Взаимодействие нормальной микробиоты с макроорганизмом
С.В. Бирюкова
Харьковская медицинская академия последипломного образования
Резюме.
В обзоре освещены вопросы взаимодействия нормальной микрофлоры организма, механизмы взаимодействия микробиоты и хозяина. Дана характеристика микрофлоры слизистой оболочки верхних дыхательных путей и желудочно-кишечного тракта и ее роли в поддержании гомеостаза и возникновении патологических состояний.
Ключевые слова: микробиота, механизм взаимодействия, эффекты взаимодействия, микробные модулины.
Список терминов
Анаэробные бактерии – не используют в метаболизме свободный кислород.
Аэробные бактерии – используют свободный кислород в метаболизме.
Бактериоцины – продукты метаболизма, обладающие различными, в том числе бактерицидными свойствами, обеспечивающие взаимодействие клеток – представителей различных видов микроорганизмов.
Биотоп – определенный орган или ткань с находящимися на (в) нем видами микроорганизмов.
Гликокаликс – слизистый остов желудочно-кишечного тракта.
Лиганды – рецепторы связывания.
Микробиота – микробы, вирусы, простейшие, плазмиды и т.д.
Микроцины – продукты метаболизма микробной клетки.
Облигатные (анаэробы) – строгие (анаэробы)
Редокс-потенциал – окислительно-восстановительный потенциал.
Резидентная (микрофлора) – обычная для данного микроорганизма или ткани.
Репелленты – вещества, обладающие отталкивающими свойствами.
Сапрофитные бактерии – свободноживущие, использующие продукты гниения в окружающей среде.
Трансдукция – переписывание нуклеотидной последовательности с ДНК на информационную РНК.
Транслокация – перемещение макрофагов и других иммунных клеток с находящимися в них микроорганизмами или их фрагментами в различные органы.
Трансформация – способ передачи генетического материала.
Факультативные (анаэробы) – используют и процессы окисления, и брожения.
Перечень условных обозначений:
ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота.
ИЛ – интерлейкин.
и-РНК – информационная РНК.
М-КСФ – макрофагальный колониестимулирующий фактор.
РНК – рибонуклеиновая кислота.
ФНО-a - фактор некроза опухолей альфа.
цАМФ – циклический аденозинмонофосфат.
цГМФ – циклический гуанозинмонофосфат.
ЦНС – центральная нервная система.
Организм человека существует в мире, богато населенном различными микроорганизмами. Опасные для жизни специфические инфекции вызываются патогенными микроорганизмами (дифтерия, чума, холера, ботулизм, столбняк и др.), которые обладают большим набором факторов патогенности. Их жизнедеятельность связана с выделением высокотоксических соединений, способствующих развитию генерализованного инфекционного процесса и направленных на гибель как макроорганизма - хозяина, так и на гибель самих бактерий. Развитие микромира по этому пути с общебиологических позиций представляется тупиковой ветвью эволюции.
В связи с этим выглядит не случайным предсказание о том, что опасные инфекции уйдут на второй план по сравнению с инфекциями, вызванными условно-патогенными микроорганизмами (УПМ) - представителями аутомикрофлоры. Это можно констатировать уже на современном этапе развития.
История изучения взаимоотношения макро- и микроорганизмов имеет длительную историю, по сути, со времени открытия Левенгуком микроорганизмов. Однако и до настоящего времени многие стороны такого взаимодействия требуют своего разрешения.
Ребенок развивается в полости матки в стерильных условиях и рождается стерильным. Но уже с первых минут, он вступает в контакт с микрофлорой окружающей среды и в течение короткого времени его кожные покровы и слизистые оболочки, сообщающиеся с внешней средой заселяются разнообразными микроорганизмами из воздуха, а также при контакте с матерью, обслуживающим персоналом родильного дома и предметами ухода. В результате возникает новая экологическая система: организм человека + населяющая его микрофлора. Эта система очень динамична, так как взаимоотношения в ней – симбиоз микроорганизма с макроорганизмом – могут носить различный характер: мутуализма, комменсализма или паразитизма.
Мутуализм – взаимовыгодный характер, т.е. микроорганизмы питаются за счет своего хозяина, но не только не причиняя ему вреда, а, напротив, приносят пользу, например, синтезируют для него витамины. Микробиота синтезирует витамин группы В – поставщик коферментов (токоферолов, b -аланина, необходимого для синтеза пантотеновой кислоты и т.д.), нафтоквиноны (витамины группы К), принимает участие в регуляции газового состава, детоксикации экзогенных и эндогенных субстратов и метаболитов.
