Войти
График, изображающий микробиоту кожи человека с относительной распространенностью различных классов бактерий. Человек микробиом представляет собой совокупность всех микробиотов, которые находятся на или в пределах человеческих тканей и Biofluids вместе с соответствующими анатомическими участками, в которых они проживают, в том числе кожи, молочные желез, семенной жидкости, матки, овариальные фолликулы, легкая, слюна, слизистая оболочка полости рта, конъюнктива, желчевыводящие пути и желудочно-кишечный тракт. Типы микробиоты человека включают бактерии, археи, грибы, протисты и вирусы. Хотя микроживотные также могут жить на теле человека, они обычно исключаются из этого определения. В контексте геномики термин « микробиом человека» иногда используется для обозначения коллективных геномов резидентных микроорганизмов; однако термин метагеном человека имеет то же значение.
Люди заселяют множество микроорганизмов, причем нечеловеческие клетки примерно того же порядка, что и человеческие клетки. Некоторые микроорганизмы, колонизирующие людей, являются комменсальными, то есть они сосуществуют, не причиняя вреда людям; у других есть взаимные отношения со своими человеческими хозяевами. И наоборот, некоторые непатогенные микроорганизмы могут нанести вред человеческому хозяину через производимые ими метаболиты, такие как триметиламин, который человеческое тело превращает в N-оксид триметиламина посредством окисления, опосредованного FMO3. Определенные микроорганизмы выполняют задачи, которые, как известно, могут быть полезны для человека-хозяина, но роль большинства из них до конца не изучена. Те, которые должны присутствовать и которые при нормальных обстоятельствах не вызывают заболевания, иногда считаются нормальной флорой или нормальной микробиотой.
Проект « Микробиом человека» (HMP) взялся за проект по секвенированию генома микробиоты человека, уделяя особое внимание микробиоте, которая обычно населяет кожу, рот, нос, пищеварительный тракт и влагалище. Важной вехой стала публикация первых результатов в 2012 году.
| Хронология жизни | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Эта коробка:
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| −4500 - - - - −4000 - - - - −3500 - - - - −3000 - - - - −2500 - - - - −2000 - - - - −1500 - - - - −1000 - - - - −500 - - - - 0 - | Воды Одноклеточная жизнь Фотосинтез Эукариоты Многоклеточная жизнь П л а н т с Членистоногие Моллюски Цветы Динозавры Млекопитающие Птицы Приматы H a d e a n Т с ч е с п П р о т е р о з о и к Р ч п е г о г о я гр |
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ( миллион лет назад ) * Ледниковые периоды | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Хотя это название широко известно как « флора» или « микрофлора», это неправильное название с технической точки зрения, поскольку слово «корневая флора» относится к растениям, а « биота» относится к общему набору организмов в конкретной экосистеме. В последнее время применяется более подходящий термин « микробиота», хотя его использование не затмило укоренившееся использование и признание флоры в отношении бактерий и других микроорганизмов. Оба термина используются в разной литературе.
По состоянию на 2014 год в популярных средствах массовой информации и в научной литературе сообщалось, что в человеческом теле примерно в 10 раз больше микробных клеток, чем человеческих клеток; эта цифра была основана на оценках того, что микробиом человека включает около 100 триллионов бактериальных клеток и что взрослый человек обычно имеет около 10 триллионов человеческих клеток. В 2014 году Американская академия микробиологии опубликовала FAQ, в котором подчеркивалось, что количество микробных клеток и количество клеток человека являются оценочными, и отмечалось, что недавние исследования пришли к новой оценке количества человеческих клеток - примерно 37,2 триллиона. Это означает, что соотношение микробных и человеческих клеток, если первоначальная оценка в 100 триллионов бактериальных клеток верна, ближе к 3: 1. В 2016 году другая группа опубликовала новую оценку соотношения примерно 1: 1 (1,3: 1, с «неопределенностью 25% и отклонением в 53% по популяции стандартных мужчин весом 70 кг [150 фунтов]»)..
По более поздним оценкам, соотношение бактериальных клеток на каждую клетку человека составляет 1,3: 1, тогда как количество фагов и вирусов превышает количество бактериальных клеток, по крайней мере, на порядок больше. Количество бактериальных генов (при условии, что в кишечнике 1000 видов бактерий и 2000 генов на вид) оценивается в 2 000 000 генов, что в 100 раз превышает количество приблизительно 20 000 генов человека.
Блок-схема, показывающая, как микробиом человека изучается на уровне ДНК. Проблема выяснения микробиома человека заключается, по сути, в идентификации членов микробного сообщества, в которое входят бактерии, эукариоты и вирусы. Это делается в основном с использованием исследований на основе дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), хотя также проводятся исследования на основе рибонуклеиновой кислоты (РНК), белков и метаболитов. Исследования микробиома на основе ДНК обычно можно разделить на целевые исследования ампликонов или, в последнее время, метагеномные исследования с применением дробовика. Первый фокусируется на конкретных известных маркерных генах и в первую очередь информативен с таксономической точки зрения, тогда как последний представляет собой полный метагеномный подход, который также можно использовать для изучения функционального потенциала сообщества. Одна из проблем, которая присутствует в исследованиях микробиома человека, но не в других метагеномных исследованиях, заключается в том, чтобы избежать включения ДНК хозяина в исследование.
