Современные представления о микробиоме и его роли в регуляции обменных процессов, сохранении здоровья и работоспособности

Микробиом – постоянно действующая сложноорганизованная экосистема кишечника, осуществляющая регуляцию органов и систем организма. Поэтому микробиом позиционируют как второй мозг человека и определяют его функции в оси микробиота – кишечник – мозг.

Состав микробиома, его взаимодействие со слизистой и метаболическим пулом кишечника и определяет функциональное состояние иммунной системы, потребностей в пищевых веществах и энергии на всем протяжении онтогенетического развития организма.

Ось микробиота – кишечник – мозг определяет широкий ряд взаимодействий в линии микробиота кишечника – центральная нервная система и как следствие эндокринные, иммунные и нервные сигнальные пути. В настоящее время в научном сообществе сформировался определенный интерес к вкладу оси в развитие нервной системы и психическое здоровье человека.

Формирование благоприятного консорциума кишечной микрофлоры может быть достигнуто за счет включения в рационы питания продуктов специализированного назначения с доказанной уровнем адекватности для минимизации проблем нутритивных состояний. Содержащиеся в рационах питания нутриенты, в том числе эссенциальные, поддерживают кишечный гомеостаз на необходимом физиологическом уровне и способствуют отбору жизнеспособных микроорганизмов, обладающих генетической памятью для метабо-лизации биологически адекватных компонентов. Кроме того, следует учитывать, что от количества и качества поступивших с пищей макро- и микронутриентов зависит биологическая активность и соотношения продуцируемых микроорганизмами метаболитов, что формирует тесную взаимосвязь в оси питание – микробиом – здоровье человека. Микробиом занимает важные позиции в регуляции иммунитета, поддерживает энергетический и адаптационные резервы организма человека, защищая организм от инфекций и возможных патологических изменений, обеспечивая здоровье современного человека [1–4].

Нарушения в питании могут провоцировать дисбиотические изменения микробиома и приводить к различным нежелательным по- следствиям обмена белков, жиров, углеводов и незаменимых микронутриентов [5, 6].

Целью данной работы явилось проведение анализа имеющийся в открытых источниках информации в области современных представлений о микробиоме, описание инновационных биотехнологических решений, направленных на сохранение симбиотических консорциумов микроорганизмов и обеспечение их гарантированной активности.

Долгое время при изучении механизмов влияния микроорганизмов на мозг и поведение человека недостаточно уделялось внимания на систему связей, которые позволяют бактериям непосредственно участвовать в регулировании биологических реакций хозяина. Следует отметить особую роль регуляторов метаболизма, синтезируемых микробиотой кишечника – короткоцепочечных жирных кислот, нейрональных, иммунных эффекторов и др.

Характеристика микробиома взрослого человека

Нормальный микробиом характеризуется следующими основными признаками:

• –    участие в метаболизме поступающих с пищей контаминатов, обмене макро- и микронутриентов;

• –    отсутствие системных воспалительных процессов, повышенного сбора и передачи энергии микрофлоры микробиоте хозяина;

• –    формирование качественного и количественного состава КЦ ЖК, осуществляющих контроль индукции иммунных белков и им-муноцитов, глюконеорогенеза и липогенеза посредством передачи сигналов на рецепторы органов и систем организмов. Немаловажным признаком является энергетическое обеспечение колоноцитов;

• –    наличие антогонизма защитной микрофлоры в отношении кишечных патогенов.

В табл. 1 представлен комплекс характеристик микробного консорциума (иммуннометаболических, токсономических, популяционных), являющихся критерием оценки кишечной микрофлоры здорового человека.

Значение представленных характеристик определены путем их исследования в биологических субстратах и жидкостях [7–20].

В составе кишечного микробиома присутствуют от 1 до 2 тысяч операционных таксономических единиц (ОТЕ), из них культивируемых видов не более 40 %.