Комменсализм – микроорганизмы питаются за счет своего хозяина, не нанося ему особого ущерба. Но при определенных условиях комменсалы, которыми обычно являются УПМ, могут стать виновниками различных, чаще всего гнойно-воспалительных заболеваний – стафилококки, стрептококки, грамотрицательные бактероиды, превотеллы, микоплазмы и другие.
Паразитизм – питание микроорганизмов за счет хозяина сопровождается нанесением ему серьезного ущерба в виде того или иного заболевания.
Видовой состав микробного биоценоза различных отделов организма периодически меняется, но каждому индивидууму свойственны более или менее характерные микробные сообщества. Сам термин “нормальная микрофлора” объединяет микроорганизмы, более или менее часто выделяемые из организма здорового человека. Человек существует в состоянии симбиоза с микроорганизмами, населяющими его кишечник, кожу, слизистые оболочки зева, дыхательных путей, мочеполового тракта и др.
На поверхности соприкосновения (или разделения) внешнего мира с внутренней средой организма человека концентрация микроорганизмов наиболее высока и достигает на коже 105 - 106 колониеобразующих единиц (КОЕ), а на слизистых кишечника свыше 1011 - 1012 КОЕ в 1 грамме исследуемого материала. Площадь соприкосновения стерильной внутренней среды макроорганизма с внешним микромиром огромна, например, для тонкой кишки при длине последней 2,8 – 3,2 м площадь слизистой – 180 – 200 м2. Данные последних лет показывают, что процесс поступления сапрофитных бактерий и/ или их фрагментов с поверхности слизистых во внутреннюю среду организма не только возможен, но и происходит значительно чаще, чем предполагалось ранее.
Накоплены данные о проницаемости слизистых для микроорганизмов и крупных молекул, о постоянной миграции бактерий в кровь в составе макрофагов, о непосредственном попадании бактерий во внутреннюю среду организма при транслокации под действием большого числа факторов – стресс, шок, нарушение гемодинамики, эндотоксемия – и о частом развитии кратковременной транзиторной бактериемии, например, после экстракции зуба или даже при простой чистке зубов. В разных участках человеческого тела в соответствии с условиями обитания формируются ассоциации микроорганизмов, состоящих из разнообразных видовых сочетаний. В полости рта представлены многочисленные виды аэробных и анаэробных микроорганизмов. Сразу после рождения доминирует аэробная флора – кокки, палочки. С момента прорезывания зубов появляются анаэробные бактерии, в том числе вибрионы, спириллы, спирохеты, клостридии. Происходит направленное загрязнение с последующим очищением за счет факторов неспецифической защиты (лизоцин и др.), вследствие чего формируется постоянная микрофлора, в состав которой всегда входят анаэробные микроорганизмы (вейлонеллы, бактероиды, пептострептококки), иногда из слюны выделяются УПМ (аспергиллы, дрожжи), аэробные бактерии (стрептококки, стафилококки, непатогенные нейссерии, гемофилы), грибы рода Candida.
Вся микрофлора делится на три группы – индигенную, факультативную и транзиторную. Из аэробных микроорганизмов в состав индигенной флоры входят представители родов Streptococcus и Neisseria. Для нее характерна постоянная и интенсивная колонизация слизистой носоглотки при отсутствии выраженного влияния возрастного, сезонного и социального факторов. Высевается у 90 – 100 % здоровых людей в количестве 103 – 107 КОЕ на мл исследуемого материала.
Факультативная группа высевается у 30 – 50 % здоровых людей, колонизация достигает 101 – 104 КОЕ/мл и представлена представителями родов Haemophilus, Staphylococcus. Характерна выраженная зависимость частоты и интенсивности колонизации от возрастного, сезонного и социального факторов.
Транзиторная группа характеризуется малой частотой высеваемости – от 2 до 20 % - и низкой степенью обсемененности – 101 – 102 КОЕ/мл. В эту группу входят роды Candida, Moraxella, Escherichia, Klebsiella, Enterobacter, Citrobacter, Hafnia, Proteus, Pseudomonas, Acinetobacter.
