Микробиота и моторика кишечника
Хорошо известно, что моторика желудочно-кишечного тракта оказывает влияние на микробиоту кишечника, а ее нарушения часто сопровождаются синдромом избыточного бактериального роста в тонкой кишке. Изучение взаимосвязи между микробиотой и моторикой кишечника представляет большой интерес, учитывая роль микроорганизмов желудочно-кишечного тракта в развитии различных патологических состояний, а также расширение возможностей изучения биологии этой системы с помощью современных молекулярных методов. Эти взаимосвязи являются двунаправленными: нарушения моторики кишечника вызывают изменения микробиоты, которые, в свою очередь, могут оказывать выраженное действие на сенсорно-моторную функцию кишки.Ключевые слова. Моторика кишечника, синдром раздраженной толстой кишки, метагеном.
Microflora Modulation Of MotilityThat gastrointestinal motility can influence the gut microbiota has been known for decades and the clinical consequences of impaired motility, in terms of the bacterial population of the small intestine, amply illustrated by the syndrome of small intestinal bacterial overgrowth which so commonly accompanies diffuse intestinal motility disorders. As the importance of the microbiota to homeostasis in health and to a variety of disease states is increasingly appreciated and as the full diversity and biology of this "hidden organ" have been revealed by molecular methodologies, the true nature of the interaction between the microbiota and motility is being reexamined and the complexity of this relationship exposed. In health, as well as in disease states, this is a truly bidirectional relationship: not only can gut motor patterns influence the microbiota but changes in the microbiota can exert profound influences on gut sensori-motor function.Key Words. Gastrointestinal motility; Irritable bowel syndrome; Metagenome.
Изучение микробиоты (в качестве синонима в литературе часто используют неправильный термин “микрофлора”) кишечника и ее симбиотических и патогенных взаимодействий с хозяином — это одна из самых интересных областей биомедицинской науки [1]. Применение современных молекулярных методов, в том числе геномного и метаболомного анализа, позволило получить истинные представления о числе, генетической неоднородности и метаболической сложности бактериальных компонентов микробиоты кишечника [2,3], в то время как клинические исследования продемонстрировали важность микробиоты и ее взаимодействия с хозяином в развитии некоторых заболеваний [1,4]. В настоящее время установлено, что число бактерий в кишечнике примерно в 10 раз превышает число всех клеток в организме человека, а микробиом содержит больше генетического материала, чем сам хозяин. Микробиота представляет собой сложный метаболический “орган”, который не только способен извлекать калории из компонентов пищи, но и выделяет различные биологически активные вещества — от короткоцепочечных жирных кислот и газов до антибиотиков и нейромодуляторов. Изучение последовательностей 16S рРНК показало, что микробиота человека значительно разнообразнее, чем считалось ранее, и включает в себя некультивируемые и новые бактерии [3].
Взаимодействие между моторикой и микробиотой кишечника: основные механизмыФормирование микробиоты. Признаки взаимодействия между микробиотой и моторикой кишечника определяются уже в раннем детском возрасте. Изучение эволюции микробиоты у ребенка также имеет клиническое значение, учитывая ее роль в патогенезе некоторых заболеваний, таких как синдром раздраженной толстой кишки. Сразу после родов желудочно-кишечный тракт новорожденного стерилен, а бактерии начинают поступать в кишечник с пищей [5]. В последующем состав микробиоты кишечника ребенка остается относительно стабильным. В этот период формируются двигательная функция желудочно-кишечного тракта и физиологические нейромышечные механизмы [6-8]. Взаимосвязь между моторикой кишки и формированием микробиоты подтверждается результатами исследований у стерильных животных [9], у которых наблюдали не только расстройства двигательной функции, но и изменения морфологии и функции нервной и мышечной ткани кишки. Микробиота характеризуется уникальной способностью к восстановлению своего состава [1]. Однако неясно, насколько эта способность выражена у новорожденного. Нельзя исключить, что изменения микробиоты на раннем этапе ее эволюции могут привести к стойким последствиям. Недавно было высказано предположение, что лечение антибиотиками в раннем детском возрасте значительно увеличивает риск развития воспалительных заболеваний кишечника в зрелом возрасте [10].
