Журнал «Здоровье ребенка» 8 (35) 2011

Возник ли сегодняшний мир в результате эволюции микробов, как первых форм жизни на Земле, или был создан Творцом в течение шести дней, сегодня общепринятым является признание микроорганизмов доминантным звеном биосферы и хранителем как низших, так и высших живых форм организмов (Д.С. Янковский, Г.С. Дымент, 2008). Выделяют несколько этапов развития учения о микроорганизмах, населяющих человека (Д.С. Янковский, Г.С. Дымент, 2008; М.Д. Ардатская, 2010). Так, открытие Левенгуком (XVIII век) наличия в организмах человека и животных микроорганизмов положило начало первому эвристическому этапу. За ним последовал «накопительный» этап, когда усилиями И.И. Мечникова, Л.Г. Перец, Л. Пастера, Р. Коха, Н.Ф. Гамалея и др. были обнаружены и идентифицированы микроорганизмы в различных частях тела человека, изучены их свойства и роль в жизнедеятельности человека. В 30–90-е годы ХХ столетия наступил этап детализации, когда с помощью современных микробиологических методов исследования была изучена не только роль отдельных представителей нормальной и патологической микрофлоры, но и механизмы нарушения гомеостаза в организме человека, возникающие под их влиянием. В настоящее время под микробиотой понимают количественные и качественные показатели микрофлоры человека.

На сегодняшний день убедительно доказано, что общая численность микробиоты в организме достигает 10¹⁴–10¹⁵ микробных клеток, что на 1–2 порядка больше, чем клеток человеческого организма. Некоторые авторы считают, что на каждую соматическую клетку приходится до 1000 клеток-симбионтов (А.И. Парфенов, 2004). При этом установлено, что доля человеческих генов в совокупном геноме человека и микроорганизмов составляет не более 1 % (Steven R. Gill et al., 2006; S.R. Gill, M. Pop, R.T. DeBoy et al., 2006). Вся нормальная микрофлора подразделена на резидентную (постоянную), составляющую почти 90 % от присутствующих в организме микробов, факультативную, которая составляет около 9,5 %, и транзиторную (случайную), количество которой не превышает 0,5 % (В. Бондаренко, 2007).

Распределение в организме человека этого огромного количества микробов неравномерно. Выделяют несколько биотопов (мест жизни) и наибольшего скопления бактерий.

Наиболее заселенным биотопом является желудочно-кишечный тракт, особенно толстая кишка, на долю которой приходится до 60 % всей микрофлоры, 15–16 % приходится на верхние дыхательные пути, 15–20 % микробов заселяют кожные покровы, в вагинальном биотопе у женщин содержится 9–10 % микроорганизмов (Д.С. Янковский, Г.С. Дымент, 2005). Эти количества, по данным отдельных авторов, могут незначительно колебаться, но общая структура остается постоянной.

На рубеже XXI века были установлены многочисленные взаимосвязи между различными функциями организма и микробами, системные и локальные реакции, вызываемые как самими микробами, так и их метаболитами (Б.А. Шендеров, 1998; В.Н. Бабин, О.Н. Минушкин, А.В. Дубинин и др., 1998). Эти взаимосвязи включают в себя, по сути, все реакции, обеспечивающие жизнь человека.

Подтверждением этих данных явились результаты исследований гнобиотических животных. Так, в кишечнике у безмикробных животных истончена собственная пластинка (Lamina propria), снижена митотическая активность энтероцитов и скорость их миграции по микроворсинкам, что значительно снижает обменные процессы и уменьшает основной обмен на 25 %. Кроме того, у таких животных при воздействии на них катехоламинов обнаруживаются ареактивность гладкой мускулатуры сосудов и кишечника, мышечная гипотония, снижение ударного объема сердца, уменьшение количества лейкоцитов и лимфоцитов в периферической крови, нарушение функции гипофиза, надпочечников, созревания ретикулоэндотелиальной ткани, снижение фагоцитарной активности лейкоцитов, комплемента, лизоцима (М.Д. Ардатская, 2010).

В конечном итоге все эти изменения приводят к нежизнеспособности безмикробных животных и их гибели. Да и человек не может жить без индигенной микрофлоры, тогда как микроорганизмы существовали миллиарды лет до появления человека и могут легко обходиться без него за счет способности быстро осваивать новые экологические ниши (Д.С. Янковский, Г.С. Дымент, 2008).

