Микробиота кишечника - Gut microbiota

Escherichia coli , один из многих видов бактерий, присутствующих в кишечнике человека.

Микробиота кишечника - это микроорганизмы, включая бактерии , археи и микроскопические эукариоты, которые живут в пищеварительном тракте людей и других животных, включая насекомых . Альтернативные термины включают флору кишечника (устаревший термин, который технически относится к растениям) и микробиом . Метагеном желудочно-кишечного тракта (иногда называемый микробиомом ) представляет собой совокупность всех геномов кишечной микробиоты . Кишечник - основное место обитания микробиоты человека . Микробиота кишечника оказывает широкое влияние, включая влияние на устойчивость к колонизации болезнетворными микроорганизмами , поддержание кишечного эпителия , метаболизм пищевых и фармацевтических соединений, контроль иммунной функции и даже поведение через ось кишечник-мозг .

Микробный состав микробиоты кишечника варьируется в разных частях пищеварительного тракта. Толстой кишки содержит самую высокую плотность микробной , записанная в любой среде обитания на Земле, что составляет от 300 до 1000 различных видов . Однако 99% кишечных бактерий происходят от 30-40 видов. Бактерии также составляют до 60% сухой массы кала . Более 99% бактерий в кишечнике являются анаэробами , но в слепом , аэробные бактерии достигают высокую плотность. Подсчитано, что эта кишечная флора имеет в общей сложности примерно в сто раз больше генов, чем в геноме человека.

Обзор

У людей кишечная микробиота насчитывает наибольшее количество бактерий и наибольшее количество видов по сравнению с другими частями тела. У людей кишечная флора устанавливается через один-два года после рождения, и к этому времени кишечный эпителий и слизистая оболочка кишечника, которую он выделяет, совместно развиваются таким образом, что они становятся толерантными к кишечной флоре и даже поддерживают ее. и это также создает барьер для патогенных организмов.

Отношения между некоторой кишечной флорой и людьми не просто комменсальные (безвредное сосуществование), а скорее мутуалистические отношения. Некоторые кишечные микроорганизмы человека приносят пользу хозяину, ферментируя пищевые волокна до короткоцепочечных жирных кислот (SCFA), таких как уксусная кислота и масляная кислота , которые затем абсорбируются хозяином. Кишечные бактерии также играют роль в синтезе витаминов B и K, а также в метаболизме желчных кислот , стеринов и ксенобиотиков . Системная важность SCFAs и других соединений, которые они производят, подобны гормонам, а сама кишечная флора, по-видимому, функционирует как эндокринный орган , а нарушение регуляции кишечной флоры коррелирует с множеством воспалительных и аутоиммунных состояний.

Состав микробиоты кишечника человека меняется со временем, при изменении диеты и общего состояния здоровья. Систематический обзор с 2016 года были рассмотрены доклинических и малые испытания на людях , которые были проведены с некоторыми коммерчески доступных штаммов пробиотических бактерий и идентифицированные те , которые имели наибольший потенциал , чтобы быть полезным для некоторых расстройств центральной нервной системы .

Классификации

Микробный состав микробиоты кишечника варьируется в разных частях пищеварительного тракта. В желудке и тонком кишечнике обычно присутствует относительно небольшое количество видов бактерий. В толстой кишке , напротив, самая высокая плотность микробов, зафиксированная в любой среде обитания на Земле: до 10 12 клеток на грамм содержимого кишечника. Эти бактерии представляют от 300 до 1000 различных видов . Однако 99% бактерий происходят от 30-40 видов. Вследствие их обилия в кишечнике бактерии также составляют до 60% сухой массы фекалий . Грибы , протисты , археи и вирусы также присутствуют во флоре кишечника, но об их деятельности известно меньше.

Более 99% бактерий в кишечнике являются анаэробами , но в слепом , аэробные бактерии достигают высокую плотность. Подсчитано, что эта кишечная флора имеет в общей сложности примерно в сто раз больше генов, чем в геноме человека .

Candida albicans , диморфный гриб, который развивается как дрожжи в кишечнике.

Многие виды в кишечнике не изучались за пределами их хозяев, потому что большинство из них невозможно культивировать. Хотя существует небольшое количество основных видов микробов, общих для большинства людей, популяции микробов могут широко варьироваться у разных людей. У человека популяции микробов остаются довольно постоянными с течением времени, даже если некоторые изменения могут произойти с изменениями образа жизни, диеты и возраста. Цель проекта «Микробиом человека» - лучше описать микрофлору кишечника человека и других участков тела.

Четыре доминантных бактериальные фил в кишечнике человека являются Firmicutes , Bacteroidetes , Actinobacteria и Proteobacteria . Большинство бактерий принадлежат к родам Bacteroides , Clostridium , Faecalibacterium , Eubacterium , Ruminococcus , Peptococcus , Peptostreptococcus и Bifidobacterium . Другие роды, такие как Escherichia и Lactobacillus , присутствуют в меньшей степени. Только виды рода Bacteroides составляют около 30% всех бактерий в кишечнике, что позволяет предположить, что этот род особенно важен для функционирования хозяина.

Роды грибов, обнаруженные в кишечнике, включают Candida , Saccharomyces , Aspergillus , Penicillium , Rhodotorula , Trametes , Pleospora , Sclerotinia , Bullera и Galactomyces и другие. Родоторула чаще всего встречается у людей с воспалительным заболеванием кишечника, в то время как Candida чаще всего обнаруживается у людей с циррозом гепатита B и хроническим гепатитом B.

Археи составляют еще один большой класс кишечной флоры, которая играет важную роль в метаболизме бактериальных продуктов ферментации.

Индустрализация связана с изменениями в микробиоте, а сокращение разнообразия может привести к исчезновению некоторых видов; в 2018 году исследователи предложили биобанк хранилища микробиоты человека.

Энтеротип

Enterotype является классификация живых организмов на основе его бактериологических экосистемы в человеческом кишечнике микробиомом не продиктована возраста, пола, массы тела, или национальных подразделений. Есть признаки того, что длительная диета влияет на энтеротип. Было предложено три человеческих энтеротипа, но их ценность подвергалась сомнению.

