Микробиология человека

Можно проследить не только социальные корни существования человека, но и чисто биологические основы его сущности. Человек, как и любые другие животные, представляет собой своеобразный микрокосм, населённый огромным количеством самых разнообразных микроорганизмов – бактерий и их вирусов – бактериофагов, а также дрожжеподобных грибков, а у некоторых животных и различных симбионтных простейших. В совокупности все эти микроскопические организмы, в норме населяющие животный макроорганизм, первоначально получили название «микрофлора», которое в настоящее время чаще заменяется термином «микробиом», или просто «биом».

Поэтому рассмотрение темы начнём с определения нескольких распространённых, даже в повседневной бытовой лексике, понятий, несущих одинаковую смысловую нагрузку.

Микрофлора

От греч. mikros – малый и лат. Flora. В древнеримской мифологии Flora – это богиня цветения колосьев, цветов, садов, а также богиня весны. Термин означает совокупность микроорганизмов, обитающих где-либо, в том числе и в организме человека. В более узком (специальном) смысле чаще используется термин “нормальная микрофлора”, обозначающий полную совокупность симбионтных микроорганизмов (Симбионты. От греч. symbion (symbiontos) – сожительствующий. Организмы, сосуществующие совместно и в определённой степени, осуществляющие взаимно своё взаимодействие с окружающей средой) – постоянных контаминантов, присутствующих у всех людей, и обитающих как на поверхности кожи, так и на слизистых оболочках, соприкасающихся (сообщающихся) с внешней средой. К таким оболочкам относятся слизистые оболочки носа, рта, глотки и даже желудка – главного стерилизатора всего, что поступает в организм из внешней среды с пищей, водой и воздухом (мы постоянно заглатываем удаляемую из лёгких слизь, содержащую бактерии, вирусы, споры и пылевые частицы, которые инактивируются в кислом содержимом желудка).

Сюда же следует включить и слизистую поверхность верхних дыхательных путей, тонкого отдела кишечника и, особенно, наиболее заселённый микрофлорой толстый отдел кишечника. Нормальная микрофлора кишечника животных и человека – это совокупность всех видов микроорганизмов, населяющих кишечник, и регулирующих множество процессов в организме – от работы пищеварительной системы до работы иммунной системы и даже головного мозга! Удивительно, но в экспериментах на дрозофилах показано, что симбионтные бактерии мушек могут влиять на выбор полового партнёра! Предполагают, что подобное явление характерно также и для человека (см. ниже).

Влияние микрофлоры на организм человека

Наша микрофлора, особенно микрофлора толстого отдела кишечника, разносторонне влияет на жизнедеятельность макроорганизма – носителя микрофлоры, т. е, тело человека.

У женщин обильно заселено микроорганизмами и влагалище, они присутствуют также в нижних отделах уретры у представителей обоих полов. В состав нормальной микрофлоры входят как бактерии различных родов и видов, так и микроскопические грибы. Микрофлора, обитающая на разных участках тела, различается как количеством клеток, так и разнообразием видов. В привычных анатомических зонах обитания микрофлора в норме не обладает патогенностью (исключая иммунодефицитные состояния организма), поскольку является симбионтной микрофлорой.

Микробиом или симбионтное бактерионосительство

Микробиота – наиболее часто использующийся в настоящее время термин для обозначения совокупной микрофлоры кишечника, который представляет собой своеобразную коммунальную квартиру, для обитания многочисленных «жильцов», как хороших, так, увы, и плохих. Оба термина обозначают совокупную микрофлору (биом) – внутреннюю густонаселённую и разнообразную экосистему микроорганизмов (микробное сообщество), прежде всего, флору толстого отдела кишечника, в норме состоящую из тысяч видов бактерий и микроскопических грибов (дрожжей), представляющих собой полезные микроорганизмы, синтезирующие:

• витамины, например, витамин B12 (цианокобаламин);
• аминокислоты (как протеиногенные L-формы, так и редкие D-аминокислоты);
• летучие жирные кислоты;
• многие другие физиологически активные вещества, жизненно важные для макроорганизма-хозяина (например, вещества, влияющие на работу нервных клеток);
• ферменты и вещества, помогающие пищеварению и расщепляющие компоненты пищи;
• вещества, расщепляющие и нейтрализующие токсины (ядовитые соединения), содержащиеся в пищевых продуктах (прежде всего различные растительные антифиданты).