Вместе с тем, несмотря на убедительные данные о роли микробиоты в жизнедеятельности человека, у многих врачей существуют ошибочные представления о микробиоте. Чаще это происходит тогда, когда микрофлора, прежде всего кишечника, рассматривается только как причина развития инфекционного заболевания со всеми вытекающими отсюда последствиями, или при попытке оказывать влияние на микробиоту, формирующуюся при различных патологических состояниях организма, только пробиотиками, часто отдавая дань моде или настырному давлению медицинских представителей различных фирм.

Важную роль по отношению к микробиоте играет и пресловутый человеческий фактор, с которым часто связывают падение самолетов, крушение поездов и другие катастрофы. В отношении микробиоты кишечника человеческий фактор проявляется отсутствием должного внимания к этому важному компоненту существования человека. Когда человек видит слезы, то это вызывает у него чувство заботы, беспокойства или радости; когда видит человеческий пот — уважение или сожаление, когда кровь — тревогу, боль; мочу — стеснительность. Но когда человек видит результат работы кишечной микробиоты, выраженной в килограммах (не осознавая при этом, что это триллионы микробов), то обычно испытывает стеснение, неловкость, чувство стыда.

Вместе с тем невозможность жизни без бактерий, их огромная масса, образуемая ежедневно, зависимость и связь с многочисленными функциями организма, участие в обменных и других процессах, происходящих в организме с обязательным участием микробов, заставили изменить традиционные представления о бактериях как о строго одноклеточных организмах. Оказалось, что в природных местах обитания микробы существуют в виде биопленок, цепочек, матов и микроколоний и при этом ведут себя не так, как каждый микроб по отдельности в культуральной среде (А.В. Олескин, И.В. Ботвинко, Е.А. Цавкелова, 2000; Б.А. Шендеров, 2005; Д.С. Янковский, Г.С. Дымент, 2008; M. Asquith, F. Powrie, 2010). Особенно интенсивно эти представления стали изучаться, когда было выявлено, что микробные колонии (сообщества) представляют собой целостные структуры, обладают новыми свойствами и способны не только обеспечивать жизнедеятельность человеческого организма, но и регулировать свои поведенческие реакции (А.В. Олескин, И.В. Ботвинко, Е.А. Цавкелова, 2000; В.Д. Грузина, 2003).

Так, в частности, еще И.Д. Иерусалимский (1952), С.Г. Смирнов (1985), A.V. Oleskin (1994) и др. стали рассматривать микробные колонии как пространственно-временный континуум, который предоставляет составляющим их клеткам ряд преимуществ: повышенную устойчивость к антибактериальным препаратам, более эффективное использование питательных субстратов.

Дальнейшие исследования показали, что микробное сообщество имеет не только свою форму и структуру, возможности организованного поступления питательных веществ, условия для эффективного протекания обменных процессов, возможность обмениваться информацией, но и другие составляющие, свидетельствующие о сложной организации микробиоты кишечника.

Состав, форма и структура микробных колоний также неоднозначны.

Анализируя видовой, численный состав и инфраструктуру микробного ценоза макроорганизма, М.Д. Ардатская (2006, 2010) сформулировала три основные положения:

1. Общее число микроорганизмов составляет более 600 видов микробов (некоторые авторы указывают цифру более 1000).

2. К основным микроорганизмам по своей патогенетической сущности следует отнести род бифидобактерий и семейство бактероидов.

3. Отношение анаэробов к аэробам в норме постоянно и составляет 10 : 1, в зависимости от биотопа.

Причем облигатных и факультативных анаэробов всегда на порядок больше, чем аэробов, как в анаэробных органах (толстая кишка), так и на кожных покровах. Это связано с тем, что в области, непосредственно прилегающей к эпителию, всегда поддерживается отрицательный потенциал, а кислород и его токсические метаболиты в этой зоне в норме отсутствуют.

Именно этим объясняется и «этажность» расселения различных видов бактерий: в непосредственном адгезивном контакте с эпителием находятся строгие анаэробы (бифидобактерии, бактероиды), далее располагаются факультативные анаэробы и еще дальше — аэробы.

