Микробиоценоз кишечника и его роль в развитии и поддержании заболеваний желудочно-кишечного тракта
М.Д. Ардатская. Учебнонаучный медицинский центр управления делами Президента Российской Федерации, г. Москва, Россия
Гастроэнтерология 2010 Научный обзор
Со времени открытия микроорганизмов постоянно возникал вопрос о роли и механизмах воздействия микрофлоры на организм человека. Воззрения на микрофлору менялись в зависимости от уровня ее познания. Можно условно выделить несколько основных этапов в развитии учения о микробиоценозе.
Первый — «эвристический» — это открытие Левенгуком (XVII век) присутствия в организме человека и животных микроорганизмов.
Второй — «накопительный» — включает исследования по обнаружению и идентификации микроорганизмов в различных биотопах. Начинается изучение не только агрессивной, но и защитной роли отдельных видов микроорганизмов в жизни человека и животных (A. Nissle, И.И. Мечников, Л.Г. Перетц, Н.Ф. Гамалея, Г.Н. Габричевский и т.д.). Третий (80–90-е годы ХХ столетия) — этап «детализации», когда широкое использование современных методов культивирования облигатно анаэробных бактерий и использование принципов гнотобиологии дало возможность начать прицельное изучение роли нормальной микрофлоры и ее отдельных представителей в поддержании гомеостаза макроорганизма, а также оценить ее роль в возникновении некоторых патологических состояний, вызванных различными представителями микрофлоры (О.В. Чахава, А.О. Тамм, Б.А. Шендеров и др.).
Четвертый этап (конец 90-х годов ХХ столетия) — «аналитический (И.В. Домарадский, В.Н. Бабин, А.В. Дубинин, О.Н. Минушкин, М.Д. Ардатская и др.), основанный на изучении молекулярных и биохимических механизмов, управляющих связью микробиоты и организма-хозяина, позволил констатировать масштаб той пользы, которую получает человек от симбиоза с микрофлорой, и выяснить возможные причины перехода от «благополучного сосуществования» к взаимной агрессии.
Необходимо отметить, что именно на этом этапе была создана основа для формулирования принципиально нового воззрения на состояние микробиоценоза с позиций клинической медицины. Однако, несмотря на успехи, достигнутые в конце ХХ века, среди большинства практикующих врачей бытует устаревшее представление о «дисбактериозе», что приводит к его гиперболизации и недооценке основной патологии, приведшей к нарушениям микрофлоры.
1. Закономерности расселения микрофлоры в кишечнике
Общая численность микроорганизмов, обитающих в различных биотопах человеческого организма, достигает величины порядка 1015, т.е. число микробных клеток примерно на два порядка превышает численность собственных клеток макроорганизма. Отношения в этом сообществе имеют филогенетически древнее происхождение и жизненно важны для обеих частей системы «организм — микробиота».
Значительная часть (более 60 %) микрофлоры заселяет различные отделы желудочно-кишечного тракта (ЖКТ). Примерно 15–16 % микроорганизмов приходится на ротоглотку. Урогенитальный тракт, исключая вагинальный отдел (9 %), заселен довольно слабо (2 %); остальная часть приходится на кожные покровы (12 %).
Как было указано, желудочно-кишечный тракт заселен наиболее обильно. Причем популяционный состав микроорганизмов и численность зависят от его уровня.
В желудке обнаруживают в основном представителей родов Lactobacillus, Stomatococcus и Sarcina. В небольшом количестве встречаются стафилококки, стрептококки, дрожжеподобные грибы и др.
У здоровых людей в двенадцатиперстной кишке микроорганизмы определяются в небольшом количестве — не более 104–105 микробных клеток в 1 мл содержимого, а видовой состав представлен лактобактериями, бифидобактериями, бактероидами, энтерококками и дрожжеподобными грибами (в ряде случаев).
В физиологических условиях содержание бактерий в тонкой кишке колеблется от 104 на 1 мл содержимого в тощей кишке до 107 на 1 мл — в подвздошной. При этом в проксимальных отделах тонкой кишки обнаруживаются преимущественно грамположительные аэробные бактерии, в дистальных — грамотрицательные энтеробактерии и анаэробы (табл. 1).
