сказать наверняка: он будет уникальным, непохожим ни на какой другой микробиом любого другого человека. Это практически такой же уникальный признак, как папиллярные линии и сетчатка глаза. И подобно тому, как отпечатки пальцев могут рассказать следователям криминальную историю преступника, так микробиом кишечника может рассказать ученым практически всю жизнь организма своего хозяина. И как нельзя лучше процесс колонизации микрофлоры и его значимость для организма отражает знаменитая пословица: что посеешь, то и пожнешь. Берегите свой микробиом и будьте здоровы!

 

Список литературы

1. Hooper LV, Littman DR, Macpherson AJ. Interactions between the microbiota and the immune system. Science 2012; 336: 1268–73.
2. Mayer EA, Knight R, Mazmanian SK, Cryan JF, Tillisch K. Gut microbes and the brain: paradigm shift in neuroscience. J Neurosci 2014; 34: 15490–96.
3. Rajilic-Stojanovic, M., Heilig, H. G., Molenaar, D., Kajander, K., Surakka, A., Smidt, H., et al. (2009). Development and application of the human intestinal tract chip, a phylogenetic microarray: analysis of universally conserved phylotypes in the abundant microbiota of young and elderly adults. Environ. Microbiol. 11, 1736–1751.
4. Ardissone A. N., de la Cruz D. M., Davis-Richardson A. G., Rechcigl K. T., Li N., Drew J. C., Murgas-Torrazza R., Sharma R., Hudak M. L., Triplett E. W., Neu J. Meconium microbiome analysis identifies bacteria correlated with premature birth. PLoS One. 2014; 9: e90784.
5. Moles L., Gomez M., Heilig H. et al. Bacterial diversity in meconium of preterm neonates and evolution of their fecal microbiota during the first month of life. PLoS One. 2013; 8: e66986.
6. Rautava, S., Kainonen, E., Salminen, S., and Isolauri, E. (2012b). Maternal probiotic supplementation during pregnancy and breast-feeding reduces the risk of eczema in the infant. J. Allergy Clin. Immunol. 130, 1355–1360.
7. Dominguez-Bello, M. G., Costello, E. K., Contreras, M., Magris, M., Hidalgo, G., Fierer, N., et al. (2010). Delivery mode shapes the acquisition and structure of the initial microbiota across multiple body habitats in newborns. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 107, 11971–11975.
8. Satokari, R., Grönroos, T., Laitinen, K., Salminen, S. & Isolauri, E. Bifidobacterium and Lactobacillus DNA in the human placenta. Lett. Appl. Microbiol. 48, 8–12 (2009).
9. Aagaard, K. et al. The placenta harbors a unique microbiome. Sci. Transl. Med. 6, 237ra265 (2014).
10. Oh, K.J. et al. Detection of ureaplasmas by the polymerase chain reaction in the amniotic fluid of patients with cervical insufficiency. J. Perinat. Med. 38, 261–268 (2010).
11. DiGiulio, D.B. et al. Microbial prevalence, diversity and abundance in amniotic fluid during preterm labor: a molecular and culture-based investigation. PLoS One 3, e3056 (2008)
12. Jiménez, E. et al. Isolation of commensal bacteria from umbilical cord blood of healthy neonates born by cesarean section. Curr. Microbiol. 51, 270–274 (2005).
13. Jiménez, E. et al. Is meconium from healthy newborns actually sterile? Res. Microbiol. 159, 187–193 (2008).
14. Hu, J. et al. Diversified microbiota of meconium is affected by maternal diabetes status. PLoS One 8, e78257 (2013).
15. Jimenez E., Marin M. L., Martin R., Odriozola J. M., Olivares M., Xaus J., Fernandez L., Rodriguez J. M. Is meconium from healthy newborns actually sterile? Res Microbiol. 2008; 159: 187–193.
16. Mackie R., Sghir A., Gaskins R. Developmental microbial ecology of the neonatal gastrointestinal tract. Am J Clin Nutr. 1999; 69: 1035S–1045S.
17. Ravel, J. et al. Vaginal microbiome of reproductive-age women. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 108 Suppl 1, 4680–4687 (2011).
