Микробиом: состав, роль и значение¶

Микробиом — совокупность геномов всех микроорганизмов (бактерий, архей, вирусов, грибов и простейших), постоянно обитающих в определённой среде организма-хозяина, а также их гены, продукты жизнедеятельности и условия обитания. Термин пришёл на смену понятию «микрофлора» и подчёркивает геномный аспект: изучается не просто состав видов, а полный набор генетического материала микробного сообщества.

¶История понятия

Понятие «микробиом» в современном значении закрепилось в 2001 году, когда микробиолог Джошуа Ледерберг предложил использовать его для обозначения «экологической общности микроорганизмов, населяющих организм человека». До этого использовался термин «микрофлора», акцентировавший внимание на видовом составе.

Ключевым событием стал запуск в 2007 году международного проекта «Микробиом человека» (Human Microbiome Project, HMP) под эгидой Национальных институтов здравоохранения США. Проект поставил задачу охарактеризовать состав микробиома основных систем органов здоровых людей и связать его изменения с заболеваниями. Параллельно в Европе работала инициатива MetaHIT. Результаты этих программ показали, что в теле человека обитает примерно 38 триллионов бактериальных клеток — сопоставимо с числом собственных клеток, а суммарный микробный геном примерно в 150 раз больше генома человека.

¶Локализация и состав

Микробиом распределён по организму неравномерно. Наибольшая плотность и разнообразие характерны для желудочно-кишечного тракта, кожи, ротовой полости, дыхательных путей и урогенитального тракта.

¶Микробиом кишечника

Кишечный микробиом — самый изученный. Он включает более тысячи видов бактерий, из которых доминируют представители двух филумов: Firmicutes и Bacteroidetes. Среди прочих выделяются виды родов Bifidobacterium, Lactobacillus, Akkermansia, Faecalibacterium. Кишечный микробиом участвует в ферментации неперевариваемых полисахаридов, синтезе витаминов (K, группы B), метаболизме желчных кислот, формировании иммунного ответа.

¶Микробиом кожи

Кожный микробиом представлен преимущественно бактериями родов Staphylococcus, Cutibacterium, Corynebacterium. Состав сильно различается между зонами: влажные (подмышки), сухие (предплечья) и жирные (лоб) участки населяют разные сообщества. Кожные микробы участвуют в поддержании кислотности и барьерной функции кожи.

¶Микробиом ротовой полости

Ротовая полость заселена более чем 700 видами бактерий, включая Streptococcus, Neisseria, Veillonella. Изменение состава ротового микробиома связано с кариесом и пародонтитом.

¶Микробиом новорождённых

Формирование микробиома начинается при родах: при естественных родах новорождённый получает преимущественно вагинальные и кишечные бактерии матери, при кесаревом сечении — кожные. Грудное вскармливание дополнительно обогащает микробиом олигосахаридами грудного молока, которые служат субстратом для Bifidobacterium. К трём годам состав приближается к взрослому.

¶Функции в организме

Микробиом выполняет ряд физиологических функций:

• Метаболическая. Расщепление клетчатки с образованием короткоцепочечных жирных кислот (бутирата, пропионата, ацетата), которые питают клетки кишечника и влияют на обмен веществ.
• Защитная. Конкуренция с патогенами за питательные вещества и рецепторы, выработка бактериоцинов, поддержание кислотной среды.
• Иммунная. Стимуляция развития иммунной системы, обучение распознаванию «своих» и «чужих», регуляция воспалительных реакций.
• Нейромедиаторная. Микробиом синтезирует предшественники серотонина и дофамина, участвует в оси «кишечник — мозг».

¶Факторы, влияющие на состав

На микробиом влияют антибиотики, диета, способ родов, грудное вскармливание, стресс, возраст, генетика хозяина. Антибиотики широкого спектра могут резко снизить разнообразие, восстановление после курса занимает от нескольких недель до месяцев. Диета, богатая растительной клетчаткой, ассоциируется с более высоким разнообразием, тогда как преобладание обработанных продуктов и жиров — с более низким.

¶Микробиом и здоровье

Изменения состава микробиома (дисбиоз) связаны с рядом заболеваний: воспалительные болезни кишечника, ожирение, сахарный диабет 2 типа, аллергии, некоторые нейропсихиатрические состояния. При этом причинно-следственные связи во многих случаях ещё не установлены.

¶Методы изучения

Основной метод — метагеномное секвенирование: из пробы выделяют всю ДНК микробного сообщества и секвенируют, после чего по базам данных определяют состав. Альтернатива — 16S рРНК-секвенирование, более дешёвое, но менее детальное. В России исследования микробиома ведутся в ряде научных центров, включая Институт биохимии имени А. Н. Баха РАН и проект «Микробиом человека» РНФ.

¶Пробиотики и трансплантация фекального микробиоты

Пробиотики — живые микроорганизмы, при приёме которых предполагается положительный эффект на микробиом. Наиболее радикальный метод восстановления — трансплантация фекального микробиоты (ФМТ), при которой донорский кишечный микробиом переносится реципиенту. Метод показал высокую эффективность при рецидивирующей Clostridioides difficile-инфекции и изучается для применения при других заболеваниях.

Источники: материалы Human Microbiome Project; «Nature Reviews Microbiology»; «Микробиология» (под ред. А. А. Воробьёва); публикации Института биохимии имени А. Н. Баха РАН.