Состав

Бактериом

Желудок

Из-за высокой кислотности желудка большинство микроорганизмов не могут там выжить. К основным бактериальным обитателям желудка относятся: стрептококки , стафилококки , лактобациллы , пептострептококки . Helicobacter pylori - это грамотрицательная спиральная бактерия, которая закрепляется на слизистой оболочке желудка, вызывая хронический гастрит и язвенную болезнь , и является канцерогеном при раке желудка .

Кишечник

Бактерии, обычно встречающиеся в толстой кишке человека
Бактерия Заболеваемость (%)
Bacteroides fragilis 100
Bacteroides melaninogenicus 100
Bacteroides oralis 100
Enterococcus faecalis 100
кишечная палочка 100
Enterobacter sp. 40–80
Klebsiella sp. 40–80
Бифидобактерии бифидум 30–70
Золотистый стафилококк 30–50
Лактобациллы 20–60
Clostridium perfringens 25–35
Протей мирабилис 5–55
Clostridium tetani 1–35
Clostridium septicum 5–25
Синегнойная палочка 3–11
Сальмонелла энтерика 3–7
Faecalibacterium prausnitzii ?общий
Peptostreptococcus sp. ?общий
Peptococcus sp. ?общий

Тонкий кишечник содержит незначительное количество микроорганизмов из-за близости и влияния желудка. Грамположительные кокки и палочковидные бактерии являются преобладающими микроорганизмами в тонком кишечнике. Однако в дистальной части тонкого кишечника в щелочных условиях поддерживаются грамотрицательные бактерии Enterobacteriaceae . Бактериальная флора тонкого кишечника способствует широкому спектру функций кишечника. Бактериальная флора обеспечивает регулирующие сигналы, которые позволяют развитию и полезности кишечника. Чрезмерный рост бактерий в тонком кишечнике может привести к кишечной недостаточности. Вдобавок толстая кишка содержит крупнейшую бактериальную экосистему в организме человека. Около 99% флоры толстого кишечника и кала состоят из облигатных анаэробов, таких как Bacteroides и Bifidobacterium. Факторы, нарушающие популяцию микроорганизмов в толстой кишке, включают антибиотики, стресс и паразитов.

Бактерии составляют большую часть флоры толстой кишки и 60% сухой массы фекалий . Этот факт делает фекалии идеальным источником кишечной флоры для любых тестов и экспериментов за счет извлечения нуклеиновой кислоты из образцов фекалий, а последовательности бактериального гена 16S рРНК генерируются с помощью бактериальных праймеров. Эта форма тестирования также часто предпочтительнее более инвазивных методов, таких как биопсия.

Пять филюмы доминируют кишечные микробиоты: Bacteroidetes , Firmicutes , актинобактерия , протеобактерия и verrucomicrobia -са Bacteroidetes и Firmicutes , составляющие 90% от композиции. В кишечнике обитает от 300 до 1000 различных видов , по большинству оценок около 500. Однако вполне вероятно, что 99% бактерий происходят от примерно 30 или 40 видов, из которых наиболее распространенными видами являются Faecalibacterium prausnitzii (phylum firmicutes). у здоровых взрослых.

Исследования показывают , что отношения между кишечной флорой и человеком не просто синантропное (а не безвредно сосуществованием), а скорее мутуалистическими , симбиотическими отношения. Хотя люди могут выжить без кишечной флоры, микроорганизмы выполняют множество полезных функций, таких как ферментация неиспользованных энергетических субстратов, тренировка иммунной системы с помощью конечных продуктов метаболизма, таких как пропионат и ацетат , предотвращение роста вредных видов, регулирование развития кишечник, вырабатывающий витамины для хозяина (такие как биотин и витамин К ) и вырабатывающий гормоны, которые заставляют хозяина накапливать жиры. Обширные модификации и дисбаланс микробиоты кишечника и его микробиома или коллекции генов связаны с ожирением. Однако в определенных условиях считается, что некоторые виды способны вызывать заболевание , вызывая инфекцию или увеличивая риск рака для хозяина.

Микобиом

Грибы и простейшие также составляют часть кишечной флоры, но об их деятельности известно меньше.

Виром

Человек virome в основном бактериофаги .

Вариация

Возраст

Было продемонстрировано, что существуют общие закономерности эволюции состава микробиома в течение жизни. В целом, разнообразие микробиотического состава образцов кала у взрослых значительно выше, чем у детей, хотя межличностные различия у детей выше, чем у взрослых. Большая часть созревания микробиоты до взрослой конфигурации происходит в течение трех первых лет жизни.

По мере изменения состава микробиома меняется и состав бактериальных белков, вырабатываемых в кишечнике. Во взрослых микробиомах обнаружена высокая распространенность ферментов, участвующих в ферментации, метаногенезе и метаболизме аргинина, глутамата, аспартата и лизина. Напротив, в микробиомах младенцев доминирующие ферменты участвуют в метаболизме цистеина и путях ферментации.

Диета

Исследования и статистический анализ выявили различные роды бактерий в микробиоте кишечника и их связи с потреблением питательных веществ. Микрофлора кишечника в основном состоит из трех энтеротипов : Prevotella , Bacteroides и Ruminococcus . Существует связь между концентрацией каждого микробного сообщества и диетой. Например, Prevotella связана с углеводами и простыми сахарами, а Bacteroides связана с белками, аминокислотами и насыщенными жирами. Специализированные микробы, расщепляющие муцин, выживают за счет выделения углеводов хозяином. В зависимости от диеты будет преобладать один энтеротип. Изменение рациона приведет к соответствующему изменению количества видов. Исследование 2021 года показывает, что диета и физические упражнения в детстве могут существенно повлиять на состав и разнообразие микробиома взрослого человека. Авторы показывают, что мыши на диете с высоким содержанием жиров в молодом возрасте имеют более низкое бактериальное разнообразие во взрослом возрасте после периода вымывания, эквивалентного шести человеческим годам.

