В каждом из нас обитает бесчисленное множество микроорганизмов. То, что на первый взгляд кажется нездоровым, при ближайшем рассмотрении оказывается ценным симбиозом, особенно если говорить о бактериях, которые живут на нашей коже, в лёгких и кишечнике, выполняя жизненно важные для нас задачи. Без них люди просто-напросто не смогли бы выжить. В организме каждого из нас проживает несколько десятков триллионов бактерий, в то время как тело среднестатистического человека состоит из примерно 30 триллионов клеток.
Термины микробиота и микробиом описывают разные аспекты и не являются друг другу синонимами.
Все микроорганизмы, которые симбиотическим, а иногда и патологическим образом живут в организме человека, относятся к микробиоте. Её состав уникален и зависит от нашего питания, образа жизни, условий окружающей среды и т. д. Она принимает участие в процессах пищеварения, защищает от патогенов и поддерживает работу иммунитета.
Совокупность генетического материала всех микроорганизмов называется микробиомом. Его изучение помогает понять, как генетическое разнообразие микробов влияет на физиологические процессы и здоровье человека.
Наш микробиом начинает формироваться ещё в утробе матери. В 2020 году группа учёных обнаружила микробиом в лёгких плода и плаценте уже в первом триместре. По мере эмбрионального развития он изменяется. Исследователи предположили, что микроорганизмы и их ДНК передаются от матери к плоду для того, чтобы подготовить иммунную систему ребёнка. Они обнаружили, что лёгкие младенцев сразу после рождения уже оказались колонизированы бактериями, независимо от типа родов. В исследовании анализировали 31 образец тканей лёгких, плаценты и кишечника эмбрионов возрастом от 11 до 20 недель. Бактериальную ДНК обнаружили с помощью целевого анализа гена рибосомальной РНК 16S, стандартного метода идентификации различных микробных групп.
Исследования показывают, что микробы в желудочно-кишечном тракте эмбриона живут благодаря внутриутробным источникам. При этом они неактивны и почти не размножаются из-за отсутствия пищи. Поэтому до рождения ЖКТ малыша фактически стерилен. Но после, в первые сутки «самостоятельной» жизни новорождённых, начинается активное развитие микробиома с быстрым ростом колоний кишечной палочки и энтерококков, во вторые сутки — лактобацилл, в третьи — бифидобактерий.
Другим источником микроорганизмов является грудное молоко, которое вместе с окружающей средой, продуктами питания или контактом с животными существенно способствует изменению микробиоты ребёнка в первый год жизни. К третьему году микробиота уже очень похожа на таковую у взрослого человека. Некоторые исследования показали, что как естественные роды, так и грудное вскармливание имеют решающее значение для обеспечения ребёнка микробиотой, способной лучше защитить его от риска заражения болезнями и инфекциями даже во взрослом возрасте.
Наша микробиота участвует в регуляции метаболизма, влияет на психологическое состояние через серотонинергическую систему и гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковую ось, помогает контролировать воспалительные процессы и способствует развитию иммунитета.
Есть три критерия оценки состояния микробиоты и, соответственно, нашего здоровья:
микробное разнообразие;
количественное присутствие каждого вида микроорганизмов;
баланс между полезными и потенциально вредными видами.
Здоровая микробиота характеризуется биоразнообразием, оптимальным количеством каждого вида и преобладанием полезных микробов, гармонично взаимодействующих друг с другом. Пока результаты исследований не дали точного представления о профиле здоровой микробиоты. Но, уже стало понятно, что снижение микробного разнообразия, особенно в кишечнике, повышает риск развития таких заболеваний, как астма, ожирение, диабет и атопический дерматит.
Некоторые микроорганизмы являются комменсальными, то есть они сосуществуют с нами, не причиняя вреда и не принося пользы; другие же имеют мутуалистические отношения и необходимы для основных функций организма (например, пищеварения или иммунной системы). Большая часть находится в толстом кишечнике, в тонком кишечнике их намного меньше, а в желудке лишь немногие бактерии чувствуют себя комфортно из-за агрессивной желудочной кислоты. Остальная часть микроорганизмов живёт на поверхности кожи и на всех возможных слизистых оболочках.
