Микрофлора здорового человека: Ошибка выполнения

Содержание

Микрофлора кишечника у взрослых | Энтерожермина

Их количество огромно! Только представьте: оно в 10 раз больше, чем общее число клеток в нашем организме. Общая масса микрофлоры кишечника составляет от 1 до 3 кг.Уникальность микрофлоры кишечника каждого человека позволяет рассматривать ее как своеобразные «отпечатки пальцев». При этом микрофлора кишечника здорового человека идеально адаптирована к потребностям именно его организма, и поэтому ее состав достаточно стабилен на протяжении всей жизни. Виды бактерий, которые преобладают в кишечнике, являются «хорошими», они сохраняют баланс и обеспечивают нормальную работу желудочно-кишечного тракта. При этом виды, которые вредны для организма, хотя и населяют микрофлору кишечника, не способны вызвать расстройство системы или заболевание. Однако под влиянием различных факторов (антибиотики, несбалансированное питание, инфекции и др.) баланс микрофлоры кишечника нарушается, патогенные виды бактерий разрастаются, их становится больше, а «хорошая» микрофлора кишечника угнетается. В этих случаях необходимо принять меры для восстановления нормального баланса микрофлоры кишечника, например, использовать специализированные медицинские препараты.

Из чего состоит микрофлора кишечника?

Состав микрофлоры кишечника меняется в зависимости от различных уровней пищеварительной системы. Кроме того, на нее оказывают влияние и другие факторы, такие как возраст, пол, питание, образ жизни человека и тому подобное. Итак, чтобы ответить на вопрос: «Из чего состоит микрофлора кишечника?», следует знать, что в желудочно-кишечном тракте микроорганизмы распределены по-разному: в желудке рост микроорганизмов ограничивается кислой средой (низкий уровень рН), вдоль тонкой кишки их концентрация постепенно увеличивается, а наибольшее количество бактерий располагается в толстом кишечнике.

Микроорганизмы, которые могут жить без кислорода (анаэробные), составляют 95% всей микрофлоры кишечника, тогда как бактерии, которым для жизни необходим кислород (аэробные), — всего 5%.

Рот, желудок, тонкая и толстая кишка — каждый из этих участков заселяют разные типы бактерий. Микроорганизмы в полости рта выполняют защитную функцию (стрептококки, бактероиды, лактобактерии и дрожжи). Бактерии желудочно-кишечного тракта (лактобациллы, энтерококки, бактероиды и др.) — это невероятно сложный барьер на пути инфекций.

Формирование нормального состава микрофлоры кишечника — длительный и сложный процесс. Фактически с рождения человеческий организм начинают заселять различные микроорганизмы, на протяжении нескольких лет происходит созревание сбалансированного микромира. И хотя с возрастом количество и состав микроорганизмов меняется, уникальность и баланс микрофлоры кишечника сохраняется в течение всей жизни человека.

Новое о микробиоме человека - Наука и техника

Опубликовано: Отредактировано:

Появившиеся в последние годы научные публикации посвящены фундаментальной роли, которую играет для нашего здоровья хорошая работа кишечника. Ученые сегодня досконально изучают состав его микрофлоры, в которую входят разнообразные бактерии, грибки и вирусы. Лор Сегюрель (Laure Ségurel), сотрудница лаборатории Центра научных исследований Франции (CNRS) при парижском Музее человека, рассказала RFI о первых заключениях почти годичных исследований в Камеруне. Они показали, что определяющим для флоры кишечника остается качество питания. Впервые ученые показали также, что качество этой микрофлоры может модифицироваться под воздействием болезнетворных бактерий.

Организм человека состоит не только из клеток, формирующих его органы. Триллионы микробов-симбионтов участвуют в сложнейших обменных процессах нашего тела, гарантируя хорошее пищеварение, поддерживают здоровье и даже влияют на наше настроение. Один кишечник содержит 100 миллиардов бактерий. Медики знают, что хроническое нарушение его микрофлоры может привести к появлению такого заболевания, как ожирение. Сумму микроорганизмов в определенной среде называют микробиотой, объясняет Лор Сегюрель.

Лор Сегюрель:  «О микробиоте говорят в отношении кишечника человека, но также в отношении бактерий какого-нибудь соленого озера. То есть речь идет о букете бактерий определенной биологической ниши. Совершенно недавно, где-то в 2010 году, ученые поняли, что человеческий организм состоит не только из клеток тела, но и из множества микроорганизмов, число которых превосходит количество клеток тела в 10 раз. Интенсивно микробиота человека исследуется пять последних лет. Эти исследования стали возможными благодаря совершенствованию технологий. Раньше для изучения микрофлоры кишечника нужно было культивировать каждый вид бактерий в лабораторных условиях. Нам была известна сотня видов микроорганизмов. Сегодня нам достаточно выполнить секвенцию их генома. Мы считываем геном микроорганизмов, не ведая даже, на что они похожи. Эта техника позволила обнаружить десяток тысяч видов бактерий. Теперь мы можем изучать взаимодействие этих бактерий между собой, как в своего рода экосистеме. Не только в кишечнике, но и на коже и других зонах тела человека».

Лор Сегюрель в Камеруне во время сбора данных для исследования микробиома. Laure Segurel

Лаборатория CNRS поставила целью выяснить, влияет ли пища на состояние микрофлоры кишечника нормального человека. Уточним, что далее Лор Сегюрель говорит о «микробиоме» — этот термин обозначает микробиоту, бактерии в организме человека.

Лор Сегюрель:  «Я изучаю, как питание определенных народов повлияло на их организм. Нам нужно было выяснить, возникают ли физиологические изменения у популяций, которые переходят от охоты преимущественно к земледелию. А также, как влияет переход от традиционного уклада хозяйства к промышленному производству пищи в Западном обществе. Меня интересовали эти два аспекта с двойным временным подходом. С точки зрения истории, земледелие и животноводство зародились 10 тысяч лет назад. И с точки зрения современных изменений, агропромышленность существует относительно недавно. Мы хотели узнать, как эти два фактора формируют микробиом человека. Чтобы сравнить земледельцев, охотников и рыболовов, мы провели исследования в Камеруне, где население сохранило традиционный уклад жизни. А в дальнейшем мы будем сравнивать результаты, полученные в Камеруне с микробиотами камерунцев, которые приехали жить во Францию».

В ходе исследований ученые констатировали, что состояние микрофлоры кишечника может изменяться под воздействием микропаразитов.

Лор Сегюрель:  «Сначала мы выясняли, что едят те или иные группы населения и как это влияет на микрофлору кишечника. Мы уже знали, какую роль играет тип потребляемой пищи. Но в Камеруне мы смогли выяснить и то, что микрофлора изменяется в зависимости от того, является ли человек носителем патогенной амёбы. То есть состояние микробиома кишечника в большей степени зависит от того, колонизирован ли организм амёбами».

Рынок в Камеруне. Ученые выявили различия микробиомов земледельцев, рыболовов и животноводов. Laure Segurel

Техническая революция в науке позволяет сегодня переосмыслить и вопросы гигиены. Стерилизация, пастеризация привели к изменению микрофлоры кишечника населения промышленно развитых стран.

Лор Сегюрель:  «Сегодня в промышленно развитых странах по отношению к странам, где население сохраняет традиционный уклад жизни, мы наблюдаем значительное сокращение разнообразия кишечной микрофлоры. Это касается населения здорового. Но что важно, изменение микробиома наблюдается и в случае ряда заболеваний – метаболических или так называемых аутоимунных, к которым относится ожирение. В этом контексте мы должны выяснить, каковы характеристики микрофлоры кишечника совершенно здорового человека и что позволяет сохранить здоровое равновесие микробиома. Моя работа как раз и заключается в том, чтобы определить критерии здоровой микрофлоры».

Итак, исследования группы под руководством Лор Сегюрель позволили не только показать зависимость состава микрофлоры кишечника от состава пищи, но и впервые показали, что равновесию микрофлоры может нарушить чрезмерное размножение патогенных микроорганизмов. Эта связь особенно интересует медиков. Ведь кишечник позволяет не только усваивать пищу и вырабатывать необходимые для организма витамины В, К и аминокислоты. Он во многом определяет работу нашей иммунной системы. Ученые уже доказали, что изменения кишечного микробиома могут привести к появлению хронических воспалительных заболеваний кишечника.

Новые исследования ведутся в поисках связи между состоянием нашего кишечника и работой мозга. Предполагается, что выделения патогенных бактерий могут попадать в мозг через кровь. Эти гипотезы требуют научного подтверждения, но ученые не исключают, что определенные формы депрессии, болезнь Альцгеймера и рассеянный склероз могут быть связаны с дисбалансом кишечной флоры. Если эти предположения подтвердятся, изучение микробиоты может вызвать революцию в медицине. 

МИКРОФЛОРА ТЕЛА ЗДОРОВОГО ЧЕЛОВЕКА

 

Организм человека в норме содержит сотни видов микроорганизмов; среди них доминируют бактерии. Вирусы и простейшие представлены значительно меньшим числом видов.
Термин «нормальная микрофлора» объединяет микроорганизмы, более или менее часто выделяемые из организма здорового человека.Провести четкую границу между сапрофитами и патогенными микробами, входящими в состав нормальной микрофлоры, часто невозможно.
Кровь и внутренние органы здорового человека и животных практически стерильны. Не содержат микробов и некоторые полости, соприкасающиеся с внешней средой - матка, мочевой пузырь. Быстро уничтожаются микробы в легких. Но в ротовой полости, в носу, в кишечнике, во влагалище имеется постоянная нормальная микрофлора, характерная для каждой области тела (аутохтонная). При этом человек служит источником поступления в окружающую среду множества микроорганизмов.
В течение внутриутробного периода организм развивается в стерильных условиях полости матки, и его первичное обсеменение происходит при прохождении через родовые пути и в первые сутки при контакте с окружающей средой. Затем в течение ряда лет после рождения формируется характерный для определенных биотопов его организма микробный «пейзаж». Среди нормальной микрофлоры выделяют

резидентную (постоянную) облигатную микрофлору и транзиторную (непостоянную) микрофлору, не способную к длительному существованию в организме.


Основные микробные биотопы


Кожа
На кожных покровах микроорганизмы подвержены действию бактерицидных факторов сального секрета, повышающих кислотность. В подобных условиях живут преимущественно Staphylococcusepidermidis, микрококки, сарцины, аэробные и анаэробные дифтероиды. Соблюдение элементарных правил гигиены может уменьшить число бактерий на 90%.
Дыхательная система
В верхние дыхательные пути попадают пылевые частицы, нагруженные микроорганизмами, большая часть которых задерживается в носо- и ротоглотке. Здесь растут бактероиды, коринеморфные бактерии, гемофильные палочки, пептококки, лактобактерии, стафилококки, стрептококки, непатогенные нейссерии и др. Трахеи и бронхи обычно стерильны.

Мочеполовая система
Микробный биоценоз органов мочеполовой системы более скудны. Верхние отделы мочевыводящих путей обычно стерильны; в нижних отделах доминируютStaphylococcus epidermidis, негемолитические стрептококки, дифтероиды; часто выделяют грибы родов Candida. В наружных отделах доминируют Mycobacterium smegmatis. В микробиоценоз влагалища включены молочнокислые бактерии, энтерококки, стрептококки, стафилококки, коринебактерии, палочки Додерлайна.

Рис. 2. Нормофлора влагалища.


Полость рта
Ротовая полость является удобным местом для развития микроорганизмов. Влажность, обилие питательных веществ, оптимальная температура, слабо щелочная реакция среды являются благоприятными факторами для развития микроорганизмов. Поэтому микрофлора полости рта чрезвычайно обильна и разнообразна.
Среди бактерий доминируют стрептококки, составляющие 30-60% всей микрофлоры ротоглотки. Менее аэрируемые участки колонизируют анаэробы - актиномицеты, бактероиды, фузобактерии и вейлонеллы. В полости рта также обитают спирохеты,микоплазмы, грибы рода

Candida и разнообразные простейшие.
Нормальная микрофлора ротовой полости может быть причиной воспалительных процессов и кариеса зубов, однако, при огромном количестве микробов в полости рта воспалительные процессы возникают сравнительно редко. Защитное значение имеют барьерная функция слизистой оболочки и эмали зубов, фагоцитоз.

Рис. 3. Трехдневный зубной налет (электронная фотография).


Желудочно-кишечный тракт (ЖКТ)
Наиболее активно бактерии заселяют ЖКТ; при этом колонизация осуществляется «по этажам».
Вжелудке здорового человека микробов практически нет, что вызвано действием желудочного сока. Тем не менее отдельные виды (например, Helicobacterpylori) адаптировались к обитанию на слизистой оболочке желудка.

Рис. 4. Хеликобактер (электронная фотография).


Верхние отделы тонкой кишки также относительно свободны от бактерий, что связано с неблагоприятным действием щелочного рН и пищеварительных ферментов. Тем не менее в этих отделах можно обнаружить кандиды, стрептококки и лактобациллы.
Нижние отделы тонкой и, особенно, толстая кишка - огромный резервуар бактерий; их содержание может достигать 1012 в 1 г фекалий (30% сухой массы кала).
Микрофлора кишечника представлена тремя основными группами.
К 1-й группе относятся грамположительные бесспоровые анаэробы - бифидобактерии и грамотрицательные бактероиды, составляющие 95% микробиоценоза.

Рис. 5. Бифидобактерии (слева) и бактероиды (справа) кишечника (световая микроскопия).


2-я группа(сопутствующая микрофлора) представлена в основном аэробами (лактобактерии, кокковая флора, Еscherichia coli) удельный вес ее невелик и не превышает 5%. Лактобактерии и нормальная E. coli являются синергистами бифидобактерий.

Рис. 6. Лактобактерии (слева), кокковая флора (в центре), кишечная палочка (справа) (световая микроскопия).


В 3-ю группу включают редко встречающуюся микрофлору условно-патогенную или факультативную). Ее удельный вес не превышает 0,01-0,001% от общего количества микробов. Представителями факультативной микрофлоры являются протей, синегнойная палочка, стафилококк, кандида, серрацина, цитро-, энтеро- и кампилобактерии.


Представители 2-й и 3-й групп в физиологических условиях являются симбионтами 1-й группы, прекрасно с ней сосуществуют, не нанося вреда, проявляя агрессивные свойства лишь при определенных условиях.


Узнать еще:

Роль нормальной микрофлоры в поддержании здоровья человека Текст научной статьи по специальности «Ветеринарные науки»

pean Congress of Endocrinology, Lion. — 2003.

53. Ordonez N., Balch Z., Matias-Guiu X., et al. Undifferetiated (anaplastic) carcinoma / Pathology and Genetics of Tumours of Endocrine Organs // IARCPress, Lion. — 2004. — P.77-80.

54. Passler C, Scheuba C, Prager G., et al. Anaplastic (undifferentiated) thyroid carcinoma // Langebeck s Arch. Surg.

Адрес для переписки:

664003, г. Иркутск, ул. Красного восстания, 1, профессор, тел. (3952) 228-829.

- 1999. - Vol. 384. - P.284-293.

55. Pierie J-P, MuzikanskyA., GazRD, etal. The effect of surgery and radiotherapy on outcome of anaplastic thyroid carcinoma // Ann.Surg.Oncol. — 2002. — Vol. 9, № 1. — P.57-64.

56. Reynolds R.M., Weir J, Stockton D.L., et al. Changing trends in incidence and mortality of thyroid cancer in Scotland // Clin. Endocrinol. - 2005. - № 2. - P156-162.

й Семен Борисович - зав. кафедрой общей хирургии,

© СИМОНОВА Е.В., ПОНОМАРЕВА О.А. - 2008

РОЛЬ НОРМАЛЬНОЙ МИКРОФЛОРЫ В ПОДДЕРЖАНИИ ЗДОРОВЬЯ ЧЕЛОВЕКА

Е.В. Симонова, О.А. Пономарева

(Иркутский государственный медицинский университет, ректор — д.м.н., проф. И.В. Малов, кафедра микробиологии,

зав. — д.м.н., проф. РВ. Киборт)

Резюме. В обзоре литературы излагаются современные представления о значении нормальной микрофлоры в поддержании здоровья человека, рассматриваются межмикробные взаимоотношения и связи в экологической системе «макроорганизм — микроорганизмы».

Ключевые слова: нормальная микрофлора, микробиоценоз, характеристические виды, комменсализм, мутуализм, антагонизм.

THE ROLE OF NORMAL MICROFLORA IN SUPPORTING HUMAN HEALTH

E.V. Simonova, O.A. Ponomareva (Irkutsk State Medical University)

Summary. There are some modern ideas about the meaning of normal microflora in supporting human health. Intermicrobe relations and connections in ecological system «macroorganism — microorganisms» are considered.

Key words: normal microflora, microbiocenosis, characteristic kinds, commensalism, mutualism, antagonism.

Микроорганизмы — наиболее древняя форма организации жизни на Земле, представляющая собой многочисленную и разнообразную группу [16]. J. Lederberg указывает на невероятные возможности генетического разнообразия микроорганизмов при постоянном действии факторов естественного отбора для адаптации к условиям внешней среды [52,53].

В процессе эволюции представители мира микробов, переходя на симбиотические взаимоотношения, адаптировались к существованию в организме человека [2,7].

С современных позиций микрофлору человека следует рассматривать как совокупность множества микробных сообществ, занимающих многочисленные экологические ниши (биотопы) на коже и слизистых оболочках всех открытых внешних полостей макроорганизма [22,39]. В основе заселения микроорганизмов в биотопах лежит комплекс факторов, определяющих его физико-химические свойства: рН среды, парциальное давление газов ткани, вязкость, температура, специфическая метаболическая активность ткани, ее функциональная нагрузка, а также наличие питательного субстрата [3,14,26,28]. Это и создает условия для формирования симбиотических групп, выполняю-

щих строго специфические функции внутри биоценоза и отличающихся от микрофлоры других микробиоценозов, но работающих в интересах экологической системе «макроорганизм — микрофлора» [49]. Совокупность микробных сообществ, разнообразных по своей численности и видовому составу, в различных биотопах определяют нормальный микробиоценоз человека [1]. Формирование экосистемы «макроорганизм — микроорганизм» происходит через процесс сукцессии, т.е. последовательной смены одних микроорганизмов в биоценозе другими видами с образованием устойчивого и стабильного микробного сообщества [60].

В естественной среде человека микроорганизмы находятся в сложных микробных ассоциациях, внутри которых складываются разнообразные формы их взаимоотношений (рис. 1).

Поскольку основным регулирующим фактором в микробиоценозе являются питательные вещества, обеспечивающие заселение экологической ниши микроорганизмами, их следует разделить на метаболически за-

Рис. 1. Типы межмикробного взаимодействия.

висимые группы и метаболически несвязанные между собой [32]. В симбиотической группе, существующей на основе мутуалистических взаимоотношений, устанавливается и закрепляется такое разделение метаболических функций между микроорганизмами, при котором взаимный обмен их метаболитами становится неизбежным и обязательным [8]. Bifidobacterium sp. и другие микроорганизмы, продуцирующие органические кислоты в биотопе, смещают рН среды в кислую сторону, создавая благоприятные условия для роста дрожжей рода Candida, которые в свою очередь обогащают среду обитания этой группы бактерий аминокислотами и витаминами, необходимыми для их нормального метаболизма [33].

Вместе с тем, в структуре микробиоценоза можно встретить сосуществующие микробные ассоциации, не являющиеся микробами одной трофической группы, но способные оказывать взаимное влияние через конечные продукты своего метаболизма. При метаболически зависимом комменсализме конечный продукт жизнедеятельности одного микроорганизма является источником питания для другого. Так, Veillonella sp. может использовать в метаболическом процессе только молочную кислоту, которую для нее образуют Bifidobacterium longum, как конечный продукт разложения глюкозы. При этом они вступают в биоценозе во взаимозависимые взаимоотношения в форме комменсализма [39].

В естественных условиях развития микробных сообществ нередко могут наблюдаться явления, при которых один вид микроорганизмов тем или иным способом угнетает или полностью подавляет рост и развитие других видов. Явление антагонизма широко распространено среди бактерий и грибов. Конкурентные формы взаимоотношений в микробиоценозе формируются вследствие конкуренции микроорганизмов за питательные вещества. Это, как правило, связано с тем, что они имеют одинаковые потребности в каком-либо субстрате, присутствующем в ограниченном количестве. Правом получить его будет обладать тот микроорганизм, который имеет более высокую метаболическую активность или скорость размножения. Например, бактерии подавляют рост актиномицетов, так как быстрее размножаются, а, следовательно, снижают уровень питательных веществ в условиях их обитания [32]. Некоторые микроорганизмы, обладающие протеолитичес-кими ферментами, например, бактерии рода Clostridium, проявляют по отношению к другим микробам насильственный антагонизм, при котором в условиях недостатка в среде питательных веществ могут использовать в качестве источника питания преимущественно продукты лизиса живых клеток других бактерий [8]. Иногда наряду с кислыми продуктами обмена отдельные микроорганизмы образуют нейтральные продукты обмена, например спирты, которые также могут тормозить развитие некоторых видов микробов (например, бактерий рода Proteus) [10]. В частности, вызывает интерес способность отдельных кислоторезистентных лактобактерий пролиферировать в желудке и конкурировать с Helicobacter pylori за органический субстрат, способствуя поддержанию его концентрации в норме [4,25,27,48].

Кроме того, есть формы взаимоотношений между микробами, когда обе популяции развиваются независимо друг от друга, формируя отношения нейтралистов. У нейтралистов нет общего источника питания, и они не продуцируют биологически активные вещества, которыми могли бы ингибировать друг друга. Такую форму взаимоотношений можно наблюдать между микроорганизмами разных систематических групп, например, между прокариотическими микроорганизмами (например, бактериями рода Bacteroides, Leptotrichia) и эукариотами (например, Entamoeba gingivalis), относящихся к биотопу полости рта [12,43].

В структуре микробиоценоза всегда можно выделить группы микроорганизмов, не связанных между собой метаболически, но при этом одни из них, развиваясь независимо от других, привносят новые свойства в экосистему, являясь синергистами для другой микрофлоры. Такой характер взаимоотношений можно наблюдать между аэробами и анаэробами, находящимися в одной экологической нише человека. Аэробы поглощают кислород, создают условия для развития анаэробов, которые обеспечивают их продуктами своей жизнедеятельности [55].

Примером активного антагонизма в естественных условиях развития микроорганизмов в биотопе может служить популяция уробактерий, в присутствии мочевины образующих аммиак, что приводит к значительному подщелачиванию среды и к подавлению некоторых видов микроорганизмов, не влияя на развитие самих уробактерий [8]. Активный антагонизм может быть связан с подавлением развития одних форм микробов другими с помощью образования и выделения конечных продуктов метаболизма в окружающую среду, обладающих антимикробной активностью (бактериоци-нов, антибиотических веществ и других). Например, плесневые грибы выделяют антибиотики, активные в отношении многих групп микроорганизмов (бактерий, актиномицетов и др.) [32]. Антагонизм может носить характер подавления одной из симбиотических групп, сожительствующих в биотопе, а также характер взаимного угнетения нескольких участников ассоциаций. Антагонистические взаимоотношения в симбиотической системе могут приводить к бактериостатической или бактерицидной активности, сопровождаться растворением ингибируемого микроорганизма [1]. В результате антагонизма между бактериями, постоянно стремящихся к росту своей популяции и расширению сферы ее обитания, сдерживается их бесконтрольный рост и нарушение микроэкологического равновесия.

Микрофлора, населяющая организм человека, в биотопе может находиться либо в свободном состоянии, либо в связанном, формируя биопленку. Нефиксированная микрофлора слущивается с поверхности биопленки и выбрасывается во внешнюю среду с выделениями человека (например, со слюной, с испражнениями). Микрофлора, формирующая биопленку, закрывает рецепторы от внешнего посягательства, тогда как свободно живущие микроорганизмы через свои продукты метаболизма вступают в конкурентные взаимодействия с чужеродной микрофлорой [45]. Биопленка — особая форма организации микрофлоры в организме человека. Она представляет собой хорошо взаимодей-

ствующее сообщество микроорганизмов, состоящее из бактерий одного или нескольких видов, занимающих чувствительные рецепторы в макроорганизме и колонизирующие на них, а также отделенных от внешней среды структурой, являющейся производной продуктов жизнедеятельности микроорганизмов и клеток тканей, на которых они адгезируют. Специальные исследования показали, что в биопленке по-иному, в сравнении с чистыми культурами бактерий, происходят их многочисленные физиолого-биологические процессы [58]. Сообщество организует единую генетическую систему, устанавливающую поведенческие формы для членов биопленки, определяющую их пищевые (трофические), энергетические и другие связи между собой и внешним миром. Последнее получило специальное название - «социальное поведение микроорганизмов» («quorum sensing») [3,17]. Установлено, что поведенческие функции микроорганизмов в составе биопленки детерминируются плазмидными генами [45,46,58]. Реакция микроорганизмов на изменения условий окружающей среды в биопленке существенно отличается от реакции каждого отдельного вида в монокультуре. Такая организация обеспечивает ее функциональную стабильность и, следовательно, является залогом конкурентного выживания в условиях внешней среды [51].

Характер взаимного влияния микроорганизмов друг на друга зависит от ряда факторов. К их числу следует отнести агрегирующую способность микрофлоры в биотопе, за счет возможности фиксироваться на строго специфическом рецепторе чувствительной клетки ткани макроорганизма [11]. Этот процесс осуществляется при специфическом лиганд-рецепторном взаимодействии адгезинов с определенным рецептором [20,23, 47,56,57]. Функцию адгезинов у бактерий могут выполнять лектины, отличающиеся вариабельностью химического строения и являющиеся специфическими для каждого вида, а также пили общего типа у грамотрица-тельных бактерий и компоненты пептидогликана у грамположительных [35]. За счет указанных выше особенностей происходит формирование индивидуального варианта нормальной микрофлоры в различных биоценозах. В то же время, адгезия носит не только выраженную видовую специфичность, но и тканевую. Так, например, Bacteroides sp., изолированные со слизистой полости рта крыс, не способны фиксироваться на аналогичных клетках других животных и, более того, не могут длительно колонизировать носоглотку или кишечник этого же животного [61].

Специфика расселения различных микробных популяций по отдельным биотопам макроорганизма кор-реллирует со сложившимися там условиями для обитания микроорганизмов. Количество и доступность питательных веществ в биотопе определяют колонизационную активность нормальной микрофлоры в нем. Известно, что недостаток или избыток того или иного метаболита служат сигналом для адаптивных изменений в соответствующем звене микроэкологической системы [60]. Толстая кишка - коллектор пищевых отходов, являющихся великолепным питательным материалом для развития многочисленных микроорганизмов. Поэтому общее количество жизнеспособных микроорганизмов в 1 г фекалий возрастает до 1010-1012, а ее качественный состав усложняется до 400 и более видов с

Сибирский медицинский журнал, 2008, № 8 общей биомассой около 1,5 кг. В силу столь высокой заселенности микрофлорой толстая кишка несет и самую большую функциональную нагрузку, по сравнению с другими биотопами ЖКТ [10]. В отличие от нее, удельное количество микроорганизмов тощей кишки колеблется в пределах 102-105 бактерий в 1 г содержимого, что во многом объясняется невысоким содержанием в ней питательных веществ [41].

Физико-химическое состояние биотопа выступает селектирующим фактором для отбора микрофлоры в нем. Например, из-за высокой кислотности микробиоценоз желудка достаточно скуден. Микроорганизмы, способные сохранять свою жизнедеятельность в кислой среде и в присутствии пепсина (Lactobacillus acidophillum, Enterococcus sp., грибы рода Candida и др.), локализуются преимущественно в пилорической его части. Активная перистальтика, секреторные иммуноглобулины (IgA, IgE) и ферменты также непосредственно участвуют в регуляции численности микроорганизмов в желудке [13].

Симбиотические взаимоотношения между организмом хозяина и его микрофлорой, эволюционно сформировавшиеся в результате длительной адаптации, предполагают наличие сложного и многогранного механизма, реализуемого на метаболическом, регуляторном, внутриклеточном и молекулярно-генетическом уровнях. Эти отношения являются жизненно важными как для человека, так и для заселяющих его организм микробных популяций. Все локальные микроэкосистемы тесно взаимодействуют между собой и с организмом хозяина, образуя единую симбиотическую систему, стабильно существующую за счет наличия сложных и разнообразных механизмов регуляции [4].

Среди микрофлоры, заселяющей разные экологические ниши организма человека, выделяют индиген-ную (аутохтонную) микрофлору и заносную, то есть привнесенную в организм извне [9,30] (рис. 2).

Состав индигенной микрофлоры определяют характеристические виды микроорганизмов, число которых невелико, но концентрация всегда значимо выражена. Например, частота обнаружения Streptococcus. mutans, Str. salvarius, Str. mitis в слюне и зубодесневых карманах составляет 100,0% случаев, а концентрация каждого из них достигает 105-108 в 1 мл. слюны [12]. Именно характеристические группы микроорганизмов определяют механизмы формирования стабильности в биотопе. Для них было принято определение «базовая симбиотическая единица», т.е. то наименьшее число видов, которое способно совместно существовать в конкурентных условиях и при котором ни один из них не смог бы выжить самостоятельно в данных условиях внешней среды [39]. Стабилизирующая микрофлора разнообразна по видовому спектру, но присутствует в биотопе в низких титрах. Например, бактерии рода Klebsiella, Escherichia, Aerobacter, являясь стабилизирующей микрофлорой полости рта, обнаруживаются только в слюне в 2,0-15,0% случаев, их концентрация в 1 мл слюны не превышает 102 [12].А [40]. Кроме того, у этих же

Рис. 2. Микрофлора тела человека.

Во взаимоотношения с макроорганизмом в форме комменсализма чаще всего вступают стабилизирующие виды микроорганизмов, входящие в структуру микробиоценоза. Комменсалам принадлежит основная функция по обеспечению защиты макроорганизма от чужеродной микрофлоры [5,18,44]. Взаимодействуя с рецепторами клетки, комменсалы инициируют образование биопленки. При этом предотвращается заселение макроорганизма посторонними микроорганизмами [54,62]. Комменсалы являются деструкторами многих химических веществ, поступающих через эндоплазма-тическую сеть на поверхность эпителиальных клеток, которые используют в качестве питательных субстратов [3]. Предполагается, что у взрослого человека микроорганизмы кишечника перерабатывают ежегодно до 50 кг материала эндогенного происхождения (слущен-ных эпителиальных клеток, пищеварительных сосков и т.д.) [26]. Микроорганизмы-комменсалы, населяющие кожу и слизистые, по убеждению Б.А. Шендерова, являются одним из главных механизмов защиты мак-рорганизма от потенциально токсигенных и мутагенных соединений, поступающих с пищей, водой, воздухом или образующихся внутри него [40]. Кроме того, микроорганизмы-комменсалы, являются резервуаром хромосомных и плазмидных генов. Огромный пул генетического материала и его изменчивость, а также высокая скорость размножения микробных клеток обуславливают колоссальные адаптационные возможности микрофлоры человека [39,52].

Реакция организма хозяина на многочисленные микроорганизмы, обитающие на его коже и слизистых,

— важный компонент иммунологического гомеостаза [19]. Комменсалы играют роль антигенного стимулятора иммунной системы, индуцируют образование низких титров антител, опсонинов, и тем самым поддер-

животных имеет место дефицит хемотаксических факторов, цитокинов, медиаторов воспаления, снижена активность естественных клеток-киллеров и фагоцитарная активность клеток ретикулоэндотелиальной системы. Гранулоциты от безмикробных мышей приближались к микроорганизмам, но не были способны их захватить и переварить [39].

Микроорганизмы, взаимодействующие с организмом человека в форме мутуализма, играют важнейшую роль в его жизнедеятельности [9,20]. Одной из функций мутуалистической микрофлоры является ее морфокинетическое действие. Так, установлено, что общая поверхность кишечника у безмикробных животных на 10,0-30,0% меньше, чем у конвенциональных [39]. Кроме того, доказано, что нормофлора стимулирует перистальтику кишечника, опорожнение желудка, оказывает влияние на эндокринную систему, кроветворение и т.д. [39,50].

В настоящее время накоплены многочисленные данные, свидетельствующие, что мутуалистическая микрофлора человека осуществляет биотрансформацию желчных кислот, холестерина, стероидных гормонов, лекарственных препаратов в различные метаболиты в процессе кишечно-печеночной рециркуляции [3,9,19,22].

Известна роль мутуалистической микрофлоры в продукции биологически активных соединений. Среди них — летучие жирные кислоты (уксусная, пропио-новая, масляная, изомасляная, изовалериановая), являющиеся главным продуктом микробной ферментации углеводов. Летучие жирные кислоты регулируют основной обмен, оптимальное значение рН в кишечнике, обладают антимикробным эффектом, благодаря чему участвуют в становлении и поддержании микробной экологии макроорганизма [38]. Исследования на безмикробных и обычных животных продемонстриро-

вали, что присутствующие в организме хозяина микроорганизмы способны синтезировать разнообразные витамины (практически все витамины В-комплекса, витамин К) [18]. Помимо летучих жирных кислот и витаминов, микрофлора производит и другие биологически активные вещества с разными эффектами действия на организм: бактериальные липополисахариды, пеп-тидогликаны, амины, антибиотики и прочие соединения с антимикробной активностью, стероидные гормоны и т.д. [19,39].

Помимо выполнения вышеперечисленных функций, мутуалисты участвуют в поддержании водно-солевого обмена, поддерживают рН, регулируют газовый обмен. Сопоставление состава содержимого кишечника обычных и безмикробных животных свидетельствует о том, что у последних отмечается повышенная гидратация кишечного содержимого, нарушена абсорбция Ca, Mg, P и других ионов и катионов [39].

Вместе с тем, микроорганизмы одной систематической группы, заселяющие разные биотопы человека, вступают в разные формы взаимоотношений с ним [61]. Так, например, Lactobacillus sp. могут обнаруживаться в различных биотопах человека и относятся к его доминирующей микрофлоре. И если в ЖКТ Lactobacillus sp. являются выраженными мутуалистами, то в биотопе влагалища они взаимодействуют с макроорганизмом в форме комменсализма [24,36]. Установлено, что вагинальные Lactobacillus sp. эффективно подавляют рост Gardnerella vaginalis, Staphylococcus sp., бактерий рода Klebsiella, Escherichia, грибов и других микроорганизмов, за счет выделения молочной кислоты, перекиси водорода, лизоцима, антибиотических компонентов, лакто-

ЛИТЕРАТУРА

1. Абросов Н.С., Боголюбов А.А. Экологические и генетические закономерности сосуществования и коэволюции видов. — Новосибирск: Наука, 1988. — 327 с.

2. Алимов А. Ф. Разнообразие, сложность, стабильность, выносливость экологических систем // Журн. общей биологии. - 1994. - Т 55,. № 3. - С.285-302.

3. Бабин В.Н., Домарадский И.В. Биохимические и молекулярные аспекты симбиоза человека и его микрофло-

ы // электрон. версия Росс. химического журнала. — 006. — №6. — Режим доступа: http://www. domaradsky.ru/ rhg94.htm (17 сент.2008).

4.епасеае: Автореф. ...докт. мед. наук. - М., 1993. - 23 с.

7. Беэр С.А. Роль человеческого фактора в эволюции паразитарных систем // Мед. паразитология и паразитарные болезни. - 1993. - № 5. - С.50-56.

