Наш микробиом. Часть 1 Бактерии

Вне нас - галактика космическая, а внутри нас - столь же неисчерпаемая и таинственная галактика микробиологическая.

Для триллионов микроскопических жизненных форм человеческий организм является родным домом. Кто-то говорит, что микробов в десять раз больше, чем клеток нашего организма, кто-то только в полтора раза, а уж разнообразных генов в этом, носимом нами микромире, точно во много раз больше наших жалких двадцати пяти тысяч. Все эти микробные гены - это наш другой геном. Выходит, что с формальной точки зрения человек и не человек вовсе, а ходячая суперколония.

Среди наших колонизаторов: бактерии, протобактерии, археи, грибы, вирусы, простейшие и даже... микроводоросли. Это не просто набор микроорганизмов, а совокупность множества микробиоценозов (сообществ микроорганизмов) со сложной иерархической структурой, различными межвидовыми отношениями и многоступенчатыми метаболическими процессами. Это настоящий биом - микробиом, своего рода микробная экосистема, настолько индивидуальная и уникальная по составу, что в мире не найдётся двух людей с идентичным микробиомом.

Взаимосвязь человека с микробиомом настолько тесна, что прогрессивные учёные теперь рассматривают человека и его микробиом, как единый симбиотический сверхорганизм, а сам микробиом, как отдельный жизненно важный орган, кстати сказать, самый большой по весу (больше печени или головного мозга). Этот орган начинает формироваться до рождения и сразу после рождения. Каким он будет, зависит от множества факторов - этноса, географического местоположения, образа жизни, диеты, наследственности, рода занятий, возраста, пола, приёма лекарственных средств и др., но точно он будет уникальным, не похожим ни на какой другой микробиом. Это индивидуальный параметр нашего организма, как отпечатки пальцев, узор на радужке или сосудистый рисунок сетчатки глаза.

Термин "микробиом" был впервые введён в 2001 году. Это более широкое понятие, чем "микрофлора", подчёркивающее что бактерии, грибы, вирусы, простейшие никак к "флоре", то есть к миру растений не относятся. Микробиом человека включает в себя и микроскопических животных, таких как клещи. Например, клещи демодекс (Demodex) колонизируют лицо и живут внутри волосяных фолликулов. Они питаются кожным жиром, мёртвыми клетками и даже некоторыми бактериями.

Не существует какого-то основного состава микроорганизмов, выполняющего определенные функции. Сходные задачи в обмене веществ могут выполнять самые разнообразные по составу микробные сообщества, обладающие подобными активностями. Микроорганизмы одного вида могут заменяться другими, используя при этом идентичную метаболическую стратегию. Лишь очень немногочисленные штаммы бактерий встречаются у всех людей.

Большинство микроорганизмов существуют в комменсальных (один вид получает выгоду без вреда другому) или взаимовыгодных (оба вида полезны друг другу) отношениях с человеком. Микробы и их двуногий "хозяин" пребывают в состоянии органического симбиоза, помогая выживать друг другу.

В обмен на "продовольствие" симбиотические микроорганизмы выполняют множество очень важных функций. Они способствуют пищеварению, сохраняют целостность слизистой оболочки кишечника, борются с вредными микробами, а также участвуют в тренировке нашей иммунной системы и помогают ей отличать врагов от друзей. Они расщепляют сахар, преобразуя его в короткоцепочечные жирные кислоты, таким образом, питая клетки кишечника. Они синтезируют множество энзимов, витаминов и гормонов, которые наше тело не способно вырабатывать самостоятельно. Кишечная микробиота измельчает пищу на те составные части, которые могут быть полностью усвоены нашим организмом. Это значит, что, даже если вы придерживаетесь суперздоровой и насыщенной полезными ингредиентами диеты, без достаточного количества "правильных" кишечных бактерий ваш организм будет не в состоянии принять все те витамины и другие питательные вещества, которые содержатся в пище.

Микробиом человека изучали и изучают многие ученые, но до сих пор его значение для макроорганизма полностью не раскрыто. Чем дальше научные работники углубляются в эту тему, тем больше они убеждаются, что микробная составляющая человека участвует вообще во всех сферах его жизни, и кто в итоге тут главный, человек или его микробы, микробы или их человек - вообще не ясно.