В любом микробиоценозе, в том числе и кишечном, всегда имеются постоянно обитающие виды бактерий (главная, автохтонная, индигенная, резидентная микрофлора), составляющие 90 % от всех микроорганизмов, а также добавочные (сопутствующая, факультативная микрофлора), на которые приходится около 10 %, и транзиторные (случайные виды, аллохтонная, остаточная микрофлора) — 0,01 %.
Главная микрофлора толстой кишки включает в себя анаэробные бактерии родов Bacteroides, Вifidobacterium, непатогенные штаммы клостридий. Аэробные бактерии (кишечные палочки, лактобациллы, энтерококки и др.) составляют сопутствующую микрофлору. К остаточной микрофлоре относят стафилококки, клостридии, протей, грибы (Н. Нaenel (1970), Н.Н. Лизько (1972), Л.С. Безрукова (1975)). По мнению В.М. Бондаренко, Н.М. Грачева, Т.В. Мацелевич (2003), к главной флоре можно отнести бифидобактерии, лактобактерии, пропионибактерии, эшерихии, пептострептококки и энтерококки, а к факультативной и транзиторной флоре — бактероиды, пептококки, стафилококки, стрептококки, бациллы (аэробные спорообразующие бактерии и анаэробы рода клостридий), фузобактерии, неферментирующие бактерии (псевдомонады, ацинетобактер), дрожжеподобные грибы, представители семейства Enterobacteriaceae, относящиеся к группе условно-патогенных бактерий (рода Klebsiella, Hafnia, Enterobacter, Proteus и др.).
Однако такое деление крайне условно.
В толстой кишке человека в различном количестве присутствуют также бактерии родов Actinomyces, Сitrobacter, Сorynebacterium, Veillonella, Аcidominococcus, Аnaerovibrio, Вutyrivibrio, Acetivibrio, Campylobacter, Disulfomonas, Eubacterium, Roseburia, Ruminococcus, Selenomonas, Spirochetes, Succinomonas, Wolinella. Помимо указанных групп микроорганизмов, можно обнаружить также представителей и других анаэробных бактерий (Gemmiger, Anaerobiospirillum, Metanobrevibacter, Megasphaera, Bilophila), различных представителей непатогенных простейших родов (Chilomastix, Endolimax, Entamoeba, Enteromonas) и более десяти кишечных вирусов (табл. 1).
Анализируя видовой, численный состав и инфраструктуру микробного ценоза макроорганизма, можно кратко сформулировать три основных положения: 1) общее число видов — более 600 (по мнению некоторых авторов — до 1000); 2) к основным по своей патогенетической сущности следует отнести род бифидобактерий и семейство бактероидов (последнее — в связи с трудностью анаэробного культивирования и, следовательно, с высокой стоимостью исследования — во многих лабораториях не определяется);
3) отношение анаэробов к аэробам в норме постоянно — 10 : 1 (или 102–3 : 1), зависимо от биотопа. Облигатных и факультативных анаэробов всегда на порядок больше аэробов как в «анаэробных органах» — толстая кишка, так и на кожных покровах. Это связано с наличием своеобразной зоны в области, непосредственно прилегающей к эпителию, в которой благодаря работе натриевых насосов на плазматических мембранах эпителиоцитов и своеобразию структуры поверхностных гликопротеидов поддерживается отрицательный потенциал. В различных отделах величины его колеблются от –50 до –220 мВ. Кислород и его токсичные метаболиты (супероксид-ион и т.д.) в этой зоне в норме отсутствуют. Этим же объясняется и «этажность» расселения различных видов бактерий: в непосредственном адгезивном контакте с эпителием находятся строгие анаэробы (бифидобактерии, бактероиды), далее располагаются факультативные анаэробы, еше выше — аэробы.
Между колониями микроорганизмов и кишечной стенкой имеется тесная взаимосвязь, что позволяет объединять их в единый микробно-тканевой комплекс, который образуют микроколонии бактерий и продуцируемые ими метаболиты, слизь (муцин), эпителиальные клетки слизистой оболочки и их гликокаликс, а также клетки стромы слизистой оболочки (фибробласты, лейкоциты, лимфоциты, нейроэндокринные клетки, клетки микроциркуляторного русла и др.).