На слизистых оболочках ЖКТ микроорганизмы обитают в виде двух форм: часть в просвете, другая – заключена в высокогидратированный матрикс, состоящий из экзополисахаридомуциновых компонентов, образуя своеобразную пленку. Микробы, заключенные в пленку, по сравнению с просветными, более устойчивы к действию физических, химических и биологических факторов. В случае, когда эти факторы подавляют компенсаторные возможности экологической системы (хозяин и его микрофлора), могут возникать микроэкологические нарушения, в результате которых развиваются различные патологические состояния и другие неблагоприятные последствия (формирование антибиотикоустойчивости и атипичных штаммов, образование новых микробных биотипов и т.п.)
Микрофлора толстого кишечника:
Общее количество превышает 500 видов, к основным следует отнести род Bifidobacterium, многочисленных представителей семейства бактероидов. Соотношение анаэробов и аэробов постоянно и составляет в норме 10:1 независимо от локализации. Облигатных и факультативно анаэробных микроорганизмов всегда на порядок больше, нежели аэробов, как в “анаэробных” органах (толстая кишка), так и на поверхности кожи. Это объясняется существованием своеобразной зоны в области, непосредственно прилегающей к эпителию. В этой зоне благодаря работе натриевых насосов на плазматических мембранах эпителиоцитов и своеобразию структуры поверхностных гликопротеинов поддерживается отрицательный потенциал – от 50 до 220 мв. Кислород и его токсические метаболиты (супероксид–ион и т.д.) в этой зоне отсутствуют. Этим же объясняется и “этажность” расселения различных видов бактерий по вертикали: в непосредственном адгезивном контакте с эпителием находятся строгие анаэробы (бифидобактерии, бактероиды), далее – факультативные анаэробы, еще выше – аэробы.
Общая численность микроорганизмов, обитающих в различных биотопах человеческого организма, достигает 1015, т.е. примерно на 2 порядка превышает число собственных клеток макроорганизма. Таким образом, организм и его микробиота – это единая экологическая система. Отношения в этом сообществе имеют филогенетически древнее происхождение и жизненно важны для обеих частей системы – организма и микробиоты.
Виды взаимодействия микробиоты и хозяина различны: дистанционные, контактные, внутриклеточные.
Дистанционное – поддерживается в результате обмена метаболитами – низкомолекулярными (летучие жирные кислоты ароматического ряда С2 – С6) и сигнальными молекулами “микробного” происхождения (ГАМК, b -аминобутират, гистамин, тирамин, серотонин, цАМФ, цГМФ, масляная кислота, вещества стероидной структуры, инсулиноподобные белки, белки, подобные гонадотропным гормонам, бактериоцины и микроцины, токсины, нуклеиновые кислоты и др.), т.е. частицами, играющими роль регуляторов метаболизма или иных процессов. При этом особую роль играет всасывание низко- и среднемолекулярных частиц.
Контактное – адгезия бактериальной клетки к эпителию, где играют роль как неспецифические физико-химические факторы, так и специфические лиганд-рецепторные взаимодействия.
Внутриклеточные взаимодействия – представлены рядом феноменов – эндоцитоз, фагоцитоз, процесс слущивания завершивших свой цикл эпителиальных клеток, приводящий к их поглощению бактериями, захват бактерий специализированной “М”-клеткой. Последние представляют собой своего рода “проходные дворы” для бактерий, поскольку транспорт как растворимых, так и корпускулярных антигенов М-клеткой является важнейшим фактором иммунного ответа желудочно-кишечного тракта (ЖКТ). При внутриклеточных взаимодействиях достигается обмен клеточным материалом – цельными клетками или их фрагментами. В итоге возникает феномен “взаимной молекулярной мимикрии”. В результате микробиота приобретает рецепторы и др. антигены, присущие хозяину и делающие ее “своей” для иммунной системы макроорганизма. В свою очередь, эпителиальные клетки приобретают бактериальные антигены.
Другой важный результат внутриклеточного взаимодействия – обмен генетическим материалом – регуляторными молекулами, фрагментами структурных генов, плазмидами и т.д.
Следовательно, взаимоотношения хозяина и микробиоты сложные и реализуются на метаболическом, регуляторном, внутриклеточном и генетическом уровнях.
Микробиота влияет на жизнедеятельность организма как локальными, так и системными эффектами.
Локальные эффекты микрофлоры – прежде всего это трофическая (пищеварительная) функция микробиоты. В физиологии принято различать полостное, пристеночное, мембранное пищеварение, которое осуществляется собственными ферментами организма, и симбионтное пищеварение, происходящее при содействии микрофлоры. Долгие годы симбионтное пищеварение считали прерогативой жвачных. Однако стало ясно, что энергообеспечение клеток эпителиальных тканей человека также базируется на утилизации в рамках цикла Кребса низкомолекулярных метаболитов (НММ) - летучих жирных кислот, в первую очередь, уксусной, пропионовой, масляной. Происходит это за счет гликозидаз анаэробов – сахаролитиков, которые отщепляют моносахаридные фрагменты слизи, гликокаликса и продуктов экзогенного происхождения с последующим брожением этих сахаров.