Человечество возникло и существует в бактериальном "бульоне". Первые бактерии появились более 3,5 млрд лет назад и на протяжении почти миллиарда лет были единственными живыми существами на Земле. Бактерии самые древние жители нашей планеты, пережившие Ледниковый период, мамонтов и динозавров, не исключено, что в итоге они переживут и человечество. Бактерии чрезвычайно выносливы и приспособлены к различным условиям существования. Они спокойно переносят нагревание, высушивание, сильные холода, отсутствие кислорода и света, высокие концентрации солей и кислот. Некоторые виды устойчивы к радиации и облучению.

Бактерии выживают везде и распространены повсеместно. Они обнаружены в капле даже самой чистой родниковой воды, в крупинках почвы, в воздухе, на скалах, в песках пустынь, на дне океана и даже в добытой с огромных глубин нефти. Они живут во льдах Антарктиды при температуре -83°С и в горячих источниках температура которых достигает +85-90°С. Они обитают на растениях, плодах, в оргазмах всех животных и человеческий организм не исключение.

Каждый человек - это целая планета со своим населением, где большинство (около 90%) составляют бактерии. Внутри и на поверхности кожи каждого человека живет сотня триллионов бактерий. На каждую клетку нашего тела приходится десять бактериальных клеток, на каждый ген - 100 бактериальных генов.

Сообщества бактерий формируют биопленки, которые обнаруживаются уже при рождении ребёнка. Биопленки выстилают весь организм человека (снаружи и внутри). Состав биопленки, как ни удивительно, относительно постоянен. Его стабильность обеспечивается с помощью единой генетической системы микроорганизмов, общающихся между собой с помощью сигнальных молекул. Этот защитный матрикс обладает значительной устойчивостью к внешним воздействиям, снижает возможность действия антибиотиков и антисептиков на микробиоту. Микроорганизмы синтезируют около 20 тыс. антибиотикоподобных веществ. 

Бактерии - это полноценные живые организмы размером 0,5-5 мкм, обладающие высокой скоростью размножения в благоприятной среде и при отсутствии конкурентов. Большинство бактерий, живущих на Земле - одноклеточные безядерные организмы, относящиеся к прокариотам. Бактерии состоят из: нуклеоида (подобие ядра, содержащее ДНК), рибосом (синтезируют белки), цитоплазматической мембраны (отделяет клетку от внешней среды и поддерживает гомеостаз).

Клеточная оболочка бактерии проницаема: через неё питательные вещества свободно проходят в клетку, а продукты обмена веществ выходят в окружающую среду. Часто поверх клеточной стенки у бактерий вырабатывается дополнительный защитный слой слизи - капсула. Толщина капсулы может во много раз превышать диаметр самой клетки, но может быть и очень небольшой.

По форме клеток бактерии бывают:
- шаровидные (кокки);
- палочковидные (дизентерийная, сенная, чумная палочки);
- изогнутые: вибрионы (холерный), спириллы (возбудители энтероколита, менингита, атрита), спирохеты (возбудители сифилиса, возвратного тифа).

Многие бактерии способны слипаться в колонии, поэтому чаще их выделяют по типу соединений: диплококки (кокки, соединенные парами), стрептококки (кокки, образующие цепочки), стафилококки (кокки, образующие гроздья), стрептобактерии (палочковидные микроорганизмы, соединенные в цепочку).

Одной из особенностей бактерий палочковидной формы является их способность к спорообразованию. Эти микроорганизмы называются бациллами, к ним относят патогенные бактерии: род Clostridium (вызывают газовую гангрену, ботулизм), род Bacillus (вызывают сибирскую язву и ряд пищевых отравлений). Споры бактерий - это законсервированная клетка микроорганизма, которая способна сохраняться долгое время без повреждений, практически не подвергаясь различным влияниям.

В 1884 году датчанин Ганс Кристиан Йоахим Грам разработал простую технологию, благодаря которой можно быстро выявить характеристики мембранной стенки бактерии. Под воздействием метиленового фиолетового разные бактерии по-разному окрашиваются. Одни сохраняют цвет после промывания (Грам (+)), а другие утрачивают (Грам (-)). Чем сложнее клеточная стенка, тем пигменту труднее в неё проникнуть и закрепиться. Таким образом, все виды бактерий были разделены на: грамположительные и грамотрицательные.

