Кишечная микробиота: современные представления о видовом составе, функциях и методах исследования

Ключевые слова
Похожие статьи в журнале РМЖ

Читайте в новом номере

Импакт фактор - 0,593*

*пятилетний ИФ по данным РИНЦ

Регулярные выпуски «РМЖ» №17 от 22.09.2017 стр. 1244-1247
Рубрика: Гастроэнтерология
Кишечная микробиота – это совокупность различных видов микроорганизмов, населяющих кишечник человека. По последним данным, число ее представителей не меньше, чем клеток в человеческом организме, а число родов и видов, по оценкам, превышает 50 и 500 соответственно. В ходе обширного исследования европейской (MetaHIT) и американской (HMP) популяций было выяснено, что доминируют в составе микробиоты микроорганизмы типов Bacteroidetes и Firmicutes. В настоящее время активно обсуждается концепция энтеротипов кишечной микробиоты, которая постулирует существование устойчивых кластеров ключевых родов бактерий в организме человека, не являющихся континент- и популяционно-специфичными – это энтеротипы с преобладанием Bacteroides, Prevotella и Ruminococcus. Доминирование тех или иных видов зависит во многом от возраста макроорганизма. Имеются данные о том, что микроорганизмы могут заселять пищеварительный тракт плода еще до рождения. Микробиота кишечника выполняет защитную функцию, участвует в регуляции иммунной, нервной и эндокринной систем, является важным участником пищеварительных процессов, синтезирует витамины групп В и К, местные антибиотики, короткоцепочечные жирные кислоты, играет важную роль в нейтрализации лекарств и ксенобиотиков. В статье приводятся краткое описание и сравнение особенностей традиционных и современных методов исследования микробиоты.

Ключевые слова: микробиота, точная медицина, энтеротип, культуральный метод, секвенирование, полимеразная цепная реакция, ПЦР, ПЦР в реальном времени, масс-спектрометрия, 16s рРНК, shotgun-sequencing, RT-Q-PCR.

Для цитирования: Кожевников А.А., Раскина К.В., Мартынова Е.Ю., Тяхт А.В., Перфильев А.В., Драпкина О.М., Сычев Д.А., Фатхутдинов И.Р., Мусиенко С.В., Никогосов Д.А., Жегулина И.О., Бавыкина Л.Г., Каршиева А.В., Селезнева К.С., Алексеев Д.Г., Потешкин Ю.Е. Кишечная микробиота: современные представления о видовом составе, функциях и методах исследования // РМЖ. 2017. №17. С. 1244-1247
Intestinal microbiota: modern concepts of the species composition, functions and diagnostic techniques
Kozhevnikov A.A.1, Raskina K.V.2, Martynova E.Yu.2, Tyakht A.V.3, Perfiliev A.V.4, Drapkina O.M.5, Sychev D.A.6, Fatkhutdinov I.R.4, Musienko S.V.3, Nikogosov D.A.3, Zhegulina I.O.4, Bavykina L.G.4, Karshieva A.V.4, Selezneva K.S.4, Alekseev D.G.3,7, Poteshkin Yu.E.1, 4

1 Russian National Research Medical University named after N.I. Pirogov, Moscow; 2 First Moscow State Medical University named after I.M. Sechenov; 
3 Biomedical Holding «Atlas», Moscow; 4 «Atlas Medical Center», Moscow; 5 National Medical Research Center for Preventive Medicine, Moscow; 6 Russian Medical Academy of Postgraduate Education, Moscow; 7 Novosibirsk State National Research University

Intestinal microbiota is a community of different types of microorganisms inhabiting the human intestine. According to the latest data, the number of its representatives is not less than the number of cells in the human body, and the number of genera and species is estimated to exceed 50 and 500, respectively. In the course of an extensive study of the European (MetaHIT) and American (HMP) populations, it was found that Bacteroidetes and Firmicutes are the dominant types of microorganisms in microbiota. Currently, the concept of the intestinal microbiota enterotypesis is actively discussed. It postulates the existence of stable clusters of key bacterial genera in the human body that are not continent-specific and population-specific: they are enterotypes with the predominance of Bacteroides, Prevotella and Ruminococcus. The dominance of these or other species depends largely on the age of the individual. There is evidence that microorganisms can colonize the digestive tract of the fetus even before birth. The intestinal microbiota performs a protective function, participates in the regulation of the immune, nervous and endocrine systems, is an important participant in the digestive processes, synthesizes B and K vitamins, local antibiotics, short-chain fatty acids, plays an important role in neutralizing drugs and xenobiotics. The article briefly describes and compares the features of traditional and modern methods of microbiota research.