Помимо простого выяснения состава микробиома человека, один из основных вопросов, связанных с микробиомом человека, заключается в том, существует ли «ядро», то есть существует ли подмножество сообщества, разделяемое большинством людей. Если есть ядро, то можно было бы связать определенные составы сообщества с болезненными состояниями, что является одной из целей HMP. Известно, что микробиом человека (например, микробиота кишечника) сильно варьируется как у одного субъекта, так и у разных людей, что также наблюдается у мышей.
13 июня 2012 года директор Национального института здоровья (NIH) Фрэнсис Коллинз объявил о важной вехе HMP. Объявление сопровождалось серией скоординированных статей, опубликованных в тот же день в журнале Nature и нескольких журналах Public Library of Science (PLoS). Картируя нормальный микробный состав здоровых людей с помощью методов секвенирования генома, исследователи HMP создали справочную базу данных и границы нормальных микробных вариаций у людей. У 242 здоровых добровольцев из США было собрано более 5000 образцов тканей с 15 (мужчин) до 18 (женщин) участков тела, таких как рот, нос, кожа, нижняя часть кишечника (стул) и влагалище. Вся ДНК, человеческая и микробная, была проанализирована с помощью машин для секвенирования ДНК. Данные микробного генома были извлечены путем идентификации специфической для бактерий рибосомной РНК, 16S рРНК. Исследователи подсчитали, что более 10 000 видов микробов населяют экосистему человека, и они идентифицировали 81–99% родов.
Часто бывает трудно культивировать в лабораторных сообществах бактерий, архей и вирусов, поэтому технологии секвенирования можно использовать и в метагеномике. Действительно, полное знание функций и характеристик конкретных микробных штаммов открывает большие возможности для терапевтических открытий и здоровья человека.
Главное - собрать количество микробной биомассы, достаточное для выполнения секвенирования и сведения к минимуму загрязнения образца; по этой причине можно использовать методы обогащения. В частности, метод выделения ДНК должен подходить для каждого бактериального штамма, а не иметь геномы тех, которые легко лизировать. Механический лизис обычно предпочтительнее химического лизиса, а измельчение гранул может привести к потере ДНК при приготовлении библиотеки.
Наиболее часто используемые платформы - это Illumina, Ion Torrent, Oxford Nanopore MinION и Pacific Bioscience Sequel, хотя платформа Illumina считается наиболее привлекательным вариантом из-за ее широкой доступности, высокой производительности и точности. Нет никаких указаний относительно правильного количества пробы для использования.
Используется подход de novo ; однако это представляет некоторые трудности, которые необходимо преодолеть. Покрытия зависит от каждого генома обилию в его конкретном обществе; геномы с низким содержанием могут подвергаться фрагментации, если глубина секвенирования недостаточна для предотвращения образования пробелов. К счастью, существуют ассемблеры, специфичные для метагенома, поскольку, если присутствуют сотни штаммов, глубину секвенирования необходимо увеличить до максимума.
Ни какой геном происходит от каждого контига, ни количество геномов, присутствующих в образце, априори неизвестно ; цель этого шага - разделить контиги на виды. Методы для выполнения такого анализа могут быть контролируемыми (база данных с известными последовательностями) или неконтролируемыми (прямой поиск групп контигов в собранных данных). Однако для обоих методов требуется своего рода метрика для определения оценки сходства между конкретным контигом и группой, в которую он должен быть помещен, а также алгоритмы для преобразования сходства в распределения в группах.
Статистический анализ важен для подтверждения полученных результатов ( ANOVA может использоваться для определения различий между группами); если он сочетается с графическими инструментами, результат легко визуализировать и понять.
После сборки метагенома можно сделать вывод о функциональном потенциале микробиома. Вычислительные проблемы для этого типа анализа больше, чем для одиночных геномов, потому что обычно сборщики метагеномов имеют более низкое качество, и многие восстановленные гены являются неполными или фрагментированными. После этапа идентификации гена данные можно использовать для выполнения функциональной аннотации посредством множественного сопоставления целевых генов с базами данных ортологов.
Это метод, который использует праймеры для нацеливания на конкретную генетическую область и позволяет определять микробную филогению. Генетическая область характеризуется очень вариабельной областью, которая может дать подробную идентификацию; он ограничен консервативными областями, которые функционируют как сайты связывания для праймеров, используемых в ПЦР. Основным геном, используемым для характеристики бактерий и архей, является ген 16S рРНК, тогда как идентификация грибов основана на внутреннем транскрибируемом спейсере (ITS). Методика быстрая и недорогая и позволяет получить классификацию микробного образца с низким разрешением; он оптимален для образцов, которые могут быть загрязнены ДНК хозяина. Сродство праймера варьируется среди всех последовательностей ДНК, что может приводить к ошибкам во время реакции амплификации; действительно, образцы с низким содержанием чувствительны к ошибкам чрезмерной амплификации, так как другие контаминирующие микроорганизмы будут чрезмерно представлены в случае увеличения циклов ПЦР. Таким образом, оптимизация выбора праймера может помочь уменьшить такие ошибки, хотя для этого требуется полное знание микроорганизмов, присутствующих в образце, и их относительное количество.
