Медиатека

Как снаружи, так и изнутри наши тела покрыты разнообразными микроорганизмами. Совокупность всех микроорганизмов, обитающих в нашем теле, называется микробиомом. Это, по сути, орган, образованный микроколониями бактерий, грибов, вирусов, простейших и продуцируемых ими метаболитов. Ранее исследования, связанные с микробиомами, было сложно производить в силу того, что может быть культивирован чрезвычайно малый процент микроорганизмов. Однако за последние 15 лет понимание значения микробиома человека изменилось благодаря развитию технологий секвенирования и анализа метагеномов. И пусть эта область знаний только начала развиваться, она уже позволяет анализировать возрастные изменения, выявлять заболевания, а в перспективе – избавляться от них.

Немного о количествах

Может показаться, что микробов в нашем организме очень мало – в силу своего размера они составляют всего 4-8 кг от среднестатистического веса человека ¹. Однако при этом соотношение клеток микробов к нашим собственным клеткам равно 1,3 к 1. Наивысшая заселенность наблюдается в кишечнике, наименьшая – в желудке.

Получается, мы не совсем люди? Существует термин «голобионт» – симбиоз человека и микробов. Учёные даже шутят, что когда мы принимаем душ, то становимся более «человечными», ведь смываем часть микроорганизмов с кожи.

Кожа служит барьером, предотвращающим проникновение патогенных микроорганизмов, однако на ее поверхности живут сотни родов бактерий и грибов. При патологиях определенный род начинает доминировать. Например, при атопическом дерматите преобладает Malassezia ².

В ротовой полости бактерии аккумулируются в биопленках, что позволяет им прикрепляться к зубной эмали и противостоять антимикробным соединениям. Слюна играет ключевую роль в поддержании гомеостаза данных организмов. При нормальных условиях микробиота ротовой полости находится в равновесных симбиотических отношениях с нашим организмом, ведь микробиом ограничивает рост и прикрепление патогенов, в то время как наша среда позволяет микроорганизмам процветать.

Влияние микробиома на наше здоровье

Микробиота играет важную роль в обмене веществ, развитии, дифференцировке, колонизационной резистентности эпителия и формировании адаптивной иммунной системы. Она обеспечивает синтез витаминов, метаболизм пищевых компонентов, холестерина, желчных кислот. Кроме того, микробиота кишечника может синтезировать антимикробные соединения, такие как органические кислоты, перекиси водорода, а также ограничивать рост других микробов за счет конкуренции за источники питания ³.

Заселенность пищевого тракта зачастую определяется первыми годами жизни и типом рождения. Более подробно распределение и биоразнообразие микробиоты показано на рисунке 1.

Рис.1. Биоразнообразие микробиоты в различных органах.

Микробиом влияет на многие процессы в нашем организме. Например, он может влиять на усваиваемость определенных продуктов и позволяет получать вещества, которые наш организм не может произвести сам. К ним относятся витамины В12 и короткие жирные кислоты, которые регулируют липидный и углеводный обмен в печени и активируют моторику кишки, будучи субстратами для глюконеогенеза и липидогенеза.

Также микробиом играет роль в развитии иммунитета, защищает нас от патогенов. В последние годы стали появляться доказательства связи состава микробиома с различными заболеваниями – от хронических воспалений и нарушений метаболизма, до диабета, аутизма, атеросклероза, неврологических расстройств, рака и ожирения.

Интересно, что по сей день не существует понятия «нормальной» микробиоты, так как её состав индивидуален и меняется в течение жизни в силу возраста, пола, места обитания, типа питания и прочих факторов. Состав микробиома может приводить к увеличению энергетической ценности пищи за счет бактериальной ферментации нутриентов. Это влияет на аппетит, метаболизм ксенобиотиков, желчных кислот, витаминов, липидов и гомеостаза глюкозы ⁴.

Микробиом и канцерогенез

Состав микробиоты может влиять на канцерогенез тремя основными путями:

• нарушение пролиферации и смерти раковых клеток;
• регуляция функций иммунной системы;
• влияние на метаболизм хозяина.

Однако по данным международного агентства исследования рака только 10 «микробов» были описаны как канцерогенные. Такие микроорганизмы могут секретировать белки или факторы, способствующие пролиферации клеток хозяина, и влиять на его иммунную систему, в том числе вызывая острые или хронические воспаления, что может привести к канцерогенезу ⁵.

