Изменения кишечной микробиоты как причина и потенциальная терапевтическая мишень при синдроме констипации | Оганезова И.А., Медведева О.И.

Введение

Кишечная микробиота — это совокупность микроорганизмов, обитающих на всем протяжении желудочно-кишечного тракта (ЖКТ) человека. Состав этого микробного сообщества специфичен для хозяина, развивается на протяжении всей жизни и подвержен как экзогенным, так и эндогенным модификациям. Микробиота тесно связана с многочисленными аспектами нормальной физиологии макроорганизма: от состояния питания до формирования особенностей поведения и реакций на стрессовые воздействия. Исследования последних десятилетий убедительно демонстрируют, что общий баланс в составе микробного сообщества кишечника, наличие или отсутствие ключевых видов, способных вызывать специфические реакции, имеют принципиальное значение для обеспечения гомео­стаза и могут быть причиной многих заболеваний, затрагивающих как непосредственно ЖКТ, так и другие системы органов [1].

Состав и функции нормальной микробиоты

Микробиота кишечника человека является эволюционно сложившейся совокупностью микроорганизмов, существующей как сбалансированная микроэкологическая система, в которой симбионтная микрофлора, пребывая в динамическом равновесии, формирует микробные ассоциации, занимающие в ней определенную экологическую нишу. Нормальная микрофлора относится к важнейшим факторам, обеспечивающим здоровье человека, поскольку она регулирует биохимическое, метаболическое и иммунное равновесие макроорганизма, необходимое для сохранения здоровья [2].

Суммарная масса бактерий, ассоциированных с ЖКТ здорового человека, достигает 2,5–3 кг. Количество микроорганизмов в кишечнике составляет примерно 10¹⁴ клеток, что на один порядок больше числа клеток человеческого организма, а совокупность генов всех микроорганизмов человека, метагеном, в 100–150 раз многочисленнее генома самого человека [3, 4]. В настоящее время идентифицировано более 500 видов микроорганизмов, населяющих ЖКТ, из них более 90% не могут быть культивированы в лабораторных условиях. В этой сложной и уникальной для каждого индивидуума экосистеме реализуются все известные механизмы и типы взаимоотношений как между бактериями, так и между бактериями и клетками хозяина [5].

Нормальная микрофлора кишечника подразделяется на индигенную (облигатную) и факультативную (транзиторную). К индигенной микрофлоре относятся микроорганизмы, постоянно входящие в состав нормальной микрофлоры и играющие важную роль в метаболизме организма-хозяина и защите его от возбудителей инфекций. В здоровом кишечнике взрослого человека доминируют два бактериальных типа, на которые приходится более 90% бактериальных клеток: Firmicutes и Bacteroidetes. Микроорганизмы, относящиеся к нормальной микрофлоре кишечника, колонизируют как просвет ЖКТ, так и поверхность слизистой оболочки кишки, формируя при этом пристеночную (мукозную) и полостную микрофлору. По типу метаболизма различают протеолитические бактерии, осуществляющие гидролиз белков (кишечная палочка, бактероиды, протей, клостридии), и сахаролитические (бифидобактерии, лактобактерии, энтерококки), получающие энергию из углеводов [6, 7].

Микробная колонизация кишечника человека начинается сразу после рождения. Первыми представителями микрофлоры, заселяющими ЖКТ, являются факультативные анаэробы, такие как энтеробактерии, энтерококки и лактобактерии. Анаэробные микроорганизмы, а именно Bifidobacterium, Bacteroides и Clostridium, имплантируются позднее, что с течением времени приводит к постепенному снижению соотношения факультативных и строгих анаэробов. Примерно в трехлетнем возрасте у ребенка микробиота кишечника достигает того же количественного состава и таксономического разнообразия, что и у взрослого человека, и остается более или менее стабильной в течение долгого времени [6, 8].