У бактерий, которые не окрашиваются по Граму, стенка более мощная и прочная, а значит, и бороться с ними сложнее. Грамотрицательные бактерии более устойчивы к воздействию окружающей среды, к антибиотикам, к антителам, которые вырабатывает иммунная система человека. Грам (-) бактерии вызывают такие заболевания, как сифилис, лептоспироз, хламидиоз, менингококковая и гемофильная инфекции, бруцеллёз, легионеллёз. К Грам (+) бактериям относятся: стафилококк, стрептококк, клостридии (возбудители ботулизма и столбняка), листерии, дифтерийная палочка.

По отношению к кислороду бактерии делят на:
- Облигатных (строгие) аэробов (от греч. aer - воздух и bios - жизнь), растущих только в присутствии кислорода (возбудители холеры, туляремии, туберкулеза, дифтерии);
- Факультативных (условные) аэробов, развивающихся при очень низком содержании кислорода (грибки, плесень, патогенные бактерии - сальмонелла и кокки). При попадании в обычную внешнюю среду такие бактерии практически всегда гибнут, поскольку кислород негативно действует на их ферменты.
- Облигатных анаэробов (ан- отрицает значение слова), рост которых подавляется кислородом (бактероиды, бифидобактерии, клостридии, стрептококки, бактерии, вызывающие, ботулизм, столбняк и газовую гангрену, маслянокислые бактерии). Вегетативные формы облигатных анаэробов умирают при одном соприкосновении с кислородом, а вот споры данных микроорганизмов устойчивы к воздействию кислорода, поэтому вся колония может возродиться из спор.
- Факультативных анаэробов способных к росту, как в присутствии кислорода, так и без него (лактобактерии, грамм-отрицательные энтеробактерии, разные виды дрожжей, палочка брюшного тифа и кишечная, гноеродные кокки и бактерии, вызывающие сибирскую язву, а также крупные паразиты кишечника, например, черви (плоские и круглые)).

По топографии и видовому составу принято различать микробиом кожи, полости рта, дыхательных путей, урогенитального тракта и кишечника. Кроме того глаза, волосы, нос, уши, лимфа, кровь, плацента, грудное молоко содержат свой собственный уникальный специфический и очень сложный микробный комплекс, состоящий из отличающихся друг от друга видов с определенным набором функций. Таким образом, в организме человека практически отсутствуют зоны, лишенные не только косвенного, но и прямого воздействия микроорганизмов.

Микробиом распределён в нашем организме неравномерно. Большинство микроорганизмов сконцентрировано в пищеварительном тракте - до 75%, 2-3% заселяют мочеполовые пути у мужчин, 9-12% у женщин, 13-23% микробиоты колонизирует все остальные биотопы.

Ключевое значение имеют микроорганизмы, населяющие кишечник - это очень важная часть иммунной системы человека. Около 70% всех иммуномодулирующих клеток организма локализовано в слизистой оболочке кишечника, каждый метр кишечника содержит около 1010 лимфоцитов. Кишечник является "центром управления иммунной системы", по сути дела, биологической таможенной заставой организма.

Кишечный микробиом представляет собой необычайно сложную экосистему - 1800 родов, 15000 - 36000 видов микроорганизмов и неопределённое число подвидов. Благодаря удивительному видовому многообразию и огромному количеству клеточных популяций кишечный микробиом функционирует как мощный биореактор, контролирующий многочис­ленные метаболические функции, многие из которых все ещё не распознаны. Он продуцирует тысячи важных и уникальных веществ, полезных для организма человека.

По мере продвижения вниз по желудочно-кишечному тракту концентрация бактерий возрастает - желудок и тонкий кишечник обладают значительно меньшим количеством бактерий, чем толстый кишечник.

Некоторые виды бактерий делают свое дело среди клеток, выстилающих внутреннюю поверхность кишечника, другие проходят сквозь него транзитом, выполняя свои функции, размножаясь и в конце покидая организм со стулом. Слаженная работа кишечного микробиома поражает своей безупречной организацией и саморегуляцией. Это похоже на муравейник, где каждая группа микроорганизмов имеет свою специализацию.

