Что такое микробиом и зачем о нем знать

Человек постоянно сталкивается с микроорганизмами, которые обитают вокруг нас, на нас, внутри нас. Установлена роль различных бактерий, вирусов и грибков в патогенезе многих заболеваний, среди них далеко неполный перечень включает: чуму, ревматизм, туберкулез, коклюш, сибирскую язву, болезнь Лайма и многие другие опасные болезни, вызванные бактериями. То есть у человека есть множество причин отрицательно воспринимать бактерии. Но мы живем в удивительное время, когда с приходом новых технологий меняются наши представления о здоровье и болезни. Сегодня утвердилось абсолютно новое понимание необходимости микроорганизмов внутри и снаружи нашего организма и их значимости не только для нашего пищеварения, но и для самочувствия в целом.

Микробиом: что это

Микробиом – это микроорганизмы, такие как бактерии, археи, грибки и вирусы, которые обитают в определенной экосистеме или в организме.

Микроорганизмы рспространены повсюду, включая человеческое тело, почву, ископаемые, моря, пресные водоемы, атмосферуи и даже в гидротермальных жерлах и подледниковых озерах.

Термин «микробиом» заменил устаревшее определение микрофлора, поскольку “флора” переводится как растительный мир. Он был впервые внедрен в 2001 г. для обозначения объединенных геномов микробиоты. Микробиота – используется для характеристики микробиоценоза отдельных органов и систем. Например, микробиота кишечника, микробиота кожи, микробиота плаценты, микробиота грудного молока и т. д. Благодаря современным научным исследованиям в области генетики ученые смогли идентифицировать и определить количество микроорганизмов, живущих в организме человека. С помощью новейших научных разработок удалось установить, что существует более 1 100 видов микроорганизмов, большинство из которых анаэробы. Доказано, что чем более разнообразны кишечные микроорганизмы, тем лучше здоровье человека, а низкое разнообразие связано с различными заболеваниями. Внедрение молекулярно-генетических технологий в практику микробиологических исследований позволило получить новую информацию о составе и свойствах интестинальной микробиоты у людей разного возраста.

Все микробиомы имеют несколько общих черт но это динамичное сообщество, которое способно меняться в зависимости от разных факторов, будь-то изменения климата, если говорить о группах, населяющих планету, или изменения диеты, если говорить о микробиоме человека. Но в любом случае микробиом всегда тесно связан со своим хозяином.

Распространенность микробиомов

Микробиом океанов

Океаны покрывают почти 70% нашей планеты, поэтому постоянно проводятся исследования микроорганизмов, населяющих водные пространства. Эти крошечные “жители” являются «строительным материалом» для более крупных форм жизни на планете, они производят почти половину кислорода, которым мы дышим, перерабатывают примерно такой же процент углекислого газа и удаляют больше чем половину метана в мировых океанах.

Микробиом почвы

Почву и ископаемые населяют огромное количество микроорганизмов. По приблизительным подсчетам в каждом грамме почвы содержится около 40 тысяч видов микроскопических обитателей. Они необходимы для поддержки множества процессов, обеспечивающих рост растительности. Также микробиом пчвы отвечает за расщепление загрязняющих среду веществ, за круговорот азота и углерода.

Микробиом атмосферы

Известно, что в атмосфере микроорганизмы присутствуют повсюду, но варьируют от места к месту, а также с течением времени. Микроорганизмы с частичками пыли мигрируют свободно вокруг земного шара. Микробиом атмосферы может влиять на распространение инфекционных заболеваний, общее здоровье людей, сельское хозяйство, формирование облаков и осадков.

Микробиом человека

Согласно данным Национального института здоровья США только 10% клеток, входящих в состав организма человека, являются собственно человеческими клетками, а остальные 90% принадлежат бактериям, населяющим различные микробиоты человека. Таким образом, homo sapiens является «суперорганизмом», в котором сосуществует большое количество различных организмов. В 2008 г. был запущен глобальный проект «Микробиом человека», ставивший своей целью расшифровку генома бактерий, населяющих организм человека. Расшифровкой генома бактерий, населяющих ЖКТ, занимается Европейский консорциум MetaHIT. Уже расшифровано около 3 млн генов, что примерно в 150 раз больше набора генов человека.
Результаты проекта позволят установить взаимосвязь этих генов с состоянием здоровья человека, развитием заболеваний и фенотипом.. По мнению журнала Science, расшифровка метагенома человека входит в число величайших научных открытий последнего десятилетия.