8. Бигон М., Харпер Дж, Таунсенд К. Экология. Особи, популяции и сообщества: в 2 т. - М.: Мир, 1989. - Т. 1. -667 с.; Т. 2. - 477 с.

9. Бондаренко В.М. Микрофлора человека: норма и патология // электронная версия научно-информационного журнала «Наука в России». - 2007. - №° 1. - Режим доступа: http://www.den-za- dnem.ru/page.php?article= 310 (17 сент.2008).

10. БондаренкоВ.М., Грачева Н.М., Мацулевич Т.В. Дисбактериозы кишечника у взрослых. - М.: Медицина, 2003.

11. Бондаренко В.М., Петровская В.Г. Ранние этапы развития инфекционного процесса и двойственная роль нормальной микрофлоры // Вестник РАМН. - 1997. - № 3. - С.7-10.

12. Боровский Е.В., Леонтьев В.К. Биология полости рта. -

цинов, подавляющих их жизнедеятельность, поэтому концентрация этих микроорганизмов в микроэкосистеме влагалища не превышает 102-104 КОЕ/г [21].

Исходя из вышесказанного, следует, что индиген-ная микрофлора, постоянно присутствующая в соответствующих микробиоценозах, является наиболее обширной по видовому разнообразию и количественным показателям и по праву называется своеобразным «экстракорпоральным органом» [3,14]. Этот «орган», как и любой другой орган человека, имеет свою структуру и физиологические функции, которые заключаются во влиянии нормальной микрофлоры на многие жизненно важные процессы. В микробиоценозах микроорганизмы представлены в виде ассоциаций и включают десятки и сотни разнообразных видов, а их численность у взрослого человека достигает 1015-17 клеток, что почти на порядок больше числа клеток всех органов и тканей макроорганизма [14,15,29]. Наиболее сложными по составу являются микробиоценозы толстой кишки, рта и носоглотки [42]. Более простыми являются микробиоценозы кожи и носовых ходов [39,42].

Нормальная микрофлора организма человека не является самостоятельным, отдельным от организма объектом внешней среды. Микроорганизмы закономерно колонизируют определенные области, вступают в тесные взаимоотношения с подлежащими структурами, специфически регулируя обмен веществ и функции организма. Однако различные неблагоприятные факторы, обладающие биологической активностью, способны вызывать нарушения в микробиоценозе человека и привести к развитию патологических состояний [6,31].

М: Медицинская книга, 2001. — 304 с.

13. Воробьев А.А., Лыкова ЕА. Бактерии нормальной микрофлоры: биологические свойства и защитные функции //ЖМЭИ. - 1999. - № 6. - С.102-105.

14. Воробьев А.А.Абрамов Н.А., Бондаренко В.М., Шенде-ров Б.А. Дисбактериозы — актуальная проблема медицины // Вестник РАМН. - 1997. - № 3. - С.4-7.

15. Воробьев А.А. Идеи Луи Пастера и развитие инфекто-логии и иммунологии // Вестник РАМН. - 1996. - №

6. - С.6-11.

16. Воробьев А.А., Гинцбург А.Л., Бондаренко В.М. Мир микробов // Вестник РаМн. - 2000. - № 11. - С.11-14.

17. Гинцбург А.Л., Ильина Т. С., Романова Ю.М. «Quorum sensing» или социальное поведение бактерий // ЖМЭИ.

- 2003. - № 5. - С.86-93.

18. Гончарова Г.И., Семенова Л.П., Лянная А.М., Козлова

Э.П. Бифидофлора человека, ее нормализующие и защитные функции // Антибиотики и мед. биотехнология. - 1987. - Т. 32, № 3. - С.25-28.

19. Домарадский И.В., Хохоев Т.Х., Кондракова О.А. и др. Противоречивая микроэкология // Росс. химический журнал. - 2002. - Т 46№ 3. - С.80-89.

20. Иванова В.В., Корнева Е.А. Закономерности взаимоотношений макроорганизма и возбудителей инфекционных болезней у детей // Вестник РАМН. - 2000. - №

11. - С.35-40.

21. КираЕ.Ф. Бактериальный вагиноз. - СПб.: Нева-Люкс,

2001. - 364 с.

22. Клинические аспекты диагностики и лечения дисбио-за кишечника в общетерапевтической практике: учебно-методическое пособие / Под ред. В.И. Симаненко-ва. - СПб., 2003. - 36 с.

23. Колганова Т.В., ЕрмолаевА.В., Дойл РДж. Влияние ферментов аспарагиназы и полифенолоксидазы на адгезивные свойства микроорганизмов // Бюл. эксп. биол. и мед. - 2004. - № 3. - С.24-31.

24. Костюк О.П., Чернышова Л.И., Волоха А.П. Физиологические и терапевтические свойства лактобактерий // Педиатрия. - 1998. - № 5. - С.71-76.

25. Куваева И.Б., Кузнецова Г.Г. Антагонистическая активность микробных популяций защитной флоры и ее связь с характеристикой микробиоценоза и факторами питания // Вопросы питания. - 1993. - № 3. - С.46-50.

26. Куваева И.Б. Обмен веществ организма и кишечная микрофлора. — М.: Медицина, 1976. — 304 с.

27. Ленцнер А.А., Ленцнер Х.П., Микелъсаар М.Э. Лактофлора и колонизационная резистентность // Антибиотики и мед. биотехнология. — 1997. — Т. XXXII, № 3. — С.173-177.

28. МиллерГ.Г. Биологическое значение ассоциаций микроорганизмов // Вестник РАМН. — 2000. — № 1. — С.45-51.

29. Миллер Г.Г. Роль ассоциаций микроорганизмов в инфекционной патологии: Автореф. ...докт. биол. наук. —

М., 2001. - 22 с.

30. Осипов Г.М. Невидимый орган — микрофлора человека // электрон. текстовые дан. — М., 2008. Режим доступа: http://www. biovesta.ru/stati/nauchnye-stati/ nevidimyj-organ-mikroflora-cheloveka (17 сент.2008).

31. Отраслевой Стандарт «Протокол ведения больных. Дисбактериоз кишечника» ОСт91500.11.0004-2003:ут-вержден Приказом М3 РФ № 231 от 09.06.2003. — М., 2003. — 159с.

32. Пианка Э. Эволюционная экология. — М.: Мир, 1981.

— 400 с../(24 сент. 2008).

36. Субботин В.В., Данилевская Н.В. Микрофлора кишечника собак: физиологическое значение, возрастная динамика, дисбактериозы // Ветеринар. — 2002. — № 1. — С.25-47.

37. Суховолъский В.Г. Экономика живого: Оптимизационный подход к описанию процессов в экологических сообществах и системах. — Новосибирск: Наука, 2004. — 140 а

38. Хуснутдинова Л.М. Межбактериальные взаимодействия // ЖМЭИ. — 2003. — № 4. — С.3-8.

39. тендеров Б.А. Медицинская микробная экология и функциональное питание: в 3 т. Т.1. Микрофлора человека и животных и ее функции. — М.: ГРАНТЪ, 1998.

— 288 с.

40. тендеров Б.А. Нормальная микрофлора и некоторые вопросы микроэкологической токсикологии // Антибиотики и медицинская биотехнология. — 1987. — Т 32, № 3. — С.11-13.

41. Щербаков П.Л, Нижевич А.А., Логиновская В.В., Щербакова М.Ю. Микроэкология кишечника у детей и ее нарушения // Фарматека. — 2007. — Т. 148, № 14. — С.23-27.

42. Янковский Д.С. Состав и функции микробиоценозов различных биотопов человека // электронная версия всеукраинского научно-практич. журнала «Здоровье женщины». — Киев, 2003. — Т 16, № 4. — Режим досту-

па: http://medexpert.org.ua/modules/myarticles/

article storyid 21.html (05 ноября 2008).

43. Borriello S.P. Microbial flora of the Gastrointestinal tract // J. Med Microbiol. - 1990. - Vol. 33, № 4. - Р.207-215.

44. Casadevall A., Pirfski L. Host Pathogen Interactions: Basic Concepts of Microbial Commensalism, Colonization, Infection, and Disease // A. Inf Immun. - 2000. - № 68:65.

- Р8-11.

45. Costerton J.W., Stewart P.S., Greenberg E.P. Bacterial biofilms: a common cause of persistent infections // Science. -1999. - № 284. - Р.1318-1322.

46. Donlan R.M., Costerton J.W. Biofilms: survival mechanisms of clinically relevant microorganisms // Clin. Microbiol. -

2002. - Rev. 15. - Р.167-193.

47. Finlau B.B., CossartP. Exploitation of mammalian host cell functions by bacterial pathogens // J. Med Microbiol. -1997. - № 5313. - Р718-725.

48. Gill H.S., Rutherfurd J., Prasad J., Gopal P.K. Enhancement of natural and acquired immunity by Lactobacillus rham-nosus (HN001), Lactobacillus acidophilus (HN017) an Bifidobacterium lactis (HN019) // Brit. J. Nutr. - 2000. -Vol. 83, № 2. - P167-176.

49. GoffL. J. Symbiosis and parasitism: another viewpoint // Bioscience. - 1992. - Vol. 32, № 4. - P.255-256.

50. Husebye E., Hellstrom R. The role of normal microbial flora in control of small intestine motility // Midtvedt. Microbiol. Therapy. - 1990. - № 20. - Р389-394.

51. Le Chevallier M.W., Cawthen D., Lee R.G. Inactiwation of biofilm bacteria // Appl. Environm. Microbiol. - 1998. -Vol. 54, № 10. - Р.68-80.

52. Lederberg J. Infections agents, hosts in constant flux // ASM. Nows. - 1999. - № 1. - Р.18-22.

53. Lederberg_ J. Infectious Diseases as an Evolutionary Paradigm // Emerging Infect. Dis. - 1997. - Vol. 3, № 4. -P.417-423.

54. Macfarlane G.T., Macfarlane S. Human colonic microbiota: ecology, physiology and metabolic potential of intestinal bacteria // Scand J. Gastroenterol. - 1997. - Vol. 32 (Sup-pl. 222). - Р.3-9.

55. May R.M. Mutualistic interactions among species // Nature. - 1982. - Vol. 296, № 5860. - P803-804.

56. Miller F.-M.C, Morschhauser J., Kohler G. Adharenz und Invasion: zwei Pathogenitatsfactoren bei pathogenen Bac-terien und PilZen // J. Gryst. Growth. - 1999. - № 2-4. -P39-42.

57. Normark S., Beijerinck C. Bacterial adhesins and their rde in ifectious disease. - Book Abstr. Delft, 1995. - P.16.

58. O’Toole G.A., Kaplan H.B, Kolter R. Biofilm formation as microbial development // Annu. Rev. Microbiol. - 2000. -№ 54. - Р.49-79;

59. ParksR.W., Clements W.D., Pope C. Bacterial translocation and gut microflora in obstructive jaundice // J. Anat. - 1996.

- № 189. - Р 561-565.

60. Rusch V. C. Das Koncept Symbiose: Eine Übersicht uber die Terminologie zur Beschreibung von Lebensgemeinschaften ungleichnamiger Organismen // Microecol. Therapy. -1999. - Vol. 19. - Р43-58.

61. Savage D.G. Overview of the association of microbes with epithelial surfaces // Microecol. Therapy. - 1994. - Vol. 14.

- Р59-78.

62. Van der Waaij D. Colonization resistance of the Digestive Tract // Japan. - 1999. - № 1. - P76-81.

Адрес для переписки:

664003, г. Иркутск, ул. Красного восстания, 1, ИГМУ, кафедра микробиологии, тел. (3952) 24-30-16. Пономарева Ольга Александровна - аспирант кафедры микробиологии ИГМУ, e-mail: [email protected]

7 важных фактов о микрофлоре :: Здоровье :: РБК Стиль

© Frank Flores/Unsplash

Автор Ирина Рудевич

03 июля 2020

Микробы в организме не появляются раз и навсегда. Их разновидности и количество меняются в зависимости от множества факторов. Учитывая это, проще поддерживать здоровье.

1. Микрофлора уникальна и изменчива

Бактерии заселяют организм при рождении — в утробе матери человек абсолютно стерилен. После появления на свет он начинает дышать воздухом и прикасаться к предметам. Родственники, друзья и другие люди, которые общаются с ребенком, передают ему часть своих уникальных бактерий, которые приживаются или нет. При этом одни — болезнетворные, из-за них происходят сбои в работе организма, другие — нужные и полезные. В совокупности они создают внутри человека микробиом. К трем годам ребенок знакомится с большей частью окружающих его бактерий, иммунная система интенсивно развивается. Микрофлора каждого человека уникальна, как отпечатки пальцев.

Ликбез о микробиоме от Американского музея естественной истории

2. Чем больше микробов, тем лучше

Бактерии живут везде, даже в глубоких водах и арктических льдах. Невозможно подсчитать их точное количество в организме человека, но в среднем ученые оценивают это число в несколько триллионов живых представителей различных видов. Это больше, чем звезд в Млечном Пути. Больше всего полезных бактерий у людей, которые питаются максимально разнообразно и при этом натуральными продуктами. Современным бактериям сложнее попадать к человеку с пищей, когда она подвергается чрезмерной обработке и содержит различные химикаты. Дезинфекция помещений также губительно сказывается на микробах.

© Kelly Sikkema/Unsplash

3. Бактерии могут быть хорошими и плохими

Часть бактерий необходима человеку для поддержания здоровья и нормального функционирования организма. Иногда одни и те же микробы могут приносить и вред, и пользу. Например, Helicobacter pylori — бактерия, вызывающая язву желудка. Она присутствует в теле половины жителей планеты, но у большинства носителей нет симптомов заболевания. Инфекции, вызываемые этим микробом, лечат антибиотиками. «Есть много доказательств того, что Helicobacter имеет как биологические издержки, так и биологические преимущества», — говорит микробиолог Мартин Блейзер из медицинской школы Нью-Йоркского университета. Присутствие этого микроба в организме вредно для желудка и может вызывать симптомы рефлюкса, но полезно для горла.

4. Пробиотики лечат депрессию

Ученые годами изучали связь между кишечными бактериями и химическими веществами в мозге. Одно из исследований, опубликованное в журнале Proceedings of the National Academy of Science, проводилось на мышах. Грызуны получали лактобактерию Lactobacillus rhamnosus и проявляли меньше симптомов тревоги и нервных расстройств, ведущих к депрессивным состояниям. Полагают, что это произошло из-за гамма-аминомасляной кислоты, которая помогает регулировать эмоциональное поведение. Полезная бактерия содержится во многих кисломолочных продуктах, включая греческий йогурт. Поэтому стоит добавить его в рацион, если хотите повысить настроение и избавиться от тревожности.

Что такое психобиотики и как улучшить работу кишечника. Топ продуктов

5. Восстановить микрофлору непросто

Когда люди узнали, что бактерии помогают пищеварению и поддерживают иммунитет, многие начали искать способы заселить организм полезной микрофлорой. Это особенно актуально после лечения антибиотиками, когда наравне с болезнетворными бактериями гибнут нужные. По словам Мартина Блейзера, пробиотики хорошо продаются, но пользы от них немного. Дело в том, что невозможно с помощью пары продуктов восстановить микробиом из нескольких тысяч видов. Лучше всего работают аптечные препараты. После курса лечения антибиотиками лучше проконсультироваться с врачом и подобрать нужные средства для восстановления базовой микрофлоры, а не надеяться на кисломолочные продукты.

6. Микрофлора связана с аллергией

Исследователи из Копенгагена изучили медицинские карты и анализы 411 детей. Врачи утверждают, что те, у кого было меньше разнообразных бактерий в кишечнике, были более склонны к различным аллергическим реакциям. Не было обнаружено конкретного защитного штамма, который бы влиял на работу иммунитета. Но ученые отметили, что некоторые бактерии, например стафилококки, могут увеличивать риск аллергии. Это происходит из-за того, что они губительны для других представителей микробиома. Результаты исследования также показали, что разнообразие бактерий в кишечнике не связано с атопическим дерматитом или астмой.

7. Бактерии влияют на поведение

Микроорганизмы способны воздействовать не только на самочувствие и настроение человека, но и на его предпочтения. Интересное открытие сделали ученые Оксфордского университета. Они изучили влияние бактерии Toxoplasma gondii на людей, в том числе то, как они одеваются. Этот микроб заставляет крыс не бояться кошек, тем самым делая их легкой добычей. Мужчины, инфицированные бактерией, начинают пренебрежительно относиться к своему внешнему виду; у женщин этот показатель не так отчетливо выражен. При этом микроб влияет на социальное поведение: мужчины становятся склонными к нарушению правил, а у женщин проявляется чрезмерная общительность. Около трети людей во всем мире являются бессимптомными носителями Toxoplasma gondii и не догадываются об этом. Токсоплазмоз, болезнь, вызываемая этой бактерией, в большинстве случаев проходит легко. Исключения — беременные женщины (при заражении появляется риск для ребенка), люди и животные со сниженным иммунитетом. 

Микрофлора ротовой полости как фактор развития заболеваний сердечно-сосудистой системы

Резюме. В обзоре обобщены современные данные о роли пародонтопатогенной микрофлоры в инициации и развитии сердечно-сосудистых заболеваний. Пародонтопатогенная микрофлора является ключевым источником локального и системного хронического воспаления, а также выступает в качестве независимого фактора риска ишемической болезни сердца (ИБС). Изучение наличия различных видов пародонтопатогенной микрофлоры в кровеносных сосудах при ИБС позволило прийти к выводу, что уровень выявления их ДНК достигает 100% в образцах тканей атеросклеротических бляшек коронарных артерий. Рассмотрены основные механизмы, инициированные воздействием постоянно персистирующей оральной микробиоты на пути развития атеросклероза: прямой — проникновение бактерий с кровотоком в клетки эндотелия сосудов; и/или опосредованный — стимулирование бактерий к продукции медиаторов с атерогенным и провоспалительным системными эффектами. Оба пути вызывают развитие основных проявлений атеросклероза, таких как эндотелиальная дисфункция, системное воспаление, агрегация тромбоцитов и формирование атероматозных бляшек. Обсуждаются современные подходы к профилактике и лечению заболеваний сердечно-сосудистой системы с учетом механизмов воздействия бактериальной инфекции на развитие атеросклероза.

УДК 616.31-008.8-022+616.12/.13-002

Современные исследования убедительно свидетельствуют о наличии тесной взаимосвязи между состоянием микрофлоры ротовой полости и риском развития патологий с системным воспалительным компонентом, таких как сердечно-сосудистые заболевания (ССЗ) (Amano A., Inaba H., 2012), сахарный диабет (СД) (Preshaw P.M. et al., 2012), ожирение (Pischon N. et al., 2007) и метаболический синдром (МС) (Marchetti E. et al., 2012). В систематическом обзоре L.L. Humphrey и соавторов (2008) показано, что заболевания периодонта являются источником хронического воспаления и выступают в качестве независимого фактора риска возникновения ишемической болезни сердца (ИБС). По этой причине во многих странах мира ведутся постоянные поиски общих этиологических и патогенетических факторов развития этих нарушений, что позволит повысить эффективность диагностических и терапевтических стратегий.

В последние годы сложилось представление о том, что бактериальный состав микрофлоры является одним из ведущих пусковых факторов развития и прогрессирования воспалительных заболеваний зубочелюстной системы. Эволюционно формирование постоянной микрофлоры полости рта человека происходило в процессе взаимной адаптации организма и микробов. Взаимосвязанные приспособительные изменения привели к биологическому равновесию, которое является динамическим (Дмитриева Л.А., Крайнова А.Г., 2004). Возможности поддержания организмом биологического равновесия постоянно нарушаются различными факторами, что приводит к нарастанию количества патогенной микрофлоры.

Микробиологические исследования показали, что воспалительные заболевания полости рта обусловлены воздействием преимущественно смешанных бактериальных и дрожжевых инфекций с более выраженной анаэробной составляющей. В ротовой полости идентифицировано >700 различных видов бактерий (Kazor C.E. et al., 2003), в биопленках и мягком зубном налете, которые формируются на поверхности зубов и в зоне пародонтального кармана, — >400 видов бактерий (Paster B.J. et al., 2001). При развитии патологического воспалительного процесса количество различных видов пародонтопатогенных бактерий значительно возрастает; так, при апикальном периодонтите выявляют ≈200 видов, а при маргинальном периодонтите — >500.

В различных сайтах интактных тканей ротовой полости выявляют представителей ≥8 бактериальных таксономических отделов (таблица) (Parahitiyawa N.B. et al., 2009). В ротовой полости отдел Firmicutes представлен наиболее многочисленно бактериями рода Streptococcus (40–65%) и менее — бактериями родов Abiotrophia, Dialister, Selenomonas и Solobacterium (Aas J.A. et al., 2005). Менее обильно представлены отделы Leptotrichia и Fusobacteria, еще менее — отделы Actinobacteria, Synergistes и Bacteroidetes. Остаются неоднозначными данные по диссеминации в ротовой полости бактерий таких отделов, как Spirochaetes, и недавно описанных отделов Obsidian Pool и TM7, что, безусловно, требует дальнейших исследований (Paster B.J. et al., 2001).

Таблица. Основные бактерии, персистирующие в ротовой полости

Отдел Род
Firmicutes Abiotrophia
Anaerococcus
Anaeroglobus
Bulleidia
Butyrivibrio
Catonella
Centipeda
Dialister
Eubacterium
Filifactor
Gemella
Granulicatella
Johnsonella
Lactobacillus
Megasphaera
Micromonas
Mogibacterium
Paenibacillus
Peptococcus
Peptostreptococcus
Schwartzia
Selenomonas
Solobacterium
Staphylococcus
Streptococcus
Veillonella
Fusobacteria Leptotrichia
Fusobacterium
Actinobacteria Actinobaculum
Actinomyces
Atopobium
Corynebacterium
Rothia
Synergistes Synergistes
Spirochaetes Treponema
Proteobacteria Kingella
Lautropia
Neisseria
Haemophilus
Desulfobulbus
Cardiobacterium
Campylobacter
Bacteroidetes Capnocytophaga
Porphyromonas
Tannerella
Prevotella
Bacteroides
TM7 TM7-клон

К числу наиболее часто выявляемых в ротовой полости пародонтопатогенов относят 3 микроаэрофильных (Actinobacillus actinomycetemcomitans, Campylobacter rectus, Eikenella corrodens) и 7 анаэробных видов (Porphyromonas gingivalis, Bacteroides forsythus, Treponema denticola, Prevotella intermedia, Fusobacterium nucleatum, Eubacterium, Spirochetes) (Feng Z., Weiberg A., 2000).

Говоря о состоянии микрофлоры ротовой полости, нельзя не упомянуть о концепции, предложенной S.S. Socransky и соавторами (Socransky S.S., Haffajee A.D., 1992; Socransky S.S. et al., 1994). Согласно многочисленным работам, положенным в основу данной концепции, переход от здорового состояния к развитию клинических проявлений зубочелюстных заболеваний сопровождается последовательным изменением микрофлоры: от факультативных и ферментативных грампозитивных видов бактерий до анаэробных и протеолитических грамнегативных. Авторы разделили бактерии на 5 различных цветовых кластеров в зависимости от степени выраженности влияния на развитие заболеваний: «зеленый», «желтый», «пурпурный», «красный» и «оранжевый». Так, наличие бактерий «зеленого» (к которому относят различные виды Capnocytophaga — С. ochracea, C. gingivalis, C. sputigena; Campylobacter concisus, Eubacteria nodatum и Streptococcus constellatus) и «желтого» (включает несколько видов Strepto­coccus — S. sanguis, S. oralis, S. intermedius, S. gordonii и S. mitis) кластеров авторы не соотносят с развитием перио­донтальных заболеваний. В то же время наличие «пурпурного» кластера (Veillonella parvula, Actinomyces odontolyticus, Selenomonas noxia, Acti­nomyces naeslundii, Actinomyces viscosus) связывают с развитием кровоточивости десен, которая выявляется при пальпации или зондировании. Авторы установили родственность последнего кластера с «оранжевым» и «красным» кластерами и отметили, что появление на поверхности зубов бактериальных колоний первых трех кластеров является предвестником колонизации бактериями «оранжевого» или «красного» кластеров. Появление «оранжевого» (включает подвиды Fusobacterium periodonticum, Prevotella intermedia, P. nigrescens, Peptostreptococcus micros, C. rectus, C. gracilis, C. showae, Eubacterium nodatum и S. constellatus) и «красного» (3 близкородственных вида T. forsythensis, P. gingivalis и T. denticola) кластеров тесно связано с выраженными признаками развития клинической картины поражения периодонта, а именно с увеличением глубины и кровоточивости образующихся пародонтальных карманов. Позднее было установлено, что вид Actinomyces actinomy­cetemcomitans не относится ни к одному из кластеров, он определяется лишь только при агрессивном (ювенильном) периодонтите. Таким образом, авторы данной концепции показывают, что наиболее яркие клинические проявления воспалительных зубочелюстных заболеваний обусловлены появлением пародонтопатогенных бактерий последних двух кластеров.

В изучении проблемы возникновения взаимосвязей пародонтопатогенной микрофлоры полости рта и развития системных воспалительных заболеваний важное место отводится рассмотрению путей попадания и распространения данных бактерий в организме. Среди исследований этого направления доминируют работы, уделяющие основное внимание роли микрофлоры полости рта в качестве ведущего момента, обусловливающего возникновение патологических изменений в пародонте. Отмечают, что при условии агрессивного локального воздействия различных микроорганизмов в области зубодесневого соединения происходит дальнейшая дегенерация эпителия и поражение нижерасположенных тканей и сосудов, что делает их более восприимчивыми к проникновению пародонтопатогенных бактерий (Шинкевич В.И., Кайдашев И.П., 2012). По данным ряда авторов, наличие в ротовой полости участка пораженного эпителия размером 8–20 мм3 у больных со средним течением периодонтита способствует ускоренному прямому попаданию бактерий в кровоток уже во время приема пищи или чистки зубов (Kinane D.F. et al., 2005).

Имеются многочисленные данные, свидетельствующие о том, что распространение эндодонтической и периодонтальной инфекции, а также последующее воздействие на степень выраженности бактериемии, напрямую ассоциировано с проведением некоторых традиционных лечебных стоматологических процедур, таких как удаление зуба, эндодонтическое лечение, периодонтальная хирургия и удаление зубных отложений (Forner L. et al., 2006; Roberts G.J. et al., 2006; Tomas I. et al., 2007). Показано, что в полученном биоптате тканей вследствие проведения различных хирургических процедур (удаление зуба, хирургическое вмешательство на третьем коренном зубе, эндодонтическое лечение и билатеральная тонзиллэктомия) отмечалась повышенная бактериальная обсемененность. Бактериемия выявлена у 100% пациентов после удаления зуба, у 70% — вследствие удаления зубного камня, у 55% — после оперирования третьего коренного зуба, у 20% — после эндодонтического лечения и у 55% — после билатеральной тонзиллэктомии (Heimadahl A. et al., 1990). При этом наиболее часто выявляли анаэробную микрофлору. В работе G.J. Roberts и соавторы (2006) сообщают, что при стоматологическом лечении 735 детей с обширным разрушением зубов еще до начала проведения терапии детектируемую бактериемию выявляли у 9% детей. Более того, различные гигиенические и консервативные процедуры, включая чистку зубов, способствовали увеличению бактериемии от 17 до 40% среди детей. Анестезия и хирургические процедуры способствовали повышению частоты распространения бактериемии от 15 до 97% случаев.

В опубликованной ранее работе G.J. Debelian и соавторов (1998) с помощью фенотипических и генетических методов исследовали микроорганизмы, попадающие в кровоток из корневого канала во время и после эндодонтического лечения. Образцы микроорганизмов получали из корневого канала от 26 пациентов с бессимптомным апикальным периодонтитом однокорневых зубов. Образцы крови получали во время и через 10 мин после эндодонтической терапии. Во всех корневых каналах содержались анаэробные бактерии. В первой группе, где в корневых каналах применяли стоматологический инструмент на уровне выше 2 мм апикального отверстия корня зуба, выявлены в крови Propionibacterium acnes, Peptostreptococcus prevotii, Fusobacterium nucleatum, Prevotella intermedia и Saccharomyces cerevisiae. Во второй группе, где инструмент доходил до верхушки внутреннего корневого канала, из крови были выделены P. intermedia, Actynomyces israelii, Streptococcus intermedius и Streptococcus sanguis.

Учитывая вышеизложенное, можно заключить, что пародонтопатогенная микрофлора является ключевым этиологическим фактором развития воспалительных заболеваний зубочелюстной системы. Распространение пародонтопатогенной микрофлоры может происходить с током крови повсеместно как вследствие нарушения целостности и повышения проницаемости эпителия, так и вследствие проведения различных стоматологических процедур, проходя путь от места колонизации в ротовой полости и достигая сердца, легких, периферической кровеносной сети и других органов.

В патогенезе зубочелюстных заболеваний важная роль отводится хроническим воспалительным процессам (Moutsopoulos N.M., Madianos P.N., 2006). Воспалительный процесс представляет собой комплекс иммунологических, микроциркуляторных, гематологических и соединительнотканных реакций на повреждение. При этом пусковым механизмом воспалительной реакции является именно повреждение клеток и микрососудов. Вирулентность бактерий может выражаться в прямом токсическом воздействии, вызывающем воспаление и деструкцию, а также опосредованно, например, путем стимуляции иммунопатологических деструктивных реакций. Бактерии, персистирующие в избыточном количестве в биопленках, мягком зубном налете на поверхности зубов и в пародонтальных карманах, вырабатывают ряд токсических веществ: липополисахаридный (ЛПС)-эндотоксин, аммоний, сульфид водорода, индол или карбоксильную кислоту, а также бутират и пропионат, гидролитические и протеолитические ферменты. Важным фактором вирулентности грамотрицательных бактерий является ЛПС-эндотоксин, находящийся на внешней мембране бактерий. Наибольшее количество эндотоксина локализовано в свободном сублингвальном налете и на поверхностях корневого цемента. Влияние ЛПС-ряда бактерий связывают как с нарушением микроциркуляции, так и со снижением синтеза коллагена соединительной ткани десны.

Бактерии, внедряющиеся в ткани, запускают каскад иммунологических процессов, поражая клетки, выделяя токсины и продукты метаболизма. Инвазия бактерий в глубокие слои тканей приводит к активации реакций врожденного иммунитета через стимуляцию образраспознающих рецепторов — Toll-подобных рецепторов (TLR)-2,-4, которые способны выявлять и связывать структурные компоненты (ЛПС, пептидогликаны, липопротеины) родственных групп микроорганизмов (Теблоева Л.М. и др., 2012). Бактериальный ЛПС обычно распознается TLR-4, но у P. gingivalis из-за структурной конформации распознавание происходит через TLR-2. Активация TLR эпителиальных клеток, макрофагов, лимфоцитов и нейтрофилов в тканях ротовой полости приводит к повышению синтеза провоспалительных цитокинов (интерлейкин (ИЛ)-1, фактор некроза опухоли (ФНО)-α), что вызывает воспаление и инфильтрацию иммунных клеток (Островська Л.Й. та співавт., 2003). Так, активированные эпителиальные клетки зубодесневой борозды запускают ряд реакций: синтез провоспалительного цитокина (ИЛ-8), хемоаттрактанта нейтрофилов; продукцию матриксных металлопротеиназ, которые непосредственно разрушают ткани пародонта и стимулируют эндотелиальные клетки кровеносных сосудов, что приводит к повышенной адгезии моноцитов. Инфильтрующие клетки, например Т-клетки памяти, также вырабатывают цитокины и усиливают воспалительную реакцию, результатом которой становится разрушение соединительной ткани. Следовательно, колонизация бактериальной микрофлоры в сублингвальных сайтах ротовой полости в высшей степени способствует нарушению защитных иммунных механизмов, поражению и деструкции тканей, а также активации и пролонгированию иммунодеструктивных процессов.

Анализируя современные данные можно прийти к выводу, что при изменениях в составе микрофлоры ротовой полости наблюдаются разнообразные сдвиги в состоянии общей реактивности организма. Последние проявляются комплексом явлений, выражающихся в снижении уровня общей иммунологической реактивности организма, в повышении степени клеточного и гуморального звеньев иммунитета, в угнетении функционального состояния системы соединительной ткани. Происходящие изменения вызывают сдвиги и в других органах и тканях целостного организма, которые становятся в той или иной степени подверженными данным изменениям. Другими словами, в организме существует своеобразный «замкнутый патологический круг» между состоянием органов ротовой полости и изменениями в различных органах и системах организма. Данные факты позволяют по-новому рассматривать этиологическую роль пародонтопатогенной микрофлоры в развитии системных воспалительных заболеваний. Поэтому весьма актуальным в плане изучения проблемы зубочелюстных заболеваний является установление взаимосвязи между состоянием микрофлоры полости рта и развитием системных воспалительных заболеваний.

Влияние микрофлоры полости рта на развитие ССЗ

В развитии ССЗ, таких как ИБС, инфаркт миокарда (ИМ), стенокардия, артериальная гипертензия (АГ), заболевания периферических артерий и инсульт, ключевую роль играет целый комплекс многочисленных факторов, среди которых одним из ведущих является хроническая инфекция и воспаление (Кайдашев И.П., 2012). Поскольку при различных воспалительных заболеваниях в ротовой полости выявляют в избыточном количестве пародонтопатогенную микрофлору, правомерно предположить, что при заболеваниях зубочелюстной системы, патогенетические механизмы которых содержат выраженные иммунологические компоненты, в свою очередь, наблюдаются изменения в органах или тканях сердечно-сосудистой системы.

Исследования показали исключительно высокую частоту периодонтита умеренного или тяжелого течения, доходящую до 91% общего числа обследованных лиц, при АГ (Geerts S.O. et al., 2004). Имеются сообщения о высокой частоте изменений в околозубных тканях (25–90%), а также влиянии различных стадий хронического периодонтита на последующее повышение развития ССЗ (Beck J. et al., 1996). Данные метаанализа выявили зависимость между заболеваниями периодонта и дальнейшим повышением риска развития ИБС у лиц в возрасте старше 65 лет (Janket S.J. et al., 2003).

Среди работ, посвященных изучению состояния различных органов и тканей сердечно-сосудистой системы при развитии воспалительных заболеваний зубочелюстной системы, больше всего исследований, посвященных изменениям при атеросклерозе. Это обусловлено наличием общих факторов риска как для атерогенеза, так и для периодонтита: курение, употребление алкоголя, СД и ожирение. Вместе с тем атеросклероз является наиболее частой причиной поражения коронарных артерий. В остальных случаях причиной закупорки или стеноза артерий является тромбоэмболия коронарных артерий, сужение их устья при заболеваниях аорты, артериит, сужение артерий вследствие их кальцификации и т.д. Имеются указания, что среди 9 новых основных факторов риска коронарных событий при ИБС присутствуют заболевания перио­донта, что требует дальнейшего формирования доказательной базы (Helfand M. et al., 2009).

Согласно современным данным, постоянно персистирующая оральная микробиота может вызывать развитие атеросклероза двумя путями: прямым — бактерии через кровоток проникают в эндотелий сосудов, вызывая эндотелиальную дисфункцию, воспаление и атеросклероз (Haraszthy V.I. et al., 2000), и/или опосредованным — через стимулирование продукции медиаторов с атерогенным и провоспалительным системными эффектами (Loos B.G. et al., 2000).