Моторика и микробиота кишечника. Взаимосвязь между моторикой и микробиотой определяется в неизмененной кишке. Именно благодаря нормальной моторике, в частности перистальтике и мигрирующему моторному комплексу, в сочетании с антимикробными эффектами кислого желудочного секрета в желудке и начальном отделе тонкой кишки у здоровых людей содержится относительно небольшое число бактерий. При посеве содержимого тощей кишки рост бактерий отсутствует у 33% людей [11,12]. Связь между сохранным мигрирующим моторным комплексом и отсутствием избыточного бактериального роста в тонкой кишке была описана почти 35 лет назад [13]. С микробиологической точки зрения терминальный отдел подвздошной кишки представляет собой переходную зону между тонкой кишкой, содержащей в основном факультативные анаэробы, и толстой кишкой, которая плотно заселена анаэробными бактериями. В терминальном отделе подвздошной кишки проксимальнее илеоцекального клапана число колоний бактерий, преимущественно грамотрицательных и анаэробных, может достигать 1х10 9 КОЕ/мл. В толстой кишке концентрация бактерий и состав микробиоты резко меняются вследствие особенностей моторики терминальной части подвздошной кишки [14,15] (где у человека менее выражен мигрирующий моторный комплекс [15]), а также физиологических и биомеханических свойств тонкотолстокишечного сфинктера [16,17]. Концентрация бактерий в толстой кишке достигает 1х10 12 КОЕ/мл. Микробиота состоит в основном из анаэробов, таких как Bacteroides, Porphyromonas, Bifidobacterium, Lactobacillus и Clostridium. Отношение числа анаэробных и аэробных микроорганизмов составляет 100-1000:1 [4]. Преобладание анаэробов в толстой кишке отражает очень низкие концентрации кислорода и адаптацию микробиоты к выживанию во враждебной для нее среде.
Микробиота просвета и слизистой оболочки кишки. В любом отделе желудочно-кишечного тракта состав микробиоты в просвете кишки отличается от такового на поверхности слизистой оболочки [18]. Если изучать микроорганизмы только в кале, то можно упустить из виду очень важную популяцию бактерий, которые адгезируются на поверхности слизистой оболочки [3]. В настоящее время большой интерес вызывает изучение роли подобных возбудителей в развитии и/или сохранении изменений при воспалительных заболеваниях кишечника [19,20]. Сокращения продольных и циркулярных мышечных волокон кишки в значительной степени определяют число и состав микроорганизмов в центре и на периферии просвета кишечника.
“Нормальная” вариабельность микробиоты. Состав микробиоты у человека зависит от возраста, диеты и социально-экономического положения, а также применения антибиотиков. Те же факторы оказывают влияние и на двигательную функцию кишечника. Однако остается неясным, связаны ли изменения микробиоты и моторики кишки или они происходят независимо друг от друга. Высказано предположение, что синдром избыточного бактериального роста в тонкой кишке, возникающий у пожилых людей при отсутствии какой-либо причины, может быть следствием возрастных нарушений моторики тонкой кишки [21]. Учитывая “нормальную” вариабельность микробиоты, интерпретировать результаты изучения ее изменений при патологических состояниях следует с большой осторожностью и определенной долей скептицизма.
Изменения моторики и микробиоты — что первично? Считается, что особенности моторики кишечника определяют размер и состав микробиоты, а различные нарушения двигательной функции ассоциируются с развитием синдрома избыточного бактериального роста в тонкой кишке. Влияние самой микробиоты на моторику кишечника было установлено не только в упоминавшихся исследованиях у стерильных животных, но и в специальных экспериментах, в которых резекция дистальных отделов неизмененной тонкой кишки приводила к выраженным нарушениям двигательной функции проксимальных ее сегментов [22] на фоне резкого увеличения популяции бактерий, а также концентрации их продуктов (короткоцепочечных жирных кислот) в сохранных отделах тонкой кишки [23-25]. Эти нарушения объяснимы: изменения моторики кишки должны обеспечить удаление из нее содержимого, которое воспринимается как патогенное. В опытах на мышах были подробно изучены физиологические, морфологические и ультраструктурные изменения тонкой кишки при преходящей инфестации нематодами. Они имеют иммунную природу и в конечном итоге приводят к элиминации возбудителя [26].