Вегетарианские и веганские диеты

В то время как растительные диеты имеют некоторые вариации, наиболее распространены вегетарианские и веганские диеты. Вегетарианские диеты исключают мясные продукты (в том числе рыбу), но по-прежнему разрешают употребление яиц и молочных продуктов, в то время как веганские диеты исключают все формы продуктов животного происхождения. Диеты вегетарианцев и веганов создают микробиом, отличный от мясоедов, однако между ними нет существенной разницы. В диетах, которые сосредоточены на мясе и продуктах животного происхождения, большое количество Alistipes , Bilophila и Bacteroides, которые устойчивы к желчи и могут вызывать воспаление в кишечнике. В этом типе диеты группа Firmicutes , которая связана с метаболизмом диетических полисахаридов растений, встречается в низких концентрациях. И наоборот, диеты, богатые растительными материалами, связаны с большим разнообразием микробиома кишечника в целом и содержат большее количество Prevotella , ответственного за долгосрочную переработку волокон, чем видов, устойчивых к желчи. Диета может использоваться для изменения состава микробиома кишечника в относительно короткие сроки. Однако, если вы хотите изменить микробиом для борьбы с болезнью или недугом, долгосрочные изменения в диете оказались наиболее успешными.

География

Состав микробиома кишечника зависит от географического происхождения населения. Вариации компромисса Prevotella , представления гена уреазы и представления генов, кодирующих глутаматсинтазу / деградацию или другие ферменты, участвующие в деградации аминокислот или биосинтезе витаминов, демонстрируют значительные различия между популяциями из США, Малави или индейцев. .

Население США широко представлено ферментами, кодирующими расщепление глутамина, и ферментами, участвующими в биосинтезе витаминов и липоевой кислоты ; в то время как в популяциях Малави и американских индейцев высока представленность ферментов, кодирующих глутаматсинтазу, и в их микробиомах также преобладает α-амилаза . Поскольку у населения США диета богаче жирами, чем у индейцев или малавийцев, которые придерживаются богатой кукурузой диеты, диета, вероятно, является основным фактором, определяющим бактериальный состав кишечника.

Дальнейшие исследования показали большую разницу в составе микробиоты европейских и сельских африканских детей. Фекальные бактерии детей из Флоренции сравнивали с бактериями детей из небольшой сельской деревни Боулпон в Буркина-Фасо . В рационе типичного ребенка, живущего в этой деревне, в основном отсутствуют жиры и животные белки, а в его рационе много полисахаридов и растительных белков. В фекальных бактериях европейских детей преобладали Firmicutes, что привело к заметному сокращению биоразнообразия, в то время как в фекальных бактериях детей Boulpon преобладали Bacteroidetes . Повышенное биоразнообразие и различный состав кишечной флоры у африканских популяций могут способствовать перевариванию обычно неперевариваемых полисахаридов растений, а также могут привести к снижению заболеваемости неинфекционными заболеваниями толстой кишки.

В меньшем масштабе было показано, что совместное использование множества общих факторов окружающей среды в семье является сильным фактором, определяющим индивидуальный состав микробиома. Этот эффект не имеет генетического влияния и постоянно наблюдается в разных культурах популяций.

Недоедание

У недоедающих детей микробиота кишечника менее зрелая и менее разнообразная, чем у здоровых детей, и изменения в микробиоме, связанные с дефицитом питательных веществ, могут, в свою очередь, быть патофизиологической причиной недоедания. У истощенных детей также обычно более потенциально патогенная кишечная флора и больше дрожжей во рту и горле. Изменение диеты может привести к изменению состава и разнообразия кишечной микробиоты.

Раса и этническая принадлежность

Исследователи из American Gut Project и Human Microbiome Project обнаружили, что двенадцать семейств микробов различались по численности в зависимости от расы или этнической принадлежности человека. Сила этих ассоциаций ограничена небольшим размером выборки: Американский проект кишечника собрал данные от 1375 человек, 90% из которых были белыми. Исследование «Здоровый образ жизни в городских условиях» (HELIUS) в Амстердаме показало, что люди голландского происхождения имели самый высокий уровень разнообразия кишечной микробиоты, тогда как люди южноазиатского и суринамского происхождения имели самое низкое разнообразие. Результаты исследования показали, что люди одной расы или этнической принадлежности имеют больше сходных микробиомов, чем люди разного расового происхождения.

Социоэкономический статус

По состоянию на 2020 год как минимум два исследования продемонстрировали связь между социально-экономическим статусом человека (СЭС) и микробиотой кишечника. Исследование, проведенное в Чикаго, показало, что люди в районах с более высоким уровнем SES имели большее разнообразие микробиоты. У людей из районов с более высоким уровнем SES также было больше бактерий Bacteroides . Точно так же исследование близнецов в Соединенном Королевстве показало, что более высокий SES также был связан с большим разнообразием кишечника.

Приобретение у младенцев

Создание кишечной флоры имеет решающее значение для здоровья взрослого человека, а также для функционирования желудочно-кишечного тракта. У людей кишечная флора, аналогичная флоре взрослого человека, формируется в течение одного-двух лет после рождения, поскольку микробиота передается от родителей к ребенку и переносится из пищи, воды и других источников окружающей среды.

Традиционное представление о желудочно-кишечном тракте нормального плода состоит в том, что он бесплоден, хотя в последние несколько лет эта точка зрения подверглась сомнению. Начали появляться многочисленные свидетельства того, что во внутриутробной среде могут быть бактерии. У людей исследования показали, что микробная колонизация может происходить у плода: одно исследование показало, что в биоптатах плаценты присутствовали виды Lactobacillus и Bifidobacterium . Несколько исследований на грызунах продемонстрировали присутствие бактерий в околоплодных водах и плаценте, а также в меконии младенцев, рожденных путем стерильного кесарева сечения. В другом исследовании ученые вводили культуру бактерий орально беременной матери и обнаружили бактерии в потомстве, вероятно, в результате передачи между пищеварительным трактом и околоплодными водами через кровоток. Однако исследователи предупреждают, что источник этих внутриутробных бактерий, живы ли они, и их роль еще не изучены.