Таблица 1

Характеристики микробного сообщества кишечника (микробиоты) здорового взрослого человека [6]

№ п/п	Показатели	Значения
1	2	3
Таксонометрические и популяционные характеристики
1	Метагеномная характеристика сообщества в ранге филумов (филотипов); соотношение в ДНК, выделенной из содержимого кишечника, %	Наличие 7 основных филотипов Firmicutes. Bacteroidetes. Acti nobacteria. Proteohacteria. Verrucomicrobia. Fusobacteria. Euryarchaeota (Methanobacteraeota) Соотношение Bacteroidetes: Firmicutes (индекс В / F) – 1,7–6,0
2	Наличие в составе микробиоты представителей основного микробиома (таксонов в ранге рода и вида, % и диапазон содержания, lg КОЕ/г кала) соотношение в ДНК, выделенной из содержимого кишечника (индекс Bjr 1 Fprau)	Роды и виды Bifidobacteria, Atopobium, Lactobacillus, Bacteroides spp., в т. ч. В. fragilis, Bacteroides thetaiotaomicron, Parabacteroides, Prevotella, Alistipes spp., Faecalibacterium prausnitzii, Blautis, Dorea, Ruminococcus, Rose-buria, Coprococcus, Clostridium spp. (кроме C perfringens, C. botulinum), Lachnobacterium, Anaerostipes, Enterococcus, Escherichia coli. Akkermansia spp., Methanobrevihacter smithii ) Соотношение видов Bacteroides fragilis : Faecalibacterium prausnitzii – не более 1,3
3	Встречаемость условнопатогенных и патогенных микроорганизмов (% и диапазон содержания, lg КОЕ/г кала)	Не должны присутствовать: С. difficile, Salmonella spp., Shigella spp., Klebsiella spp., Pseudomonadaceae, Staphylococcus aureus, Bacillus cereus. Campylobacter coli & jejuni & lari, Helicobacter pylori, Listeria monocytogenes; Могут выделяться транзиторно: Fusobacterium spp., Candida spp ., в количестве не более 4
4	Уровень α -разнообразия (число видов кишечной микробиоты индивида)	Индекс Пиелу – более 0,4
	оказатели активности защитных и факультативных популяций (маркеры антагонизма)
5	Кислотообразование у бифидобактерий (ед. pH в среде культивирования первой генерации)	Не более 4,5
6	Гемолитическая активность аэробных и анаэробных микроорганизмов, %	Число КОЕ с признаками гемолиза эритроцитов в среде культивирования – менее 10 % от общего количества КОЕ/г кала
Иммунологические и метаболические характеристики копрофильтрата
7	Содержание КЦЖК, в том числе ацетата (А), пропионата (П), бутирата (Б)	мМоль/л, Σ	соотношение А: П: Б
		50–150	3:1:1
8	Концентрация аммиака фекальные аминокислоты и их производные, частота обнаружения, %, не более	β - аспартилглицин γ -аминоуксусная β -аспартиллизин β -аланин 5-аминовалериановая γ -аминоизомасляная	0 0 0–10 0–5 0–10 0–10

Окончание табл. 1

1	2	3
9	Концентрация секреторного IgA, мг/л	в пределах 0–50
10	Суммарная антилизоцимная, антииммуноглобулиновая и антиннтерфероновая активности (индекс ингибирования тест-культур, частота обнаружения, %)
11	Кислотность содержимого толстой кишки, ед pH	от 7,0 до 7,5

Таблица 2

Филумы кишечного микробиома здоровых взрослых людей, % в общем пуле идентифицированных таксонов [6]

Превалирующие филумы (суммарно ~ 95 %)		Субдоминантные филумы (суммарно до 5 %)
Филум	Характеристика	Филум	Характеристика
Firmicutes (фирмикуты)	Грамположительные бактерии с толстой клеточной стенкой, образующие и не образующие спор ( ~ 52 %)	Verrucomicrabia (веррукомикро-биа)	Муциндеградирующие анаэробные бактерии
Bacteroidetes (бактероидеты)	Грамотрицательные неспорообразующие облигатные анаэробные бактерии ( ~ 23 %)	Euryarchaeota (эуархеоты)	Метаногенные, водород-утилизирующие бесспоровые археи
Proteobaeteria (протеобакте-рии)	Грамотрицательные неспорообразующие аэробные, факультативно-анаэробные и анаэробные бактерии с внешней ЛПС-мембраной( ~ 12 %)	Fusobacteria ( фузобактерии)	Грамотрицательные полиморфные анаэробные бактерии
Actinobacteria (актинобактерии)	Грамположительные анаэробные и микроаэрофильные бактерии (~ 7-8 %)	Cyanobacteria (цианобактерии)	Одноклеточные синезеленые водоросли