G.Barbara и соавт. [9] выделили 3 механизма влияния микробиоты на моторную функцию кишки: (1) выделение компонентов или конечных продуктов ферментации бактерий; (2) нейроэндокринные факторы кишечника [27] и (3) выделение медиаторов в рамках иммунного ответа кишечника.
Установлено, что различные компоненты и продукты жизнедеятельности бактерий могут оказывать влияние на моторику кишечника [9]. В опытах на животных [28,29] и в клинических исследованиях [30,31] короткоцепочечные жирные кислоты и другой метаболит бактерий — деконъюгированные соли желчных кислот — вызывали мощный двигательный ответ. Этот феномен может играть роль в развитии диареи, связанной с непереносимостью желчных кислот, которую считают одним из вариантов синдрома раздраженной толстой кишки [32]. Приведенные данные послужили даже основанием для изучения эффективности солей желчных кислот в лечении синдрома раздраженной толстой кишки, проявлявшегося преимущественно запором [33]. В других исследованиях изменение микробиоты под влиянием диеты вызывало нарушение моторики двенадцатиперстной и тощей кишки [34]. Микробиота толстой кишки обеспечивает ферментацию невсасывающихся углеводов. Изменения объема образующихся газов индуцируют рефлекторный ответ, связанный с растяжением кишки, в то время как качественные их изменения, в частности повышенная продукция метана, оказывают прямое ингибирующее действие на моторику кишечника [35]. Нарушение удаления газа считают одним из механизмов развития метеоризма и вздутия живота при синдроме раздраженной толстой кишки [36], хотя вклад микробиоты в этот феномен неясен. Возможность изменения ферментации в толстой кишке при изменении микробиоты была убедительно доказана в исследованиях, дизайн которых предполагал применение пребиотиков, селективно увеличивающих число бифидобактерий [37], или введение самих бифидобактерий [38]. Изменения ферментации оказывают влияние на моторику не только толстой кишки, но и других отделов желудочно-кишечного тракта, таких как нижний сфинктер пищевода [39] и желудок [40].
Известно, что микроорганизмы воздействуют на нейроэндокринную функцию слизистой оболочки кишечника [27]. Недавно было установлено, что компоненты микробиоты выделяют вещества, которые могут вызывать изменения моторной и сенсорной функций кишечника. Некоторые виды бактерий синтезируют нейромедиаторы, а также оксид азота [41]. Нарушение микробиоты под действием антибиотиков сопровождалось увеличением экспрессии субстанции Р и развитием гиперчувствительности толстой кишки [42]. Напротив, некоторые комменсальные микроорганизмы способны модулировать боль в области кишечника за счет индукции опиоидных и каннабиноидных рецепторов [43].
Микробиота и хозяин вступают друг с другом в сложные взаимодействия, которые опосредуются изменениями целостности эпителия кишки, иммунной системы слизистой оболочки, системного иммунного ответа и оси “головной мозг — кишечник”. Каждое из этих взаимодействий было предметом тщательных исследований. Установлено, что микробиота, оказывающая действие на барьерную функцию слизистой оболочки и вызывающая иммунный и нейроэндокринный ответ, может давать прямые и непрямые эффекты на функцию и даже морфологию мышечных и нервных клеток кишечника. Исследования показали наличие взаимосвязей между воспалением слизистой оболочки и моторной и сенсорной функциями кишки [44], нарушение ее барьерной функции при модификации микробиоты [45-47] и последствия изменений целостности слизистой оболочки для хозяина [48]. Иммунный ответ, индуцированный микроорганизмами, привлекает к себе повышенное внимание исследователей, учитывая возможный вклад воспаления в патогенез моторной дисфункции при различных заболеваниях.
