Микробиома человека что это

Не все йогурты одинаковые — полезные статьи Активиа

Микробиота кишечника: что это такое и в чём её роль в организме человека

В нашем организме около 30 триллионов клеток и почти столько же бактерий.

Что такое микробиота?

По нашему телу микроорганизмы распределены неравномерно, и в местах обитания бактерий – нишах – формируется свое особенное микробное сообщество: на коже, в полости рта, дыхательных путях и кишечнике.

***Разная микробиота: собственные наборы бактерий для кожи, полости рта, лёгких, влагалища, кишечника.

Человек не приходит в этот мир с уже сформировавшейся микробиотой — она развивается и до, и после рождения.

Примерно к трем годам у ребенка полностью формируется микробиота [2]. В течение всей жизни она будет меняться незначительно [3], а в пожилом возрасте ее состав станет менее разнообразным из-за процессов старения и влияния привычной пищи [4].

Микробиом, микробиота, микрофлора — в чем разница?

Термины «микробиом» и «микробиота» часто используются как синонимы, но различия между ними все-таки есть.

Микробиота — это совокупность микроорганизмов определенной экосистемы (наше тело — тоже своего рода макроэкосистема для различных микроорганизмов). Ее составляют не только бактерии — она включает еще и дрожжи, вирусы, археи и другие виды микроорганизмов.

Микробиом — это совокупность генов микробиоты, ее коллективный геном.

Кто населяет наш кишечник?

Условно-патогенные (оппортунистические) бактерии для здорового человека обычно безвредны. Но они резко размножаются при негативном воздействии на организм. Если человек получил травму, произошел сбой в иммунной системе или нарушился баланс в составе микробиоты, нейтральные микробы могут стать патогенными. Например, из-за стресса на фоне приема антибиотиков растет число оппортунистических бактерий [8,9].

Функции кишечной микробиоты

Работа, которую выполняют бактерии кишечника, трудна и незаметна — по крайней мере, на первый взгляд. Однако именно микробиота нужна для выполнения нескольких важных функций организма [10]:

• Поддержка иммунитета. Микробиота нужна для эффективной работы иммунной системы: бактерии кишечника выступают в роли своеобразного «тренажера». А главное, обитатели микробиома постоянно конкурируют между собой, занимая свободное пространство, и места для патогенных микробов уже не остается.

• Синтез витаминов (К, группы В и других), которые всасываются в кишечнике вместе с пищей.

Этим перечнем функции микробиоты не исчерпываются. Исследования показывают [11], что бактерии в ее составе влияют на настроение, на работу нейромедиаторов и на уровень главного гормона стресса — кортизола.

Все эти функции — пищеварение, помощь иммунной системе, синтез витаминов — выполняют далеко не все бактерии. Микробиота — это целая экосистема, где каждая часть микроорганизмов отвечает за свою задачу. Фактически, это орган в органе со своими особенностями и функциями. Мы получаем его при рождении и растем вместе с ним, формируя свой собственный, уникальный профиль микробиома.

Что может влиять на микробиоту

Что же влияет на микробиоту?

Как улучшить микробиом кишечника

Вопросы и ответы о микробиоте

Различается ли микробиота толстого и тонкого кишечника?

Да, различается — и по составу (количественному и качественному), и по функциям. Микробиота тонкого кишечника отвечает за защиту слизистой оболочки, принимает активное участие в усвоении питательных веществ, участвует в иммунной защите нашего организма.

Микробиом толстого кишечника — это настоящий центральный реактор всего ЖКТ. От него зависит наше самочувствие. К тому же, в толстом кишечнике микробиоты в разы больше, чем в тонком. Поэтому мы чаще говорим о микробиоте толстого кишечника.

Как узнать состояние своей микробиоты?

Если исследование нужно для лечения, назначить его и интерпретировать полученные результаты должен только лечащий врач.

Связаны ли микробиоты разных органов?

Тем не менее, микробиоты могут влиять друг на друга. Например, продолжительный прием определенных лекарств может привести к тому, что микробы желудка будут попадать в кишечник и там размножаться, приводя к дисбиозу.

Что такое «пересадка микробиоты»?

