ruminococcus spp что это

Ruminococcus callidus

Ruminococcus callidus представляет собой вид грамположительных бактерий. Они являются неподвижными и аспорогенными. Они являются постоянной и нормальной частью человеческой микробиоты. Располагаются в толстой кишке человека. Они могут существовать и вести жизнедеятельность в форме цепочек разной длины. Иногда успешно существуют парами. Изменение их количества в отклонении от нормы может свидетельствовать о наличии серьезных проблем или быть предвестником заболевания.

Особенности рода Ruminococcus

Такие бактерии выполняют несколько функций, среди которых: накопление в цитоплазме резервного йодофильного полимера глюкозы, расщепление целлюлозы и выполнение других аналогичных задач в человеческом организме, так что бактерии из этой группы являются важными участниками обменных процессов в человеческом теле и даже индикаторами, по которым можно определить его состояние. Самая большая концентрация в человеческом кишечнике предусматривается для Ruminococcus bromii и Ruminococcus callidus.

В данном роде присутствует несколько бактерий, которые требуют дополнительной переклассификации. Это вызвано постоянными новыми исследованиями и определением нюансов жизнедеятельности и других особенностей отдельных видов таких бактерий, на основании которых получается выделить их в отдельную группу.

Первым из этого рода был обнаружен Ruminococcus bromii, который присутствует в человеческом кишечнике. Он был найден там еще в 1972 году. С тех пор было проведено много исследований и ученые пришли к выводу, что данная бактерия является нормальной частью человеческой микробиоты и не несет никакой опасности. По количеству и концентрации данной бактерии можно понять наличие или отсутствие отклонения от нормы.

Недавние исследования показали, что у людей с воспалительными заболеваниями кишечника наблюдается меньшая концентрация бактерий R. albus, R. callidus, и R. bromii. В некоторых случаях лечение направлено на их увеличение, или же оно происходит естественным путем и отслеживается после окончания успешного процесса терапии, что также принципиально важно для пациентов.

Уменьшение количества Ruminococcus может свидетельствовать не только о проблемах с кишечником. Иногда это прямой признак наличия болезни Паркинсона. Конкретно Ruminococcus gnavus напрямую связывают с болезнью Крона.

Источник

Кортизол в сыворотке опосредует отношение между микробиомом и мозгом

МИКРОБЫ В КИШЕЧНИКЕ МОГУТ «ОБЩАТЬСЯ» С МОЗГОМ ЧЕРЕЗ КОРТИЗОЛ

Кортизол в сыворотке крови опосредует отношения между содержанием фекального штамма ruminococcus в толстой кишке и мозговой концентрацией N-Ацетиласпартата у поросят.

Недавние исследования показывают, что микробы в кишечнике могут повлиять на здоровье человека, поведение и некоторые неврологические расстройства, такие как аутизм. Но как они поддерживают связь с мозгом? Результаты нового исследования специалистов из Иллинойсского университета показали, что это происходит между определенными кишечными бактериями и метаболитами посредством соединения в крови, известного как кортизол.

Исследования проводились на 1-месячных поросятах, которые удивительно похожи на человеческих младенцев, с точки зрения схожести их кишечника и развитию мозга. Учёные впервые определили относительное содержание бактерий в кале в привязке с изменением количественной концентрации некоторых веществ в крови и в мозге.

В частности, основываясь на своих первоначальных анализах, исследователи хотели бы знать, существуют ли трехсторонние отношения между концентрацией штамма ruminococcus, кортизола, и НАА?

Чтобы исследовать это, учёные использовали статистический подход, известный как «mediation analysis», и обнаружили, что кортизол в сыворотке крови опосредует взаимосвязь между обилием фекальных штаммов ruminococcus и мозговой концентрацией НАА у молодого порсёнка. Другими словами, похоже, что штамм ruminococcus косвенно общается с мозгом и вносит в него изменения посредством кортизола.

Прим. ред.: в работе отмечается, что повышение концентрации штамма ruminococcus предсказывает понижение НАА; Повышение концентрации штамма ruminococcus предсказывает понижение концентрации уровня кортизола; Более низкие уровни кортизола были связаны с более низкими уровнями НАА (подробности исследования см. в источнике).

«Этот обнаруженный посредник (кортизол) интересен еще и тем, что однозначно показывает, как микробиота кишечника может вести общение с мозгом. Он может быть использован в качестве основы для подготовки будущих исследований, которые поддерживают этот предложенный механизм,» говорит Райан Н. Дилгер, один из группы исследователей.

Дилгер добавляет: «мы признаем, что такой подход ограничивается только использованием прогнозных моделей. Поэтому следующим шагом является получение эмпирических данных в клинических условиях…».

Источник: ScienceDaily

Статья в журнале:

Источник

Бактерии ЖКТ: Бактероидеты, Фирмикуты и др.

