Приложение 4
к МР 2.3.1.0253-21
(справочное)
ОСНОВНЫЕ ТАКСОНОМИЧЕСКИЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
КИШЕЧНОГО МИКРОБИОМА
1. Общие характеристики
Кишечный микробиом на межиндивидуальном и внутрииндивидуальном уровнях характеризуется чрезвычайным разнообразием и изменчивостью, в его составе присутствует от 1000 до 2000 ОТЕ, к числу культивируемых видов относится не более 40%. Общие для большинства людей ОТЕ, которые выявляют практически у всех групп населения (основной микробиом), представлены 12 — 21 таксонами (около 160 видов). Особенности и биоразнообразие микробиоты на уровне индивида, как правило, являются неизменными [64, 65].
Состав и соотношение микробных популяций основного микробиома зависят от факторов питания и функционально-анатомических характеристик ЖКТ в различные возрастные периоды человека. Качественный и количественный состав микрофлоры может изменяться при ряде заболеваний, в том числе сопровождающихся диареей, при лечении антибиотиками, нарушениях питания (несбалансированные диеты, пищевые дефициты).
В микробиоте кишечника превалируют 4 бактериальных филума — Firmicutes (F), Bacteroidetes (B), Proteobacteria (P) и Actinobacteria (A); они составляют более 95% идентифицированных таксонов. Филумы Fusobacteria, Verrucomicrobia, Euryarchaeotae и Cyanobacteria являются субдоминантными и составляют не более 5% (табл. 4.1). Доля других сообществ, способных быть как симбионтами, так и паразитами человека (грибы, вирусы, гельминты, простейшие), находится на уровне ~ 0,2% [66 — 68].
Таблица 4.1
Филумы в кишечном микробиоме здоровых взрослых людей
(% в общем пуле идентифицированных таксонов)
| Превалирующие филумы (суммарно ~ 95%) | Субдоминантные филумы (суммарно до 5 %) | ||
| Филум | Характеристика | Филум | Характеристика |
| Firmicutes (фирмикуты) | Грамположительные бактерии с толстой клеточной стенкой, образующие и не образующие спор (~ 52%) | Verrucomicrobia (веррукомикробиа) | Муциндеградирующие анаэробные бактерии |
Продолжение табл. 4.1
| Превалирующие филумы (суммарно ~ 95%) | Субдоминантные филумы (суммарно до 5%) | ||
| Филум | Характеристика | Филум | Характеристика |
| Bacteroidetes (бактероидеты) | Грамотрицательные неспорообразующие облигатные анаэробные бактерии (~ 23%) | Euryarchaeota (эуархеоты) | Метаногенные, водородутилизирующие бесспоровые археи |
| Proteobacteria (протеобактерии) | Грамотрицательные неспорообразующие аэробные, факультативно-анаэробные и анаэробные бактерии с внешней ЛПС-мембраной (~ 12%) | Fusobacteria (фузобактерии) | Грамотрицательные полиморфные анаэробные бактерии |
| Actinobacteria (актинобактерии) | Грамположительные анаэробные и микроаэрофильные бактерии (~ 7 — 8%) | Cyanobacteria (цианобактерии) | Одноклеточные сине-зеленые водоросли |
2. Характеристика основных филумов кишечного микробиома
Firmicutes. В состав филума входят представители родов и видов с разным типом дыхания. Основными являются Eubacteria, Lactobacillus, Clostridium, Lachnobacterium, Roseburia, Faecalibacteria, Blautia, Dorea, Bacillus, Mycoplasma, Streptococcus, Enterococcus, Leuconostoc, Staphylococcus spp. Наиболее важная функция — метаболизм сложных углеводов, в том числе нерастворимых полисахаридов, а также не утилизированного в верхних отделах ЖКТ белка.
Bacteroidetes. Представлены четырьмя классами: Bacteroidia (Bacteroides, Prevotella, Porphyromonas, Alistipes spp.), Flavobacteriia (Flavobacterium sp.), Cytophagia (Carnocytophaga, Odoribacter), Sphingobacteriia (Sphingobacterium sp.), которые участвуют в деградации полисахаридов, метаболизме желчных кислот, холина, белков и аминокислот, продуцируя метаболиты-медиаторы [60, 69].
