Вступ
Мікробіота супроводжує людину протягом усього життя і охоплює всі закутки її організму. Зокрема мікробіота травного тракту людини — надзвичайно складна біологічна екосистема, організована різними бактеріями, кількість яких сягає 1013–1014 (Vaiserman A.M. et al., 2017). Бактеріальне представництво в організмі людини не менше ніж у 10 разів перевищує кількість його власних клітин.
Не так давно вважали, що мікроорганізми є супутниками людини протягом її життя, але виявилося, що все набагато складніше. Мікробіота й організм людини — єдина система. Якщо геном людини — це загальний геном, геном мікробіоти — так званий метагеном, то геном мікробіоти і людини сьогодні вважають гологеномом, і людина за своєю суттю — голобіота. Встановлено, що розмір геному мікробіоти перевищує такий людини у 100–150 разів. Тож виникає запитання: який геном основний у цій системі голобіоти? Мікробіота має не просто складну, а надзвичайно складну організацію. За попередньою оцінкою спільний геном мікробіоти містить близько 3,3 млн генів. У мікробіоті співіснують щонайменше 1800 родів і приблизно 15–36 тис. видів бактерій, основними з яких є:
- Firmicutes, переважно клостридії та еубактерії (64%);
- Bacteroidetes (23%);
- Proteobacteria (8%);
- Actinobacteria (3%);
- Fusobacteria (<2%);
- Verrucomicrobia (<1%) (Qin J. et al., 2010).
Понад 80% представників мікробіоти травного тракту людини не ростуть на поживних середовищах. Це некультивовані бактерії, які не можуть бути ідентифіковані звичайними культуральними методами (Morgan X.C., Huttenhower C., 2014).
Головне на сьогодні розуміння того, що вся сукупність бактерій, які живуть разом із людиною, зумовлюють її життя, функціонування всіх органів та систем.
Ентеротипи
На основі вивчення вмісту різних груп бактерій у мікробіоті травного тракту M. Arumugam та співавтори (2011), що представляють Європейську молекулярну біологічну лабораторію (European Molecular Biology Laboratory — EMBL), Гайдельберг, Німеччина, виокремили три основні ентеротипи, асоційовані з домінуванням одного з родів мікроорганізмів — Bacteroides, Ruminococcus чи Prevotella. Вважають, що в кожної людини становлення мікробіоти відбувається таким чином, що виробляється особливий тип мікробіоти, залежно від генотипу. Залежно від того, які мікроби переважають, змінюється дигестія травного тракту, переважає цукролітична, ліполітична чи протеолітична активність. Різні ентеротипи мікробіоти травного тракту використовують різні шляхи бродіння харчових субстратів у товстому кишечнику.
Зокрема ентеротип 1 характеризується високим вмістом представників філюму Bacteroides, які асоційовані з бактеріями родів Parabacteroides, Clostridiales і Catenibacterium. Бактерії цього ентеротипу мікробіоти травного тракту вирізняються високим цукролітичним та протеїнолітичним потенціалом за рахунок високого вмісту генів, що кодують такі ферменти, як галактозидази, гексозамінідази, протеази. В осіб з ентеротипом 1 зазначають вищий вміст бактеріальної 5-гідроксиізоурат-гідролази, яка бере участь у метаболізмі сечової кислоти.
Ентеротип 2 відрізняється значним підвищенням представництва анаеробних грамнегативних бактерій Prevoletta і Desulfovibrio. З ентеротипом 2 також асоційовані бактерії Lactobacillus, Dorea і Coprococcus. Ферменти бактерій Prevoletta і Desulfovibrio можуть синергічно брати активну участь у деградації муцинових глікопротеїнів, наявних у слизовому шарі кишечнику. Відмінною ознакою цього ентеротипу є відсутність ферментів пентозофосфатного шляху перетворення глюкози. Ентеротип 2 асоційований із підвищеним вмістом транспортних систем для глутатіону, деяких цукрів і амінокислот із розгалуженим ланцюгом (лейцину, ізолейцину та валіну), що, ймовірно, зумовлює високий рівень ефективності поглинання поживних речовин із позаклітинного середовища. У людей із ентеротипом 2 відзначають суттєво вищі рівні сечової кислоти, ніж у людей з ентеротипом 1. Ентеротип 2 зумовлює прихильність до розвитку подагри.