КЛАССИФИКАЦИЯ ЖЕЛУДОЧНО-КИШЕЧНОЙ МИКРОБИОТЫ

ФИРМИКУТЫ , БАКТЕРОИДИЕТЫ и ДРУГИЕ

СОДЕРЖАНИЕ:

Резюме

В разделе речь пойдет об уже выявленных представителях наиболее распространенных таксономических типов в составе микробиома человека. Вопросам же непосредственного (технического) выявления (обнаружения и идентификации) микроорганизмов посвящены такие разделы сайта как « метагеномный анализ микробиоты » и « секвенирование биополимеров ». В любом случае это все взаимосвязанные понятия, объединенные задачей систематизации микроорганизмов и получения знаний об их функциональных характеристиках

Историческая перспектива

Люди, как и другие высшие организмы, живут в симбиозе совместно со своей микробиотой (Backhed et al., 2005). Большинство человеческих микроорганизмов находятся в желудочно-кишечном тракте, где, помимо того, что способствуют пищеварению, они выполняют и другие различные функции, которые важны для человека-хозяина. Эти функции включают в себя производство витаминов, формирование иммунной системы, связь с клетками кишечника и даже модуляцию поведения хозяина (Backhed et al., 2005; Cryan & Dinan, 2012; Rajili c-Stojanovi c, 2013). Первое сообщение о живых существах в желудочно-кишечном тракте человека датируется 1681 годом, когда голландский натуралист и конструктор микроскопов Антони ван Левенгук сообщил о разнообразных «маленьких животных» в своем образце стула и определили то, что сейчас называют лямблиями (Giardia spp.) при диарее (Dobell, 1932). Прошло почти два столетия, прежде чем появились первые подробные описания чистых культур желудочно-кишечных микроорганизмов, наиболее ранним из которых является описание кишечного паразита эукариального Pentatrichomonas hominis (в то время называемого Trichomonas hominis) Казимира Давейна в 1854 году (Hemmeter, 1902). Поскольку P. hominis, как и другие кишечные эукарии, имеет очень низкую распространенность, это открытие не вызвало дальнейшего анализа желудочно-кишечной микробиоты. Тем не менее, интенсивные исследования желудочно-кишечной микробиоты последовали за первым культивированием кишечной бактерии, теперь известной как Escherichia coli (кишечная палочка). С исторической точки зрения это и некоторые другие события, которые называют поворотными моментами, могут быть признаны как повлиявшие на открытие компонентов желудочно-кишечной микробиоты. И эти поворотные моменты очевидны, если учитывать количество описанных видов желудочно-кишечного тракта с точки зрения времени (см. рис. 1).

Первый поворотный момент отмечает описание желудочно-кишечной бактерии, которая представляет собой выделение Bacterium coli commune (позднее переименованное в E. coli), немецким педиатром Теодором Эшерихом (Theodor Escherich) в 1885 году (Shulman et al., 2007). Исследования, которые последовали вскоре после этого, привели к описанию представителей ряда основных желудочно-кишечных бактериальных групп, в том числе родов Bacteroides, Bifidobacterium и Bacillus, а также протеолитических кокков (Flügge, 1886; Veillon & Zuber, 1898; Moro, 1900; Tissier, 1900; Passini, 1905; Tissier, 1908; Distaso, 1911). В течение этого периода, который продолжался до конца шестидесятых годов 20-го века, Bifidobacterium и Bacteroides spp. считались доминирующими группами в желудочно-кишечном тракте человека. Аэробы, называемые колиформами, стрептококками и лактобациллами, были обнаружены в качестве второстепенных групп, в то время как клостридии, стафилококки и спорообразующие анаэробы были зарегистрированы как редкие и не всегда выявляемые (Haenel, 1970). Однако в настоящее время известно, что подавляющее большинство желудочно-кишечных микроорганизмов являются строгими анаэробами, и это было впервые показано в 1931 году (Sanborn, 1931). Таким образом, ранние исследования культивирования предоставили только частичное представление о желудочно-кишечной микробиоте и позволили выделить только меньшинство (10–25%) желудочно-кишечных микроорганизмов (Finegold, 1969).

Рис. 1. Графическое представление совокупного числа культивируемых видов из бактерий, архей и эукарий из желудочно-кишечного тракта человека в зависимости от времени. Стрелками указаны поворотные точки исследования микробиоты желудочно-кишечного тракта: (1) выделение первых видов желудочно-кишечных бактерий, (2) внедрение строго анаэробных методов и (3) внедрение молекулярных методов в области исследования микробиоты желудочно-кишечного тракта.

Усовершенствование методов анаэробного культивирования Робертом Хунгейтом (Hungate, 1969) ознаменовало второй поворотный момент в исследовании желудочно-кишечной микробиоты, примерно 50 лет назад (рис. 1). В этот второй период исследований микробиоты желудочно-кишечного тракта, который продолжался с начала семидесятых годов до молекулярной революции в начале этого столетия (рис. 1), было признано, что в микробиоте желудочно-кишечного тракта преобладают виды бактерий, принадлежащих к следующие родам: Bacteroides, Clostridium, Eubacterium, Veillonella, Ruminococcus, Bifidobacterium, Fusobacterium, Lactobacillus, Peptostreptococcus и Peptococcus (Moore & Holdeman, 1974a). Используя строгие анаэробные методы, по сообщениям, можно было культивировать до 88% общего микроскопического количества в пробах фекалий (Moore & Holdeman, 1974a). Однако из-за огромной сложности желудочно-кишечной микробиоты многие из сотен изолятов не были охарактеризованы выше уровня родов (Finegold et al., 1974; Moore & Holdeman, 1974a; Benno et al., 1986). Более того, поскольку обработка даже одного образца дала огромное количество различных изолятов, было физически невозможно сравнить их все и дать полное описание на основе морфологических, биохимических и физиологических характеристик, которые можно было определить в то время (Moore & Holdeman 1974b). Следовательно, из-за этих технических ограничений желудочно-кишечная микробиота оставалась только частично охарактеризованной.