Безусловный интерес представляют данные, подтверждающие наличие бактериальной микрофлоры полости рта в крови и атероматозных бляшках кровеносных сосудов. Исследуя ДНК пародонтопатогенной флоры в образцах бляшек сонной артерии пациентов с атеромой сонной артерии определено T. forsynthensis в 79% образцов, F. nucleatum — у 63% образцов, P. intermedia — в 53% образцов, P. gingivalis — у 37% образцов и A. actinomycetemcomitans — у 5% образцов (Cairo F. et al., 2004). Большое количество пародонтопатогенной микрофлоры (Streptococcus mutans, Streptococcus sanguinis, A. actinomycetemcomitans, P. gingivalis и T. denti­cola) выявлено в образцах аневризмы аорты и сердечного клапана (Nakano K. et al., 2009). Бактерии ротовой полости довольно часто определяют вдоль разветвлений артерий, где зачастую выявляются атеросклеротические повреждения. Так, P. gingivalis, A. actinomycetemcomitans, Prevotella intermedia и T. forsythia в большинстве случаев определяются в коронарных артериях, но не во внутренних грудных артериях (Pucar A. et al., 2007). Эти данные согласуются с результатами P.J. Ford и соавторов (2005), которые в образцах сонной артерии после эндартерэктомии методом ПЦР в реальном времени выявляли наличие P. gingivalis в 100% случаев, F. nucleatum — в 84%, T. forsythia — в 48%, Chlamydia pneumoniae — в 30%, Helicobacter pylori и Haemophilus influenzae — в 4% образцов артерий каждой инфекции соответственно. Более того, одновременно выявляется два или более видов пародонтопатогенных бактерий среди 64% образцов атеросклеротических бляшек сонной артерии пациентов с ИБС на фоне заболеваний периодонта (Gaetti-Jardim E. Jr. et al., 2009). В проведенных нами исследованиях выявлено, что ДНК пародонтопатогенной микрофлоры определяется в 83,9% образцов тканей атеросклеротических бляшек коронарных артерий пациентов с ИБС. Наиболее часто в атеросклеротических бляшках обнаруживаются P. gingivalis (64,5%), T. denticola (41,9%), A. actinomycetemcomitans (32,3%), реже B. forsythus (12,9%) и P. intermedia (6,5%). Следует отметить, что в тканях атеросклеротической бляшки одного индивидуума выявлено одновременно наличие двух микроорганизмов в 51,6% случаев, трех — в 22,6% случаев. Наиболее часто отмечали микробные ассоциации между P. gingivalis, T. denticola и A. actinomyce­temcomitans (Skochko O.V. et al., 2011; 2012). У пациентов с болезнью Бергера (облитерирующий тромбангиит), которая характеризуется воспалительными изменениями в мелких и средних сосудах конечностей, выявлено не только высокие титры IgG против T. denticola, P. gingivalis и A. actinomyce­temcomitans в крови, но и ДНК этих бактерий в тканях закупоренных артерий (Nakano K. et al., 2009). Следовательно, вышерассмотренные данные ясно доказывают непосредственное наличие пародонтопатогенов в атеросклеротических бляшках кровеносных сосудов и крови. Однако остается до конца не выясненным, является ли наличие пародонтопатогенной микрофлоры при атеросклеротических повреждениях фактором, непосредственно инициирующим развитие атеросклероза, либо фактором, оказывающим опосредованное действие, усугубляющим патогенез заболевания.

Недавние исследования указывают на прямое воздействие бактерий на эндотелиальные клетки кровеносных сосудов. Установлено, что инвазировавшиеся бактерии P. gingivalis проявляют способность индуцировать их поглощение макрофагами и стимулировать образование пенистых клеток в присутствии липопротеинов низкой плотности (ЛПНП) in vitro (Giacona M.B. et al., 2004). Более того, некоторые виды бактерий P. gingivalis, P. intermedia (Dorn B.R. et al., 1999) и S. mutans (Abran­ches J. et al., 2009) могут проникать и персистировать внутри эндотелиальных клеток аорты in vitro. При этом, как показали исследования, P. gingivalis проявляет способность к внутриклеточному реплицированию внутри аутофагосомы. Свойство P. gingivalis, также как и других пародонтопатогенных бактерий, к внутриклеточному персистированию может инициировать развитие вторичной хронической инфекции, что, в свою очередь, ведет к дальнейшему усугублению атеросклероза.

Инфицирование эндотелиальных клеток бактериями может вызывать развитие эндотелиальной дисфункции, одного из основных проявлений атеросклероза. Проявления эндотелиальной дисфункции характеризуются повышением прокоагулянтных свойств, адгезии мононуклеарных клеток, повышением экспрессии клеточных молекул адгезии, провоспалительных цитокинов и хемокинов (ИЛ-6, ИЛ-8 и моноцитарный хемотаксический протеин-1). Как показали исследования, P. gingivalis может как индуцировать все вышеперечисленные изменения, так и стимулировать пролиферацию гладкомышечных клеток, что ведет к повреждению и ухудшению вазомоторной активности эндотелиальных клеток (Roth G.A. et al., 2007a). Проявление провоспалительных и проатерогенных свойств P. gingivalis связывают со способностью бактерий к инвазии. Данные свойства подтверждены на мутантной форме P. gingivalis — DPG3, характеризующейся отсутствием фимбрий или ворсинок общего типа (обеспечивают у грамнегативных бактерий трофику, водно-солевой обмен и прикрепление к клеткам человека), которая оказалась неспособной индуцировать данные эффекты в эндотелиальных клетках (Roth G.A. et al., 2007b). Бактериальная инвазия в клетки организма-хозяина может приводить к апоптозу, так P. gingivalis в высокой концентрации, в отличие от DPG3, может индуцировать апоптотическую гибель эндотелиальных клеток (Roth G.A. et al., 2007а). Апоптоз, индуцированный лейкотоксином A. actinomyce­temcomitans, вызывает активацию эндогенных нуклеаз, что ведет к повышению перестроек в хромосомной ДНК клеток и позволяет уклониться от реагирования иммунной системы человека (Mangan D.F. et al., 1991). Следовательно, проникновение бактерий в эндотелиальные клетки может приводить к уменьшению выраженности противовоспалительных и антиатерогенных свойств этих клеток, способствуя дальнейшему развитию эндотелиальной дисфункции.

Важным аспектом влияния пародонтопатогенных бактерий на кровеносные сосуды является их способность реагировать и взаимодействовать с тромбоцитами крови, которые участвуют в поддержании гомеостаза и иммунного ответа. Активация бактериями тромбоцитов может вызывать формирование локальных тромбов, истощение тромбоцитов, стимулировать секрецию клетками провоспалительных цитокинов и медиаторов, что значительно усугубляет атеросклероз. В исследованиях установлено, что многие виды Streptococci, особенно S. viridans, S. sanguinis, S. gordonii, S. mutans и S. mitis, могут индуцировать адгезию и агрегацию тромбоцитов in vitro (Kerrigan S.W., Cox D., 2010), что может приводить к дальнейшему формированию тромбоэмболий сосудов. Данный процесс является мультифакториальным и проходит при участии многих поверхностных клеточных белков, которые распознают большинство бактериальных антигенов и индуцируют развитие иммунного ответа. Детерминантами вирулентности у бактерий являются структуры, обеспечивающие их успешное прилипание к эндотелию сосудов, пенетрацию, рост, подавление защиты хозяина, а также повреждение тканей. Так, бактериальные антигены могут быть представлены как растворимыми продуктами клетки (например токсины), так и структурными антигенами, которые являются частью бактериальной клетки (например ЛПС). В процессе агрегации тромбоцитов участвуют поверхностные бактериальные антигены, такие как белок, ассоциированный с агрегацией тромбоцитов (platelet aggregation associated protein (PAAP)) бактерий у S. sanguinis, обогащенные серином гликопротеины (serine rich glycoproteins), а именно SrpA и GspB/Hsa у S. sanguinis и S. gordonii, соответственно, поверхностные белки, такие как SspA и SspB у S. gordonii, а также гликозилтрансферазы у Streptococ­cus mutans.

Как показали исследования, агрегацию тромбоцитов in vitro могут вызывать не только некоторые виды Streptococci, но также и P. gingivalis. Способность P. gingivalis вызывать агрегацию тромбоцитов изначально приписывали фимбриям, поскольку P. gingivalis, содержащие на своей поверхности фимбрии, могли индуцировать агрегацию тромбоцитов, тогда как их мутантные формы DPG3 — нет (Sharma A. et al., 2000). Однако очищенные фимбрии оказались не способными индуцировать агрегацию тромбоцитов, что свидетельствовало об участии и других антигенных факторов в данном процессе (Sharma A. et al., 2000).

Установлено, что везикулы P. gingivalis могут вызывать агрегацию тромбоцитов. Во внешней мембране P. gingivalis находятся везикулы (капсулы), содержащие многие вирулентные факторы (гемагглютинины, протеазы и ЛПС) (Holt S.C., Bramanti T.E., 1991). Было высказано предположение, что фимбрии участвуют в связывании бактерий с тромбоцитами, и что данное связывание способствует взаимодействию поверхностно экспрессирующихся белков везикул с рецепторами тромбоцитов, что вызывает их последующую агрегацию (Sharma A. et al., 2000). Дальнейший анализ белкового состава везикул плазмы крови, обогащенной тромбоцитами, показал, что индуцированная P. gingivalis агрегация тромбоцитов зависит от цистеиновых протеаз (так называемые gingipains Kgp и Rgp) и адгезивных молекул, таких как Hgp44 (Naito M. et al., 2006). В недавних публикациях указано, что P. gingivalis вызывает агрегацию тромбоцитов через TLR-2 зависимые механизмы. Вместе с тем не выявлено данных, касающихся влияния других пародонтопатогенных микроорганизмов на агрегацию тромбоцитов. Следовательно, представленные данные свидетельствуют о способности некоторых видов пародонтопатогенной микрофлоры вызывать адгезию и агрегацию тромбоцитов, что может быть одним из основных факторов, способствующим развитию и прогрессированию тромбозов кровеносных сосудов.

В развитии и прогрессировании атеросклероза важную роль играют процессы системного воспаления. Эпидемиологические исследования показали, что риск развития ССЗ напрямую зависит от повышения уровня цитокинов (ИЛ-1, ИЛ-6, ФНО-α), белков острой фазы (С-реактивного белка (СРБ) и фибриногена) и ЛПНП (Ridker P.M. et al., 2002). Установлено, что у пациентов с периодонтитом также наблюдается в крови высокий уровень белков острой фазы воспаления (СРБ и гаптоглобин) и провоспалительных цитокинов (ИЛ-1, ИЛ-6, ИЛ-8 и ФНО-α) (Chun Y.H. et al., 2005; Loos B.G., 2005). Вместе с тем, сообщаются данные о способности эндотелиальных клеток при индукции воспалительных процессов запускать локальный синтез СРБ в ротовой полости, что также может способствовать поддержанию высокой воспалительной реактивности (Lu Q., Jin L., 2010).

Важной является зависимость развития атеросклероза от способности пародонтопатогенной микрофлоры продуцировать различные эндотоксины, которые, попадая в системный кровоток, стимулируют выработку провоспалительных факторов (ФНО-α, ИЛ-1β, простагландин-2). Данное положение подтверждается в исследованиях, где показано, что продуцируемый P. gingivalis ЛПС стимулирует выработку провоспалительных цитокинов, способствуя активации фагоцитов и формированию пенистых клеток (Nakajima T. et al., 2010). Вместе с тем известны данные, свидетельствующие о способности P. gingivalis связывать ЛПНП через специфические протеины, формируя агрегат, который вызывает образование пенистых клеток. Более того, СРБ также способствует развитию атеросклероза как путем повышения экспрессии молекул клеточной адгезии на эндотелиальных клетках артерий, индукции поступления моноцитов в артериальную стенку, так и стимуляции поглощения макрофагами ЛПНП и формирования пенистых клеток (Ridker P.M. et al., 2002). Показано, что у пациентов с периодонтитом отмечается тесная взаимосвязь между высоким уровнем в крови ФНО-α и фибриногена и повышением толщины комплекса интима-медиа сонной артерии, которые являются маркерами атеросклероза сонной артерии (Skoog T. et al., 2002). Сообщаются данные о выявлении у пациентов с периодонтитом высокого уровня провоспалительных цитокинов и маркеров воспаления (ИЛ-6, СРБ, гаптоглобин и лейкоцитоз), дислипидемии, эндотелиальной дисфункции брахиальной артерии (Amar S. et al., 2003). Эти, пока еще, немногочисленные данные свидетельствуют об участии пародонтопатогенных бактерий в инициации системного воспаления, которое может быть одним из факторов дальнейшего развития и прогрессии атеросклероза.

В настоящее время продолжается активный поиск эффективных профилактических и терапевтических средств и методов, направленных на предотвращение и устранение персистирования пародонтопатогенной микрофлоры в ротовой полости как одного из важных этиопатогенетических факторов развития и прогрессирования ССЗ. Необходимо отметить недостаточное количество эпидемиологических и рандомизированных клинических исследований в данном направлении.

В профилактике зубочелюстных заболеваний немаловажную роль играет рациональная индивидуальная и профессиональная гигиена ротовой полости. Безусловно, что эффективное поддержание личной гигиены способствует не только сохранению достаточной функциональности органов ротовой полости, но, что и еще более важно, снижению риска развития локальной и системной инфекции. Хотя сегодня убедительно доказана эффективность регулярной контролируемой двухразовой ежедневной чистки зубов с целью предотвращения появления пародонтопатогенной микрофлоры и зубного налета, но для большинства людей даже поддержание этого уровня гигиены является трудновыполнимым по ряду причин (Bratthall D. et al., 1996). В исследовании показано, что использование зубной нити (флоса) в качестве средства ежедневной личной гигиены ротовой полости способствует полному устранению бактериемии у пациентов. Однако у ≈86% этих же пациентов после отмены использования зубной нити бактериемию выявляли уже в 1–4-й день. Неудовлетворительное состояние микрофлоры полости рта часто связывают не только с нерегулярностью ухода, но и с неумением правильно чистить зубы. В проведенных в Великобритании исследованиях выявлено, что 74% взрослого населения чистят зубы дважды в течение дня, к тому же у 72% 25–34-летних людей выявляют видимый зубной налет на 30% зубов, а у ≥65-летних — на 44% зубов (Morris A.J. et al., 2001).

Важное место среди исследований принадлежит эпидемиологическим работам, раскрывающим взаимосвязь между поддержанием необходимой гигиены ротовой полости и риском развития ССЗ. В немногочисленных работах последнего времени до сих пор нет однозначной, четкой позиции по этому вопросу, поскольку данные разделяются на две категории: одни подтверждают позитивное воздействие гигиены на предотвращение развития ССЗ, а другие — отрицают.

Наиболее широкомасштабным эпидемиологическим исследованием, подтверждающим взаимосвязь между неудовлетворительной гигиеной полости рта и развитием ССЗ, является национальное популяционное исследование, включающее 11 869 мужчин и женщин жителей Шотландии (de Oliveira C. et al., 2010). Авторы показали, что среди обследованных у 555 на протяжении 8 лет определяли различные ССЗ, из них у 170 — со смертельным исходом. У 74% данных пациентов диагностировано ИБС. У участников исследования, сообщивших о неудовлетворительной гигиене полости рта (никогда/либо редко чистили зубы (<2 раз в день)) на 70% повышался риск развития ССЗ, в сравнении с участниками, имевшими высокий уровень гигиены (≥2 раза). Отмечено, что группа с неудовлетворительным уровнем гигиены в основном была представлена людьми пожилого возраста, преимущественно мужчинами, с низким социальным уровнем, с рядом сопутствующих факторов риска: курение, гиподинамия, АГ, СД и ожирение. В группе обследованных людей с низким уровнем гигиены полости рта выявлены высокие показатели СРБ и фибриногена в крови. Следовательно, неудовлетворительная гигиена полости рта ассоциирована с повышением риска развития ССЗ и уровня системного воспаления.

В ранее представленном в США проспективном когортном исследовании, включавшем анализ данных за 1971–1987 гг. среди 9760 пациентов с периодонтитом, у 25% определили высокий риск развития ИБС (Petersen P.E., Yamamoto T., 2005). Более того, недостаточная гигиена полости рта у людей молодого и пожилого возраста с периодонтитом была одной из основных причин повышения риска развития ИБС, смертности и снижения качества жизни. Так, у мужчин в возрасте <50 лет с периодонтитом с максимальным гигиеническим индексом риск развития ИБС повышался в 1,12 раза, а риск смерти — в 3,4 раза, чем у таких людей с минимальным гигиеническим индексом. Относительно существования взаимосвязи между заболеваниями периодонта и риском развития ССЗ авторы пришли к выводу, что хотя данная зависимость слабая и не является закономерной, но только не для людей молодого возраста. Вместе с тем периодонтит и неудовлетворительная гигиена ротовой полости являются более значимыми индикаторами риска развития общей смертности, нежели развития ИБС.

В работе Д.Ю. Крючкова, И.Г. Романенко (2012) установлено, что у больных с генерализованным пародонтитом на фоне МС, в отличие от здоровых людей, отмечаются достоверно более высокие уровни гигиенического, пародонтального индексов и индекса кровоточивости, более глубокие поражения альвеолярных отростков, а также более высокие уровни провоспалительных цитокинов ИЛ-1β, ИЛ-6 и ФНО-α в ротовой жидкости, что может свидетельствовать о взаимосвязи между неудовлетворительной гигиеной ротовой полости и выраженными патологическими изменениями воспалительного характера, ранними признаками деструктивных изменений в пародонте при МС.

В недавнем эпидемиологическом исследовании немецкие ученые оценивали взаимосвязь между уровнем гигиены ротовой полости и развитием острого коронарного синдрома. В работе выявлено, что уровень гигиенических навыков, показателей гигиенических индексов и активность формирования зубного налета как у здоровых людей, так и у пациентов с воспалительными зубочелюстными заболеваниями не оказывают достоверного влияния на развитие острого коронарного синдрома (Ziebolz D. et al., 2012).

Среди различных терапевтических тактик, направленных на борьбу с пародонтопатогенной микрофлорой, особое место отводится антибактериальной терапии. Современные исследования сообщают, что позитивный эффект данной терапии обусловлен преимущественно воздействием либо на маркеры системного воспаления, либо на некоторые маркеры субклинических признаков воспаления, что дает основания предполагать эффективность в предотвращении развития и атеросклероза.

Сегодня рассматриваются гипотезы о том, что короткий курс системного или локального применения антибиотикотерапии в сочетании с механической чисткой зубов может улучшить течение не только стоматологической патологии, но и атеросклероза. Так, антибиотикотерапия доксициклином в субоптимальных дозах (20 мг 2 раза в сутки) оказывает положительное влияние на предотвращение костной деструкции путем подавления активности матриксных металлопротеиназ (Golub L. et al., 1997).

В рандомизированном контролируемом исследовании, проведенном в 2003–2004 гг. с участием 1079 пациентов с периодонтитом, оценивали влияние локального (периодонтального) и/или системного (антибиотикотерапия) лечения больных на состояние функции эндотелия и маркеров воспаления. Показано, что у больных местное введение антибиотика миноциклина в пародонтальные карманы и дополнительное проведение профессионального очищения от биопленки на поверхности зубов вызывает улучшение состояния тканей пародонта, снижение растяжения сосудов и повышение их пропускной способности, снижение уровня растворимого Е-селектина, но без изменения уровня СРБ в крови в течение 6 мес, в отличие от пациентов, получающих только профессиональную чистку зубов (Tonetti M.S. et al., 2007). Авторы также установили, что короткий курс интенсивной антибиотикотерапии (<2 мес) больных с периодонтитом вызывает развитие острого системного воспаления и появление эндотелиальной дисфункции, тогда как длительный курс (6 мес) выравнивает клиническую картину и улучшает состояние эндотелия у больных с периодонтитом.

В двух небольших рандомизированных исследованиях изучали влияние локальной и системной терапии пациентов с периодонтитом на состояние маркеров системного воспаления (Ide M. et al., 2003; Yamazaki K. et al., 2005). Дизайн исследований включал оценку маркеров воспаления в динамике на фоне приема короткого курса антибиотиков и периодонтальной терапии c хирургическим вмешательством или без него. Показано, что прием антибиотиков и периодонтальная терапия в течение 3 мес не вызывали достоверных изменений уровней маркеров системного воспаления СРБ, ИЛ-6 и ФНО-α в крови пациентов с периодонтитом. Напротив, в другом рандомизированном контролируемом пилотном исследовании сравнивали эффект стандартной периодонтальной терапии с интенсивной периодонтальной терапией на фоне местного приема антибиотика миноциклина у пациентов с хроническим генерализованным периодонтитом. Установлено, что антибиотикотерапия в течение 2 мес способствовала снижению уровней маркеров системного воспаления СРБ и ИЛ-6, а также общего холестерина и ЛПНП в крови пациентов (D’Aiuto F. et al., 2005).

Таким образом, применение стандартных стоматологических процедур на фоне приема антибиотиков в ряде случаев способно предотвращать активацию маркеров системного воспаления и нормализовать функцию эндотелия. Но вместе с тем Американская ассоциация сердца акцентирует внимание на необходимости соблюдения золотого баланса при выборе между эффективностью антибиотикотерапии и необходимостью учитывать возможное дальнейшее развитие антибиотикорезистентности и побочных эффектов (Lockhart P.B. et al., 2012).

В сущности вопрос способности гигиены и антибиотикотерапии ротовой полости оказывать предотвращающее действие на развитие ССЗ остается одним из наиболее дискутабельных на сегодняшний день (Skochko O.V., Kaidashev I.P., 2012). А следовательно, он требует дальнейших комплексных популяционных и эпидемиологических исследований, учитывающих влияние разнообразных факторов.

В будущем не исключена возможность блокирования развития и распространения пародонтопатогенной микрофлоры как в ротовой полости, так и через сосуды с помощью регулирования активности генетических маркеров. Особого внимания сегодня заслуживает многообещающая и перс­пективная гипотеза терапевтической направленности, в основе которой лежит возможность регулировать микробиоту ротовой полости путем контролирования экспрессии генов человека через микроРНК (miRNA) (Dalmasso G. et al., 2011). К настоящему времени самым распространенным методом инициации РНК интерференции является введение в клетку синтетических молекул siRNA размером 21–22 пн, при этом теоретически можно спроектировать малые интерферирующие РНК (siRNA) к любому интересующему гену и/или miRNA и подавить его экспрессию (Шиловский И.П. и др., 2012). В исследовании путем сравнительной характеристики экспрессии miRNA у мышей с отсутствием микроорганизмов установлено, что дисрегуляция mmu-miRNA-665, наблюдаемая при колонизации микроорганизмов, эффективно блокируется путем прямого ингибирования экспрессии гена Abcc3 с помощью Abcc3 3’-UTR (Dalmasso G. et al., 2011). Поскольку установлено участие miRNA в регуляции метаболизма эндотелия сосудов, то, по мнению авторов, является вполне возможным предположить, что контроль микрофлоры через miRNA сможет регулировать функционирование эндотелия и формирование атеросклеротических бляшек в сосудах (Menghini R. et al., 2009; Burcelin R. et al., 2011).

Таким образом, представленные данные позволяют раскрыть современные взгляды на взаимосвязь между состоянием пародонтопатогенной микрофлоры ротовой полости и развитием ССЗ. Безусловно, что пародонтопатогенная микрофлора играет важную этиологическую роль как в развитии воспалительных заболеваний зубочелюстной системы, так и в инициации и прогрессировании ССЗ. Дальнейшие исследования в данном направлении позволят раскрыть глубинные механизмы данной взаимосвязи и на более высоком уровне подойти к планированию эффективных профилактических и терапевтических подходов, направленных на предотвращение развития этих патологических состояний.

Список использованной литературы

  • Дмитриева Л.А., Крайнова А.Г. (2004) Современные представления о роли микрофлоры в патогенезе заболеваний пародонта. Пародонтология, 1(30): 8–15.
  • Кайдашев И.П. (2012) Роль NF-kB в функционировании отдельных тканей, развитии и синтропии заболеваний основных систем организма. Журн. НАМН України, 18(2): 186–198.
  • Крючков Д.Ю., Романенко И.Г. (2012) Использование препаратов, повышающих чувствительность тканей к инсулину, в комплексном лечении генерализованного пародонтита больных с метаболическим синдромом. Архів клін. мед., 2: 48–51.
  • Островська Л.Й., Петрушанко Т.О., Кайдашев І.П. (2009) Поліморфізм Asp299Gly гена Toll-подібного рецептора 4 у генезі змін ясен у вагітних. Укр. стоматол. альманах, 6: 17–20.
  • Теблоева Л.М., Григорян С.С., Дмитриева Л.А., Гуревич К.Г. (2012) Toll-like рецепторы и их роль в развитии пародонтита. Стоматология для всех, 3: 8–11.
  • Шиловский И.П., Мазуров Д.В., Шершакова Н.Н. и др. (2012) Синтетические siRNA эффективно подавляют экспрессию провоспалительного цитокина интерлейкина-4 мыши in vitro. Иммунология, 2: 66–70.
  • Шинкевич В.И., Кайдашев И.П. (2012) Роль клеточных факторов иммунитета в ремоделировании тканей десны при хроническом генерализованном парoдонтите. Стоматология, 1: 23–27.
  • Aas J.A., Paster B.J., Stokes L.N. et al. (2005) Defining the normal bacterial flora of the oral cavity. J. Clin. Microbiol., 43(11): 5721–5732.
  • Abranches J., Zeng L., Bélanger M. et al. (2009) Invasion of human coronary artery endothelial cells by Streptococcus mutans OMZ175. Oral Microbiol. Immunol., 24(2): 141–145.
  • Amano A., Inaba H. (2012) Cardiovascular diseases and periodontal diseases. Clin. Calcium., 22(1): 43–48.
  • Amar S., Gokce N., Morgan S. et al. (2003) Periodontal disease is associated with brachial artery endothelial dysfunction and systemic inflammation. Arterioscler. Thromb. Vasc. Biol., 23(7): 1245–1249.
  • Beck J., Garcia R., Heiss G. et al. (1996) Periodontal disease and cardiovascular disease. J. Periodontol., 67 (Suppl. 10): 1123–1137.
  • Bratthall D., Hänsel-Petersson G., Sundberg H. et al. (1996) Reasons for the caries decline: what do the experts believe? Eur. J. Oral Sci., 104 (4 (Pt. 2)): 416–422.
  • Burcelin R., Serino M., Chabo C. et al. (2011) Gut microbiota and diabetes: from pathogenesis to therapeutic perspective. Acta Diabetol., 48(4): 257–273..
  • Cairo F., Gaeta C., Dorigo W. et al. (2004) Periodontal pathogens in atheromatous plaques. A controlled clinical and laboratory trial. J. Periodontal Res., 39(6): 442–446.
  • Chun Y.H., Chun K.R., Olguin D., Wang H.L. (2005) Biological foundation for periodontitis as a potential risk factor for atherosclerosis. J. Periodontal Res., 40(1): 87–95.
  • D’Aiuto F., Nibali L., Parkar M. et al. (2005) Short-term effects of intensive periodontal therapy on serum inflammatory markers and cholesterol. J. Dent. Res., 84(3): 269–273.
  • Dalmasso G., Nguyen H.T., Yan Y. et al. (2011) Microbiota modulate host gene expression via microRNAs. PLoS One, 6(4): e19293.
  • de Oliveira C., Watt R., Hamer M. (2010) Toothbrushing, inflammation, and risk of cardiovascular disease: results from Scottish Health Survey. BMJ, 340: c2451.
  • Debelian G.J., Olsen I., Tronstad L. (1998) Anaerobic bacteremia and fungemia in patients undergoing endodontic therapy: an overview. Ann. Periodontol., 3(1): 281–287.
  • Dorn B.R., Dunn W.A. Jr., Progulske-Fox A. (1999) Invasion of human coronary artery cells by periodontal pathogens. Infect. Immun., 67(11): 5792–5798.
  • Feng Z., Weinberg A. (2000) Role of bacteria in health and disease of periodontal tissues. Periodontol., 40: 50–76.
  • Ford P.J., Gemmell E., Hamlet S.M. et al. (2005) Cross-reactivity of GroEL antibodies with human heat shock protein 60 and quantification of pathogens in atherosclerosis. Oral Microbiol. Immunol., 20(5): 296–302.
  • Forner L., Larsen T., Kilian M., Holmstrup P. (2006) Incidence of bacteremia after chewing, tooth brushing and scaling in individuals with periodontal inflammation. J. Clin. Periodontol., 33(6): 401–407.
  • Gaetti-Jardim E. Jr., Marcelino S.L., Feitosa A.C. et al. (2009) Quantitative detection of periodontopathic bacteria in atherosclerotic plaques from coronary arteries. J. Med. Microbiol., 58 (Pt. 12): 1568–1575.
  • Geerts S.O., Legrand V., Charpentier J. et al. (2004) Further evidence of the association between periodontal conditions and coronary artery disease. J. Periodontol., 75(9): 1274–1280.
  • Giacona M.B., Papapanou P.N., Lamster I.B. et al. (2004) Porphyromonas gingivalis induces its uptake by human macrophages and promotes foam cell formation in vitro. FEMS Microbiol. Lett., 241(1): 95–101.
  • Golub L.M., Lee H.M., Greenwald R.A. et al. (1997) A matrix metalloproteinase inhibitor reduces bone-type collagen degradation fragments and specific collagenases in gingival crevicular fluid during adult periodontitis. Inflamm. Res., 46(8): 310–319.
  • Haraszthy V.I., Zambon J.J., Trevisan M. et al. (2000) Identification of periodontal pathogens in atheromatous plaques. J. Periodontol., 71(10): 1554–1560.
  • Heimdahl A., Hall G., Hedberg M. et al. (1990) Detection and quantitation by lysis-filtration of bacteremia after different oral surgical procedures. J. Clin. Microbiol., 28(10): 2205–2209.
  • Helfand M., Buckley D.I., Freeman M. et al. (2009) Emerging risk factors for coronary heart disease: a summary of systematic reviews conducted for the U.S. Preventive Services Task Force. Ann. Intern. Med., 151(7): 496–507.
  • Holt S.C., Bramanti T.E. (1991) Factors in virulence expression and their role in periodontal disease pathogenesis. Crit. Rev. Oral Biol., 2(2): 177–281.
  • Humphrey L.L., Fu R., Buckley D.I. et al. (2008) Periodontal disease and coronary heart disease incidence: a systematic review and meta-analysis. J. Gen. Intern. Med., 23(12): 2079–2086.
  • Ide M., McPartlin D., Coward P.Y. et al. (2003) Effect of treatment of chronic periodontitis on levels of serum markers of acute-phase inflammatory and vascular responses. J. Clin. Periodontol., 30(4): 334–340.
  • Janket S.J., Baird A.E., Chuang S.K., Jones J.A. (2003) Meta-analysis of periodontal disease and risk of coronary heart disease and stroke. Oral Surg. Oral Med. Oral Pathol. Oral Radiol. Endod., 95(5): 559–569.
  • Kazor C.E., Mitchell P.M., Lee A.M. et al. (2003) Diversity of bacterial populations on the tongue dorsa of patients with halitosis and healthy patients. J. Clin. Microbiol., 41(2): 558–563.
  • Kerrigan S.W., Cox D. (2010) Platelet-bacterial interactions. Cell Mol. Life Sci., 67(4): 513–523.
  • Kinane D.F., Riggio M.P., Walker K.F. et al. (2005) Bacteraemia following periodontal procedures. J. Clin. Periodontol., 32(7): 708–713.
  • Lockhart P.B., Bolger A.F., Papapanou P.N. et al.; American Heart Association Rheumatic Fever, Endocarditis, and Kawasaki Disease Committee of the Council on Cardiovascular Disease in the Young, Council on Epidemiology and Prevention, Council on Peripheral Vascular Disease, and Council on Clinical Cardiology (2012) Periodontal disease and atherosclerotic vascular disease: does the evidence support an independent association?: a scientific statement from the American Heart Association. Circulation, 125(20): 2520–2544.
  • Loos B.G. (2005) Systemic markers of inflammation in periodontitis. J. Periodontol., 76(Suppl. 11): 2106–2115.
  • Loos B.G., Craandijk J., Hoek F.J. et al. (2000) Elevation of systemic markers related to cardiovascular diseases in the peripheral blood of periodontitis patients. J. Periodontol., 71(10): 1528–1534.
  • Lu Q., Jin L. (2010) Human gingiva is another site of C-reactive protein formation. J. Clin. Periodontol., 37(9): 789–796.
  • Mangan D.F., Taichman N.S., Lally E.T., Wahl S.M. (1991) Lethal effects of Actinobacillus actinomycetemcomitans leukotoxin on human T lymphocytes. Infect. Immun., 59(9): 3267–3272.
  • Marchetti E., Monaco A., Procaccini L. et al. (2012) Periodontal disease: the influence of metabolic syndrome. Nutr. Metab. (Lond.), 9(1): 88.
  • Menghini R., Casagrande V., Cardellini M. et al. (2009) MicroRNA 217 modulates endothelial cell senescence via silent information regulator 1. Circulation, 120(15): 1524–1532.
  • Morris A.J., Steele J., White D.A. (2001) The oral cleanliness and periodontal health of UK adults in 1998. Br. Dent. J., 191(4): 186–192.
  • Moutsopoulos N.M., Madianos P.N. (2006) Low-grade inflammation in chronic infectious diseases: paradigm of periodontal infections. Ann. N. Y. Acad. Sci., 1088: 251–264.
  • Naito M., Sakai E., Shi Y. et al. (2006) Porphyromonas gingivalis-induced platelet aggregation in plasma depends on Hgp44 adhesin but not Rgp proteinase. Mol. Microbiol., 59(1): 152–167.
  • Nakajima T., Honda T., Domon H. et al. (2010) Periodontitis-associated up-regulation of systemic inflammatory mediator level may increase the risk of coronary heart disease. J. Periodontal. Res., 45(1): 116–122.
  • Nakano K., Nemoto H., Nomura R. et al. (2009) Detection of oral bacteria in cardiovascular specimens. Oral Microbiol. Immunol., 24(1): 64–68.
  • Parahitiyawa N.B., Jin L.J., Leung W.K. et al. (2009) Microbiology of odontogenic bacteremia: beyond endocarditis. Clin. Microbiol. Rev., 22(1): 46–64.
  • Paster B.J., Boches S.K., Galvin J.L. et al. (2001) Bacterial diversity in human subgingival plaque. J. Bacteriol., 183(12): 3770–3783.
  • Petersen P.E., Yamamoto T. (2005) Improving the oral health of older people: the approach of the WHO Global Oral Health Programme. Community Dent. Oral Epidemiol., 33(2): 81–92.
  • Pischon N., Heng N., Bernimoulin J.P. et al. (2007) Obesity, inflammation, and periodontal disease. J. Dent. Res., 86(5): 400–409.
  • Preshaw P.M., Alba A.L., Herrera D. et al. (2012) Periodontitis and diabetes: a two way relationship. Diabetol., 55(1): 21–31.
  • Pucar A., Milasin J., Lekovic V. et al. (2007) Correlation between atherosclerosis and periodontal putative pathogenic bacterial infections in coronary and internal mammary arteries. J. Periodontol., 78(4): 677–682.
  • Ridker P.M., Rifai N., Rose L. et al. (2002) Comparison of C-reactive protein and low-density lipoprotein cholesterol levels in the prediction of first cardiovascular events. N. Engl. J. Med., 347(20): 1557–1565.
  • Roberts G.J., Jaffray E.C., Spratt D.A. et al. (2006) Duration, prevalence and intensity of bacteraemia after dental extractions in children. Heart, 92(9): 1274–1277.
  • Roth G.A., Ankersmit H.J., Brown V.B. et al. (2007a) Porphyromonas gingivalis infection and cell death in human aortic endothelial cells. FEMS Microbiol. Lett., 272(1): 106–113.
  • Roth G.A., Moser B., Roth-Walter F. et al. (2007b) Infection with a periodontal pathogen increases mononuclear cell adhesion to human aortic endothelial cells. Atherosclerosis, 190(2): 271–281.
  • Sharma A., Novak E.K., Sojar H.T. et al. (2000) Porphyromonas gingivalis platelet aggregation activity: outer membrane vesicles are potent activators of murine platelets. Oral Microbiol. Immunol., 15(6): 393–396.
  • Skochko O.V., Bobrova N.A., Izmaylova O.V., Kaǐdashev I.P. (2011) Role of several periodontopathogenic microorganisms and tlr4 gene Asp299Gly polymorphism in atherosclerosis pathogenesis. Zh. Mikrobiol. Epidemiol. Immunobiol., 5: 83–86.
  • Skochko O.V., Kaǐdashev I.P. (2012) Meta-analysis of randomized trials of antimicrobial drugs in the treatment of coronary heart disease. Lik. Sprava, 5: 72–86.
  • Skochko O.V., Vesnina L.É., Bobrova N.A. et al. (2012) Quantitative analysis of individual groups of microorganisms, extracted from atherosclerotic lesions in the coronary arteries in patients depending upon ASP299GLY polymorphism of TLR4 gene. Lik. Sprava, 3–4: 82–86.
  • Skoog T., Dichtl W., Boquist S. et al. (2002) Plasma tumour necrosis factor-alpha and early carotid atherosclerosis in healthy middle-aged men. Eur. Heart J., 23(5): 376–383.
  • Socransky S.S., Haffajee A.D. (1992) The bacterial etiology of destructive periodontal disease: current concepts. J. Periodontol., 63(Suppl. 4): 322–331.
  • Socransky S.S., Smith C., Martin L. et al. (1994) «Checkerboard» DNA-DNA hybridization. Biotechniques, 17(4): 788–792.
  • Tomás I., Alvarez M., Limeres J. et al. (2007) Prevalence, duration and aetiology of bacteraemia following dental extractions. Oral Dis., 13(1): 56–62.
  • Tonetti M.S., D’Aiuto F., Nibali L. et al. (2007) Treatment of periodontitis and endothelial function. N. Engl. J. Med., 356(9): 911–920.
  • Yamazaki K., Honda T., Oda T. et al. (2005) Effect of periodontal treatment on the C-reactive protein and proinflammatory cytokine levels in Japanese periodontitis patients. J. Periodontal Res., 40(1): 53–58.
  • Ziebolz D., Priegnitz A., Hasenfuss G et al. (2012) Oral health status of patients with acute coronary syndrome — a case control study. BMC Oral Health, 12: 17.