На анализ маркерного гена можно повлиять выбором праймера; в этом виде анализа желательно использовать хорошо проверенный протокол (например, тот, который используется в проекте « Микробиом Земли» ). Первое, что нужно сделать при анализе ампликона маркерного гена, - это устранить ошибки секвенирования; Многие платформы для секвенирования очень надежны, но большая часть очевидного разнообразия последовательностей по-прежнему связана с ошибками в процессе секвенирования. Чтобы уменьшить это явление, первый подход состоит в том, чтобы объединить последовательности в операционную таксономическую единицу (OTU): этот процесс объединяет похожие последовательности (обычно принимается порог сходства 97%) в единую функцию, которая может использоваться на дальнейших этапах анализа; однако этот метод отбрасывает SNP, потому что они будут кластеризованы в один OTU. Другой подход - олиготипирование, которое включает позиционно-специфическую информацию из секвенирования 16s рРНК для обнаружения небольших вариаций нуклеотидов и различения между тесно связанными отдельными таксонами. Эти методы дают в качестве выходных данных таблицу последовательностей ДНК и количество различных последовательностей на образец, а не OTU.
Еще один важный шаг в анализе - присвоить таксономическое название микробным последовательностям в данных. Это можно сделать с помощью подходов машинного обучения, которые могут достигать точности на уровне рода около 80%. Другие популярные пакеты анализа обеспечивают поддержку таксономической классификации с использованием точных совпадений со справочными базами данных и должны обеспечивать большую специфичность, но низкую чувствительность. Неклассифицированный микроорганизм следует дополнительно проверить на предмет последовательностей органелл.
Многие методы, использующие филогенетический вывод, используют ген 16SRNA для архей и бактерий и ген 18SRNA для эукариот. Филогенетические сравнительные методы (PCS) основаны на сравнении множества признаков среди микроорганизмов; Принцип таков: чем теснее они связаны, тем больше у них общих черт. Обычно PCS сочетаются с филогенетическим обобщенным методом наименьших квадратов (PGLS) или другим статистическим анализом для получения более значимых результатов. Реконструкция состояния предков используется в исследованиях микробиома для вменения значений признаков для таксонов, признаки которых неизвестны. Обычно это выполняется с помощью PICRUSt, который использует доступные базы данных. Филогенетические переменные выбираются исследователями в соответствии с типом исследования: путем выбора некоторых переменных со значительной биологической информацией можно уменьшить размер данных для анализа.
Филогенетическая осведомленность о дистанции обычно выполняется с помощью UniFrac или аналогичных инструментов, таких как индекс Соресена или D Рао, для количественной оценки различий между различными сообществами. На все эти методы негативно влияет горизонтальная передача генов (HGT), поскольку она может генерировать ошибки и приводить к корреляции отдаленных видов. Есть разные способы уменьшить негативное влияние HGT: использование нескольких генов или вычислительных инструментов для оценки вероятности предполагаемых событий HGT.
Комменсалы против механизма патогенов. Механизмы, лежащие в основе воспаления при ХОБЛ. Эпителий дыхательных путей имеет сложную структуру: состоит как минимум из семи различных типов клеток, взаимодействующих друг с другом посредством плотных контактов. Более того, эпителиальные вызовы могут доставлять сигналы в подлежащие ткани, участвуя в механизмах врожденной и адаптивной иммунной защиты. Ключевыми передатчиками сигналов являются дендритные клетки. Как только патогенная бактерия (например, S. pneumoniae, P. aeruginosa) активирует определенные рецепторы распознавания образов на / в эпителиальных клетках, активируются провоспалительные сигнальные пути. Это приводит в основном к продукции IL-1, IL-6 и IL-8. Эти цитокины вызывают хемотаксис к участку инфекции в своих клетках-мишенях (например, нейтрофилах, дендритных клетках и макрофагах). С другой стороны, представители стандартной микробиоты вызывают лишь слабую сигнализацию, предотвращающую воспаление. Механизм различения безобидных и вредных бактерий как на молекулярном, так и на физиологическом уровнях до конца не изучен. Популяции микробов (таких как бактерии и дрожжи ) населяют кожу и слизистые оболочки в различных частях тела. Их роль составляет часть нормальной, здоровой физиологии человека, однако, если количество микробов вырастает за пределы их типичных диапазонов (часто из-за ослабленной иммунной системы) или если микробы заселяются (например, из-за плохой гигиены или травмы), участки тела обычно не колонизируются или стерильное (например, кровь, или нижние дыхательные пути, или брюшная полость), может привести к заболеванию (вызывающему, соответственно, бактериемию / сепсис, пневмонию и перитонит).
Проект «Микробиом человека» обнаружил, что люди являются хозяевами тысяч видов бактерий, причем разные участки тела имеют свои собственные отличительные сообщества. Кожа и влагалище показали меньшее разнообразие, чем рот и кишечник, они показали наибольшее богатство. Бактериальный состав на определенном участке тела варьируется от человека к человеку не только по типу, но и по количеству. Бактерии одного и того же вида, встречающиеся во рту, относятся к нескольким подтипам, предпочитая обитать во рту в совершенно разных местах. Даже энтеротипы в кишечнике человека, которые ранее считались хорошо изученными, происходят из широкого спектра сообществ с размытыми границами таксонов.