Ентеротип 3 характеризується високим вмістом представників роду Ruminococcus і наявністю супутніх їм бактерій Akkermansia, Gordinibacter, Ruminococcaceae, Staphylococcus, Marvinbryantia, Symbiobacterium і Dialister. Бактеріальні представники роду Ruminococcus і Akkermansia здатні руйнувати муцин. Деякі бактерії цього роду беруть участь у розщепленні полісахаридів (крохмалю) і целюлози, тому підвищується рівень всмоктування вуглеводів. Це може спричинити розвиток цукрового діабету. Наявність бактерії Akkermansia muciniphila знаходиться в обернено пропорційному співвідношенні з масою тіла, тому ентеротип 3 впливає і на масу тіла, і на інші показники фізичного розвитку (Arumugam M. et al., 2011; Vieira-Silva S. et al., 2016; Isokpehi R.D. et al., 2017).
Механізми дії пробіотиків
Протеолітичні бактерії беруть участь у роботі практично всіх функціональних систем організму, зокрема у перетравленні їжі, біоконверсії, продукції біологічно активних речовин, вступають у антагонізм з інфектами, перешкоджають взаємодії останніх з рецепторами, підвищують активність щільних контактів, тим самим змінюючи парацелюлярну проникність слизової оболонки, мають протизапальну активність практично протягом усієї слизової оболонки як респіраторного, так і травного тракту.
Вплив на експресію генів
Останнім часом показано, що бактерії, які співіснують з організмом людини, впливають не лише на функціонування систем органів, але й на експресію генів ентероцитів та імунної системи. Зокрема встановлено, що Bifidobacteria впливають на гени, які зумовлюють експресію прозапальних цитокінів, Clostridium впливають на гени як прозапальних цитокінів, зокрема інтерлейкіну (interleukin — IL)-8 та -6, так і експресію образ-розпізнавальних рецепторів, Lactobacillus — практично на весь комплекс прозапальних цитокінів, молекул адгезії, тол-подібних рецепторів (toll-like receptor — TLR) (табл. 1).
| Пробіотичний штам | Сенситивні гени |
|---|---|
| Bifidobacteria | IL12p40, IL-1β, TNF-α, SOCS1 |
| Bifidobacterium strains | NF-κB-активація, IL-8, TNF-α, COX-2, ICAM-1 |
| Clostridium butyricum | IL-8, IL-6, TNF-α |
| Clostridium butyricum ТО-А | TLR-4 |
| Lactobacillus acidophilus | Гени компонентів NF-κB-асоційованого сигнального шляху |
| IFN, TLR-3, IL-12, IL-10, TGF-β | |
| Lactobacillus casei | IFN-γ, IL-2 |
| Lactobacillus casei Zhang | TLR-2, TLR-3, TLR-4, TLR-9 |
| Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus | TLR-4, p38, IκB |
| Lactobacillus lactis subsp. cremoris FC | IL-8 |
Таким чином, вплив пробіотичних бактерій і бактерій мікробіому людини регулює експресію і вироблення усіх біологічно активних речовин, які зумовлюють розвиток і перебіг імунної реакції на той чи інший антиген. Загалом бактерії як травного тракту, так і пробіотичні бактерії зумовлюють активність усього спектра імуноцитів, переважно через вплив своїми патогенасоційованими молекулярними структурами на образ-розпізнавальні рецептори, такі як TLR, NOD-подібні рецептори. Якщо патогенні бактерії посилюють запальну реакцію, володіють прозапальним потенціалом, то пробіотичні, навпаки, пригнічують активність прозапальних реакцій, особливо Th2-асоційованих.
