Приложение 4 (справочное). Основные таксономические и функциональные характеристики кишечного микробиома

Приложение 4
к МР 2.3.1.0253-21
(справочное)

Основные таксономические и функциональные характеристики кишечного микробиома

1. Общие характеристики

Кишечный микробиом на межиндивидуальном и внутрииндивидуальном уровнях характеризуется чрезвычайным разнообразием и изменчивостью, в его составе присутствует от 1000 до 2000 OTЕ, к числу культивируемых видов относится не более 40%. Общие для большинства людей ОТЕ, которые выявляют практически у всех групп населения (основной микробиом), представлены 12-21 таксонами (около 160 видов). Особенности и биоразнообразие микробиоты на уровне индивида, как правило, являются неизменными [64, 65].

Состав и соотношение микробных популяций основного микробиома зависят от факторов питания и функционально-анатомических характеристик ЖКТ в различные возрастные периоды человека. Качественный и количественный состав микрофлоры может изменяться при ряде заболеваний, в том числе сопровождающихся диареей, при лечении антибиотиками, нарушениях питания (несбалансированные диеты, пищевые дефициты).

В микробиоте кишечника превалируют 4 бактериальных филума - Firmicutes (F), Bacteroidetes (В), Proteobacteria (Р) и Actinobacteria (А); они составляют более 95% идентифицированных таксонов. Филумы Fusobacteria, Verrucomicrobia, Euryarchaeotae и Cyanobacteria являются субдоминантными и составляют не более 5% (табл. 4.1). Доля других сообществ, способных быть как симбионтами, так и паразитами человека (грибы, вирусы, гельминты, простейшие), находится на уровне ~0,2% [66-68].

Таблица 4.1

Филумы в кишечном микробиоме здоровых взрослых людей (% в общем пуле идентифицированных таксонов)

Превалирующие филумы (суммарно ~95%)		Субдоминантные филумы (суммарно до 5%)
Филум	Характеристика	Филум	Характеристика
Firmicutes (фирмикуты)	Грамположительные бактерии с толстой клеточной стенкой, образующие и не образующие спор (~52%)	Verrucomicrobia (веррукомикробиа)	Муциндеградирующие анаэробные бактерии
Bacteroidetes (бактероидеты)	Грамотрицательные неспорообразующие облигатные анаэробные бактерии (~23%)	Euryarchaeota (эуархеоты)	Метаногенные, водородутилизирующие бесспоровые археи
Proteobacteria (протеобактерии)	Грамотрицательные неспорообразующие аэробные, факультативно-анаэробные и анаэробные бактерии с внешней ЛПС-мембраной (~12%)	Fusobacteria (фузобактерии)	Грамотрицательные полиморфные анаэробные бактерии
Actinobacteria (актинобактерии)	Грамположительные анаэробные и микроаэрофильные бактерии (~7-8%)	Cyanobacteria (цианобактерии)	Одноклеточные сине-зеленые водоросли

2. Характеристика основных филумов кишечного микробиома

Firmicutes. В состав филума входят представители родов и видов с разным типом дыхания. Основными являются Eubacteria, Lactobacillus, Clostridium, Lachnobacterium, Roseburia, Faecalibacteria, Blautia, Dorea, Bacillus, Mycoplasma, Streptococcus, Enterococcus, Leuconostoc, Staphylococcus spp. Наиболее важная функция - метаболизм сложных углеводов, в том числе нерастворимых полисахаридов, а также не утилизированного в верхних отделах ЖКТ белка.

Bacteroidetes. Представлены четырьмя классами: Bacteroidia (Bacteroides, Prevotella, Porphyromonas, Alistipes spp.), Flavobacteriia (Flavobacterium sp.), Cytophagia (Carnocytophaga, Odoribacter), Sphingobacteriia (Sphingobacterium sp.), которые участвуют в деградации полисахаридов, метаболизме желчных кислот, холина, белков и аминокислот, продуцируя метаболиты-медиаторы [60, 69].

Actinobacteria. Наиболее распространены Bifidobacterium, Propionibacterium, Corynebacterium, Frankia, Arthrobacter, Micrococcus, Mycobacterium, большая часть которых - сахаролитики, способные гидролизовать сложные углеводы (включая мукополисахарид), образователи гликокаликса - фактора колонизационной резистентности кишечной слизистой [68].