По оценкам, в кишечнике человека обитает от 500 до 1000 видов бактерий, но они принадлежат лишь к нескольким типам: преобладают Firmicutes и Bacteroidetes, но есть также Proteobacteria, Verrucomicrobia, Actinobacteria, Fusobacteria и Cyanobacteria.
Ряд типов бактерий, таких как Actinomyces viscosus и A. naeslundii, обитает во рту, где они являются частью липкого вещества, называемого зубным налетом. Если его не удалить щеткой, он затвердеет, образуя зубной камень (также называемый зубным камнем). Эти же бактерии также выделяют кислоты, растворяющие зубную эмаль, вызывая кариес.
В микрофлоры влагалища в основном состоят из различных лактобактерий видов. Долгое время считалось, что наиболее распространенным из этих видов является Lactobacillus acidophilus, но позже было показано, что на самом деле наиболее распространен L. iners, за которым следует L. crispatus. Другие лактобациллы, обнаруживаемые во влагалище, - это L. jensenii, L. delbruekii и L. gasseri. Нарушение микрофлоры влагалища может привести к таким инфекциям, как бактериальный вагиноз или кандидоз («дрожжевая инфекция»).
Археи присутствуют в кишечнике человека, но, в отличие от огромного разнообразия бактерий в этом органе, количество видов архей гораздо более ограничено. Доминирующей группой являются метаногены, особенно Methanobrevibacter smithii и Methanosphaera stadtmanae. Однако колонизация метаногенами варьируется, и только около 50% людей имеют легко обнаруживаемые популяции этих организмов.
По состоянию на 2007 год не было известно никаких явных примеров архейных патогенов, хотя была предложена связь между присутствием некоторых метаногенов и пародонтозом человека.
Грибы, в частности дрожжи, присутствуют в кишечнике человека. Наиболее изученными из них являются виды Candida из-за их способности становиться патогенными для иммунодефицитных и даже здоровых хозяев. Дрожжи также присутствуют на коже, например, виды Malassezia, где они потребляют масла, выделяемые сальными железами.
Вирусы, особенно бактериальные вирусы ( бактериофаги ), колонизируют различные участки тела. Эти колонизированные участки включают кожу, кишечник, легкие и полость рта. Сообщества вирусов связаны с некоторыми заболеваниями, а не просто отражают сообщества бактерий.
Исследование 20 участков кожи на каждом из десяти здоровых людей обнаружило 205 идентифицированных родов в 19 бактериальных типах, причем большинство последовательностей было отнесено к четырем типам: Actinobacteria (51,8%), Firmicutes (24,4%), Proteobacteria (16,5%) и Bacteroidetes ( 6,3%). Большое количество грибов присутствует на здоровой коже человека с некоторыми вариациями по регионам тела; однако при патологических состояниях определенные роды имеют тенденцию доминировать в пораженной области. Например, Malassezia преобладает при атопическом дерматите, а Acremonium - на коже головы, пораженной перхотью.
Кожа действует как барьер, сдерживающий вторжение патогенных микробов. Кожа человека содержит микробы, которые обитают в коже или на ней и могут быть жилыми или временными. Типы резидентных микроорганизмов различаются в зависимости от типа кожи на теле человека. Большинство микробов обитают на поверхностных клетках кожи или предпочитают связываться с железами. Эти железы, такие как сальные или потовые железы, снабжают микробы водой, аминокислотами и жирными кислотами. Кроме того, резидентные бактерии, связанные с сальными железами, часто являются грамположительными и могут быть патогенными.
В конъюнктиве обычно присутствует небольшое количество бактерий и грибков. Классы бактерий включают грамположительные кокки (например, стафилококки и стрептококки ) и грамотрицательные палочки и кокки (например, Haemophilus и Neisseria ). Грибковые роды включают Candida, Aspergillus и Penicillium. Слезной железы непрерывно секретируют, сохраняя конъюнктивы влажные, в то время как прерывистое мигание смазывает конъюнктиву и смывает инородные материалы. Слезы содержат бактерициды, такие как лизоцим, поэтому микроорганизмам трудно выжить после лизоцима и осесть на эпителиальных поверхностях.
