Влияние рациона питания на состав кишечной микробиоты

Существует 10–100 триллионов микробов, которые живут в симбиозе с людьми, образуя экосистему из бактерий, вирусов, архей и грибов [1–3]. В совокупности эти микроскопические организмы образуют микробиоту человека, которая находится на коже, во рту, кишечнике и на других поверхностях слизистых оболочек. Аналогичным образом, термин «микробиом» относится и к генам, которые содержат эти клетки, число которых примерно в 100 раз больше, чем в геноме человека [4–7]. Компонент микробиоты, который представляет наибольший интерес исследователей – это желудочнокишечный тракт, на сегодняшний день интенсивно изучаемый из-за его глубокой связи с различными аспектами развития и жизни индивида, такими как созревание иммунной системы, интеллектуальное развитие и возникновение различных патологий. Метагеномный анализ на основе последовательности всего генома и секвенирование гена 16S рРНК (рибонуклеиновая кислота) позволили установить богатство и разнообразие видов бактерий, а несколько вычислительных инструментов были использованы для описания и сравнения микробных сообществ [8–11].

Микробиота кишечника млекопитающих заметно отличается от других свободноживущих сообществ, не связанных со средой обитания животных, что свидетельствует о сильном избирательном воздействии на структуру микробиоты млекопитающих [12]. У людей доминирующими типами являются Bacteroidetes, Firmicutes, Actinobacteria, Proteobacteria, Fusobacteria и Ver-rucomicrobia , причем два типа, Firmicutes и Bacteroidetes , – составляют 90% микробиоты кишечника [2, 13]. К типу Firmicutes относятся более 200 различных родов, включая Lactobacillus, Bacillus, Clostridium, Enterococcus и Ruminicoccus , к актинобактериям – род Bifidobacteria . Между тем, к типу протеобактерий относятся энтеробактерии ( Escherichia coli и другие родственные виды).

Микробиота кишечника варьируется в зависимости от анатомических областей кишечника. У здоровых взрослых людей пищевод имеет лишь незначительное бактериальное загрязнение, а желудок практически стерилен при рН <3,0. Однако в некоторых ситуациях, как, например, в связи с очень частым использованием в настоящее время препаратов-ингибиторов протонной помпы (ИПП), наблюдается распространение Helicobacter pylori , энтерококка, стрептококка, стафилококка и потенциально патогенной кишечной палочки Escherichia coli [13]. В двенадцатиперстной кишке концентрация бактерий поддерживается на низком уровне благодаря бактерицидному действию желчи. Примерно в 50% случаев натощак эта концентрация

Несмотря на вариабельность состава кишечной микробиоты, функциональные гены весьма схожи у разных индивидуумов, что было подчеркнуто серией исследований с участием очень больших популяций [5, 15]. Основные функции кишечной микробиоты включают центральные метаболические пути и пути, участвующие в важных функциях кишечника, включая метаболизм углеводов и аминокислот. Не все пути представлены в ядре, и группировка генов по широким функциональным категориям может маскировать значимые межиндивидуальные различия в функциях, которые происходят в более мелких масштабах. Различные функции, ограниченные видом или штаммом, включая островки патогенности, катаболизм витаминов и лекарственных препаратов, подвижность и перенос питательных веществ, являются значимыми целями для индивидуальных программ питания и терапевтических стратегий. Многие гены экспрессируются только при определенных условиях. Например, гены, участвующие в углеводном метаболизме и выработке энергии, выражены на более высоких уровнях, чем предсказывалось по данным метагенома, что подчеркивает важность этих процессов в кишечнике [17].

В западных странах за последние двадцать лет внимание исследователей было сосредоточено не на патогенных бактериях, а на микробиоте внешне здоровых людей, поскольку к настоящему времени стало ясно, что правильное функционирование кишечной системы, удаление токсичных веществ и правильное использование питательных веществ зависят от кишечной микробиоты. Более того, наличие оси кишечник – мозг определяет благополучие организма в целом [18].

Ковалева Т.С. и др. Вестник ВГУИТ, 2024, Т. 86, №. 3, С. 51-58 Влияние рациона питания на микробиоту кишечника человека

Питание оказывает краткосрочные и долгосрочные влияния на микробные колонии, совершая глубокое воздействие на здоровье человека. Фактически изменения микробиоты, вызванные питанием, постепенно ассоциируются не только с физиологией человека, но и с хроническими заболеваниями, включая ожирение, иммунные, метаболические и воспалительные заболевания кишечника [19–21]. Вышеуказанные изменения могли бы частично объяснить и предсказать межиндивидуальную изменчивость реакции на питание [22]. В настоящее время взаимодействие рациона питания и микробиоты начинает рассматриваться с целью построения индивидуальных режимов питания для лечения и профилактики некоторых расстройств или, проще говоря, для обеспечения здорового образа жизни [23].