18. Vaginal bacteria species can raise HIV infection risk and undermine prevention. Sciencemag
19. Witkin, S.S. & Ledger, W.J. Complexities of the uniquely human vagina. Sci. Transl. Med. 4, 132fs11 (2012)
20. Mackie, R. I., Sghir, A., and Gaskins, H. R. (1999). Developmental microbial ecology of the neonatal gastrointestinal tract. Am. J. Clin. Nutr. 69, 1035S–1045S.
21. Backhed, F., Roswall, J., Peng, Y., Feng, Q., Jia, H., Kovatcheva-Datchary, P., et al. (2015). Dynamics and stabilization of the human gut microbiome during the first year of life. Cell Host Microbe 17, 690–703.
22. MacIntyre, D. A., Chandiramani, M., Lee, Y. S., Kindinger, L., Smith, A., Angelopoulos, N., et al. (2015). The vaginal microbiome during pregnancy and the postpartum period in a European population. Sci. Rep. 5:8988.
23. Jakobsson, H. E., Abrahamsson, T. R., Jenmalm, M. C., Harris, K., Quince, C., Jernberg, C., et al. (2014). Decreased gut microbiota diversity, delayed Bacteroidetes colonisation and reduced Th1 responses in infants delivered by caesarean section. Gut 63, 559–566.
24. Backhed, F., Roswall, J., Peng, Y., Feng, Q., Jia, H., Kovatcheva-Datchary, P., et al. (2015). Dynamics and stabilization of the human gut microbiome during the first year of life. Cell Host Microbe 17, 690–703.
25. Insoft RM, Sanderson IS, Walker WA. The development of immune function within the human intestine and its role in neonatal diseases. Pediatr Clin North Am 1996;43:551–71.
26. Butte N, Lopez-Alarcon M, Garza C. Nutrient adequacy of exclusive breastfeeding for the term infant during the first six months of life. Geneva, Switzerland: World Health Organization, 2002.
27. WHO Collaborative Study Team on the Role of Breastfeeding in the Prevention of Infant Mortality. Effect of breastfeeding on infant and childhood mortality due to infectious diseases in less developed countries: a pooled analysis. Lancet, 2000, 355:451-5.
28. Horta BL, Victora CG. Long-term effects of breastfeeding: a systematic review. Geneva: World Health Organization, 2013
29. Horta BL, de Mola CL, Victora CG. Long-term consequences of breastfeeding on cholesterol, obesity, systolic blood pressure, and type-2 diabetes: systematic review and meta-analysis. Acta Paediatr Suppl 2015; 104: 30–37.
30. Dorr H, Sittel I. Bacteriological examination of human milk and its relation to mastitis.Zentralbl Gynakol 1953;75:1833–5.
31. Dorr H, Sittel I. Bacteriological examination of human milk and its relation to mastitis.Zentralbl Gynakol 1953;75:1833–5.
32. Martín R, Langa S, Reviriego C, et al. Human milk is a source of lactic acid bacteria for the infant gut. J Pediatr 2003;143:754–8.
33. Azad MB, Konya T, Maughan H, et al. Gut microbiota of healthy Canadian infants: profi les by mode of delivery and infant diet at 4 months. CMAJ 2013; 185: 385–94.
34. Yatsunenko T, Rey FE, Manary MJ, et al. Human gut microbiome viewed across age and geography. Nature 2012; 486: 222–27.
35. Gura T. Nature’s fi rst functional food. Science 2014; 345: 747–49.
36. De Leoz ML, Kalanetra KM, Bokulich NA, et al. Human milk glycomics and gut microbial genomics in infant feces show a correlation between human milk oligosaccharides and gut microbiota: a proof-of-concept study. J Proteome Res 2015; 14: 491–502.
37. Hooper LV, Littman DR, Macpherson AJ. Interactions between the microbiota and the immune system. Science 2012; 336: 1268–73.
38. Bourges D, Meurens F, Berri M, et al. New insights into the dual recruitment of IgA+ B cells in the developing mammary gland. Mol Immunol 2008; 45: 3354–62.
39. Latuga MS, Stuebe A, Seed PC. A review of the source and function of microbiota in breast milk. Semin Reprod Med 2014; 32: 68–73.