Необходимо помнить о существовании еще одной популяционной части микрофлоры — полостной, которая является более изменчивой и зависит от скорости поступления пищевых субстратов по пищеварительному каналу, в частности пищевых волокон, являющихся питательным субстратом и играющих роль матрицы, на которой фиксируются и образуют колонии кишечные бактерии. Полостная флора доминирует в фекальной микрофлоре, что заставляет с особой осторожностью оценивать изменения в различных микробных популяциях, выявляемых при бактериологическом исследовании (Ю.В. Конев, 2001; Е.И. Ткаченко, А.Н. Суворова, 2007).
2. Функциональное значение микробиоты для организма человека
Физиологические эффекты, оказываемые микробиотой, т.е. всей совокупностью живых микроорганизмов (бактерий, вирусов, простейших и др.), влияющих на организм хозяина, названы ниже. Прежде всего, это трофическая (пищеварительная) функция, представленная симбионтным пищеварением, которое осуществляется ферментами микрофлоры. На нем основано энергообеспечение клеток эпителиальных тканей человека, которое базируется на утилизации в рамках цикла Кребса низкомолекулярных метаболитов (короткоцепочечных жирных кислот (КЖК), в первую очередь уксусной, пропионовой, масляной), получающихся в результате отщепления моносахаридных фрагментов слизи, гликокаликса и продуктов экзогенного происхождения посредством внеклеточных гликозидаз анаэробов-сахаролитиков с последующим брожением этих сахаров.
Локальные и системные функции микробиоты (В.Н. Бабин, О.Н. Минушкин, А.В. Дубинин и др., 1998):
1. Трофические и энергетические функции — тепловое обеспечение организма.
2. Энергообеспечение эпителия.
3. Регулирование перистальтики кишечника.
4. Участие в регуляции дифференцировки и регенерации тканей, в первую очередь эпителиальных.
5. Поддержание ионного гомеостаза организма.
6. Детоксикация и выведение эндо- и экзогенных ядовитых соединений, разрушение мутагенов, активация лекарственных соединений.
7. Образование сигнальных молекул, в том числе нейротрансмиттеров.
8. Стимуляция иммунной системы.
9. Стимуляция местного иммунитета, образование иммуноглобулинов.
10. Обеспечение цитопротекции.
11. Повышение резистентности эпителиальных клеток к мутагенам (канцерогенам).
12. Ингибирование роста патогенов.
13. Ингибирование адгезии патогенов к эпителию.
14. Перехват и выведение вирусов.
15. Поддержание физико-химических параметров гомеостаза приэпителиальной зоны.
16. Поставка субстратов глюконеогенеза.
17. Поставка субстратов липогенеза.
18. Участие в метаболизме белков.
20. Участие в рециркуляции желчных кислот, стероидов и других макромолекул.
21. Хранилище микробных плазмидных и хромосомных генов.
22. Регуляция газового состава полостей.
22. Синтез и поставка организму витаминов группы В, пантотеновой кислоты и др.
Кроме того, при расщеплении полисахаридов и гликопротеидов внеклеточными гликозидазами микробного происхождения образуются моносахариды (глюкоза, галактоза и т.д.), при окислении которых в окружающую среду выделяется в виде тепла не менее 60 % их свободной энергии.
Другой важный эффект — стимуляция локального иммунитета в основном за счет продукции секреторного IgА.
Низкомолекулярные метаболиты сахаролитической микрофлоры, в первую очередь КЖК, лактат и другие, обладают заметным бактериостатическим эффектом. Они способны ингибировать рост сальмонелл, дизентерийных шигелл, многих грибов. В то же время бактериостатический эффект не распространяется на резидентную микрофлору. Однако низкомолекулярные метаболиты, блокируя своими адгезинами рецепторы эпителиоцитов, препятствуют адгезии патогенной микрофлоры к эпителию и обладают способностью индуцировать хемотаксис бактерий. Этот эффект, с одной стороны, дает возможность нормальной микрофлоре, не обладающей локомоторным аппаратом (например, бактероидам), но ассоциированной с подвижными видами, заселять свои экологические ниши. С другой стороны, низкомолекулярные метаболиты и некоторые короткие пептиды играют роль репеллентов по отношению к ряду болезнетворных бактерий.