Взаимодействие между моторикой и микробиотой кишечника: клиническое значениеХотя многие желудочно-кишечные и другие заболевания могут быть связаны с изменениями микробиоты и/или нарушением взаимодействия между микробиотой и хозяином, двунаправленность этих взаимоотношений, очевидную в лабораторных исследованиях, можно продемонстрировать на примере синдрома избыточного бактериального роста в тонкой кишке и синдрома раздраженной толстой кишки.
Избыточный бактериальный рост в тонкой кишке. Предложены количественные критерии диагностики синдрома избыточного бактериального роста в тонкой кишке (число КОЕ/мл), однако при их интерпретации следует учитывать, во-первых, отдел кишечника, из которого был взят образец содержимого, и во-вторых, невозможность культивирования большинства бактерий кишечника. Кроме того, диагноз может быть установлен на основании последствий избыточного бактериального роста, таких как мальабсорбция, в сочетании с положительными результатами неинвазивных диагностических методов, в частности дыхательных тестов. В ожидании разработки более точных диагностических методов, основывающихся на достижениях молекулярной микробиологии, обычно критерием диагностики синдрома избыточного бактериального роста считают увеличение концентрации бактерий в проксимальном отделе тонкой кишки > 1х10 5 КОЕ/мл [49].
Нарушения моторики предрасполагают к увеличению в тонкой кишке числа бактерий, заселяющих толстую кишку. Соответственно, заболевания, сопровождающиеся изменением моторики кишечника, могут привести к развитию синдрома избыточного бактериального роста. Системная склеродермия и диабетическая энтеропатия относятся к числу состояний, которые подтверждают возможность развития синдрома избыточного бактериального роста при нарушении моторики кишечника. Фактически этот синдром может быть осложнением любого состояния, характеризующегося хронической псевдообструкцией кишечника. Увеличение риска развития синдрома избыточного бактериального роста при миопатических заболеваниях тонкой кишки иллюстрирует тот факт, что его частота у больных системной склеродермией достигала 43-56% [50,51]. Частота синдрома избыточного бактериального роста была выше у пациентов с более высоким суммарным индексом симптомов и особенно с более высоким индексом желудочно-кишечных симптомов. Другими факторами риска этого синдрома были диарея или запор. Подавление избыточного бактериального роста (в 52-73% случаев) сопровождалось уменьшением клинических симптомов [50,51]. Синдром избыточного бактериального роста ассоциируется также с дивертикулезом тонкой кишки. Дивертикулы в тощей кишке имеются у 0,07-2% населения. Они в два раза чаще встречаются у мужчин, в основном в возрасте старше 60 лет. Результаты морфологических исследований свидетельствуют о том, что нарушения моторики кишечника при системной склеродермии, висцеральных миопатиях и нейропатии играют важную роль в образовании дивертикулов тонкой кишки [52].