Key words: microbiota, precision medicine, enterotype, culture method, sequencing, polymerase chain reaction, PCR, real-time PCR, mass spectrometry, 16s rRNA, shotgun-sequencing, RT-Q-PCR.
For citation: Kozhevnikov A.A., Raskina K.V., Martynova E.Yu. et al. Intestinal microbiota: modern concepts of the species composition, functions and diagnostic techniques // RMJ. 2017. № 17. P. 1244–1247.

Статья посвящена современным представлениям о видовом составе, функциях и методах исследования кишечной микробиоты

Кишечная микробиота: современные представления о видовом составе, функциях и методах исследования

    Введение

    Актуальность данного обзора обусловлена появлением в настоящее время новых сообщений, касающихся взаимосвязи кишечной микробиоты и заболеваний человека, а также распространением более точных методов диагностики и формированием открытых баз данных, в которых регистрируется информация о генетическом составе и функциях микробиоты. Возрастающий интерес к обитателям кишечника находит отражение в динамике числа публикаций на информационном ресурсе PubMed: по запросу «gut microbiota» можно найти всего 8 статей, датированных 2000 годом, 531 статью – 2011-м, и уже 3189 статей – 2016-м. Открываются новые перспективы использования микрофлоры в клинической практике в качестве точки приложения терапевтического вмешательства. Принимая во внимание тот факт, что состав микробиоты является индивидуальным для каждого человека, ее исследование как нельзя лучше вписывается в набирающую силу концепцию точного медицинского подхода. Данная статья – первая из цикла обзоров, посвященных наиболее актуальным особенностям микрофлоры кишечника   – знакомит читателей с составом микробиоты, ее основными функциями, а также представляет традиционные и инновационные методы исследования. 
    Кишечная микробиота (далее – микробиота) представляет собой множество различных видов микроорганизмов, населяющих кишечник человека. Это более 50 родов и более 500 видов бактерий, количество которых в ЖКТ человека превышает 1014, что на один порядок больше числа клеток человеческого организма [1]. Данные некоторых молекулярно-филогенетических исследований свидетельствуют о наличии в человеческом кишечнике от 15 до 36 (!) тысяч видов бактерий [2]. Тем не менее дискуссии о количестве микробов в организме человека не утихают до сих пор. В 2016 г. были опубликованы результаты исследования израильских и канадских ученых, согласно которым микроорганизмов в человеческом теле примерно столько же, сколько и клеток (3,9×1013 и 3,0×1013 соответственно) [3].
    Численность микробиоты постепенно увеличивается по ходу кишечника, составляя в тонкой кишке 102–107 КОЕ/г [4] и достигая максимального значения в толстой кишке – до 1011 КОЕ/г [5]. Такая разница может объясняться наличием в верхних отделах кишечника более агрессивной среды из-за поступающего кислого содержимого желудка, действия пищеварительных ферментов, быстрого продвижения химуса. Преобладающих в тонкой кишке аэробов по мере движения вниз по ЖКТ сменяют факультативные, а затем облигатные анаэробы. Это связано со снижением парциального давления кислорода в дистальных отделах ЖКТ.
    Микробиота включает облигатных представителей (постоянно присутствующих в организме хозяина) и транзиторных (поступающих из внешней среды и неспособных к длительному существованию в здоровом организме). Находиться микробы могут в просвете кишечника (полостная микрофлора) и в пристеночной слизи (пристеночная, мукозная микрофлора).
    По типу метаболизма различают протеолитические бактерии, осуществляющие гидролиз белков (кишечная палочка, бактероиды, протей, клостридии), и сахаролитические (бифидобактерии, лактобактерии, энтерококки), получающие энергию из углеводов [6].
    Считается, что бактерии начинают заселять кишечник человека сразу после рождения. В основном это обитатели вагинального тракта матери [7]. Тем не менее имеются данные о возможности более раннего попадания микробов в ЖКТ человека: исследование М. Mshvildadze показало наличие бактериальной ДНК в меконии здоровых новорожденных [8]. По мере развития ребенка увеличивается разнообразие и стабильность его микробиоты: если с первых дней жизни преобладают B. bifidum и Lactobacillus, то затем наблюдается относительное снижение представительства молочнокислой флоры, а среди Bifidobacterium начинают преобладать longum, breve, adolescentis [9]. Ко второму году жизни ребенка его микробиота напоминает микробиоту взрослого организма [10]. 
    Рождение путем кесарева сечения негативно влияет на состав кишечной микробиоты у младенцев: ее разнообразие снижено, редуцировано представительство Bacteroidetes, а также ослаблен иммунный ответ, связанный с T-хелперами 1-го типа [11]. Эти изменения сохраняются на протяжении первых двух лет жизни. 
    По данным исследования американской Human Microbiome Project (HMP) и европейской Metagenomics of human intestinal tract (MetaHIT) популяции, у взрослых кишечная микрофлора представлена двумя преобладающими типами бактерий: Bacteroidetes и Firmicutes (рис. 1) [12]. При этом был введен термин «энтеротипы» – это устойчивые кластеры на основе микробного состава в образцах из кишечника человека, которые определяются преобладанием тех или иных ключевых родов бактерий [13] и не являются популяционно- и континент-специфичными [14]. В энтеротипе-1 доминируют представители рода Bacteroides, в энтеротипе-2 – Prevotella, в энтеротипе-3 – Ruminococcus (рис. 2). Однако четкие критерии определения энтеротипов отсутствуют; кроме того, результаты ряда исследований указывают на незначительное преобладание в биотопах организма ключевых бактериальных родов, а не отдельных кластеров, в связи с чем требуется проведение дальнейших наблюдений, касающихся данного феномена [13]. Наличие четко определенных энтеротипов не было доказано и при метагеномном исследовании кишечной микробиоты добровольцев из городской и сельской местности России: в основном в микробных сообществах не отмечалось доминирования Prevotella или Bacteroides, а в 50% случаев наблюдалось преобладание большого набора троек микроорганизмов (в основном Firmicutes, компанию которым составляли Bacteroidetes, Verrucomicrobia, Actinobacteria, Proteobacteria, Tenericutes и Archaea) [15]. 
Рис. 1. Сравнение качественного состава кишечной микробиоты по данным проектов исследования микробиоты здоровой американской (HMP) и европейской (MetaHIT) популяции. По Arora T. & BКckhed F. [12]
Рис. 2. Три энтеротипа кишечной микробиоты человека
    В таблице 1 представлены функции кишечной микробиоты, в таблице 2 – методы ее исследования.
Таблица 1. Функции кишечной микробиоты
Таблица 2. Методы исследования кишечной микробиоты