Но все эти микробы находятся не сами по себе, а вместе с эпителиоцитами кишечной стенки составляют единый микробно-тканевый комплекс, в который входят микроколонии бактерий и их метаболитов, слизь (муцин), эпительные клетки слизистой оболочки и гликокаликс, клетки стромы слизистой оболочки (фибробласты, лейкоциты, нейроэндокринные клетки и др.). Этот комплекс и представляет собой биопленку, которая имеет огромную площадь и характеризуется удивительной многофункциональностью (Д.С. Янковский, Г.С. Дымент, 2008).

Кроме этой микрофлоры выделяют еще полостную, которая очень изменчива и зависит от скорости поступления пищевых субстратов. Именно эта микрофлора формирует фекальную микрофлору.

Что касается колонии, то для нее характерна морфологическая и физиологическая гетерогенность входящих в ее состав клеток, в результате чего она выглядит сложенной как бы из нескольких слоев (тканей). Это показано, в частности, у шигелл и у голодавших в течение 3–6 месяцев бактерий Micrococcus luteus, что проявлялось наличием в популяции живых (активно делящихся), покоящихся и нежизнеспособных клеток (С.Г. Смирнов, 1985; А.М. Уголев, 1987).

Помимо гетерогенности в колонии имеют место вертикальная слоистость и горизонтальное разделение на зоны (секторальные и концентрические). Вертикальная слоистость в три слоя была выявлена в колонии Eseherichia coli (J.A. Shapiro, 1994) и Shigella flexreri (О.Ю. Кузнецов, 1988), причем клетки в слоях различались между собой по морфологическим и биохимическим признакам (J.A. Shapiro, 1994). Помимо слоев в колониях установлены воздухоносные микрополости, частично пересеченные «балками» из клеточных тканей, открытыми каналами, часто заполненными водой. Наличие таких структур напоминает циркуляторные системы, по которым в колонию поступают питательные субстраты и удаляются продукты метаболизма (J.W. Сosterton, 1995).

В некоторых колониях бактерий (Alcaligenes spp., штамм d2) обнаружены аналоги дыхательной системы (В.И. Дуда, А.П. Ильченко, В.В. Дмитриев и др., 1998) в виде газовых баллонов, окруженных свое­образной мембраной и содержащих внеклеточные гемопротеины.

Выше уже говорилось о делении колоний на концентрические сектора, содержащие генетически различающиеся клоны, что подтверждается их разной окраской, концентрацией, формой, скоростью роста, активностью ферментов и другими параметрами.

Концентрические зоны соответствуют различным этапам программ индивидуального развития клеток и выявлены у E.сoli (Е.О. Будрене, 1985).

Интересной оказалась реакция колонии и на возможные препятствия. Так, если на пути распространяющейся бактериальной колонии создают механическое препятствие (установлены стеклянные волокна), то происходит лишь локальное изменение в соответствующих концентрических кольцах, которые не теряют своей непрерывности (J.A. Shapiro, D. Trubatch, 1991).

В то же время немеханическое препятствие (помещение E.сoli с поврежденным геном, например, ДНК-полимеразы) приводит к тому, что через 2–4 дня мутанты-колонии становятся морфологически не отличимы от нормальных колоний (J.A. Shapiro, 1992).

То есть по мере развития колонии имеется тенденция все большей синхронизации поведения отдельных клеток со все более совершенной циркулярной симметрией колонии в целом вопреки возникновению препятствующих факторов (S.J. Stahl, K.R. Stewart, F.D. Williams, 1983), причем более старым клеткам колонии в этом отводится ведущая роль (С.Г. Смирнов, 1985).

Важным моментом функционирования колонии является также образование единого биополимерного матрикса.

Это происходит путем слияния индивидуальных наружных клеточных покровов (капсул, экстрацеллюлярной слизи и др.), а также кислых полисахаридов, гликозилфосфатсодержащих биополимеров, гликопротеинов и др. (D. Gygi, M.M. Rahmen и др., 1995). Такой матрикс включает в себя фибриллярные элементы и сиаловые кислоты (И.Ю. Сафронова, И.В. Ботвинко, 1998).

Роль матрикса заключается прежде всего в структурообразующей функции (известно, что колония состоит не из отдельных клеток, а из субколониальных ассоциаций, включая в себя и другие образования, например полые трубочки из внеклеточных полисахаридов и других биополимеров) (И.Б. Павлова, А.В. Куликовский и др., 1990), а также в защитной (протекторная роль), которая состоит в том, что матрикс выступает как буферная внутренняя среда колонии, предохраняющая ее от неблагоприятных воздействий (физических — высыхание, нагревание, охлаждение; химических — гидролитические ферменты и др.), и коммуникативной функции, которая проявляется способностью экзометаболитов, продуктов распада клеток, химических сигнальных веществ распространяться по нему (Е.П. Феофилова, 1992).