На протяжении последних 15 лет обсуждается возможная связь избыточного бактериального роста в тонкой кишке и синдрома раздраженной толстой кишки. M.Pimentel и соавт. [53,54] диагностировали синдром избыточного бактериального роста в тонкой кишке с помощью дыхательного теста с лактулозой у 84% больных с синдромом раздраженной толстой кишки. Нормализация результатов теста под влиянием неомицина в этой группе приводила к значительному уменьшению проявлений синдрома раздраженной толстой кишки. Более того, выделение метана при дыхании тесно ассоциировалось с преобладанием запора в клинической картине синдрома раздраженной толстой кишки. Те же авторы выявили с помощью манометрии снижение длительности III фазы мигрирующего моторного комплекса у пациентов с сочетанием синдромов избыточного бактериального роста и раздраженной толстой кишки. Некоторые авторы подвергали сомнению эту ассоциацию [55-59]. По данным систематизированного обзора и мета-анализа исследований [60], связь между избыточным бактериальным ростом в тонкой кишке и синдромом раздраженной толстой кишки в значительной степени зависела от метода диагностики. При использовании дыхательных тестов средняя частота синдрома избыточного бактериального роста в тонкой кишке составляла 54%. Этот показатель резко контрастировал с его частотой, установленной на основании посева аспиратов из тощей кишки, — всего 4% [60]. Авторы этого обзора обратили также внимание на зависимость результатов от критериев диагностики, которые значительно отличались в разных исследованиях [60]. Более того, высказано предположение, что явная связь между избыточным бактериальным ростом в тонкой кишке и синдромом раздраженной толстой кишки может отражать эффекты ингибиторов протонной помпы, которые часто назначают таким пациентам [61]. По моему мнению, хотя у некоторых пациентов с синдромом избыточного бактериального роста в тонкой кишке могут наблюдаться проявления синдрома раздраженной толстой кишки, в целом избыточный бактериальный рост не вносит большого вклада в патогенез последнего. Я уверен в том, что умеренное улучшение проявлений синдрома раздраженной толстой кишки при лечении антибиотиками могло быть следствием их воздействия на микробиоту толстой кишки, а не на избыточный бактериальный рост в тонкой кишке [6264]. В пользу этой гипотезы свидетельствуют данные A.Sharara и соавт. [65], которые наблюдали уменьшение симптомов при лечении антибиотиками у пациентов с нормальным исходным дыхательным тестом. Кроме того, недавно было показано, что основной причиной положительного дыхательного теста с лактулозой у больных с синдромом раздраженной толстой кишки было ускорение транзита по тонкой кишке, а не избыточный бактериальный рост [66]. Эти и другие факты заставили пересмотреть значение избыточного бактериального роста при синдроме раздраженной толстой кишки [67].
Синдром раздраженной толстой кишки. В западных странах признаки синдрома раздраженной толстой кишки имеются примерно у 10-20% взрослых людей. Причиной боли в животе при этом состоянии считают сочетание гиперчувствительности кишечных рецепторов, спазм гладких мышц и нарушение восприятия боли в центральной нервной системе, в то время как изменения дефекации у некоторых больных с синдромом толстой кишки связаны с нарушением моторики кишечника.
На протяжении нескольких десятилетий предлагались различные теории, объясняющие патогенез проявлений синдрома раздраженной толстой кишки, включая изменения моторики, висцеральную гиперчувствительность и нарушения психики. Концепция оси “головной мозг — кишечник”, подчеркивающая взаимодействие между головным мозгом и желудочнокишечным трактом на сенсорном, моторном и нейроэндокринном уровнях, стала парадигмой, объединяющей все перечисленные факторы. Некоторые авторы продлевают эту ось, включая в нее взаимодействие между микробиотой кишечника, иммунной системой (слизистой оболочки кишки и системной), кишечником и головным мозгом (ось “кишечник — головной мозг — иммунная система — микробиота”). В этом сценарии взаимодействие между микрофлорой (как нормальной, так и измененной) и иммунной системой кишечника (лимфоидной тканью) приводит к выделению пептидов и других нейроактивных веществ, которые вызывают локальные и системные нейромышечные расстройства, характерные для синдрома раздраженной толстой кишки и лежащие в основе его проявлений. Наиболее убедительным подтверждением роли микробиоты в патогенезе синдрома раздраженной толстой кишки является его развитие после эпизодов бактериологически подтвержденного гастроэнтерита, которое было установлено в нескольких исследованиях. M.Thabane и соавт. [68] показали, что риск развития синдрома раздраженной толстой кишки у молодых людей увеличивается в 6 раз после бактериального гастроэнтерита. Риск был самым высоким, если гастроэнтерит сопровождался длительной лихорадкой, а также тревогой и депрессией.