В основной микробиоте, которая выявляется практически у всех групп населения, ОТЕ представлены около 160 видами таксонов, которые характеризуют ее неизменность, индивидуальность и биоразнообразие [8, 21].

Состав и соотношение микробных популяций микробиоты изменяются в различные периоды жизни человека и могут зависеть от характера питания, заболеваний и последствий их лечения.

Основой микробиоты кишечника являются 4 бактериальных филума Firmicutes (F), Bacteroidetes (В), Proteobacteria (Р) и Actinobacteria (А) (более 95 % идентифицированных таксонов). Филумы Fusobacteria, Ver-rucomicrobia, Euryarchaeotae и Cyanobacteria характеризуются как субдоминантные и составляют не более 5 % (табл. 2). Доля других сообществ, способных быть как симбионтами, так и паразитами человека (грибы, вирусы, гельминты, простейшие), находится на уровне ~ 0,2 [22–26].

Ниже представлена характеристика основных филумов кишечного микробиома.

Firmicutes. В состав этого филума включены отдельные представители видов и родов, обладающие разным типом питания. Типичными представителями являются Eubacteria, Lactobacillus, Clostridium, Lachnobacterium, Roseburia, Faecalibacteria, Blautia, Dorea, Bacillus, Mycoplasma, Streptococcus, Enterococcus, Leuconostoc, Staphylococcus spp. Занимают ключевые позиции в метаболизме нерастворимых полисахаридов, других сложных углеводов и не утилизированного белка в верхних отделах ЖКТ.

Bacteroidetes. Идентифицированы четыре класса: Bacteroidia (Bacteroides, Prevotella, Porphyromonas, Alistipes spp.), Flavobacteriia (Flavobacterium sp.), Cytophagia (Carnocyto-phaga, Odoribacter), Sphingobacteriia (Sphingo-bacterium sp.) , которые продуцируют медиаторы метаболиты, принимают участие в об-

мене аминокислот, белков, холина и желчных кислот, а также деградации полисахаридов. [27,28].

Actinobacteria. Распространены следующие виды Bifidobacterium, Propionibacterium, Corynebacterium, Frankia, Arthrobacter, Micrococcus, Mycobacterium, их значительную часть составляют сахаролитики, обеспечивающие гидролиз сложных углеводов, в том числе мукополисахарид, другие представители выполняют роль фактора колонизационной резистентности слизистой кишечника (образова-тели гликокаликса) [26].

Proteobacteria. В составе филума, наряду с симбионтами, находятся патогенные и условно патогенные микроорганизмы с разными типами питания и морфоформами. Они используют белки и аминокислоты в качестве сложных веществ и простые вещества – моносахара, аммоний и цитраты. При помощи анализа протеобактерии классифицируют на 6 классов: Alpha-, Beta-, Gamma-, Delta-, Epsilon- и Zeta. Класс Alpha составляют виды, осуществляющие спиртовое брожение, в состав Beta входят нитрификаторы, Gamma – метанотрофы. Для микробиоты имеют также значение семейства Enterobacteriaceae, Vibrionaceae, Pseudomonadaceae. Delta класс составляют анаэробные железобактерии и сульфат-редукторы, Epsilon классу принадлежат возбудители инфекций C. jejuni и H. pylori и сульфаспириллы, потребляющие водород и серу в качестве источника энергии [29].