Кишечная микробиота состоит из двух взаимосвязанных популяций:
- Пристеночная (мукозная) микробиота - это колонии бактерий, продуцируемые ими метаболиты, а также эпителиальные клетки, муцин бокаловидных клеток, фибробласты, лейкоциты, лимфоциты, иммунные клетки. Микроорганизмы слизистой кишечника образуют особое слизистое вещество, являющееся отчасти продуктом слизистой оболочки кишки, отчасти - продуктом самих бактерий. Мукозная микробиота состоит, главным образом, из бифидум- и лактобактерий, она достаточно стабильна, образует слой так называемого "бактериального дёрна", препятствующего проникновению патогенных и условно-патогенных микроорганизмов.
- Просветная микробиота находится в просвете ЖКТ, не взаимодействует со слизистой оболочкой, более изменчива, поскольку зависит от характера питания. Субстратом для её жизнедеятельности являются непереваренные пищевые волокна, на которых она и фиксируется. Клетчатка не переваривается пищеварительными ферментами, она проходит транзитом через желудок, тонкий кишечник и попадает в толстый кишечник. Там она расщепляется в результате процесса брожения. Брожение в кишечнике создает кислую среду, препятствуя гниению, и сопровождается выделением тепла, обеспечивая согревание организма.

В тонкой кишке содержание пристеночной микробиоты на несколько порядков превышает численность просветной. В толстой кишке это соотношение меняется на противоположное.

По типу потребляемого субстрата кишечную микробиоту делят на протеолитическую, расщепляющую белки (кишечная палочка и другие грамм-отрицательные энтеробактерии, бакероиды, клостридии, протей) и сахаролитическую, расщепляющую сахара (бифидо- и лактобактерии, энтерококки).

Современная наука всё ещё очень мало знает о том, кто реально живет в кишечнике человека. Имеющиеся данные остаются отрывочными. Даже современные молекулярные методики не дают исчерпывающего ответа о составе микробиоты: до 75% разновидностей микробов остаются не классифицируемыми, 99% - не культивируются или с трудом культивируются в лабораторных условиях.

Мониторить состав микробиоты в обычной жизни, не преследуя научных целей, бессмысленно. Самый доступный ныне метод исследования, который обычно назначается аллергологами, гастроэнтерологами, педиатрами - бактериологический анализ кала на дисбактериоз сегодня признан бесполезным и малоинформативным. Во-первых, для достоверной диагностики требуется собрать содержимое кишечника в стерильных условиях, транспортировать материал при определенной температуре и доставить его в лабораторию в течение 2 часов. Во-вторых, при данном исследовании выделяют всего лишь 8-12 видов микробов. В-третьих, содержание микробов в кале не отражает реальной ситуации, поскольку анализ определяет микробов, обитающих только в просвете толстой кишки, причём в её дистальном (конечном) отделе. Состав микробиоты тонкой кишки остаётся неизвестным. Более полную картину помог бы узнать метагеномный анализ, но стоимость его такова, что проще обойтись без него.

Входными воротами для микроорганизмов служат органы и системы человека, имеющие прямой контакт с внешней средой: кожа, слизистые оболочки и полости организма. Все микроорганизмы, с которыми мы встречаемся на своём жизненном пути, можно разделить на 4 группы, первые три образуют нормальную микробиоту. Четвертая группа не может быть отнесена к нормальной, в неё входят безусловно патогенные микробы, которые вызывают инфекционные заболевания.

1 группа. Это так называемая облигатная (главная, постоянная, резидентная) микробиота, которой отведена ведущая роль в поддержании симбиотических отношений между организмом "хозяина" и микробиотой, а также в регуляции межмикробных отношений. В любом биоценозе всегда доминируют "характеристические" группы микроорганизмов, количество видов которых невелико, но в численном отношении они составляют основу биоценоза.

Облигатная микробиота кишечника представлена анаэробными бифидобактериями, пропионибактериями, бактероидами, лактобактериями.