В пищеварительном тракте существует проксимально-дистальный градиент бактерий в просвете кишечника со сменой аэробов или микроаэрофилов на анаэробы. В проксимальных отделах тонкой кишки у здоровых людей число микроорганизмов колеблется в пределах 10³–10⁵ КОЕ на 1 г кишечного содержимого, в просвете дистального отдела толстой кишки их число резко увеличивается, достигая 10¹²–10¹³ КОЕ на 1 г исследуемого материала. Количественные соотношения между различными микробными популяциями характеризуются определенной стабильностью [9].

По своей роли в поддержании гомеостаза микробиота кишечника не уступает любому жизненно важному органу, поэтому любые нарушения ее состава могут приводить к значительным отклонениям в состоянии здоровья человека. К основным функциям кишечной микрофлоры относятся:

защитная (обеспечение колонизационной резистентности, препятствование адгезии и инвазии патогенной флоры, продукция антимикробных факторов);

метаболическая (участие в регуляции практически всех видов обменных процессов), пищеварительная (продукция ферментов);

синтетическая (синтез витаминов, гормонов, биологически активных веществ, жирных кислот);

иммуномодулирующая (участие в созревании и функционировании иммунокомпетентных структур кишечника).

Функции кишечной микрофлоры по отношению к макроорганизму реализуются как локально, так и на системном уровне, при этом различные виды бактерий вносят свой вклад в это влияние [10, 11].

Синдром констипации: определение понятия, эпидемиология

Запор (констипация) — это синдром, который определяется кишечными симптомами (затрудненное или редкое отхождение стула, плотный стул или чувство неполного опорожнения кишечника), возникающими либо изолированно, либо вторично по отношению к другому основному расстройству. Причину запора удается установить далеко не у всех пациентов даже при длительном наблюдении за ними. Констипация может быть обусловлена органическими изменениями кишечника, а также появляться вне связи с патологическими процессами в кишке [12].

Основными причинами хронического запора, не ассоциированного с патологическими процессами в кишечнике, являются:

образ жизни — систематическое подавление позывов на дефекацию, гиподинамия;

алиментарные причины — недостаточное поступление воды и пищи, низкое содержание пищевых волокон, использование механически щадящих диет, нерегулярный прием пищи, еда «на ходу»;

метаболические и эндокринные нарушения — гипотиреоз, сахарный диабет, электролитный дисбаланс (Ca²⁺, Mg²⁺), менопауза, уремия;

нарушение тонуса диафрагмы — эмфизема, сердечная недостаточность, асцит, ожирение;

заболевания внутренних органов — гиперацидный синдром, холестаз, склеродермия;

прием лекарственных средств — м-холинолитики, антидепрессанты, нестероидные противовоспалительные препараты, противосудорожные, антагонисты кальция, антациды, диуретики, соли висмута, препараты железа, бессистемный прием слабительных и т. д.;

болезни нервной системы — рассеянный склероз, болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера, поражение конского хвоста;

психические заболевания — депрессия, шизофрения, ипохондрия, истерия.

Среди причин хронического запора, обусловленных патологическими процессами в кишечнике, выделяют следующие:

вне- и внутрипросветные опухоли кишки;

хронические завороты, инвагинации, стриктуры;

дивертикулы;

мегаколон, долихосигма;

аганглиоз (болезнь Гиршпрунга);

хронический амебиаз, венерические лимфогранулемы, туберкулез кишечника;

эндометриоз кишечника;

лучевые и послеоперационные стриктуры;

воспалительные заболевания кишечника.

Этиология и патофизиология хронического запора являются многофакторными, в связи с чем лечение констипационного синдрома остается сложной задачей [13].