Наконец, третий поворотный момент в исследовании микробиоты желудочно-кишечного тракта можно объяснить введением молекулярных методов около десятка лет назад (рис. 1). Они включают в себя глобальные и независимые от культуры исследования, основанные на анализе последовательности малой субъединичной рибосомальной РНК (SSU рРНК), которая обеспечила молекулярную основу для микробной таксономии, которая используется в настоящее время (Woese et al., 1990). Однако сложность микробной экосистемы желудочно-кишечного тракта препятствует быстрому применению методов, основанных на SSU рРНК, а также (мета) геномики (Zoetendal et al., 2008). Таким образом, первое исследование желудочно-кишечного тракта с использованием последовательностей SSU рРНК имело дело с одной взрослой выборкой (Wilson & Blitchington, 1996). Последующие исследования на основе SSU рРНК у нескольких взрослых продемонстрировали индивидуальность, временную стабильность и штаммоспецифичность кишечной микробиоты с разнообразием, которое только частично было учтено в исследованиях, основанных на культивировании (Zoetendal et al., 1998; Suau et al., 1999; Zoetendal et al. al., 2001). Эти новые открытия вызвали возрождение научного интереса к желудочно-кишечной микробиоте, который первоначально сравнивался с эпохой Возрождения (Tannock, 1999). Тем не менее, последующие годы показали, что это было скорее революцией, которая включила метагеномы и характеристики целого генома (Nelson et al., 2010; Qin et al., 2010; Brown et al., 2013).

В сочетании с исследованиями, основанными на культивировании, анализ последовательностей генов SSU рРНК в качестве филогенетических маркеров позволил быстро идентифицировать новые желудочно-кишечные изоляты и продемонстрировал необходимость реклассификации многих видов. Кроме того, секвенирование генов SSU рРНК позволили обнаружить еще не культивируемые микроорганизмы и их филогенетическое расположение. Наконец, область исследований расширилась до другого измерения с применением высокопроизводительных подходов, включая секвенирование следующего поколения ( NGS ) последовательностей генов SSU рРНК или всего геномного материала (Zoetendal et al., 2008). В результате последних метагеномных анализов были получены исходные данные из более чем 3 миллионов, в основном бактериальных, генов, присутствующих в желудочно-кишечном тракте человека (Qin et al., 2010; Brown et al., 2013), и продемонстрировано, что большинство желудочно-кишечных микроорганизмов содержат геномы, которые не еще не охарактеризованы (Qin et al., 2010; Le Chatelier et al., 2013).

Современный взгляд на состав микробиоты ЖКТ

Обширный период изучения желудочно-кишечной микробиоты, ее сложности и различий между индивидуумами породил огромное количество информации, которая разбросана по литературе. Чтобы объединить знания о желудочно-кишечной микробиоте, накопленные с момента ее открытия, исследователи провели поиск публикаций, охватывающих более века (рис. 1). Они нашли ссылки, которые связывают желудочно-кишечную микробиоту человека с 1057 видами микроорганизмов кишечника, относящимися к Eukarya (92), Archaea (8) и бактериям (957). Эти виды были проанализированы в программной базе данных ARB последовательностей SSU рРНК (Pruesse et al., 2007). Представленные здесь филогенетические деревья были извлечены из эталонного филогенетического дерева базы данных SILVA (Yarza et al., 2008). Из этого филогенетического и литературного анализа становится ясно, что бактерии, которые группируются в типах Actinobacteria, Bacteroidetes, Firmicutes и Proteobacteria, являются самыми разнообразными и многочисленными микроорганизмами в желудочно-кишечном тракте взрослого человека (Рис.2.).

Рис. 2. Филогенетическое древо микробиоты желудочно-кишечного тракта человека. Цифры в скобках указывают количество культивируемых видов, приведенных в каждом типе. Круговые диаграммы иллюстрируют распределение между числом видов с полной последовательностью генома (полные секторы), числом видов с частичной последовательностью генома (полузакрытые секторы) и числом видов без какой-либо последовательности генома (пустые секторы), приведенных для Архей ( Archaea ), домена Эукарий (Eukarya) и для каждого типа Бактерий. Цвет круговых диаграмм соответствует цвету филогенетического дерева.

Исследование микробиоты желудочно-кишечного тракта является очень динамичным, и за последнее десятилетие было обнаружено или описано 239 новых видов микроорганизмов желудочно-кишечного тракта, что подтверждает ранее высказанное мнение о том, что большинство ЖКТ-микробов являются культивируемыми, но еще не культивируются. В то время как традиционные среды и стратегии культивирования эффективны для получения новых видов в составе Actinobacteria, Bacteroidetes, Firmicutes и Proteobacteria phyla, для выявления желудочно-кишечных представителей типов Verrucomicrobia и Lentisphaerae необходимы разработка специфических сред и подходов к культивированию (Zoetendal et al., 2003; Derrien et al., 2004). Это говорит о том, что для культивирования желудочно-кишечных микроорганизмов, принадлежащих к типу, в которых отсутствуют какие-либо культивируемые представители кишечника человека (например, тип-кандидат TM7 или род Oscillospira), следует разработать и применить альтернативные и творческие подходы к культивированию. Некоторые новые и многообещающие разработки включают использование высокопроизводительного твердофазного роста (Ingham et al., 2007), передовые подходы к культивированию с использованием гнотобиотических мышей (Goodman et al., 2011) или культивирование гелевых микрокапель (Fitzsimons et al., 2013). Использование высокопроизводительных систем культивирования, использующих большой набор питательных сред, связанных с геномной характеристикой, оказалось очень плодотворным (Lagier et al., 2012a; Dubourg et al., 2013; Hamad et al., 2013; Pfleiderer et al., 2013). Это недавнее внимание к культивированию желудочно-кишечных микроорганизмов отражает осознанную потребность в подробных физиологических, экологических и генетических исследованиях. В то время как различные функциональные метагеномные подходы были описаны и применены, именно интеграция с подходами культивирования необходима для дальнейшего понимания функции кишечной экосистемы в отношении здоровья и болезней. Сила этой комбинации была недавно проиллюстрирована на примере обильной бактерии-утилизатора слизи, Akkermansia muciniphila в качестве парадигмы (Belzer & de Vos, 2012). В настоящее время полный геном по крайней мере одного штамма из 225 желудочно-кишечных видов был полностью секвенирован, собран и опубликован, в то время как многие другие проекты геномного секвенирования продолжаются. Физиологические и генетические характеристики этих в настоящее время признанных видов микроорганизмов ЖКТ и их связь с конкретными функциями экосистемы или заболеваниями систематизированы в обзоре «The first 1000 cultured species of the humangastrointestinal microbiota», который призван обеспечить основу для будущих сравнительных и функциональных метагеномных и других высокопроизводительных подходов, применяемых в отношении желудочно-кишечной микробиоты.