Это еще один способ восстановить баланс микроорганизмов, когда бактерии доставляются не стандартным способом, через весь ЖКТ, а сразу в нужную часть кишечника. Так микробы оказываются на нужном месте быстрее, но пересадка весьма трудоемка, и используют ее редко, только при очень тяжелых заболеваниях. Чаще всего достаточно классических методов лечения.

Источник

Микробиота человека

МИКРОБИОТА

Современные представления о микробиоте человека

1. Введение

С момента первых исследований бактерий кишечника, описанных более 300 лет назад в работах Антони ван Левенгука, а впоследствии Л. Пастера, Р. Коха, И.И. Мечникова, представления о роли микроорга­низмов, составляющих внутреннюю среду организма человека, за по­следние годы во многом изменились. Прежде всего, прогресс в понима­нии микробного сообщества человека стал возможным благодаря иссле­дованиям в области состава генома. В работах Нормана Пэйса была вы­двинута идея выделения ДНК из океанической среды, в 1991 г. он с кол­легами опубликовал работу о выделении и идентификации последова­тельностей гена 16S рРНК из образца воды Тихого океана [1, 2]. Следу­ющей исторической вехой в развитии метагеномики стала 2-летняя Глобальная океаническая экспедиция по сбору метагеномных образцов (GOS) в 2003 г., учрежденная Крэйгом Вентером. Состав собранных об­разцов был определен по результатам секвенирования генов 16S рРНК, и в одном только Саргассовом море было найдено свыше 2000 новых ви­дов бактерий [3].

По мере изучения генов в условиях современного окружения челове­ка, формирующегося под влиянием научно-технического прогресса, сте­реотипов в питании, гигиене, общекультурных ценностей, накапливается все больше данных, многие из которых имеют высокодостоверные дока­зательства [4, 5], что биологическая среда человека изменчива и представ­лена различными типами микроорганизмов, заселяющих все экологиче­ские ниши организма. Микробиом, сформировавшийся в процессе эво­люции, имеет огромное значение как для контроля оптимального уровня метаболических процессов в организме, так и для создания высокой ко­лонизационной резистентности к условно-патогенным микроорганиз­мам. Микробные элементы человека становятся барьером на пути экзо­генной инфекции — участвуют в обеспечении реакций обезвреживания токсинов, ограничивают патогенную активность бактерий и их колониза­цию в различных органах и системах [6].

2. Микробиота как отдельный орган в организме человека

(эволюция представлений, терминология)

Бактерии, обитающие в одной экологической нише, образуют слож­ную систему межвидового обобщенного метаболизма, наиболее эффек­тивно используют имеющиеся ресурсы питательных веществ, кислород, свет. Кожа, полость рта, влагалище и желудочно-кишечный тракт обеспе­чивают среду жизнедеятельности для колоссального числа микробных единиц. Даже легкие и плацента, ранее считавшиеся стерильными, пред­полагают определенную колонизационную активность, что было показа­но в результате изучения микросред у здорового человека [1].

Понятие « микробиом » было впервые внедрено в 2001 г. для обозначения коллективных геномов микробных популяций человека. Микробиом чело­века состоит не только из бактерий, но также из археев и эукариот, таких как простейшие, грибов и нематод, вирусов, коллективно называемых virome [7]. Изучают микробиом на метагеномном уровне с использованием методик, основанных на секвенировании не только последовательности генов 16S рР­НК, но и всех генов и некодирующих участков (так называемое шотган-секве­нирование, англ.: shotgun sequencing). Вследствие этого стало возможным по­лучать информацию о таксономическом составе микробиоты различных ло­кусов организма, ее функциональном потенциале — через определение отно­сительной представленности генов, кодирующих те или иные белки, в част­ности гены ферментов метаболических путей. Количество работ по метаге­номике постоянно растет, появляетс я все больше данных о значении микро­биоты различных локусов организма в норме и патологии [8].