Вплив пробіотиків на функціональну активність імуноцитів збалансований: з одного боку, вони підвищують активність механізмів, які сприяють елімінації патологічних інфектів, з іншого — пригнічують механізми, що призводять до розвитку як низько- так і високоактивного запального процесу (рис. 1). Пробіотики особливо виражено впливають на слизову оболонку кишечнику, зумовлюючи розвиток мукозальної імунної відповіді. Усі пробіотичні бактерії впливають таким чином, що знижують механізми відповіді, пов’язані з синтезом IgЕ, і підвищують активність синтезу IgG, тим самим зумовлюючи високу ефективність розвитку післяінфекційного імунного захисту.
Загалом усі пробіотичні бактерії виконують дві головні функції, регулюючи імунну відповідь. З одного боку, вони підвищують ефективність елімінації інфекційних агентів та їх антигенів, з іншого — пригнічують активність запального процесу, тим самим запобігаючи розвитку різних ускладнень, асоційованих із запаленням (Dargahi N. et al., 2019). Встановлено, що пробіотичні бактерії, які потрапляють у травний тракт, не обмежують свого впливу лише на нього. Їхній вплив зареєстрований і поза травним трактом, зокрема в респіраторному тракті (рис. 2 і 3).
Бактерії Bacillus clausii
На сьогодні одним із найважливіших питань у розумінні пробіотичної терапії є вибір того чи іншого пробіотичного засобу. Окреме місце серед усіх пробіотиків займають спороутворювальні бактерії, зокрема Bacillus clausii. Це — одна з найбільш вивчених пробіотичних бактерій. За останні 25 років вивчення цієї бактерії спостерігають невпинний зріст інтересу до неї, пов’язаний з особливостями її багатофункціонального впливу і безпекою застосування (Elshaghabee F.M.F. et al., 2017). У багатьох країнах розроблено препарати, які містять ті чи інші штами Bacillus.
Bacillus clausii займає невелику частку в родині Bacillus. Але ця бактерія володіє надзвичайно стійким профілем безпеки. Вивчення метаболома Bacillus clausii показало, що ця бактерія не виробляє ніяких біологічно активних речовин, які могли б нанести будь-яку шкоду макроорганізму. Тому ця бактерія — одна з найбезпечніших пробіотичних бактерій.
S. Di Caro та співавтори (2005) оцінили характер експресії генів ентероцитів слизової оболонки кишечнику здорових людей на фоні застосування Bacillus clausii. Встановлено, що остання активує 158 і пригнічує 265 генів ентероцитів кишечнику. Bacillus clausii переважно впливає на експресію генів, які беруть участь в імунній відповіді та запаленні, апоптозі, клітинному рості, диференціації клітин, міжклітинній сигналізації, клітинній адгезії, трансдукції внутрішньоклітинного сигналу і транскрипції генів. З одного боку, Bacillus clausii регулює активність синтезу протеїнів, які посилюють активність запалення (IL-1β, IL-6, IL-13, Hsp40, протеоглікану 2, сіалофорину, катепсину S, β-дефензину 126, цистеїнбагатого протеїну 1, Н-фактора 1, рецептора TNF, рецептора IL-15, соматомедину С, активатора плазміногена). З іншого боку, сприяє пригніченню багатьох інтерлейкінів, які зумовлюють активність запалення. Зокрема одними з перших молекулярних компонентів, які реагують на патогени, є образ-розпізнавальні рецептори, центральне місце серед яких займають TLR. Bacillus clausii активно впливає на експресію останніх. Залежно від часу інфекційного процесу змінюється й активність Bacillus clausii: на початку захворювання вони сприяють пригніченню, у більш пізній час — підвищенню активності експресії TLR5 і TLR9 (табл. 2).