Actinobacteria. Наиболее распространены Bifidobacterium, Propionibacterium, Corynebacterium, Frankia, Arthrobacter, Micrococcus, Mycobacterium, большая часть которых — сахаролитики, способные гидролизовать сложные углеводы (включая мукополисахарид), образователи гликокаликса — фактора колонизационной резистентности кишечной слизистой [68].
Proteobacteria. Наряду с симбионтами в состав филума входят условно-патогенные и патогенные бактерии с разными морфоформами и типами питания (использующие как простые (аммоний, цитраты, моносахара), так и сложные вещества (аминокислоты, белки), гетерогенные по двигательной активности, продуцирующие разнообразные промежуточные метаболиты. На основании анализа 16S pPHK протеобактерии подразделяют на 6 классов: Alpha-, Beta-, Gamma-, Delta-, Epsilon- и Zeta. В класс Alpha входят виды, способные к спиртовому брожению, Beta — нитрификаторы, Gamma — метанотрофы, а также значимые для микробиоты семейства Enterobacteriaceae, Vibrionaceae, Pseudomonadaceae. К классу Delta относятся сульфат-редукторы, анаэробные железобактерии, к Epsilon — использующие серу и водород в качестве источника энергии сульфоспириллы, а также возбудители инфекций C. jejuni и H. pylori [70].
Субдоминантные филумы. Включают в основном некультивируемые группы бактерий, в том числе: Fusobacteria — представлены семействами Fusobacteriaceae и Leptotrichiaceae, 11 родами, физиологическая роль которых до конца не выяснена; Verrucomicrobia — 18 родов, в том числе Akkermansia (A. muciniphila) и Prosthecobacter sp., утилизирующие различные сахара и гликопротеиды (муцин); Euryarchaeota — состоит из 8 классов архей (галобактерии, метанобактеры, археоглобы, метанококки, термококки и др. экстремофилы). Присутствие некультивируемых архей — продуцентов метана, в том числе рода Methanobrevibacter (M. smithii), обеспечивает утилизацию водорода, образующегося при гидролизе углеводов; Cyanobacteria — бактерии, способные к фиксации атмосферного азота, присутствуют в кишечнике непостоянно, роль в макроорганизме пока не изучена.
3. Взаимосвязь филумов кишечного микробиома
Взаимодействие между филумами кишечного микробиома основано на обеспечении взаимных трофических путей, поэтому формирование стабильной структуры микробного сообщества определяется составом и количеством пищевых веществ, потребляемых хозяином и трансформируемых в ЖКТ с участием эукариотических и микробных факторов. Таксономические вариации на уровне филумов и уровни биоразнообразия позволяют оценивать общее состояние микробиома в зависимости от особенностей состояния питания лиц в разных возрастных группах.
Информативным маркером состояния микробиома в его связи с нутриомом является соотношение между численностью филумов Bacteroidetes и Firmicutes (индекс «B : F»), которое в норме модифицируется только при физиологически обусловленной возрастной смене характера питания [71 — 72]
4. Функциональные свойства кишечной микробиоты
Нормальная микрофлора выполняет функции биологического защитного барьера в кишечнике и стимулятора иммунной системы организма, обеспечивая его колонизационную резистентность и адаптацию к окружающей среде. В основе данных процессов лежит физическое взаимодействие микробных тел и структур с эпителиальными клетками и лимфоидным аппаратом кишечника, выработка ими соматических, капсульных, жгутиковых, мембранных антигенов и химических соединений, экспрессирующих ответные факторы разного уровня [68, 73 — 76].
Облигатная микрофлора образует на поверхности слизистых кишечника биопленку, в состав которой наряду с бактериями входят экзополисахариды и муцин, закрывающие рецепторы для адгезии на эпителиоцитах. Грамположительные представители нормофлоры формируют неблагоприятную для патогенных микробов среду, закисляя кишечное содержимое, конкурируя за источники питания, выделяя бактериоцины и другие вещества, обладающие антагонистической активностью. Грамотрицательные виды микрофлоры (в первую очередь E. coli с нормальной ферментативной активностью) участвуют в выработке и поддержании как локального, так и системного гуморального иммунитета, а также приемлемого организмом воспалительного статуса [77 — 80].
Нарушение функции защитного барьера в результате дисбиозов способствует транслокации из просвета кишечника в кровоток ЛПС, молекул белков (включая токсины) и моносахаридов, что может являться причиной алиментарно-зависимых заболеваний и неинфекционных патологий, сопряженных с системным воспалением (табл. 4.2).
