Микрофлора человека микробиология кратко

Обновлено: 05.07.2024

Нормальная микрофлора играет важную роль в защите организма от патогенных микробов, например стимулируя иммунную систему, принимая участие в реакциях метаболизма. В то же время эта флора способна привести к развитию инфекционных заболеваний.

Роль нормальной микрофлоры в инфекциях

Большая часть инфекций, вызываемых представителями нормальной микрофлорой, носит оппортунистический характер. В частности, кишечные анаэробы (например, бактероиды) могут вызывать формирование абсцессов после проникновения в кишечную стенку в результате травм или хирургических вмешательств; основными возбудителями часто регистрируемых постгриппозных пневмоний считают микроорганизмы, обитающие в носоглотке любого человека. Число подобных поражений настолько велико, что возникает впечатление, что врачи чаше имеют дело с эндогенными, а не экзогенными инфекциями, то есть с патологией, индуцированной эндогенной микрофлорой. Отсутствие чёткого разграничения между условно-патогенными микробами и комменсалами даёт основание полагать, что неограниченная колонизация любым видом бактерий, способным выживать в организме человека, может приводить к развитию инфекционной патологии. Но это положение относительно — различные члены микробных сообществ проявляют патогенные свойства разного порядка (некоторые бактерии чаще вызывают поражения, чем другие).

Например, несмотря на многообразие кишечной микрофлоры, перитониты, обусловленные прорывом бактерий в брюшную полость, вызывают лишь несколько видов бактерий. Ведущую роль в развитии подобных поражений играет не вирулентность самого возбудителя, а состояние защитных систем макроорганизма; так, у лиц с иммунодефицитами слабовирулентные или авирулентные микроорганизмы (кан-диды, пневмоцисты) могут вызывать тяжёлые, часто фатальные поражения.

Нормальная микрофлора составляет конкуренцию для патогенной; механизмы подавления роста последней достаточно разнообразны. Основной механизм — избирательное связывание нормальной микрофлорой поверхностных рецепторов клеток, особенно эпителиальных. Большинство представителей резидентной микрофлоры проявляет выраженный антагонизм в отношение патогенных видов. Эти свойства особенно ярко выражены у бифидобактерий и лактоба-цилл; антибактериальный потенциал формируется секрецией кислот, спиртов, лизоцима, бакте-риоцинов и других веществ. Кроме того, высокая концентрация указанных продуктов ингибирует метаболизм и выделение токсинов патогенными видами (например, термолабильного токсина энтеропатогенными эшерихиями).

Стимуляция иммунной системы нормальной миклофлорой

Вклад нормальной миклофлорыв в метаболизм

Нормальная кишечная микрофлора играет огромную роль в метаболических процессах организма и поддержании их баланса.

Обеспечение всасывания. Метаболизм некоторых веществ включает печёночную экскрецию (в составе жёлчи) в просвет кишечника с последующим возвратом в печень; подобный печёночно-кишечный круговорот характерен для некоторых половых гормонов и солей жёлчных кислот. Эти продукты экскретируются, как правило, в форме глюкуронидов или сульфатов, не способных в этом виде к обратному всасыванию. Всасывание обеспечивают кишечные бактерии, вырабатывающие глюкуронидазы и сульфатазы. Сульфатазы могут оказывать и неблагоприятное действие, установленное на примере искусственного подсластителя цикла-мата. Фермент конвертирует цикламат в канцерогенный продукт циклогексамин, вызывающий злокачественное перерождение эпителия мочевого пузыря. Обмен витаминами и минеральными веществами. Общепринятый факт — ведущая роль нормальной микрофлоры в обеспечении организма человека ионами Fe2+, Ca2+, витаминами К, D, группы Б (особенно В,, рибофлавин), никотиновой, фолиевой и пантотеновой кислотами.

Кишечные бактерии принимают участие в инактивации токсичных продуктов эндо- и экзогенного происхождения. Кислоты и газы, выделяющиеся в ходе жизнедеятельности кишечных микробов, оказывают благоприятное действие на перистальтику кишечника и своевременное его опорожнение.

Информация на сайте подлежит консультации лечащим врачом и не заменяет очной консультации с ним.
См. подробнее в пользовательском соглашении.

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].

Микробиота - это термин, который используется для характеристики микробиоценоза отдельных органов и систем (кишечник, кожа, плацента, грудное молоко и т.д.), генетического материала и взаимоотношений внутри экологической ниши в определенный период времени на определенной географической территории.

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].

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].

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:

создание колонизационной резистентности [20];
регуляция газового состава, редокс-потенциала кишечника и других полостей организма хозяина [21];
продукция ферментов, участвующих в метаболизме белков, углеводов, липидов, а также улучшение пищеварения и усиление перистальтики кишечника [22];
участие в водно-солевом обмене [20];
участие в обеспечении эукариотических клеток энергией [23];
детоксикация экзогенных и эндогенных субстратов и метаболитов преимущественно за счет гидролитических и восстановительных реакций [20];
продукция биологически активных соединений (аминокислоты, пептиды, гормоны, жирные кислоты, витамины) [20, 24];
иммуногенная функция [20];
морфокинетическое действие (влияние на структуру слизистой оболочки кишечника, поддержание морфологического и функционального состояния желез, эпителиальных клеток) [20];
мутагенная или антимутагенная функция [20];
участие в канцеролитических реакциях (способность индигенных представителей нормальной микрофлоры нейтрализовывать вещества, индуцирующие канцерогенез) [25].