| Ген | Застосування Bacillus clausii | |||
|---|---|---|---|---|
| Години | ||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | |
| TLR5 | –1,16 | 1,54 | 1,52 | 1,85 |
| TLR9 | 1,48 | 1,50 | 1,30 | 1,33 |
| IL-10ra | 1,65 | 1,74 | 1,57 | 1,40 |
| IL-12rb2 | 1,48 | 1,10 | 1,85 | 1,10 |
| IL-15ra | –2,76 | –2,09 | 2,79 | –1,63 |
| IL-16 | 1,68 | 1,21 | 2,73 | 1,33 |
| IL-17β | 1,14 | –1,01 | 1,97 | 1,11 |
| IL-17d | 1,70 | –1,56 | 1,14 | 1,40 |
| IL-17rd | 1,33 | 3,87 | 1,07 | 1,27 |
| IL-5 | –1,66 | –5,06 | –2,49 | –2,34 |
| IFNα12 | –1,04 | 1,46 | 1,86 | 1,35 |
| IFNα2 | 6,76 | 1,96 | 1,20 | 1,04 |
| IFNlr1 | 1,55 | 1,14 | 4,30 | 2,35 |
| Defα-rs12 | 1,44 | –1,14 | 2,74 | 1,64 |
| Defβ10 | 1,04 | 1,17 | 1,15 | 3,92 |
| Defβ15 | 1,50 | 1,45 | 3,10 | 2,17 |
| Defβ34 | 1,44 | 1,41 | 2,87 | 2,04 |
| Defβ35 | 1,12 | 4,19 | 7,31 | 2,80 |
| Defβ38 | 1,07 | 1,85 | 1,53 | 1,38 |
| Defβ39 | 1,42 | 2,14 | 1,20 | 1,07 |
Становить інтерес вплив Bacillus clausii на синтез прозапальних інтерлейкінів. TLR посилюють експресію прозапальних інтерлейкінів на початку і протизапальних — наприкінці захворювання. Введення бактерій Bacillus clausii сприяє зниженню рівня прозапальних цитокінів IL-6, IL-17, IFN-γ і TNF-α, а також підвищенню рівня протизапального цитокіну IL-10 наприкінці захворювання, тим самим знижуючи активність запалення, тривалість запального процесу і, звичайно, ускладнення і негативні явища, асоційовані з процесом запалення (див. табл. 2) (Di Caro S. et al., 2005; Dar H.Y. et al., 2018). Таким чином, вплив Bacillus clausii модулює перебіг запального процесу під час інфікування. Bacillus clausii активно впливає на продукцію інтерферонів макрофагами, тим самим змінює противірусну відповідь, посилюючи її активність на початку захворювання і сприяючи швидкому її припиненню (див. табл. 2) (Honda K., Taniguchi T., 2006; Pradhan B. et al., 2016).
Bacillus clausii впливає на експресію хемокінів макрофагами, тим самим змінюючи запальну відповідь. Посилення рекрутингу прозапальних імуноцитів на початку захворювання — найголовніший клітинний фактор, який зумовлює елімінацію як бактеріальних, так і вірусних агентів (рис. 4).
Встановлено, що Bacillus clausii посилює продукцію таких протимікробних пептидів, як дефензини, у різний час після стимуляції, активуючи експресію не одного, а декількох дефензинових генів. Це зумовлює рівень антибактеріального і певною мірою — противірусного захисту, оскільки дефензини реагують на інфект у перші хвилини після інфікування. Чим вищий рівень первинного синтезу β-дефензинів, тим нижча ймовірність розвитку системного інфекційного процесу. Вже до 6-ї години після застосування Bacillus clausii ефект щодо експресії дефензинів практично досягає максимуму (див. табл. 2) (Di Caro S. et al., 2005; Pradhan B. et al., 2016).
Вважають, що Bacillus clausii посилює активність продукції дефензинів за рахунок впливу патогенасоційованих молекулярних структур на TLR макроорганізму.
Bacillus clausii не лише залучає прозапальні клітини, але й сприяє диференціюванню Т-лімфоцитів у так звані Т-регулюючі клітини, які є найпотужнішими протизапальними клітинними структурами.