Фирмикуты (Firmicutes)

Фирмикуты (Firmicutes) являются самым разнообразным и многочисленным отделом ( типом ) желудочно-кишечной микробиоты, составляя более половины, а во многих случаях около 80% желудочно-кишечной микробиоты здоровых взрослых. Желудочно-кишечные Firmicutes распределены по четырем классам : Bacilli, Clostridia, Erysipelotrichi и Negativicutes. Традиционно считается, что в этот отдел (тип) входят грамположительные бактерии с низким содержанием гуанин-цитозинового состава ( GC ) в их ДНК, хотя недавние исследования показали, что грам-положительное окрашивание не является особенностью многих Firmicutes. Это можно проиллюстрировать на примере Фекалибактерии Faecalibacterium prausnitzii, которая является грамотрицательной бактерией, ранее классифицированной в рамках типа Fusobacteria (Duncan et al., 2002a), новых желудочно-кишечных изолятов, таких как Christensenella minuta (Morotomi et al., 2012), а также типичных грам-отрицательных бактерий, таких как члены семьи Veillonellacea (Marchandin et al., 2010).

Дополнительно о фирмикутах см. ниже по ссылке →

Бактероидеты (Bacteroidetes)

Долгое время считалось, что большинство грамм-отрицательных бактерий желудочно-кишечного тракта принадлежит к роду Bacteroides, но в последние годы многие ранее разработанные виды Bacteroides spp. были назначены на другие роды в типе (отделе) Bacteroidetes. В настоящее время только четыре желудочно-кишечных Bacteroides spp. образуют глубокие ветви в филогенетическом дереве, что позволяет предположить, что эти бактерии (B. ureolyticus, B. galacturonicus, B. pectinophilus и B. coagulans) еще должны быть реклассифицированы в другие филогенетические группы. Аналогичная ситуация применима к Anaerorhabdus furcosa, которая до сих пор классифицируется как член семейства Bacteroidaceae, но основана на кластерах генных последовательностей генов SSU в типе Firmicutes. Большая часть представителей Bacteroidetes spp. желудочно-кишечного тракта принадлежит к следующим бактериальным семействам : Bacteroidaceae, Prevotellaceae, Rikenellaceae и Porphyromonadaceae (рис. 3)

Рис. 3. Филогенетическое древо желудочно-кишечного тракта человека, относящееся к классу Bacteroidia. Регистрационные номера последовательностей генов SSU рРНК из базы данных GenBank предоставлены для каждого вида с указанием семейства. В серой области изображены глубоко укоренившиеся виды Bacteroides spp., которые основаны на кластере последовательностей генов SSU рРНК в отдаленных филогенетических группах.

Из-за их широкого метаболического потенциала роль Bacteroidetes в желудочно-кишечной микробиоте является сложной: в то время как снижение численности Bacteroidetes в некоторых случаях связано с ожирением (Ley, 2010) и синдромом раздраженного кишечника (Rajilic-Stojanovic et al., 2011), эта бактериальная группа, по-видимому, обогащена у пациентов, страдающих диабетом типа 1 и типа 2 (Larsen et al., 2010). Кроме того, как недавно было обнаружено, Bacteroides spp. в отличие от Prevotella spp. обогащены метагеномами субъектов с низким генным богатством, которые были связаны с ожирением, инсулинорезистентностью и дислипидемией, а также воспалительным фенотипом (Le Chatelier et al., 2013).

Рис. 4. Филогенетическое древо желудочно-кишечного тракта человека, относящееся к классам Cytophagia и Sphingobacteria. Регистрационные номера последовательностей генов SSU рРНК из базы данных GenBank предоставлены для каждого вида с указанием семейства.

Виды Bacteroidetes, принадлежащие к классам Flavobacteriales и Sphingobacteriales, обнаруживаются только в желудочно-кишечном тракте (рис. 4). За исключением Capnocytophaga spp. и Sphingobacterium spp. которые могут быть обнаружены в полости рта человека, другие бактерии этой группы, как правило, связаны с другими экосистемами (прежде всего почвой). Нет данных о роли этих бактерий в желудочно-кишечной микробиоте, но следует отметить, что некоторые из этих бактерий были обнаружены только в библиотеках клонов генов SSU рРНК микробиоты пациентов с воспалительными заболеваниями кишечника (Frank et al., 2007).

Дополнитеьльно о бактероидетах см. ниже по ссылке →

Заключение

Знания, полученные в течение более чем столетия изучения микробиоты желудочно-кишечного тракта человека, показали, что эта экосистема действительно является «забытым органом» человеческого организма. Множество данных о микробиоте желудочно-кишечного тракта сильно разбросано во времени и в пространстве, а потому обзорная работа по систематизации полученных знаний в этой области крайне необходима.