Многие резидентные бактерии имеют специализированные лигандные структуры, обеспечивающие адгезию, — адгезины. Бактериальные колонии и ассоциации также укрепляются за счет ионных, полярных и гидрофобных взаимодействий в гликопротеидном слое гликокаликса и оказываются резидентами, проявляя естественный антагонизм чужеродным агентам. Это обеспечивается путем контактных взаимодействий, представленных обычной адгезией бактериальных клеток к эпителию, где играют роль как неспецифические (физико-химические) факторы, так и специфические лиганд-рецепторные взаимодействия.
Обсуждается вопрос о ключевом участии микрофлоры в обеспечении противовирусной защиты хозяина. Благодаря феномену молекулярной мимикрии и наличию рецепторов, приобретенных от эпителия хозяина, микрофлора приобретает способность перехвата и выведения вирусов, обладающих соответствующими лигандами.
Следует также подчеркнуть, что резидентные виды микрофлоры помогают эпителию поддерживать необходимые значения физико-химических параметров гомеостаза: редокс-потенциал, рН, реологические характеристики в контактной зоне.
По результатам экспериментальных данных, опубликованных в зарубежной литературе, активно обсуждается участие микрофлоры в обеспечении и контроле моторной активности кишечника посредством продукции монокарбоновых (короткоцепочечных) жирных кислот.
Системные функции микробиоты осуществляются путем реализации дистанционных и внутриклеточных взаимодействий. Дистанционные взаимодействия поддерживаются за счет обмена метаболитами, в основном низкомолекулярными и сигнальными молекулами микробиотного происхождения: монокарбоновыми и дикарбоновыми кислотами и их солями, циклическими нуклеотидами, оксикислотами, аминокислотами, аминами и др. Например, g-аминомасляная кислота — антистрессорный медиатор, продуцируется в больших количествах бактериальной микрофлорой, образует единый пул с эндогенной фракцией ГАМК. Изменение уровня ГАМК у больных с синдромом раздраженного кишечника (СРК), возможно, объясняет наличие низких порогов возбуждения, склонность к повышенной возбудимости и тревожности, пониженный порог болевой чувствительности у данной группы пациентов по сравнению со здоровыми субъектами.
Микробиота является своего рода хранилищем микробных плазмидных и хромосомных генов, обмениваясь генетическим материалом с клетками хозяина. Реализуются внутриклеточные взаимодействия путем эндоцитоза, фагоцитоза и др. При внутриклеточных взаимодействиях достигается эффект обмена клеточным материалом. В результате этого микробиота приобретает рецепторы и другие антигены, присущие хозяину и делающие ее «своей» для иммунной системы макроорганизма. Эпителиальные ткани в результате такого обмена приобретают бактериальные антигены.
Системная стимуляция иммунитета — одна из важнейших функций микробиоты, при отсутствии которой происходит инволюция иммунокомпетентных органов. Другая важнейшая функция — участие в поддержании ионного гомеостаза организма, поскольку всасывание эпителием монокарбоновых кислот тесно сопряжено с транспортом натрия.
Еще один эффект обусловлен продуцированием вторичных метаболитов, т.е. веществ стероидной природы — конъюгат желчных кислот с образованием эстрогеноподобных субстанций, оказывающих влияние на дифференцировку и пролиферацию эпителиальных и некоторых других тканей посредством влияния на экспрессию генов или изменения характера их действия.
Микробиота выполняет витаминосинтезирующую функцию (витамины группы В, К), является поставщиком коферментов (токоферолов, b-аланина, необходимого для синтеза пантотеновой кислоты, и т.д.).