Летучие жирные кислоты в значительной степени удовлетворяют энергетические потребности клеток эпителия толстой кишки. При этом эпителиоциты в энергетическом плане становятся совершенно независимыми от эндогенных метаболитов кровяного русла. Считают, что снижение энергообеспечения эпителия толстой кишки летучими жирными кислотами является одним из звеньев патогенеза некоторых заболеваний – неспецифического язвенного колита, синдрома “раздраженной толстой кишки” и других.
Кроме того, при расщеплении полисахаридов и гликопротеинов гликозидазами микробного происхождения образуются моносахариды – глюкоза, галактоза и т.д. – при окислении которых в окружающую среду выделяются в виде тепла не менее 60 % их свободной энергии.
Другой важный эффект – стимуляция системы локального иммунитета, продукция секреторного Ig A. Низкомолекулярные метаболиты сахаролитической микрофлоры – в первую очередь, летучие жирные кислоты и лактат, - обладают бактериостатическим эффектом. Они способны ингибировать рост сальмонелл, шигелл, многих грибов. Но бактериостатический эффект не распространяется на нормальную флору. Помимо этого низкомолекулярные метаболиты блокируют рецепторы эпителиоцитов, препятствуя адгезии патогенной микрофлоры. И, наконец, считают, что НММ способны индуцировать хемотаксис бактерий. Это дает возможность нормальной флоре (например, бактероидам), не обладающей локомоторным аппаратом (жгутиками), но ассоциированной с подвижными видами, заселять свои экологические ниши. НММ и некоторые короткие пептиды играют роль репеллентов по отношению к ряду патогенных бактерий.
Обсуждается вопрос и о ключевой роли микрофлоры в противовирусной защите. Благодаря феномену молекулярной мимикрии и рецепторам, приобретенным от эпителия хозяина – к константным участкам Ig – Fс-рецепторам, рецепторам к С3 компоненту комплемента, микрофлора способна перехватывать и выводить вирусы, обладающие соответствующими лигандами.
Нормальная флора, кроме того, помогает эпителию поддерживать редокс-потенциал, рН, реологические характеристики в контактной зоне. Колонизация эпителиальной зоны микробиотой, ее (микробиоты) бактериостатические и антиадгезивные эффекты, способность стимулировать местный иммунитет, продуцировать аттрактанты и репелленты обеспечивают суммарный результат, который и называют колонизационной резистентностью.
Все это позволяет рассматривать микробиоту как орган, по метаболической и регуляторной возможности не уступающий печени.
Системные функции – это системная стимуляция иммунитета. Так у гнотобиотов (безмикробные лабораторные животные) не только подавлен иммунитет, но и происходит инволюция иммунокомпетентных органов – пейеровых бляшек, тимуса.
В настоящее время можно считать установленным, что пейеровы бляшки тонкого кишечника являются важным (но не единственным) источником плазмоцитов, которые синтезируют Ig А практически для всех слизистых оболочек и железистых органов. Это дало основание для выделения особого, относительно автономного органа иммунитета – лимфоидной ткани, ассоциированной со слизистыми оболочками, так называемой MALT – mucosa – associated lymphoid tissue.
Отсюда вытекает очень важный вывод: стимуляция иммунокомпетентных клеток пейеровых бляшек может вести к активации иммунной системы не только ЖКТ, но и к:
Другая важная функция – участие в поддержании ионного гомеостаза организма, т.к. всасывание эпителием монокарбоновых кислот тесно сопряжено с транспортом натрия.
Вторичные метаболиты – вещества стероидной природы (конъюгаты желчных кислот) связаны с образованием эстрогеноподобных субстанций, которые влияют на дифференцировку и пролиферацию эпителиальных и других тканей.
Принципиальное значение имеет способность микробиоты вырабатывать различные нейротрансмиттеры – в первую очередь, гамма-аминомасляную кислоту (ГАМК), – антистрессорный медиатор. ГАМК продуцируется не только в соответствующих синаптических соединениях ЦНС, но ее в больших количествах выделяет микрофлора. ГАМК бактериального происхождения не только попадает в кровяное русло, но и проникает через гематоэнцефалический барьер, образуя единый пул с эндогенной фракцией ГАМК. Этим, по-видимому, объясняется то, что при синдроме “раздраженной толстой кишки” всегда низкие пороги возбуждения, склонность к повышенной тревожности, низкий болевой порог по сравнению со здоровыми.