Proteobacteria. Наряду с симбионтами в состав филума входят условно-патогенные и патогенные бактерии с разными морфоформами и типами питания (использующие как простые (аммоний, цитраты, моносахара), так и сложные вещества (аминокислоты, белки), гетерогенные по двигательной активности, продуцирующие разнообразные промежуточные метаболиты. На основании анализа 16S рРНК протеобактерии подразделяют на 6 классов: Alpha-, Beta-, Gamma-, Delta-, Epsilon- и Zeta. В класс Alpha входят виды, способные к спиртовому брожению, Beta - нитрификаторы, Gamma - метанотрофы, а также значимые для микробиоты семейства Enterobacteriaceae, Vibrionaceae, Pseudomonadaceae. К классу Delta относятся сульфат-редукторы, анаэробные железобактерии, к Epsilon - использующие серу и водород в качестве источника энергии сульфоспириллы, а также возбудители инфекций C. jejuni и H. pylori [70].

Субдоминантные филумы. Включают в основном некультивируемые группы бактерий, в том числе: Fusobacteria - представлены семействами Fusobacteriaceae и Leptotrichiaceae, 11 родами, физиологическая роль которых до конца не выяснена; Verrucomicrobia - 18 родов, в том числе Akkermansia (A.muciniphila) и Prosthecobacter sp., утилизирующие различные сахара и гликопротеиды (муцин); Euryarchaeota - состоит из 8 классов архей (галобактерии, метанобактеры, археоглобы, метанококки, термококки и др. экстремофилы). Присутствие некультивируемых архей - продуцентов метана, в том числе рода Methanobrevibacter (M. smithii), обеспечивает утилизацию водорода, образующегося при гидролизе углеводов; Cyanobacteria - бактерии, способные к фиксации атмосферного азота, присутствуют в кишечнике непостоянно, роль в макроорганизме пока не изучена.

3. Взаимосвязь филумов кишечного микробиома

Взаимодействие между филумами кишечного микробиома основано на обеспечении взаимных трофических путей, поэтому формирование стабильной структуры микробного сообщества определяется составом и количеством пищевых веществ, потребляемых хозяином и трансформируемых в ЖКТ с участием эукариотических и микробных факторов. Таксономические вариации на уровне филумов и уровни биоразнообразия позволяют оценивать общее состояние микробиома в зависимости от особенностей состояния питания лиц в разных возрастных группах.

Информативным маркером состояния микробиома в его связи с нутриомом является соотношение между численностью филумов Bacteroidetes и Firmicutes (индекс "В : F"), которое в норме модифицируется только при физиологически обусловленной возрастной смене характера питания [71-72].

4. Функциональные свойства кишечной микробиоты

Нормальная микрофлора выполняет функции биологического защитного барьера в кишечнике и стимулятора иммунной системы организма, обеспечивая его колонизационную резистентность и адаптацию к окружающей среде. В основе данных процессов лежит физическое взаимодействие микробных тел и структур с эпителиальными клетками и лимфоидным аппаратом кишечника, выработка ими соматических, капсульных, жгутиковых, мембранных антигенов и химических соединений, экспрессирующих ответные факторы разного уровня [68, 73-76].

Облигатная микрофлора образует на поверхности слизистых кишечника биопленку, в состав которой наряду с бактериями входят экзополисахариды и муцин, закрывающие рецепторы для адгезии на эпителиоцитах. Грамположительные представители нормофлоры формируют неблагоприятную для патогенных микробов среду, закисляя кишечное содержимое, конкурируя за источники питания, выделяя бактериоцины и другие вещества, обладающие антагонистической активностью. Грамотрицательные виды микрофлоры (в первую очередь E. coli c нормальной ферментативной активностью) участвуют в выработке и поддержании как локального, так и системного гуморального иммунитета, а также приемлемого организмом воспалительного статуса [77-80].

Нарушение функции защитного барьера в результате дисбиозов способствует транслокации из просвета кишечника в кровоток ЛПС, молекул белков (включая токсины) и моносахаридов, что может являться причиной алиментарно-зависимых заболеваний и неинфекционных патологий, сопряжённых с системным воспалением (табл. 4.2).