Во время рождения и вскоре после этого бактерии матери и окружающей среды колонизируют кишечник младенца. Точные источники бактерий до конца не изучены, но могут включать родовые пути, других людей (родителей, братьев и сестер, работников больниц), грудное молоко, пищу и общую среду, с которой взаимодействует младенец. Однако по состоянию на 2013 год остается неясным, происходит ли большая часть колонизации от матери или нет. Младенцы, рожденные посредством кесарева сечения, также могут подвергаться воздействию микрофлоры своей матери, но первоначальное воздействие, скорее всего, будет происходить из окружающей среды, такой как воздух, других младенцев и медперсонал, которые служат переносчиками инфекции. В течение первого года жизни состав кишечной флоры, как правило, прост и сильно меняется со временем, а не у разных людей. Первоначальная бактериальная популяция - это, как правило, факультативные анаэробные организмы ; Исследователи полагают, что эти первые колонизаторы уменьшают концентрацию кислорода в кишечнике, что, в свою очередь, позволяет анаэробным бактериям, таким как Bacteroides , Actinobacteria и Firmicutes, закрепиться и развиться. В грудном вскармливании преобладают бифидобактерии , возможно, из-за содержания факторов роста бифидобактерий в грудном молоке, а также из-за того, что грудное молоко содержит пребиотические компоненты, обеспечивающие здоровый рост бактерий. Напротив, микробиота младенцев на искусственном вскармливании более разнообразна, с большим количеством энтеробактерий , энтерококков , бифидобактерий , Bacteroides и клостридий.

Кесарево сечение, антибиотики и кормление смесью могут изменить состав микробиома кишечника. У детей, получавших антибиотики, менее стабильные и менее разнообразные цветочные сообщества. Было показано, что кесарево сечение препятствует передаче бактерий от матери к потомству, что влияет на общее состояние здоровья потомства, повышая риск таких заболеваний, как целиакия, астма и диабет 1 типа. Это еще раз доказывает важность здорового микробиома кишечника. Изучаются различные методы восстановления микробиома, обычно включающие воздействие на ребенка влагалищного содержимого матери и пероральные пробиотики.

Функции

Когда в 1995 году началось изучение кишечной флоры, считалось, что она выполняет три ключевые роли: прямая защита от патогенов , усиление защиты хозяина за счет ее роли в развитии и поддержании кишечного эпителия и индукции в нем производства антител, а также метаболизация неперевариваемых соединений в организме. еда; последующая работа открыла его роль в тренировке развивающейся иммунной системы, и все же дальнейшие исследования были сосредоточены на его роли в оси кишечник-мозг .

Прямое подавление патогенов

Сообщество кишечной флоры играет непосредственную роль в защите от патогенов, полностью колонизируя пространство, используя все доступные питательные вещества и выделяя соединения, которые убивают или подавляют нежелательные организмы, которые будут конкурировать с ним за питательные вещества, эти соединения известны как цитокины . Различные штаммы кишечных бактерий вызывают выработку разных цитокинов. Цитокины - это химические соединения, вырабатываемые нашей иммунной системой для инициирования воспалительной реакции на инфекции. Нарушение кишечной флоры позволяет появиться конкурирующим организмам, таким как Clostridium difficile, которые в противном случае остаются в подвешенном состоянии.

Развитие кишечной защиты и иммунной системы

Микроскладчатые клетки переносят антигены (Ag) из просвета кишечника в кишечную лимфоидную ткань (GALT) посредством трансцитоза и представляют их различным клеткам врожденного и адаптивного иммунитета.

У человека кишечная флора, подобная флоре взрослого человека, формируется в течение одного-двух лет после рождения. По мере того, как кишечная флора устанавливается, слизистая оболочка кишечника - кишечный эпителий и слизистая оболочка кишечника, которую он секретирует, - также развиваются таким образом, который является толерантным к комменсалистическим микроорганизмам и даже поддерживает их в определенной степени, а также обеспечивает барьер для патогенных. В частности, бокаловидные клетки, которые продуцируют слизистую оболочку, разрастаются, и слой слизистой оболочки утолщается, обеспечивая внешний слой слизистой оболочки, в котором «дружественные» микроорганизмы могут закрепляться и питаться, и внутренний слой, в который даже эти организмы не могут проникнуть. Кроме того, развитие кишечной лимфоидной ткани (GALT), которая является частью кишечного эпителия и которая обнаруживает патогены и реагирует на них, появляется и развивается в то время, когда развивается и устанавливается кишечная флора. Развивающийся GALT толерантен к видам кишечной флоры, но не к другим микроорганизмам. GALT также обычно становится толерантным к пище, которой подвергается ребенок, а также к пищеварительным продуктам пищи и метаболитам кишечной флоры (молекулы, образующиеся в результате метаболизма), производимым с пищей.

Человеческая система Иммунная создает цитокины , которые могут ездить систему невосприимчивой к продукции воспаления для того , чтобы защитить себя, и что может набить вниз иммунный ответ для поддержания гомеостаза и позволить исцеление после инсульта или травмы. Было показано, что различные виды бактерий, которые появляются во флоре кишечника, способны управлять иммунной системой для избирательного создания цитокинов; например, Bacteroides fragilis и некоторые виды Clostridia, по- видимому, вызывают противовоспалительную реакцию, в то время как некоторые сегментированные нитчатые бактерии стимулируют выработку воспалительных цитокинов. Флора кишечника также может регулировать выработку антител иммунной системой. Одна из функций этой регуляции - заставить В-клетки переключиться на IgA . В большинстве случаев В-клетки нуждаются в активации Т-хелперов, чтобы вызвать переключение класса ; однако по другому пути кишечная флора вызывает передачу сигналов NF-kB эпителиальными клетками кишечника, что приводит к секреции дополнительных сигнальных молекул. Эти сигнальные молекулы взаимодействуют с В-клетками, чтобы вызвать переключение класса на IgA. IgA - важный тип антител, которые используются в слизистой оболочке, например в кишечнике. Было показано, что IgA может помочь разнообразить кишечное сообщество и помогает избавиться от бактерий, вызывающих воспалительные реакции. В конечном итоге IgA поддерживает здоровую среду между хозяином и кишечными бактериями. Эти цитокины и антитела могут действовать за пределами кишечника, в легких и других тканях.