Широкое распространение генные исследования микроорганизмов получили только в первом 10-летии XXI века благодаря появлению высо­копроизводительных приборов для секвенирования. Первая работа по метагеному кишечника человека была опубликована американскими уче­ными в 2006 г., в ней был проведен функциональный анализ двух наборов метагеномных прочтений, полученных из образцов кала. Вслед за ней вы­шла статья группы ученых из Японии с описанием уже 13 новых образцов. В обоих исследованиях применялось полногеномное шотган-секвениро­вание с последующей de novo сборкой контигов и предсказанием откры­тых рамок считывания, а таксономическая принадлежность определялась путем поиска ближайшего сходства этих контигов с базой геномных последовательностей NCBI, в частности посредством построения генных карт и последовательностей [10].

Изучение микробиоты различных сообществ имеет фундаментальное значение. Исследования общих и частных взаимосвязей внутри микро­биоты в различных организмах и средах, значение и вклад различных ти­пов микроорганизмов в поддержание гомеостаза, механизмы ответа на раздражители внешней среды необходимы для оптимизации исследова­ний в области экологии и молекулярной биологии [11].

Медицинские и клинические аспекты изучения микробиоты затраги­вают, прежде всего, уточнение взаимосвязи вариативности микроорга­низмов с риском развития заболеваний — сердечно-сосудистых, аллерги­ческих, онкологических и т.д. Предметом наибольшего числа работ явля­ется микробиота кишечника человека как наиболее многочисленная и разнообразная по сравнению с другими локусами организма [12].

Хотя изучение микробиоты человека стало возможным только за по­следние 20 лет благодаря развитию геномных исследований, биоинфор­матики, термин «микробиота» был использован еще в середине 40-х годов прошлого века при описании микробной контаминации бактериями по­лости рта, а «микробиомом» обозначили коллекцию микробных генов в конкретной экосистеме [12, 13].

Было установлено, что связанная с человеком микробиота состоит из не менее чем 40 000 бактериальных штаммов в 1800 родах, которые содержат до 10 млн отличающихся от человека генов [10]. Современное описание микро­биоты как генетического сообщества микроорганизмов человека принадле­жит нобелевскому лауреату Joshua Lederberg (1925—2008) и рассматривается как единый организм с индивидуальными генетически признаками. Микро­биота стала предметом интенсивного изучения в области протеомики и мета­боломики, близких направлений современной биомедицины, связанных с расшифровкой нарушений синтеза и структуры белков, липидов, активно­сти ферментов. Это создает перспективы для индивидуального подбора ле­карственной терапии и раннего прогнозирования развития заболеваний [14].

Сейчас идентифицировано более 5000 видов микроорганизмов, из них 90% не культивируемы в лабораторных условиях [http://www.ensembl.org]. С этих позиций человек вместе с живущими в его кишечнике генетически совместимыми микроорганизмами представляет единый «суперорганизм» с организованной работой ферментов, кодируемых не только геномом соб­ственно человека, но и геномами всех симбиотических микроорганизмов. Суммарная масса бактерий, ассоциированных с желудочно-кишечным трактом (ЖКТ) здорового человека, достигает 2,5—3 кг [15] и сравнима с массой головного мозга у взрослого человека (около 1,5 кг). При этом ки­шечник является первым органом иммунной системы организма, он содер­жит 80% всех иммуноглобулинов и 10 6 лимфоцитов в 1 г лимфоидной ткани (M. Sun, 2015). В этой экосистеме существуют разнообразные механизмы и типы взаимоотношений как между бактериями, так и между бактериями и клетками хозяина (комменсализм, мутуализм, паразитизм).

В состав микробиоты кишечника входит более 3 млн генов. Треть ми­кробиоты кишечника человека является общей для большинства людей, в то время как 2/3 индивидуальны, создавая своеобразное «удостоверение личности» [16]. Разнообразие микробиоты кишечника определяет гене­тическую вариацию среди индивидуумов, повышая толерантность к нега­тивным факторам окружающей среды [17]. Считают, что недостаточная вариативность микробиоты кишечника у матери неблагоприятно сказы­вается на риске заболеваний у новорожденных детей [18].