Рассмотрим чуть подробнее, какие микробы живут в основных нишах нашего организма, какие функции они выполняют и как влияют на наше состояние здоровья.
Ротовая полость и желудочно-кишечный тракт
Примерное распределение микроорганизмов в ЖКТ
В нашей ротовой полости живёт более 200 видов микроорганизмов, в том числе стрептококки, стафилококки, лактобациллы, коринебактерии и анаэробы. Ради собственного выживания они защищают нас от колоний патогенных бактерий, а некоторые борются и с вирусами. Основная роль отводится различным стрептококкам и представителям кишечной и кожной микробиоты. Эти микробы помогают держать в узде микробные патогены.
В желудке в основном проживают кислотоустойчивые бактерии рода Lactobacillus и некоторые бифидобактерии. При нарушении защитных механизмов такие бактерии, как Helicobacter pylori, могут находить в желудке свой биотоп и вызывать инфекционные заболевания или приводить к язве.
Когда вы едите, только лишь небольшое количество питательных веществ всасывается через желудок. Основное усвоение происходит в тонком кишечнике, где ферменты, вырабатываемые кишечными бактериями, расщепляют неперевариваемые углеводы. К моменту, когда пища выходит из тонкого кишечника, около 90 % питательных веществ уже усваиваются организмом.
Состав кишечных бактерий сложен и индивидуален, как отпечаток пальца. В кишечнике обнаружены крупные семейства бактерий, такие как Prevotella, Ruminococcus, Bacteroides и Firmicutes. В толстой кишке, где мало кислорода, обитают анаэробные бактерии Peptostreptococcus, Bifidobacterium, Lactobacillus и Clostridium. Эти микроорганизмы предотвращают чрезмерный рост вредных бактерий, конкурируя за питательные вещества и места прикрепления к кишечным слизистым оболочкам, которые являются основным местом иммунной активности и производства антимикробных белков.
Здоровая микробиота включает в себя множество различных видов, родов и штаммов бактерий. Чем больше полезных бактериальных культур в кишечнике, тем лучше, потому что каждый вид может выполняет уникальные и нужные нам функции. Наука ещё не установила точный состав здоровой микробиоты. Предполагается, что важен не столько конкретный вид бактерий, сколько уникальные особенности каждого из них, включая продукты обмена веществ (метаболиты) и их влияние на здоровье. Исследователи всё чаще сосредотачиваются на метаболических функциях бактерий, известных как метаболом.
Большинство бактерий необходимы для правильной работы нашего организма. Кишечный микробиом улучшает пищеварение и стимулирует перистальтику кишечника, ферментирует клетчатку и производит витамины, включая витамины группы B (B12, тиамин (B1), рибофлавин (B2)) и витамин K, необходимый для свёртывания крови.
Он также защищает нас от проникновения патогенов и регулирует иммунную систему через лимфоидную ткань, ассоциированную с кишечником (GALT). Помимо этого, он обеспечивает энергией эпителиальный слой кишечника, поддерживая его барьерные функции, и передаёт сигналы в нервную систему, влияя на её работу.
Мозг и кишечник связаны сложной коммуникационной сетью, передающей электрические сигналы в обоих направлениях. Помимо прямой связи через нервную систему, мозг и кишечник взаимодействуют через кровоток, высвобождая гормоны и молекулы, вырабатываемые микробиотой кишечника (такие как короткоцепочечные жирные кислоты, нейротрансмиттеры и витамины). Эти связи позволяют мозгу контролировать функции кишечника, а кишечнику — влиять на функции мозга.