Доля постинфекционного синдрома раздраженной толстой кишки в структуре этого заболевания небольшая, однако он иллюстрирует связь между воздействием факторов окружающей среды, воспалением и синдромом раздраженной толстой кишки у предрасположенных пациентов. K.Gwee и соавт. [69] выявили увеличение числа воспалительных клеток в слизистой оболочке прямой кишки у пациентов с синдромом раздраженной толстой кишки, развившимся после бактериального гастроэнтерита. Другие авторы наблюдали персистирование энтероэндокринных клеток и Т-лимфоцитов в слизистой оболочке прямой кишки и повышенной проницаемости кишки у пациентов с синдромом раздраженной толстой кишки, перенесших дизентерию [70,71]. Эти наблюдения имеют важное значение, так как они подтверждают связь между нарушениями микробиоты, воспалением слизистой оболочки и синдромом раздраженной толстой кишки, которая была продемонстрирована в опытах на животных. О роли микробиоты в патогенезе синдрома раздраженной толстой кишки свидетельствуют также активация иммунной системы и воспалительные изменения при этом состоянии. V.Chadwick и соавт. [72] впервые отметили микроскопические признаки воспаления и активацию иммунной системы у больных синдромом раздраженной кишки с преобладанием диареи. Последующие исследования показали активацию Т-лимфоцитов [73,74] и тучных клеток [75-78] в слизистой оболочке кишечника у таких пациентов. Другие авторы выявили распространение воспаления на мышечную и нервную ткань [79], а также изменения профиля цитокинов в мононуклеарных клетках периферической крови [80,81] и сыворотке [82], характерные для провоспалительного состояния.
Можно предположить, что эти иммунологические сдвиги возникают в результате воздействия экзогенного (например, бактериального) антигена [83,84]. Предрасположенность больных синдромом раздраженной толстой кишки к воспалительному ответу на триггеры в просвете кишки подтверждается полиморфизмом генов, кодирующих синтез противовоспалительных цитокинов [85,86], а также наличием высоких титров антител к флагеллину в сыворотке больных синдромом раздраженной толстой кишки [87,88]. Прямым подтверждением этой гипотезы могут служить повышенные уровни дефенсинов в фекальной жидкости [89] и повышение экспрессии toll-like рецепторов 4-го типа [90] при синдроме раздраженной толстой кишки.
Имеются ли прямые свидетельства изменений микробиоты при синдроме раздраженной толстой кишки? В прошлом результаты различных исследований указывали на наличие качественных изменений микробиоты у больных с синдромом раздраженной толстой кишки. Наиболее постоянным было относительное снижение популяции бифидобактерий [91,92]. Интерпретацию этих данных затрудняют несколько факторов, включая низкую репрезентативность флоры кала, отсутствие информации о бактериях, адгезирующихся на поверхности слизистой оболочки, и, самое главное, невозможность выделения значительной части микробиоты толстой кишки с помощью стандартных культуральных методов. Для решения этой сложной проблемы сегодня применяют молекулярные методы. Проведенные исследования показали, что флора фекалий значительно отличается у здоровых людей и больных с различными подтипами синдрома раздраженной толстой кишки [18,93-95]. Природа этих различий и их возможная роль в развитии нарушений функции слизистой оболочки или мышечно-нервной ткани кишечника и в индукции локального или системного иммунного ответа остаются невыясненными.
ЗаключениеВ прошлом связь между моторикой и микробиотой кишечника считали однонаправленной, т.е. предполагали, что нормальная моторика поддерживает стерильность верхних отделов желудочно-кишечного тракта, а нарушения моторной функции предрасполагают к избыточному бактериальному росту в тонкой кишке. Эта концепция была пересмотрена, когда были установлены влияние микробиоты на формирование нормальной моторной функции кишечника и возможная роль нарушений микробиоты в развитии сенсорномоторной дисфункции кишечника и функциональных патологических состояний, таких как синдром раздраженной толстой кишки. В связи с этим у больных с этим синдромом изучается эффективность лекарственных средств, модифицирующих микробиоту, включая пребиотики, пробиотики и антибиотики.