Когда говорят о «полезных бактериях», обычно вспоминают кишечник. Но микроорганизмы населяют все поверхности нашего тела, соприкасающиеся с внешней средой: кожу, полость рта, дыхательные пути, мочеполовые пути. Каждая из этих сред — особая экосистема со своими условиями и своими обитателями. Совокупность микроорганизмов, населяющих определённую среду, называют микробиотой, а совокупность их генов — микробиомом (часто эти слова используют как синонимы). В статье разобраны общие закономерности микробиомов человека и четыре «невидимых мира» за пределами кишечника, а также методы их изучения и распространённые мифы.
- 1. Общие закономерности
- 2. Сколько в нас бактерий
- 3. Как изучают микробиом
- 4. Микробиом кожи
- 5. Микробиом полости рта
- 6. Микробиом дыхательных путей
- 7. Микробиом влагалища
- 8. Как формируется микробиом
- 9. Для олимпиад
- Задания с разбором
1. Общие закономерности
Микроорганизмы (бактерии, археи, грибы, вирусы, включая бактериофаги) вступают с организмом человека в разные взаимоотношения:
- мутуализм — взаимовыгодные отношения (бактерии кишечника получают пищу и синтезируют витамины для хозяина);
- комменсализм — микроб получает пользу, хозяину он безразличен;
- паразитизм — микроб вредит хозяину.
Многие обитатели тела — условно-патогенные: в норме безвредны, но при ослаблении иммунитета или нарушении баланса вызывают болезни (золотистый стафилококк, кандида, стрептококки).
Главная польза нормальной микробиоты — колонизационная резистентность: полезные микробы занимают место и потребляют ресурсы, выделяют кислоты и антимикробные вещества и не дают закрепиться болезнетворным. Кроме того, микробы «тренируют» иммунную систему, особенно в раннем детстве. Подробнее о кишечном микробиоме и влиянии антибиотиков — в статье «Как работают антибиотики».
Из истории. Илья Ильич Мечников, лауреат Нобелевской премии 1908 года за открытие фагоцитоза, одним из первых обратил внимание на значение кишечных бактерий. Он предположил, что гнилостные бактерии кишечника отравляют организм и ускоряют старение, а молочнокислые бактерии (в простокваше, кефире, болгарском йогурте) подавляют их. Отсюда идея употребления кисломолочных продуктов — предтеча современного понятия «пробиотики».
2. Сколько в нас бактерий
Часто пишут, что бактерий в организме человека в 10 раз больше, чем собственных клеток. Эта цифра — грубая оценка 1970-х годов. В 2016 году Рон Сендер, Шай Фукс и Рон Майло пересчитали: в теле человека около 38 триллионов бактерий и около 30 триллионов собственных клеток (из которых большинство — эритроциты). Соотношение близко к 1 : 1. Масса всех бактерий — около 0,2 кг. Почти все они живут в толстой кишке; на коже, во рту и в других местах их на порядки меньше.
Зато генов у микробиоты в сотни раз больше, чем у человека: разнообразие видов огромно. Многие функции (расщепление растительных волокон, синтез витаминов К и группы B, превращение желчных кислот) выполняют только микробы.
3. Как изучают микробиом
Большинство обитателей тела не растёт на обычных питательных средах. Поэтому микробиом изучают по ДНК:
- секвенирование гена 16S рРНК — этот ген есть у всех бактерий и различается у разных групп; по нему определяют состав сообщества;
- метагеномика — расшифровка всей ДНК образца; показывает не только «кто там есть», но и какие гены и функции присутствуют;
- культуромика — выращивание микробов в сотнях разных условий, чтобы получить живые культуры для изучения.
Ограничение: в местах, где микробов мало (лёгкие, кровь), результаты легко исказить загрязнением ДНК из реактивов и воздуха, поэтому нужны строгие контроли (см. статью «ПЦР»).
4. Микробиом кожи
Кожа — сухая, кислая (pH около 5), прохладная и солёная среда, бедная питательными веществами. Роговой слой постоянно слущивается. Поэтому микробов на коже немного, и условия на разных участках сильно различаются:
| Участок | Условия | Преобладающие микробы |
|---|---|---|
| Лицо, спина, грудь | Много сальных желёз, кожное сало | Кутибактерии (Cutibacterium acnes), питающиеся жирами сала; грибы малассезии |
| Подмышки, паховые складки | Влажно, тепло | Коринебактерии, стафилококки; продукты их обмена дают запах пота |
| Предплечья, голени | Сухо | Разнообразные бактерии в небольшом количестве |
Эпидермальный стафилококк — обычный обитатель кожи — выделяет вещества, подавляющие золотистого стафилококка, и стимулирует выработку клетками кожи антимикробных пептидов. Кутибактерии расщепляют жиры кожного сала до жирных кислот, поддерживающих кислую реакцию кожи, неблагоприятную для многих патогенов. Но при закупорке протока сальной железы те же кутибактерии участвуют в воспалении — образовании угрей.
Частое использование агрессивных антибактериальных средств нарушает этот баланс и может способствовать сухости и воспалениям кожи.
5. Микробиом полости рта
Во рту живут сотни видов бактерий — второе по разнообразию сообщество после кишечника. Особенность — твёрдые поверхности зубов, на которых образуется зубной налёт — биоплёнка из бактерий, их внеклеточных полисахаридов и белков слюны.
- Кариес. Стрептококк мутанс и молочнокислые бактерии сбраживают сахара пищи до молочной кислоты. Под налётом pH падает ниже 5,5, и гидроксиапатит эмали растворяется. Чем чаще в течение дня человек ест сладкое, тем дольше эмаль находится в кислой среде. Фтор встраивается в эмаль, образуя более устойчивый к кислоте фторапатит.
- Заболевания дёсен (пародонтит). В карманах между зубом и десной, где мало кислорода, размножаются анаэробные бактерии (порфиромонас гингивалис и др.), вызывающие воспаление и разрушение тканей, удерживающих зуб. Пародонтит связан с повышенным риском сердечно-сосудистых болезней.
- Нитраты и давление. Бактерии на спинке языка восстанавливают нитраты, поступающие с овощами и слюной, до нитритов; в желудке и тканях из нитритов образуется оксид азота (NO), расширяющий сосуды. В опытах частое полоскание рта сильными антисептиками уменьшало образование нитритов и немного повышало артериальное давление.
Слюна защищает рот: смывает микробов, нейтрализует кислоты (гидрокарбонаты), содержит лизоцим — фермент, разрушающий клеточную стенку бактерий, и антитела.
6. Микробиом дыхательных путей
Долгое время считалось, что лёгкие здорового человека стерильны. Исследования ДНК показали, что в нижних дыхательных путях есть бактерии, но очень мало: в основном это микробы, попадающие из ротоглотки с микроскопическими каплями слюны и удаляемые обратно мерцательным эпителием и макрофагами. Микробиом лёгких — не постоянное сообщество, а баланс между поступлением и удалением.
В носу и носоглотке сообщество богаче. У части людей (около трети) в носу постоянно живёт золотистый стафилококк. Интересно, что другие обитатели носа способны его подавлять: в 2016 году из носа человека выделили бактерию Staphylococcus lugdunensis, вырабатывающую новый антибиотик люгдунин, активный против золотистого стафилококка.
При болезнях (муковисцидоз, хроническая обструктивная болезнь лёгких) мерцательный эпителий работает хуже, бактерии задерживаются и размножаются, образуя биоплёнки (синегнойная палочка при муковисцидозе).
7. Микробиом влагалища
В отличие от кишечника и рта, где здоровье связано с разнообразием, здоровый микробиом влагалища обычно беден видами: в нём преобладают лактобактерии.
- Клетки эпителия влагалища под действием эстрогенов накапливают гликоген.
- Лактобактерии используют продукты расщепления гликогена и образуют молочную кислоту; pH среды снижается до 3,8–4,5.
- Кислая среда, а также пероксид водорода и антимикробные вещества лактобактерий подавляют болезнетворных бактерий и грибы.
Когда лактобактерий становится мало, их место занимают анаэробные бактерии (гарднерелла и др.), pH повышается — развивается бактериальный вагиноз. Он повышает риск инфекций, передающихся половым путём, и осложнений беременности. Нарушения могут вызывать антибиотики, спринцевания, гормональные изменения. Состав этого микробиома меняется с возрастом: до полового созревания и после менопаузы, когда эстрогенов мало, лактобактерий меньше.
8. Как формируется микробиом
- Плод в матке практически стерилен; заселение начинается при рождении.
- Ребёнок, рождённый естественным путём, получает микробов матери из родовых путей и кишечника (лактобактерии, бифидобактерии, бактероиды); при кесаревом сечении первыми заселяют кожу и кишечник микробы кожи и окружающей среды больницы. Различия постепенно сглаживаются за первые годы.
- Грудное молоко содержит олигосахариды, которые ребёнок не переваривает: ими питаются бифидобактерии, преобладающие в кишечнике младенца.
- К 2–3 годам микробиом кишечника становится похож на взрослый.
Повторить взаимоотношения организмов можно в уроке «Взаимоотношения организмов», иммунитет — в уроке «Иммунная система» и в тренажёре по теме 7.2.
Частые ошибки. 1) «Все бактерии вредны» — большинство обитателей тела безвредны или полезны. 2) «Чем больше разнообразие, тем всегда лучше» — для влагалища нормой является преобладание лактобактерий. 3) «Лёгкие стерильны» — бактерии в них есть, но их очень мало. 4) «Бактерий в теле в 10 раз больше, чем клеток» — их примерно столько же.
9. Для олимпиад
Микробиом как экосистема
К микробиому применимы понятия экологии: экологические ниши, конкуренция, сукцессия (смена сообществ после рождения, после курса антибиотиков), устойчивость и способность восстанавливаться после нарушений. Например, после курса антибиотиков кишечное сообщество частично восстанавливается за недели, но некоторые виды могут исчезнуть надолго — аналог нарушения экосистемы и её неполного восстановления. Трансплантация кишечной микробиоты здорового донора — способ «восстановить экосистему» при тяжёлой инфекции клостридиоидес диффициле, эффективный в 80–90 % случаев.
Корреляция и причинность
Состав микробиома часто различается у здоровых и больных людей. Но различие не доказывает, что микробы вызывают болезнь: сама болезнь, лекарства и диета могут менять микробиом. Для доказательства причинной связи используют животных, выращенных в стерильных условиях (гнотобиотов): им пересаживают микробиоту от людей и смотрят, появляются ли признаки болезни.
Задания с разбором
Сначала ответьте сами, затем откройте разбор.
Задание 1
Что такое колонизационная резистентность? Приведите два примера из статьи.
Разбор
Колонизационная резистентность — способность нормальной микробиоты препятствовать заселению болезнетворными микробами за счёт конкуренции за место и пищу, выделения кислот и антимикробных веществ. Примеры: эпидермальный стафилококк подавляет золотистого стафилококка; лактобактерии влагалища создают кислую среду, подавляя патогенов; бактерия из носа выделяет антибиотик люгдунин.
Задание 2
Объясните, как частое употребление сладкого приводит к кариесу.
Разбор
1) Бактерии зубного налёта (стрептококк мутанс и др.) сбраживают сахара до молочной кислоты. 2) Под налётом pH падает ниже 5,5, и минеральное вещество эмали (гидроксиапатит) растворяется. 3) При частом употреблении сладкого кислая среда сохраняется большую часть дня, и эмаль не успевает восстанавливаться за счёт минеральных веществ слюны.
Задание 3
Почему микробиом влагалища здоровой женщины беден видами, но это норма? Какую роль играют эстрогены?
Разбор
1) Эстрогены вызывают накопление гликогена в клетках эпителия влагалища. 2) Лактобактерии используют продукты расщепления гликогена и образуют молочную кислоту; pH снижается до 3,8–4,5. 3) В кислой среде могут жить лишь немногие виды, и болезнетворные микробы подавлены; поэтому преобладание лактобактерий — защитный механизм.
Задание 4
Какое значение для младенца имеют олигосахариды грудного молока, которые он сам не переваривает?
Разбор
1) Ими питаются бифидобактерии кишечника младенца, и они становятся преобладающими. 2) Бифидобактерии образуют кислоты, подавляющие патогенов (колонизационная резистентность). 3) Они участвуют в формировании иммунной системы ребёнка. Таким образом, олигосахариды — пища не для ребёнка, а для его полезных бактерий.
Задание 5 (олимпиадное)
У людей с ожирением состав кишечной микробиоты отличается от состава у людей с нормальной массой. Можно ли из этого сделать вывод, что микробы вызывают ожирение? Предложите опыт для проверки.
Разбор
1) Нельзя: различие может быть следствием, а не причиной (диета и обмен веществ меняют микробиоту). 2) Опыт: стерильным мышам пересадить микробиоту от людей с ожирением и от людей с нормальной массой, кормить одинаково. 3) Если мыши, получившие микробиоту людей с ожирением, набирают больше жировой массы, это говорит о причинном вкладе микробов. Такие опыты действительно показали подобный эффект.
Литература
- Sender R., Fuchs S., Milo R. Revised estimates for the number of human and bacteria cells in the body // PLoS Biology. 2016. Vol. 14. e1002533.
- Byrd A. L., Belkaid Y., Segre J. A. The human skin microbiome // Nature Reviews Microbiology. 2018. Vol. 16. P. 143–155.
- Zipperer A. et al. Human commensals producing a novel antibiotic impair pathogen colonization // Nature. 2016. Vol. 535. P. 511–516.
- Ridaura V. K. et al. Gut microbiota from twins discordant for obesity modulate metabolism in mice // Science. 2013. Vol. 341. 1241214.
Обсуждение
Загружаем обсуждение…