Согласно данным метаанализов последнего десятилетия, распространенность запоров у взрослых составляет в среднем 16%, а в популяции старше 60 лет — 33,5% (при приведении данных опросников к Римским критериям IV пересмотра). Около 85% пациентов с запором, обращающихся за медицинской помощью, уже имеют опыт приема слабительных препаратов. По данным Американской гастроэнтерологической ассоциации, в США ежегодно продается безрецептурных слабительных на сумму примерно 82 млн долларов [13]. Распространенность констипационного синдрома увеличивается с возрастом. Так, по данным литературы, запоры выявляют у 26% женщин и у 16% мужчин в возрасте 65 лет, а в возрасте старше
84 лет — у 34 и 26% соответственно. Также исследователи отмечают, что частота запоров прогрессивно увеличивается в популяциях малоподвижных и коморбидных пациентов, по разным данным, до 64–81%. Наличие констипационного синдрома приводит к существенному снижению качества жизни: по данным опросника SF-36, прежде всего изменения показывают шкалы физического функционирования, психического здоровья, общего самочувствия и оценки боли [12, 14].

Роль кишечной микробиоты в регуляции моторики

Иерархия нейронного контроля моторики кишечника выглядит следующим образом: первичным регулятором является центральная нервная система (ЦНС), за ней следует вегетативная нервная система, а затем энтеральная нервная система (ЭНС). Афферентный и эфферентный контроль обеспечивается взаимодействием кишечника с ЦНС через соматические или вегетативные нейроны, а связь между различными отделами кишечника достигается передачей миогенных и нейрогенных сигналов через ЭНС и рефлекторными дугами через вегетативные нейроны. Помимо этого, модуляция моторики осуществляется при взаимодействии иммунной системы, интестинальной секреции, кишечной микробиоты и продуктов внутрипросветного метаболизма [15].

При этом имеются данные о том, что именно кишечная микробиота играет существенную роль в нормальном развитии структур ЦНС, взаимодействуя как с ЦНС, так и с ЭНС посредством передачи сигналов через энтерохромаффинные клетки и афферентные пути блуждающего нерва. Ключом к развитию и созреванию ЭНС также является бактериальная колонизация кишечника. Именно продукты метаболизма микробиоты кишечника (короткоцепочечные жирные кислоты (КЖК), пептиды) стимулируют ЭНС и оказывают влияние на скорость кишечного транзита [16]. Таким образом, появляется все больше доказательств в поддержку существования двунаправленной оси «микробиота — кишка — мозг», которая играет главную роль в регуляции моторики кишечника.

Наши знания о влиянии кишечной микробиоты на моторику основываются на исследованиях гнотобионтов. Известно, что у стерильных животных увеличена продолжительность интервалов мигрирующего моторного комплекса, а опорожнение желудка и кишечный транзит замедленны. Колонизация кишечника гнотобионтов микробиотой от здоровых животных, в частности штаммами Lactobacillus acidophilus и Bifidobacterium bifidum, приводит к нормализации фаз мигрирующего моторного комплекса и ускорению продвижения кишечного содержимого [17].

В последние годы появляется все больше доказательств того, что изменения кишечной микробиоты могут способствовать возникновению запоров и связанных с ними симптомов. Известны три основных механизма, ответственных за влияние микробиоты на кишечную моторику [18].

Выделение бактериальных субстанций или конечных продуктов бактериальной ферментации. КЖК, такие как бутират, пропионат и ацетат, образующиеся в процессе бактериального метаболизма, стимулируют сократительную способность гладкой мускулатуры подвздошной и толстой кишки. Вероятную роль КЖК в регуляции моторики связывают со стимуляцией высвобождения кишечного серотонина. Деконъюгированные соли желчных кислот, также являющиеся бактериальными метаболитами, усиливают кишечную перистальтику.

Влияние кишечных нейроэндокринных факторов. Впервые гипотеза о том, что кишечная микробиота может модулировать моторику кишечника, была выдвинута после обнаружения секреции соматостатина Bacillus subtilis в исследовании J. Lenard в 1992 г. Дальнейшие исследования ЖКТ гнотобионтов выявили увеличение в нем количества гастрин-, серотонин- и мотилинпродуцирующих клеток [19].

Выделение медиаторов воспаления в рамках иммунного ответа может оказывать прямое и непрямое влияние на морфологию мышечных и нервных клеток кишечника.