Иммунная система также может быть изменена из-за способности кишечных бактерий продуцировать метаболиты, которые могут влиять на клетки иммунной системы. Например, короткоцепочечные жирные кислоты (SCFA) могут продуцироваться некоторыми кишечными бактериями путем ферментации . SCFAs стимулируют быстрое увеличение производства клеток врожденного иммунитета, таких как нейтрофилы , базофилы и эозинофилы . Эти клетки являются частью врожденной иммунной системы, которая пытается ограничить распространение инфекции.

Метаболизм

Метаболизм триптофана кишечной микробиотой человека ( )
Диаграмма метаболизма триптофана
Триптофаназа -
экспрессирующие
бактерии
Слизистые гомеостаз:
ФНО-& alpha
; ↑ Распределительная белково
кодирования мРНК
Поддерживает слизистую оболочку реакционная способность :
IL-22 производства
Изображение выше содержит интерактивные ссылки.
На этой диаграмме показан биосинтез биоактивных соединений ( индола и некоторых других производных) из триптофана бактериями в кишечнике. Индол производится из триптофана бактериями, которые экспрессируют триптофаназу . Clostridium sporogenes метаболизирует триптофан в индол, а затем в 3-индолепропионовую кислоту (IPA), мощный нейрозащитный антиоксидант, который улавливает гидроксильные радикалы . IPA связывается с рецептором прегнана X (PXR) в клетках кишечника, тем самым облегчая гомеостаз слизистой и барьерную функцию . После всасывания из кишечника и распределения в головном мозге IPA оказывает нейропротекторный эффект против церебральной ишемии и болезни Альцгеймера . Виды Lactobacillus метаболизируют триптофан в индол-3-альдегид (I3A), который действует на арилуглеводородный рецептор (AhR) в иммунных клетках кишечника, в свою очередь увеличивая выработку интерлейкина-22 (IL-22). Сам Индол вызывает секрецию из глюкагон-подобного пептида-1 (GLP-1) в кишечных L клеток и действует в качестве лиганда для AhR. Индол также может метаболизироваться в печени в индоксилсульфат , соединение, которое в высоких концентрациях является токсичным и связано с сосудистыми заболеваниями и дисфункцией почек . AST-120 ( активированный уголь ), кишечный сорбент , принимаемый внутрь , адсорбирует индол, в свою очередь, снижая концентрацию индоксилсульфата в плазме крови.

Без кишечной флоры человеческий организм не смог бы использовать некоторые из потребляемых непереваренных углеводов , потому что некоторые типы кишечной флоры содержат ферменты , которых не хватает человеческим клеткам для расщепления определенных полисахаридов . Грызуны, выращенные в стерильных условиях и лишенные кишечной флоры, должны потреблять на 30% больше калорий, чтобы сохранить тот же вес, что и их нормальные собратья. Углеводы , что люди не могут переваривать без помощи бактерий включают некоторые крахмалы , волокно , олигосахариды и сахар , что тело не сумело переварить и поглотить , как лактоза , в случае лактозу и сахарных спиртов , слизь , производимых в кишечнике, и белков.

Бактерии превращают ферментированные ими углеводы в жирные кислоты с короткой цепью путем ферментации, называемой сахаролитической ферментацией . Продукты включают уксусную кислоту , пропионовую кислоту и масляную кислоту . Эти материалы могут использоваться клетками-хозяевами, являясь основным источником энергии и питательных веществ. При ферментации также образуются газы (которые участвуют в передаче сигналов и могут вызывать метеоризм ) и органические кислоты , такие как молочная кислота . Уксусная кислота используется мышцами , пропионовая кислота способствует выработке АТФ в печени , а масляная кислота обеспечивает энергией клетки кишечника.

Флора кишечника также синтезирует витамины, такие как биотин и фолат , и способствует усвоению пищевых минералов , включая магний, кальций и железо. Methanobrevibacter smithii уникален, потому что это не вид бактерий, а член домена Archeae , и это самый распространенный вид архей, продуцирующих метан, в желудочно-кишечной микробиоте человека.

Микробиота кишечника также служит источником витаминов К и В12, которые не производятся организмом или производятся в небольших количествах.

Фармакомикробиомика

Метагеном человека (т. Е. Генетический состав человека и всех микроорганизмов, которые обитают на теле человека или внутри него) значительно различается у разных людей. Поскольку общее количество микробных и вирусных клеток в организме человека (более 100 триллионов) значительно превышает количество клеток Homo sapiens (десятки триллионов), существует значительный потенциал для взаимодействия между лекарственными средствами и микробиомом человека, включая: препараты, изменяющие состав микробиом человека , метаболизм лекарства микробными ферментами, изменяющими фармакокинетический профиль лекарства , и микробный метаболизм лекарства, влияющий на клиническую эффективность и профиль токсичности лекарства .

Помимо углеводов, микробиота кишечника может также метаболизировать другие ксенобиотики, такие как лекарства, фитохимические вещества и пищевые токсиканты. Было показано, что более 30 лекарств метаболизируются микробиотой кишечника. Микробный метаболизм лекарств иногда может инактивировать лекарство.

Ось кишечник-мозг

Ось кишечник-мозг - это биохимическая передача сигналов, которая происходит между желудочно-кишечным трактом и центральной нервной системой . Этот термин был расширен и теперь включает роль кишечной флоры во взаимодействии; термин «ось микробиом-кишечник-мозг» иногда используется для описания парадигм, явно включающих кишечную флору. В широком смысле ось кишечник-мозг включает центральную нервную систему, нейроэндокринную и нейроиммунную системы, включая ось гипоталамус-гипофиз-надпочечники (ось HPA), симпатические и парасимпатические ветви вегетативной нервной системы, включая кишечную нервную систему , блуждающий нерв , и микробиота кишечника .

В систематическом обзоре 2016 г. изучались доклинические и небольшие испытания на людях, которые были проведены с некоторыми коммерчески доступными штаммами пробиотических бактерий, и было обнаружено, что среди протестированных родов Bifidobacterium и Lactobacillus ( B. longum , B. breve , B. infantis , L. helveticus , L. rhamnosus , L. plantarum и L. casei ), имели наибольший потенциал для применения при некоторых заболеваниях центральной нервной системы .