К субдоминантным филумам относятся некультивируемые группы бактерий – Fusobacteria, которые представлены 11 родами и семействами Fusobacteriaceae и Lepto-trichiaceae. В состав Verrucomicrobia входит 18 родов, из которых Akkermansia (A. muci-niphila) и Prosthecobacter sp., утилизируют муцин (гликопротеид) и различные сахара. Euryarchaeota включает экстремофилы: термококки, галобактерии, метанококки, метано-

бактеры, археоглобы, и др.), всего 8 классов архей. Утилизацию водорода, образующегося при гидролизе углеводов, обеспечивают не-культивируемые археи - продуценты метана, представителями которых является Methano-brevibacter. Cyanobacteria - бактерии, постоянно присутствующие в кишечнике и осуществляющие фиксацию атмосферного азота.

Между филумами (таксономическими группами микроорганизмов) кишечного микробиома существуют определенные взаимодействия, связанные с обеспечением взаимных трофических путей обмена. В этой связи формирование структуры микробного консорциума зависит от количества и качественного состава потребляемого человеком нутриента, который, поступая в ЖКТ, трансформируется в различные метаболиты при участии микробных и эукариотических сообществ. Оценка состояния микробиома в зависимости от особенностей питания может быть дана с учетом таксономических вариаций филумов и биоразнообразия микроорганизмов.

Для определения совместного функционального состояния и нутриома применяется информативный маркер - соотношение между численностью филумов Bacteroidtes и Firmicutes (индекс «B:F»). Модификация это- го индекса происходит только при изменении характера питания [30, 31].

Кишечная микробиота обладает следующими свойствами:

• -    Защитный биологический барьер в кишечнике и стимуляция иммунной системы. Эти свойства обеспечивают колонизационную резистентность и адаптацию организма к внешним факторам окружающей среды. Механизм этих процессов заключается во взаимодействии микроорганизмов с различного рода химическими соединениями и антигенами (мембранными, соматическими жгутиковыми, капсульными), вырабатываемыми лимфоидным аппаратом и эпителиальными клетками кишечника. При этом экспрессируются ответные реакции различных уровней обмена веществ [26, 32-35].

• -    Способность облигатной микрофлоры образовывать на поверхности слизистой кишечника биопленку. Входящие в ее состав муцин и экзополисахариды, наряду с бактериями, обеспечивают закрытие рецепторов для адгезии на эпителиоцитах.

• -    Формирование неблагоприятной для патогенных микроорганизмов среды путем участия грамположительных представителей нормофлоры в закислении кишечного содержимого, выделения веществ, в том числе бак-

• териоцинов, обладающих антагонистической активностью в отношении рассматриваемой функции.

  – Выработка и поддержка гумарального иммунитета (локального, системного) и противовоспалительного статуса за счет влияния грамотрицательной микрофлоры (главным образом E.Coli) [36–39].

Следует отметить, что возникновение дис-биозов может привести к нарушению защитного барьера, из просвета кишечника в кровоток могут проникать различные токсины, появляется риск возникновения системных воспалений, неинфекционных патологий и алиментарно-зависимых заболеваний. В табл. 3 даны представители кишечной микробиоты с направленным функциональным потенциалом.

В процессе своей жизнедеятельности микробиом кишечника продуцирует многочисленные биологически активные метаболиты: витамины, ферменты, аминокислоты, нейрохимические соединения, дереваты желчных кислот и др. Ключевые позиции занимает образование эссенсеальных короткоцепочечных жирных кислот (КЦЖК) – бутирата, ацетата, пропионата [40, 41]. Поступая в кровоток КЦЖК выполняют роль сигнальных молекул, осуществляющих регуляцию процессов метаболизма белков, жиров и углеводов, обмена энергией и клеточного иммунитета.

Немаловажное значение имеет влияние КЦЖК на формирование антиканцерогенных и противоспалительных свойств микробиома [39, 42–46].

КЦЖК, взаимодействуя с катаболитами криптофана, гамма-аминомаслянной кислотой, серотонином, другими нейроактивными молекулами – продуцентами микрофлоры, регулируют поведенческие, секреторные и двигательные реакции центральной нервной системы за счет функционирования оси «кишечник – мозг» [41, 47, 48].