Кишечная микробиота и хронический запор

Изменения в составе кишечной микробиоты у пациентов с хроническим запором характеризуются снижением количества представителей облигатной флоры (Lactobacillus, Bifidobacterium, Bacteroides spp.) наряду с увеличением представительства потенциально патогенных микроорганизмов (Pseudomonas aeruginosa, Campylobacter jejuni, Enterobacteriaceae), бутиратпродуцирующих Coprococcus, Roseburia и Faecalibacterium. Исследования, проведенные с использованием методики секвенирования 16S rРНК, описывают у пациентов с констипацией существенное снижение количества представителей Prevotella и увеличение количества Firmicutes. Подобные отклонения могут нарушать кишечную моторику и секрецию, изменяя количество доступных физиологически активных веществ в метаболической среде кишечника [20, 21].

Интересные данные получены в исследовании G. Parthasarathy et al. [22]. Авторы изучили состав фекальной и пристеночной микробиоты (микробиота слизистой оболочки сигмовидной кишки) у пациентов с хроническим запором и здоровых добровольцев. Методом секвенирования гена 16S rRNA оценивали ассоциации между микробиотой (общий состав и операционные таксономические единицы) и демографическими показателями, характером питания, клиническими симптомами запора, временем транзита через толстую кишку и количеством метана в образцах выдыхаемого воздуха после перорального приема лактулозы. Установлено, что пациенты с запорами имели уникальный профиль пристеночной микробиоты (с преобладанием представителей рода Bacteroidetes), который с точностью 94% позволяет дифференцировать синдром констипации даже после корректировки диеты и толстокишечного транзита. В то же время состав фекальной микробиоты был достоверно ассоциирован с количеством выдыхаемого метана и скоростью кишечного транзита (медленнотранзитный запор). Установлено, что количество представителей рода Firmicutes (Faecalibacterium, Lactococcus и Roseburia) в фекальной микробиоте коррелировало с более быстрым кишечным транзитом [22].

Значение Bifidobacterium в регуляции гомеостаза

Род Bifidobacterium относится к типу Actinobacteria и насчитывает более 45 видов/подвидов. Bifidobacterium — это грамположительные полиморфные палочковидные бактерии, важнейшие представители нормофлоры человека, их удельный вес в составе микробиоценоза составляет 85–98%, в общей сложности достигая 10⁸–10¹¹ КОЕ на 1 г содержимого толстой кишки [8].

Bifidobacterium являются доминирующей микробной группой у здоровых детей, находящихся на грудном вскармливании, и в течение жизни взрослого человека их уровень остается относительно стабильным, несколько снижаясь в процессе старения [23]. В кишечнике человека наиболее часто встречающиеся виды рода Bifidobacterium включают B. adolescentis, B. angulatum, B. bifidum, B. breve, B. catenulatum, B. dentium, B. longum, B. pseudocatenulatum и B. pseudolongum. Во взрослой популяции доминирующими штаммами являются B. longum (представлены у 90% взрослых) и B. adolescentis (представлены у 79% взрослых), в то время как в детской популяции чаще встречаются
B. bifidum и B. longum [24].

Представители рода Bifidobacterium выполняют в организме множество функций:

продукция и/или высвобождение витаминов груп­пы В, антиоксидантов, полифенолов и конъюгированных линолевых кислот;

участие в созревании иммунной системы в неонатальном периоде и сохранение иммунного гомеостаза в течение жизни;

сохранение барьерных функций кишечника и защита от патогенов за счет продукции бактериоцинов, снижение внутрипросветного рН за счет производства кислот и блокирование адгезии патогенов к слизистой оболочке кишечника.

Не менее важной функцией рода Bifidobacterium, способствующей гомеостазу кишечника и здоровью хозяина, является производство ацетата и лактата в процессе ферментации углеводов, органических кислот, которые, в свою очередь, могут быть преобразованы в бутират другими представителями кишечной микрофлоры. При этом следует отметить, что все вышеперечисленные функции характерны не для всего рода Bifidobacterium, а являются штамм-специфичными. Изменения количественного и видового состава представителей рода Bifidobacterium описаны при различных заболеваниях, как гастроинтестинальных, так и внекишечных, включая заболевания аутистического спектра и нейродегенеративные расстройства [2, 7, 10, 11].