Метаболизм триптофана кишечной микробиотой человека (
 Триптофан Clostridium sporogenes Лакто- бациллы Триптофаназа - экспрессирующие бактерии IPA I3A Индол Печень Головной мозг IPA I3A Индол индоксил сульфат АСТ-120 AhR Кишечные иммунные клетки Кишечный эпителий PXR Слизистые гомеостаз: ↓ ФНО-amp; alpha ; ↑ Распределительная белково кодирования мРНК L ячейка GLP-1 TJ Нейропротектор : ↓ Активация глиальных клеток и астроцитов ↓ Уровни 4-гидрокси-2-ноненала ↓ Повреждение ДНК - Антиоксидант - Подавляет образование β-амилоидных фибрилл Поддерживает слизистую оболочку реакционная способность: ↑ IL-22 производства Связано с сосудистыми заболеваниями : ↑ Окислительный стресс ↑ Пролиферация гладкомышечных клеток ↑ Толщина стенки аорты и кальцификация Связано с хронической болезнью почек : ↑ Почечная дисфункция - уремический токсин Почки  На этой диаграмме показан биосинтез биоактивных соединений ( индола и некоторых других производных) из триптофана бактериями в кишечнике. Индол производится из триптофана бактериями, которые экспрессируют триптофаназу. Clostridium sporogenes метаболизирует триптофан в индол, а затем в 3-индолепропионовую кислоту (IPA), мощный нейрозащитный антиоксидант, который улавливает гидроксильные радикалы. IPA связывается с рецептором прегнана X (PXR) в клетках кишечника, тем самым облегчая гомеостаз слизистой и барьерную функцию. После всасывания из кишечника и распределения в головном мозге IPA оказывает нейропротекторный эффект против церебральной ишемии и болезни Альцгеймера. Виды Lactobacillus метаболизируют триптофан в индол-3-альдегид (I3A), который действует на арилуглеводородный рецептор (AhR) в иммунных клетках кишечника, в свою очередь увеличивая выработку интерлейкина-22 (IL-22). Сам Индол вызывает секрецию из глюкагон-подобного пептида-1 (GLP-1) в кишечных L клеток и действует в качестве лиганда для AhR. Индол также может метаболизироваться в печени в индоксилсульфат, соединение, которое в высоких концентрациях является токсичным и связано с сосудистыми заболеваниями и дисфункцией почек. AST-120 ( активированный уголь ), кишечный сорбент, принимаемый внутрь, адсорбирует индол, в свою очередь, снижая концентрацию индоксилсульфата в плазме крови. |
У человека состав микробиома желудочно-кишечного тракта устанавливается во время рождения. Роды путем кесарева сечения или естественных родов также влияют на микробный состав кишечника. Младенцы, рожденные через вагинальный канал, имеют непатогенную полезную кишечную микробиоту, аналогичную той, что обнаруживается у матери. Однако микробиота кишечника детей, рожденных с помощью кесарева сечения, содержит больше патогенных бактерий, таких как кишечная палочка и стафилококк, и требуется больше времени для развития непатогенной полезной микробиоты кишечника.
Отношения между некоторой кишечной флорой и людьми не просто комменсальные (безвредное сосуществование), а скорее мутуалистические отношения. Некоторые кишечные микроорганизмы человека приносят пользу хозяину, ферментируя пищевые волокна до короткоцепочечных жирных кислот (SCFA), таких как уксусная кислота и масляная кислота, которые затем абсорбируются хозяином. Кишечные бактерии также играют роль в синтезе витаминов B и K, а также в метаболизме желчных кислот, стеринов и ксенобиотиков. Системное значение SCFAs и других соединений, которые они производят, подобны гормонам, а сама кишечная флора, по-видимому, функционирует как эндокринный орган, а нарушение регуляции кишечной флоры коррелирует с множеством воспалительных и аутоиммунных состояний.
Состав флоры кишечника человека меняется со временем, когда меняется диета и общее состояние здоровья. Систематический обзор 15 человека рандомизированных контролируемых исследований с июля 2016 года было установлено, что некоторые коммерчески доступные штаммы пробиотических бактерий из Bifidobacterium и Lactobacillus родов ( В. лонгум, Б. BREVE, В. infantis, Л. Helveticus, Л. rhamnosus, L. Plantarum и Л. Casei ), когда принимают внутрь в суточных дозах от 10 9 -10 10 колониеобразующих единиц (КОЕ) в течение 1-2 месяцев, обладают эффективность лечения (то есть, улучшает поведенческие результаты) в некоторых расстройств центральной нервной системы - включая тревогу, депрессию, расстройство аутистического спектра и обсессивно-компульсивное расстройство, а также улучшает определенные аспекты памяти. Однако было обнаружено, что изменения в составе кишечной микробиоты также связаны с вредным воздействием на здоровье. В статье, опубликованной Musso et al., Было обнаружено, что в кишечной микробиоте людей с ожирением было больше Firmicutes и меньше Bacteroidetes, чем у здоровых людей. Считается, что это изменение в соотношении микробов может способствовать увеличению количества бактерий, более эффективных в извлечении энергии из пищи. Исследователи использовали секвенирование с дробовиком, чтобы сравнить микробиоту мышей с ожирением с мышами тощими. Они обнаружили, что геномы мышей с ожирением состоят из множества генов, кодирующих ферменты, способные расщеплять полисахариды, которые не перевариваются одним человеческим телом.
Кроме того, исследование, проведенное Гордоном и соавторами, подтвердило, что именно состав микробиоты вызывает ожирение, а не наоборот. Это было сделано путем трансплантации микробиоты кишечника от мышей с ожирением, вызванным диетой (DIO), или мышей из контрольной группы худым мышам без микробов, у которых нет микробиома. Они обнаружили, что у мышей, которым была трансплантирована кишечная микробиота мышей DIO, было значительно больше общего жира в организме, чем у мышей, которым трансплантировали постную микробиоту мышей, когда их кормили той же диетой.