В представленном разделе нашего сайта описание кишечных микроорганизмов в основном ограничено двумя типами. При этом Фирмикуты также описаны очень кратко, хотя и распределены по четырем классам: Bacilli, Clostridia, Erysipelotrichi и Negativicutes. Поэтому, при желании более подробного ознакомления с этими и другими группами ЖКТ-бактерий, рекомендуем самостоятельно прочитать первоисточник, на основе которой создана эта страница (ссылка указана ниже). Указанная работа, которую проделали ученые специалисты Мирьяна Раджилич-Стоянович (Сербия) и Виллем М. де Вос (Голландия), заслуживает особого внимания и уважения.

Хотя культивирование микробиоты желудочно-кишечного тракта является трудоемким, оно является важным этапом для детальной физиологической и биохимической характеристики отдельных изолятов желудочно-кишечного тракта, что необходимо для прогресса этой области исследований. Это все больше признается, и недавние исследования культивирования с высокой пропускной способностью доказали, что культивирование может быть использовано в качестве мощной методологии для обнаружения в настоящее время неизвестных обитателей желудочно-кишечного тракта (Lagier et al., 2012a; Dubourg et al., 2013; Pfleiderer et al., 2013). Будущее культивирование оставшейся части желудочно-кишечной микробиоты, как ожидается, улучшит наше понимание этой экосистемы.

Дополнительная краткая информация о представителях наиболее распространенных таксономических типов в составе микробиома человека.

Структура и характеристики микробиома кишечника

Эволюция микроорганизмов продолжалась в кишечнике животных длитель­ное время, что привело к формированию сложной и богатой экосистемы. Ки­шечник млекопитающих густо заселен триллионами бактерий, принадлежащих к нескольким сотням различных видов [4]. Выделяют два вида разнообра­зия микробиоты человека: альфа-разнообразие (в пределах одного образца) и бета-разнообразие (между отдельными образцами). Несмотря на значитель­ное разнообразие видов микроорганизмов в составе микробиоты, большинство представителей принадлежит только к четырем типам в современной биологиче­ской систематике: Bacteroidetes, Firmicutes, Actinobacteria и Proteobacteria. Типы Firmicutes и Bacteroidetes составляют более 90% бактериальной популяции в тол­стой кишке, где плотность микробиоты наибольшая. При этом представители ти­пов Actinobacteria и Proteobacteria практически всегда присутствуют в составе микробиоты в относительно невысоком содержании [2,5]. Ниже мы охаракте­ризуем подробнее представителей наиболее распространенных таксономических типов в составе микробиома человека.

1. Bacteroidetes (Бактероидеты)

Тип Bacteroidetes представлен как анаэробными, так и аэробными неспо­рообразующими грамотрицательными бактериями, которые колонизируют практически все пространство кишечника. Род Bacteroides является одной из преобладающих групп в кишечнике в составе данного таксономического типа. Эти бактерии эффективно разлагают сложные полисахариды, устойчивые к пи­щеварительным ферментам человека. Биодеградация этих сложных углеводов дает на выходе набор короткоцепочечных жирных кислот (КЦЖК), а именно аце­тат, пропионат и бутират, которые реабсорбируются организмом хозяина и вовле­каются в биохимические энергетические процессы. Кроме того, КЦЖК участвуют в регулировке дифференциации эпителиальных клеток кишечника [6], созрева­нии и стимуляции иммунной системы [7], а также ряда других важных биологи­ческих процессов.

Несмотря на то, что представители рода Bacteroides вносят важный вклад в мета­болические процессы человека и в целом поддерживают комменсальные отноше­ния с хозяином, некоторые представители обладают потенциалом патогенности при резком повышении их относительной плотности в просвете кишечника. При­мером является Bacteroides fragilis, который обычно локализуется в нижних от­делах кишечника и, как было ранее показано, оказывает благотворное влияние на организм человека, например стимулирует развитие иммунной системы [8]. Однако, в то же время Bacteroides fragilis является одним из облигатных анаэро­бов, которые чаще всего вызывают инфекционные осложнения. Наиболее рас­пространенной клинической формой в таких ситуациях являются интраабдоми­нальные абсцессы и инфекции кровотока, особенно у пациентов с нарушением барьерной функции слизистой кишечника или ее перфорацией.

Большинство представителей рода Bacteroides, колонизирующих кишечник, не являются этиологическими предпосылками возникновения кишечных инфек­ций, за одним исключением: энтеротоксигенные штаммы В. fragilis продуциру­ют токсин В, fragilis, который вызывает колит, а ранее также ассоциировался с риском развития опухолей толстой кишки [9,10]. Кроме того, у представителей рода Bacteroides spp. отмечается наличие целого ряда механизмов антибиотикоре­зистентности и регистрируются наиболее высокие уровни устойчивости к анти­биотикам среди всех облигатных анаэробов [11].

2. Firmicutes (Фирмикуты)

Тип Firmicutes представлен как облигатными, так и факультативными анаэ­робными бактериями. Большинство представителей типа являются грампо­ложительными бактериями и способны формировать эндоспоры, обеспечи­вая экологическое преимущество для выживания в неблагоприятных условиях. В форме эндоспор данные бактерии могут выживать при отсутствии питатель­ных веществ и являются чрезвычайно устойчивыми к воздействию кислоро­да, ультрафиолетовому излучению, высыханию, экстремальным температурам и дезинфицирующим средствам. Данные формы позволяют представителям типа Firmicutes длительное время находиться в состоянии покоя и возвращаться к ме­таболически активному состоянию в благоприятных условиях.