Поэтому, несмотря на то что микробы представляют собой одноклеточные организмы, при объединении их в многоклеточные ассоциации они приобретают свойства многоклеточного организма, которому присуща и сложная многоуровневая социальная организация, когда «воля индивида» (одной клетки) подчиняется «воле коллектива» (колонии) (K.M. Gray, 1997).

Важным моментом для понимания функционирования микробных колоний было обнаружение факторов межклеточной коммуникации.

Еще в 1994 году для характеристики многоклеточной организации микробов было предложено такое понятие, как «ощущение кворума» (quorum sensing). Под ним понимают прежде всего способность клеток при достижении определенной пороговой численности не только воспринимать изменения среды, но и реагировать на эти изменения (В.Д. Грузина, 2003; C.M. Thomas, J. Versalovic, 2010).

То есть с помощью этих сигналов, которые передаются от клетки к клетке, у них появилась возможность координировать свои действия, превращая сообщества, кажущиеся стихийными и разобщенными, в многоклеточный, многомиллионный организм (В. Бондаренко, 2007).

Причем механизмы реакции кворум-сенсинга у грамположительных и грамотрицательных бактерий оказались различными (В.Д. Грузина, 2003).

Кроме того, реализация реакций кворум-сенсинга невозможна без передачи информации внутри биопленок. На сегодняшний день наиболее значимыми каналами передачи информации являются три, самые эволюционно-консервативные (A.V. Oleskin, 1994; Y.S. Kim, 2010): первый — для осуществления непосредственного (физического) контакта между организмами; второй — для выработки диффундирующих в среде химических элементов; третий — для генерации тех или иных физических полей.

Физический контакт между клетками для передачи информации происходит несколькими путями. Прежде всего за счет недиффундирующих химических факторов, расположенных на мембране клетки, а также посредством межклеточного контакта, через восприимчивые рецепторы другой клетки (R. Losick, D. Kaiser, 1997; J.P. Brandner, L. Kroos, 1998; M.D. Mam­son, J.D. Armitage, J.A. Hoch, R.M. Macnab, 1998).

Физический контакт необходим в тех случаях, когда передача информации осуществляется посредством поверхностных органелл. Эти поверхностные клеточные структуры синтезируются с помощью так называемых S(social)-генов, ответственных за коллективные и координированные перемещения клеток и формирование структур надклеточного уровня (В.Д. Грузина, 2003; К. Krishnan, 2010).

Химические коммуникации в настоящее время представлены следующими классами соединений:

1. Ацилированные лактоны гомосерина.

2. Различные пептиды.

3. Аминокислоты и сходные с ними аминные соединения, регулирующие агрегацию бактериальных клеток.

Несмотря на то что возможность дистантной коммуникации микробных клеток находится в стадии накопления эмпирических данных, уже имеются интересные результаты. Так, гибнущая под воздействием хлорамфеникола культура Vibrio costicola посылает сигнал, стимулирующий рост другой культуры, отделенной от нее слоем стекла (Ю.А. Николаев, 1992). Имеются и другие результаты, которые свидетельствуют как о наличии, так и сложности этого вида коммуникативной связи.

Приведенные данные свидетельствуют о том, что микрофлора организма человека является еще одним, но невидимым органом, покрывающим в виде чулка кишечную стенку, другие слизистые оболочки и кожу человека. Для полного понимания функцио­нирования человеческого организма недопустимо пренебрежительное отношение к симбиотической и паразитической микробиоте человека. Ее масса, генетический запас, скорость размножения, тонкая структурная организация, наличие факторов межклеточной коммуникации и многое другое позволяют рассматривать микробиоту как орган, оказывающий определяющее влияние на человека, без которого жизнь невозможна.

Особенно актуальными эти вопросы являются в настоящее время, когда все наше общество переживает бум применения про- и пребиотиков, являющихся без всякого сомнения эффективными препаратами, но требующих не только определенных показаний для своего назначения, но и дальнейшего изучения влияния их на организм человека.