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, деривато