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]:

механических факторов (десквамация эпителия кожи и слизистых оболочек, удаление микробов секретами, перистальтикой кишечника, гидродинамической силой мочи в мочевом пузыре и т.д.);
химических факторов — соляной кислоты желудочного сока, кишечного сока, желчных кислот в тонкой кишке, щелочного секрета слизистой оболочки тонкой кишки;
бактерицидных секретов слизистых оболочек и кожи;
иммунных механизмов — подавлением адгезии бактерий на слизистых оболочках секреторными антителами класса IgA.

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

(основные проекты в разных странах мира, базы данных)

Целями проекта стали:

разработка контрольного набора последовательностей генома микроорганизмов и выполнение предварительной характеристики микробиома человека;
изучение взаимосвязи между болезнью и изменениями в микробиоме человека;
разработка новых технологий и инструментов для вычислительного анализа;
создание репозитория ресурсов;
изучение этических, юридических и социальных последствий исследований микробиома человека.

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.

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

5. Заключение

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

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

Изучение и коррекция микробиоты беременных. Длительное назначение пробиотиков как безопасных препаратов на этапе подготовки и ведения родов (штаммы Bifidobacterium animalis lactis BB-12, Lactobacillus rhamnosus ATCC 53103 LGG, Lactobacillus acidophilus LA-5), а также изготовление индивидуальных пробиотических смесей для энтерального и местного применения, содержащих не менее 1 000 000 000 бактериальных клеток. Восстановление микросреды влагалища следует сочетать с контролем микробиоты кишечника путем потребления пробиотиков, содержащих Lactobacillus acidophilus, Lactobacillus paracasei (Lpc-37), Bifidobacterium lactis (Bi-07), Bifidobacterium lactis (Bl-04), L. rhamnosus GG, L. rhamnosus Lc705, Propionibacterium freudenreichii ssp. shermanii и B. animalis subsp. lactis BB12 [28]. Данные пробиотики следует активно внедрять в программу подготовки к беременности и родам.
Микробиота при метаболическом синдроме: продемонстрирована эффективность пробиотиков, содержащих Lactobacillus acidophilus, в снижении уровня холестерина, глюкозы крови, а также АД. Кроме того, продемонстрировано, что гипохолестеринемическим эффектом обладают Bifidobacterium longum , Enterococcus faccium и Streptococcus thermophilus [29, 32].
Микробиота в поддержании физической активности и программировании здорового образа жизни. Важным аспектом стало использование обогащенных пробиотиками пищевых продуктов и лекарственных средств, продлевающих жизнеспособность пробиотических смесей в кислой среде пищеварительного тракта (штаммы Bifidobacterium longum ATCC 15707, RO23, BB536), появляется все больше данных об эффективности Bifidobacterium infantis 35624 [33].
Воспалительные заболевания верхних дыхательных путей, заболевания полости рта (парадонтоз, кариес) — при популяционно-значимых заболеваниях, включая инфекции верхних дыхательных путей, продемонстрирована эффективность Lactobacillus GG в микробиоме полости носа.
Микробиота и здоровье кожи, старение, косметология, воспалительные заболевания кишечника, аллергические состояния — в России и за рубежом доказана эффективность различных штаммов лактобактерий и бифидобактерий (Bifidobacterium animalis lactis BB-12, Lactobacillus rhamnosus ATCC 53103, Streptococcus thermophilus TH-4 и B. lactis BL-04), а также оралбиотиков на основе штамма с подтвержденными результатами эффективности Blis K 12. В дерматологических исследованиях показана эффективность Lactobacillus paracasei в лечении атопического дерматита у детей, а также Bifidobacterium lactis в лечении экземы [39—42]. Для лечения антибиотикоассоциированной диареи, а также воспаления, индуцированного химио- и лучевой терапией, наибольшей доказательной базой обладают различные штаммы Lactobacillus acidophilus [43—47].
В восстановлении микробиоты полости рта, комплексной терапии кариеса обсуждаются Lactobacillus plantarum CECT 7481 и Lactobacillus brevis CECT 7480, BSH-1 и L. salivarius UCC118.
Изучение различных сочетаний штаммов пробиотиков и обогащенных ими продуктов питания является актуальным, так как подтверждено исследованиями интегральной роли микробиоты кишечника и других локусов организма в формировании здорового организма в разных возрастных категориях.

Источник: Попова Е.Н., Гордеев И.Г. Современные представления о микробиоте человека . / МИКРОБИОТА . - Монография под редакцией Е.Л. Никонова и Е.Н. Поповой. – Москва. - 2019 . - С.5-19.

Дополнительно см.:

Список литературы

Будьте здоровы!

ССЫЛКИ К РАЗДЕЛУ О ПРЕПАРАТАХ ПРОБИОТИКАХ

Читайте также: