Роль кишечной микрофлоры для организма человека

Кишечник является самым протяженным отделом пищеварительной трубки, соединяющей рот и задний проход. Длина этого органа, подразделяющегося на тонкую и толстую кишку, порой достигает 6 метров. Его роль в слаженной работе нашего организма чрезвычайно важна и многогранна. Ведь по нему не только (как по своеобразному конвейеру) перемещается съеденная пища, но в просвете и стенке кишки происходят другие серьезные физиологические процессы.

Рис. 1 — Толстый и тонкий кишечник человека.

Функции кишечника

При болезнях кишечника или удаления его отдельных частей у пациентов могут появляться многочисленные жалобы. И это неудивительно, ведь роль здорового и целостного кишечника заключается в выполнении множества функций. Рассмотрим же основные из них.

• Транспортная (моторика)

Благодаря наличию мышечных пучков и нервов во всей кишечной стенке, он выполняет различные движения, помогая продвигать, растирать, уплотнять и перемешивать кишечное содержимое. Перемещаясь по кишке, под влиянием пищеварительных соков, микробных веществ, желчных пигментов содержимое кишечника постепенно превращается в кал, который последовательно транспортируется по всем частям толстой кишки (от слепой к прямой). Накопившиеся фекалии покидают наш организм путем сложных скоординированных сокращений прямой кишки.

• Пищеварительная

При попадании пищи из желудка в кишечник процесс ее переваривания не прекращается. Тонкая кишка образует около 1,5-2,5 литров кишечного сока. В его составе присутствуют все ключевые пищеварительные ферменты: протеазы, обрабатывающие белковые структуры пищи, амилазы, расщепляющие сахара, а также липазы, влияющие на жиры. К тому же в тонкую кишку поступают сок поджелудочной железы и желчь, компоненты которых активно переваривают пищевые вещества. В итоге сложные для усвоения организмом субстанции (полимеры) трансформируются в простые (мономеры). Толстая кишка тоже способна вырабатывать до 0,05 — 0,06 литров сока с пищеварительными ферментами. Они «доделывают» работу своих тонкокишечных «коллег».

• Всасывательная

Образовавшиеся мономеры из просвета кишечника через его стенку всасываются (абсорбируются) в кровь. Затем они вместе с кровью отправляются в любые нуждающиеся в энергии и питательных субстанциях структуры и органы организма. Тонкая кишка считается лидером по всасывательной активности среди всех органов пищеварения. Этому способствует особое складчатое строение ее слизистой и наличие специальных ворсинок. Локализация и интенсивность всасывания различных веществ в кишечнике неодинакова. Если продукты расщепления белков, углеводов и жиров могут всосаться в любой его части, то витамин В12 и желчные соли усваиваются лишь в самом нижнем участке тонкой кишки — подвздошной. При ее удалении (например, из-за опухоли или сужения) человек обречен на пожизненные уколы витамина В12. В толстой кишке всасывание питательных веществ продолжается, но его интенсивность падает. В этой зоне в основном происходит абсорбция воды. Всего в кишечнике за сутки может всосаться до 6-10 литров содержимого.

• Эндокринная (образование биологически активных субстанций)

В слизистой кишки располагаются особые клетки, которые вырабатывают активные сигнальные вещества — гормоны (гастрин, аренторин, мотилин, секретин и др.). Они способны влиять на работоспособность и моторику других пищеварительных (и не только) органов. Так, они могут не только усиливать или ослаблять синтез пищеварительных соков, но и регулировать аппетит, настроение и сосудистый тонус.

• Иммунная

Вместе с продуктами питания в пищеварительный тракт проникают болезнетворные вирусы, бактерии, токсины, паразиты, химикаты и аллергены. Но здоровый кишечник защищен собственной защитной иммунной системой. Лимфатическая ткань составляет порядка 25% его слизистой оболочки, образуя скопления — пейеровы бляшки. В них и в самой слизистой находятся активные участники иммунных реакций — Т- и В-лимфоциты. Они разрушают чужие клетки, блокируют аллергены, участвуют в выработке иммуноглобулинов. Образующиеся иммуноглобулины (в особенности секреторный иммуноглобулин А) покрывают слизистую кишки, формируя специальную защитную пленку, препятствующую внедрению инфекционных агентов и чужеродных субстанций.

• Место жительства множества полезных микробов

И наконец, именно кишечник наиболее плотно заселен полезными микроорганизмами: в тонкой кишке обнаруживают до 10 в 6-й степени бактериальных клеток в 1 мл, а в толстой — уже до 10 в 12-й степени. Их общее количество в толстой кишке так велико (десятки миллиардов в 1 г толстокишечного содержимого), что превышает численность населения нашей Земли. Более 500 видов крохотных микробов живет и в просвете кишки, и на его стенках. Они не вызывают никаких болезней, а, напротив, являются верными помощниками человеческого организма.

Значение кишечной микрофлоры

В процессе длительной эволюции между нашим организмом и проживающей в кишке микрофлорой сформировались дружественные взаимовыгодные отношения. Эти миниатюрные «квартиранты» выполняют многие критически важные для человека функции. К ним относятся:

• защитная (полезные микробы противодействуют болезнетворным бактериям и вирусам, вырабатывая вредные для них субстанции, отнимая продукты, нужные для их жизнедеятельности, а также образуя барьер, препятствующий их внедрению в кишечную слизистую);
• образование важных для пищеварения ферментов и других активных веществ (кишечная микрофлора продуцирует ферменты, способные переварить сахара и белки, вещества, необходимые для обмена холестерина, оксалатов и превращений желчных кислот, аминокислоты);
• выработка витаминов (микробные жители кишечника участвуют в образовании витаминов К, В, фолиевой кислоты, РР);
• иммунная (само наличие микроорганизмов в кишке постоянно тренирует иммунитет, к тому же они стимулируют активность факторов гуморального и клеточного иммунитета и блокируют аллергены);
• влияние на всасывание нужных организму субстанций (микрофлора увеличивает всасывание железа, кальция, витаминов, воды в кишечнике);
• поддержание хорошего состояния клеток кишечной слизистой (наши микроскопические «соседи» образуют короткоцепочечные жирные кислоты, необходимые для профилактики атрофии и дистрофии кишечной слизистой);
• профилактика рака (за счет выделения противоопухолевых веществ — бутирата, голиксинов и др., защищающих от новообразований кишечника и молочной железы);
• нейтрализация ядов и токсинов (нитратов, токсичных производных белкового обмена — скатола, фенола, индола).

Таким образом, роль кишечника в человеческом организме велика и многообразна. Поддержание его работоспособности и сохранение нормальной микрофлоры является залогом здоровья человека.

Микрофлора представляет собой метаболически активную и сложную экосистему, состоящую из сотен тысяч микроорганизмов — бактерий, вирусов и некоторых эукариот. Подобно невидимому чулку, биоплёнка покрывает все слизистые нашего организма и кожу. Микробиота объединяет более чем 1014 (сто биллионов) клеток микроорганизмов, что в 10 раз превышает число клеток самого организма. Микробиота находится в содружественных отношениях с организмом человека: организм хозяина предоставляет среду обитания и питательные вещества, микроорганизмы защищают организм от патогенных возбудителей, способствуют поддержанию нормальных иммунологических, метаболических и моторных функций. Выделяют несколько важных биотопов, которые отличаются плотностью распределения микроорганизмов и составом: кожные покровы, слизистые оболочки ЖКТ, дыхательных путей, урогенитального тракта и проч. Самой многочисленной считается микробиота кишечника, на её долю приходится 60% микроорганизмов, колонизирующих организм человека.
 
Микрофлора кишечника состоит из группы микроорганизмов, представленных более чем 1000 видами, 99% из которых приходится на 30–40 главных видов. В научных кругах кишечную микрофлору называют также дополнительным органом. 

Состояние микробиоты кишечника определяет качество и продолжительность жизни. У каждого человека есть свой индивидуальный характер распределения и состава микробиоты. Частично он определяется генотипом хозяина и первоначальной колонизацией, которая происходит сразу после рождения. Различные факторы, такие как тип родов, кормление грудью, образ жизни, диетарные предпочтения, гигиенические условия и условия окружающей среды, использование антибиотиков и вакцинация, могут определять окончательные изменения в структуре микробиоты. 