Микробиом человека включает около тысячи разновидностей бактерий, живущих на коже человека, во рту, в его кишечнике и влагалище.

На разных участках тела колонии микробов отличаются друг от друга. Различия между микробиомом кишечника и ротовой полости сравнимы с различием колоний бактерий, обнаруженных на почве и в океанах.

Особенность микробиома каждого человека в его уникальности. Предполагается, что на формирование индивидуального микробиома влияют такие факторы как особенности питания, окружающая среда, генетические факторы и воздействие микробов на человека в самом раннем возрасте. Следовательно, наличие определенного микробиота позволит прогнозировать особенности обмена веществ и указывать на предрасположенность к определенным заболеваниям.

Отмечается, что у лиц с серьезными хроническими заболеваниями, например, с диабетом, разнообразие микробиома упрощается. Также снижение разнообразия микроорганизмов наблюдается у пациентов с дисфункцией кишечника, при аутоиммунных болезнях, ожирении, заболеваниях сердца, а также у лиц пожилого возраста. Это обусловлено тем, что нормальная микробиота кишечника участвует в разнообразных физиологических функциях организма: защитной, пищеварительной, детоксикационной и антиканцерогенной, синтетической, генетической, иммуногенной, в регуляции обмена холестерина и оксалатов.

Сколько в нас микробов

Еще в начале 1970 годов ученым было довольно сложно определить количество микробов, заселяющих наши организмы, данные варьировались от сотни миллиардов до сотен триллионов. С 2016 года на основании геномного анализа установлено, что тело среднестатистического взрослого человека состоит из около 39 триллионов клеток микробов и около 30 триллионов собственно человеческих клеток. Причем эти цифры могут варьировать в зависимости от веса, роста, возраста и пола человека. Но в любом случае вес всех микроорганизмов может составлять от 1 до 3 процентов от общей массы тела человека, а это примерно от 900 г до 2,7 кг – почти столько же весит мозг.

Микробиом считают еще одним органом человека

Микробиом человека представлен бактериями, которые находятся внутри и снаружи нашего тела. Подавляющее большинства микроорганизмов содержится в желудочно-кишечном тракте человека. Это кишечная микробиота, которая включает до тысячи видов микроорганизмов. Кишечные микробиомы разных людей могут содержать похожие виды микробов, но в большинстве случаев это будут различные штаммы. Помимо кишечника, другими наиболее изученными являются микробиота полости, носа, глаз, легких, кожи и влагалища.

Как формируется человеческий микробиом

Заселение кишечника плода микроорганизмами закладывается уже во второй половине беременности от матери (по данным зарубежных и отечественных исследований, до 22-й недели гестации микробов в организме плода нет вообще, а начиная с 24-й недели появляются единичные колонии кишечной палочки и лактобацилл).

На формирование микробиоты кишечника плода влияет питание, образ жизни матери, а также факт приема антибактериальных препаратов во время беременности. Мать является первым источником колонизации и инфицирования своего ребенка. Состояние его микробиоты также определяется способом родоразрешения (роды естественные, оперативные), местом проведения родов – родильный дом или квартира, когда физиологические роды осуществляются в домашних условиях. Микробиота желудочно-кишечного тракта младенца зависит от состояния кожи, родовых путей и кишечника роженицы, а также от того, применялась ли антибактериальная терапия у матери и ребенка. Существенное значение имеет время прикладывания к груди, характер вскармливания с рождения. Так как заселение микроорганизмами слизистых новорожденного начинается с момента прохождения его через родовые пути, то естественный способ родоразрешения является одним из основополагающих, влияющих на формирование микробиоты.

Сегодня мы располагаем достоверными данными о составе микрофлоры влагалища роженицы, которая в большей степени заселена лактобактериями (более 60%), энтерококками, стафилококками и грибковой бактерией кандида, поэтому микробиота младенцев, рожденных естественным путем содержит бактерии, близкие с влагалищной микробиотой матери с преобладанием лактобацилл, а рожденные путем кесарева сечения – микроорганизмы , подобные заселяющим кожу матери – больше стафилококков и пропионовых бактерий.

В 2013 году ученые из Медицинской школы Вашингтонского университета исследовали плаценту 195 рожениц и обнаружили бактерии, которые напоминают микробиоту полости рта, а что также микробы содержатся и в околоплодных водах. В ходе другого исследования выяснилось, что почти 30% малышей получают бактерии, которые необходимы для формирования кишечного микробиома, вместе с материнским грудным молоком, которое содержит до 700 различных микроорганизмов. Они попадают в материнское молоко из кишечника путем бактериальной транслокации в кровоток, минуя лимфатические узлы.