Терапевтические возможности пробиотиков в лечении запора

В течение последних десятилетий одновременно с ростом знаний о роли и значении кишечной микробиоты значительно возрос интерес к пробиотикам. Эффекты пробиотиков реализуются на разных уровнях воздействия: в просвете кишечника (за счет конкурентного ингибирования адгезии патогенов и антимикробной активности); на эпителиальном уровне (за счет усиления продукции муцина и укрепления барьерной функции); путем влияния на иммунный ответ (увеличение синтеза противовоспалительных цитокинов, стимуляция врожденного иммунитета, модулирование функций дендритных клеток и моноцитов) [25].

Прогрессивно увеличивается количество исследований, подчеркивающих значение кишечной микробиоты в регуляции моторики и демонстрирующих возможности применения пробиотиков для регуляции скорости кишечного транзита. Много исследований посвящено изучению влияния продуктов питания, обогащенных различными пробиотическими штаммами, на состав кишечной микробиоты и течение констипационного синдрома [26, 27]. У взрослых чаще всего в качестве пробиотиков применяют штаммы Lactobacillus и Bifidobacteria. В ряде исследований продемонстрировано влияние на скорость кишечного транзита при запорах таких пробиотических штаммов, как Bifidobacterium lactis и L. сasei Shirota [15, 28].

В работе L. Wang et al. [29] изучалось влияние различных пробиотических штаммов Bifidobacterium на течение лоперамид-индуцированного запора у мышей. Наибольшую эффективность в коррекции констипационного синдрома продемонстрировали штаммы B. longum,
B. infantis и B. bifidum. Исследования, проведенные ранее другими авторами, также подтверждают эффективность B. lactis и B. longum в коррекции частоты и консистенции стула [30].

В последующих работах L. Wang et al. [31], изучая влияние B. adolescentis на течение лоперамид-индуцированного запора, установили, что только штаммы B. adolescentis CCFM 667 и 669 усиливают пропульсивную моторику кишечника. Основными причинами подобных штамм-
специфических эффектов, по мнению авторов, явились отличия в адгезивных свойствах. Так, было установлено, что применение штаммов Bifidobacterium с высокими адгезивными свойствами приводило к изменению концентраций гастроинтестинальных нейротрансмиттеров — регуляторов моторики в сыворотке крови (увеличивалось содержание мотилина, гастрина, субстанции Р и снижалось — соматостатина, вазоактивного интестинального пептида, эндотелина-1), повышало концентрацию КЖК в образцах фекалий и значимо влияло на такие симптомы констипации, как скорость кишечного транзита, время до появления первой (после запора) дефекации, содержание воды в каловых массах.

Y. Makizaki et al. [32] изучали возможности коррекции запора, индуцированного диетой с низким содержанием клетчатки. В исследовании показано, что введение пробиотика Bifidobacterium bifidum G9–1 (BBG9–1) уменьшало проявления констипации у подопытных животных. Облегчение симптомов запора при введении BBG9–1, по мнению авторов, может быть связано с воздействием пробиотика на дисбактериоз: введение BBG9–1 увеличивало количество Clostridiales и бутиратпродуцирующих бактерий (Roseburia, Eubacterium и Anaerostipes), следовательно, возрастало количество масляной кислоты, которая активирует моторику толстой кишки.

Доказана эффективность Bifidobacterium breve в лечении функциональных запоров у детей. Применение данного штамма увеличивает частоту стула, улучшает его консистенцию, а также уменьшает выраженность болевого синдрома и эпизодов инконтиненции [33].