Рассмотренные выше справочнометодические основы в области микробиома и его роли в регуляции обменных процессов могут иметь важное значение при разработке биотехнологических продуктов специализированного назначения на основе микроорганизмов и их метаболитов.

Стратегическими направлениями в этом векторе прикладной биотехнологии являются:

• –    взаимоотношение пищи и микробиома человека, что реализуется через лечебнопрофилактические рационы, функциональные

пищевые продукты, нутрицевтики и фармаконутриенты;

• –    фундаментальные и прикладные исследования про-, пре- и метабиотиков, раскрытие механизмов их влияния на обмен веществ по направлениям метаболической детоксикации, редукционной и аддитивной коррекции возможных нарушений. Выявление причин, путей профилактики и комплексного лечения метаболических заболеваний (сердечнососудистых, диабета, дегенеративных изменений и др.);

• –    поиск новых бактериальных метафильтратов и ультрализатов, положительно влияющих на рост нормальной микрофлоры и регуляцию биоценоза кишечника, повышающих иммунитет, угнетающих рост грибов, патогенных и условно-патогенных микроорганизмов;

• –    разработка природных детоксикантов, предназначенных для связывания и выведения из организма эндотоксинов, продуктов распада и гниения, аллергенов, тяжелых металлов, радионуклидов, других ксенобиотиков;

• –    накопление музейных (промышленных) штаммов бактерий с направленными функциональными свойствами, отличающихся быстрым ростом, высокой численностью при культивировании, фагоустойчивостью и жизнеспособностью.

Эти направления реализуются совместной работой с индустриальным партнером компанией «АртЛайф» (г. Томск) с получением биотехнологической продукции, медицинских доказательств ее эффективности и свидетельств о государственной регистрации [49, 50].

К эксклюзивным особенностям разрабатываемых биотехнологий относятся:

Таблица 3

Функциональный потенциал представителей кишечной микробиоты

Филумы	Популяции и виды
	С противовоспалительным потенциалом	С воспалительным потенциалом	С патогенным потенциалом
	Апатогенные, проявляющие защитные, регуляторные и пробиотические свойства	Сапрофитные и условнопатогенные, проявляющие протеолитические, гемолитические свойства, способность к продукции токсических факторов	Облигатно патогенные, обладающие паразитическими, инвазивными свойствами и факторами агрессии
Firmicutes	Faecalibacteriит prausnitzii, Lactobacillus, Pediococcus, Leuconostoc, Lactococcus, Streptococcus thermophilus. Enterococcus dutrans, Roseburia hominis, Ruminococcus spp., Lachnoclostridium spp., Eubacterium reclate &  hallii, Coprococcus spp.	Staphylococcus, Listeria spp., Streptococcus pyogenes, Streptococcus pneumoniae, Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, Blautia, Panimonas micra, VeilIonella, Peptococcus spp.	Listeria monocytogenes, Bacillus anthrасis, Bacillus cereus, C.perfringens, C. difficile, C. tetani, C. septicum
Proteobac teria	E. coli {с нормальной ферментативной активностью), Wolinella	Sulterella, Bilophila spp., Pseudomonadaceae, Цитратассимилирующиe бактерии: Klebsiella. Citrobacter, Enterobacter, Serratia. Edwardsiella, Cronobacter, атипичные E. coli. Campylobacter, Sulfurospirillum, Pasteurel laceae, Burkholderia, Haemophilus spp.	Vibrio cholerae, Yersinia enterocolitica, Campylobacter coli & jejuni & lari, Helicobacter pylori., энте-ропатогенные Е. coli, Salmonella, Shigella spp.
Aclinobacteria	Bifidobacterium spp. Collinsella inteslinales	Alopohium species Propionibacterium sp.	–
Verrucomi crobia	–	Akkermansia muciniphila	–
Euryarchaeota	–	Methanobrevibacter smithii	–
Fusobacteria	–	Fusobacterium sp.	–