Изменения баланса микробиоты

Последствия использования антибиотиков

Изменение количества кишечных бактерий, например, путем приема антибиотиков широкого спектра действия , может повлиять на здоровье хозяина и его способность переваривать пищу. Антибиотики могут вызывать диарею, связанную с антибиотиками, непосредственно раздражая кишечник , изменяя уровень микробиоты или позволяя патогенным бактериям расти. Еще одним вредным эффектом антибиотиков является увеличение числа устойчивых к антибиотикам бактерий, обнаруживаемых после их использования, которые, когда они вторгаются в организм хозяина, вызывают заболевания, которые трудно лечить с помощью антибиотиков.

Изменение количества и вида кишечной микробиоты может снизить способность организма ферментировать углеводы и метаболизировать желчные кислоты, а также может вызвать диарею . Не расщепленные углеводы могут поглощать слишком много воды и вызывать жидкий стул, либо недостаток SCFAs, продуцируемых кишечной микробиотой, может вызвать диарею.

Снижение уровней аборигенных видов бактерий также нарушает их способность подавлять рост вредных видов, таких как C. difficile и Salmonella kedougou , и эти виды могут выйти из-под контроля, хотя их чрезмерный рост может быть случайным и не являться истинной причиной понос. Новые протоколы лечения инфекций, вызванных C. difficile, включают трансплантацию фекальной микробиоты донорских фекалий (см. Фекальная трансплантация ). Первоначальные отчеты о лечении описывают 90% успешных результатов при небольшом количестве побочных эффектов. Предполагается, что эффективность является результатом восстановления бактериального баланса классов бактероидов и фирмикутов.

Состав кишечного микробиома также изменяется при тяжелых заболеваниях не только из-за использования антибиотиков, но и из-за таких факторов, как ишемия кишечника, отказ от приема пищи и иммунитет . Отрицательные последствия этого привели к интересу к селективной дезактивации пищеварительного тракта , лечению, которое убивает только патогенные бактерии и позволяет восстановить здоровые.

Антибиотики изменяют популяцию микробиоты в желудочно-кишечном тракте , и это может изменить внутриобщинные метаболические взаимодействия, изменить потребление калорий за счет использования углеводов и глобально повлиять на метаболический, гормональный и иммунный гомеостаз хозяина.

Есть разумные доказательства того, что прием пробиотиков, содержащих виды Lactobacillus, может помочь предотвратить диарею, связанную с антибиотиками, и что прием пробиотиков с Saccharomyces (например, Saccharomyces boulardii ) может помочь предотвратить инфекцию Clostridium difficile после системного лечения антибиотиками.

Беременность

Микробиота кишечника женщины изменяется по мере наступления беременности , с изменениями, аналогичными тем, которые наблюдаются при метаболических синдромах, таких как диабет. Изменение микробиоты кишечника не вызывает никаких побочных эффектов. Микробиота кишечника новорожденного напоминает образцы, взятые у матери в первом триместре. Разнообразие микробиома уменьшается с первого по третий триместр по мере увеличения численности определенных видов.

Пробиотики, пребиотики, синбиотики и фармабиотики.

Пробиотики - это микроорганизмы, которые, как считается, приносят пользу для здоровья при употреблении. Что касается кишечной микробиоты, пребиотики обычно представляют собой неперевариваемые соединения клетчатки, которые проходят непереваренными через верхнюю часть желудочно-кишечного тракта и стимулируют рост или активность полезной кишечной флоры, действуя для них в качестве субстрата .

Синбиотики относятся к пищевым ингредиентам или диетическим добавкам, сочетающим пробиотики и пребиотики в форме синергизма .

Термин «фармабиотики» используется по-разному для обозначения: фармацевтических составов (стандартизованное производство, которое может получить одобрение регулирующих органов в качестве лекарственного средства) пробиотиков, пребиотиков или синбиотиков ; пробиотики, которые были генетически модифицированы или оптимизированы иным образом для достижения наилучших результатов (срок годности, выживаемость в пищеварительном тракте и т. д.); и натуральные продукты метаболизма кишечной флоры (витамины и др.).

Есть некоторые свидетельства того, что лечение некоторыми пробиотическими штаммами бактерий может быть эффективным при синдроме раздраженного кишечника и хронических идиопатических запорах . Эти организмы, которые, скорее всего, приведут к уменьшению симптомов, включают:

Исследовать

Тесты на то, могут ли неантибиотические препараты воздействовать на кишечные бактерии человека, были выполнены путем анализа in vitro более 1000 имеющихся на рынке лекарств против 40 штаммов кишечных бактерий, что продемонстрировало, что 24% препаратов подавляли рост по крайней мере одного из бактериальных штаммов. .

Эффекты упражнений

Недавно было показано, что микробиота кишечника и упражнения взаимосвязаны. Как умеренные, так и интенсивные упражнения обычно являются частью тренировочного режима спортсменов, работающих на выносливость, но они по-разному влияют на здоровье. Взаимосвязь между микробиотой кишечника и видами спорта на выносливость зависит от интенсивности упражнений и тренировочного статуса.

Роль в болезни

Бактерии в пищеварительном тракте могут способствовать заболеванию и влиять на него по-разному. Присутствие или переизбыток некоторых видов бактерий может способствовать воспалительным расстройствам, таким как воспалительное заболевание кишечника . Кроме того, метаболиты некоторых представителей кишечной флоры могут влиять на сигнальные пути хозяина, способствуя таким расстройствам, как ожирение и рак толстой кишки . В качестве альтернативы, в случае разрушения эпителия кишечника проникновение компонентов кишечной флоры в другие компартменты хозяина может привести к сепсису .