Микрофлора способствует усвоению трудноперевариваемых пищевых веществ (без неё мы не смогли бы усваивать ни яблоки, ни цитрусовые и другие фрукты, ни даже картофель и бананы) и труднодоступных микроэлементов. Именно микрофлора в норме, синтезируя множество разнообразных протеолитических ферментов, обеспечивает процессы пищеварения и избирательной утилизации питательных веществ, пытаясь сохранить себя и организм хозяина как можно дольше (во времени!), тем самым, улучшая состояние здоровья организма – носителя симбионтной микрофлоры.

Нормальный микробиом представляют собой также защитный барьер на пути патогенных микроорганизмов или, другими словами, буфер против развития патогенной и гнилостной микрофлоры.

Наконец, присутствие нормальной микрофлоры необходимо для формирования эффективной иммунной системы, поскольку определённые виды бактерий провоцируют созревание недифференцированных клеток иммунной системы и участвуют в регуляции её активности. Так показано, что бактерии вида Bacteroides fragilis, обитающие в кишечнике, секретируют полисахарид А, который поглощают дендритные клетки кишечника и предъявляют недифференцированным Т-лимфоцитам. В результате такого «обучения» возникают регуляторные T-клетки, снижающие активность компонентов иммунной системы, вызывающих воспаление кишечника.

Колонизационная резистентность

Защитный буфер, организуемый кишечной микрофлорой, получил название колонизационная резистентность. Колонизационная резистентность – защитный механизм организма-хозяина, обусловленный нормальной симбиотической микрофлорой. Другими словами, состояние организма, при котором представители нормальной микрофлоры (обычно представители нормальной микрофлоры относятся к маловирулентным микроорганизмам) занимают привычные зоны на коже и слизистых оболочках (образуют бактериальные биоплёнки), тем самым, препятствуя прикреплению к ним патогенных микроорганизмов.

В то же самое время нормальная микрофлора кишечника может играть важную роль и в развитии экстракишечных заболеваний. Например, колибактерии являются частой причиной инфекций мочевыводящих путей, а Enterococcus faecalis – не только возбудитель инфекций мочевыводящих путей, но и эндокардита, поражающего сердце.

Иногда используются также синонимы колонизационной резистентности, такие как резистом и резистома. Резистом – это вся совокупность микроорганизмов, приобретших резистентность, к антибиотикам, применяемым с теми или иными целями в сельском хозяйстве (животноводстве и птицеводстве). Следует также вспомнить и антибиотики, которые используются для увеличения срока хранения овощей и фруктов. Именно эти антибиотики и устойчивая к ним микрофлора, увы, постоянно попадают с пищей в наш организм.

Симбиотическая микрофлора кишечника человека насчитывает, возможно, многие тысячи видов микроорганизмов, численные соотношения которых могут сильно варьировать у разных индивидуумов, живущих в разных условиях, и по-разному питающихся. (Уже хорошо известно, что состав микробиома различается у людей, живущих в городе и на селе, в лесу или в степной местности, рядом с сельскохозяйственными животными, или рядом с пашнями, и т.д. и т.п.)

Эти бактерии и одноклеточные грибки (дрожжи) взаимодействуют между собой и со стенкой кишечника, а через неё и с макроорганизмом-хозяином, вырабатывая не только огромное число полезных (в том числе регуляторных), но порой и токсичных соединений.

Возможно, самая сбалансированная и очень разнообразная микрофлора присутствует только в кишечнике охотников-собирателей, представителей таких африканских племён как Хадза, Хомани и Сандаве (населяют рифтовую долину в Танзании), а также у камерунских пигмеев Мбути (иначе их называют Баака – народности Бака и Ака, относящиеся к представителям носителей языков банту). Интересно отметить, что учёные из Института эволюционной морфологии человека им. Макса Планка (Лейпциг, Германия) в фекалиях охотников-собирателей не обнаружили лактобактерий и бифидобактерий. Частично нетронутыми (интактными) остались также представители нецивилизованной части бушменов Калахари (Намибия), и, наконец, индейцы амазонского племени Яномама, сохранившие традиционный образ жизни своих далёких предков. Известно также, что у африканских детей, по сравнению с американскими и европейскими детьми, в кишечнике обитает значительно больше видов бактерий.