5. Биологически активные микробные метаболиты
Функционирование микробиома сопровождается продукцией биологически активных микробных метаболитов: ферментов, лактата, аминокислот, дериватов желчных кислот, нейрохимических соединений, витаминов. Ключевое значение имеет ферментация резистентного крахмала и некрахмальных полисахаридов растительного происхождения, что обеспечивает образование эссенциальных КЦЖК: ацетата, пропионата, бутирата [85, 86]. КЦЖК поступают в кровоток в качестве сигнальных молекул — регуляторов системных процессов клеточного иммунитета, обмена энергии, метаболизма жира, углеводов, происходящих в печени, белой и буровой жировой ткани, костном мозге, легких, поджелудочной железе. КЦЖК способствуют закислению кишечного содержимого, обладают противовоспалительным и антиканцерогенным действием [80, 87 — 91]. Взаимодействие КЦЖК и нейроактивных молекул, продуцируемых микрофлорой (гамма-аминомасляной кислоты, серотонина, катаболитов триптофана), с кишечной нейрональной сетью поддерживает функционирование оси «кишечник — мозг», модулируя двигательные, секреторные и поведенческие (стресс, тревожность, настроение) реакции центральной нервной системы [86].
Продуцентами КЦЖК в кишечнике являются преимущественно представители облигатно-анаэробных сахаролитиков, в т.ч. бутирата — Faecalibacterium, Ruminococcaceae и Lachnospiraceae sp., пропионата — Bacteroides, Propionibacterium, Roseburia, Selenomonas sp., ацетата — Bifidobacterium, Clostridium, Ruminococcus, Lactobacillus sp. [59, 92].
Таблица 4.2
Функциональный потенциал представителей кишечной микробиоты
[61, 81 — 84]
| умы | Популяции и виды | ||
| С противовоспалительным потенциалом | С провоспалительным потенциалом | С патогенным потенциалом | |
| Апатогенные, проявляющие защитные, регуляторные и пробиотические свойства | Сапрофитные и условно-патогенные, проявляющие протеолитические, гемолитические свойства, способность к продукции токсических факторов | Облигатно патогенные, обладающие паразитическими, инвазивными свойствами и факторами агрессии | |
| Firmicutes | Faecalibacterium prausnitzii, Lactobacillus, Pediococcus, Leuconostoc, Lactococcus, Streptococcus thermophilus, Enterococcus durans, Roseburia hominis, Ruminococcus spp., Lachnoclostridium spp., Eubacterium rectale & hallii, Coprococcus spp. | Staphylococcus, Listeria spp., Streptococcus pyogenes, Streptococcus pneumoniae, Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, Blautia, Parvimonas micra, Veillonella, Peptococcus spp. | Listeria monocytogenes, Bacillus anthracis, Bacillus cereus, C. perfringens, C. difficile, C. tetani, C. septicum |
| Bacteroidetes | Bacteroides xylanisolvens, B. vulgatus и B. uniformis, B. dorei, B. stercoris, B. coprocola, B. finegoldii, B. intestinalis, P. distasonis, B. thetaiotaomicron, Candidatus arthromitus | B. fragilis, Prevotella sp., Alistipes sp., B. helcogenes, B. salanitronis, Parabacteroides sp., Barnesiella intestinihominis | — |
| Proteobacteria | E. coli (с нормальной ферментативной активностью), Wolinella | Sutterella, Bilophila spp., Pseudomonadaceae, Цитратассимилирующие бактерии: Klebsiella, Citrobacter, Enterobacter, Serratia, Edwardsiella, Cronobacter, атипичные E. coli, Campylobacter, Sulfurospirillum, Pasteurellaceae, Burkholderia, Haemophilus spp. | Vibrio cholerae, Yersinia enterocolitica, Campylobacter coli & jejuni & lari, Helicobacter pylori., энтеропатогенные E. coli, Salmonella, Shigella spp. |
| Actinobacteria | Bifidobacterium spp. Collinsella intestinales | Atopobium species Propionibacterium sp. | — |
| Verrucomicrobia | — | Akkermansia muciniphila | — |
| Euryarchaeota | — | Methanobrevibacter smithii | — |
| Fusobacteria | — | Fusobacterium sp. | — |