Крупнейшим достижением последних лет является открытие цитокин – обусловленной сигнальной системы, обеспечивающей взаимообмен информацией между клетками макроорганизма, что позволило расшифровать и объяснить многие феномены. Так, цитокины (фактор некроза опухолей альфа (ФНО-a ), интерлейкины (ИЛ) 1 и 6) играют ведущую роль в индукции ответа острой фазы, что является интегральной частью механизма защиты внутренней среды против чужеродных субстанций и инфицирующих микроорганизмов. Доказано, что другие цитокины (ИЛ-2, -10) обладают противовоспалительными свойствами и вовлечены в процесс блокирования воспалительного ответа на резидентную микрофлору.
Предложен термин “бактериальные модулины” как новый класс факторов вирулентности, включающий те бактериальные структуры, которые обладают цитокин – индуцирующей активностью.
Так, в центре внимания уже более 30 – 40 лет находится липополисахаридный комплекс (ЛПС), который наряду с рядом протеинов и фосфолипидов составляет макромолекулярный комплекс эндотоксина грамотрицательных бактерий. Однако сегодня ясно, что и другие бактериальные компоненты, отличные от ЛПС, обладают цитоксин-индуцирующей активностью. В последние 5 – 10 лет особое внимание вызывают карбогидраты, протеины и липиды, идет поиск и других бактериальных модулинов. Так, у грамотрицательных микроорганизмов таковыми являются белки внешней мембраны, протеины, фимбрии и др.
К модулинам, связанным с клеточной стенкой бактерий, отнесены неидентифицированные поверхностные протеины, протеины А и протеины теплового шока. Так, белки теплового шока получены из E. coli, Legionella pneumophila, Mycobacterium leprae, M. bovis. Они способны стимулировать накопление информационных РНК (и-РНК) для таких интерлейкинов, как ИЛ–1, -3, -6, макрофагального колониестимулирующего фактора (М-КСФ) и ФНО-a . В качестве модулинов выступают и липопротеины грамотрицательных и грамположительных бактерий, входящие в цитоплазматическую мембрану, протеазы, экзотоксины и другие экстрацеллюлярные протеины.
Тейхоевые и липотейхоевые кислоты вместе с пептидогликаном грамположительных бактерий играют главную роль в развитии цитокин-индуцированного шока при сепсисе, вызванном грамположительными микроорганизмами. Пептидогликан стимулирует выброс ИЛ-6 и ФНО-a . Под действием ферментов пептидогликан разрушается и его фрагменты также обладают цитокин-индуцирующей активностью.
Таким образом, имеется потенциальная возможность микробных структур оказывать как про-, так и противовоспалительное действие. Под влиянием нормальной микрофлоры ряд соединений, поступающих в организм, может трансформироваться в промутагены или мутагены и канцерогены, различные иммуномодулирующие агенты. Результатом всего этого оказывается развитие иммунного ответа организма–хозяина на измененную индигенную микробиоту и ее отторжение. Отношения в системе микробиота - хозяин становятся агрессивными. Кроме того, возможна активация аппарата вирулентности нормальной флоры, вследствие чего она также может приобретать патогенность или усиливать вирулентность, усугубляя течение основного патологического процесса.
В настоящее время хорошо известно, что многие факторы патогенности кодируются генами. Данные о структурной организации многих генов дают основание предполагать, что патогенные бактерии отличаются от родственных непатогенных наличием относительно больших блоков генетического материала, которые были получены ими и закреплены не в результате медленной адаптации, а в результате скачкообразного изменения генома за счет приобретения дополнительной генной информации. Эти блоки стали называть островами патогенности (ОП), которые включают не один какой-то фактор патогенности, а и другие гены, ответственные за проявления патогенности. Подавляющее большинство детерминант вирулентности, особенно токсинов и факторов адгезии, локализуются в особых мобильных районах бактериального генома, которые могут передаваться другим бактериям естественной конъюгацией, трансдукцией или трансформацией. Поэтому такие мобильные районы способны распространяться и среди непатогенных членов одного и того же или родственных видов, что приводит к изменению биологической активности микробиоты и возможности ее участия в развитии различных патологических процессов.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