В то же время появились данные о том, что вариации генома макро­организма могут влиять на видовой состав кластеров бактерий. Данная закономерность была выявлена для 15 областей тела человека включая поверхностные и глубокие слои кожи, ротовую полость, кишечник, лег­кие и влагалище [19]. Таким образом наблюдается взаимное влияние ге­нетического материала макроорганизма на микробиоту, и наоборот. Микробиота человека включает облигатные возбудители, постоянно присутствующие в организме человека и выполняющие важную роль в метаболизме хозяина и защите его от возбудителей инфекционных забо­леваний. Вторая составляющая нормальной микрофлоры — транзитор­ная микрофлора (аллохтонная, случайная). Представители факульта­тивной части микрофлоры достаточно часто встречаются у здоровых людей, но их качественный и количественный состав непостоянен и время от времени меняется. Количество характерных видов относитель­но невелико, зато численно они всегда представлены наиболее обильно.

Функции нормальной микрофлоры кишечника:

Важнейшей функцией нормальной микрофлоры является ее участие в создании колонизационной резистентности (сопротивляемость, устойчи­вость к заселению посторонней микрофлорой). Механизм создания коло­низационной резистентности комплексный. Колонизационная резистент­ность обеспечивается способностью некоторых представителей нормаль­ной микрофлоры адгезироваться на эпителии слизистой оболочки кишеч­ника, образуя на ней пристеночный слой и тем самым препятствуя прикре­плению патогенных и условно-патогенных возбудителей инфекционных заболеваний. Другой механизм создания колонизационной резистентно­сти связан с синтезом микроорганизмами ряда веществ, подавляющих рост и размножение патогенов, прежде всего органических кислот, перекиси водорода и других биологически активных субстанций, а также с конкурен­цией с патогенными микроорганизмами за источники питания.

Состав микрофлоры и размножение ее представителей контролируются прежде всего макроорганизмом (колонизационная резистентность, связанная с организмом хозяина) с помощью следующих факторов и механизмов [26]:

3. Деятельность международных организаций и научных объединений по изучению микробиоты человека

(основные проекты в разных странах мира, базы данных)

Значительный прогресс в области изучения микробиоты и биологии стал возможным благодаря внедрению метода секвирования генов с ис­пользованием консервативной 16S рРНК. Эти исследования раскрыли перспективы для обнаружения некультивируемых бактерий, и уже сегод­ня значительно продвинули понимание кишечного микробиома (бакте­рии и их геном. Фундаментальные исследования были инициированы в рамках создания двух крупнейших консорциумов по изучению микро­биоты человека: MetaHIT (Metagenome of Human Intestinal Tract) в Европе и HMP (Human Microbiome Project) в США. В 2008 г. Национальный ин­ститут здравоохранения США начал финансирование проекта «Микро­биом человека» (Human Microbiome Project — НМР http://hmpdacc.org/).

Целями проекта стали:

Параллельно инициирована программа MetaHIT, продолжающаяся до настоящего времени, целью которой является «создать взаимодействия между генами микробиоты кишечника человека у здоровых и больных» (http://www.metahit.eu/) [7]. Ученые, участвующие в рамках проекта MetaHIT совместно с BGI (Beijing Genomics Institute, Китай), установили каталог из 3,3 млн преобладающих бактериальных генов в метагеноме ки­шечника человека [15].

В 2007 г. проект «Микробиом человека» получил статус приоритетного пути к открытиям в науке, активно поддерживается и сегодня, продолжает­ся до настоящего времени. Изучение человеческого микробиома также проводится на международном уровне под эгидой Международного кон­сорциума микробиомов человека в других странах. Канадские институты исследований здоровья через Институт инфекционных заболеваний и им­мунитета возглавляют «Канадскую инициативу по анализу и характеристи­кам микробов», которые колонизируют организм человека и потенциально влияют на изменение микробиоты при хронических заболеваниях.

В системе проекта «Микробиом человека» первоначально участвова­ли около 200 ученых из 80 мультидисциплинарных исследовательских ин­ститутов. Общая стоимость исследований составила 173 млн долларов. Изучены образцы тканей из 15 мест на теле 129 мужчин и 18 мест у 113 женщин. Все добровольцы — здоровые люди в возрасте от 18 до 40 лет — предоставили по три образца слизистой с внутренней стороны щек, носа, кожи за ухом и локтевого сгиба, а также фекальные пробы. Результаты опубликованы в ведущих по рейтингу журналах — Nature и др.