5. Биологически активные микробные метаболиты

Функционирование микробиома сопровождается продукцией биологически активных микробных метаболитов: ферментов, лактата, аминокислот, дериватов желчных кислот, нейрохимических соединений, витаминов. Ключевое значение имеет ферментация резистентного крахмала и некрахмальных полисахаридов растительного происхождения, что обеспечивает образование эссенциальных КЦЖК: ацетата, пропионата, бутирата [85, 86]. КЦЖК поступают в кровоток в качестве сигнальных молекул - регуляторов системных процессов клеточного иммунитета, обмена энергии, метаболизма жира, углеводов, происходящих в печени, белой и буровой жировой ткани, костном мозге, лёгких, поджелудочной железе. КЦЖК способствуют закислению кишечного содержимого, обладают противовоспалительным и антиканцерогенным действием [80, 87-91]. Взаимодействие КЦЖК и нейроактивных молекул, продуцируемых микрофлорой (гамма-аминомасляной кислоты, серотонина, катаболитов триптофана), с кишечной нейрональной сетью поддерживает функционирование оси "кишечник - мозг", модулируя двигательные, секреторные и поведенческие (стресс, тревожность, настроение) реакции центральной нервной системы [86].

Продуцентами КЦЖК в кишечнике являются преимущественно представители облигатно-анаэробных сахаролитиков, в т.ч. бутирата - Faecalibacterium, Ruminococcaceae и Lachnospiraceae sp., пропионата - Bacteroides, Propionibacterium, Roseburia, Selenomonas sp., ацетата - Bifidobacterium, Clostridium, Ruminococcus, Lactobacillus sp. [59, 92].

Таблица 4.2

Функциональный потенциал представителей кишечной микробиоты [61, 81-84]

Филумы	Популяции и виды
	С противовоспалительным потенциалом	С провоспалительным потенциалом	С патогенным потенциалом
	Апатогенные, проявляющие защитные, регуляторные и пробиотические свойства	Сапрофитные и условнопатогенные, проявляющие протеолитические, гемолитические свойства, способность к продукции токсических факторов	Облигатно патогенные, обладающие паразитическими, инвазивными свойствами и факторами агрессии
Firmicutes	Faecalibacterium prausnitzii, Lactobacillus, Pediococcus, Leuconostoc, Lactococcus, Streptococcus thermophilus, Enterococcus durans, Roseburia hominis, Ruminococcus spp., Lachnoclostridium spp., Eubacterium rectale & hallii, Coprococcus spp.	Staphylococcus, Listeria spp., Streptococcus pyogenes, Streptococcus pneumoniae, Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, Blautia, Parvimonas micra, Veillonella, Peptococcus spp.	Listeria monocytogenes, Bacillus anthracis, Bacillus cereus, C. perfringens, C. difficile, C. tetani, C. septicum
Bacteroidetes	Bacteroides xylanisolvens, B. vulgatus и B. uniformis, B. dorei, B. stercoris, B. coprocola, B. finegoldii, B. intestinalis, P. distasonis, B. thetaiotaomicron, Candidatus arthromitus	B. fragilis, Prevotella sp., Alistipes sp., B. helcogenes, B. salanitronis, Parabacteroides sp., Barnesiella intestinihominis	-
Proteobacteria	E. coli (c нормальной ферментативной активностью), Wolinella	Sutterella, Bilophila spp., Pseudomonadaceae, Цитратассимилирующие бактерии: Klebsiella, Citrobacter, Enterobacter, Serratia, Edwardsiella, Cronobacter, атипичные E. coli, Campylobacter, Sulfurospirillum, Pasteurellaceae, Burkholderia, Haemophilus spp.	Vibrio cholerae, Yersinia enterocolitica, Campylobacter coli & jejuni & lari, Helicobacter pylori, энтеропатогенные E. coli, Salmonella, Shigella spp.
Actinobacteria	Bifidobacterium spp. Collinsella intestinales	Atopobium species Propionibacterium sp.	-
Verrucomicrobia	-	Akkermansia muciniphila	-
Euryarchaeota	-	Methanobrevibacter smithii	-
Fusobacteria	-	Fusobacterium sp.	-