Взаимодействие рациона питания с микробиотой человека возникает при рождении, когда младенцам вводят олигосахариды грудного молока [24]. Было обнаружено, что энтеробактерии появляются в первые месяцы жизни (3–14 месяцев), еще ранее – у младенцев, находящихся на искусственном вскармливании, и остаются до 3–4-летнего возраста [25]. Аналогичным образом, Bifidobacterium более многочисленны в микробиоте кишечника детей, чем у взрослых, и могут постепенно уменьшаться в зрелом возрасте [26]. В Африке, где детей часто преждевременно отлучают от груди, детская микробиота очень похожа на микробиоту взрослых, рацион которых, как известно, беден животным белком. В течение первых нескольких лет микробиота кишечника влияет на созревание иммунной системы, усвоение питательных веществ и метаболизм, а также предотвращает колонизацию патогенами [26]. На протяжении всей жизни разнообразие микробиоты существенно увеличивается при введении твердой пищи, в то время как с возрастом оно, напротив, снижается, главным образом у пациентов, находящихся на длительном лечении, с выраженной слабостью и сопутствующими заболеваниями, вероятно, из-за уменьшения разнообразия рациона. Кроме того, среди пожилых людей наблюдалась большая вариабельность состава микробиоты, что делает его эффективным биомаркером старения [27–29].

Питательные вещества могут непосредственно влиять на микробиоту кишечника, стимулируя или ингибируя рост микроорганизмов, косвенно влияющих на метаболизм человека и его иммунную систему (таблица 1) или пассивно присоединяя к микробиоте определенных представителей, получаемых из пищи, таких как грибы Candida, Penicillium и бактерии, продуцирующие молочную кислоту [30,31]. Сообщалось, что потребление макронутриентов может изменить структуру микробиоты в течение дня, демонстрируя тем самым, что она способна очень быстро реагировать на пищевые вмешательства. Однако эта реакция оказалась временной, поскольку вызванные питанием микробные изменения исчезают сразу после прекращения приема пищи [21, 32, 33]. В этом контексте фундаментальную роль играют не только сроки приема пищи и компоненты, но и циркадные колебания микробиома кишечника и пищевые привычки [34–37]. В экспериментах по неограниченному высокожировому питанию мышей выявилось, что отсутствие суточных колебаний относительной численности Bacteroidetes и Fir-micutes и доступ к пище с высоким содержанием жиров в темную фазу лишь частично восстанавливают микробные колебания [34, 36]. Более того, ограничение питания либо светлой фазой, либо темной фазой спасает от флуктуаций микробного состава кишечника мышей с нокаутом Реr1 и Реr2, отражая, таким образом, зависящий от времени метаболический профиль и своевременную доступность питательных веществ для бактерий [38]. В нескольких исследованиях сообщалось, что обычное питание оказывает большее влияние на микробиоту кишечника, чем стратегии острого приема пищи. Эффективным примером являются различия в составе микробиоты между африканскими детьми из деревни Burkina Faso, где преобладает рацион с высоким содержанием клетчатки, и городскими европейскими детьми, которые питаются по западному образцу, богатому животными белками / жирами. Африканцы продемонстрировали обогащение Bacteroidetes и истощение Firmicutes с уникальным изобилием бактерий из рода Prevotella и Xylanibacter, содержащих гены, гидролизующие целлюлозы и ксиланы, полностью отсутствующие у европейцев. Кроме того, энтеробактерии (Shigella и Escherichia) были значительно «недопредставлены» у африканцев. Эти данные свидетельствуют о том, что микробиота кишечника развивалась параллельно с обогащенным полисахаридами рационом питания африканцев, позволяя им получать максимальную энергию из клетчатки [39].

Структурные и когортные исследования также сообщили о влиянии питания на микробиоту в зависимости от географической локализации, урбанизации и сезонного цикла [40, 41].

Таблица 1.

Обзор отдельных родов и видов бактерий кишечника, на которые обычно влияет рацион питания

An overview of the individual genera and species of gut bacteria that are commonly affected by diet

Table 1.

Бактерии Bacteria	Основные характеристики Main characteristics	Сопутствующие физиологические изменения Associated physiological changes	Сопутствующие болезненные состояния Associated painful conditions
1	2	3	4
Bifidobacterium spp.	Грамположительный облигатный анаэроб, разветвленный, неподвижный Gram-positive obligate anaerobe, branched, immobile	Выработка короткоцепочечных жирных кислот (КЦЖК), улучшение барьера слизистой оболочки кишечника, снижение уровня кишечного липополисахарида (ЛПС) Production of short-chain fatty acids (SCFAs), improvement of intestinal mucosal barrier, reduction of intestinal lipopolysaccharide (LPS) levels	Снижение распространенности ожирения Reducing the prevalence of obesity
Lactobacillus spp.	Грамположительный факультативный анаэроб палочковидной формы Gram-positive facultative anaerobe, bacilliform, variable motility	Производство КЦЖК, противовоспалительная и противоопухолевая активности SCFAs production, anti-inflammatory and antitumor activities	Уменьшение воспалительных заболеваний кишечника (ВЗК) Decrease in inflammatory bowel disease (IBD)
Bacteroides spp.	Грамотрицательный облигатный анаэроб палочковидной формы, изменчивой подвижности Gram-negative obligate anaerobe, bacilliform, variable motility	Активация СD4 + Т -клеток: клеток иммунной системы, которые еще не встречались с антигеном (любое вещество или микроорганизм, которые организм рассматривает как чужеродное или потенциально опасное) Activation of CD4+ T cells: immune system cells that have not yet encountered an antigen (any substance or microorganism that the body views as foreign or potentially harmful)	Повышение распространенности ВЗК Increased prevalence of IBD
Alistipes spp.	Грамотрицательный облигатный анаэроб палочковидной формы, устойчивый к желчи и продуцирующий пигмент Gram-negative obligate bacilliform anaerobe, resistant to bile and producing pigment		Обнаружен в тканях при остром аппендиците, периректальных абсцессах и абсцессах головного мозга Found in tissues from acute appendicitis, perirectal abscesses and brain abscesses
Bilophila spp.	Грамотрицательный облигатный анаэроб, положительный к уреазе, резистентный к желчи, положительный к каталазе Gram-negative obligate anaerobe, urease positive, bile resistant, catalase positive	Способствует развитию провоспалительного иммунитета Тh1 (вида Т-клеток, которые выполняют функции регулирования процессов работы других клеток иммунной системы) Promotes Th1 pro-inflammatory immunity (a type of T-cell that functions to regulate the processes of other immune system cells)	Bilophila wadsworthia наблюдается при колите, перфоративном и гангренозном аппендиците, абсцессах печени и мягких тканей, холецистите, эмпиеме, остеомиелите и др. Bilophila wadsworthia is seen in colitis, perforative and gangrenous appendicitis, liver and soft tissue abscesses, cholecystitis, empyema, osteomyelitis, etc.
Clostridium spp.	Грамположительный облигатный анаэроб палочковидной формы, спорообразующий Gram-positive obligate anaerobe, bacilliform, spore-forming	Способствует выработке Тh17-клеток (являются важнейшими участниками борьбы с внеклеточными паразитами и играют ключевую роль в течении ряда патологий) Promotes the production of Th17 cells (they are the most important participants in the fight against extracellular parasites and play a key role in the course of a number of pathologies).	Некоторые виды являются патогенными, вызывая столбняк, ботулизм, газовую гангрену или псевдомембранозный колит Some species are pathogenic, causing tetanus, botulism, gas gangrene or pseudomembranous colitis
Roseburia spp.	Грамположительный облигатный анаэроб изогнутой палочковидной формы, подвижный Gram-positive obligate anaerobe, curved bacilliform, motile	Производство КЦЖК Production of SCFAs	Снижение распространенности ВЗК Reducing the prevalence of IBD

Kovaleva T.S. et al. Proceedings of VSUET, 2024, vol. 86, no. 3, pp. 51-58                post@vestnik-vsuet.ru

Продолжение таблицы 1 | Continuation of table 1

Ковалева Т.С. и др. Вестник ВГУИТ, 2024, Т. 86, №. 3, С. 51-58                    post@vestnik-vsuet.ru