    Заключение

    Изучение интестинального микромира представляет собой важный научный и практический интерес. Имеющиеся данные предполагают, что состав микробиоты кишечника у каждого человека индивидуален. Это может стать ключом к разгадке причины различий, наблюдающихся в метаболических процессах у людей со сходными физиологическими данными. Более широкое внедрение в клиническую практику рассмотренных современных методов исследования, обладающих высокой чувствительностью и специфичностью, а также отвечающих требованиям концепции точной медицины, может снизить стоимость проведения подобных обследований, а также получить большой массив данных для изучения и решения насущных научно-клинических проблем. 
Литература
1. Hawrelak J.A., Myers S.P. The causes of intestinal dysbiosis: a review // Altern. Med. Rev. 2004. Vol. 9. №2. P.180–197.
2. Frank D.N. et al. Molecular-phylogenetic characterization of microbial community imbalances in human inflammatory bowel diseases // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. National Academy of Sciences. 2007. Vol. 104. №34. P.13780–13785.
3. Sender R. et al. Revised Estimates for the Number of Human and Bacteria Cells in the Body // PLOS Biol. Blackwell Publishing company. 2016. Vol. 14. №8. P.e1002533.
4. El Aidy S., van den Bogert B. The small intestine microbiota, nutritional modulation and relevance for health // Curr. Opin. Biotechnol. 2015. Vol. 32. P.14–20.
5. Tuohy K., Del Rio D. Diet-microbe interactions in the gut : effects on human health and disease. Elsevier Science. 2014. 268 p.
6. Полуэктова Е.А. и др. Современные методы изучения микрофлоры желудочно-кишечного тракта человека // Российский журнал гастроэнтерологии, гепатологии, колопроктологии. 2014. Т. 24. №2. С.85–91 [Polujektova E.A. et al. Sovremennye metody izuchenija mikroflory zheludochno-kishechnogo trakta cheloveka // Rossijskij zhurnal gastrojenterologii, gepatologii, koloproktologii. 2014. T. 24. №2. S.85–91 (in Russian)].
7. Sekirov I. et al. Gut Microbiota in Health and Disease // Physiol. Rev. 2010. Vol. 90. №3.
8. Mshvildadze M., Neu J. The infant intestinal microbiome: Friend or foe? // Early Hum. Dev. 2010. Vol. 86. №1. P.67–71.
9. Булатова Е., Богданова Н., Лобанова Е. Кишечная микробиота: современные представления // Педиатрия. 2009. Т.87. №3. С.104–110 [Bulatova E., Bogdanova N., Lobanova E. Kishechnaja mikrobiota: sovremennye predstavlenija // Pediatrija. 2009. Т. 87. №3. S.104–110 (in Russian)].
10. Mackie R.I., Sghir A., Gaskins H.R. Developmental microbial ecology of the neonatal gastrointestinal tract. // Am. J. Clin. Nutr. American Society for Nutrition, 1999. Vol. 69. №5. P.1035S–1045S.
11. Jakobsson H.E. et al. Decreased gut microbiota diversity, delayed Bacteroidetes colonisation and reduced Th1 responses in infants delivered by Caesarean section // Gut. 2014. Vol. 63. №4. P.559–566.
12. Arora T., Bäckhed F. The gut microbiota and metabolic disease: current understanding and future perspectives // J. Intern. Med. 2016. Vol. 280. №4. P.339–349.
