Содержание

• Иммунная система кишечника и ее взаимодействие с микрофлорой
• Особенности иммунитета новорожденных
• Становление микробиоценоза кишечника
• Нормальный биоценоз ЖКТ
• Взаимодействие микрофлоры и организма хозяина
• Методы коррекции кишечного биоценоза. Пробиотики
• Методы коррекции кишечного биоценоза. Пребиотики

Компоненты, подвергающиеся ферментации микрофлорой:

Жизнь человека проходит в тесном взаимодействии с его кишечной микрофлорой, прежде всего через пищу. Основная часть пищи, потребляемой человеком, переваривается в желудке и кишечнике под воздействием различных ферментов. Однако часть пищевых ингредиентов не переваривается и, не всасываясь, достигает толстой кишки. В нормальных условиях жиры перевариваются до 90-95%, то есть, из 70 г жира, поступающего ежедневно с пищей, примерно 3,5 г поступает в толстую кишку. Переваривание белка менее полное, в ТСК ежедневно поступает примерно 3-9 г.

Различные углеводы перевариваются в разной степени: моносахариды всасываются на 90%, если поступают в физиологических количествах. Всасывание фруктозы может быть ограничено, когда она поступает в количествах, превышающих количество глюкозы. Большинство дисахаридов хорошо переваривается. Лактоза, важнейший источник энергии для детей первого года жизни, в норме почти полностью расщепляется детьми до 3 лет. Правда, в первые месяцы жизни возможна транзиторная лактазная недостаточность, которая способствует поступлению небольшого количества лактозы в ТСК. У взрослых активность лактазы снижается до 10-50% от исходного уровня. В обычном рационе человека присутствуют олигосахариды: галактоолигосахариды (ГОС) - раффиноза, стахиоза бобовых, и фруктоолигосахариды (ФОС), содержащиеся в пшенице, луке, бананах. Они не перевариваются, благодаря их химическому составу, и ферментируются только микрофлорой ТСК.

Полисахариды имеют разную биодоступность. Так, биодоступность крахмала (α-гликозидов) зависит от способа его приготовления, физической формы и химической структуры.

Пищевые волокна, которые могут перевариваться кишечными микробами, включают полисахариды, такие как резистентный крахмал, пектин, инулин, камедь и олигосахариды. В обычном рационе примерно 10% крахмала не переваривается. Это означает, что ежедневно в ТСК поступает примерно 10-3О г нерасщепленного крахмала. Источниками нерасщепленного крахмала являются злаки, бобовые и охлажденный после варки картофель. Полимеры β-гликозидов (клетчатка и не содержащие крахмал полисахариды) не перевариваются панкреатической α-амилазой. Клетчатка содержится в различных количествах во фруктах и овощах. Такие пищевые волокна, как целлюлоза и лигнин, являющиеся компонентами комплексных структур, не растворимы в воде и большей частью не ферментируются интестинальной микрофлорой. Пшеничные отруби, например, принадлежат к последней категории, поскольку они состоят из смеси комплексных полисахаридов, составленных в супрамолекулярные структуры. Однако одно и то же вещество может ферментироваться по-разному. Например, очищенная древесная целлюлоза не переваривается кишечной микрофлорой, а большая часть целлюлозы капусты может быть переварена. Как ферментируемые, так и не ферментируемые пищевые волокна, увеличивают объем каловых масс. Для неферментируемых волокон этот эффект зависит как от количества принятого вещества, так и от способности удерживать воду. В отличие от неферментируемых, ферментируемые волокна способствуют увеличению биомассы полезных бактерий, что также способствует увеличению объема стула. Для поддержания нормального метаболизма в толстой кишке рекомендуется употреблять не менее 3О г пищевых волокон в день.

Вещества, присутствующие в пище в небольших количествах (витамины, минералы, микроэлементы) также могут оказывать влияние на кишечный метаболизм. Кроме недорасщепленных пищевых ингредиентов, в ТСК поступают ферменты, слизь и слущенный эпителий тонкой кишки. Примерное количество ферментов, поступающих из тонкой в толстую кишку ежедневно, составляет 4-6 г/сут, а количество слизи - 2-3 г/сут.

Ферментация углеводов происходит преимущественно в проксимальных отделах толстой кишки, а белков - в дистальных.

Большая часть моно- и дисахаридов всасывается в тонкой кишке, но небольшая часть может поступать в толстую. Глюкоза может метаболизироваться микрофлорой с образованием пирувата, который восстанавливается в ходе брожения. В зависимости от типа брожения образуются различные конечные продукты. В ходе спиртового брожения образуется этанол, но в кишечнике его количество незначительно. Доминирует молочнокислое брожение: при гомоферментативном его типе образуется молочная кислота (это более характерно для лактобактерий и молочнокислых стрептококков), при гетероферментативном (более характерно для бифидобактерий) - молочная и другие метаболиты, в частности, короткоцепочечные жирные кислоты (КЦЖК).