В широком спектре исследований в области питания сообщалось о влиянии на состав и функцию микробиоты кишечника микро-и макронутриентов, таких как углеводы, новые пищевые компоненты, пищевые добавки, а также рационов питания с высоким содержанием жира/ клетчатки; с низким содержанием жира/клет-чатки; с высоким содержанием клетчатки; с высоким или низким содержанием белков, фруктов и овощей [20–23, 42]. Расщепление углеводов является предпочтительным источником энергии для кишечной микробиоты, количество углеводного питания зависит от многих факторов, таких как размер порции, химическая структура, пищевая матрица и способ приготовления, форма пищи, скорость переваривания, кишечный транзит, наличие ингибиторов ферментов (например, дубильных веществ) [43]. Некоторые виды бактерий связаны с потреблением углеводов, о чем свидетельствует тот факт, что низкое содержание углеводов приводит к прогрессирующему снижению количества бифидобактерий у лиц, страдающих ожирением [44]. Употребление витамина D у людей было связано со снижением уровня циркулирующего бактериального липополисахарида и обилием копрококков и бифидобактерий, а также с увеличением количества Prevotella [22, 45]. Добавление к рациону питания Омега-3 полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК) вызывает снижение Faecalibacterium , часто ассоциируется с увеличением Bacteroidetes и продуцирующих бутират бактерий, принадлежащих к семейству Lachno-spiraceae , а также с увеличением выработки противовоспалительных соединений, таких как короткоцепочечные жирные кислоты [46]. Пищевые белки служат основным источником азота для роста колоний микроорганизмов в толстой кишке, необходимы для усвоения углеводов бактериями и производства полезных продуктов, включая короткоцепочечные жирные кислоты. Кетогенная диета изменяет таксоны бактерий, их богатство и разнообразие, тем самым оказывая нейропротекторное действие, влияет на потерю веса, увеличивая продолжительность жизни и уменьшая возникновение различных заболеваний [47]. Диета с высоким содержанием жиров у здоровых людей связана с повышением и снижением уровней Alistipes, Bacteroidetes и Fae-calibacterium соответственно, а также с изменениями, связанными с сердечно-сосудистыми и метаболическими заболеваниями [23].

Средиземноморская диета преимущественно ассоциируется с низким соотношением Firmicutes: Bacteroidetes и с высокой выработкой короткоцепочечных жирных кислот [48]. У веганов и вегетарианцев значительно выше количество определенных таксономических единиц, связанных с Bacteroidetes, по сравнению со всеядными [49]. Клетчатка более последовательно увеличивает количество молочнокислых бактерий, таких как Ruminococcus, E. rectale и Roseburia, и уменьшает численность видов Clostridium и Enterococcus. В частности, было обнаружено, что диета на основе цельнозерновой пшеницы в течение 12 недель повышала уровень пропионата в плазме крови натощак, что было связано с низкими концентрациями инсулина после приема пищи [50]. Несколько исследований продемонстрировали увеличение разнообразия и / или изобилия микробиоты после употребления цельнозерновых волокон с эффектом от 24 ч до 52 недель [51,52]. У крыс с ожирением добавление к питанию рисовых отрубей, обогащенных гамма-аминомасляной кислотой (ГАМК), способствовало увеличению массы тела и резистентности к инсулину, вызванные диетой с высоким содержанием жиров, а также нарушением энергетического обмена. Питание, содержащее обогащенные ГАМК рисовые отруби, стимулировало выработку бутирата и пропионата, способствуя развитию Anaerostipes, Anaerostipes sp. [53]. Полифенолы, содержащиеся в основном во фруктах, овощах, злаках, увеличивают количество бифидо- и лактобацилл, обеспечивая таким образом антипатогенный и противовоспалительный эффекты и защиту сердечно-сосудистой системы [22, 23, 54]. Наконец, нездоровая пища или, в любом случае, продукты промышленного производства, богатые консервантами, добавками, сахарами и солью, но бедные растворимой и нерастворимой клетчаткой, негативно влияют на микробиоту [22, 55, 56].

Заключение

Взаимосвязь между здоровьем человека, кишечной микробиотой и питанием представляет собой одну из наиболее перспективных и сложных тем для исследователей. Действительно, микробиота представляет собой динамичное сообщество, претерпевающее изменения в соответствии с пищевыми привычками на протяжении всей жизни человека и обладает большим метаболическим потенциалом, способным воздействовать на фармакологические мишени и биологически активные соединения.

Достоверные и уникальные биомаркеры здоровой микробиоты все еще не идентифицированы. Действительно, общепринятое во всем мире определение «модели здоровой микробиоты», которое связывает всю информацию о структуре микробиоты, факторах окружающей среды, рационе питания человека и метаболизме, все еще отсутствует. В будущих исследованиях следует рассмотреть эффективность и применение нескольких подходов, включая потенциальные эффекты трансплантации пребиотиков, пробиотиков, метабиотиков и фекальной микробиоты.

Однако, несмотря на заманчивость, перспективность вышеуказанных подходов все еще ограничена пробелами в литературе, которые еще не углубили причинно-следственные связи между микробиотой кишечника и заболеваниями на молекулярном уровне и не подтвердили их безопасность, поскольку они могут оказывать как полезные, так и негативные эффекты в зависимости от клинического контекста и индивидуальных различий.