По результатам генетического анализа биоматериала было установле­но, что в человеческом организме обитает свыше 10 тыс. видов различных микробов. Так, если в геноме человека содержится 22 тыс. генов, кодиру­ющих белки для регуляции метаболизма, микробиом добавляет еще око­ло 8 млн уникальных бактериальных генов. В это же время исследователя­ми из США был опубликован список секвенированных геномов бактерий и архей, найденных в микробиоте человека. Эти две работы стали отправ­ными пунктами для дальнейших исследований, в частности высокоза­тратных и трудоемких методов шотган-секвенирования для качественной и количественной характеристики метагенома.

На веб-сайте проекта «Микробиом человека» за период с июня 2009 г. по август 2012 г. зарегистрировано более 190 рецензируемых публика­ций по геномным исследованиям. В настоящее время информационное поле постоянно наполняется новыми базами данных. К ним относятся IMG, база данных Integrated Microbial Genomes и система сравнитель­ного анализа IMG/M, связанная система, которая объединяет наборы метагеномных данных с изолированными микробными геномами из си­стемы IMG; CharProtDB, база данных экспериментально охарактеризо­ванных аннотаций белка и базы данных Genomes OnLine (GOLD) для мониторинга состояния геномных и метагеномных проектов во всем мире и связанных с ними метаданных. В России также ведутся исследо­вания, но главным образом в составе международных групп.

Информационные базы связаны с биомедицинскими технологиями передачи и хранения информации, активно разрабатываются инструменты для сравнительного анализа, которые облегчают выявление общих моде­лей, основных тем и тенденций в сложных наборах данных. К ним относят­ся RAPSearch2, быстрый и эффективный с точки зрения памяти метод по­иска сходства с белком для данных секвенирования следующего поколе­ния; Boulder Alignment Editor (ALE), инструмент для выравнивания РНК; WebMGA — настраиваемый веб-сервер для быстрого анализа метагеном­ной последовательности и DNACLUST, инструмент для точной и эффек­тивной кластеризации филогенетических маркерных генов, разработки новых методов и систем для сбора массивных наборов данных последова­тельности. Ни один алгоритм сборки не разрешает все известные проблемы сборки коротких последовательностей, поэтому программы сборки следу­ющего поколения, такие как AMOS, являются модульными, предлагая ши­рокий набор инструментов для сборки. Разработаны новые алгоритмы для улучшения качества и практической значимости проектов геномов.

Сборка каталога секвенированных эталонных геномов чистых бакте­риальных штаммов производилась из нескольких участков тела, с кото­рыми можно сравнивать метагеномные результаты. Первоначально це­лью было определение 600 геномов. В настоящее время планируется определение 3000 геномов и создание упорядоченного каталога, по край­ней мере в черновом варианте. По состоянию на март 2012 г. было зареги­стрировано 742 генома. Создан Центр анализа данных и координации (DACC), который служит в качестве центрального хранилища для всех данных Проекта. Изучаются юридические и этические вопросы, связан­ные с целыми исследованиями секвенирования генома.

4. Основные концепции и тренды научных и клинических исследований в изучении микробиоты

Основными концептуальными положениями, позволяющими сфор­мулировать тренды научных и клинических исследований (согласно про­екту «Микробиом человека»), следует считать [7]:

5. Заключение

Таким образом, за последние 10 лет достигнут значительный прогресс в понимании микробиоты человека как экосистемы, выполняющей функции отдельного органа в макроорганизме.

Микробиом — это совокупность генов микроорганизмов в организме человека, тогда как микробиота — экосистема с генетическими признака­ми, сформировавшимися в определенное время на определенной геогра­фической территории. Микробиота взаимодействует с остальными органа­ми и системами, определяя функционирование организма в целом как у здорового человека, так и при заболеваниях. Изучением микробиоты зани­маются крупнейшие консорциумы («Микробиом человека» — США, МetaHIT — Европа). Доказана генетическая гетерогенность, или вариатив­ность микробиоты у здорового человека, определяющая устойчивость к не­благоприятным факторам, инфекциям, изучается участие микробиоты ки­шечника как наиболее генетически разнообразной и многочисленной в раннем формировании иммунного ответа как у здоровых людей различного возраста, так и при заболеваниях. Накапливается все больше данных о зна­чении применения пробиотиков и трансплантатов микробиоты в лечении иммуноопосредованных заболеваний и при метаболическом синдроме, за­болеваниях полости рта, синдроме раздраженной толстой кишки и синдро­ме избыточного бактериального роста (СИБР).