Язвы

Инфекция Helicobacter pylori может инициировать образование язвы желудка, когда бактерии проникают через эпителиальную выстилку желудка, вызывая воспалительный фагоцитозный ответ . В свою очередь, воспаление повреждает париетальные клетки, которые выделяют чрезмерное количество соляной кислоты в желудок и производят меньше защитной слизи. Повреждение слизистой оболочки желудка, ведущее к язве , развивается, когда желудочная кислота подавляет защитные свойства клеток и подавляетсинтезэндогенного простагландина , снижает секрецию слизи и бикарбоната, снижает кровоток в слизистой оболочке и снижает сопротивляемость травмам. Снижение защитных свойств слизистой оболочки желудка увеличивает уязвимость к дальнейшим травмам и образованию язв под воздействием желудочной кислоты, пепсина и желчных солей.

Перфорация кишечника

Обычно комменсальные бактерии могут нанести вред хозяину, если они выходят из кишечного тракта. Транслокация , которая происходит, когда бактерии покидают кишечник через слизистую оболочку кишечника , может возникать при ряде различных заболеваний. Если кишечник перфорирован, бактерии проникают в интерстиций , вызывая потенциально смертельную инфекцию .

Воспалительные заболевания кишечника

Два основных типа воспалительных заболеваний кишечника , болезнь Крона и язвенный колит , представляют собой хронические воспалительные заболевания кишечника; причины этих заболеваний неизвестны, и проблемы с кишечной флорой и ее взаимоотношениями с хозяином были связаны с этими состояниями. Кроме того, оказывается, что взаимодействие кишечной флоры с осью кишечник-мозг играет роль в ВЗК, при этом физиологический стресс, опосредованный через ось гипоталамус-гипофиз-надпочечники , вызывает изменения в кишечном эпителии и кишечной флоре, в свою очередь, высвобождая факторы и метаболиты, которые запускают сигнализация в кишечной нервной системе и блуждающем нерве .

У людей с воспалительными заболеваниями кишечника разнообразие кишечной флоры, по-видимому, значительно меньше, чем у здоровых людей; кроме того, у людей с язвенным колитом, по-видимому, преобладают протеобактерии и актинобактерии; у людей с болезнью Крона, Enterococcus faecium и некоторые протеобактерии, по-видимому, чрезмерно представлены.

Есть разумные доказательства того, что коррекция дисбаланса кишечной флоры путем приема пробиотиков с лактобациллами и бифидобактериями может уменьшить висцеральную боль и воспаление кишечника при ВЗК.

Синдром раздраженного кишечника

Синдром раздраженного кишечника является результатом стресса и хронической активации оси HPA; его симптомы включают боль в животе, изменения дефекации и повышение провоспалительных цитокинов. В целом, исследования показали, что микробиота просвета и слизистых оболочек изменяется у людей с синдромом раздраженного кишечника, и эти изменения могут быть связаны с типом раздражения, таким как диарея или запор . Кроме того, наблюдается уменьшение разнообразия микробиома с низким уровнем фекальных Lactobacilli и Bifidobacteria, высоким уровнем факультативных анаэробных бактерий, таких как Escherichia coli , и повышенным соотношением Firmicutes: Bacteroidetes.

Другие воспалительные или аутоиммунные состояния

Аллергия , астма и сахарный диабет являются аутоиммунными и воспалительными заболеваниями неизвестной причины, но связаны с дисбалансом кишечной флоры и ее взаимоотношениями с хозяином. По состоянию на 2016 год было неясно, вызывают ли изменения кишечной флоры эти аутоиммунные и воспалительные расстройства или являются их результатом или адаптацией к ним.

Астма

Что касается астмы, были выдвинуты две гипотезы, объясняющие ее растущую распространенность в развитых странах. Гипотеза гигиены утверждает, что дети в развитом мире не подвержены воздействию достаточного количества микробов и, следовательно, могут иметь более низкую распространенность конкретных бактериальных таксонов, которые играют защитную роль. Вторая гипотеза основана на диете западного образца , в которой отсутствуют цельнозерновые и клетчатка, а также содержится избыток простых сахаров . Обе гипотезы сходятся во мнении о роли короткоцепочечных жирных кислот (SCFAs) в иммуномодуляции . Эти метаболиты бактериальной ферментации участвуют в передаче иммунных сигналов, которая предотвращает запуск астмы, а более низкие уровни SCFA связаны с заболеванием. Недостающие защитные роды , такие как Lachnospira , Veillonella , Rothia и Faecalibacterium было связано со снижением уровня SCFA. Кроме того, SCFAs являются продуктом бактериальной ферментации клетчатки, которой мало в диете западного образца. SCFAs предлагают связь между кишечной флорой и иммунными нарушениями, и по состоянию на 2016 год это была активная область исследований. Подобные гипотезы также выдвигались в отношении роста пищевых и других аллергий.

Сахарный диабет 1 типа

Связь между микробиотой кишечника и сахарным диабетом 1 типа также связана с SCFAs, такими как бутират и ацетат. Рационы, содержащие бутират и ацетат в результате бактериальной ферментации, демонстрируют повышенную экспрессию T reg . Регуляторы T- клеток подавляют регуляцию эффекторных Т-клеток , что, в свою очередь, снижает воспалительную реакцию в кишечнике. Бутират является источником энергии для клеток толстой кишки. Таким образом, рационы с содержанием бутирата снижают проницаемость кишечника , обеспечивая достаточную энергию для образования плотных контактов . Кроме того, было показано, что бутират снижает резистентность к инсулину, что позволяет предположить, что кишечные сообщества с низким содержанием бутират-продуцирующих микробов могут увеличить шансы заражения сахарным диабетом 2 типа . Диеты, содержащие бутират, также могут иметь потенциальные эффекты подавления колоректального рака .

Ожирение и метаболический синдром

Кишечная флора также участвует в ожирении и метаболическом синдроме из-за ключевой роли, которую она играет в процессе пищеварения; диета западного образца, по-видимому, стимулирует и поддерживает изменения в кишечной флоре, которые, в свою очередь, изменяют количество энергии, получаемой из пищи, и то, как эта энергия используется. Одним из аспектов здорового питания , которого часто не хватает в диете западного образца, является клетчатка и другие сложные углеводы, которые необходимы здоровой кишечной флоре; изменения кишечной флоры в ответ на диету западного образца, по-видимому, увеличивают количество энергии, вырабатываемой кишечной флорой, что может способствовать ожирению и метаболическому синдрому. Есть также свидетельства того, что микробиота влияет на пищевое поведение на основе предпочтений микробиоты, что может привести к тому, что хозяин будет потреблять больше пищи, что в конечном итоге приведет к ожирению. Обычно наблюдается, что при более высоком разнообразии кишечного микробиома микробиота будет тратить энергию и ресурсы на конкуренцию с другой микробиотой и меньше на манипулирование хозяином. Обратное наблюдается при более низком разнообразии микробиома кишечника, и эти микробиоты могут работать вместе, чтобы вызвать у хозяина тягу к еде.

Кроме того, печень играет доминирующую роль в гомеостазе глюкозы в крови , поддерживая баланс между поглощением и хранением глюкозы посредством метаболических путей гликогенеза и глюконеогенеза . Липиды кишечника регулируют гомеостаз глюкозы по оси кишечник-мозг-печень. Прямое введение липидов в верхний отдел кишечника увеличивает уровни длинноцепочечного ацил-кофермента А (LCFA-CoA) в верхних отделах кишечника и подавляет выработку глюкозы даже при поддиафрагмальной ваготомии или деафферентации блуждающего нерва . Это прерывает нервную связь между мозгом и кишечником и блокирует способность липидов верхнего отдела кишечника подавлять выработку глюкозы. Ось кишечник-мозг-печень и состав микробиоты кишечника могут регулировать гомеостаз глюкозы в печени и обеспечивать потенциальные терапевтические методы лечения ожирения и диабета.

Подобно тому, как кишечная флора может функционировать в петле обратной связи, которая может стимулировать развитие ожирения, есть доказательства того, что ограничение потребления калорий (например, диета ) может вызвать изменения в составе кишечной флоры.

Болезнь печени

Поскольку печень питается непосредственно воротной веной , все, что проходит через эпителий кишечника и барьер слизистой оболочки кишечника, попадает в печень, как и вырабатываемые там цитокины. Дисбактериоз кишечной флоры был связан с развитием цирроза и неалкогольной жировой болезни печени .

Рак

Некоторые роды бактерий, такие как Bacteroides и Clostridium , связаны с увеличением скорости роста опухоли , в то время как другие роды, такие как Lactobacillus и Bifidobacteria , как известно, предотвращают образование опухолей. По состоянию на декабрь 2017 года были предварительные и косвенные доказательства того, что микробиота кишечника может опосредовать ответ на ингибиторы PD-1 ; механизм был неизвестен.

Психоневрологический

Интерес к взаимосвязи между кишечной флорой и нейропсихиатрическими проблемами был вызван исследованием 2014 года, показавшим, что мыши без микробов показали преувеличенную реакцию оси HPA на стресс по сравнению с лабораторными мышами без GF. По состоянию на январь 2016 года большая часть работы, которая была проделана в отношении роли кишечной флоры в оси кишечник-мозг, проводилась на животных или для характеристики различных нейроактивных соединений, которые может продуцировать кишечная флора, а также на исследованиях с участием людей, измеряющих различия между люди с различными психическими и неврологическими различиями, или изменения кишечной флоры в ответ на стресс, или измерение эффектов различных пробиотиков ( в данном контексте называемых « психобиотиками» ), как правило, были небольшими и не могли быть обобщены; являются ли изменения кишечной флоры Результат заболевания, причина заболевания или и то, и другое в любом количестве возможных петель обратной связи в оси кишечник-мозг, оставались неясными.

В систематическом обзоре 2016 г. изучались доклинические и небольшие испытания на людях, которые были проведены с некоторыми коммерчески доступными штаммами пробиотических бактерий, и было обнаружено, что среди протестированных родов Bifidobacterium и Lactobacillus ( B. longum , B. breve , B. infantis , L .helveticus , L. rhamnosus , L. plantarum и L. casei ) имели наибольший потенциал для применения при некоторых заболеваниях центральной нервной системы.

Другие животные

Состав микробиома кишечника человека аналогичен составу других человекообразных обезьян. Однако биота кишечника человека уменьшилась в разнообразии и изменилась по составу с тех пор, как мы эволюционно отделились от Пана . У людей наблюдается увеличение Bacteroidetes, бактериального типа, связанного с диетами с высоким содержанием животного белка и жира, и снижение Methanobrevibacter и Fibrobacter, групп, которые ферментируют сложные полисахариды растений. Эти изменения являются результатом комбинированных диетических, генетических и культурных изменений, которым подверглись люди с момента эволюционного отклонения от Пана .

Помимо людей и позвоночных, некоторые насекомые также обладают сложной и разнообразной кишечной микробиотой, которая играет ключевую роль в питании. Сообщества микробов, связанные с термитами, могут составлять большую часть веса особей и выполнять важные роли в переваривании лигноцеллюлозы и азотфиксации . Эти сообщества зависят от хозяина, и близкородственные виды насекомых имеют сопоставимое сходство в составе кишечной микробиоты. У тараканов микробиота кишечника собирается детерминированным образом, независимо от инокулята ; причина этой сборки, специфичной для хоста, остается неясной. Бактериальные сообщества, связанные с насекомыми, такими как термиты и тараканы, определяются комбинацией сил, в первую очередь диетой, но есть некоторые признаки того, что филогения хозяина также может играть роль в выборе клонов.

Более 51 года известно, что введение низких доз антибактериальных средств способствует росту сельскохозяйственных животных и увеличению прибавки в весе.

В исследовании, проведенном на мышах, соотношение Firmicutes и Lachnospiraceae было значительно повышено у животных, получавших субтерапевтические дозы различных антибиотиков. Путем анализа калорийности фекалий и концентрации низкоцепочечных жирных кислот (SCFAs) в желудочно-кишечном тракте был сделан вывод, что изменения в составе микробиоты приводят к повышенной способности извлекать калории из неперевариваемых компонентов и увеличение производства SCFAs. Эти данные свидетельствуют о том, что антибиотики нарушают не только состав микробиома желудочно-кишечного тракта, но и его метаболические возможности, особенно в отношении SCFA.

Смотрите также

Примечания

использованная литература

дальнейшее чтение

Обзорные статьи