Один из наиболее клинически значимых классов в составе типа Firmicutes — это класс Clostridia, который в связи с высокой гетерогенностью дополнительно разделен на кластеры. Именно среди представителей кластеров Clostridium XlVa и IV были выявлены полезные микроорганизмы, принимающие участие в реализа­ции функций ЖКТ человека. Установлено, что данные бактерии концентрируют­ся в складках слизистой оболочки кишечника, поддерживая и регулируя функции кишечного эпителия [12]. Виды в составе данных кластеров, так же как и пред­ставители Bacteroides spp., продуцируют КЦЖК (бутират) в результате процес­сов ферментации, что способствует поддержанию функции кишечного эпителия. К тому же было выявлено, что представители этих кластеров поддерживают ло­кальный иммунный гомеостаз кишечника посредством привлечения регулятор­ных Т-лимфоцитов толстого кишечника [13].

Стоит подчеркнуть, что другие кластеры класса Clostridia включают важ­ные патогены, которые могут вызывать инфекционные заболевания человека, а именно: представители кластера I — С. perfringens и С. tetani, а также кластера XI — С. difficile [14]. Наконец, еще один клинически значимый класс в составе типа Firmicutes — это класс Bacilli. Известными его представителями являются кисло­родоустойчивые бактерии Enterococcus spp. и Streptococcus spp., которые обычно определяются в кишечнике в низком относительном содержании, но обладают по­тенциалом к избыточному росту при различных патологических состояниях [15].

3. Actinobacteria (Актинобактерии)

Тип Actinobacteria состоит как из аэробных, так и анаэробных грамположитель­ных бактерий, однако отличается от типа Firmicutes более высоким содержанием гуанина и цитозина в структуре ДНК. Bifidobacteria spp. являются наиболее рас­пространенными обитателями ЖКТ в рамках данного типа [4]. Ранее было по­казано, что отдельные виды в пределах этого рода, в том числе В. longum, имеют пробиотические функции. В частности, данные микроорганизмы обеспечива­ли защиту от кишечных патогенов с помощью ряда процессов, а именно: прямой конкуренции, активности гидролазы желчных кислот, модуляции локального им­мунного ответа и способности создавать высокую пристеночную концентрацию вблизи кишечного эпителия [1,16].

4. Proteobacteria (Протеобактерии)

Тип Proteobacteria включает в себя широкий спектр грамотрицательных ми­кроорганизмов. В то время как основную массу бактерий ЖКТ составляют обли­гатные анаэробы, представители типа Proteobacteria являются факультативными анаэробами. Несмотря на то, что протеобактерии являются естественными оби­тателями ЖКТ человека, как правило, они являются меньшинством в структуре здорового дифференцированного микробиома. В составе типа стоит отметить се­мейство Enterobacteriaceae (класс Gammaproteobacteria), включающее многих воз­будителей инфекционных осложнений, а именно Escherichia coli и Klebsiella spp., которые обычно регистрируются в микробиоме ЖКТ в низком количестве, но имеют потенциал для чрезмерного роста и кишечного доминирования на фоне антибиотикотерапии и отдельных заболеваний [3,15].

5. Анатомическое распределение микробиоты

С точки зрения расположения микроорганизмов и условий локального биоце­ноза ЖКТ человека состоит из желудка, тонкой кишки, слепой кишки, ободочной кишки и прямой кишки. Имеется несколько важных показателей, претерпеваю­щих изменения в среде вдоль этого тракта. Например, рН и концентрация кис­лорода значительно меняют свои уровни, начинаясь от кислой среды и аэробных условий желудка и перетекая в нейтральную и анаэробную среду толстой киш­ки. Кроме того, источники питательных веществ для колонизирующих микроор­ганизмов меняются на протяжении всей длины ЖКТ [17]. В частности, наиболее простые углеводы всасываются в терминальной подвздошной кишке, и, следо­вательно, в отделах ЖКТ ниже илеоцекального клапана бактерии усваивают не­переваренные хозяином углеводы, сложные молекулы, а также мукопротеины. В результате комбинации вышеописанных факторов бактерии имеют специфи­ческое распределение в кишечнике человека. В толстой кишке общая плотность бактерий больше, чем в тонком кишечнике. В целом, в составе микробима тон­кой кишки преобладают представители Lactobacillales или Proteobacteria. Однако в толстом кишечнике уже Bacteroides и Clostridiales становятся доминирующими в составе микробиома [18].

6. Возрастная динамика микробиома у детей

Эволюция и созревание кишечного микробиома на ранних стадиях жизни яв­ляются важным фактором поддержания здоровья, а нарушение на ранних этапах формирования микробного сообщества у ребенка предрасполагает к развитию заболеваний, как в младенчестве, так и в зрелом возрасте, что наиболее изучено в контексте аллергических заболеваний и метаболических синдромов. Особенно интересно то, что после родов естественным путем микробиота но­ворожденных заселяется бактериями родового канала матери, а у новорожден­ных после выполнения кесарева сечения микробиота заселяется в основном бактериями, населяющими кожу взрослого человека, при этом стрептококки ста­новятся доминирующим видом в составе микробиоты у таких детей [19]. Также было высказано предположение, что данное обстоятельство может представлять собой фактор, предрасполагающий к последующему развитию инфекций в дет­ском возрасте [19]. Весьма значимыми являются результаты исследования, в ходе которого авторы после проведения кесарева сечения выполняли обработку кож­ных покровов новорожденных тампоном, смоченным в содержимом влагалища матери, что приводило к формированию адекватного состава микробиоты, сход­ного с характеристиками микробиоты детей после родов через естественные ро­довые пути [20].