Микроорганизмы в нашем ЖКТ:
защищают нас от токсинов (включая фенолы и металлы), мутагенов, канцерогенов и свободных радикалов;
аккумулируют и выводят токсические продукты, химические соединения и ксенобиотики;
подавляют рост гнилостных бактерий, патогенов и условно-патогенной флоры, вызывающей кишечные инфекции;
укрепляют иммунную систему, стимулируя синтез антибиотикоподобных веществ;
синтезируют витамины и незаменимые аминокислоты;
играют ключевую роль в пищеварении и обменных процессах, улучшают всасывание витамина D, железа и кальция;
перерабатывают пищу, восстанавливают моторные и пищеварительные функции ЖКТ, предотвращают метеоризм и нормализуют перистальтику;
влияют на психическое состояние, регулируют сон, циркадные ритмы и аппетит;
обеспечивают клетки организма энергией, преобразуя питательные вещества.
Влияние на заболевания
Болезни дёсен, вызванные дисбалансом микробиоты полости рта, связаны с повышенным риском сердечно-сосудистых заболеваний. В 1993 году было проведено исследование, которое показало, что у людей с пародонтитом на 25 % был повышен риск возникновения сердечно-сосудистых заболеваний по сравнению со здоровыми людьми.
Исследования также обнаружили бактерии как в полости рта, так и в атеросклеротических бляшках. Проникновение бактерий в клетки атером и высвобождение воспалительных медиаторов, таких как С-реактивный белок (СРБ) и фибриноген, приводят к развитию атеросклероза.
В свою очередь, микробиота кишечника, крупнейший эндокринный орган, также играет важную роль в сердечно-сосудистой системе, и дисбиоз способствует развитию заболеваний. Микробы кишечника участвуют в метаболизме веществ, таких как холин и карнитин, что приводит к образованию триметиламин-N-оксида. Он влияет на баланс холестерина и уровень желчных кислот, и связан с ранним атеросклерозом и высоким риском смертности от сердечно-сосудистых заболеваний. Он активирует сигнальные пути, способствующие воспалению и повреждению сосудов. Липополисахарид — компонент некоторых бактерий, — вызывает стресс и воспаление в сосудах, что ведёт к их дисфункции.
Микробиота кишечника также метаболизирует полисахариды и белки в короткоцепочечные жирные кислоты. Они защищают от повреждений, связанных с гипертонией, при помощи регуляции иммунных клеток и снижения тахикардии, а также регулируют артериальное давление, влияя на рецепторы в клетках сосудов.
Кожа
Источник. Кожные липиды поддерживают эпидермальный барьер и влияют на взаимодействие человека и микробов. Эпидермис состоит из слоёв кератиноцитов, которые поддерживают целостность кожи. Липиды наблюдаются в дифференцирующихся слоях эпидермиса и выделяются сальными железами. Основные липиды рогового слоя влияют на колонизацию микробами, такими как Staphylococcus aureus. Микробиота кожи вырабатывает метаболиты, поддерживающие гомеостаз барьера. При патологических состояниях эти взаимодействия могут ухудшать состояние кожи, вызывая воспаление.
На нашей коже проживает не меньшее количество микроорганизмов, чем в кишечнике. Кожный барьер состоит из микробных, иммунных, химических и физических элементов. Сальные железы вырабатывают жиры для защиты от обезвоживания, а потовые железы выделяют антимикробные пептиды, которые ограничивают рост патогенных микроорганизмов.
На ней обнаруживаются преимущественно грамположительные (Staphylococcus spp., Corynebacterium spp., Enhydrobacter spp., Micrococcus spp., Cutibacterium spp. и Veillonella spp.) и грамотрицательные бактерии (Roseomonas mucosa, Pseudomonas spp., Acinetobacter spp., Pantoea septica и Moraxella osloensis). Также там живут археи (таумархеоты и эвриархеоты), которые могут влиять на регуляцию pH кожи и естественный защитный барьер организма.