Отдельное исследование, выполненное Ridaura et al. в 2013 году осуществила первую трансплантацию фекалий человека стерильным мышам. Собранные человеческие фекалии были получены от взрослых близнецов женского пола с заметно различающимся процентным содержанием жира в организме. Исследователи смогли по существу передать фенотип ожирения и фенотип постного мяса мышам, находясь на обезжиренном корме для мышей. У мышей с фекалиями, полученными от тучного близнеца, увеличилась общая масса тела и жировая масса, в то время как у мышей с фекалиями, полученными от более поджарого близнеца, не развились черты или симптомы, подобные ожирению.
Мочеполовая система, как представляется, имеет микробиот, которая является неожиданной находкой в свете давнего использования стандартных клинических микробиологических культур методов обнаружения бактерий в моче, когда люди показывают признаки инфекции мочевых путей ; Эти тесты обычно не показывают присутствия бактерий. Похоже, что обычные методы культивирования не позволяют обнаружить многие виды бактерий и других микроорганизмов, которые обычно присутствуют. По состоянию на 2017 год для идентификации этих микроорганизмов использовались методы секвенирования, чтобы определить, есть ли различия в микробиоте между людьми с проблемами мочевыводящих путей и здоровыми людьми. Чтобы правильно оценить микробиом мочевого пузыря, в отличие от мочеполовой системы, образец мочи следует собирать непосредственно из мочевого пузыря, что часто делается с помощью катетера.
Микробиота влагалища относится к тем видам и родам, которые колонизируют влагалище. Эти организмы играют важную роль в защите от инфекций и поддержании здоровья влагалища. Наиболее многочисленные вагинальные микроорганизмы, обнаруживаемые у женщин в пременопаузе, принадлежат к роду Lactobacillus, которые подавляют патогены, производя перекись водорода и молочную кислоту. Видовой состав и соотношение бактерий варьируются в зависимости от стадии менструального цикла. Этническая принадлежность также влияет на флору влагалища. Возникновение лактобацилл, продуцирующих перекись водорода, ниже у афроамериканских женщин, а рН влагалища выше. Другие влиятельные факторы, такие как половой акт и антибиотики, были связаны с потерей лактобацилл. Более того, исследования показали, что половой акт с презервативом действительно меняет уровень лактобацилл и увеличивает уровень кишечной палочки во влагалищной флоре. Изменения нормальной, здоровой микробиоты влагалища являются признаком инфекций, таких как кандидоз или бактериальный вагиноз. Candida albicans подавляет рост видов Lactobacillus, тогда как виды Lactobacillus, вырабатывающие перекись водорода, подавляют рост и вирулентность Candida albicans как во влагалище, так и в кишечнике.
Роды грибов, обнаруженные во влагалище, включают, среди прочего, Candida, Pichia, Eurotium, Alternaria, Rhodotorula и Cladosporium.
До недавнего времени плацента считалась стерильным органом, но были идентифицированы комменсальные, непатогенные виды и роды бактерий, которые обитают в ткани плаценты. Тем не менее, существование микробиома в плаценте является спорным, что критикуется в нескольких исследованиях. Так называемый «микробиом плаценты», вероятно, происходит из-за загрязнения регентов, поскольку образцы с низким содержанием биомассы легко заражаются.
До недавнего времени верхние половые пути женщин считались стерильной средой. У здоровых бессимптомных женщин репродуктивного возраста в матке обитают самые разные микроорганизмы. Микробиом матки значительно отличается от микробиома влагалища и желудочно-кишечного тракта.
Окружающая среда, присутствующая во рту человека, способствует росту характерных микроорганизмов, обнаруженных там. Он обеспечивает источник воды и питательных веществ, а также умеренную температуру. Постоянные микробы ротовой полости прикрепляются к зубам и деснам, чтобы противостоять механической промывке изо рта в желудок, где чувствительные к кислоте микробы уничтожаются соляной кислотой.
К анаэробным бактериям в ротовой полости относятся: Actinomyces, Arachnia, Bacteroides, Bifidobacterium, Eubacterium, Fusobacterium, Lactobacillus, Leptotrichia, Peptococcus, Peptostreptococcus, Propionibacterium, Selenomonas, Treponella и Vera. Роды грибов, которые часто встречаются во рту, включают, среди прочего, Candida, Cladosporium, Aspergillus, Fusarium, Glomus, Alternaria, Penicillium и Cryptococcus.
Бактерии накапливаются как на твердых, так и на мягких тканях полости рта в виде биопленки, позволяя им прилипать и стремиться к окружающей среде полости рта, будучи защищенными от факторов окружающей среды и противомикробных агентов. Слюна играет ключевую гомеостатическую роль биопленки, позволяя повторно заселять бактерии для образования и контроля роста за счет отделения накопившихся биопленок. Он также обеспечивает средства регулирования температуры и питательных веществ. Расположение биопленки определяет тип получаемых ею питательных веществ.
Оральные бактерии развили механизмы, позволяющие чувствовать окружающую среду и уклоняться от хозяина или изменять его. Однако высокоэффективная врожденная система защиты хозяина постоянно контролирует бактериальную колонизацию и предотвращает бактериальную инвазию в местные ткани. Между бактериями зубного налета и врожденной системой защиты хозяина существует динамическое равновесие.