В результате ферментации полисахаридов и клетчатки образуются газы, такие как водород, углекислый газ и метан, а также КЦЖК: уксусная (С2), пропионовая (С3), масляная (С4), валериановая (С5) и капроновая (С6). Три последних могут образовывать также изоформы. Анионы толстой кишки, в основном, представлены уксусной, пропионовой и масляной кислотами, они легко проникают через эпителий внутрь слизистой оболочки. Суммарная концентрация их в ободочной кишке варьирует от 60 до 150 ммоль при соотношении ацетат:пропионат:бутират, равном 60:25:15, ежедневно их образуется более 300 ммоль, но большая часть всасывается, поэтому выделение с фекалиями невелико.

Образование молочной кислоты и КЦЖК приводит к снижению рН кишечного химуса, что способствует переходу аммиака в аммоний и уменьшает его токсическое действие. Закисление химуса способствует росту бифидо- лактобактерий, которые еще более усиливают образование КЦЖК. Ацетат и пропионат всасываются из просвета кишки в кровь. Пропионат транспортируется в печень и участвует в глюконеогенезе и подавлении синтеза холестерина гепатоцитами. Ацетат попадает в кровоток и разносится в различные ткани, где участвует в энергетическом обмене, вступая в цикл Кребса. Он ингибирует мобилизацию жирных кислот из жировой ткани и тем самым улучшает толерантность к углеводам, снижая концентрацию свободных жирных кислот и кетоновых тел в сыворотке. Бутират окисляется кишечным эпителием. В изолированных колоноцитах человека бутират метаболизируется с образованием СО₂, ацетоуксусной и γ-оксимасляной кислот (кетоновых тел). Бутират является не только важным энергетическим веществом, но и регулирует процессы пролиферации и дифференцировки кишечного эпителия. Лактат, этанол и сукцинат являются промежуточными веществами, которые затем также трансформируются в КЦЖК. В результате усиления энергетических процессов в кишечном эпителии, усиливается всасывание некоторых ионов, например, кальция, магния, железа.

В результате ферментации углеводов образуется также водород. Количество его зависит от поступления углеводов и от их состава. При исследовании in vitro было показано, что при инкубации кала с лактозой образуется 3,3 ммоль/г водорода, с лактулозой - 2,8, с муцином - 0,7, с крахмалом - 0,7, с пектином - 0,3. Таким образом, концентрация водорода является показателем скорости ферментации соответствующего углевода.

Только 10% образующегося водорода выделяется наружу, остальной при участии углекислого газа редуцируется ацетогенными или сульфат-редуцирующими микроорганизмами с образованием соответственно метана, ацетата и сероводорода. Доминирование того или иного пути метаболизма водорода индивидуально, например, метаногенез доминирует только у 30-40% белых европейцев, но у 80% африканцев.

Белки ферментируются в более дистальной части толстой кишки и расщепляются до КЦЖК и разветвленных жирных кислот (ЖК), таких как изомасляная, метилмасляная, изовалериановая и т.д. Количество разветвленных жирных кислот в кале может служить показателем количества ферментируемого белка и соответственного пула протеолитических бактерий. Образуются и потенциально токсичные продукты, такие как аммоний, амины, фенол, индол, крезол, сероводород. Часть из этих метаболитов используются микрофлорой как источник азота, необходимый для роста. Другая часть может захватываться колоноцитами и транспортироваться в кровь. О способности колоноцитов метаболизировать эти продукты и о клиренсе их после прохождения через печень известно мало.

Кишечная микрофлора может участвовать также в синтезе потенциально токсичных или мутагенных веществ. Бактерии могут, например, гидролизовать растительные гликозиды, продукты этого гидролиза могут быть более токсичными, чем исходные. Иногда образование вторичных метаболитов может, напротив, ослаблять повреждающее действие или превращать их в полезные для здоровья вещества. Так, растительные лигнаны под воздействием микрофлоры в кишечнике превращаются в энтеродиол и энтеролактон, гормоноподобные вещества, которым приписывается способность антиканцерогенного действия в отношении рака молочной железы.

Жиры лишь частично метаболизируются в ТСК. Из полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК) могут образовываться токсичные продукты, такие как перекиси, из триглицеридов - диацилглицерол, из фосфолипидов - лизофосфолипиды. Различные фитогормоны и фитостеролы также метаболизируются кишечной микрофлорой, образуя биологически активные вещества, которые могут всасываться колоноцитами.

Таким образом, различные субстраты, в зависимости от характера питания, становятся предметом для ферментативного воздействия микрофлоры, оказывая, в свою очередь, влияние на метаболические процессы в ТСК. Каковы последствия этих процессов для ТСК и организма хозяина в целом?

Влияние кишечных метаболитов на здоровье и болезнь

В таблице 6 представлен ряд метаболических процессов, являющихся результатом взаимодействия бактерий кишечника и субстратами, присутствующими в кишечнике. Эти процессы могут быть полезными или вредными для здоровья.

Много исследований было посвящено бутирату. Он является не только предпочтительным энергетическим субстратом для клеток эпителия толстой кишки, но и играет большую роль в регуляции пролиферации и дифференцировки клеток.

Это может иметь значение для профилактики рака ТСК у взрослых и для питания в раннем возрасте.