Разрушительная антибактериальная терапия

Антибактериальная терапия и прививки как доминирующая идеология в медицине XX века привела к разрушению эволюционно сложившихся экосистем – человек/бактерии-симбионты. С утратой симбиотической микрофлоры произошло замещение её на патогенную микрофлору. В результате организм человека страдает из-за отсутствия производителей некоторых ферментов, витаминов, а также недополучает микроэлементы и регуляторные пептиды.

Ещё в 60-е годы прошлого века медики отрапортовали о победе над стрептококками (последние, увы, тотально подавляются антибиотиками), а ß-гемолитический стрептококк группы А продуцирует фибринолитический фермент – активатор плазминогена – стрептокиназу, нехватка которой тут же сказалась на статистике так называемых “сосудистых катастроф”, да и в целом сердечно-сосудистых патологий. Таким образом медицина совершила непоправимый террористический акт, поскольку ß-гемолитический стрептококк группы А исчез из человеческой популяции.

Современное понимание микробиома человека

В настоящее время микробиом рассматривается как особый, дополнительный, самостоятельный и очень важный жизненный орган тела человека, обладающий множеством специальных функций. Поэтому организм человека следует рассматривать как сверхорганизм, составленный из разнородных частей.

Хорошо известно, что у большинства млекопитающих не так много структурных генов (генов, кодирующих белки). Так у человека обнаружено не более 26 тыс. генов (у некоторых растений встречается и больше). Поэтому для реализации целого ряда метаболических функций организм человека использует соединения, которые синтезируются кишечной микрофлорой, совокупный геном которой значительно больше, чем геном человека.

Принцип «дополнительности»

В результате взаимодействия с симбионтами геном человека может обеспечивать дополнительные функции, которые не заложены в него изначально. Таким образом Природа многоклеточных организмов, включая и человека, нашла очень интересный способ увеличивать свои ресурсные возможности, что получило отражение в так называемом принципе «дополнительности», который характерен не только для человека и животных (вспомните, жвачных животных или, например, коала, питающихся только жёсткими эфироносными листьями нескольких видов эвкалиптов).

У растений также нет специальных клеточных структур и специальной молекулярной машинерии, позволяющих связывать атмосферный азот, поэтому, используя взаимовыгодный симбиоз, некоторые из растений с помощью клубеньковых бактерий, способных фиксировать молекулярный азот, также реализуют принцип «дополнительности». (Высказываются даже предположения, что микробы, подталкивая эволюцию, создали человека!)

Уникальность микробиома

У человека в фекалиях, взятых как у здоровых, так и страдающих воспалительными заболеваниями желудочно-кишечного тракта (ЖКТ), а также морбитным (болезненным) ожирением 124 европейцев, с помощью метагеномного анализа* обнаружили, по крайней мере, тысячу видов микроорганизмов.

Обнаружено также, что каждый индивид обладает своим уникальным набором (различие наблюдается даже у однояйцовых близнецов), состоящим минимум из 160–200 видов, обитающих в кишечнике (совпадение составляет только по 40 % видов). В другой многоцелевой работе, выполненной американским Консорциумом, объединившем более 200 учёных, в рамках проекта «Микробиом человека», на основе генетического анализа 5-ти тысяч биологических образцов, взятых из разных мест на теле у 242 здоровых добровольцев, живущих в Хьюстоне и Сент-Луисе, показано, что в организме человека обитает более 10 тысяч видов микробов.

По видам, населяющим ротовую полость человека (~700 видов), обнаружено 95 % совпадение у разных индивидуумов. Число клеток микроорганизмов, населяющих нашу кожу, слизистые оболочки и кишечник значительно превосходит число клеток самого человеческого организма (~в 100 раз!), а общее число микробных генов в 150 (по другим данным в 360–400) раз больше, чем число наших собственных генов.

Метагеном

От греч. meta – после, за, между и геном.

1. В общем смысле, совокупный геном.
2. В частности, совокупность генов всего сообщества микроорганизмов разных видов, обитающих в каком-либо месте.
3. Термин также относится к совокупному числу генов, микроорганизмов-симбионтов, обитающих по всему телу человека (кожа, ротовая полость, желудок, кишечник, мочеполовой тракт, вагина).