13. Koren O. et al. A Guide to Enterotypes across the Human Body: Meta-Analysis of Microbial Community Structures in Human Microbiome Datasets // PLoS Comput. Biol. / ed. Eisen J.A. Public Library of Science. 2013. Vol. 9. №1. P.e1002863.
14. Arumugam M. et al. Enterotypes of the human gut microbiome // Nature. 2011. Vol. 473. №7346. P.174–180.
15. Tyakht A.V. et al. Human gut microbiota community structures in urban and rural populations in Russia // Nat. Commun. Nature Publishing Group. 2013. Vol. 4. P.2469.
16. Clayton T.A. et al. Pharmacometabonomic identification of a significant host-microbiome metabolic interaction affecting human drug metabolism. // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. National Academy of Sciences/ 2009. Vol. 106. №34. P.14728–14733.
17. Delzenne N.M., Cani P.D. Interaction Between Obesity and the Gut Microbiota: Relevance in Nutrition // Annu. Rev. Nutr. Annual Reviews. 2011. Vol. 31. №1. P.15–31.
18. Yang S., Rothman R.E. PCR-based diagnostics for infectious diseases: uses, limitations, and future applications in acute-care settings // Lancet Infect. Dis. 2004. Vol. 4. №6. P.337–348.
19. Klein D. Quantification using real-time PCR technology: applications and limitations // Trends Mol. Med. 2002. Vol. 8. №6. P.257–260.
20. Belgrader P. et al. PCR detection of bacteria in seven minutes. // Science. 1999. Vol. 284. №5413. P.449–450.
21. Rosselli R. et al. Direct 16S rRNA-seq from bacterial communities: a PCR-independent approach to simultaneously assess microbial diversity and functional activity potential of each taxon // Sci. Rep. Nature Publishing Group. 2016. Vol. 6. P.32165.
22. Morgan X.C. et al. Chapter 12: Human Microbiome Analysis // PLoS Comput. Biol. / ed. Lewitter F., Kann M. Public Library of Science. 2012. Vol. 8. №12. P.e1002808.
23. Sharpton T.J. An introduction to the analysis of shotgun metagenomic data // Front. Plant Sci. Frontiers Media SA. 2014. Vol. 5. P.209.
24. Koeth R.A. et al. Intestinal microbiota metabolism of L-carnitine, a nutrient in red meat, promotes atherosclerosis. // Nat. Med. NIH Public Access. 2013. Vol. 19. №5. P.576–585.

Только для зарегистрированных пользователей

зарегистрироваться

Оцените статью


Поделитесь статьей в социальных сетях

Порекомендуйте статью вашим коллегам

Предыдущая статья
Следующая статья

Авторизируйтесь или зарегистрируйтесь на сайте для того чтобы оставить комментарий.

зарегистрироваться авторизоваться
Наши партнеры
Boehringer
Jonson&Jonson
Verteks
Valeant
Teva
Takeda
Soteks
Shtada
Servier
Sanofi
Sandoz
Pharmstandart
Pfizer
 OTC Pharm
Lilly
KRKA
Ipsen
Gerofarm
Farmak
Egis
Зарегистрируйтесь сейчас и получите доступ к полезным сервисам:
  • Загрузка полнотекстовых версий журналов (PDF)
  • Медицинские калькуляторы
  • Список избранных статей по Вашей специальности
  • Видеоконференции и многое другое

С нами уже 50 000 врачей из различных областей.
Присоединяйтесь!
Если Вы врач, ответьте на вопрос:
Ликвор это:
Нажимая зарегистрироваться я даю согласие на обработку моих персональных данных
Зарегистрироваться
Если Вы уже зарегистрированы на сайте, введите свои данные:
Войти
Забыли пароль?