Исследования, включающие тысячи детей, выявили связь между использова­нием антибиотиков в течение первого года жизни и риском развития бронхиаль­ной астмы к 6-7 годам 21. Более того, отдельные авторы приводили данные о повышении риска развития бронхиальной астмы у детей дошкольного возрас­та, чьи матери получали антибиотики в третьем триместре беременности [25,26]. Финскими исследователями было выявлено, что назначение макролидов у детей в возрасте 2-7 лет приводит к формированию особого профиля микробиоты, ха­рактеризующегося потерей представителей Actinobacteria и увеличением плотно­сти Bacteroidetes и Proteobacteria, индукцией генов антибиотикорезистентности и снижением активности гидролаз желчных кислот. При этом данный профиль ми­кробиоты положительно коррелировал либо с развитием впоследствии бронхи­альной астмы, либо с увеличением индекса массы тела [27]. Связь применения ан­тибиотиков в первый год жизни и повышения индекса массы тела у мальчиков в возрасте 5-8 лет впоследствии была также отражена в британском исследовании, где авторы подчеркнули роль микробиома в регуляции массы тела [28].

В дополнение к обсервационным исследованиям с участием людей имеются экс­периментальные исследования о влиянии антибиотиков на микробиоту и забо­левания у мышей. В частности, исследователями было продемонстрировано, что введение антибиотиков новорожденным мышам приводило к выраженным из­менениям состава микробиома и впоследствии к развитию осложненных астма­тических эпизодов после интраназальной нагрузки овальбумином, чего, однако, не наблюдалось при введении антибиотиков уже взрослым особям [29]. Важ­ность вертикальной передачи микробиоты во время беременности подчеркива­ется в опубликованной работе о наибольшем отрицательном влиянии введения малых доз пенициллина на состав микробиома именно в ранние сроки гестации [30]. Авторы в эксперименте на мышах показали, что у животных, получивших малые дозы пенициллина во время гестации, впоследствии отмечалось увеличе­ние массы тела, повышение содержания жировой ткани в организме, а экспрес­сия генов, кодирующих отдельные важные белки (дефензины и ИЛ-17 ), была снижена.

Интересным примером со стороны животного мира является инстинкт употре­бления новорожденными жеребятами экскрементов матери. При этом данный инстинкт проявляется у различных пород животных вне зависимости от геогра­фической зоны обитания. Долгое время в ветеринарии выдвигались пред­ложения о восполнении таким образом дефицита отдельных нутриентов, однако в связи с внедрением молекулярно-генетических методов исследования, на сегод­няшний день вполне ясно, что это инстинктивный метод заселения микробиома кишечника и стимуляции иммунной системы, которая характеризуется незрело­стью механизмов даже у доношенных жеребят [31].

Таким образом, воздействие антибиотиков даже на короткие промежутки вре­мени и особенно во время беременности и детского возраста оказывает долговре­менное воздействие на микробиом, что может впоследствии повышать риск раз­вития целого ряда заболеваний. Это, очевидно, представляет собой чрезвычайно важное значение для общественного здравоохранения и стратегии назначения антибиотиков в акушерстве и гинекологии, а также педиатрии.

Состав микробиома кишечника в динамике у ребенка показан нна рисунке 5 (анализ микробиома на уровне семейств микроорганизмов). Нормальная хронология созревания и заселения микробиоты кишечника у де­тей выражается поэтапно: На 1-м этапе постнатального заселения бактериями (дни 3-84) микробиом кишечника у детей содержит огра­ниченный набор представителей типа Firmicutes. Второму этапу заселения пред­шествует увеличение количества представителей Proteobacteria (дни 92-100), что часто совпадает с ранее необъяснимыми эпизодами лихорадки у детей. Коли­чество Actinobacteria и Proteobacteria увеличивается на 2-м этапе, а видовой со­став Firmicutes на данном этапе выраженно отличается от первоначального. На 3-м этапе формирования микробиома введение детского питания в дополнение к грудному молоку и приобщение к «взрослому» столу ассоциируется с увеличени­ем количества Bacteroidetes (дни 172-297), что также продолжается и на 4-м этапе (дни 454-838), однако конкретные представители типа Bacteroidetes в микробиоме отличаются между этими двумя этапами.

Период выраженного перехода в структуре микробиома между 3-м и 4-м эта­пами (дни 371-441) может быть обусловлен рядом факторов внешней среды, имеющих влияние на ребенка, например: первый контакт с антибиотиками, ис­ключение грудного молока и питательных смесей из рациона питания, введение коровьего молока и полноценной взрослой диеты. Интересно, что микробиом пе­реходного периода, предшествующего 4-му этапу, содержит микроорганизмы, ти­пичные для уже завершенного первого этапа, которые можно трактовать как сле­ды неонатального микробиома.