При изменении состава или функции микробиоты развивается дисбиоз. Дисбиотические состояния изменяют моторику кишечника и его проницаемость, а также искажают иммунный ответ, тем самым создавая предпосылки для развития провоспалительного состояния. Такие изменения, особенно в отношении иммунных и метаболических функций хозяина, могут вызывать или способствовать возникновению ряда заболеваний, например, сахарного диабета, ожирения, неврологических и аутоиммунных заболеваний. Недавние исследования показали, что микробиота участвует в этиопатогенезе многих гастроэнтерологических заболеваний, таких как синдром раздраженного кишечника, воспалительные заболевания кишечника, целиакия, неалкогольный стеатогепатит и новообразования желудочно-кишечного тракта. 

Кишечная микрофлора и иммунитет 

Кишечная микробиота имеет решающее значение для развития лимфоидных тканей, а также для поддержания и регуляции кишечного иммунитета. 

В кишечнике происходит сенсибилизация иммуноцитов, которые затем заселяют другие слизистые оболочки и циркулируют между различными органами. Этот механизм обеспечивает формирование клонов лимфоцитов и образование специфических антител в участках слизистой оболочки, отдалённых от очага первичной сенсибилизации. 

Иммунокомпетентные ткани пищеварительного тракта объединены в лимфоидную ткань. Лимфоидная ткань представлена лимфоцитами, расположенными между эпителиальными клетками кишечника, лимфоцитами собственного слоя, пейеровыми бляшками (скопления лимфоидной ткани в тонкой кишке) и лимфоидными фолликулами. 

Попавшие в просвет кишечника или на слизистые оболочки антигены распознаются иммуноглобулинами памяти (IgG), после чего информация передаётся в иммунокомпетентные клетки слизистой оболочки, где из сенсибилизированных лимфоцитов клонируются плазматические клетки, ответственные за синтез IgА и IgМ. В результате защитной деятельности этих иммуноглобулинов включаются механизмы иммунореактивности или иммунотолерантности. Благодаря индукции иммунологической толерантности в кишечнике не возникают нежелательные воспалительные реакции против кишечной микробиоты и пищевых белков.
 
Кишечная микробиота и обмен веществ 

Кишечная микробиота вносит непосредственный вклад в метаболизм питательных веществ и витаминов, необходимых для жизнедеятельности организма хозяина, при этом извлекая энергию из пищи. Эта энергия образуется путём реакции сбраживания не усваиваемых углеводов (клетчатки), в результате реакции образуются короткоцепочечные жирные кислоты, водород и углекислый газ.  

Короткоцепочные жирные кислоты обеспечивают работу колоноцитов. 

Короткоцепочные жирные кислоты считаются тонкими регуляторами иммунитета, энергетического обмена и метаболизма жировой ткани. Например, короткоцепочные жирные кислоты участвуют во взаимодействии бактерий и иммунитета, подавляя сигналы, которые могут привести к развитию аутоиммунных реакций. Пропионовая и масляная жирная кислота положительно влияют на метаболизм глюкозы. Наконец, короткоцепочные жирные кислоты обеспечивают подкисление просвета толстой кишки, предотвращая рост бактериальных патогенов. 

Кишечная микробиота принимает непосредственное участие в метаболизме желчных кислот, источником которых является холестерин. В печени из холестерина синтезируются первичные желчные кислоты — холевая и хенодезоксихолевая, которые поступают в кишечник. Бактероиды и лактобациллы далее превращают первичные желчные кислоты во вторичные желчные кислоты — дезоксихолевую и литохолевую. Изменение нормального баланса кишечных бактерий приводит к неадекватному синтезу желчных кислот. 

Микробиота и нервная система 

Ещё более удивительные данные о взаимосвязи кишечной микробиоты и нервной системы. Микробиота кишечника тесно общается с центральной нервной системой. Микробиота кишечника производит такие нейроактивные молекулы, как ацетилхолин и серотонин, дофамин, которые являются главными медиаторами сигналов в ЦНС, а также регулируют работу мозга через активацию иммунных сигнальных путей. Дополнительно, блуждающий нерв активно участвует в двунаправленных взаимодействиях между кишечной микробиотой и мозгом для поддержания гомеостаза как в головном мозге, так и в кишечнике. 

Недавние исследования показали, что микробиом влияет на свойства и функцию микроглии. Микроглия защищает мозг от различных патологических состояний через активацию иммунного ответа, фагоцитоза и продукцию цитокинов. Кроме того, микроглия ответственна за формирование нейронных цепей, которые участвуют в развитии мозга. Различные дисбиотические состояния, в том числе вызванные приёмом антибиотиков приводят к угнетению созревания клеток микроглии. Незрелая микроглия приводит к нарушению иммунной активации. 

Астроциты — самая многочисленная клеточная популяция в ЦНС, и они почти в пять раз превосходят численность нейронов. Подобно микроглии, астроциты выполняют несколько важных функций по поддержанию целостности ЦНС, включая контроль кровообращения в головном мозге, поддержание стабильности гематоэнцефалического барьера. Астроциты регулируют баланса ионов и оказывают влияние на передачу сигналов между нейронами. Чрезмерная активация астроцитов является пусковым механизмом в развитии дисфункции ЦНС и неврологических расстройств. Чрезмерная активация происходит под действием метаболитов микрофлоры. 

Целостность гематоэнцефалического барьера регулируется также метаболитами микробиоты, которые опосредуют передачу большего количества микробных сигналов между осью кишечник-мозг. 

Дисбиоз микробных видов в кишечнике может вызывать атипичные иммунные сигналы, дисбаланс в гомеостазе организме-хозяина и привести к прогрессированию заболеваний ЦНС. Например, рассматривается роль микробиоты в патогенезе рассеянного склероза-заболевания, характеризующимся демиелинизацией аксонов нервных клеток. При болезни Паркинсона, которая проявляется моторными симптомами, включая тремор, мышечную ригидность, медлительность движений и аномалию походки наблюдается накопление α-синуклеина в нейронах. Избыточное отложение α-синуклеина в нервной системе инициируется кишечной микрофлорой до того, как возникают симптомы поражения ЦНС, что связано с некоторыми специфическими пищеварительными симптомами (запоры и нарушение двигательной функции толстой кишки). Бактериальный состав кишечника влияет на болезнь Паркинсона: тяжесть симптомов, в том числе постуральная нестабильность и нарушение походки, связана с изменениями численности некоторых видов Enterobacteriaceae, уменьшение количества Lachnospiraceae приводит к более серьёзному ухудшению моторных и немоторных симптомов у пациентов с болезнью Паркинсона. Болезнь Альцгеймера — ещё одно нейродегенеративное заболевание, которое приводит к серьёзным нарушениям функции ЦНС — обучению, памяти и поведенческим реакциям. Болезнь Альцгеймера характеризуется отложением пептида амилоид-β (Aβ) снаружи и вокруг нейронов, вместе с накоплением белка тау внутри корковых нейронов. Перегрузка амилоидом и агрегация тау нарушают синаптическую передачу. Изменение состава и разнообразия микробиоты вносит определённый вклад в патогенез болезни Альцгеймера. Активированная микроглия способствует развитию заболевания, увеличивая отложение амилоида. 

Ожирение и состав микробиоты 

При ожирении и сахарном диабете наблюдаются изменения в составе микробиоты кишечника, в частности, снижение популяционного уровня сахаролитических бактероидов, влияющих на интенсивность метаболических процессов, а также увеличение доли бактерий класса Firmicutes (Esherichia coli, Clostridium coccoides, Clostridium leptum). Снижение содержания сахаролитических бактерий уменьшает выработку коротко-цепочных жирных кислот, обеспечивающих трофику и деление эпителия кишечника, его созревание, оказывающих антимикробное действие и регуляторное действие в отношении ионов и липидов. 

Дополнительно при ожирении отмечается хроническое системное воспаление, сопровождающееся секрецией провоспалительных цитокинов (интерлейкины — ИЛ, С-реактивный белок, α-фактор некроза опухоли — α-ФНО и др.) в висцеральной жировой ткани. Нарушения в составе кишечной микрофлоры приводят к усилению эффекта системного воспаления за счёт увеличения концентрации бактериальных липополисахаридов, стимулирующих выработку провоспалительных компонентов. 

Диагностика состояния кишечной микробиоты 

Существует два метода определения микробиоты — стандартный анализ на дисбактериоз и оценка состава микробиоты методом масс-спектрометрии по крови (ГХ-МС). В основе методики масс-спектрометрии лежит определение присутствия микроорганизмов по их клеточным компонентам (высшие жирные кислоты, альдегиды, спирты и стерины). Методика разработана профессором Осиповым Г.А. Метод ГХ-МС позволяет одновременно измерять более сотни микробных маркёров непосредственно в образце, позволяющих сделать заключение о некультивируемых и труднокультивируемых патологических возбудителях. Метод универсален также в отношении грибов и вирусов.