Эта динамика между ротовой полостью хозяина и микробами ротовой полости играет ключевую роль в здоровье и болезнях, поскольку обеспечивает проникновение в организм. Здоровое равновесие представляет собой симбиотические отношения, при которых микробы полости рта ограничивают рост и прилипание патогенов, в то время как хозяин обеспечивает среду для их процветания. Экологические изменения, такие как изменение иммунного статуса, смещение резидентных микробов и доступность питательных веществ, переходят от взаимных к паразитарным отношениям, что приводит к тому, что хозяин предрасположен к оральным и системным заболеваниям. Системные заболевания, такие как диабет и сердечно-сосудистые заболевания, связаны с плохим здоровьем полости рта. Особый интерес представляет роль микроорганизмов полости рта в двух основных стоматологических заболеваниях: кариесе и заболеваниях пародонта. Колонизация патогенами в пародонте вызывает чрезмерный иммунный ответ, в результате чего образуется пародонтальный карман - углубленное пространство между зубом и десной. Это действует как защищенный богатый кровью резервуар с питательными веществами для анаэробных патогенов. Системное заболевание в различных частях тела может быть результатом попадания микробов в кровь, минуя пародонтальные карманы и оболочки полости рта.
Постоянная надлежащая гигиена полости рта является основным методом профилактики заболеваний полости рта и системных заболеваний. Это снижает плотность биопленки и разрастание потенциальных патогенных бактерий, приводящих к болезни. Однако надлежащей гигиены полости рта может быть недостаточно, поскольку микробиом полости рта, генетика и изменения иммунного ответа играют важную роль в развитии хронических инфекций. Использование антибиотиков может лечить уже распространяющуюся инфекцию, но неэффективно против бактерий в биопленках.
В здоровом микробиоме носа преобладают коринебактерии и стафилококки. Микробиом слизистой оболочки играет решающую роль в модулировании вирусной инфекции.
Как и полость рта, верхние и нижние дыхательные пути обладают механическими средствами защиты от микробов. Бокаловидные клетки производят слизь, которая улавливает микробы и выводит их из дыхательной системы посредством непрерывно перемещающихся мерцательных эпителиальных клеток. Кроме того, бактерицидное действие оказывает слизь из носа, содержащая фермент лизоцим. Верхние и нижние дыхательные пути, по-видимому, имеют свой собственный набор микробиоты. Легочная бактериальная микрофлора принадлежит 9 из основных бактериальных родов: Prevotella, Sphingomonas, Pseudomonas, Acinetobacter, Fusobacterium, Megasphaera, Veillonella, стафилококки и стрептококки. Некоторые из бактерий, которые считаются «нормальной биотой» дыхательных путей, могут вызывать серьезные заболевания, особенно у людей с ослабленным иммунитетом; к ним относятся Streptococcus pyogenes, Haemophilus influenzae, Streptococcus pneumoniae, Neisseria meningitidis и Staphylococcus aureus. Роды грибов, составляющие микобиом легких, включают, среди прочего, Candida, Malassezia, Neosartorya, Saccharomyces и Aspergillus.
Необычное распределение родов бактерий и грибов в дыхательных путях наблюдается у людей с муковисцидозом. Их бактериальная флора часто содержит устойчивые к антибиотикам и медленнорастущие бактерии, и частота этих патогенов меняется в зависимости от возраста.
Традиционно желчные пути считались стерильными, а присутствие микроорганизмов в желчи является маркером патологического процесса. Это предположение было подтверждено неудачей в выделении штаммов бактерий из нормального желчного протока. В 2013 году начали появляться статьи, показывающие, что нормальная микробиота желчных путей представляет собой отдельный функциональный слой, который защищает желчные пути от колонизации экзогенными микроорганизмами.
Человеческий организм полагается на бесчисленные бактериальные гены как на источник необходимых питательных веществ. Как метагеномные, так и эпидемиологические исследования указывают на жизненно важную роль микробиома человека в предотвращении широкого спектра заболеваний, от диабета 2 типа и ожирения до воспалительных заболеваний кишечника, болезни Паркинсона и даже состояний психического здоровья, таких как депрессия. Симбиотические отношения между микробиотой кишечника и различными бактериями могут влиять на иммунный ответ человека. Хотя лечение на основе микробиома находится в зачаточном состоянии, оно также является многообещающим, особенно для лечения лекарственно-устойчивой инфекции C. difficile и лечения диабета.
Подавляющее присутствие бактерий C. difficile приводит к инфекции желудочно-кишечного тракта, обычно связанной с дисбактериозом с микробиотой, предположительно вызванной приемом антибиотиков. Использование антибиотиков уничтожает полезную кишечную флору в желудочно-кишечном тракте, что обычно препятствует установлению доминирования патогенных бактерий. Традиционное лечение инфекций, вызванных C. difficile, включает дополнительный режим приема антибиотиков, однако его эффективность составляет в среднем 20–30%. Признавая важность здоровых кишечных бактерий, исследователи обратились к процедуре, известной как трансплантация фекальной микробиоты, при которой пациенты, страдающие желудочно-кишечными заболеваниями, такими как инфекция C. difficile, получают фекалии от здорового человека в надежде восстановить нормальную функционирующую кишечную микробиоту. Трансплантация фекальной микробиоты эффективна примерно на 85–90% у людей с ИКД, у которых антибиотики не помогли или у которых болезнь рецидивирует после приема антибиотиков. Большинство людей с ИКД выздоравливают после одной терапии FMT.