В вирусной фракции кожи преобладают бактериофаги, участвуя в гомеостазе кожной микробиоты. Наиболее распространены фаги Cutibacterium и Staphylococcus, в меньших количествах встречаются фаги Streptococcus и Corynebacterium. Также идентифицированы вирусы, такие как Acheta domestica Densovirus, альфапапилломавирус, вирусы папилломы человека (β, γ, μ), полиомавирус клеток Меркеля, вирус контагиозного моллюска, полиомавирусы HPyV7 и HpyV6, ретровирус RD114 и вирус обезьян.
Как комменсальные организмы человеческой кожи идентифицированы грибы, включая Malassezia, Cryptococcus, Rhodotorula и Candida. Состав грибкового сообщества на коже ранее считался схожим по всем участкам тела, но недавние исследования показали, что Malassezia spp. преобладают на центральных участках тела и руках, тогда как участки стоп колонизированы более разнообразной комбинацией грибов. Клещи семейства Demodicidae, известные как Demodex, обитают в себорейных зонах кожи, таких как лицо и волосы, а также широко распространены на веках и крыльях носа.
Сама по себе микробиота выполняет барьерную функцию от инвазии, колонизации и заражения патогенами. Резидентные микроорганизмы на коже для своего выживания фактически разработали собственные стратегии противодействия своим соперникам. Например, Staphylococcus hominis производит антибактериальные вещества, эффективные против Staphylococcus aureus. Staphylococcus capitis использует регуляторный ген для активации кворум-сенсинга в борьбе с Staphylococcus aureus. Эти механизмы взаимодействуют с иммунным ответом человека. Например, антибактериальные пептиды, продуцируемые Staphylococcus lugdunensis, стимулируют кератиноциты к продукции антимикробных пептидов LL-37 и CXCL8, оказывающих хемотаксическое действие на клетки врождённого иммунного ответа.
Микробиом кожи способствует её барьерной функции и поддерживает гомеостаз. Ферменты протеазы, секретируемые микробами, участвуют в шелушении и обновлении рогового слоя. Кожное сало и свободные жирные кислоты регулируют pH. Липазы разрушают липидную плёнку на поверхности кожи, а уреазы деградируют мочевину. Микробиота также участвует в образовании биоплёнок, производстве бактериоцинов и кворум-сенсинге. Кроме того, микробиота кожи защищает от патогенов, конкурируя и продуцируя антимикробные пептиды (АМП).
Влияние на заболевания
Кожа и её микробиом остаются взаимосвязанными на протяжении всей жизни. Учёные особенно интересуются ролью микробиома кожи в развитии дерматологических заболеваний. Множество исследований показывают, что дисбиоз ассоциирован с такими заболеваниями, как атопический дерматит (нейродермит) и акне.
При нейродермите во время обострения общее бактериальное разнообразие на коже резко снижается и доминирует золотистый стафилококк, который ослабляет барьерную функцию кожи и усиливает воспалительный процесс.
При акне наблюдается повышенное количество бактерий Cutibacterium acnes и клеток воспаления. В период полового созревания повышенное производство кожного сала создаёт благоприятную среду для C. acnes.
Тесную связь между здоровьем дермы и разнообразием или количеством бактерий можно наблюдать и при других заболеваниях, таких как псориаз. Дисбиоз приводит к тому, что безобидные микроорганизмы превращаются в патогенные.
Дисбаланс кожной микробиоты может быть вызван такими внешними факторами, как воздействие ультрафиолета, частое использование моющих и дезинфицирующих средств, а также косметики. Что касается внутренних факторов и образа жизни, то можно выделить такие:
возраст;
генетика;
ослабленный иммунитет;
изменение гормонального баланса;
недостаток сна;
метаболические нарушения;
диета, богатая сахарами и жирами;
нездоровый образ жизни (стресс, употребление никотина, алкоголя и наркотических средств);
чрезмерное применение антибиотиков.