A. Chmielewska et al. [34] провели анализ 5 рандомизированных клинических исследований влияния пробиотиков на течение констипационного синдрома. Установлено, что во взрослой популяции (n=266) благоприятное влияние на частоту дефекации и консистенцию стула оказывали штаммы Bifidobacterium lactis DN-173 010, Lactobacillus casei Shirota и Escherichia coli Nissle 1917. У детей (n=111) наиболее выраженный эффект получен при назначении
L. casei rhamnosus Lcr35.

Заключение

Механизмы, посредством которых микробиота оказывает свое благотворное или пагубное влияние, остаются в значительной степени неопределенными, но включают выработку сигнальных молекул и распознавание бактериальных эпитопов как кишечными эпителиальными, так и слизистыми иммунными клетками. Достижения в области моделирования и анализа микробиоты кишечника будут способствовать углублению наших знаний о ее роли в поддержании здоровья и развитии болезней, позволяя адаптировать существующие и будущие терапевтические и профилактические методы.

Имеются убедительные доказательства того, что кишечная микробиота играет одну из ключевых ролей во взаимодействии между кишечником и нервной системой, принимая активное участие в нейроэндокринной регуляции. Результаты клинических исследований свидетельствуют о наличии специфических изменений кишечной микробиоты при хроническом запоре. Многие из эффектов кишечной микробиоты являются штамм-специфичными, что предполагает потенциальную роль определенных пробиотических штаммов в качестве возможных адъювантных препаратов для таргетной терапии.

Среди многочисленных представителей кишечной микробиоты большой научный интерес на протяжении многих десятилетий вызывает род Bifidobacterium. Количественные или видовые изменения бифидобактерий наблюдаются при различных кишечных и внекишечных заболеваниях. В связи с этим модулирование популяции бифидобактерий может рассматриваться как мишень для терапевтических вмешательств, обеспечивающих рациональное использование микроорганизмов рода Bifidobacterium в качестве пробиотиков.

Сведения об авторах:

Оганезова Инна Андреевна — д.м.н., профессор кафедры пропедевтики внутренних болезней, гастроэнтерологии и диетологии им. С.М. Рысса, ФГБОУ ВО СЗГМУ
им. И.И. Мечникова Минздрава России, 191015, Россия,
г. Санкт-Петербург, ул. Кирочная, д. 41, ORCID iD 0000-0003-0844-4469.

Медведева Ольга Ивановна — к.м.н., доцент кафедры пропедевтики внутренних болезней, гастроэнтерологии и диетологии им. С.М. Рысса, ФГБОУ ВО СЗГМУ
им. И.И. Мечникова Минздрава России, 191015, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Кирочная, д. 41, ORCID iD 0000-0002-9730-7361.

Контактная информация: Оганезова Инна Андреевна, e-mail: oganezova@rambler.ru. Прозрачность финансовой деятельности: никто из авторов не имеет финансовой заинтересованности в представленных материалах или методах. Конфликт интересов отсутствует. Статья поступила 24.10.2019, поступила после рецензирования 07.11.2019, принята в печать 21.11.2019.

About THE authors:

Inna A. Oganezova — Dr. of Sci. (Med), Professor of the Department of Propaedeutics of Internal Diseases, Gastroenterology and Nutrition named after S.M. Ryss, North-Western State Medical University named after I.I. Mechnikov: 41 Kirochnaya str., St. Petersburg, 191015, Russian Federation, ORCID iD 0000-0003-0844-4469.

Olga I. Medvedeva — Cand. of Sci. (Med), Associate Professor of the Department of Propaedeutics of Internal Diseases, Gastroenterology and Nutrition named after S.M. Ryss, North-Western State Medical University named after I.I. Mechnikov: 41 Kirochnaya str., St. Petersburg, 191015, Russian Federation, ORCID iD 0000-0002-9730-7361.

Contact information: Inna A. Oganezova, e-mail: oganezova@rambler.ru. Financial Disclosure: no authors have a financial or property interest in any material or method mentioned. There is no conflict of interest. Received 24.10.2019, revised 07.11.2019, accepted 21.11.2019.