40. M. Susan LaTuga, MD, MSPH Alison Stuebe, MD, MSc Patrick C. Seed, MD, PhD. A Review of the Source and Function of Microbiota in Breast Milk. Semin Reprod Med 2014;32:68–73.
41. Hunt KM, Foster JA, Forney LJ, et al. Characterization of the diversity and temporal stability of bacterial communities in human milk. PLoS ONE 2011;6(6):e21313
42. Lif Holgerson P, Harnevik L, Hernell O, Tanner AC, Johansson I. Mode of birth delivery affects oral microbiota in infants. J Dent Res 2011;90(10):1183–1188
43. Cabrera-Rubio R, Collado MC, Laitinen K, Salminen S, Isolauri E, Mira A. The human milk microbiome changes over lactation and is shaped by maternal weight and mode of delivery. Am J Clin Nutr 2012;96(3):544–551
44. Hunt, K. M., Foster, J. A., Forney, L. J., Schutte, U. M., Beck, D. L., Abdo, Z., et al. (2011). Characterization of the diversity and temporal stability of bacterial communities in human milk. PLoS ONE 6:e21313.
45. Cabrera-Rubio, R., Collado, M. C., Laitinen, K., Salminen, S., Isolauri, E., and Mira, A. (2012). The human milk microbiome changes over lactation and is shaped by maternal weight and mode of delivery. Am. J. Clin. Nutr. 96, 544–551.
46. Cabrera-Rubio, R., Collado, M. C., Laitinen, K., Salminen, S., Isolauri, E., and Mira, A. (2012). The human milk microbiome changes over lactation and is shaped by maternal weight and mode of delivery. Am. J. Clin. Nutr. 96, 544–551.
47. Valles, Y., Artacho, A., Pascual-Garcia, A., Ferrus, M. L., Gosalbes, M. J., Abellan, J. J., et al. (2014). Microbial succession in the gut: directional trends of taxonomic and functional change in a birth cohort of Spanish infants. PLoS Genet. 10:e1004406.
48. Backhed, F., Roswall, J., Peng, Y., Feng, Q., Jia, H., Kovatcheva-Datchary, P., et al. (2015). Dynamics and stabilization of the human gut microbiome during the first year of life. Cell Host Microbe 17, 690–703.
49. Artis D. Epithelial-cell recognition of commensal bacteria and maintenance of immune homeostasis in the gut. Nat Rev Immunol 2008;8:411–20.
50. McAuley JL, Linden SK, Png CW, et al. MUC1 cell surface mucin is a critical element of the mucosal barrier to infection. J Clin Invest 2007;117:2313–24.
51. Shen L, Turner JR. Role of epithelial cells in initiation and propagation of intestinal inflammation. Eliminating the static: tight junction dynamics exposed. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol 2006;290:G577–82.
52. Hooper LV, Wong MH, Thelin A, Hansson L, Falk PG, Gordon JI. Molecular analysis of commensal host-microbial relationships in the intestine. Science 2001;291:881–4.
53. Vijay-Kumar M, Aitken JD, Carvalho FA, et al. Metabolic syndrome and altered gut microbiota in mice lacking toll-like receptor 5. Science 2010;328:228–31.
54. Round JL, Mazmanian SK. The gut microbiota shapes intestinal responses during health and disease. Nat Rev Immunol 2009;9:313–23.
55. O’Hara AM, Shanahan F. Gut microbiota: mining for therapeutic potential. Clin Gastroenterol Hepatol 2007;5:274–84.
56. Abreu MT, Fukata M, Arditi M. TLR signaling in the gut in health and disease. J Immunol2005;174:4453–60.
57. Claud EC, Lu L, Anton PM, Savidge T, Walker WA, Cherayil BJ. Developmentally-regulated IκB expression in intestinal epithelium and susceptibility to flagellin-induced inflammation.Proc Natl Acad Sci USA 2004;101:7404–8
58. Mazmanian SK, Kasper DL. The love–hate relationship between bacterial polysaccharides and the host immune system. Nat Rev Immunol 2006;6:849–58.
59. Atarashi K, Tanoue T, Shima T, et al. Induction of colonic regulatory T cells by indigenousClostridium species. Science 2011;331:337–41.
60. Kozyrskyj, A.L., Ernst, P. & Becker, A.B. Increased risk of childhood asthma from antibiotic use in early life. Chest 131, 1753–1759 (2007).
61. Risnes, K.R., Belanger, K., Murk, W. & Bracken, M.B. Antibiotic exposure by 6 months, and asthma and allergy at 6 years: findings in a cohort of 1,401 US children. Am. J. Epidemiol. 173, 310–318 (2011).
62. Hoskin-Parr, L., Teyhan, A., Blocker, A. & Henderson, A.J. Antibiotic exposure in the first 2 years of life and development of asthma and other allergic diseases by 7.5 years: a dose-dependent relationship. Pediatr. Allergy Immunol. 24, 762–771 (2013).
63. Bailey, L.C. et al. Association of antibiotics in infancy with early childhood obesity. JAMA Pediatr. 168, 1063–1069 (2014). 46. Mikkelsen, K.H., Knop, F.K., Frost, M., Hallas, J. & Pottegård, A. Use of antibiotics and risk of type 2 diabetes: a population-based case-control study. J. Clin. Endocrinol. Metab. 100, 3633–3640 (2015).
64. Metsälä, J. et al. Mother’s and offspring’s use of antibiotics, and infant allergy to cow’s milk. Epidemiology 24, 303–309 (2013).
65. Kronman, M.P., Zaoutis, T.E., Haynes, K., Feng, R. & Coffin, S.E. Antibiotic exposure and IBD development among children: a population-based cohort study. Pediatrics 130, e794–e803 (2012).
66. Braegger, C. et al. Supplementation of infant formula with probiotics and/or prebiotics: a systematic review and comment by the ESPGHAN committee on nutrition. J. Pediatr. Gastroenterol. Nutr. 52, 238–250 (2011)
67. Panduru, M., Panduru, N.M., Sălăvăstru, C.M. & Tiplica, G.S. Probiotics and primary prevention of atopic dermatitis: a meta-analysis of randomized controlled studies. J. Eur. Acad. Dermatol. Venereol. 29, 232–242 (2015).
68. Foolad, N., Brezinski, E.A., Chase, E.P. & Armstrong, A.W. Effect of nutrient supplementation on atopic dermatitis in children: a systematic review of probiotics, prebiotics, formula and fatty acids. JAMA Dermatol. 149, 350–355 (2013).
69. Doege, K. et al. Impact of maternal supplementation with probiotics during pregnancy on atopic eczema in childhood—a meta-analysis. Br. J. Nutr. 107, 1–6 (2012).
70. Kim, S.-O. et al. Effects of probiotics for the treatment of atopic dermatitis: a meta-analysis of randomized controlled trials. Ann. Allergy Asthma Immunol. 113, 217–226 (2014).
71. Savino, F. et al. Lactobacillus reuteri DSM 17938 in infantile colic: a randomized, double-blind, placebo-controlled trial. Pediatrics 126, e526–e533 (2010)
72. Song, S.J. et al. Cohabiting family members share microbiota with one another and with their dogs. eLife 2, e00458 (2013).
73. Sjögren, Y.M., Jenmalm, M.C., Böttcher, M.F., Björkstén, B. & Sverremark-Ekström, E. Altered early infant gut microbiota in children developing allergy up to 5 years of age. Clin. Exp. Allergy 39, 518–526 (2009).
74. Normand, A.C. et al. Airborne cultivable microflora and microbial transfer in farm buildings and rural dwellings. Occup. Environ. Med. 68, 849–855 (2011).
75. Ownby, D.R., Johnson, C.C. & Peterson, E.L. Exposure to dogs and cats in the first year of life and risk of allergic sensitization at 6 to 7 years of age. J. Am. Med. Assoc. 288, 963–972 (2002).
76. Dominguez-Bello, M.G. et al. Partial restoration of the microbiota of cesarean-born infants via vaginal microbial transfer. Nat. Med. 22, 250–253 (2016).
77. Е. И. Ткаченко, С. В. Иванов, Т. Н. Жигалова, С. И. Ситкин .Энтеральное питание при язвенном колите.
78. Jiménez, E. et al. Is meconium from healthy newborns actually sterile? Res. Microbiol. 159, 187–193 (2008).