Висновки
Таким чином, одразу після застосування Bacillus clausii відбувається підвищення, а з часом — пригнічення активності прозапальних імунних механізмів. Індукція прозапальної реакції у ранній період дії та активація протизапальних механізмів у пізніший час інфекційного процесу відповідають фазам його розвитку, спричиненого патогенними агентами. Така модуляція імунної системи дозволяє вважати Bacillus clausii оптимальним кандидатом для відновлення фазового профілю цитокінових змін при інфекційному процесі. Bacillus clausii-асоційована експресія декількох типів дефензинів та IFN1 зумовлює посилення антибактеріальної та противірусної відповіді (Dar H.Y. et al., 2018).
Список використаної літератури
- Arumugam M., Raes J., Pelletier E. et al. (2011) Enterotypes of the human gut microbiome. Nature, 473(7346): 174–180.
- Dar H.Y., Pal S., Shukla P. et al. (2018) Bacillus clausii inhibits bone loss by skewing Treg-Th17 cell equilibrium in postmenopausal osteoporotic mice model. Nutrition, 54: 118–128.
- Dargahi N., Johnson J., Donkor O. et al. (2019) Immunomodulatory effects of probiotics: сan they be used to treat allergies and autoimmune diseases? Maturitas, 119: 25–38.
- Di Caro S., Tao H., Grillo A. et al. (2005) Bacillus clausii effect on gene expression pattern in small bowel mucosa using DNA microarray analysis. Eur. J. Gastroenterol. Hepatol., 17(9): 951–960.
- Elshaghabee F.M.F., Rokana N., Gulhane R.D. et al. (2017) Bacillus as potential probiotics: status, concerns, and future perspectives. Front. Microbiol., 8: 1490.
- Honda K., Taniguchi T. (2006) IRFs: master regulators of signalling by Toll-like receptors and cytosolic pattern-recognition receptors. Nat. Rev. Immunol., 6(9): 644–658.
- Isokpehi R.D., Simmons S.S., Johnson M.O., Payton M. (2017) Genomic evidence for bacterial determinants influencing obesity development. Int. J. Environ. Res. Public Health, 14(4): E345.
- Maldonado Galdeano C., Cazorla S.I., Lemme Dumit J.M. et al. (2019) Beneficial effects of probiotic consumption on the immune system. Ann. Nutr. Metab., 74(2): 115–124.
- Matsushima K., Terashima Y., Toda E. et al. (2011) Chemokines in inflammatory and immune diseases. Inflamm. Regener., 31(1): 11–22.
- Morgan X.C., Huttenhower C. (2014) Meta’omic analytic techniques for studying the intestinal microbiome. Gastroenterology, 146(6): 1437–1448.
- Plaza-Diaz J., Gomez-Llorente C., Fontana L., Gil A. (2014) Modulation of immunity and inflammatory gene expression in the gut, in inflammatory diseases of the gut and in the liver by probiotics. World J. Gastroenterol., 20(42): 15632–15649.
- Pradhan B., Guha D., Ray P. et al. (2016) Comparative analysis of the effects of two probiotic bacterial strains on metabolism and innate immunity in the RAW 264.7 murine macrophage cell line. Probiotics Antimicrob. Proteins, 8(2): 73–84.
- Qin J., Li R., Raes J. et al. (2010) A human gut microbial gene catalogue established by metagenomic sequencing. Nature, 464(7285): 59–65.
- Vaiserman A.M., Koliada A.K., Marotta F. (2017) Gut microbiota: a player in aging and a target for anti-aging intervention. Ageing Res. Rev., 36–45.
- Vieira-Silva S., Falony G., Darzi Y. et al. (2016) Species-function relationships shape ecological properties of the human gut microbiome. Nat. Microbiol., 1(8): 16088.
- Wu D., Lewis E.D., Pae M., Meydani S.N. (2018) Nutritional modulation of immune function: analysis of evidence, mechanisms, and clinical relevance. Front. Immunol., 9: 3160.