Наиболее перспективными для изучения эффективности пробиоти­ков в настоящее время следует считать следующие направления:

«Метагеномика и кишечный микробиом»

Дополнительно см.:

Список литературы

Будьте здоровы!

ССЫЛКИ К РАЗДЕЛУ О ПРЕПАРАТАХ ПРОБИОТИКАХ

Источник

Физические упражнения – новый подход к коррекции микробиома

С появлением возможности изучения микробиома кишечника, влияние на его таксономический состав и метаболизм с помощью упражнений служит предметом широкого научного интереса

Микробиом человека – важная составляющая здоровья

С развитием в конце ХХ века методов, позволяющих оценить состав и функции микроорганизмов, а именно секвенирования генома, появилась возможность изучить разнообразие микробных сообществ. Для качественной и количественной оценки бактериального разнообразия в образцах широко применяется секвенирование 16S рибосомальной РНК микроорганизмов, все более доступными становятся методы метагеномного анализа, позволяющие провести оценку метаболизма и функций того или иного вида бактерий. (3)

Наибольшее количество бактерий находится в толстой кишке, среди которых в норме преобладают два типа, Bacteroidetes и Firmicutes (∼90%). Тип Firmicutes состоит из более чем 250 родов бактерий, среди которых Lactobacillus и Clostridium, в то время как тип Bacteroidetes включает 20 родов, с преобладанием Bacteroides. Такие типы как Actinobacteria, Proteobacteria и Verrucomicrobia обнаруживаются в составе нормальной микрофлоры, но в гораздо меньших количествах. (1,4) Кроме того, среди здоровой микробиоты толстой кишки могут встречаться метанопродуцирующие археи, которые, в отличии от других живых организмов, не содержат пептидогликан в клеточной стенке и имеют особые рибосомы и рибосомные РНК, а также эукариоты (дрожжи) и вирусы.

Понятие «нормы» в отношении кишечного микробиома относительно, его состав может изменять множество различных факторов, воздействующих на кишечник и организм человека в целом. В настоящее время важным для поддержания равновесия между непатогенными и условно-патогенными бактериями считается отношение численности Bacteroidetes к Firmicutes (так называемый градиент Firmicutes/Bacteroidetes). (5)

Заселение кишечника микроорганизмами начинается с рождения, и состав микробиома определяется в значительной степени способом родоразрешения. В последующем микрофлора кишечника изменяется в зависимости от пищевых привычек, адаптируясь к новым продуктам в рационе человека. (6, 7) Вакцинация, различные заболевания, прием лекарственных препаратов, курение и другие факторы также влияют на композицию кишечного микробиома и его метаболизм. (8, 9) В то же время имеет место двустороннее взаимодействие между микро- и макроорганизмом. Очевидной демонстрацией этому служит важная роль кишечной микробиоты в формировании гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой оси, которая участвует в регуляции иммуномодуляции, обмена липидов, энергетического баланса и электрофизиологической активности энтеральной нервной системы. (11)

Влияние физических упражнений на изменение кишечного микробиома

Регулярные физические упражнения рекомендованы Всемирной организацией здравоохранения для укрепления здоровья и снижения риска развития многих заболеваний, в том числе психических, а также для увеличения продолжительности жизни. (12) Эти рекомендации основаны на данных множества исследований, демонстрирующих разнообразие патогенетических путей, посредством которых улучшается здоровье на фоне физической нагрузки. (13) С появлением возможности изучения микробиома кишечника, влияние на его таксономический состав и метаболизм с помощью упражнений служит предметом научного интереса.

Изучение микробного состава животных при физических упражнениях демонстрирует противоречивые результаты. Например, в некоторых исследованиях обнаружено увеличение градиента Firmicutes/Bacteroidetes, в то время как другие свидетельствуют о его снижении или отсутствии изменений. (Таблица 1)

Вероятно, это связано с отсутствием стандартизации вида физических упражнений, породы и возраста животных, их диеты.

Таблица 1. Влияние физических упражнений на кишечный микробиом животных

Источник