Микробиота влияет на процессы старения кожи, включая иммунные функции, устойчивость к УФ-излучению и метаболизм. С возрастом изменения в микробиоте кожи могут способствовать колонизации различных микроорганизмов, в том числе патогенными. Такие изменения приводят к морщинам и повышенной восприимчивости к инфекциям. У пожилых людей уменьшается уровень Cutibacterium и специфических групп Firmicutes. Также функциональность микробиоты изменяется: если стрептококки в микробиоте детей положительно влияют на состояние кожи, то пожилым людям они могут навредить.
Дыхательные пути
Верхние дыхательные пути содержат плотные микробные сообщества, которые предотвращают распространение патогенов в нижние дыхательные пути. Микробиота носа отличается от микробиоты верхних дыхательных путей и остаётся постоянной на протяжении всей жизни, но может изменяться в среднем возрасте. В 40-65 лет доминируют Species Staphylococcus, Streptococcus, Veillonella, Cutibacterium и Corynebacterium, а также Lactobacillus reuteri, Staphylococcus epidermidis и Rothia mucilaginosa у пожилых людей.
У людей старше 65 лет, страдающих инфекциями дыхательных путей, чаще встречаются Corynebacterium, Moraxella, Staphylococcus, Dolosigranulum, Streptococcus и другие бактерии. В ротоглотке — Prevotella, Veillonella, Streptococcus и другие. Moraxella catarrhalis и M. nonliquefaciens менее распространены у пожилых людей с инфекциями нижних дыхательных путей, но эти бактерии могут вызывать инфекции у детей.
Некоторые микроорганизмы играют важную роль в связи между носовой полостью и центральной нервной системой (ЦНС). Chlamydia pneumonia может быть связана с болезнью Паркинсона, а дифтерийный токсин Corynebacterium diphtheriae может вызывать болезнь Паркинсона.
Лёгкие же формируют самую обширную поверхность органа в контакте с внешней средой и ежедневно взаимодействуют с примерно 7000 литров воздуха, содержащего микробы. Большое количество микробов обитает в ротоглотке, которая анатомически связана с лёгкими, и даже в здоровом состоянии люди подвергаются субклинической аспирации содержимого ротоглотки.
До 2010 года считалось, что лёгкие являются стерильным органом. Но в 2010 году было проведено первое исследование, которое подтвердило наличие микробиоты лёгких и развенчало догму об их стерильности. Теперь известно, что микробиота лёгких может быть культивирована из образцов, взятых у человека, метаболически активна и изменяется в зависимости от состояния здоровья. Более того, доклинические исследования лёгочных заболеваний подтверждают потенциальную причинную роль микробиоты, а некоторые работы указывают на её участие в патогенезе внелёгочных заболеваний.
Влияние на заболевания
В норме микробиом лёгких состоит из ротоглоточных таксонов (Prevotella, Veillonella и Streptococcus), как подтверждают исследования с использованием секвенирования гена 16S рРНК. Лёгкие работают над поддержанием низкой микробной биомассы для обеспечения эффективного газообмена. Увеличение бактерий в дыхательных путях приводит к нарушению иммунного регулирования, прогрессирующему повреждению и воспалению. Удаление бактерий из дыхательных путей происходит через кашель, мукоцилиарный клиренс и защитные механизмы нашего организма в целом.
Независимые исследования показывают, что дисбактериоз микробиоты лёгких может способствовать неблагоприятным эффектам от вдыхаемых химических веществ. Дисбиоз легких может быть спровоцирован влиянием факторов окружающей среды и связан с такими заболеваниями, как астма, рак лёгких, идиопатический лёгочный фиброз (ИЛФ), хроническая обструктивная болезнь лёгких (ХОБЛ) и муковисцидоз. Влияние химически вызванного дисбактериоза подтверждено в отношении загрязнителей воздуха, сигаретного дыма и ингаляционных химических веществ.
Микробиота лёгких взаимодействует с центральной нервной системой через ось лёгкие-мозг и может способствовать респираторным заболеваниям через дисбактериоз кишечной микробиоты в рамках оси кишечник-лёгкие.