Оптимальный уровень бутирата еще не определен. В небольшом количестве бутират поддерживает энергетический обмен колоноцитов. Вследствие подавления экспрессии гена кишечного фактора-трилистника (intestinal trefoil factor - ITF) бутират может препятствовать избыточной пролиферации эпителия. Однако избыточное количество бутирата может нарушать регенерацию колоноцитов. Это может быть опасным у недоношенных детей в условиях незрелости кишечного эпителия, нестабильности биоценоза и несостоятельности других факторов защиты.

Lin J. et al. (2005) в эксперименте на животных показали, что избыток бутирата вызывает повреждение кишечного эпителия, связанное с подавлением ITF. Этот механизм может участвовать в развитии некротического энтероколита новорожденных.

Молочная кислота подобного воздействия на ITF не имеет. Лактобациллы при ферментации углеводов образуют преимущественно молочную кислоту, бифидобактерии - молочную и уксусную, в то время как другие анаэробы - преимущественно масляную и другие КЦЖК. В связи с этим, качественный состав кишечного биоценоза определяет метаболизм углеводов и может либо усиливать повреждение кишечного эпителия, либо препятствовать ему.

Некоторые метаболиты индигенной флоры могут стимулировать ее собственный рост. Так, в эксперименте было показано, что сукцинат, глютамин, метионин и ацетат являются аутостимуляторами ее роста. Одним из основных стимуляторов является ацетат, без его достаточной концентрации не происходит роста культуры, причем сигнал может передаваться от одной микробной клетки к другой. Под воздействием ацетата, согласно концепции социального поведения микроорганизмов ("Quorum Sensing"), у бактерий индуцируется синтез белка LuxS, что свидетельствует о связи их сенсорной системы LuxI/LuxR и метаболитов во внешней среде. Ацетат, сукцинат и лактат могут выполнять эту стимулирующую функцию, причем включаются они на разных этапах роста, а их избыток может оказывать противоположное, подавляющее действие. Таким образом, с участием КЦЖК происходит саморегуляция роста и развития экосистемы и одновременное воздействие на эпителий кишечника.

Другим примером метаболических процессов с пользой для здоровья является конверсия и реабсорбция фитоэстрогенов (лигнанов и изофлавоноидов). Бактериальный метаболизм желчных кислот (деконъюгация и дегидроксилирование) может влиять на метаболизм и соотношение желчных кислот и холестерина, что также может быть связано с колоректальным канцерогенезом. Неблагоприятным эффектом, например, является измененная степень микробной деградации таурина из-за изменения кишечной микрофлоры как следствие использования в пищу у котов и собак консервов с высокотемпературной обработкой. Это может приводить к потере таурина у животных.

Различные неблагоприятные эффекты возможны вследствие образования токсических бактериальных метаболитов. Примером потенциально патогенного процесса является образование вторичных желчных кислот и превращение нитратов в нитриты. Токсические бактериальные метаболиты могут повреждать мембраны эпителиальных клеток (цитолитический эффект) и воздействовать внутри клетки, например, приводить к аддукции ДНК.

Несколько факторов определяет, будут ли процессы, происходящие в кишке, вызывать нежелательные эффекты:

Продукция потенциально токсичных метаболитов. Это зависит от поступления субстрата, из которого могут образовываться метаболиты (например, белки метаболизируются с образованием аминов, серы и т.д.). В какой степени состав микробного биоценоза определяет это, пока не ясно. Безопасные вещества (например, растительные гликозиды), поступающие в ТСК, могут быть превращены микрофлорой в потенциально токсичные агенты или токсичность веществ (например, нитратов, желчных кислот) может быть усилена бактериальной конверсией.

Концентрация токсических метаболитов. Поступление пищевых волокон (неферментируемых) увеличивает объем каловых масс и уменьшает время транзита. Следствием этого становится снижение концентрации метаболитов и уменьшение воздействия токсинов на слизистую оболочку толстой кишки.

Элиминация токсических метаболитов из кишки. Более интенсивный бактериальный рост требует большего количества азота и серы для синтеза белка, поэтому эти метаболиты быстрее удаляются. Существуют также доказательства, что удаление некоторых токсичных соединений может достигаться путем соединения с кишечной микрофлорой.

Эпителиальный ответ на токсичные метаболиты. Он включает в себя многие процессы, такие как регуляция захвата и высвобождения токсичных агентов, внутриклеточную биотрансформацию и механизмы апоптоза.

Увеличение потребления пищевых волокон ассоциировано со снижением риска развития колоректального рака, что, вероятно, связано со снижением концентрации токсичных метаболитов в кишечнике.

Таким образом, становится очевидным, что метаболические взаимоотношения организма человека с его кишечной микрофлорой могут иметь большое значение для его здоровья. Изменение характера питания может влиять на состав кишечной микрофлоры и, как следствие, на обменные процессы в организме в целом. С другой стороны, состав кишечной микрофлоры может также влиять на метаболизм. Понимание этого должно служить базисом для диетических рекомендаций и использования про- и пребиотических препаратов.

Литература: [показать]