Бифидобактерии являются наиболее значимыми представителями облигатных бактерий. Эти нитчатые микроорганизмы устилают поверхность кишечника. Выделяемая ими слизь, формирует биоплёнку на стенках кишечника, которая не даёт вредным микробам закрепиться и размножиться. Непосредственно участвуя в образовании молочной кислоты и ацетата, они закисляют среду обитания, тем самым подавляя рост патогенных бактерий, вызывающих гниение. Бифидобактерии вырабатывают органические жирные кислоты, синтезируют аминокислоты, белки, витамины группы К и В, принимают участие в синтезе витамина С, усиливают пристеночное кишечное пищеварение и процессы всасывания ионов кальция, железа, витамина D, регулируют функции гуморального и клеточного иммунитетов, стимулируют образование интерферона, разлагают некоторые канцерогены, воздействуют на жировой обмен организма, снижая уровень содержания холестерина в крови, положительно влияют на другие полезные бактерии, помогая им выживать и размножаться.

Большая часть популяции бифидобактерий располагается в толстой кишке, являясь основой пристеночной и просветной микробиоты. Бифидобактерии присутствуют в кишечнике на протяжении всей жизни человека. У новорожденных детей они составляют до 80% от всех бактерий, с возрастом их количество сокращается до 34%.

Лактобактерии - ещё одна группа микроорганизмов, без которых человеку не обойтись. Они постоянно обитают в желудочно-кишечном тракте и вульво-вагинальной области, что является очень важным фактором для женского здоровья. В процессе жизнедеятельности лактобактерии вступают во взаимодействие с условно-патогенными, гнилостными и гноеродными организмами. При нормальном обмене веществ лактобактерии синтезируют молочную кислоту, перекись водорода, продуцируют вещества с антибиотической активностью, принимают участие в образовании некоторых витаминов.

Кишечные палочки (Escherichia coli) являются основными конкурентами условно-патогенных микрооганизмов в отношении заселения ими кишечника. Кишечные палочки E.coli забирают из просвета кишечника кислород, который вреден для бифидо- и лактобактерий, вырабатывают ряд необходимых для человека витаминов (В1, В2, В3, В5, В6, В9, B12, К,), участвуют в обмене холестерина, билирубина, холина, желчных и жирных кислот, оказывают влияние на всасывание железа и кальция, синтезируют коцилин (который угнетает рост целого ряда болезнетворных микробов), принимают участие в синтезе никотиновой и фолиевой кислоты (отвечает за образование красных кровяных телец) в организме, что способствует поддержанию уровня гемоглобина. Большинство штаммов кишечной палочки принадлежат к нормофлоре, но некоторые штаммы могут вызывать тяжелое пищевое отравление.

2 группа. Условно-патогенные микроорганизмы (потенциально опасные) в норме существуют на коже, в носоглотке, в кишечнике человека. При обычных условиях они не представляют никакой опасности, стимулируют иммунитет и участвуют в обеспечении нормального функционирования организма. Организм успешно справляется с ними пока они находится в состоянии равновесия с облигатной микробиотой, которая не даёт им места и питательных веществ для размножения. У них просто не хватает сил, они находятся в подавленном состоянии, но при изменении условий (ослаблении иммунитета) начинают активно размножаться, осложняя течение других заболеваний, и даже становятся их первоисточниками.

Классическим примером условно-патогенной бактерии является Staphylococcus aureus (золотистый стафилококк), способный вызывать более 100 различных заболеваний, от фурункулов на коже, до смертельного заражения крови (сепсиса). Половина населения земного шара является носителем стафилококка, даже не зная об этом. Спасает то, что мы постоянно сталкиваемся с разными видами стафилококка и наша иммунная система натренирована на борьбу с ними. Наша кожа выделяет естественные секреты, которые контролируют количество бактерий.

Грибок Candida albicans в норме живёт в толстой кишке каждого человека и участвует в различных внутренних процессах, в частности, уничтожает остатки непереваренных питательных веществ и выводит токсины, образующиеся в результате метаболических процессов. Но если здоровый баланс микробиоты нарушается, грибок разрастается чрезмерно, выделяя токсины и вызывая иногда тяжелый кандидоз. Грибок заставляет иммунную систему всё время быть начеку, то есть способствует поддержанию естественной защиты организма. В медицине кандида считается маркером сниженного иммунитета.