Иммунная система
Источник. Микробиота состоит из бактерий, грибков, архей, вирусов и клещей (Demodex), взаимодействующих с иммунной системой через диалог с резидентными дендритными клетками и активацию комплемента (а). Иммунная система укрепляется благодаря процессу кворум-сенсинга между бактериальными популяциями, который может контролировать избыточный рост потенциальных патогенов, а также благодаря синтезу специфических антибиотиков, таких как лугдунин (с). Гомеостаз микробиоты поддерживается производством антимикробных пептидов как бактериями, так и клетками-хозяевами, такими как кератиноциты и себоциты (b и d).
Исследователи из медицинского комплекса Шарите и исследовательского центра ревматизма в Берлине выявили важность микробиома для иммунной защиты. Их исследования, опубликованные в журнале Cell, показали, что микробиом является необходимым триггером иммунного ответа в дендритных клетках (cDC). Дендритные клетки распознают и представляют патогены Т-клеткам, играя ключевую роль в активации иммунной реакции. Без микробиома дендритные клетки не могут инициировать иммунные реакции, так как им не хватает «топлива» для реагирования на патогены.
В частности, в нашем кишечнике сосредоточено более 70 % иммунных клеток, которые защищают от проникновения бактерий в кровеносное русло и устраняют патогены. Эти функции обеспечиваются врождённым иммунитетом (наследуемым от матери) и приобретённым (образующимся после контакта с чужеродными белками).
Столкновение с патогенами стимулирует иммунную защиту через Toll-подобные рецепторы, запускающие синтез цитокинов. Микроорганизмы кишечника воздействуют на лимфоидную ткань, усиливая клеточный и гуморальный иммунные ответы. В итоге, клетки кишечника активно вырабатывают секреторный иммуноглобулин А (S-IgA) — ключевой белок местного иммунитета.
Как изучают микробиом
Технологии и методы исследования микробиома включают в себя целый спектр молекулярно-генетических и биохимических подходов.
Секвенирование ДНК
Секвенирование помогает определить, какие микробы присутствуют и как они взаимодействуют друг с другом.
Секвенирование 16S рРНК
Ген 16S рРНК содержит консервативные и гипервариабельные области, которые позволяют амплифицировать и различать микробные виды. Процесс секвенирования включает в себя сбор образцов из биологических субстратов, выделение из них ДНК, амплификацию гена 16S рРНК, секвенирование и биоинформатический анализ для идентификации видов и их относительной численности. Этот метод применяют в исследованиях здоровья, заболеваний, экологических исследований и разработки пробиотиков и пребиотиков.
Полногеномное секвенирование (WGS)
Это секвенирование генома всех микроорганизмов в образце, чтобы наиболее детально описать микробное сообщество. В отличие от секвенирования 16S рРНК, WGS позволяет анализировать мелкие вариации в геномах разных микроорганизмов, включая выявление неизвестных и некультивируемых видов. Этот метод практически исключает перекосы, обеспечивая точное определение относительной численности микроорганизмов. WGS широко используют для изучения микробиома при заболеваниях, мониторинге здоровья, а также в фармацевтических и биотехнологических исследовательских проектах. Он играет ключевую роль в понимании сложных взаимоотношений между микробами и их хозяином.
Секвенирование по Сэнгеру
Исторически один из первых методов секвенирования ДНК, который применяют в микробиологических исследованиях для более точного анализа отдельных микроорганизмов. Процесс начинают с экстрагирования и очищения ДНК из микробного сообщества. Затем при помощи полимеразной цепной реакции (ПЦР) амплифицируют целевой участок ДНК. В процессе секвенирования применяют меченные флуоресцентными красителями дидезоксинуклеотиды (ddNTPs), создавая фрагменты ДНК различной длины. Эти фрагменты затем разделяют по длине при помощи капиллярного электрофореза. Лазер считывает флуоресцентные маркеры, а детектор фиксирует сигналы, создавая хроматограммы, представляющие последовательность ДНК. Высокая точность метода позволяет достоверно определить последовательность нуклеотидов вплоть до одного основания, что делает его идеальным для подтверждения анализа точечных мутаций. На сегодняшний день этот метод устаревает из-за очень высоких затрат денег и времени; к тому же размер метагенома превосходит размер человеческого генома.