Важность микробиома

Наш микробиом активно формируется в течение первых нескольких лет жизни – с «молоком матери», под влиянием окружающей среды и других факторов. В локальное равновесие микробиом приходит к 3 годам.

Генетическое разнообразие микробиоты весьма высоко, что позволяет привносить дополнительные ферментативные пути, влияя на функционирование организма ⁶. Однако, в отличии от человеческого набора генов, микробиота обладает пластичностью – ее состав может быстро меняться, реагируя на рацион, инфекции, антибиотики, иммунитет. Таким образом, микробиота обеспечивает лучшую адаптацию организма к неблагоприятным факторам.

Употребление пищи с высоким содержанием пищевых волокон приводит к увеличению числа бактерий, ферментирующих растительные волокна с образованием бутирата. Для людей на высокобелковой диете характерно увеличение активности протеолитических бактерий, таких как Вacteroides spp ⁷. Диета, богатая жирами, приводит к синтезу большого числа желчных кислот – способствует размножению бактерий, которые их метаболизируют, но угнетает размножение других видов. То есть преобладание в пищевом рационе белков, жиров и углеводов детерменирует развитие определенных видов бактерий в составе микробиоты толстой кишки.

Интересные применения

Трансплантация кала от близнецов разных весовых категорий безмикробным мышам в 2013 году стала первой попыткой применить знания, накопленные в результате анализа микробиомов, на практике ⁸. Как и предполагалось, мышь, которой пересадили фекалии худого человека, осталась худой, в то время как другая поправилась, несмотря на одинаковую диету. И пусть изучение микробиома началось сравнительно недавно, учёные уже добились внушительных результатов. Например, путём пересадки кала они научились избавлять людей от кластридий C. difficile, которые вызывают серьезную диарею с возможностью летального исхода ⁹.

Другое исследование говорит о том, что даже такое врожденное, казалось бы, качество, как темперамент младенца, может зависеть от того, принадлежит ли большинство бактерий в его кишечнике к одному роду. Например, чем больше бифидобактерий, тем жизнерадостнее ребенок.

Учёные также обнаружили, что в кале бегунов-марафонцев содержалось большее кол-во Veillonella atypica по сравнению с контрольной группой. Veillonella обладает уникальным метаболизмом. Любимый источник энергии для нее – лактат, соль молочной кислоты. Veillonella разлагает вырабатываемый мышцами лактат в организме спортсмена, то есть вводя ее штаммы людям, далеким от профессионального спорта, можно повышать их выносливость. Такой эксперимент провели на мышах и выяснили, что мыши, «зараженные» данным микроорганизмом, бегали заметно дольше, чем контрольные зверьки, а значит, микробиом может играть важнейшую роль в поддержании работоспособности ¹⁰.

Литература

1. Sender R. et al. Revised estimates for the number of human and bacteria cells in the body. PLOS Biology, 2016.

2. Glatz M. et al. The role of malassezia spp in atopic dermatitis. Journal of Clinical Medicine, 2015.

3. Nagpal R. et al. Human-origin probiotic cocktail increases short-chain fatty acid production via modulation of mice and human gut microbiome. Scientific Reports, 2018.

4. Jacobson D.K. et al. Analysis of global human gut metagenomes shows that metabolic resilience potential for short-chain fatty acid production is strongly influenced by lifestyle. Scientific Reports, 2021.

5. Mager D.L. Bacteria and cancer: Cause, coincidence or cure? A review. Journal of Translational Medicine, 2006.

6. Andreu V.P., Augustijn H.E., Chen L., Zhernakova A., Fu J., Fischbach M.A., Dodd D., Medema M.H. A systematic analysis of metabolic pathways in the human gut microbiota. bioRxiv, 2021.

7. Wu S. et al. Effect of Dietary Protein and Processing on Gut Microbiota—A Systematic Review. Nutrients, 2022.

8. Ridaura V.K. et al. Cultured gut microbiota from twins discordant for obesity modulate adiposity and metabolic phenotypes in mice. Science, 2013.

9. Starr J. Clostridium difficile associated diarrhoea: Diagnosis and treatment. BMJ, 2005.

10. Scheiman J. et al. Meta-omics analysis of elite athletes identifies a performance-enhancing microbe that functions via lactate metabolism. Nature Medicine, 2019.