Стоит отметить, что видовой состав микробиома у ребенка относительно ста­билен именно на 4-м этапе, что было подтверждено метагеномным анализом бо­лее 400 образцов [32]. Введение в рацион питания продуктов со взрослого стола приводит к выраженному сдвигу в типовом составе микробиома, а также увели­чивает абсолютное количество бактерий и короткоцепочечных жирных кислот ( КЦЖК или SCFAs) в кишечнике ребенка. Резкое и устойчивое повышение уровня бактерий типа Bacteroidetes после начала регу­лярного прикорма ребенка вполне объяснимо: именно данные бактерии специа­лизируются на ферментации сложных растительных полисахаридов [33]. Кроме того, в экспериментальных работах на мышах включение растительных углево­дов в схему питания также незамедлительно повышало уровень Bacteroidetes в составе кишечного микробиома [34]. В то же время высокая метаболическая ак­тивность данных бактерий прямо или косвенно приводит к увеличению про­дукции КЦЖК (ацетата, пропионата, бутирата) в кишечнике. Более того, было продемонстрировано, что низкое содержание Bacteroidetes в кишечном микро­биоме ассоциируется с ожирением, что само по себе может наблюдаться на фоне диеты, бедной сложными растительными полисахаридами [35,36]. Таким обра­зом, вместе эти результаты подтверждают мнение о том, что диета с высоким со­держанием продуктов растительного происхождения способствует созданию разнообразного и полноценного микробного сообщества кишечника, в том числе и у детей, а также адекватному производству энергетических субстратов и мета­болитов, необходимых организму человека.

Ключевая информация подраздела

Микробиом кишечника человека состоит из приблизительно 100 трилли­онов бактерий, принадлежащих нескопьким сотням различных видов [4]. Микробиом включает в себя 4 основных типа бактерий, охватывающих более 90% общей популяции микроорганизмов, а именно типы: Firmicutes, Bacteroidetes, Actinobacteria, Proteobacteria, а также ряд более редких типов — Verrucomicrobia и Fusobacteria. Соотношение и состав данных типов бактерий значительно варьиру­ется вдоль желудочно-кишечного тракта, а также изменяется под влиянием раз­личных факторов внешней среды и доступности питательных веществ [2]. Эволю­ция и созревание микробиома у детей проходит в 4 этапа и характеризуется как количественным, так и качественным изменением состава бактерий кишечника, происходящим под влиянием перемены рациона питания и внешних факторов.

Микробиота человека: формирование через жизненные стадии и нарушения

На графике представлен общий обзор относительного обилия ключевых типов состава кишечной микробиоты человека на разных этапах жизни. Измеряется с помощью секвенирования 16S рРНК или метагеномных подходов (ДНК). Данные поступают из исследований со следующими условиями: грудное и искусственное вскармливание (Schwartz et al., 2012 ), детское твердое питание (Koenig et al., 2011 ), антибиотики для малышей (Koenig et al., 2011 ), здоровый или истощенный малыш (Monira et al., 2011 ), взрослые, пожилые и 100-летние здоровые (Biagi et al., 2010 ) и взрослые, страдающие ожирением (Zhang et al., 2009 ).

Источник: Ottman N, Smidt H, de Vos WM, Belzer C et al. The function of our microbiota: who is out there and what do they do? Front Cell Infect Microbiol. 2012 Aug 9;2:104

Различия в микробиоте у детей в Европе и Африке. (A и B) Круговые диаграммы медианных значений бактериальных родов, присутствующих в образцах фекалий детей BF и EC (>3%), найденных по классификатору RDP v. 2.1. Кольца представляют соответствующий тип (Bacteroidetes в зеленом и Firmicutes в красном) для каждого из наиболее часто представляемых родов.

Влияние рациона питания на формирование микробиоты кишечника

Микробный состав кишечника зависит от различных пищевых привычек, так же как здоровье зависит от микробного метаболизма, но связь микробиоты с различными диетами в человеческих популяциях не до конца изучена. В 2010 г. в своей работе De Filippo C. et al. сравнили фекальную микробиоту 15 здоровых европейских детей (ЕС), проживающих в городской зоне Флоренции в Италии и 14 здоровых детей из этнической группы Мосси в африканской деревне Булпон в Буркина-Фасо (BF), где диета с высоким содержанием клетчатки похожа на диету ранних человеческих поселений во время зарождения сельского хозяйства. Возраст детей составлял от 1 до 6 лет.

Используя высокопроизводительное секвенирование 16S рДНК и биохимический анализ, ученые обнаружили значительные различия в микробиоте кишечника между двумя группами. Дети BF показали значительное обогащение Bacteroidetes и истощение у Firmicutes (P

Дети из деревни Булпон были выбраны в качестве репрезентативных потребителей традиционной сельской африканской диеты. Рацион питания детей BF отличается низким содержанием жира и животного белка, богат крахмалом, клетчаткой, растительными полисахаридами и преимущественно вегетарианский.

Все продовольственные ресурсы полностью производятся на местном уровне, выращиваются и заготавливаются в окрестностях деревни женщинами. Рацион BF состоит в основном из зерновых (пшено, сорго), бобовых (черноглазый горох, называемый Ньебе) и овощей, поэтому содержание углеводов, клетчатки и неживотного белка очень высокое. Хотя потребление животного белка очень низкое, иногда они едят небольшое количество мяса (курицы) и термитов, которые являются частью рациона детей BF в сезон дождей.

Таким образом, ученые выдвинули гипотезу, что кишечная микробиота развивалась вместе с богатой полисахаридами пищей детей из Буркина-Фасо, позволяя им максимально увеличить потребление энергии из волокон, а также защищаться от воспалений и неинфекционных заболеваний толстой кишки. Исследование указывает на важность сохранения сокровища микробного разнообразия у древних сельских общин по всему миру.

Для лучшего понимания темы см. дополнительно:

См. дополнительно:

Литература к 1-8 пп.:

Литература к 9 пп.

Будьте здоровы!

ССЫЛКИ К РАЗДЕЛУ О ПРЕПАРАТАХ ПРОБИОТИКАХ

Источник