Процесс формирования микробиома продолжается в течение первых 3 лет жизни человека. За это время состав микробиома часто меняется, но к 3 годам формируется зрелый индивидуальный микробиом. К этому времени он становится довольно стабильным, хотя и не статичным. То есть состав микробного сообщества на протяжении всей жизни остается довольно пластичным и вариативным. Продолжаются исследования формирования микробиома, предполагается, что этот процесс зависит от множества факторов, таких как пищевые привычки, место обитания, возраст, раса, пол, гормональные изменения и даже прием лекарств.

К примеру, доказано, что в период полового созревания происходят изменения в микробиоме кожи. У женщин состав и структура вагинального микробиома меняется, как минимум, трижды: во время беременности, после родов и в период менопаузы.

Следует отметить, что микробиом человека состоит из определенных видов микроорганизмов, которые дополняют друг друга и даже своего хозяина, выполняя важные функции для поддержания жизнеспособности человека.

Например, кишечные бактерии участвуют в синтезе витаминов и ферментов, процессах пищеварения, укреплении иммунной системы и даже могут влиять на активность головного мозга.

Что интересно, микробиом человека может содержаться даже за пределами тела. Наши микробы могут оставаться на любой поверхности, с которой мы контактируем, и даже быть в окружающей среде. Человеку достаточно просто зайти в помещение, чтобы оставить в воздухе часть собственных микробов. , так называемое “микробное облако”.

Роль в организме

Симбиоз микробов играет важную роль для человеческого организма, так как принимает участие в:

• повышении иммунитета;
• профилактике инфекций;
• поддержания функциональности пищеварительной системы;
• регулировании гормонального баланса;
• функционировании головного мозга.

Состояние микробиома может даже определить, к развитию каких болезней склонен человек. В 2018 году в британском журнале Nature, который является самым влиятельным научным изданием в области биологии и медицины, были опубликованы результаты крупномасштабного исследования, касающегося микробиома. Ученые, проанализировав микробиом более 1000 здоровых людей, выявили тесную связь между микробиотой и изменениями холестерина, массы тела, уровня глюкозы в крови и некоторыми другими параметрами. Специалисты, проводившие исследование, пришли к выводу, что используя генетические данные и профиль микробиома человека, намного легче определить его склонность к тем или иным нарушениям. Доказано, что изменения микробиома приводят к аллергии, аутоиммунным, сердечно-сосудистым, метаболическим и психиатрическим заболеваниям.

Известно, что витамин В12синтезируется в тонком кишечнике с участием микроорганизмов, содержащиеся в кишечнике.

Связь между микробиомами и здоровьем

Чем больше ученые узнают о микробиоме, тем больше получают доказательств, что дисбаланс микроорганизмов может быть как причиной возникновения болезни, так и причиной восстановления здоровья.

Существуют тесные связи между микробиомом кишечника и возникновением таких болезней как диабет 2 типа, ожирение, ревматоидный артрит, цирроз, воспалительные заболевания кишечника, метаболический синдром. Кроме того, ученые предполагают наличие взаимосвязи между кишечным микробиомом и склонностью человека к тревогам, депрессии и аутизму.

Пищеварение и питание

Микробиота – ключевой фактор, влияющий на пищеварение. Без кишечной микрофлоры многие популярные продукты, которые употребляет человек, были бы для него несъедобными. Например, ту же клетчатку, содержащуюся в овощах, фруктах и орехах организм не способен усвоить без кишечного микробиома.

В желудочно-кишечном тракте человека легко расщепляются моносахариды (глюкоза) и дисахариды (лактоза). Но ему гораздо труднее переваривать сложные молекулы и полисахариды, а это белки, жиры, крахмал и другие сложные углеводы, полученные из овощей и мяса. И вот здесь на помощь приходит кишечная микробиота, бактерии которые расщепляются путем ферментации сложные составы до метаболитов, которые организм уже способен усвоить и использовать в собственных потребностях.

На протяжении множества лет человечество было убеждено, что масса тела определяется исключительно тем, сколько человек употребляет пищи. Но недавние экспериментальные исследования на мышах продемонстрировали, что на склонность к полноте влияют микробы, живущие в наших телах. После пересадки подопытным животным микробиоты из кишечника худощавого и тучного человека, мыши, которым достались микробы от более упитанного человека, набрали лишний вес. Вопрос, работает ли эта схема и с человеческим организмом, требует дальнейшего изучения. Но если это так, то микробиота может стать лекарством против ожирения.