Участие в регуляции газового состава кишечника и других полостей организма хозяина осуществляется функционированием метанообразующих бактерий, использующих водород для своего метаболизма. Известно, что водород создает восстановительную среду в просвете кишечника, а чрезмерное понижение окислительно-восстановительного потенциала приводит к блокированию ферредоксинсодержащих терминальных ферментов редокс-цепей анаэробов. Газы диффундируют в кровоток, образуя нестабильные комплексы с гемоглобином, впоследствии высвобождаются в легких, влияя на регуляцию кислородного обмена.
Микробиота также принимает участие в детоксикации экзогенных и эндогенных субстратов и метаболитов (аминов, меркаптанов, фенолов, мутагенных стероидов и др.), с одной стороны, представляя собой массивный сорбент, выводя из организма токсические продукты с кишечным содержимым, с другой стороны, утилизируя их в реакциях метаболизма для своих нужд.
Итак, взаимоотношения «хозяин — микробиота» носят сложный характер, реализующийся на метаболическом, регуляторном, внутриклеточном и генетическом уровнях.
Участие микробиоты в формировании целого ряда функций (или в их поддержании) доказано на моделях безмикробных животных. Экспериментальные данные свидетельствуют, что у безмикробных животных истончена в кишечнике собственная пластинка (Lamina propria) за счет уменьшения числа клеточных элементов и сниженной гидратации тканей. Это приводит к уменьшению удельной и общей площади поверхности слизистой оболочки кишечной ткани, увеличению секреции желудочного сока, экскреции ионов натрия и общего количества белка в поджелудочной железе. Заметно снижена митотическая активность энтероцитов и скорость их миграции по микроворсинкам. У безмикробных животных на 25 % по сравнению с физиологической нормой снижен основной обмен, нарушены перистальтика кишечника, всасывание воды, усвоение насыщенных жирных кислот, продукция витаминов групп В, К и др., печеночно-кишечная циркуляция желчных кислот, холестерина, желчных пигментов. У гнотобиотических животных отмечена ареактивность гладкой мускулатуры сосудов и кишечника к воздействию катехоламинов, имеет место мышечная гипотония. Вазодилатация обусловливает снижение ударного объема сердца и циркулирующей крови. Снижение гемопоэтической функции проявляется в снижении числа лейкоцитов и лимфоцитов в крови. У подобных животных изменены функции гипофиза, надпочечников и поджелудочной железы, отмечается гипоплазия лимфоидной ткани, нарушены организация и созревание ретикулоэндотелиальной системы, понижены уровни комплемента, лизоцима, снижена фагоцитарная активность лейкоцитов.
Таким образом, микрофлора выполняет ряд важнейших функций как на местном, так и на системном уровнях и не может не участвовать в развитии и поддержании заболеваний ЖКТ.
Кроме того, можно отметить, что основная часть функций осуществляется участием в различных биологических процессах макроорганизма ее метаболитов, в частности короткоцепочечных жирных кислот, которые обеспечивают многочисленные физиологические эффекты (табл. 2).
Нормальный состав кишечной микрофлоры может быть только при нормальном физиологическом состоянии организма.
К наиболее значимым причинам, приводящим к нарушению микробиоценоза, можно отнести:
1. Ятрогенные воздействия (антибактериальная терапия, гормонотерапия, применение цитостатиков, лучевая терапия, оперативные вмешательства).
2. Фактор питания (дефицит пищевых волокон; потребление пищи, содержащей антибактериальные компоненты, консерванты, красители и др. ксенобиотики; несбалансированное по составу нутриентов и минорных компонентов питание; нерегулярное питание; резкая смена рациона и режима питания).
3. Стрессы различного генеза.
4. Острые инфекционные заболевания ЖКТ.
5. Снижение иммунного статуса различного генеза.
6. Ксенобиотики различного происхождения.
7. Нарушение биоритмов, дальние поездки.
8. Заболевания внутренних органов, прежде всего органов ЖКТ.
9. Функциональные нарушения моторики кишечника.
Приведем примеры изменения микробиоценоза кишечника при различной патологии ЖКТ.
Продолжение статьи раза в 3 больше. Из-за ограничений по знакам, за один раз не разместить.
Автор
Тема: Микробиоценоз и заболевания ЖКТ (Прочитано 9579 раз)