Хотя рак обычно является заболеванием, обусловленным генетикой хозяина и факторами окружающей среды, микроорганизмы причастны к примерно 20% раковых заболеваний человека. В частности, для потенциальных факторов рака толстой кишки плотность бактерий в миллион раз выше, чем в тонком кишечнике, и примерно в 12 раз больше случаев рака встречается в толстой кишке по сравнению с тонкой кишкой, что, возможно, указывает на патогенную роль микробиоты при раке толстой и прямой кишки.. Плотность микробов может использоваться как прогностический инструмент при оценке колоректального рака.
Микробиота может влиять на канцерогенез тремя широкими способами: (i) изменяя баланс пролиферации и гибели опухолевых клеток, (ii) регулируя функцию иммунной системы и (iii) влияя на метаболизм факторов, продуцируемых хозяином, пищевых продуктов и фармацевтических препаратов. Опухоли, возникающие на пограничных поверхностях, таких как кожа, ротоглотка и дыхательные пути, пищеварительный и урогенитальный тракты, содержат микробиоту. Существенное присутствие микробов на участке опухоли не устанавливает ассоциации или причинных связей. Вместо этого микробы могут найти в опухоли давление кислорода или профиль питательных веществ. Снижение популяции определенных микробов или индуцированный окислительный стресс также могут увеличить риски. Из примерно 10 30 микробов на Земле десять классифицированы Международным агентством по изучению рака как канцерогены для человека. Микробы могут секретировать белки или другие факторы, непосредственно управляющие пролиферацией клеток в организме хозяина, или могут повышать или понижать регуляцию иммунной системы хозяина, в том числе вызывать острое или хроническое воспаление способами, которые способствуют канцерогенезу.
Что касается взаимосвязи иммунной функции и развития воспаления, поверхностные барьеры слизистой оболочки подвержены экологическим рискам и должны быстро восстанавливаться для поддержания гомеостаза. Нарушение устойчивости хозяина или микробиоты также снижает устойчивость к злокачественным новообразованиям, что может вызвать воспаление и рак. Как только барьеры нарушены, микробы могут вызывать провоспалительные или иммуносупрессивные программы различными путями. Например, ассоциированные с раком микробы, по-видимому, активируют передачу сигналов NF-κΒ в микроокружении опухоли. Другие рецепторы распознавания образов, такие как члены семейства рецепторов, подобных домену олигомеризации нуклеотидов (NLR), NOD-2, NLRP3, NLRP6 и NLRP12, могут играть роль в опосредовании колоректального рака. Точно так же Helicobacter pylori, по- видимому, увеличивает риск рака желудка из-за того, что вызывает хроническую воспалительную реакцию в желудке.
Воспалительное заболевание кишечника состоит из двух разных заболеваний: язвенного колита и болезни Крона, и оба эти заболевания проявляются нарушениями микробиоты кишечника (также известными как дисбактериоз ). Этот дисбиоз проявляется в виде снижения микробного разнообразия в кишечнике и коррелирует с дефектами генов хозяина, которые изменяют врожденный иммунный ответ у людей.
ВИЧ прогрессирования заболевания влияет на состав и функцию микрофлоры кишечника, при этом значительных различиях между ВИЧ-отрицательным, ВИЧ-позитивным и пост- АРТОМ ВИЧ-инфицированным населением. ВИЧ снижает целостность барьерной функции эпителия кишечника, воздействуя на плотные контакты. Этот распад способствует перемещению через эпителий кишечника, что, как считается, способствует увеличению воспаления, наблюдаемого у людей с ВИЧ.
Влагалищная микробиота играет роль в инфекционности ВИЧ, с повышенным риском инфицирования и передачи, когда женщина страдает бактериальным вагинозом, состоянием, характеризующимся ненормальным балансом вагинальных бактерий. Повышенная инфекционность наблюдается при увеличении провоспалительных цитокинов и клеток CCR5 + CD4 + во влагалище. Однако снижение инфекционности наблюдается при повышении уровня вагинальных лактобацилл, что способствует возникновению противовоспалительного состояния.
Со смертью микробиом живого тела разрушается, и другой состав микроорганизмов, называемый некробиомом, становится важным активным компонентом сложного процесса физического разложения. Считается, что его предсказуемые изменения с течением времени помогают определить время смерти.
Исследования, проведенные в 2009 году, поставили под вопрос, может ли сокращение биоты (включая микрофауну ) в результате вмешательства человека препятствовать здоровью человека, процедурам безопасности в больницах, дизайну пищевых продуктов и лечению болезней.
Предварительные исследования показывают, что немедленные изменения в микробиоте могут произойти, когда человек мигрирует из одной страны в другую, например, когда тайские иммигранты поселились в Соединенных Штатах или когда латиноамериканцы иммигрировали в Соединенные Штаты. Потери разнообразия микробиоты были больше у людей с ожирением и детей иммигрантов.
