Переход от детской к взрослой микробиоте кишечника

Переход от детской к взрослой микробиоте кишечника

Норвежский университет естественных наук, химии, биотехнологии и пищевых наук Осло, Норвегия
knut.rudi@nmbu.no

Краткий обзор

Микробиота кишечника (МК), модулируя физиологические, метаболические и иммунные процессы, а также поддерживая гомеостаз кишечника, играет ключевую роль в нашем здоровье. Своевременный переход МК от младенческого к взрослому состоянию особенно важен для правильного развития иммунитета и обеспечения нормального метаболизма. Мы применили подход популяционной экологии для определения того, как кишечные бактерии меняются с детского до зрелого возраста. Наши результаты свидетельствуют о том, что прямая передача кишечных бактерий от матери ребенку является относительно незначительной и, что происходит постоянный накопление кишечных бактерий с дальнейшим переходом от младенческой к взрослой микробиоте кишечника на втором году жизни. Переход, по-видимому, частично контролируется бактериально-бактериальными взаимодействиями. Поэтому мы предлагаем модель перехода от детской к взрослой микробиоте кишечника, настаивая на важности вышеупомянутых бактериальных взаимодействий. Понимание перехода от младенческой к взрослой микробиоте кишечника может иметь важное значение для наших общих знаний о формировании микробиоты кишечника человека.

Введение

Кишечник человека населен более чем 100 триллионами комменсальных микробов, которые живут в мутуалистическом симбиозе с нашим телом. МК играет важную роль в укреплении нашего здоровья, участвуя в защите от патогенов и модулируя физиологические, метаболические и иммунологические процессы. Нарушения МК приводят к повышенному риску развития ряда желудочно-кишечных заболеваний, таких как воспалительные заболевания кишечника, диабет и ожирение, заболевания, которые растут в промышленно развитых странах. В последнее время стало очевидным, что видовое разнообразие микрофлоры кишечника человека было в пять-десять раз преувеличено, и, следовательно, знания о путях ее передачи не были объективны. В настоящее время среди ученых распространено мнение, что комменсальные бактерии передаются от матери к ребенку во время или вскоре после рождения. Однако наши последние данные исследований на людях с использованием уточненных моделей для оценки видового разнообразия показывают, что колонизация микробиоты, ассоциированной со взрослыми, происходит на более позднем этапе, в возрасте от 1 до 2 лет, и что филотипы, обнаруженные в детской микробиоте, совпадают с филотипами общей взрослой популяции, а не Матери.

Передача Микробиоты Кишечника

Наша гипотеза заключается в том, что взрослые кишечные микроорганизмы передаются не от матерей при рождении, а от взрослого населения на более позднем этапе через формы, способные выживать в окружающем воздухе, например в виде спор. В подтверждение нашей гипотезы было обнаружено, что большая часть бактерий, колонизирующих кишечник взрослого человека, способна образовывать споры и, что эти споры представляют собой способ распространения бактерий кишечника взрослого человека. Поэтому формирование МК можно рассматривать, как последовательный процесс, в котором одна часть микробиоты наследуются непосредственно от матери, а другая – из окружающей среды и/или от взрослого населения. Важным вопросом после этих исследований является то, какие механизмы бактерии используют для передачи и формирования в кишечнике.

Передача кишечных бактерий из общего пула

Предполагая, что существует более поздняя стадия случайной колонизации бактериями взрослых особей из окружающей среды, можно было бы ожидать очень высокого разнообразия потенциальных колонизаторов. Тем не менее, только около 100 - 200 видов бактерий фактически колонизируют кишечник каждого взрослого человека, и поэтому, кажется очевидным, что должны существовать ограничения для колонизации бактериями кишечника. Ранее мы предположили, что количество бактерий, которые могут колонизировать кишечник, может быть ограничено путем положительного отбора хозяина. Около 20и лет назад также было выявлено, что основной колонизатор кишечника способен индуцировать выработку питательных веществ, полученных из организма хозяина, при его колонизации. Однако положительный отбор все еще не объясняет поздний переход от детской к взрослой МК. Мы полагаем, что причиной позднего перехода может служить использование бифидобактериями олигосахаридов материнского молока. Так более 60% микробиоты кишечника в возрасте 4 месяцев, представлена бифидобактериями что существенно снижает возможность разнообразия.

Формирование состава микробиоты кишечника путем бактериально-бактериальных взаимодействий

Не только отбор хозяина, но и бактериально-бактериальные взаимодействия являются важными детерминантами для контроля колонизации кишечника взрослого человека. Недавно мы описали ключевую роль Bifidobacterium breve в контроле перехода от младенческой к взрослой микробиоте кишечника. В частности, контролирующая роль B. breve была связана с ограничением некоторых Клостридиальных видов, ассоциированных со взрослой МК. Клостридии представляют собой одну из наиболее преобладающих групп бактерий во взрослом кишечнике и чрезвычайно важны для физиологии кишечника и для функционирования иммунной системы, причем конкретные виды широко распространены среди людей. Хотя они нуждаются в анаэробных условиях для роста, клостридии могут существовать в окружающей среде в спящем и очень устойчивом споровом морфотипе. Несмотря на их неоспоримую важность, почти нет данных о том, как клостридии передаются среди людей, как они развиваются в кишечнике, какие факторы влияют на их колонизацию, и какие клостридиальные виды являются полезными. Открытие управляемого бифидобактериями контроля клостридиальной колонизации предоставляет потенциал для модуляции микробиоты во время так называемого “окна возможностей” в младенчестве, которое тесно связано с поддержанием здоровья.

Модель перехода МК от детского состояния к взрослому

Мы полагаем, что бактериально-бактериальные взаимодействия способствуют контролю перехода от детской микробиоты к взрослой посредством ключевых контролирующих бактерий(бактерий-привратников). Эти бактерии, косвенно стимулируемые отбором хозяина, сдерживают бактерии взрослой МК до тех пор, пока отбор не ослабнет. Эта гипотеза изложена на рисунке 1, и она представляет собой принципиально новую концепцию понимания механизмов колонизации кишечника человека.

Основываясь на недавних исследованиях, мы знаем, что бактерии-привратники относятся к бифидобактериям, и мы также знаем, что это бактерии, отобранные хозяином посредством материнского молока. Однако, необходимы дополнительные данные для идентификации бактерий-привратников на уровне штамма и для характеристики их роли и функционального потенциала.

Рисунок 1. Гипотеза привратника. В младенчестве отбору бактерий-привратников способствует молоко матери. Материнское молоко является лимитирующим фактором, ограничивающим развитие бактерий. С прекращением употребления грудного молока количество бактерий-привратников снижается, и те бактерии, которые не могли нормально развиваться, теперь могут колонизировать кишечник.
*AB – adult-associated bacteria(бактерия взрослого); IB – infant-associated bacteria(детская бактерия); GK – gate-keeping bacteria (бактерия-привратник)


Автор перевода: Анатолий Черников – главный ветеринарный врач, Клиника «101 Далматинец», Москва

Список литературы:
1. Yatsunenko T, Rey FE, Manary MJ, et al. Human Gut Microbiome Viewed Across Age and Geography. Nature. 2012;486(7402):222-227.
2. Rodriguez JM, Murphy K, Stanton C, et al. The Composition of the Gut Microbiota Throughout Life, with an Emphasis on Early Life. Microb Ecol Health D. 2015;26:26050.
3. Hooper LV, Littman DR, Macpherson AJ. Interactions Between the Microbiota and the Immune System. Science. 2012(Jun 8);336(6086):1268-1273.
4. Avershina E, Rudi K. Confusion about the Species Richness of Human Gut Microbiota. Benef Microbes. 2015;6(5):657-659.
5. Avershina E, Rudi K. Is It Who You Are or What You Do That Is Important in the Human Gut? Benef Microbes. 2013(Sep);4(3):219-222.
6. Avershina E, Lundgård K, Sekelja M, et al. Transition from Infant- to Adult-Like Gut Microbiota. Environ Micobiol. 2016;18 2226–2236.
7. Avershina E, Storro O, Oien T, et al. Major Faecal Microbiota Shifts in Composition and Diversity with Age in a Geographically Restricted Cohort of Mothers and their Children. FEMS Microbiol Ecol. 2013(Sep 24);87(1):289-290.
8. Browne HP, Forster SC, Anonye BO, et al. Culturing of ‘Unculturable’ Human Microbiota Reveals Novel Taxa and Extensive Sporulation. Nature. 2016;533:543-546.
9. Backhed F, Roswall J, Peng Y, et al. Dynamics and Stabilization of the Human Gut Microbiome During the First Year of Life. Cell Host Microbe. 2015(May 13);17(5):690-703.
10. Bry L, Falk PG, Midtvedt T, Gordon JI. A Model of Host- Microbial Interactions in an Open Mammalian Ecosystem. Science. 1996(Sep 6);273(5280):1380-1383.
11. German JB, Freeman SL, Lebrilla CB, Mills DA. Human Milk Oligosaccharides: Evolution, Structures and Bioselectivity as Substrates for Intestinal Bacteria. Nestlé Nutrition Workshop Series. 2008;62:205-218.
12. Avershina E, Storro O, Oien T, et al. Succession and Correlation-Networks of Bifidobacteria in a Large Unselected Cohort of Mothers and their Children. Appl Environ Microb. 2013(Nov 2);79:497-507.
13. Sekelja M, Berget I, Naes T, Rudi K. Unveiling an Abundant Core Microbiota in the Human Adult Colon by a Phylogroup- Independent Searching Approach. Isme J. 2011(Mar);5(3):519-531.
14. Atarashi K, Tanoue T, Oshima K, et al. Treg Induction by a Rationally Selected Mixture of Clostridia Strains from the Human Microbiota. Nature. 2013(Aug 8); 500(7461):232-236.