Т.В. Мамонтова, Л.Е. Весніна, І.П. Кайдашев

Резюме. В огляді узагальнено сучасні дані про роль пародонтопатогенної мікрофлори в ініціюванні та розвитку серцево-судинних захворювань. Пародонтопатогенна мікрофлора є ключовим джерелом локального і системного хронічного запалення, а також виступає в ролі незалежного фактора ризику ішемічної хвороби серця (ІХС). Вивчення наявності різних видів пародонтопатогенної мікрофлори у кровоносних судинах при ІХС дозволило дійти висновку, що рівень виявлення їх ДНК сягає до 100% у зразках тканин атеросклеротичних бляшок коронарних артерій. Розглянуто основні механізми, ініційовані впливом постійно персистуючої оральної мікробіоти на шляху розвитку атеросклерозу: прямий — проникнення бактерій із кровотоком у клітини ендотелію судин; і/або опосередкований — стимулювання бактерій до продукції медіаторів з атерогенним і прозапальним системними ефектами. Обидва шляхи викликають розвиток основних проявів атеросклерозу, таких як ендотеліальна дисфункція, системне запалення, агрегація тромбоцитів і формування атероматозних бляшок. Обговорюються сучасні підходи до профілактики і лікування захворювань серцево-судинної системи з урахуванням механізмів впливу бактеріальної інфекції на розвиток атеросклерозу.

Ключові слова: пародонтопатогенна мікрофлора, захворювання зубощелепної системи, серцево-судинні захворювання, гігієна, антибактеріальна терапія.

T.V. Mamontova, L.E. Vesnina, I.P. Kaidashev

Summary. The modern data about the role of periodontopathogenic microbiota in initiation and development of cardiovascular system disease have been summarized in the review. The periodontopathogenic microflora is a key source of a local and systemic chronic inflammation and also acts as an independent risk factor of the coronary heart disease (CHD). Studying the presence of the various types of periodontopathogenic microflora in blood vessels in CHD allowed to come to a conclusion that the level of their DNA detection reaches 100% in samples of tissues of atherosclerotic plaques of coronary arteries. The main mecha­nisms, initiated by impact of constantly persistent oral microbiota on the way of the atherosclerosis development: the direct — penetration of bacteria with the blood flow in cells of the endothelium of vessels; and/or mediated — stimulation of bacteria to production of mediators with atherogenic and pro-inflammatory systemic effects, are considered. The both ways are causing the development of the main implications of the atherosclerosis, such as endothelial dysfunction, systemic inflammation, aggregation of thrombocytes and atherosclerosis plaques formation. The modern approaches to the prevention and treatment of cardiovascular system diseases considering the impact of the mechanisms of the bacterial infection on the development of atherosclerosis are discussed.

Key words: periodontopathogenic microbio­ta, oral diseases, cardiovascular system diseases, hygiene, antibacterial therapy.

Адрес для переписки:
Мамонтова Татьяна Васильевна
36011, Полтава, ул. Тараса Шевченко, 23
Украинская медицинская
стоматологическая академия
E-mail: [email protected]

Получено 17.12.2013

Питание и микробиота. / Статьи / «Авиценна» в Волгограде

08/11/19

Питание и микробиота.

   С давних времен люди задумывались о питании. Питание, как и дыхание,  являются базовыми потребностями человека.  Еще И.П. Павлов писал: «если чрезмерное и исключительное  увлечение едой есть животность, то высокомерное невнимание к еде есть неблагоразумие, и истина здесь, как всюду, лежит в середине: не увлекайся, но оказывай должное внимание». 

  В свете новых данных наука о питании претерпевает  изменения. На сегодняшний день уже очевидно, что не только в калориях потенциальная  сила питания.  Микробиология открыла нам огромный спектр микроорганизмов «внутреннего мира» человека.

   Микробиота ( микрофлора) человека,  на сегодняшний день, предмет дискуссий и изучения в фокусе  влияния ее на формирование и течение болезней.  Состав микробиоты различается  в зависимости от органов и систем.  В общей сложности микробы, живущие на человеческом теле,  и внутри его содержат 4,4 миллиона генов. Это так называемый, микробином – совокупность геномов всей нашей микрофлоры.  Микробиота человека индивидуальна, и рассматривается, как генетически обусловленный признак.  На состав микробиоты могут влиять такие факторы как возраст, пол,  раса, диета, заболевания желудочно-кишечного тракта и др.    Самая значимая, безусловно, это микробиота кишечника, содержащая 100 триллионов микроорганизмов. Накапливаются данные, что микроорганизмы, населяющие кишечник человека могут влиять на физиологию и поведение мозга, посредством вегетативной нервной системы, нейрометаболитов, сигнальных молекул, нейромедиаторов.  В исследованиях показано, что изменение кишечной микробиоты может влиять не только на нейрогенез и активацию нейроглии, но и на такие психические функции как поведение, настроение и даже познание. Так же имеются многочисленные данные  о влиянии микробиома  на клетки врожденной и адаптивной иммунной  системы.  Известно так же, что обмен серотонина и кишечная микробиота  оказывают существенное взаимное влияние.  Есть научные данные,   свидетельствующие о взаимосвязи депрессии и качественного состава микробиоты.    Изучаются вопросы  взаимосвязи изменения микробного состава толстого кишечника и развития  ревматоидного артрита,  псориаза, синдрома Шегрена.  Очевидно, что все эти данные заставляют нас рассматривать поддержание микрофлоры  человека как действенный инструмент сохранения здоровья.

Какие на сегодняшний день есть способы сохранения, поддержания и изменения микробиоты?

   Существует несколько способов повлиять на равновесие микробиоты.  Очень популярно, хотя и до конца не доказано использование пробиотиков,  пребиотиков и синбиотиков.  В последние годы даже стали рассматривать вариант трансплантации фекальной микробиоты. Однако  это требует дальнейшего изучения.  Не вызывает сомнения факт, что несмотря на то, что состав кишечной микрофлоры определяется генами и окружающей средой, качественное питание позволяет поддержать  баланс микробиоты человека. Наиболее восприимчива к рациону питания микробиота в детском возрасте, в зрелом возрасте качественный и количественны состав  остается достаточно стабильным, но все еще зависит от разнообразия и качества нашего рациона.  Поэтому,    изменение привычек питания, особенно если они носят долговременный характер, способно играть важную роль в поддержании оптимальной  микробиоты.

  Какими же принципами стоит руководствоваться? Как уже говорилось, микробиота определяется генетическими факторами, расовыми и т.д.  Из этого можно сделать вывод, что рацион питания не должен  сильно отличаться от традиционно сложившихся пищевых привычек, характерных для  народов региона вашего проживания и вашей этнической группы. 

   Основополагающие принципы здорового питания схематически изображены на хорошо всем известной « пирамиде питания» разработанной зарубежными диетологами и одобренной российскими специалистами по питанию.

   Основание пирамиды – это базовые продукты питания, они  представлены  пищей, приготовленной  из зерновых. Сюда относится хлеб грубого помола, каши, макароны из цельнозерновой муки, неочищенный рис, а так же растительные жиры. Предпочтение следует отдавать оливковому, рапсовому и подсолнечному маслу.  Эти продукты можно употреблять ежедневно.

   Фрукты и овощи содержат большое количество клетчатки, микроэлементов,  витаминов и  воды, они  также могут употребляться ежедневно.

   А вот, что касается белоксодержащих продуктов, то предпочтение следует отдавать рыбе, мясу птицы. К этой же группе относятся бобовые, яйца  и орехи. Употребление этих продуктов рекомендуется 3-4 раза в неделю.

   Молочные продукты, йогурты и сыр, так же относятся к белоксодержащим продуктам. Употреблять их так же рекомендуется 2-3  раза в неделю.  Предпочтительнее употреблять белые сыры.

 Вершину пирамиды составляют сахар, сладости соль, жир.  Употребление продуктов из этой категории должно быть сведено к минимуму.  Сюда же относится и красное мясо, употреблять которое не рекомендуется чаще, чем раз в неделю.

   Что касается воды, то  2-2,5 литра нужно употреблять,  причем сюда входит и вода приготовленных блюд и фруктов.

    Для тех, кто терпеливо  все прочитал, есть еще важная информация.  Женщинам допустимо употреблять ½ бокала вина, а мужчинам бокал вина.

   В заключении хочется сказать, что еда должна приносить и удовольствие.  Используйте приправы и специи.  Готовьте еду с любовью, сервируйте красиво стол. Питайтесь осознанно и живите долго и счастливо! 

Автор: Сарычева Т.Н.

Проект NIH Human Microbiome Project определяет нормальный бактериальный состав тела

Пресс-релиз

Среда, 13 июня 2012 г.

Секвенирование генома создает первые справочные данные для микробов, живущих со здоровыми взрослыми людьми.

Микробы обитают практически во всех частях человеческого тела, обитая на коже, в кишечнике и носу. Иногда они вызывают болезни, но в большинстве случаев микроорганизмы живут в гармонии со своими человеческими хозяевами, обеспечивая жизненно важные функции, необходимые для выживания человека.Впервые консорциум исследователей, организованный Национальными институтами здравоохранения, составил карту нормального микробного состава здоровых людей, что привело к многочисленным открытиям и даже нескольким сюрпризам.

Исследователи обнаружили, например, что почти каждый человек регулярно является носителем патогенов, микроорганизмов, вызывающих болезни. Однако у здоровых людей патогены не вызывают болезней; они просто сосуществуют со своим хозяином и остальной частью человеческого микробиома, совокупностью всех микроорганизмов, живущих в человеческом теле.Теперь исследователи должны выяснить, почему некоторые патогены становятся смертельными и при каких условиях, вероятно, пересмотрев существующие представления о том, как микроорганизмы вызывают заболевания.

В серии скоординированных научных отчетов, опубликованных 14 июня 2012 года в журналах Nature и нескольких журналах Публичной научной библиотеки (PLoS), около 200 членов Консорциума Проекта микробиома человека (HMP) из почти 80 университетов и научных учреждений сообщают на пять лет исследований. С момента своего запуска в 2007 финансовом году HMP получила 153 миллиона долларов от Общего фонда NIH, который инвестирует в высокоэффективные инновационные исследования транс-NIH.Отдельные институты и центры NIH предоставили дополнительно 20 миллионов долларов в качестве софинансирования для исследований консорциума HMP.

«Подобно исследователям 15 века, описывающим очертания нового континента, исследователи HMP впервые применили новую технологическую стратегию для определения нормального микробного состава человеческого тела», - сказал директор NIH Фрэнсис С. Коллинз, доктор медицины, доктор философии. .D. «HMP создала замечательную справочную базу данных, используя методы секвенирования генома для обнаружения микробов у здоровых добровольцев.Это закладывает основу для ускорения исследований по инфекционным заболеваниям, которые ранее были невозможны без этого ресурса сообщества ».

Методы и результаты

Человеческое тело содержит триллионы микроорганизмов, что в 10 раз превышает количество человеческих клеток. Однако из-за своего небольшого размера микроорганизмы составляют всего от 1 до 3 процентов массы тела (у 200-фунтового взрослого это от 2 до 6). фунтов бактерий), но они играют жизненно важную роль для здоровья человека.

Чтобы определить нормальный микробиом человека, исследователи HMP взяли образцы 242 здоровых U.S. добровольцы (129 мужчин, 113 женщин), собирающие ткани из 15 участков тела у мужчин и 18 участков тела у женщин. Исследователи собрали до трех образцов от каждого добровольца на таких участках, как рот, нос, кожа (по два за каждым ухом и каждый внутренний локоть) и нижняя часть кишечника (стул), а также три участка влагалища у женщин; на каждом участке тела могут обитать такие же разные организмы, как в тропических лесах Амазонки и пустыне Сахара.

Исторически врачи изучали микроорганизмы у своих пациентов, выделяя патогены и выращивая их в культуре.Этот кропотливый процесс обычно позволяет идентифицировать только несколько видов микробов, поскольку их трудно выращивать в лаборатории. В HMP исследователи очистили всю человеческую и микробную ДНК в каждом из более чем 5000 образцов и проанализировали их с помощью машин для секвенирования ДНК. Используя компьютеры, исследователи отсортировали 3,5 терабазы ​​данных о последовательности генома, чтобы определить специфические генетические сигналы, обнаруживаемые только у бактерий - вариабельные гены бактериальной рибосомной РНК, называемые 16S рРНК. Бактериальная рибосомная РНК помогает формировать клеточные структуры, производящие белок, и может идентифицировать присутствие различных видов микробов.

Сосредоточение внимания на этой микробной сигнатуре позволило исследователям HMP игнорировать последовательности генома человека и анализировать только бактериальную ДНК. Кроме того, метагеномное секвенирование или секвенирование всей ДНК в микробном сообществе позволило исследователям изучить метаболические возможности, закодированные в генах этих микробных сообществ.

«Недавно разработанные методы секвенирования генома теперь обеспечивают мощную линзу для изучения человеческого микробиома», - сказал Эрик Д. Грин, M.D., доктор философии, директор Национального исследовательского института генома человека, который руководил HMP для NIH. «Поразительное снижение стоимости секвенирования ДНК сделало возможным крупное исследование, проведенное проектом Human Microbiome Project».

Если раньше врачи выделили лишь несколько сотен видов бактерий из организма, то теперь исследователи HMP подсчитали, что человеческую экосистему населяют более 10 000 видов микробов. Более того, исследователи подсчитали, что они идентифицировали от 81 до 99 процентов всех родов микроорганизмов у здоровых взрослых.

«Мы определили границы нормальной микробной изменчивости у людей», - сказал Джеймс М. Андерсон, доктор медицинских наук, директор отдела координации программ, планирования и стратегических инициатив Национального института здоровья (NIH), в который входит Общий фонд NIH. «Теперь у нас есть очень хорошее представление о том, что является нормальным для здорового западного населения, и мы начинаем понимать, как изменения в микробиоме коррелируют с физиологией и болезнью».

Исследователи

HMP также сообщили, что это множество микробов вносит больше генов, ответственных за выживание человека, чем люди.В то время как геном человека содержит около 22 000 генов, кодирующих белок, по оценкам исследователей, микробиом человека вносит около 8 миллионов уникальных генов, кодирующих белок, или в 360 раз больше бактериальных генов, чем гены человека.

Этот бактериальный геномный вклад имеет решающее значение для выживания человека. Например, гены, переносимые бактериями в желудочно-кишечном тракте, позволяют людям переваривать пищу и поглощать питательные вещества, которые в противном случае были бы недоступны.

«У людей нет всех ферментов, необходимых для переваривания нашей собственной диеты», - сказала Лита Проктор, доктор философии.D., менеджер программы HMP NHGRI. «Микробы в кишечнике расщепляют многие белки, липиды и углеводы нашего рациона на питательные вещества, которые мы затем можем усвоить. Более того, микробы производят полезные соединения, такие как витамины и противовоспалительные средства, которые наш геном не может производить ». Противовоспалительные средства - это соединения, которые регулируют некоторые реакции иммунной системы на болезни, такие как отек.

Исследователи были удивлены, обнаружив, что распределение микробной метаболической активности имеет большее значение, чем виды микробов, которые ее обеспечивают.Например, в здоровом кишечнике всегда будет существовать популяция бактерий, которая помогает переваривать жиры, но не всегда одни и те же виды бактерий выполняют эту работу.

«Похоже, что бактерии могут ущемлять друг друга», - сказал Кертис Хаттенхауэр, доктор философии из Гарвардской школы общественного здравоохранения и ведущий соавтор одной из статей HMP в Nature. «Имеет значение, присутствует ли метаболическая функция, а не то, какие виды микробов ее обеспечивают».

Более того, состав микробиома человека явно меняется со временем.Когда пациент болеет или принимает антибиотики, виды, составляющие микробиом, могут существенно измениться, поскольку затронут тот или иной вид бактерий. В конце концов, однако, микробиом возвращается в состояние равновесия, даже если прежний состав бактериальных типов этого не делает.

Клинические применения

В рамках HMP, NIH профинансировал ряд исследований по поиску ассоциаций микробиома с заболеваниями, а несколько документов PLoS включают медицинские результаты. Например, исследователи из Медицинского колледжа Бейлора в Хьюстоне сравнили изменения в микробиоме влагалища 24 беременных женщин с 60 женщинами, которые не были беременными, и обнаружили, что микробиом влагалища претерпевает резкое изменение бактериальных видов при подготовке к родам, что в основном характеризуется снижение видового разнообразия.Новорожденный - это бактериальная губка, поскольку он заселяет свой собственный микробиом после выхода из стерильной матки; Прохождение через родовые пути дает ребенку первую дозу микробов, поэтому неудивительно, что вагинальный микробиом эволюционировал, чтобы сделать его здоровым.

Исследователи из Медицинской школы Вашингтонского университета в Сент-Луисе изучили микробиом носа у детей с необъяснимой лихорадкой, распространенной проблемой у детей в возрасте до 3 лет. Образцы из носа от лихорадочных детей содержали в пять раз больше вирусной ДНК, чем дети без лихорадки, и вирусная ДНК была от более широкого круга видов.Предыдущие исследования показали, что вирусы имеют идеальный температурный диапазон для размножения. Лихорадка является частью защиты организма от патогенных вирусов, поэтому экспресс-тесты на вирусную нагрузку могут помочь детям избежать неправильного лечения антибиотиками, которые не убивают вирусы, но могут нанести вред здоровому микробиому ребенка.

Это одни из самых ранних клинических исследований с использованием данных микробиома для изучения его роли при определенных заболеваниях. NIH профинансировал многие другие медицинские исследования с использованием данных и методов HMP, включая роль микробиома кишечника в болезни Крона, язвенном колите и раке пищевода; микробиом кожи при псориазе, атопическом дерматите и иммунодефиците; урогенитальный микробиом в репродуктивном и сексуальном анамнезе и обрезании; и ряд детских расстройств, включая боль в животе у детей, воспаление кишечника и тяжелое состояние у недоношенных детей, при котором кишечник фактически умирает.

«Проведение исследований по конкретным заболеваниям - это весь смысл проекта« Микробиом человека », - сказала Барбара Мете, доктор философии из Института Дж. Крейга Вентера, Роквилл, штат Мэриленд, и ведущий соавтор статьи в Nature о рамки для текущих и будущих исследований микробиома человека. «Теперь, когда мы понимаем, как выглядит нормальный микробиом человека, мы должны понять, как изменения в микробиоме связаны с болезнями или даже вызывают их».

Общий фонд NIH также вложил средства в серию исследований по оценке этических, правовых и социальных последствий исследования микробиома.Хотя результаты этих исследований еще не опубликованы, ряд важных вопросов уже выявлен, начиная от того, как можно регулировать продукты, предназначенные для манипулирования микробиомом, такие как пробиотические смеси, содержащие живые микроорганизмы, которые, как считается, приносят пользу организму, о том, стоит ли людям задуматься о хранении своего микробиома в здоровом состоянии.

После того, как NIH запустил HMP в декабре 2007 года, в 2008 году был образован Международный консорциум микробиома человека, представляющий финансирующие организации, включая NIH, и ученых со всего мира, заинтересованных в изучении микробиома человека.Консорциум координировал исследования, чтобы избежать дублирования усилий, и обеспечил быстрый выпуск наборов молекулярных и клинических данных. Он также разработал общие стандарты качества данных и инструменты для обмена результатами исследований.

Как и в случае других крупномасштабных совместных усилий, NIH обеспечил исследовательскому сообществу свободный доступ к данным HMP через общедоступные базы данных, такие как Национальный центр биотехнологической информации, входящий в Национальную медицинскую библиотеку, и в Центре анализа и координации данных HMP. Центр.

Проект «Микробиом человека» управляется Национальным институтом исследования генома человека в сотрудничестве с Управлением директора Национального института здравоохранения, Национальным институтом аллергии и инфекционных заболеваний, Национальным институтом артрита, скелетно-мышечных и кожных заболеваний, Национальным институтом рака, Национальным институтом Стоматологические и черепно-лицевые исследования, а также Национальный институт диабета, болезней органов пищеварения и почек, все являются частью NIH.

Дополнительную информацию о HMP можно найти на сайте http: // commonfund.nih.gov/hmp/index.aspx. Иллюстрация, показывающая участки тела, отобранные в рамках исследования здоровой когорты в рамках проекта «Микробиом человека», доступна по адресу: www.genome.gov/pressDisplay.cfm?photoID=20163.

Изображение с высоким разрешением бактерии Enterococcus faecalis , одного из многих комменсальных микробов, обитающих в кишечнике человека, доступно в цвете на сайте www.genome.gov/pressDisplay.cfm?photoID=20023 или в черном и белый на www.genome.gov/pressDisplay.cfm?photoID=20024.

За дополнительной информацией обращайтесь по телефону

Триш Рейнольдс, НИАМС
301-496-8190

Сотрудники пресс-службы NCI
301-496-6641

Боб Куска, NIDCR
301-594-7560

Лесли Кертис, NIDDK
301-496-3583

Отдел новостей NIAID
301-402-1663

Управление стратегической координации NIH / DPCPSI
301-435-5840

Управление связи NIH
301-496-5787

NHGRI - один из 27 институтов и центров NIH, агентства Министерства здравоохранения и социальных служб.Отдел заочных исследований NHGRI поддерживает гранты на исследования, обучение и развитие карьеры на объектах по всей стране. Дополнительную информацию о NHGRI можно найти на ее веб-сайте www.genome.gov.

Общий фонд NIH поддерживает серию исключительно эффективных исследовательских программ, которые имеют большое значение для здоровья и болезней. Программы Общего фонда предназначены для преодоления основных исследовательских барьеров и использования появляющихся возможностей на благо биомедицинского исследовательского сообщества в целом.Ожидается, что исследовательские продукты программ Общего фонда будут стимулировать исследования по конкретным заболеваниям, поддерживаемые институтами и центрами NIH. Дополнительную информацию об Общем фонде NIH можно найти на http://commonfund.nih.gov.

О Национальных институтах здравоохранения (NIH): NIH, национальное медицинское исследовательское агентство, включает 27 институтов и центров и является составной частью Министерства здравоохранения и социальных служб США. NIH является основным федеральным агентством, проводящим и поддерживающим фундаментальные, клинические и трансляционные медицинские исследования, а также изучающим причины, методы лечения и способы лечения как распространенных, так и редких заболеваний.Для получения дополнительной информации о NIH и его программах посетите www.nih.gov.

NIH… Превращение открытий в здоровье ®

###

Базовый профиль кишечной микробиоты человека у здоровых людей и стандартный отчет

Abstract

Всесторонние знания о типах и соотношении микробов, населяющих здоровый кишечник человека, необходимы до того, как можно будет провести какое-либо доклиническое или клиническое исследование, которое пытается изменить микробиом для лечения состояния или улучшения результатов терапии.Чтобы удовлетворить эту потребность, мы представляем инновационный масштабируемый комплексный рабочий процесс анализа, справочный список микробиома здорового человека и профиль численности (GutFeelingKB), а также новый отчет о популяции фекального биома (FecalBiome) с клинической применимостью. GutFeelingKB предоставляет список из 157 организмов (8 типов, 18 классов, 23 порядка, 38 семейств, 59 родов и 109 видов), которые образуют базовый биом и поэтому могут использоваться в качестве здорового контроля для исследований, связанных с дисбиозом. Этот список можно расширить до 863 организмов, если рассматривать близкородственные протеомы.Включение науки о микробиоме в повседневную клиническую практику требует стандартного отчета для сравнения микробиома человека с растущей базой знаний «нормальных» данных микробиома. FecalBiome и технология, лежащая в основе GutFeelingKB, удовлетворяют эту потребность. База знаний может быть полезна регулирующим органам для оценки трансплантата фекалий и других продуктов микробиома, поскольку она содержит список организмов от здоровых людей. В дополнение к списку организмов и их численности, это исследование также создало коллекцию собранных смежных последовательностей (контигов) метагеномной темной материи.В этом исследовании метагеномная темная материя представляет собой последовательности, которые не могут быть сопоставлены ни с одной известной последовательностью, но могут быть собраны в контиги из 10 000 нуклеотидов или выше. Эти последовательности можно использовать для создания праймеров для изучения потенциальных новых организмов. Все данные находятся в свободном доступе на https://hive.biochemistry.gwu.edu/gfkb и в Short Read Archive NCBI.

Образец цитирования: King CH, Desai H, Sylvetsky AC, LoTempio J, Ayanyan S, Carrie J, et al. (2019) Базовый профиль микробиоты кишечника человека у здоровых людей и стандартный шаблон отчетности.PLoS ONE 14 (9): e0206484. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0206484

Редактор: Аджай Гоэль, Исследовательский институт Бекмана, США

Поступила: 10 октября 2018 г .; Одобрена: 5 августа 2019 г .; Опубликовано: 11 сентября 2019 г.

Это статья в открытом доступе, свободная от всех авторских прав, и ее можно свободно воспроизводить, распространять, передавать, модифицировать, надстраивать или иным образом использовать в любых законных целях.Работа сделана доступной по лицензии Creative Commons CC0 как общественное достояние.

Доступность данных: Все данные GutFeelingKB доступны по адресу https://hive.biochemistry.gwu.edu/gfkb. Все данные Filtered-nt доступны по адресу hive.biochemistry.gwu.edu/filterednt. Все данные о последовательностях и метаданных доступны в Архиве краткого чтения NCBI (PRJNA428202, PRJNA487305, PRJNA43021).

Финансирование: Этот проект частично поддерживался фондами Национального научного фонда (NSF) (номер награды: 1546491 для RM), Национального центра развития трансляционных наук NIH (номер награды UL1TR000075 для KAC, HM, RM), и Центр генома и протеомики Маккормика (MGPC) в Университете Джорджа Вашингтона.Финансирующие организации не играли никакой роли в дизайне исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.

Конкурирующие интересы: Авторы заявили об отсутствии конкурирующих интересов.

Введение

В то время как человечество только начало влиять на события планетарного уровня в последние несколько сотен лет [1], микроорганизмы формировали нашу планету с незапамятных времен [2]. Было показано, что микробы океана так же важны для воздействия на климат планеты, как и микробы желудочно-кишечного тракта крупного рогатого скота [3]; кроме того, для микробиома человека постоянно обнаруживаются новые функции [4–6].Однако с момента появления теории микробов и противомикробной революции микробы стали рассматриваться как повстанцы, которых необходимо искоренить [7]. Таким образом, мы создали GutFeelingKB, чтобы предоставить справочный материал для метагеномного анализа микробиома кишечника человека.

В 2001 году, примерно через шестьдесят лет после начала эры антибиотиков, Джошуа Ледерберг ввел термин «микробиом», поскольку маятник общественного мнения начал возвращаться к более устойчивой к микробам позиции [8,9]. В 2008 году Национальные институты здравоохранения США запустили Проект микробиома человека (HMP), чтобы лучше понять состав сообщества микробов, живущих вместе с людьми [10,11].Эта популяция микроорганизмов несет с собой обширный, разнообразный и модифицируемый набор геномов, которые, как было доказано, влияют на здоровье человека и болезни [12,13]. Вместе геномы этих организмов составляют метагеном, весьма разнообразный пул генетических элементов, который в настоящее время служит целью медицинских исследований [14]. Характеристика микробиома с помощью различных конвейеров анализа прогрессивно продвинулась со времен HMP, и этот процесс разработки катализировал понимание определенных ролей этих микробных сообществ [15,16].

Хотя микробиомы всех участков тела важны, микробиом кишечника с сотнями преобладающих видов представляет большой интерес для большого и разнообразного числа исследователей [17,18]. Данные и анализ здорового кишечного микробиома имеют решающее значение для всех исследований болезней кишечника человека. В выпуске Nature Microbiology от 2016 г. содержалось согласованное заявление, в котором излагались все исследования микробиома, финансируемые из федерального бюджета, за трехлетний период [19]. Авторы от имени Комитета действий федерального правительства по картированию микробиомов FastTrack (FTAC-MM) определили микробиом как многовидовое сообщество микроорганизмов в любой среде: хозяине, среде обитания или экосистеме.Одним из выводов, сделанных авторами, была «приоритетная потребность» в более высокой пропускной способности, более точном сборе данных, улучшенных конвейерах для анализа данных и большей способности организовывать, хранить, получать доступ и совместно использовать / интегрировать наборы данных. В настоящее время в большинстве исследований используются контрольные группы и механизмы отчетности для конкретных исследований. Исследования, успешные в получении клинически значимых результатов, такие как работа uBiome [20], основаны на маркерных генах, поэтому они не проливают свет на происхождение «микробной темной материи» и не могут быть интегрированным с исследованиями полногеномного секвенирования (WGS).Эти проблемы усугубляются тем фактом, что разные конвейеры биоинформатики дают разные результаты в основном потому, что все существующие конвейеры используют ограниченное количество ad hoc эталонных организмов для определения численности. Также было показано, что рост базы данных влияет на точность относительно более быстрой идентификации видов на основе k-мер [21]. Таким образом, окончательное понимание исходного здорового микробиома может быть ошибочным, поскольку эти методы уникально применяются в каждом исследовании.Таким образом, существует потребность в агрегировании, проверке совместимости и, в конечном итоге, в стандартизации методов и отчетности.

В настоящее время метагеномные анализы используют нуклеотидные последовательности из ограниченного набора заранее определенных микроорганизмов или генов в качестве справочной базы данных, и, как таковые, эти справочные списки не являются действительно исчерпывающими. Использование ограниченных наборов данных последовательностей является преобладающим, потому что с вычислительной точки зрения сложно выполнить попарное выравнивание считывания со всей неизбыточной базой данных нуклеотидов NCBI (NCBI-nt) [22].Были разработаны алгоритмы, позволяющие использовать полный NCBI-nt, и было показано, что использование NCBI-nt позволяет проводить точный анализ данных со значительно меньшим количеством ошибок при количественной оценке численности микроорганизмов [23]. Чтобы использовать эту предыдущую работу над алгоритмами метагеномного анализа, образцы здоровой когорты участников были собраны и секвенированы, чтобы целенаправленно ориентироваться на данные здорового контроля. Чтобы убедиться, что образцов было много и они были достаточно правильными, чтобы составить список здоровых людей, мы также извлекли из HMP последовательности здоровых людей.Кроме того, мы разработали подход, который генерирует набор собранных смежных последовательностей (контигов), которые не могут быть выровнены ни с одной известной последовательностью в NCBI-nt, но присутствуют в образцах здоровых индивидуальных фекалий и идеально подходят для корреляционного анализа здоровых, болезней и микробиома. грунтовочный дизайн. Для целей данного исследования эти последовательности определены как метагеномные последовательности темной материи, которые не могут быть сопоставлены ни с одной известной последовательностью, но могут быть собраны в контиги из 10 000 нуклеотидов или выше.Вместе эти данные образуют нашу базу знаний по ощущениям кишечника - GutFeelingKB. Ожидается, что порог длины нуклеотида контига уменьшит количество контигов в GutFeelingKB, которые не имеют биологического происхождения. Наше определение намного строже, чем предыдущие определения метагеномной темной материи, которые допускают отдаленную гомологию с известными последовательностями [24]. Необходимость включения метагеномной темной материи в комплексный анализ микробиома кишечника соответствует аргументам, представленным Bernard et al. в своей недавней рукописи о микробной темной материи, где они полагают, что «раскрытие микробной темной материи должно быть определено как главный приоритет для биологов» [25].

Основная цель создания GutFeelingKB - предоставить справочную базу знаний для метагеномного анализа микробиома кишечника человека. Включены все организмы, которые достоверно наблюдались в кишечнике здорового человека. Используя эту базу знаний, мы разработали стандартный шаблон отчета по отдельным данным микробиома для прямого сравнения с GutFeelingKB. Этот тип отчета может быть полезен любому ученому, клиницисту или пациенту и может улучшить сравнение результатов различных исследований.

Материалы и методы

Метагеномная выборка и статистика участников

Выбор здоровой когорты и информация о питании.