Высокопроизводительное секвенирование (HT-NGS)
Позволяет секвенировать миллионы фрагментов ДНК одновременно, обеспечивая высокую пропускную способность и детальность анализа. Процесс начинают с экстрагирования ДНК из микробного сообщества, затем ДНК разрезают на короткие фрагменты. Их одновременно амплифицируют и секвенируют, получая большие объёмы данных. HT-NGS обеспечивает полный обзор микробных сообществ в образце, независимо от их жизнеспособности и культуры. Методология охватывает как бактериальные, так и вирусные геномы.
Нанопоровое секвенирование
Применяют для глубокого анализа микробиома. Чтение длинных последовательностей ДНК или РНК в реальном времени позволяет определить полные геномы микроорганизмов без их фрагментации. Процесс начинают с извлечения высокомолекулярной ДНК из микробного сообщества. Затем с помощью специальных белков образцы ДНК направляют через мембрану с нанопорами. По мере прохождения считывают изменение ионного тока, которое зависит от последовательности нуклеотидов. Этот сигнал преобразуют в последовательность ДНК в реальном времени.
Нанопоровое секвенирование применяют для анализа сложных микробных сообществ, обнаружения известных и новых видов микроорганизмов, уточнения состава и функциональных возможностей микробиома, для исследования смешанных инфекций и мониторинга антибактериальной резистентности.
Пиросеквенирование и секвенирование лигированием
Эти методы основаны на принципах синтеза ДНК и используются для изучения микробиома в различных контекстах. В процессе пиросеквенирования при добавлении каждого нуклеотида возникает микровспышка света, которую регистрируют специальной камерой. Так определяют последовательность ДНК в реальном времени.
В секвенировании лигированием (SOLiD, Sequencing by Oligonucleotide Ligation and Detection) используют ферменты лигазы для связывания коротких олигонуклеотидов с целевой ДНК. Это обеспечивает высокую точность и позволяет детально анализировать микробиом.
Метаболомика
Это изучение химических процессов, связанных с метаболитами, которые представляют собой малые молекулы, участвующие в метаболизме. Метаболомика помогает понять, как микроорганизмы влияют на метаболические процессы, и как изменения микробиома отражаются на здоровье человека и развитии заболеваний.
Анализ начинают со сбора и подготовки биологических образцов (кровь, моча, экскременты или слюна). Затем при помощи масс-спектрометрии или ядерно-магнитного резонанса определяют и количественно оценивают метаболиты. Получают подробный профиль метаболического состояния организма, и появляется возможность идентифицировать биомаркеры воспалительных заболеваний кишечника, диабета, а также сердечно-сосудистых заболеваний.
Флуоресцентная микроскопия
Этот метод позволяет визуализировать микробные сообщества в биологических образцах с использованием флуоресцентных красителей или белков, которые светятся при определённой длине волны.
Начинается всё с подготовки биологического образца, который может быть взят, например, из кишечника, ротовой полости или кожи. Образец обрабатывают для фиксации клеток и предотвращения их разрушения. Затем применяются флуоресцентные красители или белки, которые связываются с целевыми компонентами микробного сообщества, такими как ДНК, РНК или стенки клеток микробов.
После этого образец помещают под флуоресцентный микроскоп. При освещении ультрафиолетовым или видимым светом флуоресцентные метки испускают свет с различной длиной волны. Его улавливают детектором или камерой, и это позволяет получить визуальные изображения локализации и распределения микроорганизмов. С помощью специализированного программного обеспечения анализируют полученные изображения, обнаруживают детали структуры, оценивают количество и взаимодействие микробов.