Следует отметить, что большинство видов кишечного сообщества микроорганизмов не высеваются, и о них судят только с помощью молекулярно-генетических методов, к которым и относится метагеномный анализ. Так с помощью метагеномного анализа было показано, что микробы, живущие в кишечнике человека, содержат в 150 раз больше различных генов, чем весь человеческий геном! (В рамках проекта 7-й рамочной программы Евросоюза MetaHIT (Metagenomics of the Human Intestinal Tract), стартовавшего в 2008 г., расшифрованы 3,3 млн. генов кишечной микрофлоры человека.)

Метагеномный анализ также позволил выявить в кишечнике человека около 300 неизвестных науке видов микроорганизмов, а всего к обитателям кишечной микрофлоры можно отнести примерно тысячу видов различных микробов. Эти данные наводят на мысль, что изменения в составе микроорганизмов, а также изменение их количества и характера взаимодействий, могут играть ключевую роль в развитии ряда распространённых патологий человека (воспалительных заболеваний кишечника, развития ожирения, нарушений функционирования иммунной системы и бактериальных вагинозов).

Суммарная масса микробиома человека оценивается в 2–5 кг (а это десятки и сотни триллионов клеток!). При этом виды Bacteroides (например, Bacteroides fragilis, Bacteroides vulgatus), Bifidobacterium и Eubacterium, относящиеся к анаэробам, составляют более 90 % всей фекальной микрофлоры человека. Менее обильно (меньше в 100–1000 раз!), если оценивать количество клеток, приходящихся на 1 г кала, представлены колиформные грамотрицательные бактерии – факультативные аэробы, такие как Escherichia coli и различные виды Enterobacter.

Показано, что реакции на стресс индивидуума зависят от состава его микрофлоры, а некоторые аспекты работы головного мозга продиктованы бактериями кишечника.

Влияние микробиоты на патологии

В настоящее время уже хорошо известно, что состав кишечной микробиоты человека каким-то образом связан со многими патологическими состояниями организма. Эти патологии включают: артриты и астму, аутизм и шизофрению, которые относятся к “сложным” заболеваниям, поскольку зависят как от генетических факторов, так и от факторов среды. (Так с помощью метаанализа доказана связь микробиома с 13-ю широко распространёнными заболеваниями.)

Кроме того, становится ясно, что состав кишечной микрофлоры может служить предиктором (предсказателем) для возникновения некоторых заболеваний и даже продолжительности жизни человека. На сервере препринтов medRxiv в 2020 г. была опубликована работа, согласно данным которой смертность людей в кишечнике которых присутствовало значительное число бактерий семейства Enterobacteriacea, была выше на 15 %, по сравнению с индивидуумами, имеющими другой состав микробиоты.

Исследование на мышах, проведённое в 2015 г. американскими учёными в Орегоне (журнал “Neuroscience”), показало, что изменение состава микрофлоры, вызванное преобладанием в пище углеводов или, напротив, жиров, приводит к изменению поведения животных (повышение тревожности). Заметно ухудшаются и когнитивные способности (так называемая когнитивная пластичность) у грызунов, выявляемые путём испытаний в тестовом водном лабиринте.

Некоторые учёные считают, что бактерии могут выделять вещества, подобные нейротрансмиттерам, возбуждающим сенсорные области мозга, а также вещества, влияющие на иммунную систему, поэтому бактерии могут затрагивать множество функций в организме. В 2016 г. было обнаружено, что один из видов кишечных бактерий, обозначенный как KLE1738, нуждается в гамма-аминомасляной кислоте, выступающей в качестве лимитирующего фактора роста (без неё бактерии в культуре не растут).

Отсюда становится ясно, каким образом микробиом может влиять на психическое состояние человека, на его настроение и самочувствие. Наконец, не следует исключать и того важного факта, что все бактерии, живущие в нашем организме, выделяют D-аминокислоты, обладающие нейромедиаторными свойствами. Думается, что таким образом микробы приспосабливают организм человека под себя. Отсюда можно также заключить, что многие болезни (включая и психические) надо лечить через кишечник, восстанавливая нормальную микрофлору.