Участники для этого исследования были набраны из кампуса Университета Джорджа Вашингтона (GW) в Foggy Bottom путем использования листовок и электронных писем в организации, аффилированные с GW (критерии отбора включены в таблицу S1). Участники исследования предоставили образцы, а антропоморфные измерения (включенные в таблицу S1) были собраны у здоровых людей в GW в соответствии с утвержденным протоколом Института Джорджа Вашингтона (IRB # 011605).Во время базового визита участники получили подробные инструкции о том, как записывать свое диетическое потребление (включая тип, бренд и размер порции каждого продукта питания и напитка, потребляемые каждый день в течение периода исследования), а также время потребления каждого элемента. Затем участники записывали свое диетическое питание, используя семидневный дневник питания на протяжении всего исследования. Каждый участник предоставил по три образца. Журнал пищевых продуктов собирался при отправке окончательного образца, после чего сообщаемые данные о 7-дневном рационе питания для каждого субъекта вводились в Систему данных по питанию для исследований (NDSR) [26].NDSR создает табличный дневной профиль питательных веществ для каждого дня приема с пищей для каждого человека, который затем добавляется в качестве метаданных к матрицам численности (дополнительная таблица S2 Table). Все участники указали себя как «здоровые» (участник не имеет явного или самопровозглашенного болезненного состояния) в начале исследования и оставались здоровыми на протяжении всего исследования.

Отбор проб и секвенирование.

Образцы фекалий были собраны у здоровых добровольцев с использованием стерильных контейнеров для туалета в Школе общественного здравоохранения Института Милкена при Университете Джорджа Вашингтона (GWSPH).Сразу после сбора в этаноле образцы фекалий хранили в морозильнике с температурой -20 ° C в течение периода до двух недель, после чего аликвоты помещали на более длительное хранение при -80 ° C в морозильнике. Затем образцы транспортировали в центр секвенирования на сухом льду. ДНК экстрагировали с помощью набора для выделения ДНК MoBio PowerFecal 25. Концентрацию и качество двухцепочечной ДНК (дцДНК) оценивали с помощью NanoDrop и набора для анализа ДНК широкого диапазона (BR) Qubit 26, соответственно.ДНК разводили для подготовки библиотеки с использованием набора для подготовки библиотеки Illumina Nextera XT, и 1 нг из каждого образца фрагментировали и амплифицировали с использованием праймеров набора Illumina Nextera XT Index Kit. Затем амплифицированную ДНК очищали с использованием гранул Agencourt AMPure XP, ресуспендировали в буфере и снова тестировали на концентрацию, качество и распределение фрагментов по размеру на биоанализаторе с использованием набора Agilent High Sensitivity DNA Kit. Библиотеки ДНК доводили до той же концентрации нМ, объединяли и денатурировали 0,2 н. NaOH перед загрузкой в ​​набор реагентов Illumina MiSeq Reagent Kit v3 и секвенированием на платформе Illumina MiSeq.Файлы данных последовательностей FASTQ были загружены в BaseSpace (https://basespace.illumina.com/home/index) для обмена и дальнейшего анализа.

Контроль качества последовательности.

Все данные о последовательностях были загружены в высокопроизводительную интегрированную виртуальную среду GW (HIVE) [27,28]. При начальной загрузке в систему HIVE автоматически выполняет серию вычислений обеспечения качества (QA) для каждого файла чтения последовательности и генерирует цифры для отображения результатов. S1 Fig - это компиляция вычислений обеспечения качества, выполненных для одного прочитанного файла.

После завершения начальной загрузки для каждого прочитанного файла полученные показатели обеспечения качества были проверены, чтобы убедиться, что прочитанный файл имел надлежащее качество и не имел каких-либо необычных характеристик (таких как оценка низкого качества или непропорциональное распределение нуклеотидов). Чтения, которые имели средний балл качества Phred 20 или меньше, отбрасывались. Распределение нуклеотидных оснований также проверялось, чтобы убедиться, что ни один из прочитанных файлов не имеет необычного распределения оснований или позиционной оценки качества ниже порогового значения 20.S2 Фиг. Представляет собой совокупность вычислений по всем выборкам.

Здоровая когорта из проекта "Микробиом человека".

В дополнение к данным, полученным в результате секвенирования, описанного выше, дополнительные данные были загружены и проанализированы из проекта Human Microbiome Project (HMP) [29]. Данные и метаданные последовательности HMP доступны через NCBI SRA и dbGaP. Было отобрано пятьдесят фекальных метагеномных образцов, случайно выбранных из фазы I HMP (дополнительная таблица S1 Table), чтобы приблизительно соответствовать количеству образцов, собранных в нашем исследовании.Образцы, сгенерированные участниками набора данных проекта HMP, были проверены на основе строгих критериев, перечисленных в их публикации, и лица, прошедшие скрининг, считались «здоровыми» субъектами [11].

Объединенные данные
GW и HMP.

Последовательность и метаданные из этого исследования общедоступны через GutFeelingKB (https://hive.biochemistry.gwu.edu/gfkb), а также доступны в двух биопроектах NCBI-SRA (Метагеномика здорового кишечника человека (PRJNA428202) и Эффекты непитательные подсластители в составе микробиома кишечника человека (PRJNA487305).Для PRJNA487305 в этом исследовании использовались только образцы, предоставленные до приема непитательных подсластителей. Данные HMP были загружены из проекта дорожной карты NIH Human Microbiome Project (HMP) (PRJNA43021).

Всего было секвенировано 48 образцов от 16 человек в когорте GW. Каждый образец привел к двум файлам чтения на конце пары (подробности см. В таблице S3). Данные последовательности из этих 48 образцов вместе с 50 образцами из HMP прошли проверку качества последовательности и были использованы для разработки базового профиля микробиоты.Для образцов GW 55,55% (± 13,46%), в то время как для HMP 48,29% (± 18,54%) считываний не могли быть сопоставлены ни с одной известной последовательностью. Не было необходимости в какой-либо компьютерной фильтрации ДНК человека, поскольку для образцов GW использовался набор для выделения ДНК MoBio PowerFecal 25, биохимически удаляя любую ДНК хозяина. Что касается данных HMP, вся человеческая ДНК была удалена с помощью вычислений до того, как образцы были депонированы в dbGaP [11]. Информация об образце и участниках представлена ​​в Таблице 1.

Filtered-nt.

Фильтрованный NT (v5.0) был создан из файла NCBI-nt, загруженного 21 мая 2017 года. Подробный README.md и используемый код можно найти на https://github.com/GW-HIVE/HIVE-lab/tree/master/ Filtered_nt. Файлы таксономии NCBI-nt (ftp://ftp.ncbi.nlm.nih.gov/blast/db/FASTA) и NCBI (ftp://ftp.ncbi.nlm.nih.gov/pub/taxonomy) были загружен с помощью команды wget.

Используя тщательно подобранный черный список идентификаторов таксономий, Filtered-nt был создан на основе терминов, содержащихся в происхождении каждой записи таксономии.Узлы таксономии с такими терминами, как «неклассифицированный», «неидентифицированный», «некультивируемый», «неопределенный», «неизвестный», «вектор», «образец окружающей среды», «искусственная последовательность», «другая последовательность» были занесены в черный список. Дочерние узлы также автоматически удаляются. Отфильтрованный список таксономий затем использовался для фильтрации файла последовательности NCBI-nt. Filtered-nt и идентификаторы таксономий из черного списка вместе с именами узлов доступны для загрузки по адресу https://hive.biochemistry.gwu.edu/filterednt.

Трубопровод для метагеномного анализа

Разработанный инновационный конвейер метагеномного анализа включает три программных инструмента и одну базу данных последовательностей (Filtered-nt), организованную таким образом, чтобы создать рабочий процесс, обеспечивающий эффективный и всесторонний анализ большого пространства последовательностей.Это инструменты CensuScope [30], HIVE-Hexagon [31] и IDBA-UD [32]. Все программные инструменты интегрированы в платформу HIVE [27,28] и позволяют проводить сквозной анализ метагеномных последовательностей.

Список микробиома кишечника здорового человека (GutFeelingKB).

CensuScope [30] - это программное обеспечение для таксономического профилирования, которое случайным образом извлекает определенное пользователем количество считываний и сопоставляет их с базой данных последовательностей любого размера с помощью BLAST [33]. CensuScope работает быстро, точно и не ограничивается размером базы данных эталонных последовательностей.С почти постоянным экспоненциальным ростом базы данных неизбыточных последовательностей CensuScope предлагает масштабируемый подход для оценки таксономического состава микробной популяции. Список организмов, идентификаторы таксономии и сопоставления BLAST предоставляются в качестве выходных данных CensuScope. Была проведена ручная оценка результатов CensuScope для каждого из идентифицированных организмов, чтобы убедиться, что «попадание» представляет собой подлинное совпадение. «Ручная оценка» включала следующие критерии:

  1. Проверка количества совпадений.Количество совпадающих выравниваний за все вычисление (за все итерации) должно быть> = пяти из общего порога выравнивания 12 500, установленного CensuScope. Пять было выбрано так, чтобы было достаточно индивидуальных раскладов для оценки подлинности матчей.
  2. Подтверждение обоснованного присвоения таксономии. Попадания в последовательности, в которых отсутствовала четкая таксономическая линия, были исключены и помечены для удаления из Filtered-nt.
  3. Полнота последовательности в GutFeelingKB.Частичные последовательности, отдельные белки или несобранные смежные последовательности были сопоставлены с полными геномами для включения в GutFeelingKB. Это единственный способ уберечь частичные последовательности от искажения результатов численности организмов.
  4. Верификация организма. Чтобы быть уверенным в результатах, необходимо было независимо проверять биологическую точность каждого «попадания». Метаданные об организме были проанализированы, чтобы подтвердить его присутствие в кишечнике человека.

Любая эталонная последовательность и организм, удовлетворяющие этим критериям, были добавлены в GutFeelingKB.Чтобы расширить возможности использования этого списка, для аннотирования организмов использовались доступные онлайн-базы данных и справочный текст [22,34–36]. Номера доступа NCBI из истинно положительных результатов списка результатов CensuScope использовались для получения доступа NCBI, доступа RefSeq, идентификатора таксономии NCBI, названия организма (научное название), идентификатора таксономии и идентификаторов сборки генома. Используя идентификатор таксономии, было получено происхождение и таксономическое название из базы данных таксономии NCBI.

Картирование генома в протеом

проводилось под руководством Репрезентативных протеомных групп (RPG), набора данных, который объединяет похожие протеомы в кластеры (https: // proteininformationresource.org / rps /). Кластеры RPG рассчитываются на основе совместного членства в кластерах UniRef50 [34] (дополнительные таблицы S4 и S8 Tables). Используя идентификатор таксономии и RPG, был идентифицирован соответствующий протеом в https://www.uniprot.org/proteomes. Из записи протеома была выполнена проверка совпадения идентификатора сборки генома между UniProt, RPG и NCBI.

В большинстве случаев запись о протеоме содержала некоторый описательный текст об организме, взятый из публикации, а также цитаты.Такая информация добавлена ​​в виде аннотации организма. Дополнительные поля (устойчивость к антибиотикам, чувствительность к антибиотикам, физические характеристики) были заполнены из других источников [36]. Наконец, все связанные DOI и PMID для метаданных были добавлены в последний столбец. Важно отметить, что многие бактерии тесно связаны между собой и, следовательно, имеют большие гомологичные области. Это может привести к неправильной идентификации на уровне вида. Хотя концепция пангенома или панпротеома для близкородственных бактерий хорошо принята [35], важно избегать такой неправильной идентификации известных патогенов.Чтобы избежать таких ложноположительных результатов по хорошо известным патогенам (таблица S5), они включаются только в том случае, если их численность составляет 1% или выше и их сопоставление было оценено вручную.

Профиль численности бактерий.

На рис. 1 схематично представлен рабочий процесс. На первом этапе используется CensuScope (алгоритм BLAST подвыборки) для идентификации организмов, присутствующих в образце. Для создания быстрого и точного таксономического профиля на каждой итерации используется 2500 считываний [30] (до пяти итераций).Этот шаг позволяет идентифицировать организмы, присутствующие в образце. Эти организмы добавляются в GutFeelingKB, если его еще нет. Затем HIVE-hexagon, высокоспецифичный и чувствительный выравниватель короткого считывания [37], используется для сопоставления всех считываний в каждом образце с GutFeelingKB (созданным с помощью CensuScope) для получения окончательных профилей численности. Важно отметить, что использовался параметр наилучшего совпадения HIVE-hexagon. Этот параметр позволяет отображать операции чтения на ссылку (в случае наилучшего совпадения с более чем одной ссылкой), которая имеет наибольшее количество совпадений.

Рис. 1. Конвейер метагеномного анализа для 3 образцов.

Шаг 1: CensuScope запускается для каждого файла чтения с Filtered-nt. Каждый выровненный организм, одобренный ручной проверкой, добавляется в GutFeelingKB и версируется. Шаг 2: Для окончательного анализа необработанные считанные файлы сопоставляются с последовательностями организмов GutFeelingKB с использованием HIVE-hexagon. Выходы представлены в виде процентов относительной численности. Невыровненные чтения из каждого образца были собраны с использованием IDBA-UD. Заголовки контигов длиной более 10 000 нуклеотидов были изменены, чтобы включить в них следующее: идентификатор образца, пронумерованный в соответствии с длиной (от длинного к короткому), и дополнительные данные метаданных об участнике.Эти контиги доступны для загрузки по адресу (https://hive.biochemistry.gwu.edu/gfkb).

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0206484.g001

Метагеномная темная материя.

Невыровненные чтения каждого образца были собраны с использованием IDBA-UD [32] и считались метагеномной темной материей. В этом эксперименте исследовали только собранные смежные последовательности (контиги) длиной более 10 000 нуклеотидов. Такой большой порог длины использовался, чтобы гарантировать, что контиги метагеномной темной материи действительно имеют биологическое происхождение.Микробиом кишечника образца можно представить как сумму известных организмов и организмов, представленных последовательностями метагеномной темной материи. В частности, контиги длиной более 10 000 нуклеотидов были помечены идентификатором образца и пронумерованы, а данные метаданных об участнике были добавлены в заголовок.

Эти контиги доступны для загрузки по адресу (https://hive.biochemistry.gwu.edu/gfkb) для дальнейшего анализа и разработки нового праймера.

Анализ метаданных о питании и численности микробов

MaAsLin, пакет R, который использует «многомерную статистическую структуру, которая обнаруживает связи между клиническими метаданными и численностью или функцией микробного сообщества» [38], был использован для поиска корреляций между численностью бактерий и рационом питания.Изменчивость внутри хозяина была проанализирована путем оценки стандартного отклонения нескольких измерений для каждого пациента, усредненного по всем пациентам. Изменчивость между хозяевами рассчитывалась как стандартное отклонение средних значений численности по хозяину. Чтобы оценить степень стабильности измерений бактериальных популяций в образцах пациентов, было вычислено соотношение вариабельности между хозяевами и внутри хозяина.

Корреляция между питанием и численностью организма также была рассчитана с использованием косинусного коэффициента сходства.Матрица численности бактериальных штаммов была масштабирована по шкале дисперсии и центрирована по нулю для создания сопоставимых распределений с одинаковой изменчивостью. Категориальные данные (например, пол) были преобразованы в числовые значения. Более конкретно, чтобы определить показатели корреляции между признаками и бактериальным составом для группы людей, мы использовали коэффициент сходства косинуса, как определено в формуле 1. Коэффициент сходства косинуса корреляции между бактериями (j) и признаком (k) вычисляется как Суммарный продукт j th Обилие бактерий (Bj) для пациента i и k th Характеристика (Fk) пациента i.

Косинусное подобие около 1 указывает на сильную корреляцию, -1 указывает на сильную антикорреляцию, 0 означает отсутствие корреляции, 0,7 считается предельным порогом для доказательства некоторой степени корреляции [39,40].

Результаты и обсуждения

Filtered NCBI-nt (Фильтрованный-nt)

Сборник нуклеотидных последовательностей NCBI (NCBI-nt) является наиболее полным набором последовательностей ДНК [22], но многие последовательности, присутствующие в NCBI-nt, не предоставляют достаточной релевантной информации или правильных метаданных (например,грамм. последовательности с размещением таксономии, такие как экологические, неклассифицированные, синтетические последовательности, неидентифицированные последовательности и т. д.). Большое количество последовательностей, доступных в NCBI-nt, также являются искусственными. Считывания, сопоставленные с такими последовательностями, не предоставляют никакой ценной биологической информации в клинических условиях и, следовательно, бесполезны для понимания микробного состава образца. Версия NCBI-nt, используемая для создания нашего Filtered-nt (v5.0), изначально содержала 42 439 338 последовательностей, а файл таксономии содержал 1 601 859 научных названий.После удаления 250 610 идентификаторов таксономий из черного списка (дополнительная таблица S6 Table), относящихся к 7 499 592 последовательностям, Filtered-nt содержал 34 939 806 последовательностей. Filtered-nt идеально подходит для комплексного метагеномного анализа, основанного на точном совпадении последовательности.

Большинство исследований используют геномы известных кишечных бактерий в качестве усеченной справочной базы данных [18,30,41,42] и, следовательно, не смогут обнаружить организмы, которых нет в их справочной базе данных. Использование нашего Filtered-nt дает уверенность в том, что все известное пространство последовательностей покрывается за исключением пространства последовательностей in-silico и некультивируемого / неклассифицированного пространства последовательностей.

Здоровый микробиом кала

GutFeelingKB - справочный список для здоровых кишечных организмов человека.

GutFeelingKB - это сборник тщательно отобранных данных и метаданных, связанных с организмами, идентифицированными как присутствующие в проанализированных нами образцах. GutFeelingKB состоит из 157 организмов, которые делятся на шестьдесят различных родов, как видно из таблицы S2, сгруппированной по видам. Полную таблицу можно скачать по адресу https://hive.biochemistry.gwu.edu/gfkb. Члены филы Firmicutes и Bacteroidetes составляют большинство видов бактерий, присутствующих в кишечной микробиоте человека.Всего в здоровых образцах было идентифицировано 155 бактериальных и 2 архейных организма. Таким образом, микробиом кишечника здорового человека состоит из 8 типов, 18 семейств, 23 классов, 38 порядков, 59 родов и 109 видов. 63 (40%), 32 (20%) и 31 (19,7%) член принадлежат к Firmicutes, Actinobacteria и Bacteroidetes, соответственно, которые составляют большинство видов бактерий. Более половины Firmicutes относятся к классу Clostridia (20,3%), который является наиболее распространенным классом, за которым следует Bacteroidia (18.5%), Bifidobacteriales (16,6%), Enterobacterales (14%) и Lactobacillales (14%). Все представители Clostridia в выборках являются членами отряда Clostridiales, а все Bacteroidia принадлежат к Bacteroidales, эти два являются наиболее многочисленными отрядами. Существует 27 организмов, которые являются членами семейства Bifidobacteriaceae, и 26 из них относятся к Bifidobacterium longum , который является наиболее распространенным видом.

Что касается концепции основных видов, во всех образцах присутствуют 84 из 109 организмов (Таблица 2).Эти 84 могут быть основным списком организмов кишечника человека, но в этой статье основное внимание уделяется созданию исчерпывающего списка организмов, обнаруживаемых у здоровых людей. Дополнительный файл S3 Рис. Показывает экспоненциальное уменьшение новых организмов, идентифицированных в каждом дополнительном образце. Дополнительный файл S7 Table предоставляет список из 129 кластеров организмов, которые похожи на организмы (сходство основано на вычислительной кластеризации протеомов при 75% пороге совместного членства [34]) в GutFeelingKB.Это может служить дополнением к GutFeelingKB, чтобы избежать неправильной идентификации очень похожих организмов. Все эти 863 организма представляют собой расширенный набор микробов, которые могут присутствовать в кишечнике здорового человека.

Несколько исследователей сосредоточились на эталонных генах кишечного микробиома, а не на организмах [43,44], но организмы имеют собственное клиническое значение в лечении. Когда Яцуненко и др. проанализировав 531 здоровый образец из Венесуэлы, сельских районов Малави и мегаполисов США и сопоставив их показания с 126 видами микробов, они обнаружили фузобактерии, которые не были нанесены на карту в нашем списке.С другой стороны, спирохеты, планктомицеты, идентифицированные в этом исследовании, не были показаны в их списке [45]. Из организмов, представленных в их исследовании, сорок родов попадают в наш список на уровне видов. Не нанесенные на карту виды включают такие организмы, как Actinomyces odontolyticus, Bacteroides capillosus, Bacteroides uniformis. Nishijima et al. идентифицировали 26 основных родов здоровых японцев [46]. Двадцать из 26 родов, которые они перечислили, включены в список этого исследования, неотмеченные роды принадлежат к существующим семействам GutFeelingKB и включают Dorea , Dialister , Succinatimonas , Butyrivibrio , Coriobacteriaceae и Phascolarctobacterium.Qin et al. сгруппированы 66 кластеров, представляющих родственные виды бактерий для здоровых пациентов и пациентов с циррозом печени [47], и самый низкий уровень таксономии кластера в этом исследовании - это штамм. Тридцать шесть из этих кластеров сопоставляются с GutFeelingKB на более высоких уровнях таксономии, чем виды, и все они сопоставляются с существующими семействами GutFeelingKB. Эти исследования разнообразия здорового микробиома со всего мира показывают, что существует значительная региональная неоднородность микробиома здорового кишечника на уровне видов / штаммов, но разумная согласованность на более высоких таксономических уровнях.

В исследовании, проведенном для демонстрации возможности точного обнаружения клинически значимых прокариотических мишеней [20], Almonacid et al. показали, что было целесообразно идентифицировать 28 конкретных мишеней (14 видов и 14 родов) на основе секвенирования маркерного гена 16S рРНК, что является важным клиническим применением при рассмотрении стоимости теста. Адаптировав один из дополнительных файлов (https://doi.org/10.1371/journal.pone.0176555.s003), мы смогли определить, что 75 организмов, перечисленных в GutFeelingKB, могут быть сопоставлены с Almonacid et al.Клинические цели. Картирование было выполнено путем определения идентификаторов UniProt Proteome ID [35] и кластера RPG [34], которые наилучшим образом соответствуют описанному организму. Если организм не присутствовал в GutFeelingKB, мы обращаемся к нашему дополнительному файлу S7 Table, чтобы узнать, присутствовал ли организм в одном из кластеров RPG, которые представлены организмами в GutFeelingKB. Результаты нашего сопоставления с данным исследованием включены в дополнительную таблицу (таблица S11).

Двенадцать из 28 клинических целей не удалось решить с помощью GutFeelingKB.Только два из них были родами, а остальные относились к классификации на уровне видов. Оба рода положительно связаны с патологическими состояниями желудочно-кишечного тракта ( Salmonella с диареей [48] и Fusobacterium с синдромом раздраженного кишечника [49]. Из десяти видов пять были положительно связаны с диареей или ВЗК ( Vibrio cholerae ). , Salmonella enterica , Streptococcus sanguinis , Desulfovibrio piger , и Anaerotruncus colihominis ).Только один из перечисленных видов, Collinsella aerofaciens , не имел эталонного протеома (https://www.uniprot.org/help/reference_proteome).

Ожидается, что в то время как другие исследования обнаружат дополнительные организмы, GutFeelingKB может предоставить справочный список и информацию о численности, которая может обеспечить отправную точку для сравнительного анализа образцов от здоровых людей со всего мира, а также может помочь лучше понять наблюдаемые различия из-за болезнь, терапия и диета.

Численность организмов в отдельных пробах.

Совместимость данных - постоянная проблема биоинформатики [50]. Эта проблема еще больше усугубляется, когда учитываются данные из образцов, собранных в отдаленных местах в разное время. В случае HMP отбор проб проводился в Хьюстоне, штат Техас, и Сент-Луисе, штат Миссури, в течение 2008–2012 годов. Все образцы GW были собраны в районе метро DC в 2016 году. Одним из способов проверить совместимость этих наборов данных было выполнение межклассового анализа (BCA) для всех образцов из каждого из проектов.Данные из наших трех отдельных проектов попали в ожидаемые три классических энтеротипа [51] вместо кластеризации по набору проектов (S4 Рис). Если бы данные были сгруппированы по проектам, месту проведения выборки или году, они могли оказаться несовместимыми для включения в одну и ту же базу данных. Однако мы считаем, что эти данные не показывают систематической ошибки выборки и могут быть использованы для совместного анализа. Информация о выборке и участниках представлена ​​в Таблице 1.

Многие исследования сосредоточены на узлах более высокой таксономии, что дает мало информации о численности конкретных видов или штаммов.На рис. 2 показано обилие типов, чтобы подчеркнуть, как исходные результаты микробиома кишечника, полученные в результате этого исследования, могут быть использованы для сравнения результатов прошлых исследований. Лист изобилия с наименьшим узлом таксономии с разбивкой по уровню деформации, где это применимо, предоставляется, чтобы другие ученые могли использовать результаты для сравнения. Средняя численность, стандартное отклонение, максимальная и минимальная численность, за исключением организмов с численностью 0% (таблица S9), обеспечивают дополнительные показатели. По средней численности организмов 4 типа имеют численность более 1%, это актинобактерии (1.82 ± 3%), Bacteroidetes (73,13 ± 22,16%), Firmicutes (22,2 ± 18,66%) и Proteobacteria (2,15 ± 10,39%). Бактероидии (72,97 ± 22,14%) в группе Bacteroidetes, актинобактерии (1,67 ± 2,94%) в группе актинобактерий, гаммапротеобактерии (2,12 ± 10,38%) в группе Proteobacteria, клостридии (21,35 ± 17,87%) в группе Firmicutes - единственные четыре класса, средняя численность которых превышает 1%. Bacteroidaceae (65,58 ± 21,84%) - самое многочисленное семейство, за ним следуют Lachnospiraceae (11,46 ± 11,06%) и Ruminococcaceae (8.38 ± 10,48%). Odoribacteraceae, Rikenellaceae, Bifidobacteriaceae, Enterobacteriaceae и Tannerellaceae - пять других семейств с численностью выше 1%. Bacteroides - самый распространенный род в микробиоме кишечника человека (65,58 ± 21,84%), причем образец SRS016585 имеет наименьшую численность (0,37%), а SRS013215 - наибольшую численность (98,82%). Bacteroides включает 9 видов, 7 из которых имеют численность более 1%. Bacteroides dorei - наиболее доминирующий вид с 17.Численность 44 ± 8,74%.

Рис. 2. Гистограмма филогенетического состава всех таксонов микробиома в этом исследовании разрушена на уровне филы в образцах фекалий.

Зеленые столбики представляют Firmicutes , а синие - Bacteroidetes , два наиболее распространенных семейства бактерий. В эстетических целях образцы (n = 98, внизу) были отсортированы в соответствии с их составом: Bacteroidetes и Firmicutes , чтобы продемонстрировать, как исходные результаты микробиома кишечника в этом исследовании могут использоваться в сочетании с результатами прошлых исследований.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0206484.g002

Из 98 проанализированных образцов только 53 образца имели археи. Bacteroidetes, Proteobacteria, Spirochaetes, Actinobacteria, тип Firmicutes присутствуют во всех образцах. Численность Bacteroidetes превышает 10% в 97 из 98 образцов. Bacteroides присутствует во всех пробах в количестве от 0,37% до 98,82%. В пределах Bacteroides , Bacteroides fragilis присутствуют во всех образцах.Диапазон численности Bifidobacterium во всех образцах колеблется от 0,004% до 12,21%, обилия Bifidobacterium longum от 0,003% до 10,30% и Bifidobacterium bifidum BGN4 штамм присутствует в 96 из 98 образцов. Всего во всех выборках присутствуют 84 вида из 109.

Было показано, что Bacteroides - самый распространенный род в Испании, Китае, Швеции, США, Дании и Франции из образцов, собранных у здоровых людей [46]. Бактероиды поддерживают в целом благоприятные отношения с хозяином, когда они задерживаются в кишечнике, но также могут быть условно-патогенными микроорганизмами. Когда они покидают кишечную среду, они могут вызвать серьезную патологию, включая бактериемию и образование абсцесса во многих участках тела [52]. Bacteroides fragilis защищает животных от колита, вызванного Helicobacter hepaticus , комменсальной бактерией с патогенным потенциалом [53]. Большая часть B . fragilis Геном отвечает за метаболизм углеводов, включая деградацию пищевых полисахаридов [54]. Сообщается, что Bifidobacterium присутствует почти во всех образцах кала здоровых людей. Члены Bifidobacterium - одни из первых микробов, колонизирующих желудочно-кишечный тракт человека, и считается, что они оказывают положительное влияние на здоровье своего хозяина [55]. Многие виды Bifidobacterium обычно используются в качестве пробиотиков из-за их свойств, способствующих укреплению здоровья [56].Определенные штаммы Bifidobacterium longum использовались в качестве пробиотиков против энтерогеморрагической инфекции Escherichia coli из-за продукции ацетата, короткоцепочечной жирной кислоты, которая усиливает барьерную функцию эпителия кишечника хозяина [57]. В целом они способны выжить в определенных экологических нишах благодаря конкурентным адаптациям и метаболическим способностям посредством колонизации определенных придатков. Существует 12 штаммов под видами Bifidobacterium longum .Один штамм, BBMN68, был выделен из фекалий здорового долгожителя, проживающего в районе БаМа, Гуанси, Китай, известном своим долголетием [58]. Другой штамм Bifidobacterium , BGN4, предотвращает воспалительное заболевание кишечника, опосредованное CD4 (+) CD45RB (высокий) T-клетками, путем ингибирования неупорядоченной активации T-клеток у мышей, получавших BGN4 [59]. Несмотря на хорошо известную пользу для здоровья, молекулярные механизмы, ответственные за эти особенности, еще предстоит выяснить.

Некоторые потенциальные патогенные виды появляются в здоровых образцах в этом исследовании, а образцы, собранные Яцуненко и соавт.[45]. Также был идентифицирован Streptococcus mitis , штамм, который может вызывать тяжелые клинические симптомы у онкологических больных [60]. Вполне вероятно, что такие организмы, как S . Митис - условно-патогенные микроорганизмы. Существует несколько штаммов Escherichia coli , большинство из которых обычно считаются безвредными для кишечника. Е . coli - одна из первых бактерий, колонизирующих человеческих младенцев, и на протяжении всей жизни колонизирует взрослых [61], хотя и является патогенным штаммом E . coli вовлечены в этиологию проблем со здоровьем, таких как болезнь Крона и язвенный колит [62].

Диетические данные и корреляционный анализ питательных веществ

При сравнении видов бактерий с данными о питательных веществах с использованием MaAslin было обнаружено несколько интересных закономерностей. Bifidobacterium положительно коррелировал с потреблением диетического белка (рис. 3a), в частности, растительного белка, а также пищевых волокон, особенно растворимых волокон, присутствующих в овощах, таких как брокколи, брюссельская капуста, фасоль, горох, спаржа и бобы, которые также содержат растительный белок. Akkermansia (рис. 3b), как было показано, положительно связан с потреблением насыщенных жиров и отрицательно коррелирует с общим количеством полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК). Неудивительно, что он также положительно коррелировал с линолевой кислотой, поскольку эта конкретная ПНЖК омега-6 в большом количестве содержится в маслах (например, соевом масле, растительном масле), используемых в обработанных пищевых продуктах. Bacteriodes ovatus положительно коррелировал с суточным потреблением калорий (рис. 3c), а также массой тела (рис. 3d) и окружностью талии.Таблица результатов (см. Дополнительный файл S10 Table) демонстрирует диапазон корреляции для измеренных характеристик. Анализ коэффициента косинусного сходства (см. Дополнительный файл S11 Table) выявил корреляцию для функций и организмов с наблюдениями, аналогичными MaAslin. Например, такие характеристики, как потребление жира и ИМТ, коррелируют с представителями Akkermansia . Точно так же влияние витамина А или бета-каротинов имеет положительную индуктивную корреляцию для всех бифидобактерий (рис. 4).

Рис. 3. Корреляция между бактериальным организмом и данными о питательных веществах.

(A) Bifidobacterium положительно коррелирует с потреблением диетического белка, особенно растительного белка, присутствующего в овощах, таких как брокколи, брюссельская капуста, фасоль, горох, спаржа и фасоль. (B) Akkermansia положительно связан с индексом массы тела (ИМТ). (C) Bacteriodes ovatus положительно коррелирует с дневным потреблением калорий. (D) Bacteriodes ovatus отрицательно коррелирует с массой тела.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0206484.g003

Рис. 4. Диапазон корреляции для всех характеристик, которые были измерены для каждой из выборок GW.

Каждая линия представляет собой график минимальных и максимальных значений с использованием корреляции коэффициентов косинусного сходства. Положительное значение означает сильную корреляцию, отрицательное значение означает сильную антикорреляцию, тогда как ноль означает полное отсутствие корреляции. Учитывая размер выборки 16, 0,7 принимается в качестве предельного порога для доказательства некоторой степени корреляции.Каждая функция, которая коррелировала с каким-либо организмом, выделена синим цветом. Например, некоторые характеристики, такие как потребление жира, имеют антикорреляцию с представителями семейства Campulobacter jejuni и Eubacterium.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0206484.g004

По мере того, как наука о микробиоме приближается к клинике, необходимо будет иметь как инструменты для анализа, так и быстрое понимание микробной популяции. Предполагается, что такой анализ обеспечит основу для клинической отчетности.Хотя каждый организм во всем образце микробиома не поддается немедленному действию, он позволяет как внимательно отслеживать микробную модуляцию, так и лучше понимать, как микробиом соотносится с состоянием здоровья и терапией. Это будет в дальнейшем применяться по мере того, как доказательная медицина приближается к науке о микробиоме, и наука о микробиоме становится столь же важной для клинического лечения, как и геномная медицина. Предварительные анализы микробиома все чаще дают интересные результаты при сложных заболеваниях, таких как рак.Например, у больных колоректальным раком бактерии, обогащенные карциномой, B . massiliensis , B . дорей , B . vulgates , Parabacteroides merdae , A . Finegoldii и B . wadsworthia , положительно коррелирует с потреблением красного мяса и отрицательно коррелирует с потреблением фруктов и овощей [63]. Ожидается, что по мере увеличения количества и размера этих исследований потребность в базовом микробном профиле кишечника человека у здоровых людей и стандартном шаблоне отчетности станет существенной.

Контиги из невыровненных считываний (микробная темная материя).

В среднем 50% считываний из отдельного образца невозможно сопоставить ни с одной последовательностью в Filtered-nt. Эти невыровненные чтения были собраны в контиги. Предыдущая работа показала, что создание контигов из невыровненных коротких чтений может использоваться для лучшего понимания фактического пространства последовательностей, представленного в образцах метагеномики [64]. Эта «микробная темная материя» еще предстоит выяснить. Использование BLAST против последовательностей NCB-nt не дало каких-либо значимых совпадений.Учитывая, что средняя плотность кодирования белков в бактериальных геномах составляет 87% с типичным диапазоном 85–90% [65], а организмы в нашем списке ссылок имеют размер от 1,89 до 6,17 МБ, контиги менее 10 КБ были исключены. Это значение будет означать, что любая отдельная последовательность будет охватывать не менее 0,16% генома организма или 0,19% кодирующей области организма. Целью здесь было уменьшить количество ложноположительных контигов. Используя этот подход, невыровненные чтения были собраны в 1 467 129 контигов, из которых 46 095 имеют длину более 10 КБ.После построения контигов последовательности более 10 000 нуклеотидов были сохранены в том же файле, и каждый заголовок был отформатирован для указания номера образца, пола, возраста и этнической принадлежности источника. Файл доступен для загрузки по адресу https://hive.biochemistry.gwu.edu/prd/gfkb//content/unalignedContigsGFKB-v2.0.fasta. Эти контиги идеально подходят для разработки новых праймеров для детального анализа микробиома кишечника.