ПЦР (полимеразная цепная реакция)
Этот метод позволяет амплифицировать специфические участки ДНК для количественного определения и анализа микробов в биологических образцах. Он позволяет выделить даже малые концентрации микроорганизмов и исследовать генетические особенности микробного сообщества.
Процесс начинают с извлечения ДНК из биологического образца, такого как фекалии или мазок со слизистой. Затем в тестовую смесь добавляют праймеры, нуклеотиды, Taq-полимеразу и буферный раствор. Нагревают до 94-96 °C, чтобы двойная спираль ДНК распалась на две цепи. При снижении температуры до 50-65 °C праймеры связываются с целевыми участками ДНК. При 72 °C Taq-полимераза синтезирует новую цепь ДНК. Этот процесс повторяют 25-40 раз, чтобы создать множество копий целевой ДНК.
Как мы можем улучшить свою микробиоту
Многие из нас хотят укрепить своё здоровье, поэтому логично, что на ум приходит мысль о том, а почему бы не проверить сначала состояние своей микробиоты и уже потом целенаправленно её улучшать? Для этого вы можете сделать анализ микробиоты кишечника. Компании, предлагающие такие анализы, утверждают, что могут определить виды и количество микробов в вашем кишечнике. Но такая диагностика относится пока к достаточно молодой области исследований, и её результаты не всегда точны. Некоторые исследования указывают на ограниченную пользу таких анализов, поскольку количество и типы бактерий в стуле могут сильно варьироваться, а анализы не показывают, живы ли бактерии.
Кроме того, по анализу микробиома нельзя точно диагностировать заболевания. Если вас беспокоит состояние здоровья, то лучше обратиться к врачу. Никто ещё не знает, существует ли идеальный состав микробиоты. Скорее всего, важнее функции, которые выполняют бактерии, а не их типы и количество.
Для укрепления микробиоты можно предпринять следующие шаги:
Откорректировать своё питание. Речь не о кратковременных диетах, а об изменении рациона на долгосрочной основе, желательно на всю жизнь. Питание должно быть сбалансированным, богатым полезными растительными продуктами. Для роста полезных микроорганизмов нужна ферментированная пища, зелёные овощи, листовая зелень, ягоды, цельнозерновые культуры. Кроме клетчатки, на микробиоту положительно влияют полифенолы, омега-3 жирные кислоты и растительные белки, а также кисломолочные продукты. Высокое потребление жиров, животных белков, сахара и соли, а также низкое потребление клетчатки неблагоприятно влияют на микробиоту. Добавки, такие как эмульгаторы и подсластители, также могут оказывать негативное воздействие на кишечный «зоопарк».
При необходимости принимайте дополнительно пробиотики. Если из-за несбалансированного питания или приёма антибиотиков развился дисбиоз, то тогда имеет смысл активно восстанавливать микробиоту. Помимо употребления клетчатки и пробиотических продуктов, таких как кефир, специально разработанные микробиологические препараты с пробиотическими комплексами могут быстро помочь. Пробиотики представляют собой живые микроорганизмы, которые в достаточном количестве положительно влияют на здоровье, укрепляя кишечный барьер и подавляя рост вредных бактерий.
Регулярная физическая активность может помочь сохранить здоровую микробиоту, улучшить работу кишечника и кровообращение. Но и здесь важно знать меру. Согласно одному исследованию, длительный физиологический стресс негативно сказывается на состоянии микробиоты кишечника и проницаемости его стенок. Стресс разрушает не только микробиоту, но и дестабилизирует все системы организма. К стрессу относятся психологические реакции и негативные ситуации, вредные привычки (недостаточный сон, нарушение режима сна, хаотичный прием пищи без чёткого графика, гиподинамия, курение, приём наркотических средств, алкоголь).
Микробиота человека — это сложная экосистема, играющая ключевую роль в нашем здоровье. Понимание её устройства и функционирования открывает новые горизонты в медицине и помогает нам лучше заботиться о своём организме.