Иммунитет и воспаления

Доказано, что от баланса кишечных микробов во многом зависит и баланс иммунной системы. В человеческом кишечнике содержится больше иммунных клеток, чем в любом другом участке организма. То есть микробиота кишечника и клетки иммунитета пребывают в постоянном контакте. Если эту взаимосвязь нарушить, появляется риск развития сложных заболеваний, включая аллергию, ожирение, диабет, депрессию и даже рак.

Экспериментальные исследования на мышах, кишечник которых был максимально “стерильным” продемонстрировали, что такие животные были очень болезненными, у них появились симптомы воспаления легких, астмы и воспалительных заболеваний кишечника. После подсадки мышам бактерий от здоровых животных, они быстро восстанавливались, однако состояние улучшилось только у самых маленьких животных (в возрасте 1-2 недель), более взрослым «пересадка» микробиоты не помогла. Результаты эксперимента расцениваются как очередное подтверждение важности микробиома для выживаемости младенцев и укрепления их иммунитета.

Кроме того, исследования показали, что нарушение кишечного микробиома повышает риск воспалительных заболеваний, в том числе болезни Крона и целиакии, а также делает человека более склонным к аллергиям.

Головной мозг и нервная система

Существует тесная взаимосвязь между желудочно-кишечным трактом и центральной нервной системой. Эта связь базируется на блуждающем нерве, который посылает сигналы из кишечника в мозг и наоборот. Кишечный микробиом способен вырабатывать целый ряд нейротрансмиттеров, в том числе серотонин и ГАМК, которые влияют на настроение, аппетит и мышление, а также могут активировать блуждающий нерв.

В одном из исследований ученые обнаружили, что мыши, которым внедрили штамм кишечной бактерии Lactobacillus rhamnosus, в стрессовых ситуациях проявляли меньше беспокойства и у них вырабатывалось меньше гормона стресса, чем у контрольных животных. При выключении у животных блуждающего нерва различия в поведении мышей исчезли, независимо от состояния их кишечного микробиома.

Другие исследования на мышах также подтвердили существование взаимосвязи между кишечными микробами и депрессией, болезнью Паркинсона, аутизмом, нарушениями настроения. Клиницисты отмечают, что почти 70% детей и подростков, страдающих аутизмом, имеют проблемы с работой желудочно-кишечного тракта, что также может быть свидетельством взаимосвязи между микробиомом и работой головного мозга.

Идентифицированные микроорганизмы микробиоты человека

В этой таблице представлен перечень наиболее изученных бактерий (род и виды), населяющих человеческие организмы.

Бактерии человеческого организма

Род бактерий	Виды	Где живет	Главные функции
Bacteroidetes	B. acidi faciens B. eggerthii B. fragilis B. helcogenes B. intestinalis B. thetaiotaomicron	Кишечник	Вырабатывает метаболиты, которые препятствуют воспалениям
Bifidobacterium	B. crudilactis B. denticollis B. gallicum B. gallinarum B. hapali B. indicum B. pullorum B. reuteri	Кишечник, ротовая полость, влагалище	Выполняет ряд полезных для организма функций, в том числе служит для профилактики и лечения язвенного колита
Lactobacillus	L. rhamnosus L. casei L. fermentum L. gasseri L. plantarum L. acidophilus и L. ultunensis	Рот, кишечник, влагалище	Профилактика и лечение диареи, а также других нарушений пищеварения
Prevotella	P. copri P. dentalis P. maculosa P. marshii P. oralis P. oris P. saliva	Рот	Регулирует метаболические процессы
Pseudomonas	P. aeruginosa P. maltophilia P. aeruginosa P. fluorescens P. putida P. cepacia P. stutzeri	Кожа, горло, рот, кишечник, мочеиспускательный канал, влагалище	Вызывает сыпь и кожные инфекции
Стрептококк	S. mitis S. salivarius S. mutans S. pneumonia S. pyogenes	Кожа, глаза, нос, горло, рот, кишки, влагалище	Вызывает разные заболевания, включая пневмонию, фарингит, кожные поражения, сепсис

Исследование микробиомов – сравнительно новое течение в науке. Хотя следует отметить, что русский ученый Илья Мечников еще в 1908 году предположил, что здоровье можно улучшить, а старение организма замедлить, если подкорректировать микрофлору кишечника с помощью полезных бактерий, обнаруженных в кисломолочной продукции. Исследователям предстоит узнать еще много о микробиоте. Но уже есть понимание, что микробы – это не всегда зло и опасность.