Невыровненные считывания использовали для сборки контигов после выравнивания, чтобы минимизировать риск потери информативных контигов для согласованных последовательностей, которые могут частично картироваться с организмами в GutFeelingKB.Это было подтверждено в эксперименте, в котором сначала были собраны все чтения, а затем контиги были сопоставлены с геномами из GutFeelingKB. Этот шаг привел к гораздо меньшему количеству контигов размером более 10 КБ. Скорее всего, часть контигов темной материи принадлежит бактериофагам. Используя метод предварительной сборки, можно потенциально идентифицировать новые бактериофаги и ассоциировать фаг с их организмом-хозяином.

Шаблон отчета по FecalBiome

Известные эффекты микробиома на состояние здоровья быстро растут и уже породили одобренные FDA продукты в различных биотехнологических компаниях [66].Некоторые фирмы даже начали сообщать потребителям данные о микробном составе. Форматы и параметры для создания этих отчетов нестандартизированы, что ограничивает их исследовательскую ценность. Необходимо стандартизировать способ обсуждения микробиома в исследованиях и, в конечном итоге, в клинике; Чем раньше произойдет эта стандартизация, тем эффективнее она будет, поскольку наука о микробиоме становится инструментом для общих исследований, а медицина микробиома приближается к клинике так же близко, как и геномная медицина.Поскольку существует потребность в цикле, переходящем от скамьи к постели и обратно, есть смысл в построении отчета в клиническом стиле поверх исследовательского инструмента с возможностью легко переходить между ними [67]. В этом ключе представлен шаблон FecalBiome (рис. 5) - общий шаблон отчета для исследования микробиома. Он состоит из трех доменов: «Образец», «Пациент» и «Результат»; эти результаты взяты из информации из данного образца микробиома, которая затем сравнивается с содержимым GutFeelingKB.Шаблон был составлен в духе лабораторного теста комплексной метаболической панели (CMP) (https://www.accesalabs.com/downloads/quest-lab-test-sample-report/Comprehensive-Metabolic-Panel-Test-Results.jpg ; https://medlineplus.gov/ency/article/003468.htm). Этот отчет также предназначен для использования в качестве снимка исследовательского проекта, позволяя коллегам и сотрудникам из лабораторий быстро обмениваться информацией высокого уровня. Нередко сбор, секвенирование и анализ образцов происходят в разных местах, причем разные исследовательские группы заинтересованы в получаемых данных.В условиях исследования шаблон может служить в качестве прикрытия для общих данных, сопровождающих данные последовательности, чтобы дать сотрудникам возможность взглянуть на свои данные без необходимости писать сценарии для визуализаций. Этот отчет предназначен для обобщения на любой микробиом человека. Исследователи и клиницисты должны определить порог количества организмов, о которых сообщается, в зависимости от обстоятельств их исследования. Рекомендация из этого исследования - сообщать об организмах, которые составляют 50% лучших (отсортированных по численности) микробов, идентифицированных в индивидуальной выборке.Любой порог организмов для сообщения в доменах может быть установлен пользователем в соответствии с их целями. В этот отчет включена информация о количестве образцов, среднем количестве микробов, а также информация об этих микробах из литературы.

Рис. 5. Шаблон отчета FecalBiome.

Раздел отчета «Персональная информация» содержит информацию о человеке, у которого была секвенирована проба, а также о человеке, заказавшем последовательность. Он содержит информацию о конвейере, используемом для анализа, а также номер образца для облегчения поиска.Раздел результатов содержит микробы, представляющие самые многочисленные организмы, которые составляют 50% верхних жителей. Раздел комментариев организма включает информацию из GutFeelingKB, которая относится к потенциальной функции этого организма.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0206484.g005

В качестве тестового примера из набора был взят один образец, чтобы определить, где он упал по сравнению с исходной микробной популяцией кишечника, чтобы продемонстрировать потенциальное клиническое применение эта технология.Последний столбец в таблице результатов включает информацию о том, попадает ли данная популяция микробов в диапазон, ожидаемый на основе пространства выборки, включенного в GutFeelingKB. Отчет не включает объяснение того, что означает конкретный результат, поскольку преждевременно привязывать конкретный микроб к фенотипу в случаях, отличных от инфекционного заболевания, и любой результат относится к компетенции запрашивающего врача. Имея больше информации о роли микробиома и составляющих его микробов, станет более возможным сопоставить, где образец от человека находится в пределах спектра численности здоровых или дисбиотических микробов.

Все относительные численности были рассчитаны для отдельных наборов данных перед количественной оценкой относительного минимума, относительного максимума, среднего, медианы и стандартного отклонения (рис. 3). Затем эти статистические данные были преобразованы в единый отчет, в котором были объединены диапазон, среднее значение, медиана и стандартное отклонение. В дальнейшем статистика была обработана семьей для создания общего отчета, моделирующего полный метаболический профиль. Самые распространенные семейства (Akkermansiaceae, Bacteroidaceae, Enterobacteriaceae, Rikenellaceae и Ruminoccocaceae) имели относительный максимум 8.03, 12,13, 10,99, 6,89 и 6,31% относительной численности соответственно. Это неудивительно, учитывая, что семейство Rikenellaceae свидетельствует о хорошем здоровье желудочно-кишечного тракта [68]. Akkermansiaceae связано с более низкими показателями ожирения и связанных с ним метаболических нарушений [69]. Bacteroidaceae и Enterobacteriaceae могут быть связаны с острыми инфекционными процессами, но в остальном являются симбионтами [70,71], а Ruminococcaceae, как известно, расщепляют сложные углеводы, особенно у людей с тяжелой углеводной диетой [72].FecalBiome и лежащий в основе GutFeelingKB могут иметь большое значение для клиницистов, которые надеются оценить микробный статус кишечника своих пациентов. Цель базы данных и отчета - связать лабораторные результаты с результатами. В настоящее время наиболее известными ассоциациями микробиомных заболеваний являются тяжелые формы дисбактериоза, вызываемые потенциально патогенными бактериями - каноническими инфекционными патогенами, такими как Helicobacter pylori , Vibrio cholerae и другими. Определив, какие виды или штаммы коррелируют с хорошими или плохими результатами, этот тип исследования может помочь клиницистам в разработке стратегий для ценных методов лечения, основанных на доказательствах.

Заключение

Рабочий процесс метагеномного анализа, описанный в этом исследовании, включает в себя метод на основе подвыборки с последующим комплексным картированием всех считываний для точного определения численности микроорганизмов. Рабочий процесс обеспечивает полный снимок численности микробов и может легко использоваться с любыми современными алгоритмами отображения и сборки NGS. Список исходных организмов, идентифицированных в нормальном кишечнике человека, имеет клиническую применимость по мере того, как исследования микробиома приближаются к постели больного.Методы, инструменты и данные этого проекта также могут быть использованы учеными-регуляторами для оценки рабочих процессов, связанных с трансплантацией фекалий.

В дополнение к рабочему процессу, эта работа закладывает основу для обширной и модульной базы данных, которая может агрегировать общедоступные данные, а также данные участников, чтобы способствовать пониманию базового микробиома человека. Эта база данных может служить справочным материалом при исследованиях дисбактериоза и микробиома, связанного с заболеваниями. Удобный для пользователя формат отчета FecalBiome, который содержит информацию об абсолютном и относительном содержании данного образца по сравнению со средним значением по всей базе данных, позволяет ученым, клиницистам и, в конечном итоге, пациентам получить представление о микробиоме кишечника.Эта работа может оказать значительное влияние на исследования в области нормативной науки (например, FDA) и организации по стандартизации (например, NIST) в этой области. Например, GutFeelingKB потенциально может позволить быструю оценку содержания продуктов, заменяющих желудочно-кишечный тракт человека, и, в идеале, позволить более целесообразный обзор продуктов. Будущие исследования по развитию медицины микробиома, основанной на доказательствах, могут быть проведены, когда потенциальные пациенты будут определять, какие исходы (например, депрессия, вздутие живота, эпилепсия, частота простудных заболеваний, рак и т. Д.)). Например, Apte et al. [20] идентифицировали 28 организмов, связанных с заболеванием, которые могут быть использованы для оценки состояния здоровья человека и использованы для выявления заболевания, в то время как отчет FecalBiome может использоваться для передачи информации о состоянии здоровья человека, связанном с микробиомом, между врачом и пациентом. Эти результаты станут конечными точками клинических испытаний или наблюдательных исследований, которые продемонстрируют влияние различных бактерий на кишечник человека. Этот тип методологии привязывает необработанные числа к состояниям здоровья, которые имеют значение для населения в целом, гарантируя, что собранные данные актуальны для пациента и, следовательно, для клинициста.Это может дать новый, ориентированный на пациента взгляд на использование данных микробиома и позволить больший объем данных о состоянии здоровья размещать поверх данных метагеномных последовательностей. Если все будут использовать один и тот же набор клинически значимых конечных точек, исследования будут легко сопоставимы между исследованиями, и метаанализ станет совместимым.

Вспомогательная информация

S1 Рис. Контроль качества одного образца.

(A) Сводная статистика для прочитанного файла. (B) ACGT Count: круговая диаграмма, отображающая количество и процент оснований, присутствующих в прочитанном файле.(C) Счетчик продольной позиции: отображает количество оснований по сравнению с положением в считанных файлах. (D) Качество позиции: средняя оценка качества позиции при чтении файла. (E) Среднее качество на базу: гистограмма оценки качества каждой пары оснований. (F) Счетчик длины: график зависимости длины считывания от количества считываний в образце. (G) Счетчик длины качества: показывает средний показатель качества чтения заданной длины.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0206484.s001

(DOCX)

S2 Рис. Выходные данные HIVE-MultiQC.

(A) Средняя оценка качества для каждой базы, показанной в файле образца. Стабильно высокое качество файлов прямых цепей указывает на приемлемые последовательности для анализа. (B) Относительное количество каждой базы в каждом прочитанном файле. (C) Средняя оценка качества для всего набора данных, показанная позицией в считывании, является синей линией. Серый цвет представляет собой одно стандартное отклонение выше и ниже среднего.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0206484.s002

(DOCX)

S2 Стол. Характеристики питания и соответствующие значения образцов GW и HMP.

1) Характеристики питания GW 100 и соответствующие значения из результатов NDSR образцов GW. 2) 100 питательных свойств и соответствующие значения образцов HMP.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0206484.s006

(XLSX)

S4 Таблица. GutFeelingKB.

Организмы, представленные в GutFeelingKB, представлены идентификаторами протеома UniProt.В этой таблице приводится информация об одном и том же организме из разных баз данных, таких как UniProt, NCBI Assembly, NCBI Taxonomy, NCBI Nucleotide и так далее.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0206484.s008

(XLSX)

S9 Таблица. Таблицы численности представлены в виде 7 таблиц, каждая из которых представляет отдельный узел таксономии, включая тип, семейство, класс, порядок, род, виды и таблицы численности штаммов.

Приведены средняя численность, стандартное отклонение, максимальная и минимальная численность, за исключением организмов с численностью 0%.Таблица с названием HitList предоставляет фактическое количество отображенных операций чтения.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0206484.s013

(XLSX)

Благодарности

Х Чжан и Ю Ху предоставили ценные комментарии. Следующие кураторы биоинформатики внесли свой вклад в метаданные и описания организмов GutFeelingKB (C Sabet: https://orcid.org/0000-0003-2299-1426, Y Chidanandan: https://orcid.org/0000-0001-5703-5667 , В. Симонян: https://orcid.org/0000-0002-2577-3240, N Post: https: // orcid.org / 0000-0002-0457-7056, Б. Осборн: https://orcid.org/0000-0002-9007-8746, С. Халкетт: https://orcid.org/0000-0001-9721-3181, М. Мазумдер : https://orcid.org/0000-0003-1181-8118). Этот проект частично поддерживался фондами Национального научного фонда (NSF) (номер премии: 1546491 для RM), Национального центра развития трансляционных наук NIH (номер премии UL1TR000075 частично поддерживал KAC, HM, RM) и McCormick Genomic и протеомный центр (MGPC) в Университете Джорджа Вашингтона. Финансирующие организации не играли никакой роли в дизайне исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.

Список литературы

  1. 1. Хаттенхауэр С., Геверс Д., Найт Р., Абубакер С., Бэджер Дж. Х., Чинвалла А. Т. и др. Структура, функции и разнообразие микробиома здорового человека. Природа. 2012; 486: 207–214. pmid: 22699609
  2. 2. Чен X, Лин Х-Ф, Вэнс Д., Шилдс-Чжоу Г.А., Чжу М., Поултон С.В. и др. Подъем до современного уровня оксигенации океана совпал с кембрийской радиацией животных. Nat Commun. 2015; 6. pmid: 25980960
  3. 3. Ван Х., Чжэн Х., Браун Ф., Рохе Р., Дьюхерст Р.Дж., Энгель Ф. и др.Комплексный метагеномный анализ микробиома рубца крупного рогатого скота позволяет выявить ключевые биологические механизмы, связанные с характеристиками метана. Методы. 2017; 124: 108–119. pmid: 28602995
  4. 4. Гао Б., Чи Л., Махбуб Р., Биан Х, Ту П, Ру Х и др. Multi-Omics показывает, что воздействие свинца нарушает развитие кишечного микробиома, ключевые метаболиты и метаболические пути. Chem Res Toxicol. 2017; 30: 996. pmid: 28234468
  5. 5. Mayer EA, Tillisch K, Gupta A. Ось кишечника / мозга и микробиота.J Clin Invest. 2015; 125: 926–38. pmid: 25689247
  6. 6. О'Дуайер Д. Н., Диксон Р. П., Мур Б. Б.. Микробиом легких, иммунитет и патогенез хронической болезни легких. J Immunol. 2016; 196: 4839–47. pmid: 27260767
  7. 7. Маршалл Б., Адамс ПК. Helicobacter pylori - достижение Нобелевской премии? Можно J Гастроэнтерол. 2008; 22: 895–6. pmid: 1

    31

  8. 8. Эге MJ. Гипотеза гигиены в эпоху микробиома. Ann Am Thorac Soc. 2017; 14: S348 – S353.pmid: 2
  9. 87
  10. 9. Ледерберг Дж., МакКрей А. Омикс «Ome Sweet» - генеалогическая сокровищница слов | Журнал «Ученый» ® . Sci. 2001; 15: 8.
  11. 10. Интегративный проект микробиома человека: динамический анализ профилей микробиома-хозяина в периоды здоровья и болезни человека. Клеточный микроб-хозяин. 2014. 16: 276–289. pmid: 25211071
  12. 11. Рабочая группа NIH HMP TNHW, Петерсон Дж., Гарджес С., Джованни М., Макиннес П., Ван Л. и др.Проект NIH Human Microbiome Project. Genome Res. 2009; 19: 2317–23. pmid: 19819907
  13. 12. Дония М.С., Цимерманчич П., Шульце С.Дж., Виланд Браун Л.С., Мартин Дж., Митрева М. и др. Систематический анализ кластеров биосинтетических генов в микробиоме человека показывает общее семейство антибиотиков. Клетка. 2014; 158: 1402–1414. pmid: 25215495
  14. 13. Корем Т., Зееви Д., Суэц Дж., Вайнбергер А., Авнит-Саги Т., Помпан-Лотан М. и др. Динамика роста кишечной микробиоты в условиях здоровья и болезней, полученная на основе единичных метагеномных образцов.Наука. 2015; 349: 1101–1106. pmid: 26229116
  15. 14. Совет NR. Новая наука метагеномики [Интернет]. Вашингтон, округ Колумбия: National Academies Press; 2007. https://doi.org/10.17226/11902 pmid: 21678629
  16. 15. Ллойд-Прайс Дж., Махуркар А., Рахнавард Дж., Крэбтри Дж., Орвис Дж., Холл А.Б. и др. Штаммы, функции и динамика в расширенном проекте микробиома человека. Природа. 2017; 550: 61–66. pmid: 28953883
  17. 16. Проктор Л.М. Проект «Микробиом человека» в 2011 г. и позже.Клеточный микроб-хозяин. 2011; 10: 287–291. pmid: 22018227
  18. 17. Лян Д., Люн РК-К, Гуань В., Ау WW. Участие микробиома кишечника в здоровье и болезнях человека: краткий обзор, пробелы в знаниях и возможности для исследований. Gut Pathog. 2018; 10: 3. Pmid: 29416567
  19. 18. Qin J, Li R, Raes J, Arumugam M, Burgdorf KS, Manichanh C и др. Каталог микробных генов кишечника человека, созданный путем метагеномного секвенирования. Природа. 2010; 464. pmid: 20203603
  20. 19. Стулберг Э., Фравел Д., Проктор Л. М., Мюррей Д. М., LoTempio J, Криси Л. и др.Оценка исследования микробиома в США. Nat Microbiol. 2016; 1: 15015. pmid: 27571759
  21. 20. Almonacid DE, Kraal L, Ossandon FJ, Budovskaya YV., Cardenas JP, Bik EM, et al. Секвенирование гена 16S рРНК и здоровые контрольные диапазоны для 28 клинически значимых микробных таксонов из микробиома кишечника человека. Суходольский Ю.С., редактор. PLoS One. 2017; 12: e0176555. pmid: 28467461
  22. 21. Наско DJ, Корен С., Филлиппи А.М., Треанген Т.Дж. Рост базы данных RefSeq влияет на точность определения наименьших общих предков на основе k-мер.Genome Biol. 2018; 19: 165. pmid: 30373669
  23. 22. Координаторы ресурсов NCBI NR. Ресурсы базы данных Национального центра биотехнологической информации. Nucleic Acids Res. 2018; 46: D8 – D13. pmid: 2
  24. 70
  25. 23. Шамсаддини А., Пан Й., Джонсон В.Е., Крампис К., Щегловитова М., Симонян В. и др. Быстрое и точное таксономическое профилирование метагенома на основе переписи. BMC Genomics. 2014; 15: 918. pmid: 25336203
  26. 24. Лобб B, Курц Д.А., Морено-Хагельсиб Г., Докси А.С.Удаленная гомология и функции метагеномной темной материи. Фронт Жене. 2015; 6: 234. pmid: 26257768
  27. 25. Бернард Дж., Патманатан Дж. С., Ланн Р., Лопес П., Баптесте Э. Исследования темной материи микробов: как микробные исследования трансформируют биологические знания и эмпирически рисуют логику научных открытий. Genome Biol Evol. 2018; 10: 707–715. pmid: 29420719
  28. 26. Scrimshaw NS. ИНФУДС: международная сеть систем данных о пищевых продуктах. Am J Clin Nutr.1997; 65: 1190S – 1193S. pmid: 20
  29. 27. Симонян В., Мазумдер Р. Высокопроизводительные инструменты и приложения интегрированной виртуальной среды (улья) для анализа больших данных. Гены (Базель). 2014; 5: 957–981. pmid: 25271953
  30. 28. Симонян В., Чумаков К., Дингердиссен Х., Фейсон В., Голдвебер С., Голиков А. и др. Высокопроизводительная интегрированная виртуальная среда (HIVE): надежная инфраструктура для анализа данных последовательностей следующего поколения. База данных (Оксфорд). 2016; 2016.pmid: 26989153
  31. 29. Хаттенхауэр С., Фах Сатирапонгсасути Дж., Сегата Н., Геверс Д., Эрл А.М., Фицджеральд М.Г. и др. Структура, функции и разнообразие микробиома здорового человека. Природа. 2012; 486: 207–214. pmid: 22699609
  32. 30. Шамсаддини А., Пан Й., Джонсон В., Крампис К., Щегловитова М., Симонян В. и др. Быстрое и точное таксономическое профилирование метагенома на основе переписи. BMC Genomics. 2014; 15: 918. pmid: 25336203
  33. 31. Сантана-Кинтеро Л., Дингердиссен Х., Тьерри-Миг Дж., Мазумдер Р., Симонян В.HIVE-hexagon: высокопроизводительное параллельное выравнивание последовательностей для анализа данных секвенирования следующего поколения. PLoS One. 2014; 9. pmid: 244
  34. 32. Пэн Й., Люн Х.М., Ю С.М., Чин Ф.Й.Л. IDBA-UD: de novo ассемблер для данных одноклеточного и метагеномного секвенирования с сильно неравномерной глубиной. Биоинформатика. 2012; 28: 1420–1428. pmid: 22495754
  35. 33. Альтшул С.Ф., Гиш В., Миллер В., Майерс Е. В., Липман Д. Д.. Базовый инструмент поиска локального выравнивания. J Mol Biol. 1990; 215: 403–410.pmid: 2231712
  36. 34. Chen C, Natale DA, Finn RD, Huang H, Zhang J, Wu CH и др. Представитель Proteomesz: стабильный, масштабируемый и несмещенный протеомный набор для анализа последовательностей и функциональной аннотации. Hoheisel JD, редактор. PLoS One. 2011; 6: e18910. pmid: 21556138
  37. 35. Бейтман А., Мартин М.Дж., О’Донован С., Магран М., Альпи Е., Антунес Р. и др. UniProt: универсальная база знаний о белках. Nucleic Acids Res. 2017; 45: D158 – D169. pmid: 27899622
  38. 36.Whitman WB, Rainey F, Kämpfer P, Trujillo M, Chun J, DeVos P, et al., Редакторы. Руководство Берджи по систематике архей и бактерий [Интернет]. Руководство Берджи по систематике архей и бактерий. Wiley; 2015. https://doi.org/10.1002/9781118960608
  39. 37. Сантана-Кинтеро Л., Дингердиссен Х., Тьерри-Миег Дж., Мазумдер Р., Симонян В. HIVE-hexagon: высокоэффективное параллельное выравнивание последовательностей для анализа данных секвенирования следующего поколения. PLoS One. 2014; 9: e99033.pmid: 244
  40. 38. Морган XC, Tickle TL, Sokol H, Gevers D, Devaney KL, Ward DV и др. Дисфункция кишечного микробиома при воспалительном заболевании кишечника и лечении. Genome Biol. 2012; 13: R79. pmid: 23013615
  41. 39. Окуда С., Цучия Ю., Кирияма С., Ито М., Морисаки Х. Реконструкция виртуального метагенома из последовательностей гена 16S рРНК. Nat Commun. 2012; 3: 1203. pmid: 23149747
  42. 40. Дрелл Т., Ларионова А., Воор Т., Симм Дж., Джульге К., Хейлман К. и др.Различия в микробиоте кишечника между атопическими и здоровыми детьми. Curr Microbiol. 2015; 71: 177–183. pmid: 25869237
  43. 41. Schloissnig S, Arumugam M, Sunagawa S, Mitreva M, Tap J, Zhu A и др. Пейзаж геномных вариаций микробиома кишечника человека. Природа. 2013; 493: 45–50. pmid: 23222524
  44. 42. Чжоу В., Гей Н., О Дж. ReprDB и panDB: минималистичные базы данных с максимальным представлением микробов. Микробиом. 2018; 18:15 pmid: 29347966
  45. 43. Qin J, Li R, Raes J, Arumugam M, Burgdorf KS, Manichanh C и др.Каталог микробных генов кишечника человека, созданный путем метагеномного секвенирования. Природа. 2010; 464: 59–65. pmid: 20203603
  46. 44. Ли Дж., Цзя Х., Цай Х, Чжун Х., Фэн К., Сунагава С. и др. Интегрированный каталог эталонных генов микробиома кишечника человека. Nat Biotechnol. 2014; 32: 834–841. pmid: 24997786
  47. 45. Яцуненко Т., Рей Ф. Э., Манари М. Дж., Трехан И., Домингес-Белло М. Г., Контрерас М. и др. Микробиом кишечника человека в зависимости от возраста и географии. Природа. 2012; 486: 222–227.pmid: 22699611
  48. 46. Нисидзима С., Суда В., Осима К., Ким С. В., Хиросе Ю., Морита Н. и др. Микробиом кишечника здорового японца, его микробная и функциональная уникальность. ДНК Res. 2016; 23: 125–133. pmid: 26951067
  49. 47. Цинь Н, Ян Ф, Ли А., Прифти Э, Чен Й, Шао Л. и др. Изменения микробиома кишечника человека при циррозе печени. Природа. 2014; 513: 59–64. pmid: 25079328
  50. 48. Гал-Мор О., Бойл Э.С., Грассл Г.А. Один и тот же вид, разные болезни: как и почему тифоидные и нетифоидные серовары Salmonella enterica различаются [Интернет].Границы микробиологии. Границы; 2014. с. 391. pmid: 25136336
  51. 49. Штраус Дж., Каплан Г.Г., Бек П.Л., Риу К., Паначчоне Р., Де Винни Р. и др. Инвазивный потенциал слизистой оболочки кишечника fusobacterium nucleatum положительно коррелирует со статусом хозяина ВЗК. Воспаление кишечника. 2011; 17: 1971–1978. pmid: 21830275
  52. 50. Bourne PE, Bonazzi V, Dunn M, Green ED, Guyer M, Komatsoulis G, et al. Инициатива NIH от больших данных к знаниям (BD2K). J Am Med Inform Assoc.2015; 22: 1114. pmid: 26555016
  53. 51. Arumugam M, Raes J, Pelletier E, Le Paslier D, Yamada T., Mende DR, et al. Энтеротипы микробиома кишечника человека. Природа. 2011; 473: 174–180. pmid: 21508958
  54. 52. Wexler HM. Bacteroides: хорошие, плохие и мелкие. Clin Microbiol Rev.2007; 20: 593–621. pmid: 17934076
  55. 53. Мазманян СК, Раунд JL, Каспер DL. Фактор микробного симбиоза предотвращает воспалительные заболевания кишечника.Природа. 2008. 453: 620–625. pmid: 18509436
  56. 54. Койн MJ, Комсток LE. Специфические нишевые особенности кишечных бактерий. J Bacteriol. 2008; 190: 736. pmid: 17993536
  57. 55. О’Каллаган А., ван Синдерен Д. Бифидобактерии и их роль как членов кишечной микробиоты человека. Front Microbiol. 2016; 7: 925. pmid: 27379055
  58. 56. Сяо М., Сюй П, Чжао Дж., Ван З., Цзо Ф., Чжан Дж. И др. Связанные с окислительным стрессом реакции Bifidobacterium longum subsp.longum BBMN68 на протеомном уровне после воздействия кислорода. Микробиология. 2011; 157: 1573–1588. pmid: 21349974
  59. 57. Фукуда С., Тох Х, Хасэ К., Осима К., Наканиши Ю., Йошимура К. и др. Бифидобактерии могут защитить от энтеропатогенной инфекции за счет выработки ацетата. Природа. 2011; 469: 543–547. pmid: 21270894
  60. 58. Hao Y, Huang D, Guo H, Xiao M, An H, Zhao L и др. Полная последовательность генома bifidobacterium longum subsp. longum BBMN68, новый штамм здорового китайского долгожителя.J Bacteriol. 2011; 193: 787–788. pmid: 21097614
  61. 59. Kim N, Kunisawa J, Kweon M-N, Eog Ji G, Kiyono H. Пероральное кормление Bifidobacterium bifidum (BGN4) предотвращает опосредованное CD4 + CD45RBhigh воспалительное заболевание кишечника, опосредованное Т-клетками, путем ингибирования неупорядоченной активации Т-клеток. Clin Immunol. 2007; 123: 30–39. pmid: 17218154
  62. 60. Шелбурн С.А., Сахасрабходжане П., Салдана М., Яо Х., Су Х, Хорстманн Н. и др. Штаммы Streptococcus mitis, вызывающие тяжелое клиническое заболевание у онкологических больных.Emerg Infect Dis. 2014; 20: 762–771. pmid: 24750901
  63. 61. Палмер С., Бик Э.М., ДиДжиулио Д.Б., Релман Д.А., Браун П.О. Развитие кишечной микробиоты ребенка грудного возраста. Руан Й, редактор. PLoS Biol. 2007; 5: e177. pmid: 17594176
  64. 62. Miquel S, Peyretaillade E, Claret L, de Vallée A, Dossat C, Vacherie B и др. Полная последовательность генома адгезивно-инвазивного штамма LF82, ассоциированного с болезнью Крона. Ахмед Н., редактор. PLoS One. 2010; 5: e12714. pmid: 20862302
  65. 63.Feng Q, Liang S, Jia H, Stadlmayr A, Tang L, Lan Z, et al. Развитие кишечного микробиома по последовательности колоректальной аденомы – карциномы. Nat Commun. 2015; 6: 6528. pmid: 25758642
  66. 64. Хау А, Сеть ПСЖ. Проблемы и возможности в понимании микробных сообществ с помощью сборки метагенома (в сопровождении учебника IPython Notebook). Front Microbiol. 2015; 6: 678. pmid: 26217314
  67. 65. Land M, Hauser L, Jun S-R, Nookaew I, Leuze MR, Ahn T-H и др.Выводы за 20 лет секвенирования бактериального генома. Funct Integr Genomics. 2015; 15: 141–61. pmid: 25722247
  68. 66. Закуляр Дж. П., Роджерс Ма М., Раффин М. Т., Шлосс П. Д. Микробиом кишечника человека как инструмент скрининга колоректального рака. Рак Пред. Рез. 2014; 7: 1940–6207. CAPR-14-0129-. pmid: 25104642
  69. 67. Сильверман Э., Нихаус А. Геномная медицина NHGRI IX: Портфолио геномной медицины NHGRI - от прикроватной скамьи. https://www.genome.gov/Multimedia/Slides/GM9/gm9_summary_final_GM9full_SilvermanE.pdf
  70. 68. Дональдсон Г.П., Ли С.М., Мазманян СК. Биогеография кишечника бактериальной микробиоты. Nat Rev Microbiol. 2016; 14: 20–32. pmid: 26499895
  71. 69. Дао М.К., Эверард А., Арон-Вишневски Дж., Соколовска Н., Прифти Е., Вергер Е.О. и др. Akkermansia muciniphila и улучшение метаболического здоровья во время диетического вмешательства при ожирении: взаимосвязь с богатством кишечного микробиома и экологией. Кишечник. 2016; 65: 426–36. pmid: 26100928
  72. 70. Блум С.М., Биджанки В.Н., Нава Г.М., Сан Л., Малвин Н.П., Донермейер Д.Л. и др.Виды Commensal Bacteroides индуцируют колит специфическим для генотипа хозяина образом на мышиной модели воспалительного заболевания кишечника. Клеточный микроб-хозяин. 2011; 9: 390–403. pmid: 21575910
  73. 71. Rubinstien EM, Klevjer-Anderson P, Smith CA, Drouin MT, Patterson JE. Enterobacter taylorae, новый условно-патогенный микроорганизм: сообщение о четырех случаях. J Clin Microbiol. 1993; 31: 249–54. Доступно: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/8381808 pmid: 8381808
  74. 72. Флинт HJ, Скотт КП, Дункан С.Х., Луи П., Форано Э.Микробное разложение сложных углеводов в кишечнике. Кишечные микробы. 2012; 3: 289–306. pmid: 22572875

Охота за здоровым микробиомом

Как выглядит здоровый лес? Кажущаяся процветающей, зеленая дикая природа может скрывать признаки загрязнения, болезней или инвазивных видов. Только эколог может выявить проблемы, которые могут поставить под угрозу долгосрочное благополучие всей экосистемы.

Исследователи микробиома пытаются решить ту же проблему.Нарушение жизни сообщества микробов, живущих в кишечнике человека, может способствовать риску и серьезности множества заболеваний. Соответственно, многие ученые стали опытными бактериологами-естествоиспытателями, трудясь над каталогизацией поразительного разнообразия этих комменсальных сообществ. В кишечном тракте каждого человека обитает около 500–1000 видов бактерий, а также неопределенное количество вирусов, грибов и других микробов.

Быстрый прогресс в технологии секвенирования ДНК ускорил идентификацию этих бактерий, что позволило исследователям создать «полевых справочников» по ​​видам, обитающим в кишечнике человека.«Мы начинаем понимать, кто такие игроки», - говорит Йерун Раес, биоинформатик из VIB, медико-биологического института в Генте, Бельгия. «Но все еще существует значительная« темная материя »».

В настоящее время эти полевые руководства имеют ограниченное применение для того, чтобы отличить здоровый микробиом от нездорового. Частично проблема заключается в потенциально огромных различиях между микробиомами внешне здоровых людей. Эти различия возникают из-за сложной комбинации факторов окружающей среды, генетики и образа жизни.Это означает, что относительно тонкие различия могут иметь непропорционально большую роль в определении того, является ли человек относительно здоровым или подвержен повышенному риску развития расстройств, таких как диабет. Понимание клинических последствий этих различий также является проблемой, учитывая обширные взаимодействия между этими микробами и их хозяином, а также условия, в которых живет этот человек. «Здоровый микробиом одного человека может быть нездоров в другом контексте - это непростая идея», - говорит Рут Лей, микробиолог из Института биологии развития им. Макса Планка в Тюбингене, Германия.

Такие исследователи, как Лей, пытаются лучше понять силы, которые формируют микробиом кишечника человека - как в современную эпоху, так и на протяжении всей эволюционной истории. Возникающая картина указывает на то, что даже при отсутствии одного здорового микробиома наш образ жизни имеет широкие возможности вмешиваться в правильное функционирование этих сложных комменсальных сообществ. И чтобы понять, как распад этих экосистем вызывает болезни, исследователям необходимо выйти за рамки полевых руководств по микробам и начать анализировать, как эти виды взаимодействуют со своими хозяевами и друг с другом.

Первый подарок матери новорожденному - это небольшое количество здоровых микробов. Некоторые из них передаются при грудном вскармливании и контакте кожа к коже, но многие микробы приобретаются во время прохождения через родовые пути. Это означает, что если ребенок родился путем кесарева сечения, он может упустить ценный стартовый набор для бактерий. Поскольку в самом раннем возрасте ребенок обычно определяет состав кишечного сообщества, который сохраняется на протяжении всей взрослой жизни, возникающие в результате нарушения могут иметь серьезные долгосрочные последствия для здоровья.«По мере роста этих младенцев повышается риск ожирения и современных болезней, таких как диабет, аллергия и астма», - говорит Мария Глория Домингес-Белло, микробиолог из Университета Рутгерса в Нью-Брансуике, Нью-Джерси. В небольшом клиническом исследовании ее команда обнаружила, что взятие мазка жидкости из родовых путей у новорожденных, рожденных путем кесарева сечения, может помочь смягчить часть утраченного микробного разнообразия 1 . В настоящее время проводится несколько более крупных испытаний для оценки долгосрочной пользы для здоровья.

Воздействие окружающей среды в раннем возрасте также сильно влияет на микробиом ребенка. Сьюзан Линч, исследователь микробиома из Калифорнийского университета в Сан-Франциско, изучает связи между факторами окружающей среды в детстве и последующим риском развития аллергии и астмы. Ее выводы показывают, что молодым родителям не следует бояться грязи или меха. После наблюдения за группой из почти 1200 младенцев Линч и ее коллеги обнаружили, что собака может быть лучшим другом ребенка, когда речь идет о предотвращении респираторных заболеваний 2 .«Единственным фактором, который отличал группы высокого от низкого риска, было владение собаками», - говорит Линч. Она говорит, что собаки (и, в меньшей степени, кошки) «увеличивают разнообразие бактерий и уменьшают разнообразие грибов в домах, где растут эти дети». Этот вывод согласуется с другими исследованиями, показывающими, что сельское воспитание или взросление на ферме может дать более богатый микробиом кишечника, который снижает риск воспалительных респираторных заболеваний по сравнению с детьми, выросшими в более городских условиях.