Например, в арсенале практической медицины для лечения госпитальной диареи, вызванной Clostridium difficile, уже используют так называемую колонопересадку фекалий, полученных от здоровых людей. Планируются и фекальные трансплантации при лечении ряда нейродегенеративных, в частности, болезни Паркинсона, а также психических расстройств. Буквально вчера было обнаружено, что у людей, страдающих депрессией, в кишечнике отсутствуют некоторые виды бактерий из родов Coprococcus и Dialister, выделяющие вещества (в частности, дофамин!), влияющие на работу головного мозга, а также бутираты, играющие роль противовоспалительных соединений (см. “Nature Microbiology”, 2019 г.).

В исследованиях на мышах было обнаружено, что отсутствие в кишечнике грызунов некоторых видов бактерий (Lactobacillus rhamnosus, Lactobacillus reuteri и Bacteroides fragilis) сопровождается аутистической симптоматикой в поведении мышей, которая исчезает при нормализации состава микрофлоры. Эти факты поддерживают идею существования прямой связи микробиома и головного мозга. Отсюда следует, что психиатрам нужны знания о состоянии микробиома пациентов.

Прогнозы и перспективы

Думается, что в скором будущем анализ микробиома пациентов как прогностический и диагностический подход станет золотым стандартом медицины. Мы хорошо знаем, что у людей, страдающих аллергическими заболеваниями, значительно меньше выражено разнообразие бактерий в микробиоме, в частности, меньше бифидобактерий, но больше энтеробактерий.

Раньше человек, живший в естественной природной среде, сталкивался с большим числом микроорганизмов, с которыми взаимодействовала и на которых «тренировалась» его иммунная система. В настоящее время иммунная система «не обучается» или «обучается плохо», поскольку люди утратили значительное число «старых друзей», которых просто нет в наших квартирах и других местах пребывания человека. В результате в кишечнике не формируются необходимые организму бактериальные ассоциаты, взаимодействуя с которыми и тренируется иммунная система. (Следует отметить, что кишечник – это самый большой иммунологический орган, в котором сосредоточено максимальное количество лимфоцитов и макрофагов.)

Медицина, породив антибиотики и эффективные лекарства, подавила старые инфекции, а заодно устранила не только полезные микроорганизмы, но и кишечных червей-паразитов, которые всегда уживались с человеком, и могли «успокаивать» нашу иммунную систему (что соответствует стратегии выживания, как паразита, так и хозяина).

Не следует забывать, что симбиотические бактерии могут мутировать под действием сильных лекарственных препаратов и антибиотиков, которые бесконтрольно и массово попадают в окружающую среду и наши организм. Поэтому наша собственная микрофлора может стать причиной грядущих катастроф.

Следует отметить, что микрофлора кишечника изменяется с возрастом (в течение жизни носителя), и эти изменения можно считать «микробиомными часами старения» индивидуального ЖКТ (см. сервер препринтов BioRxiv, 2019). Состав микробиома может качественно изменяться и в результате патологических процессов, например, при воспалительных поражениях стенок кишечника, которые часто называют дисбактериозом (от греч. dys – нарушение, расстройство (сообщает понятию отрицательный или противоположный смысл), bacteria и -osis – состояние). Этот термин используется только в России (как клинический диагноз, дисбактериоз нигде в мире не ставится).

Понятие «микробиом» применимо также к растениям, у которых обнаружены свои сообщества (субпопуляции) бактерий, населяющих прикорневую почву, а также живущих внутри корней и помогающих растениям получать питательные вещества. Выявлено существование основного микробиома, общего для всех растений, и отдельных субпопуляций бактерий, необходимых растениям в зависимости от типа почвы.

Синонимы – микробиота, нормальная микрофлора, резидентная микрофлора.

Заключение

Таким образом, следует прийти к заключению, что бактерии вездесущи, они обитают не только во внешней среде, но и внутри многоклеточных организмов (и кроме полезной кишечной микрофлоры в нашем организме могут обитать также и бактерии, вызывающие многие заразные заболевания). Правильнее сказать, что макроорганизмы живут внутри мира микроорганизмов, который возник почти 4 млрд. лет назад, пережил великое множество перипетий и катаклизмов и, главное, создал современную нам биосферу. Также правильно говорить, что жизнь макроорганизмов целиком и полностью зависит от микроскопических организмов, поскольку последние играют фундаментальную роль в общем балансе биосферы, участвуя в постоянном кругообороте азота и углерода между органической материей и атмосферой.