Лямблии - простейшие, обитающие в просвете тонкой кишки. Они постоянно живут в организме человека, поддерживают чистоту кишечника и переносят питательные вещества из просвета кишки на ворсинки кишечной стенки, где происходит всасывание. Если бы мы могли полностью от них избавиться, то очень быстро погибли бы. Наша иммунная система к ним абсолютно равнодушна, и не видит в лямблиях своих врагов, но когда их становится слишком много, они отравляют организм продуктами своей жизнедеятельности.

Бактерия Helicobacter pylori способна вызывать язвы и гастриты, но у 90% людей живет как часть здоровой микробиоты, необходимой для пищеварения. За эти плюсы и минусы отвечают одни и те же штаммы. Helicobacter pylori нельзя определить ни как хорошую, ни как плохую, она и то, и другое одновременно.

По современным представлениям, провести четкую границу между комменсалами и условно-патогенной микрофлорой невозможно. В определенных случаях заболевание могут вызвать различные микробы, входящие в состав нормальной микрофлоры. Представители семейства энтеробактерий, составляющие значительную часть нормальной аэробной флоры кишечника (клебсиеллы, энтеробактер, протей, цитробактер, кишечная палочка, стафилококки и др.) обычно не вызывают заболеваний, но когда их количество превышает норму, возникают кишечные расстройства. Бороться с условно-патогенными микроорганизмами, практически, невозможно и не имеет смысла. Единственным адекватным способом профилактики инфекций является укрепление иммунитета.

3 группа. Не все микробы, попавшие извне, становятся нашими постоянными спутниками - не найдя подходящего питания или встретив сопротивление микробов-антагонистов, они не приживаются в организме и проходят транзитом. Транзитная микрофлора включает в себя микробы, пребывание которых в организме носит временный характер.

4 группа. К облигатным патогенам (греч. πάθος "страдание" + γενετική "порождающий") относятся: сальмонелла, гонококк, холерный вибрион, бледная трепонема, шигелла, чумная палочка, дифтерийная палочка, туберкулезная палочка (палочка Коха), клостридия тетани (столбняк), хламидии, риккетсии, боррелии (болезнь Лайма) и т.д. Простейшие (амёбы, трихомонады).

Даже небольшая колония облигатных патогенов способна нанести вред. Их наличие в организме всегда означает развитие заболевания. В норме их не должно быть вообще потому, иммунитет постоянно борется с ними.

Чаще всего опасные "враги" пробираются в наш организм воздушно-капельным путем (грипп и другие респираторные вирусные заболевания, чума, различные виды простейших). Среди других причин: несоблюдение правил личной гигиены, небрежное приготовление пищи (гельминты, дизентерийные амебы, эхинококки), непосредственный контакт с больными людьми или животными, укусы насекомых и членистоногих - комары, клещи, вши (малярия, чесотка, тиф).

На самом деле нельзя однозначно утверждать, что патогенные микроорганизмы приносят один лишь вред. Совершенствование иммунной системы "хозяина" было бы невозможно без постоянного взаимодействия с патогенами. Вся история жизни - это история совместной эволюции взаимодействия патагенов с "хозяином". Они играют огромную роль в эволюции. Их функция в природе - регулирование численности живых существ. Жестоко, но так устроен наш мир и кто-то должен этим заниматься.

Бактерии существуют в большом разнообразии жизненных вариантов. Если они приносят нам вред, мы называем их патогенами. Если они ведут нейтральный образ жизни, они для нас комменсалы. Если же они приносят нам пользу, мы относим их к мутуалистам. Но эти категории едва ли можно назвать фиксированными. Некоторые микробы могут скользить с одного конца этого спектра к другому в зависимости от штамма и места обитания. Одни и те же микробы могут приносить пользу в кишечнике, но представлять собой опасность, оказавшись в крови. Могут быть одновременно и патогенами, и мутуалистами. Всё зависит от ситуации. Мир симбиоза есть Мир, в котором наши союзники могут нас разочаровать, а враги перейти на нашу сторону.

                                                             

Комментариев нет:

Отправить комментарий