В определенный момент в детстве состав кишечного микробиома обычно перестает меняться, хотя точно, когда неясно. Исследование, проведенное в 2012 году, изучали кишечные микробы людей из Малави, Венесуэлы и США и обнаружили поразительную закономерность 3 . «К трем годам вы уже не сможете отличить младенцев от взрослых», - говорит Домингес-Белло, который был соавтором статьи. Однако она отмечает, что есть свидетельства того, что микробиом остается несколько изменчивым после этого момента.Ясно одно: к зрелому возрасту эта экосистема приходит в состояние равновесия. «Он очень стабилен», - говорит Эран Сегал, вычислительный биолог из Научного института Вейцмана в Реховоте, Израиль. «Мы видим изменения, но вы по-прежнему будете выглядеть примерно одинаково даже через много лет».

Некоторые изменения, наблюдаемые в зрелом возрасте, обусловлены окружающей средой и образом жизни. В исследовании 2018 года, в котором приняли участие 1046 взрослых, проживающих в Израиле с разной этнической принадлежностью, Сегал продемонстрировал микробные различия, которые мало связаны с этнической принадлежностью 4 .«Вклады в окружающую среду могут составлять 20–25% изменчивости микробиома», - говорит Сегал. Наркотики - очевидный источник нарушений, а антибиотики, принимаемые либо намеренно для борьбы с инфекцией, либо непреднамеренно в составе обработанных пищевых продуктов, могут серьезно повлиять на микробиоту. Даже препараты, не имеющие четкой роли в борьбе с бактериями, могут вызывать нарушения. Раес отмечает, что одно крупное европейское исследование микробиома было затруднено из-за неожиданных эффектов лекарства от диабета метформин 5 .

Диета также оказывает мощное внешнее влияние, даже если точные механизмы ее воздействия остаются неясными.Одно исследование, проведенное в 2018 году, показало, что иммигранты в США из Таиланда испытали поразительную «вестернизацию» кишечной флоры - трансформацию, которая, по крайней мере частично, может быть связана с переходом на диету в США 6 .

Несоответствие современности

Изменения, наблюдаемые у иммигрантов из Таиланда, сопровождались повышенным риском ожирения. Исследование не установило причинно-следственную связь, но результаты согласуются с набирающей популярность гипотезой о том, что урбанизация - и современная жизнь в целом - может серьезно подорвать тесные отношения, которые сложились между людьми и их микробами.«Мы сделали предположение, что западный микробиом здорового человека - это здоровый микробиом», - говорит микробиолог Джастин Зонненбург из Стэнфордского университета в Калифорнии. Вместо этого он и другие думают, что сочетание диеты, противомикробных мер предосторожности и общей гигиены приводит к уничтожению кишечного сообщества, и что это нарушение может способствовать повышенному риску хронических заболеваний в промышленно развитых странах. «Эта комбинация западной диеты и истощенного микробиома, вероятно, привела к кипящему воспалительному состоянию», - говорит Зонненбург.

Несколько исследований выявили резкое различие между микробиотой городского населения и микробиотой коренного населения, ведущего традиционный аграрный образ жизни или образ жизни охотников-собирателей, который больше напоминает образ жизни наших ранних предков. Эти различия, по-видимому, связаны в основном с потерей бактериального разнообразия, что может быть связано с нехваткой клетчатки в западных диетах. По словам Зонненбурга, хадза, популяция охотников-собирателей, живущая в Танзании, съедает 100–150 граммов пищевых волокон в день - в десять раз больше, чем обычный человек в Соединенных Штатах.В результате бактерии, переваривающие клетчатку, такие как бактерии, принадлежащие к роду Prevotella , которые могут составлять до 60% микробиома кишечника в незападных популяциях, гораздо менее многочисленны в Соединенных Штатах. Команда Зонненбурга продемонстрировала, как эти изменения могут прочно закрепиться в популяции всего за несколько поколений 7 . Мыши, колонизировавшие человеческую микробиоту и получавшие диету с низким содержанием клетчатки, потеряли виды микробов, которые остались у мышей, питавшихся диетой с высоким содержанием клетчатки.Когда потомство мышей с низким содержанием клетчатки получали диету с высоким содержанием клетчатки, исчезновение видов было обратимым, но через четыре поколения отсутствующие бактерии исчезли навсегда.

Выращивание с собакой в ​​доме увеличивает разнообразие бактерий, которым дети подвергаются. Фото: Рэйчел Портер / Гетти

Кэтрин Амато, антрополог из Северо-Западного университета в Эванстоне, штат Иллинойс, пыталась добраться до эволюционных корней здорового человеческого микробиома, изучая нечеловеческих приматов и отслеживая последствия изменений в образе жизни и физиологии человека.В целом, говорит Амато, сходство в составе микробиома у видов приматов тесно связано с их эволюционным родством. Но в сравнительном анализе 2019 года Амато обнаружил, что компоненты микробиоты человека (в частности, микробы людей, живущих в неиндустриальных обществах) не соответствуют так близко, как ожидалось, с микробами наших ближайших родственников - человекообразных обезьян, шимпанзе и бонобо. 8 . Напротив, микробиота поразительно напоминала микробиоту бабуинов - более далекую родственницу, но ее образ жизни более похож на образ жизни первых людей.«Большинство человекообразных обезьян живут в тропических лесах и питаются фруктами, - говорит Амато, - но мы склонны думать, что наши предки жили в открытых лесах или в местах обитания саванн и питались всеядно, как бабуины». Это говорит о том, что факторы питания и окружающей среды сыграли заметную роль в формировании микробиома человека.

Лей считает, что микробиом предлагает мощный механизм для быстрой адаптации к изменениям образа жизни - по крайней мере, относительно нормального ледникового темпа эволюции.Действительно, ее группа обнаружила доказательства адаптации микробиома в ответ на эволюцию толерантности к лактозе 9 и переваривание продуктов с высоким содержанием крахмала - генетические адаптации, которые возникли только в определенных популяциях за последние 10 000 лет или около того. Но если изменения произойдут быстро, как продемонстрировала быстрая индустриализация, произошедшая за последние несколько столетий, исторически здоровые отношения между хозяином и микробиомом могут стать неадаптивными, поскольку виды, на которые организм мог полагаться, будут потеряны.«Антибиотики и санитария сыграли ключевую роль в борьбе с инфекционными заболеваниями, - говорит Домингес-Белло, - но имеют побочные, непредвиденные последствия - вред нашим здоровым микробам».

Видеть лес

Хотя исследователи стали лучше понимать, как выглядит микробиом кишечника человека, они все еще пытаются определить, какие компоненты необходимы для нашего благополучия. Одна из проблем заключается в том, что существует слишком мало наборов данных, чтобы исследователи могли провести статистически надежные связи между микробиомом и здоровьем или болезнью.Сигал проводит сравнение с геномом человека - только когда стало доступно много высококачественных последовательностей, он начал предлагать клиническую ценность. «Вероятно, около 30 миллионов человек секвенировали геном до сегодняшнего дня, в то время как в микробиоме имеется около 10 000 общедоступных образцов», - говорит он.

Эта проблема усугубляется географической предвзятостью данных микробиома. Помимо нескольких исследований отдельных групп, таких как хадза, большая часть данных поступает из США, Европы и Китая.«Мы очень мало знаем об изменениях микробиома в Африке, Юго-Восточной Азии и Южной Америке», - говорит Раес. Этот информационный пробел будет особенно важен для понимания масштабов предлагаемой проблемы «отсутствующих микробов» в промышленно развитых странах.

Более крупный и глобальный набор данных даст более информированную отправную точку для широкого понимания того, как может выглядеть нормальный микробиом у здорового человека, и, таким образом, упростит распознавание нарушений, связанных с заболеванием.Но исследователям также необходимо выйти за рамки исследований, которые просто оценивают корреляцию на основе наличия или отсутствия определенного микроба у здорового человека или человека с заболеванием в определенный момент времени.

В настоящее время проводится ряд многолетних лонгитюдных исследований, которые отслеживают как здоровье, так и состав микробиома многих людей в течение длительных периодов времени. Канадское исследование здорового детского продольного развития, например, наблюдает за более чем 3400 детьми в течение 5 лет с целью выявления факторов, которые способствуют возникновению таких состояний, как астма и аллергия.«Если мы увидим, что изменение микробиома предшествует клиническому изменению, то, возможно, мы сможем установить причинно-следственную связь», - говорит Сигал. Такие модели дадут клиницистам больше уверенности в потенциальной ценности диагностического результата или вмешательства и будут неоценимы для изучения вклада микробиома в хронические состояния, которые проявляются постепенно, такие как диабет.

Исследователи также уточняют свои бактериальные переписи. Ранние исследования микробиома были ограничены узким кругом кишечных видов, которых ученые могли выращивать в лаборатории.Но резкое падение стоимости секвенирования позволило сделать подробные снимки ДНК, выделенной из фекальных микробов. Теперь исследователи могут выйти за рамки видового уровня, чтобы идентифицировать штаммы бактерий и даже геномные варианты этих штаммов. Зонненбург, например, использует этот подход для поиска мутаций, которые могут повлиять на метаболическую активность или пищевые предпочтения различных кишечных микробов.

Однако многие микробы все еще проскальзывают через сеть. Стандартные методы анализа микробиома способствуют идентификации бактерий и не так хороши для идентификации других распространенных кишечных микроорганизмов.«Мы редко видим в наших данных сигнатуры грибов, но мы знаем, что они есть», - говорит Линч. «И мы знаем, что они вносят свой вклад в общее взаимодействие между микробиомом и хозяином». Альтернативные методы анализа микробиома предлагают обходной путь. Например, сбор и анализ РНК, а не ДНК, позволяет исследователям фиксировать изменения в экспрессии генов, которые могут выявить дисфункцию у якобы нормальных видов кишечника. «Прекрасно выглядящий микробиом может делать что-то нездоровое», - говорит Лей.Другие исследователи обращаются к метаболомным методам - ​​всестороннему химическому анализу различных биомолекул, образующихся в образце микробиома. Это позволяет исследователям подслушивать, как микробы общаются друг с другом и с клетками своего хозяина. «Эти молекулы - конечный продукт», - говорит Линч. «Вот где мясо пытается определить биомаркеры здорового микробиома». Ее лаборатория добилась значительных успехов в использовании таких подходов, включая поиск микробного липида, известного как 12,13-diHOME, который, по-видимому, является причиной воспаления у младенцев с высоким риском астмы 10 .

Такие данные могут дать наилучшее представление о том, насколько хорошо наша внутренняя экосистема процветает - по сути, обследование почвы, воды и листьев в лесу, а не просто подсчет деревьев. «Не будет« здорового микробиома », как и идеального генома», - говорит Сигал. «Может быть несколько исправных конфигураций». Эти профили микробной активности могут оказаться самым быстрым путем к проверке гипотез о функции и дисфункции микробиома и ускорить перевод открытий в клинические испытания.«Время наблюдения еще не подошло к концу, но я думаю, что действительно пора переходить к вмешательству», - говорит Раес. «Вы можете понять систему только в том случае, если хорошенько поработаете ее и посмотрите, что произойдет».

Микробиота кишечника в метаболическом здоровье и болезнях человека

  • 1.

    Линч, С. В. и Педерсен, О. Микробиом кишечника человека в здоровье и болезнях. N. Engl. J. Med. 375 , 2369–2379 (2016).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 2.

    Jaacks, L. M. et al. Переход ожирения: этапы глобальной эпидемии. Ланцет Диабет Эндокринол. 7 , 231–240 (2019).

    PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 3.

    Younossi, Z. M. et al. Глобальная эпидемиология неалкогольной жировой болезни печени - метааналитическая оценка распространенности, заболеваемости и исходов. Гепатология 64 , 73–84 (2016).

    PubMed Статья Google ученый

  • 4.

    Чжэн Ю., Лей, С. Х. и Ху, Ф. Б. Глобальная этиология и эпидемиология сахарного диабета 2 типа и его осложнений. Nat. Rev. Endocrinol. 14 , 88 (2018).

    PubMed Статья Google ученый

  • 5.

    Редди К. С. и Юсуф С. Возникающая эпидемия сердечно-сосудистых заболеваний в развивающихся странах. Тираж 97 , 596–601 (1998).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 6.

    Lakka, H.-M. и другие. Метаболический синдром, общая смертность и смертность от сердечно-сосудистых заболеваний у мужчин среднего возраста. JAMA 288 , 2709–2716 (2002).

    PubMed Статья Google ученый

  • 7.

    Мюллер О. и Кравинкель М.Недоедание и здоровье в развивающихся странах. CMAJ 173 , 279–286 (2005).

    PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 8.

    Qin, J. et al. Метагеномное ассоциативное исследование микробиоты кишечника при диабете 2 типа. Природа 490 , 55–60 (2012). Это первое исследование ассоциации на уровне всего метагенома, которое выявило связи между микробиомом кишечника и T2D .

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 9.

    Qin, N. et al. Изменения микробиома кишечника человека при циррозе печени. Природа 513 , 59–64 (2014).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 10.

    Koeth, R.A. et al. Метаболизм l-карнитина, питательного вещества в красном мясе, в кишечной микробиоте способствует развитию атеросклероза. Nat. Med. 19 , 576–585 (2013).

    CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 11.

    Allin, K.H. et al. Аберрантная кишечная микробиота у лиц с преддиабетом. Диабетология 61 , 810–820 (2018).

    PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 12.

    Бэкхед, Ф.и другие. Микробиота кишечника как фактор окружающей среды, регулирующий накопление жира. Proc. Natl Acad. Sci. США 101 , 15718–15723 (2004).

    PubMed Статья CAS Google ученый

  • 13.

    Qin, J. et al. Каталог микробных генов кишечника человека, созданный путем метагеномного секвенирования. Природа 464 , 59–65 (2010).

    CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 14.

    Pedersen, H. K. et al. Микробы кишечника человека влияют на метаболом сыворотки хозяина и чувствительность к инсулину. Природа 535 , 376–381 (2016). Это исследование определяет P. copri и B. vulgatus в качестве основных видов, определяющих связь между биосинтезом BCAA и резистентностью к инсулину в условиях высокого потребления жиров .

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 15.

    Pedersen, H. K. et al. Вычислительная структура для интеграции высокопроизводительных наборов данных «-omics» для выявления потенциальных механистических связей. Nat. Protoc. 13 , 2781 (2018).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 16.

    Korem, T. et al. Динамика роста кишечной микробиоты в условиях здоровья и болезней, полученная на основе единичных метагеномных образцов. Наука 349 , 1101–1106 (2015).

    CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 17.

    Zeevi, D. et al. Структурные вариации микробиома кишечника связаны со здоровьем хозяина. Природа 568 , 43–48 (2019).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 18.

    Huttenhower, C. et al. Структура, функции и разнообразие микробиома здорового человека. Природа 486 , 207–214 (2012).

    CAS Статья Google ученый

  • 19.

    Rothschild, D. et al. В формировании микробиоты кишечника человека окружающая среда доминирует над генетикой хозяина. Природа 555 , 210–215 (2018).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 20.

    Фалони, Г., Виейра-Силва, С. и Раес, Дж.Богатство и развитие экосистемы фекальных снимков кишечной микробиоты. Nat. Microbiol. 3 , 526–528 (2018).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 21.

    Jakobsson, H.E. et al. Снижение разнообразия кишечной микробиоты, задержка колонизации Bacteroidetes и снижение ответа Th2 у младенцев, рожденных с помощью кесарева сечения. Кишечник 63 , 559–566 (2014).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 22.

    Родригес, Дж. М. и др. Состав микробиоты кишечника на протяжении всей жизни с акцентом на молодость. Microb. Ecol. Health Dis. 26 , 26050 (2015).

    PubMed Google ученый

  • 23.

    Флинт, Х. Дж., Скотт, К. П., Луис, П. и Дункан, С. Х. Роль микробиоты кишечника в питании и здоровье. Nat. Преподобный Гастроэнтерол. Гепатол. 9 , 577–589 (2012).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 24.

    Шафкват А., Джойс Р., Симмонс С. Л. и Хаттенхауэр С. Функциональная и филогенетическая сборка микробных сообществ в микробиоме человека. Trends Microbiol. 22 , 261–266 (2014).

    CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 25.

    Clemente, J. C. et al. Микробиом индейцев, не вступавших в контакт. Sci. Adv. 1 , e1500183 (2015).

    PubMed PubMed Central Статья CAS Google ученый

  • 26.

    Smits, S.A. et al. Сезонная цикличность микробиома кишечника охотников-собирателей хадза в Танзании. Наука 357 , 802–806 (2017).

    CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 27.

    Тяхт А.В. и др. Структура сообществ кишечной микробиоты человека городского и сельского населения России. Nat. Commun. 4 , 1–9 (2013).

    Артикул CAS Google ученый

  • 28.

    Le Chatelier, E. et al. Богатство микробиома кишечника человека коррелирует с метаболическими маркерами. Природа 500 , 541–546 (2013). Эта работа показывает, что взрослые с низким содержанием бактериальных генов в микробиоме кишечника имеют инсулинорезистентность, провоспалительную дислипидемию и повышенное ожирение тела по сравнению с людьми с высоким содержанием бактериальных генов .

    PubMed Статья CAS Google ученый

  • 29.

    Кокс, Л. М. и Блазер, М. Дж. Антибиотики в раннем возрасте и ожирение. Nat. Rev. Endocrinol. 11 , 182–190 (2015).

    PubMed Статья Google ученый

  • 30.

    Ajslev, T., Andersen, C., Gamborg, M., Sørensen, T. & Jess, T. Детский избыточный вес после установления микробиоты кишечника: роль способа родов, вес до беременности и ранний прием антибиотиков. Внутр. Дж.Ожирение. 35 , 522 (2011).

    CAS Статья Google ученый

  • 31.

    Mor, A. et al. Пренатальное воздействие системных антибактериальных препаратов, избыточный вес и ожирение у датских школьников: исследование распространенности. Внутр. J. Obes. 39 , 1450 (2015).

    CAS Статья Google ученый

  • 32.

    Palleja, A. et al. Восстановление кишечной микробиоты здоровых взрослых после воздействия антибиотиков. Nat. Microbiol. 3 , 1255–1265 (2018).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 33.

    Thuny, F. et al. Лечение инфекционного эндокардита ванкомицином связано с недавно приобретенным ожирением. PLoS ONE 5 , e9074 (2010).

    PubMed PubMed Central Статья CAS Google ученый

  • 34.

    Mikkelsen, K. H. et al. Влияние антибиотиков на микробиоту кишечника, гормоны кишечника и метаболизм глюкозы. PLoS ONE 10 , e0142352 (2015).

    PubMed PubMed Central Статья CAS Google ученый

  • 35.

    Reijnders, D. et al. Влияние манипуляции кишечной микробиоты антибиотиками на метаболизм хозяина у людей с ожирением: рандомизированное двойное слепое плацебо-контролируемое исследование. Cell Metab. 24 , 63–74 (2016).

    CAS PubMed Статья PubMed Central Google ученый

  • 36.

    Fujisaka, S. et al. Воздействие антибиотиков на кишечную микробиоту и метаболизм зависит от хозяина. J. Clin. Инвестировать. 126 , 4430–4443 (2016).

    PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 37.

    Яцуненко Т. и др. Микробиом кишечника человека в зависимости от возраста и географии. Природа 486 , 222–227 (2012).

    CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 38.

    Cotillard, A. et al. Диетическое вмешательство влияет на богатство кишечных микробов. Природа 500 , 585–588 (2013).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 39.

    Всемирная организация здравоохранения. Ожирение: предотвращение глобальной эпидемии и борьба с ней (Всемирная организация здравоохранения, 2000 г.).

  • 40.

    McAllister, E.J. et al. Десять предполагаемых виновников эпидемии ожирения. Crit. Rev. Food Sci. Nutr. 49 , 868–913 (2009).

    PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 41.

    Turnbaugh, P.J. et al. Микробиом кишечника, связанный с ожирением, с повышенной способностью собирать энергию. Nature 444 , 1027–1031 (2006).

    PubMed Статья Google ученый

  • 42.

    Tims, S. et al. Сохранение микробиоты и сигнатуры ИМТ у взрослых монозиготных близнецов. ISME J. 7 , 707–717 (2013).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 43.

    Gophna, U., Konikoff, T. & Nielsen, H. B. Oscillospira и родственные бактерии - от метагеномных видов до метаболических особенностей. Environ. Microbiol. 19 , 835–841 (2017).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 44.

    Миллер, Т. Л., Волин, М., де Макарио, Э. К. и Макарио, А. Выделение Methanobrevibacter smithii из человеческих фекалий. Заявл. Environ. Microbiol. 43 , 227–232 (1982).

    CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 45.

    Liu, R. et al. Изменения кишечного микробиома и метаболома сыворотки при ожирении и после вмешательства по снижению веса. Nat. Med. 23 , 859–868 (2017). Это исследование связывает изменения кишечной микробиоты, циркулирующие аминокислоты и ожирение и предполагает, что возможный способ вмешательства в ожирение - это воздействовать на микробиоту кишечника .

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 46.

    Thingholm, L.B. et al. Лица с ожирением, страдающие диабетом 2 типа и без него, обладают разной микробной функциональной способностью и составом кишечника. Cell Host Microbe 26 , 252–264.e10 (2019).

    CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 47.

    Ridaura, V. K. et al. Микробиота кишечника близнецов, не согласных с ожирением, модулирует метаболизм у мышей. Наука 341 , 1241214 (2013). Это исследование показывает, что ожирение передается от человека к мыши в зависимости от диеты и связано с изменениями сывороточных уровней BCAA .

    PubMed Статья CAS Google ученый

  • 48.

    Vieira-Silva, S. et al. Терапия статинами связана с меньшей распространенностью дисбактериоза кишечной микробиоты. Природа 581 , 310–315 (2020). Это исследование показывает, что дисбиоз микробиоты, связанный с ожирением, отрицательно связан с лечением статинами, что указывает на статины в качестве возможной цели для разработки будущих стратегий на основе лекарственных препаратов для модуляции кишечной микробиоты .

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 49.

    Jensen, A. B. et al. Увеличение клинически зарегистрированного диабета 2 типа после колэктомии. eLife 7 , e37420 (2018).

    PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 50.

    Thaiss, C. A. et al. Гипергликемия вызывает дисфункцию кишечного барьера и риск кишечной инфекции. Наука 359 , 1376–1383 (2018).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 51.

    Ассоциация, А.Д. Диагностика и классификация сахарного диабета. Уход за диабетом 37 , S81 – S90 (2014).

    Артикул Google ученый

  • 52.

    Deshpande, A. D., Harris-Hayes, M. & Schootman, M. Эпидемиология диабета и связанных с ним осложнений. Phys. Ther. 88 , 1254–1264 (2008).

    PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 53.

    Граруп Н., Сандхольт К. Х., Хансен Т. и Педерсен О. Генетическая предрасположенность к диабету 2 типа и ожирению: от полногеномных исследований ассоциации до редких вариантов и не только. Диабетология 57 , 1528–1541 (2014).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 54.

    Касуга, М. Инсулинорезистентность и недостаточность β-клеток поджелудочной железы. J. Clin. Инвестировать. 116 , 1756–1760 (2006).

    CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 55.

    Борнфельд, К. Э. и Табас, И. Инсулинорезистентность, гипергликемия и атеросклероз. Cell Metab. 14 , 575–585 (2011).

    CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 56.

    Лааксо М. и Куусисто Дж. Инсулинорезистентность и гипергликемия в развитии сердечно-сосудистых заболеваний. Nat. Rev. Endocrinol. 10 , 293–302 (2014).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 57.

    Vila, A. V. et al. Влияние часто используемых лекарств на состав и метаболическую функцию микробиоты кишечника. Nat. Commun. 11 , 1–11 (2020).

    Google ученый

  • 58.

    Zhong, H. et al. Отчетливые признаки метагеномики и метапротеомики кишечника у предиабетиков и диабетиков 2 типа, ранее не получавших лечения. EBioMedicine 47 , 373–383 (2019).

    PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 59.

    Whiting, D. R., Guariguata, L., Weil, C. & Shaw, J. Атлас диабета IDF: глобальные оценки распространенности диабета на 2011 и 2030 годы. Diabetes Res. Clin.Практик. 94 , 311–321 (2011).

    PubMed Статья Google ученый

  • 60.

    Crusell, M. K. W. et al. Гестационный диабет связан с изменением состава микробиоты кишечника в третьем триместре беременности и в послеродовом периоде. Микробиом 6 , 89 (2018).

    PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 61.

    Karlsson, F.H. et al. Метагеном кишечника у европейских женщин с нормальным, нарушенным и диабетическим контролем уровня глюкозы. Природа 498 , 99–103 (2013).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 62.

    Forslund, K. et al. Выявление противоречий между диабетом 2 типа и метформином в микробиоте кишечника человека. Природа 528 , 262–266 (2015). В этой работе излагается парадигма, позволяющая отделить особенности микробиома болезни от вторичных изменений микробиома, вызванных лекарством .

    CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 63.

    Wu, H. et al. Метформин изменяет микробиом кишечника людей с диабетом 2 типа, не получавшим лечения, что способствует терапевтическому эффекту препарата. Nat. Med. 23 , 850–858 (2017).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 64.

    Брыруп Т.и другие. Метформин-индуцированные изменения микробиоты кишечника у здоровых молодых мужчин: результаты неслепого однорукого интервенционного исследования. Диабетология 62 , 1024–1035 (2019).

    CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 65.

    Sun, L. et al. Микробиота кишечника и кишечная FXR опосредуют клинические преимущества метформина. Nat. Med. 24 , 1919 (2018).

    CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 66.

    De La Cuesta-Zuluaga, J. et al. Метформин связан с более высоким относительным содержанием муцин-разлагающих Akkermansia muciniphila и нескольких микробиоты, продуцирующей короткоцепочечные жирные кислоты, в кишечнике. Уход за диабетом 40 , 54–62 (2017).

    PubMed Статья CAS Google ученый

  • 67.

    Adeshirlarijaney, A., Zou, J., Tran, H.Q., Chassaing, B. & Gewirtz, A.T. Улучшение метаболического синдрома с помощью метформина ассоциируется со снижением показателей воспаления слабой степени независимо от микробиоты кишечника. Am. J. Physiol. Эндокринол. Метаб. 317 , E1121 – E1130 (2019).

    CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 68.

    Pryor, R. et al. Скрининг «хозяин – микроб – лекарственное средство – нутриенты» позволяет выявить бактериальные эффекторы терапии метформином. Ячейка 178 , 1299–1312.e29 (2019).

    CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 69.

    Херрингтон, В., Лейси, Б., Шерликер, П., Армитидж, Дж. И Льюингтон, С. Эпидемиология атеросклероза и потенциал снижения глобального бремени атеротромботических заболеваний. Circ. Res. 118 , 535–546 (2016).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 70.

    Fan, Y. et al. Комплексная метаболомическая характеристика заболеваний коронарной артерии. J. Am. Coll. Кардиол. 68 , 1281–1293 (2016).

    PubMed Статья Google ученый

  • 71.

    Мичос, Э. Д., МакЭвой, Дж. У. и Блюменталь, Р. С. Управление липидами для профилактики атеросклеротических сердечно-сосудистых заболеваний. N. Engl. J. Med. 381 , 1557–1567 (2019).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 72.

    Ханссон, Г. К. Воспаление, атеросклероз и ишемическая болезнь сердца. N. Engl. J. Med. 352 , 1685–1695 (2005).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 73.

    Jie, Z. et al. Микробиом кишечника при атеросклеротическом сердечно-сосудистом заболевании. Nat. Commun. 8 , 845 (2017).

    PubMed PubMed Central Статья CAS Google ученый

  • 74.

    Sokol, H. et al. Faecalibacterium prausnitzii - это противовоспалительная комменсальная бактерия, идентифицированная анализом кишечной микробиоты пациентов с болезнью Крона. Proc. Natl Acad. Sci. США 105 , 16731–16736 (2008).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 75.

    Cui, X. et al. Метагеномный и метаболомный анализы выявляют дисбактериоз кишечной микробиоты у пациентов с хронической сердечной недостаточностью. Sci. Отчет 8 , 1–15 (2018).

    Артикул CAS Google ученый

  • 76.

    Wang, Z.и другие. Метаболизм фосфатидилхолина в кишечной флоре способствует развитию сердечно-сосудистых заболеваний. Природа 472 , 57–63 (2011). Эта работа обнаруживает связь между зависимым от кишечной микробиоты метаболизмом диетического фосфатидилхолина и патогенезом артериосклероза .

    CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 77.

    Zhu, W. et al. Метаболит кишечных микробов ТМАО увеличивает гиперреактивность тромбоцитов и риск тромбоза. Cell 165 , 111–124 (2016).

    CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 78.

    Wang, Z. et al. Несмертельное подавление продукции триметиламина кишечными микробами для лечения атеросклероза. Cell 163 , 1585–1595 (2015). Это исследование обнаруживает структурный аналог холина, который ингибирует микробные лиазы ТМА и производство ТМА кишечной микробиотой .

    CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 79.

    Haghikia, A. et al. Триметиламин N -оксид, зависимый от микробиоты кишечника, прогнозирует риск сердечно-сосудистых событий у пациентов с инсультом и связан с провоспалительными моноцитами. Arterioscl. Throm. Vas. Биол. 38 , 2225–2235 (2018).

    CAS Статья Google ученый

  • 80.

    Senthong, V. et al. Метаболит триметиламин- N -оксид, продуцируемый кишечной микробиотой, и 5-летний риск смерти при стабильной ишемической болезни сердца: вклад кишечной микробиоты в когорту пациентов, подобных COURAGE. J. Am. Сердце доц. 5 , e002816 (2016).

    PubMed PubMed Central Google ученый

  • 81.

    Collins, H. L. et al. Потребление l-карнитина и высокие уровни триметиламина N -оксида в плазме коррелируют с низкими поражениями аорты у трансгенных мышей ApoE - / - , экспрессирующих CETP. Атеросклероз 244 , 29–37 (2016).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 82.

    He, K. et al. Накопленные данные о потреблении рыбы и смертности от ишемической болезни сердца: метаанализ когортных исследований. Тираж 109 , 2705–2711 (2004).

    PubMed Статья Google ученый

  • 83.

    Koay, Y.C. et al. Уровни ТМАО в плазме могут быть увеличены с помощью «здоровой» и «нездоровой» диеты и коррелируют не со степенью атеросклероза, а с нестабильностью бляшек. Cardiovasc. Res. 8 , cvaa094 (2020).

    Артикул Google ученый

  • 84.

    Tang, W. W. et al. Кишечный микробный метаболизм фосфатидилхолина и сердечно-сосудистый риск. N. Engl. J. Med. 368 , 1575–1584 (2013).

    CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 85.

    Brunt, E. M. et al. Оценка активности неалкогольной жировой болезни печени (НАЖБП) и гистопатологический диагноз НАЖБП: различные клинико-патологические значения. Гепатология 53 , 810–820 (2011).

    CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 86.

    Jiang, W. et al. Дисбиоз кишечной микробиоты, связанный с воспалением и нарушением иммунной функции слизистых оболочек кишечника людей с неалкогольной жировой болезнью печени. Sci. Отчетность 5 , 8096 (2015).

    CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 87.

    Zhu, L. et al. Характеристика микробиомов кишечника у пациентов с неалкогольным стеатогепатитом (НАСГ): связь между эндогенным алкоголем и НАСГ. Гепатология 57 , 601–609 (2013).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 88.

    Del Chierico, F. et al. Профилирование кишечной микробиоты у детей с неалкогольной жировой болезнью печени и пациентов с ожирением, представленное с помощью комплексного подхода, основанного на метаомике. Гепатология 65 , 451–464 (2017).

    PubMed Статья CAS Google ученый

  • 89.

    Наир, С., Коуп, К., Теренс, Р. Х. и Дил, А. М. Ожирение и женский пол увеличивают концентрацию этанола в выдыхаемом воздухе: потенциальные последствия для патогенеза неалкогольного стеатогепатита. Am. J. Gastroenterol. 96 , 1200–1204 (2001).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 90.

    Рао Р., Сет А. и Шет П. Последние достижения в лечении алкогольной болезни печени I. Роль кишечной проницаемости и эндотоксемии в алкогольной болезни печени. Am. J. Physiol. Гастроинтест. Liver Physiol. 286 , G881 – G884 (2004).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 91.

    Xu, J. et al. Синергетический стеатогепатит, вызванный умеренным ожирением и употреблением алкоголя у мышей, несмотря на повышенный уровень адипонектина и p-AMPK. J. Hepatol. 55 , 673–682 (2011).

    CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 92.

    de Medeiros, I.C. & de Lima, J.G. Является ли неалкогольная жировая болезнь печени эндогенной алкогольной жировой болезнью печени? - Механистическая гипотеза. Med. Гипотезы 85 , 148–152 (2015).

    PubMed Статья CAS PubMed Central Google ученый

  • 93.

    Швенгер, К. Дж., Клермон-Дежан, Н. и Аллард, Дж. П. Роль кишечного микробиома в хроническом заболевании печени: пересмотр клинических данных. JHEP Rep. 1 , 214–226 (2019).

    PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 94.

    Le Roy, T. et al. Кишечная микробиота определяет развитие неалкогольной жировой болезни печени у мышей. Кишечник 62 , 1787–1794 (2013).

    PubMed Статья CAS PubMed Central Google ученый

  • 95.

    Yuan, J. et al. Жировая болезнь печени, вызванная высокопроизводительным алкоголем Klebsiella pneumoniae . Cell Metab. 30 , 675–688.e7 (2019).

    CAS PubMed Статья PubMed Central Google ученый

  • 96.

    Hoyles, L. et al. Молекулярные феномены и метагеномика стеатоза печени у недиабетических женщин с ожирением. Nat. Med. 24 , 1070–1080 (2018). Это исследование демонстрирует, что люди со стеатозом печени имеют низкое богатство микробных генов и повышенный генетический потенциал для обработки пищевых липидов и биосинтеза эндотоксинов, воспаления печени и нарушения регуляции метаболизма ароматических веществ и BCAA .

    CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 97.

    ЮНИСЕФ – ВОЗ – Группа Всемирного банка: Совместные оценки детского недоедания - уровни и тенденции недоедания среди детей: основные выводы издания 2015 года. Глобальная база данных о росте детей и недоедании (ВОЗ, 2015).

  • 98.

    Black, R.E. et al. Недоедание матери и ребенка: глобальные и региональные воздействия и последствия для здоровья. Ланцет 371 , 243–260 (2008).

    PubMed Статья Google ученый

  • 99.

    Миллион, М., Диалло, А. и Рауль, Д. Микробиота кишечника и недоедание. Microb. Патог. 106 , 127–138 (2017).

    PubMed Статья Google ученый

  • 100.

    Smith, M. I. et al. Микробиомы кишечника малавийских пар близнецов не соответствуют квашиоркору. Наука 339 , 548–554 (2013).

    CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 101.

    Lee, J.-H., Li, X. & O’Sullivan, D. J. Анализ транскрипции кластера генов лантибиотиков из Bifidobacterium longum DJO10A. Заявл. Environ. Microbiol. 77 , 5879–5887 (2011).

    CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 102.

    Mata, L.J. et al. Желудочно-кишечная флора детей с белково-калорийной недостаточностью. Am. J. Clin. Nutr. 25 , 1118–1126 (1972).

    Артикул Google ученый

  • 103.

    Kelly, D. et al. Комменсальные анаэробные кишечные бактерии ослабляют воспаление, регулируя ядерно-цитоплазматический перенос PPAR-γ и RelA. Nat. Иммунол. 5 , 104–112 (2004).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 104.

    Martens, J.-H., Barg, H., Warren, M. A. & Jahn, D. Микробное производство витамина B 12. Прил. Microbiol. Biotechnol. 58 , 275–285 (2002).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 105.

    Stecher, B. & Hardt, W.-D. Роль микробиоты в инфекционных заболеваниях. Trends Microbiol. 16 , 107–114 (2008).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 106.

    Gehrig, J. L. et al. Влияние продуктов, содержащих микробиоту, на животных-гнотобиотов и детей с недостаточным питанием. Наука 365 , eaau4732 (2019).

    PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 107.

    Jumpertz, R. et al. Исследования энергетического баланса показывают связь между кишечными микробами, калорийной нагрузкой и усвоением питательных веществ у людей. Am. J. Clin. Nutr. 94 , 58–65 (2011).

    CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 108.

    Lin, H. V. et al. Бутират и пропионат защищают от ожирения, вызванного диетой, и регулируют гормоны кишечника посредством независимых от рецептора 3 свободных жирных кислот механизмов. PLoS ONE 7 , e35240 (2012).

    CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 109.

    Xiong, Y. et al. Короткоцепочечные жирные кислоты стимулируют выработку лептина в адипоцитах через рецептор GPR41, связанный с G-белком. Proc. Natl Acad. Sci. США 101 , 1045–1050 (2004).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 110.

    Vinolo, M. A. R. et al. Трибутирин ослабляет воспаление, связанное с ожирением, и резистентность к инсулину у мышей, питающихся высоким содержанием жира. Am. J. Physiol. Эндокринол.Метаб. 303 , E272 – E282 (2012).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 111.

    Maslowski, K. M. et al. Регулирование воспалительных реакций кишечной микробиотой и рецептором хемоаттрактанта GPR43. Природа 461 , 1282–1286 (2009).

    CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 112.

    Macia, L. et al. Рецепторы GPR43 и GPR109A, воспринимающие метаболиты, способствуют гомеостазу кишечника, вызванному пищевым волокном, за счет регуляции инфламмасомы. Nat. Commun. 6 , 6734 (2015).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 113.

    Плужник, Дж. Л. Почечные и сердечно-сосудистые сенсорные рецепторы и регуляция артериального давления. Am. J. Physiol. Рен. Physiol. 305 , F439 – F444 (2013).

    CAS Статья Google ученый

  • 114.

    Byndloss, M. X. et al. Активируемая микробиотой передача сигналов PPAR-γ ингибирует распространение дисбиотических энтеробактерий. Наука 357 , 570–575 (2017).

    CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 115.

    Tang, T. W. et al. Утрата микробиоты кишечника изменяет состав иммунной системы и препятствует восстановлению сердца после инфаркта миокарда. Тираж 139 , 647–659 (2019).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 116.

    Chambers, E. S. et al. Влияние целевой доставки пропионата в толстую кишку человека на регуляцию аппетита, поддержание массы тела и ожирение у взрослых с избыточным весом. Кишечник 64 , 1744–1754 (2015).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 117.

    Sanna, S. et al. Причинно-следственные связи между микробиомом кишечника, короткоцепочечными жирными кислотами и метаболическими заболеваниями. Nat. Genet. 51 , 600 (2019). В этом исследовании представлены данные, свидетельствующие о причинном влиянии микробиома кишечника на метаболические признаки .

    CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 118.

    Tirosh, A. et al. Пропионат короткоцепочечных жирных кислот увеличивает выработку глюкагона и FABP4, нарушая действие инсулина у мышей и людей. Sci. Transl Med. 11 , eaav0120 (2019).

    PubMed Статья CAS Google ученый

  • 119.

    Bouter, K. et al. Дифференциальные метаболические эффекты перорального лечения бутиратом у пациентов с худым и метаболическим синдромом. Clin. Пер. Гастроэнтерол 9 , 155 (2018).

    Артикул CAS Google ученый

  • 120.

    Gao, X. et al. Ацетат действует как эпигенетический метаболит, способствуя синтезу липидов при гипоксии. Nat. Commun. 7 , 11960 (2016).

    CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 121.

    Perry, R.J. et al. Ацетат опосредует ось микробиом-мозг-β-клетки, способствуя метаболическому синдрому. Природа 534 , 213–217 (2016).

    CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 122.

    Фриланд, К. Р. и Волевер, Т. М. Острые эффекты ацетата для внутривенного и ректального введения на глюкагоноподобный пептид-1, пептид YY, грелин, адипонектин и фактор некроза опухоли-α. Br. J. Nutr. 103 , 460–466 (2010).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 123.

    Ридлон, Дж. М., Канг, Д.-Дж. & Hylemon, П. Б. Биотрансформации солей желчных кислот кишечными бактериями человека. J. Lipid Res. 47 , 241–259 (2006).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 124.

    Fiorucci, S., Mencarelli, A., Palladino, G. & Cipriani, S. Рецепторы, активируемые желчной кислотой: нацеливание на TGR5 и фарнезоид-X-рецептор при нарушениях липидов и глюкозы. Trends Pharmacol. Sci. 30 , 570–580 (2009).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 125.

    Prawitt, J. et al. Дефицит рецептора фарнезоида X улучшает гомеостаз глюкозы в моделях ожирения на мышах. Диабет 60 , 1861–1871 (2011).

    CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 126.

    Thomas, C. et al. TGR5-опосредованное восприятие желчных кислот контролирует гомеостаз глюкозы. Cell Metab. 10 , 167–177 (2009).

    CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 127.

    Makishima, M. et al. Идентификация ядерного рецептора желчных кислот. Наука 284 , 1362–1365 (1999).

    CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 128.

    Kawamata, Y. et al. Рецептор, связанный с G-белком, реагирующий на желчные кислоты. J. Biol. Chem. 278 , 9435–9440 (2003).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 129.

    Pathak, P. et al. Агонист кишечного фарнезоидного рецептора X и кишечная микробиота активируют передачу сигналов рецептора-1 желчной кислоты G-белка для улучшения метаболизма. Гепатология 68 , 1574–1588 (2018).

    CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 130.

    Модика, С., Гадалета, Р. М. и Москетта, А. Расшифровка парадигмы FXR ядерного рецептора желчных кислот. Nucl. Прием. Сигнал. https://doi.org/10.1621/nrs.08005 (2010).

    Артикул PubMed PubMed Central Google ученый

  • 131.

    Spinelli, V. et al. Влияние обходного желудочного анастомоза по Ру на профили желчных кислот в плазме: сравнительное исследование между крысами, свиньями и людьми. Внутр. J. Obes. 40 , 1260 (2016).

    CAS Статья Google ученый

  • 132.

    Kindel, T. L. et al. Повышенный уровень глицин-амидированной гиохолевой кислоты коррелирует с улучшением ранней потери веса после рукавной гастрэктомии. Surg. Endosc. 32 , 805–812 (2018).

    PubMed Статья Google ученый

  • 133.

    Канфора, Э. Э., Мекс, Р. К., Венема, К. и Блаак, Э. Э. Микробные метаболиты кишечника при ожирении, НАЖБП и СД 2 типа. Nat. Rev. Endocrinol. 15 , 261–273 (2019).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 134.

    Bansal, T., Alaniz, R.C., Wood, T.K. & Jayaraman, A. Бактериальный сигнальный индол увеличивает сопротивление плотных контактов эпителиальных клеток и ослабляет индикаторы воспаления. Proc. Natl Acad. Sci. США 107 , 228–233 (2010).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 135.

    Shimada, Y. et al. Производство индола, зависящее от комменсальных бактерий, усиливает барьерную функцию эпителия толстой кишки. PLoS ONE 8 , e80604 (2013).

    PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 136.

    Chimerel, C. et al. Бактериальный метаболит индол модулирует секрецию инкретина кишечными энтероэндокринными L-клетками. Cell Rep. 9 , 1202–1208 (2014).

    CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 137.

    De Mello, V. D. et al. Индолепропионовая кислота и новые липидные метаболиты связаны с более низким риском развития диабета 2 типа, согласно финскому исследованию профилактики диабета. Sci. Отчетность 7 , 46337 (2017). Это исследование показывает, что микробный индолпропионат и дополнительные метаболиты связаны с более низким риском развития T2D .

    PubMed PubMed Central Статья CAS Google ученый

  • 138.

    Wang, T. J. et al. Профили метаболитов и риск развития диабета. Nat. Med. 17 , 448 (2011).

    PubMed PubMed Central Статья CAS Google ученый

  • 139.

    Sun, H. et al. Катаболический дефект аминокислот с разветвленной цепью способствует сердечной недостаточности. Тираж 133 , 2038–2049 (2016).

    CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 140.

    Koh, A. et al. Полученный микробами имидазол пропионат нарушает передачу сигналов инсулина через mTORC1. Ячейка 175 , 947–961.e17 (2018). Это исследование демонстрирует, что имидазол пропионат вырабатывается из гистидина в имитаторе кишечника в более высоких концентрациях при использовании фекальной микробиоты субъектов с СД2, чем от лиц без СД2, и что он ухудшает толерантность к глюкозе при введении мышам .

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 141.

    Макдональд, М. Дж., Фахиен, Л. А., Мерц, Р. Дж. И Рана, Р. С. Влияние сложных эфиров янтарной кислоты и других промежуточных продуктов цикла лимонной кислоты на высвобождение инсулина и образование инозитолфосфата островками поджелудочной железы. Arch. Biochem. Биофиз. 269 , 400–406 (1989).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 142.

    Mills, E. L. et al. Накопление сукцината контролирует активацию термогенеза жировой ткани. Природа 560 , 102–106 (2018).

    CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 143.

    Tannahill, G. et al. Сукцинат представляет собой воспалительный сигнал, который индуцирует IL-1β через HIF-1α. Природа 496 , 238–242 (2013).

    CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 144.

    Suárez-Zamorano, N. et al. Истощение микробиоты способствует потемнению белой жировой ткани и снижает ожирение. Nat. Med. 21 , 1497 (2015).

    PubMed PubMed Central Статья CAS Google ученый

  • 145.

    Li, B. et al. Истощение микробиоты нарушает термогенез коричневой жировой ткани и потемнение белой жировой ткани. Cell Rep. 26 , 2720–2737.e5 (2019).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 146.

    Камио Ю. и Никайдо Х. Наружная мембрана Salmonella typhimurium : доступность головных групп фосфолипидов для фосфолипазы С и декстрана, активированного цианогенбромидом во внешней среде. Биохимия 15 , 2561–2570 (1976).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 147.

    Cani, P. D. et al. Метаболическая эндотоксемия вызывает ожирение и инсулинорезистентность. Диабет 56 , 1761–1772 (2007).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 148.

    Luck, H. et al. Связанные с кишечником иммунные клетки IgA + регулируют инсулинорезистентность, связанную с ожирением. Nat. Commun. 10 , 1–17 (2019).

    CAS Статья Google ученый

  • 149.

    Винер Д. А., Лак Х., Цай С. и Винер С. Иммунная система кишечника при ожирении и инсулинорезистентности. Cell Metab. 23 , 413–426 (2016).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 150.

    Breton, J. et al. Комменсальные белки кишечника E. coli активируют пути насыщения организма хозяином после индуцированного питательными веществами роста бактерий. Cell Metab. 23 , 324–334 (2016).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 151.

    Tennoune, N. et al. Бактериальный белок теплового шока ClpB, антиген-миметик анорексигенного пептида α-MSH, лежащий в основе расстройств пищевого поведения. Transl Psychiat. 4 , e458 – e458 (2014).

    CAS Статья Google ученый

  • 152.

    Breton, J. et al. Повышенные плазменные концентрации бактериального белка ClpB у пациентов с расстройствами пищевого поведения. Внутр. J. Eat. Disord. 49 , 805–808 (2016).

    PubMed Статья Google ученый

  • 153.

    Cohen, L.J. et al. Функциональное метагеномное открытие бактериальных эффекторов в микробиоме человека и выделение коммендамида, агониста GPCR G2A / 132. Proc. Natl Acad. Sci. США 112 , E4825 – E4834 (2015).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 154.

    Cohen, L.J. et al. Комменсальные бактерии вырабатывают лиганды GPCR, которые имитируют сигнальные молекулы человека. Природа 549 , 48 (2017).

    CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 155.

    Qiang, X. et al. Новый меланокортин-подобный пептид E. coli может подавлять воспаление через рецептор меланокортина-1 млекопитающих (MC1R): возможна эндокриноподобная функция микробов кишечника. NPJ Biofilms Microbiomes 3 , 31 (2017).

    PubMed PubMed Central Статья CAS Google ученый

  • 156.

    Элсден С. Р., Хилтон М. Г. и Уоллер Дж. М. Конечные продукты метаболизма ароматических аминокислот клостридиями. Arch. Microbiol. 107 , 283–288 (1976).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 157.

    Lin, C.-J., Wu, V., Wu, P.-C. И Ву, К.-Дж. Мета-анализ ассоциации p -крезилсульфата (PCS) и индоксилсульфата (IS) с сердечно-сосудистыми событиями и общей смертностью у пациентов с хронической почечной недостаточностью. PLoS ONE 10 , e0132589 (2015).

    PubMed PubMed Central Статья CAS Google ученый

  • 158.

    Krisko, T. I. et al. Диссоциация адаптивного термогенеза от гомеостаза глюкозы у мышей с дефицитом микробиома. Cell Metab. 31 , 592–604.e9 (2020).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 159.

    Vojinovic, D. et al. Взаимосвязь между микробиотой кишечника и циркулирующими метаболитами в популяционных когортах. Nat. Commun. 10 , 1–7 (2019).

    Артикул CAS Google ученый

  • 160.

    Вандепутте, Д.и другие. Количественное профилирование микробиома связывает изменчивость кишечного сообщества с микробной нагрузкой. Природа 551 , 507 (2017). Это исследование создает рабочий процесс для количественного профилирования микробиома фекального материала, показывающий, что количественное профилирование микробиома оказывает существенное влияние на анализ совместной встречаемости и характеристику нарушений микробиоты, связанных с заболеванием .

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 161.

    Zhou, W. et al. Лонгитюдная множественность динамики микробов и хозяев при предиабете. Природа 569 , 663–671 (2019).

    CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 162.

    Флинт, А., Рабен, А., Рефельд, Дж., Холст, Дж. И Аструп, А. Влияние глюкагоноподобного пептида-1 на расход энергии и метаболизм субстрата у людей. Внутр. J. Obes. 24 , 288 (2000).

    CAS Статья Google ученый

  • 163.

    Batterham, R. L. et al. Кишечный гормон PYY 3-36 физиологически подавляет прием пищи. Природа 418 , 650 (2002).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 164.

    Holz, I. V. IV, G. G., Kiihtreiber, W. M. & Habener, J. F. β-клетки поджелудочной железы становятся компетентными к глюкозе с помощью инсулинотропного гормона глюкагоноподобного пептида-1 (7–37). Nature 361 , 362 (1993).

    CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 165.

    Macfarlane, S. & Macfarlane, G. T. Состав и метаболическая активность бактериальных биопленок, колонизирующих пищевые остатки в кишечнике человека. Заявл. Environ. Microbiol. 72 , 6204–6211 (2006).

    CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 166.

    Roager, H. M. et al. Время прохождения через толстую кишку связано с метаболизмом бактерий и обновлением слизистой оболочки кишечника. Nat. Microbiol. 1 , 16093 (2016). Это исследование показывает, что время прохождения через толстую кишку является важным фактором, который необходимо учитывать в исследованиях микробиома и метаболомики .

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 167.

    Russell, W. R. et al. Основные производные фенилпропаноидов метаболиты в кишечнике человека могут возникать в результате микробной ферментации белка. Мол. Nutr. Food Res. 57 , 523–535 (2013).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 168.

    Flemer, B. et al. Микробиота полости рта при колоректальном раке является отличительной и прогностической. Кишечник 67 , 1454–1463 (2018).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 169.

    Plaza Oñate, F. et al. MSPminer: восстановление пангеномов микробов на основе метагеномных данных дробовика. Биоинформатика 35 , 1544–1552 (2018).

    PubMed Central Статья CAS PubMed Google ученый

  • 170.

    Truong, D. T., Tett, A., Pasolli, E., Huttenhower, C. & Segata, N. Структура популяции на уровне штаммов микробов и генетическое разнообразие из метагеномов. Genome Res. 27 , 626–638 (2017).

    CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 171.

    Золфо, М., Тетт, А., Юссон, О., Донати, С. и Сегата, Н. MetaMLST: мультилокусное типирование бактерий на уровне штаммов из метагеномных образцов. Nucleic Acids Res. 45 , e7 – e7 (2016).

    PubMed PubMed Central Статья CAS Google ученый

  • 172.

    Truong, D. T. et al. MetaPhlAn2 для расширенного метагеномного таксономического профилирования. Nat. Методы 12 , 902 (2015).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 173.

    Гринблюм, С., Карр, Р. и Боренштейн, Э. Обширные вариации числа копий на уровне штамма у разных видов кишечного микробиома человека. Cell 160 , 583–594 (2015).

    CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 174.

    Langfelder, P. & Horvath, S. WGCNA: пакет R для взвешенного корреляционного сетевого анализа. BMC Bioinforma. 9 , 559 (2008).

    Артикул CAS Google ученый

  • 175.

    Wikoff, W. R. et al. Диацетилспермин - это новый преддиагностический сывороточный биомаркер немелкоклеточного рака легкого, обладающий аддитивной эффективностью по отношению к про-поверхностно-активному белку B. J. Clin. Онкол. 33 , 3880 (2015).

    CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 176.

    де Хоффманн, Э. Тандемная масс-спектрометрия: праймер. J. Mass. Spectrom. 31 , 129–137 (1996).

    Артикул Google ученый

  • 177.

    Дония М.С. и Фишбах М.А. Малые молекулы микробиоты человека. Наука 349 , 1254766 (2015).

    PubMed PubMed Central Статья CAS Google ученый

  • 178.

    Cani, P. D. et al. Изменения микробиоты кишечника контролируют воспаление, вызванное метаболической эндотоксемией, при ожирении и диабете, вызванном диетой с высоким содержанием жиров. Диабет 57 , 1470–1481 (2008).

    CAS Статья Google ученый

  • 179.

    Wolters, M. et al. Диетический жир, микробиота кишечника и метаболическое здоровье - систематический обзор, проведенный в рамках проекта MyNewGut. Clin. Nutr. 38 , 2504–2520 (2018).

    PubMed Статья PubMed Central Google ученый

  • 180.

    Kjølbæk, L. et al. Влияние олигосахаридов арабиноксилана и полиненасыщенных жирных кислот на микробиоту кишечника и метаболические маркеры у лиц с избыточным весом с признаками метаболического синдрома: рандомизированное перекрестное исследование. Clin. Nutr. 39 , 67–79 (2019).

    PubMed Статья CAS Google ученый

  • 181.

    Dieterich, W. et al. Влияние диеты с низким содержанием FODMAP и безглютеновой диеты на активность заболевания и кишечную микробиоту у пациентов с нечувствительностью к глютену без глютена. Clin. Nutr. 38 , 697–707 (2019).

    PubMed Статья Google ученый

  • 182.

    Hansen, L. B. et al. Диета с низким содержанием глютена вызывает изменения в кишечном микробиоме здоровых взрослых датчан. Nat. Commun. 9 , 4630 (2018).

    PubMed PubMed Central Статья CAS Google ученый

  • 183.

    Роагер, Х.M. et al. Цельнозерновая диета снижает массу тела и снижает системное воспаление низкой степени, не вызывая серьезных изменений микробиома кишечника: рандомизированное перекрестное исследование. Кишечник 68 , 83–93 (2019).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 184.

    Сандерс, М. Э., Меренштейн, Д. Дж., Рид, Г., Гибсон, Г. Р. и Расталл, Р. А. Пробиотики и пребиотики при кишечном здоровье и болезнях: от биологии до клиники. Nat. Преподобный Гастроэнтерол. Гепатол. 16 , 605–616 (2019).

    PubMed Статья Google ученый

  • 185.

    Martín, R. et al. Функциональная характеристика новых штаммов Faecalibacterium prausnitzii , выделенных от здоровых добровольцев: шаг вперед в использовании F. prausnitzii в качестве пробиотика следующего поколения. Фронт. Microbiol. 8 , 1226 (2017).

    PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 186.

    Depommier, C. et al. Добавка Akkermansia muciniphila к людям-добровольцам с избыточным весом и ожирением: экспериментальное исследование, подтверждающее концепцию. Nat. Med. 25 , 1096–1103 (2019). Это экспериментальное исследование показывает, что добавление A. muciniphila улучшает некоторые дисметаболические свойства .

    CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 187.

    Кани, П. Д. и Ван Хул, М. Новые возможности пробиотиков следующего поколения для лечения метаболического синдрома. Curr. Opin. Biotechnol. 32 , 21–27 (2015).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 188.

    Kristensen, N. B. et al. Изменения в составе фекальной микробиоты при добавлении пробиотиков у здоровых взрослых: систематический обзор рандомизированных контролируемых исследований. Genome Med. 8 , 52 (2016).

    PubMed PubMed Central Статья CAS Google ученый

  • 189.

    Zmora, N. et al. Персонализированная устойчивость к колонизации слизистой оболочки кишечника эмпирическими пробиотиками связана с уникальными особенностями хозяина и микробиома. Ячейка 174 , 1388–1405.e21 (2018).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 190.

    Suez, J. et al. Восстановление микробиома слизистой оболочки кишечника после приема антибиотиков нарушается пробиотиками и улучшается с помощью аутологичного FMT. Ячейка 174 , 1406–1423.e16 (2018).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 191.

    Everard, A. et al. Ответы микробиоты кишечника и метаболизма глюкозы и липидов на пребиотики у мышей с генетическим ожирением и резистентностью к лептину, вызванной диетой. Диабет 60 , 2775–2786 (2011).

    CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 192.

    Dewulf, E. M. et al. Понимание концепции пребиотиков: уроки двойного слепого исследовательского исследования фруктанов инулиноподобного типа у женщин с ожирением. Кишечник 62 , 1112–1121 (2013).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 193.

    Николуччи, А.C. et al. Пребиотики уменьшают жировые отложения и изменяют микробиоту кишечника у детей с избыточным весом или ожирением. Гастроэнтерология 153 , 711–722 (2017).

    PubMed Статья Google ученый

  • 194.

    Tsilingiri, K. et al. Пробиотическая и постбиотическая активность при здоровье и болезни: сравнение на новой поляризованной модели органной культуры ex vivo. Кишечник 61 , 1007–1015 (2012).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 195.

    Plovier, H. et al. Очищенный мембранный белок из Akkermansia muciniphila или пастеризованной бактерии улучшает метаболизм у мышей с ожирением и диабетом. Nat. Med. 23 , 107 (2017).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 196.

    Van Nood, E. et al. Дуоденальная инфузия донорских фекалий при рецидиве Clostridium difficile . N. Engl. J. Med. 368 , 407–415 (2013).

    PubMed Статья CAS Google ученый

  • 197.

    Kootte, R. S. et al. Повышение чувствительности к инсулину после постного донорского фекалий при метаболическом синдроме обусловлено исходным составом кишечной микробиоты. Cell Metab. 26 , 611–619.e6 (2017).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 198.

    Дуань, Ф. Ф., Лю, Дж.Х. и Марч, Дж. С. Разработали комменсальные бактерии, перепрограммирующие кишечные клетки в инсулин-секретирующие клетки, чувствительные к глюкозе, для лечения диабета. Диабет 64 , 1794–1803 (2015).

    CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 199.

    Górski, A. et al. Перспективы фаготерапии при небактериальных инфекциях. Фронт. Microbiol. https://doi.org/10.3389/fmicb.2018.03306 (2018).

    Артикул PubMed PubMed Central Google ученый

  • 200.

    Рамачандран, Г. и Бикард, Д. Редактирование микробиома методом CRISPR. Philos. Пер. R. Soc. Лондон. B Biol. Sci. 374 , 20180103 (2019).

    CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • Почему здоровье человека находится в руках бактерий

    Вначале существовали одноклеточные бактерии.Они были единственной жизнью на Земле в течение миллиардов лет, затем появились более крупные клетки, затем многоклеточные организмы, а затем растения и животные. Но бактерии никуда не делись, и всем организмам, включая людей, пришлось научиться жить с ними. Сегодня уроки, которые они преподают нам, могут изменить траекторию здоровья человека на несколько поколений.

    Когда более трех столетий назад были впервые обнаружены бактерии, наибольшее внимание было уделено тем, с которыми мы боролись, которые вызывают такие болезни, как холера, брюшной тиф и туберкулез.Благодаря вакцинам и антибиотикам мы добились поразительных успехов в борьбе с этими бедствиями. Теперь, благодаря комбинированным инструментам секвенирования ДНК и компьютерного анализа, мы имеем первое приближение к бесчисленному количеству других бактерий, с которыми мы ежедневно сотрудничаем.

    Наш микробиом - это разнообразный набор микробов, бактерий, а также вирусов, грибов и простейших, которые более или менее уникальны для каждого из нас.Теперь мы понимаем, что многие из них унаследованы, в основном от мамы, и это представляет собой непрерывность жизни, уходящую в прошлое. Мы знаем, что микробиомы людей, живущих в лесах и саваннах, которые имели мало преимуществ современной медицины, имеют гораздо более разнообразную микробиоту, чем в промышленно развитых странах. Эти сравнения убедительно свидетельствуют о том, что по мере модернизации мира мы утратили большую часть нашего микробного наследия.

    Появляется все больше свидетельств того, что эти изменения связаны с ростом современных заболеваний, таких как ожирение, диабет, астма, пищевая аллергия и воспалительные заболевания кишечника и мозга.Тот же прогресс, который сделал нас в некотором роде здоровее, оказал непреднамеренное побочное воздействие на наш древний микробиом, поставив его под сильный стресс. Эти достижения включают, среди прочего, пищевые консерванты и, самое главное, то самое средство, которое мы давно используем для борьбы с болезнетворными бактериями: антибиотики.

    Как общество, мы пристрастились к антибиотикам. Это прекрасные лекарства от серьезных заболеваний, но их все чаще и чаще используют для лечения все более легких состояний, при которых их чистый положительный эффект незначителен.Даже временное воздействие антибиотиков, особенно в раннем возрасте, может привести к долгосрочным последствиям, таким как ожирение или, как это ни парадоксально, к повышенному риску инфицирования в последующие месяцы. Воздействие на женщин до рождения их детей может привести к последствиям в следующем поколении, а воздействие на взрослых может повысить риск диабета, камней в почках и некоторых видов рака. Мы явно должны восстановить наши утраченные микробы.

    Тем временем я и мои коллеги работали над созданием хранилища микробиоты, где мы сможем сохранить наших предков микробов для будущих поколений, прежде чем многие другие важные из них вымрут.К счастью, то, что мы узнали о микробиоме за последние годы, может помочь нам в более тесном сотрудничестве с бактериями. Например, в не столь отдаленном будущем педиатры могут исследовать как младенцев, так и их подгузники, чтобы определить, имеет ли этот младенец идеальную микробиоту, основываясь на их генах и других маркерах. В противном случае они смогут управлять «недостающими микробами», чтобы оптимизировать траекторию здоровья ребенка.

    Чтобы полностью использовать микробиом для терапии с истинной научной базой, потребуется время; Тем временем нам нужно научить людей избегать современных «змеиных масел», начиная от так называемых пробиотиков и заканчивая картированием микробиома, которое на самом деле ни о чем вам не говорит.

    Представьте, что сейчас 1950 год, и кто-то говорит вам: «Есть новая область, которая изменит то, как мы делаем вещи, как мы живем… и название области -« электроника »». Сегодня мы видим, как Широкие последствия этого были, затрагивая практически все аспекты современной жизни. Вот как, я полагаю, мы будем думать о микробиоме через несколько лет; он такой большой - может быть, даже больше - с потенциалом для реального улучшения нашего здоровья.

    Блазер - профессор Университета Рутгерса и директор его Центра передовых биотехнологий и медицины

    Это опубликовано в выпуске TIME от 4 ноября 2019 года.

    Получите наш информационный бюллетень о здоровье. Подпишитесь, чтобы получать последние новости о здоровье и науке, а также ответы на вопросы о здоровье и советы экспертов.

    Спасибо!

    В целях вашей безопасности мы отправили письмо с подтверждением на указанный вами адрес.Щелкните ссылку, чтобы подтвердить подписку и начать получать наши информационные бюллетени. Если вы не получите подтверждение в течение 10 минут, проверьте папку со спамом.

    Свяжитесь с нами по письму@time.com.

    Бактерии


    Бактерии как союзники

    Мы узнаем все больше и больше о преимуществах бактерий. Конечно, с помощью грибов бактерии играют жизненно важную роль в разрушении и переработке мертвых организмов.Здоровые внутренние ткани (например, кровь, мозг, мышцы и т. Д.) Не содержат микроорганизмов, но кожа и слизистые оболочки в нашем желудочно-кишечном тракте, наших дыхательных путях и мочеполовых путях контактируют с организмами в окружающей среде, и эти поверхности становятся колонизированными многими из этих видов бактерий. Эти бактерии, которые регулярно встречаются на данном участке, называются «нормальной флорой». Нормальная флора человека состоит из более чем 200 видов бактерий. Их состав зависит от возраста, пола, стресса, питания и т. Д.В таблице ниже представлен частичный список некоторых наиболее распространенных бактерий, которые регулярно встречаются у людей и на них. Число плюсов указывает на их относительное обилие. +/- указывает на то, что вид может присутствовать, а может и не присутствовать.

    Источник: http://www.google.com/patents/WO2008049231A1?cl=en

    Эта нормальная флора дает нам множество преимуществ, в том числе:

    • Они предотвращают колонизацию болезнетворными микроорганизмами, конкурируя за прикрепление и питательные вещества.
    • Некоторые из них синтезируют витамины, которые усваиваются хозяином в виде питательных веществ (например,грамм. K & B12).
    • Некоторые производят вещества, подавляющие патогенные виды.
    • Они стимулируют развитие определенных тканей, например толстая кишка и лимфатические ткани желудочно-кишечного тракта.
    • Они стимулируют выработку перекрестно-реактивных антител. Поскольку нормальная флора ведет себя как антигены у животного, она индуцирует низкие уровни антител, которые перекрестно реагируют с аналогичными антигенами на патогены, предотвращая инфекцию или инвазию

    Некоторые данные свидетельствуют о том, что ненадлежащее использование антибиотиков и предотвращение микробов путем дезинфекции самих себя и окружающей среды могут иметь неблагоприятные последствия для здоровья.Фактически, есть данные, позволяющие предположить, что чрезмерная дезинфекция у детей может увеличить риск аутоиммунных заболеваний, ожирения и астмы. Вот несколько интересных ссылок, которые дают некоторое представление об этой идее.

    Блог NPR

    Этот сайт дает прекрасное представление о многих преимуществах бактерий. Есть 8-минутный аудиофайл, который транслировался по NPR, и есть много других интересных ссылок.

    http://www.npr.org/blogs/health/2013/07/22/203659797/staying-healthy-may-mean-learning-to-love-our-microbiomes

    Кишечные бактерии могут влиять на наш мозг

    Льюис Томас

    Отрывок из книги Льюиса Томаса: «Жизнь клетки - заметки наблюдателя за биологией»."Bantam Books, 1974. стр.88-89." Микробы "

    Младенцы знают: немного грязи полезно

    Из The New York Times: Личное здоровье: Джейн Э. Броуди, дата публикации: 26 января 2009 г.

    Джонатан Эйзен: Знакомьтесь со своими микробами

    Это выступление TED, в котором микробиолог Джонатан Эйзен обсуждает преимущества микробов и представляет некоторые идеи о том, как мы можем использовать микробы для улучшения здоровья человека. (14:23)

    Экология болезней

    Экология болезней - это статья Джима Роббинса из New York Times.Роббинс говорит:

    «Если мы не сможем понять и позаботиться о мире природы, это может вызвать сбой в этих системах и вернуться, чтобы преследовать нас способами, о которых мы мало знаем. Важным примером является развивающаяся модель инфекционного заболевания, которая показывает, что большинство эпидемии - СПИД, лихорадка Эбола, Западный Нил, атипичная пневмония, болезнь Лайма и сотни других, которые произошли за последние несколько десятилетий - не случаются просто так. Они являются результатом того, что люди делают с природой.

    Оказывается, болезнь - это во многом экологическая проблема.Шестьдесят процентов возникающих инфекционных заболеваний, поражающих людей, носят зоонозный характер - они происходят от животных. Причем более двух третей из них происходят из дикой природы ».

    Грязь в нашем рационе

    Это статья из New York Times от 20 июня 2012 года.

    Настой фекалий для лечения чрезмерной инфекции C. difficile

    (отчет в Медицинском журнале Новой Англии, 16 января 2013 г.

    вернуться наверх | предыдущая страница | следующая страница

    бактерий в легких: новое исследование микробиома легких показывает, как они попадают туда

    Они преодолели огромное расстояние, избежали защитного барьера и оказались в чужой и неприятной стране.

    ПОДРОБНЕЕ В ЛАБОРАТОРИИ: Подпишитесь на нашу еженедельную рассылку новостей

    Они могут быть связаны с опасными заболеваниями и постоянно находятся под угрозой изгнания из своего приемного дома. Их вклад в развитие сообщества только начинает пониматься. И с каждым днем ​​их становится все больше.

    Это бактерии, обитающие в легких человека.

    Новое исследование точно указывает, как они туда попадают, и открывает дверь для дополнительной работы над тем, что происходит с ними - и нашим телом - в результате.

    В журнале mBio исследователи из Медицинской школы Мичиганского университета и VA Ann Arbor Healthcare System предлагают основанные на микробиоме доказательства того, что большинство бактерий в легких здоровых людей попали туда посредством микроаспирации.

    Другими словами, они проникают через крошечные капельки слюны, которые попадают из наполненного микробами рта в легкие. Это означает, что они избежали подвижного тканевого барьера, называемого надгортанником, который предотвращает попадание большей части слюны в нижние дыхательные пути.

    Изучая ДНК этих бактерий в легких здоровых добровольцев, исследователи подтвердили, что популяция микробов в легких очень похожа на популяцию, обитающую во рту. Изучая распределение микробов в дыхательных путях, исследователи могли определить наиболее вероятный путь проникновения.

    Они обнаружили, что многие из микробов-иммигрантов поселяются рядом с главным килем, местом на конце трахеи, где дыхательные пути разветвляются к левому и правому легким.Это место в легких представляет собой «посадочную площадку», где из-за силы тяжести и нашего вертикального положения аспирированная слюна может столкнуться с дыхательными путями. Но некоторым бактериям удается проникнуть в самые глубокие уголки легочной системы и поселиться в крошечных воздушных мешочках, называемых альвеолами.

    Куда бы ни приземлялись бактерии, исследователи обнаружили, что они присоединяются к сообществу, состоящему в основном из других недавних иммигрантов. Считается, что немногие микробы являются постоянными жителями здоровых легких. В отличие от кишечника, здоровые легкие представляют собой неблагоприятную среду для бактерий, в них мало питания и постоянный контроль со стороны иммунной системы.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *