Микробиота пожилых: истоки долголетия

Александр Суворов
«Природа» №1, 2017

Об авторе Александр Николаевич Суворов — член-корреспондент, доктор биологических наук, руководитель отдела молекулярной микробиологии Института экспериментальной медицины (Санкт-Петербург). Занимается исследованием молекулярных механизмов патогенности бактерий, в частности факторов вирулентности стрептококков, а также изучением свойств пробиотиков и механизмов, обеспечивающих их действие.

Человек вместе со способностью мыслить приобрел в качестве неприятной нагрузки страх смерти. Мы осознали конечность своего существования очень давно, и, естественно, возникло желание это изменить. Достаточно вспомнить о молодильных яблочках, живой воде, купании в трех котлах в сказке про Конька-Горбунка и т. д. Умирать решительно никому не хочется, поэтому и в наши дни ведутся упорные поиски золотой пилюли, эликсира бессмертия или еще чего-либо столь же невероятного, на что тратятся, к слову, немало интеллектуальных и финансовых ресурсов. Однако даже реальные достижения современной науки, будь то пересадка органов и тканей, эффективные лекарственные препараты, стволовые клетки, генотерапия и т. д., не позволяют обессмертить человека, но спасают жизнь и продлевают ее. Достаточно сказать, что только с введением мер санитарии и гигиены, с появлением антибиотиков и вакцин средняя продолжительность жизни возросла вдвое. Разумнее в наше время говорить не о бессмертии, а о продлении жизни и о долголетии.

Еще около полувека назад И. И. Мечников предлагал в борьбе за продолжительность жизни обратить внимание на мир бактерий [1]. Он считал, что причина преждевременного старения заключается в токсических веществах, которые вырабатывают кишечные бактерии, и даже предлагал радикально с этим бороться, удаляя часть толстой кишки. Мало кто знает, что у Мечникова были решительно настроенные сторонники среди врачей, которые проводили резекцию части кишечника с профилактическими целями. История умалчивает, как долго жили прооперированные, но вполне очевидна ошибочность такого подхода. Однако идеи Мечникова о значении бактерий для здоровья и долголетия оказались верными, что полностью подтвердили данные современной науки^*.

Микробиом человека

Микромир человека представлен многочисленными микробными сообществами бактерий, вирусов и грибов^**. На поверхности кожи, в ротовой полости и кишечнике, в легких и урогенитальных органах обитают сотни видов микроорганизмов. Наиболее представительный микробиоценоз человека по количеству микроорганизмов — в кишечнике: только количество бактерий в нем в 100 раз превосходит число собственно клеток человека. Помимо бактерий в человеке находится не меньшее, а скорее большее число вирусов, грибов и простейших. Эти сложные сообщества из отдельных штаммов микроорганизмов с их индивидуальным генетическим аппаратом составляют микробиом, который существенно превосходит геном самого человека. А все эти микробные гены в совокупности обеспечивают синтез большого набора веществ (метаболома), важных для существования не только микроорганизмов, но и их хозяина. Среди метаболитов бактерий — витамины, короткоцепочечные жирные кислоты, антимикробные пептиды, гормоны и др.

Большинство современных данных о микробном разнообразии микробиоты к настоящему времени были собраны посредством секвенирования ДНК образцов микробиоты с использованием приборов для определения нуклеотидных последовательностей. Появление секвенаторов нового поколения (new generation sequencing, NGS), выпущенных на рынок в последнее десятилетие, существенно ускорило сбор информации.

Сведения о микробном составе получают либо в результате изучения уникальных участков в области кодирования рибосомной РНК бактерий, либо посредством биоинформатического анализа всего комплекса генов в образце (метагенома). Анализ данных микробиоты людей осуществляется в рамках нескольких масштабных национальных и мультинациональных научных программ: Human Microbiome, MetaHIT, Metagenomics of the Human Intestinal Tract, MicroObes, Human Intestinal Microbiome in Obesity and Nutritional Transition, Data Analysis and Coordination Center и др. Существует специальная программа ELDERMET по изучению микробиоты пожилых (старше 65 лет) людей, которую финансирует правительство Ирландии. В результате работ по этим проектам, а также большого количества независимых исследований накоплен довольно большой объем данных о составе микробиоты у людей разного возраста.

Состав микробиоты в разных частях тела человека [2]

К настоящему времени стало очевидно, что большинство (более 90%) бактерий, обитающих в кишечнике взрослого человека, относятся к двум таксонам — фирмикутам (Firmicutes) и бактероидам (Bacteroidetes). Их соотношение рассматривается в качестве одного из наиболее важных показателей состояния кишечной микробиоты.

В существенно меньшем количестве (1–5%) обнаруживаются в кишечнике актинобактерии (Actinobacteria), фузобактерии (Fusobacteria), протеобактрии (Proteobacteria), а также еще два недавно открытых типа бактерий — Verrucomicrobia и Lentisphaerae.

Из фирмикутов наиболее многочисленны бактерии рода клостридий (Clostridium), которых разделяют по строению генома на кластеры (чаще всего обнаруживают кластеры IV и XIV типов). В классе клостридий (Clostridia) выделяют еще два рода — фекалобактерии (Faecalibacterium) и руминококки (Ruminococcus), которые также считаются важным компонентом кишечной микробиоты здорового человека.

Описанные соотношения кишечных бактерий характерны и для молодых людей, и для пожилых, однако к настоящему времени выявлены определенные возрастные особенности.

Возрастные изменения состава микробиоты

По существующим на сегодня представлениям, человек рождается практически свободным от микробиоты. Первыми колонизаторами кишечника ребенка (в случае естественных родов) становятся аэробные и некоторые анаэробные бактерии микробиоты кишечника матери, которые новорожденный получает при прохождении по родовым путям^***. Эти представления в самое последнее время подвергаются сомнению. Появились исследования микробиомов женского молока и плаценты, что указывает на проникновение бактерий в лимфу и через плацентарный барьер [3].

Постепенно в процессе грудного вскармливания в микробиоте начинают доминировать анаэробы с существенным представительством (10–15% от общего микробного числа) актиномицетов (семейства бифидобактерий, Bifidobacteria). Микробиота кишечника детей, появившихся на свет в результате кесарева сечения, существенно отличается — она более сходна с микробиотой кожи и ротовой полости. У таких детей тоже увеличивается количество бифидобактерий, но существенно медленнее и отличается по видовому разнообразию.

Первичная колонизация микроорганизмами (на которой сказывается не только способ появления на свет, но и прием антибиотиков матерью, степень доношенности плода, а также характер кормления) крайне важна для дальнейшего развития ребенка, а также спектра заболеваний, которые его настигнут во взрослом возрасте [4].

После завершения периода грудного вскармливания состав микробиоты вновь меняется, что характеризуется снижением общего числа бифидобактерий до 1–2%. Примерно с двухлетнего возраста у человека формируется его индивидуальная микробиота с примерно равным соотношением фирмикутов и бактероидов, характерным для взрослых людей. К пожилому возрасту количество фирмикутов несколько снижается до — 30–45% от общего микробного состава, а бактероидов — возрастает до 50–70%, при этом незначительно, но достоверно увеличивается число протеобактерий (в среднем до 2–3%).

Совокупный состав микрофлоры у людей пожилого (а, в) и молодого возраста (б); на уровне типа бактерий (а, б) и на уровне рода (в) [5]

У большинства пожилых людей начинает доминировать клостридии кластера IV над кластером ХIVa [5]. К 90–100-летнему возрасту в кишечнике увеличивается количество бактерий родов Roseburia и Escherichia при уменьшении общего количества Lactobacillus, Faecalibacterium, Parabacteroides, Butyricimonas, Coprococcus, Megamonas, Mitsuokella, Sutterella и Akkermansia. Микробное разнообразие человека с возрастом снижается.

Изменения в составе кишечной микробиоты связаны с такими патологиями, как диабет, ожирение, синдром раздраженного кишечника и другие воспалительные заболевания. Понятно, что здоровый организм стремится как можно быстрее восстановить присущий ему микробиоценоз, а больному это не удается, и развивается дисбиотическое состояние. Поэтому со временем индивидуальные особенности микробиоценоза кишечника начинают проявляться сильнее. Например, у некоторых пожилых людей количество фирмикутов может варьировать от 7% до 94%, бактероидов — от 3% до 92%, а протеобактерий достигать 23% от общего микробного числа [5].

Функции микробиоты в организме

В процессе эволюции у макроорганизма и его микробиоты сформировался целый комплекс взаимовыгодных процессов. Например, поскольку прием пищи практически всегда сопровождался поступлением существенного количества микроорганизмов, у собственной (индигенной) микробиоты кишечника появилась способность препятствовать колонизации макроорганизма патогенными бактериями. Для этого индигенные бактерий вырабатывают антимикробные пептиды или другие метаболиты с антимикробными свойствами (например, молочную кислоту), а также физически противодействуют колонизации патогенов.

Другое важнейшее для организма человека свойство микробиоты — способность ферментировать компоненты пищи, которые мы не способны усваивать, а также синтезировать некоторые важные для организма вещества. Микробиота вносит существенный вклад в общий метаболизм человека, синтезируя короткоцепочечные жирные кислоты — в частности бутират, который абсолютно необходим для питания кишечного эпителия.

Взаимодействие микробиоты с иммунной системой хозяина оказалось важнейшим фактором становления как врожденного, так и приобретенного иммунитета, обеспечивая толерантность к собственной микробиоте и готовность элиминировать нежелательные, болезнетворные, микроорганизмы.

Из полезных для организма свойств микробиоты можно отметить еще способность к витаминообразованию и детоксикации организма.

Соответственно, любые нарушения в сложившихся взаимоотношениях между организмом и его микробиотой вызывают дисбиоз. А на его фоне развивается целый ряд заболеваний:

• патологии желудочно-кишечного тракта (синдром раздраженной кишки, неспецифический язвенный колит, болезнь Крона, псевдомембранозный колит);
• иммунопатологические заболевания (ревматоидный артрит, системная красная волчанка, атопический дерматит);
• заболевания обменного характера (диабет I и II типов, ожирение);
• нейродегенеративные заболевания (рассеянный склероз, болезнь Паркинсона, эпилепсия);
• онкозаболевания различного генеза;
• нарушения липидного обмена, атеросклероз сосудов с последующим развитием сердечно-сосудистой патологии.

К слову, недавние исследования показали, что микробиота млекопитающих участвует в метаболизме самых разнообразных веществ, поступающих в организм с пищей [6]. В частности оказалось, что кишечные бактерии виновны в образовании триметиламина (TMA) и его N-оксида (TMAO) — важных регуляторов обмена жиров в организме и, соответственно, факторов развития атеросклероза. Использование таких безвредных для человека блокаторов синтеза ТМАО, как 3,3-диметил-1-бутанол (DMB), способно в существенной степени замедлить развитие атеросклероза и сопутствующих ему сердечно-сосудистых заболеваний. Данный подход, основанный на поиске мишеней в метаболоме кишечных бактерий, позволяет открыть новую страницу в мировой фармацевтической промышленности.

Схема действия 3,3-диметил-1-бутанола (DMB), который исследователи предлагают использовать для лечения атеросклероза — основной причины сердечно-сосудистых заболеваний [6]. Фосфатидилхолин, который в изобилии содержится в мясе, яичных желтках и жирных молочных продуктах, а также холин и триметиламин (ТМА) — биологически активные предшественники для ТМА N-оксида (TMAO), способствующего развитию атеросклероза. Ингибитор лиазы триметиламина — 3,3-диметил-1-бутанол (DMB) — блокирует производство ТМА кишечными бактериями, что в свою очередь препятствует образованию TMAO под действием флавинзависимой монооксигеназы (FMOs) печени и, соответственно, развитию атеросклероза

Совершенно очевидно, что возникновение перечисленных заболеваний (а этот список далеко не полный), индуцированных дисбиозом, не способствует удлинению жизни и улучшению ее качества. Поэтому своевременная борьба с дисбиозом — важнейшее условие достижения долголетия.

В широком смысле формой дисбиоза можно считать любой инфекционный процесс. Патогенный микроорганизм при этом начинает развиваться либо чрезмерно, либо в нетипичном месте. Примеры тому — размножение Helicobacter pylori в желудке, вызывающее гастрит, язвенную болезнь и рак желудка, развитие псевдомембранозного колита на фоне пролиферации Clostridium difficile или увеличение микробного числа в тонкой кишке при синдроме избыточного бактериального роста.

В настоящее время исследования сконцентрированы на поиске специфических изменений микробиоценоза, сопровождающих развитие патологий. При существующей в современной литературе разрозненности данных о составе микробиоты при различных патологиях к настоящему времени можно выявить несколько закономерностей.

1. На фоне дисбиоза снижается количество бактерий из числа фирмикутов, которые производят бутират, — Faecalibacterium spp. и Ruminococcus spp. Восстановление состава микробиоты по количеству этих бактерий — прогностически благоприятный признак.
2. Важный показатель возникновения дисбиоза кишечника — снижение биологического разнообразия и общего числа микробов, что наиболее характерно для инфекционных процессов и возрастных изменений микробиоты.
3. Тяжесть дисбиоза наиболее выражено проявляется и плохо компенсируется после длительного использования антибиотиков.
4. При онкологических заболеваниях заметно возрастает число фузобактерий (однако неясно, имеет ли это отношение к развитию патологии).

Нетрудно заметить, что изменения микробного состава при дисбиозе (снижение микробного разнообразия, повышение относительного количества протеобактерий и бактероидов и рост количества условно-патогенных бактерий) во многом сходны с изменениями, возникающими в пожилом и старческом возрасте. Если старость — смертельная болезнь, то начинать лечить ее надо с восстановления микробиоценоза.

Профилактика и терапия

Использование микробных препаратов для восстановления микробного баланса кажется вполне логичным. Лечение дисбиозов с использованием микробных продуктов или препаратов, содержащих живые бактерии, — пробиотиков — к настоящему времени наиболее хорошо изучено. Пробиотики, содержащие молочнокислые бактерии (лактобациллы, лактококки и энтерококки), наиболее часто используются при терапии различных патологий, сопровождающихся дисбиозами. Наиболее успешно пробиотики данной группы способствовали восстановлению микробиоценозов кишечника при синдроме раздраженной кишки, неспецифическом язвенном колите, диареях путешественников, аллергозах. Пробиотики на основе энтерококков и лактобацилл оказались эффективными при рассеянном склерозе и хеликобактерных инфекциях желудка. Пробиотики с кишечной палочкой хорошо проявили себя при болезни Крона, а на основе сахаромицетов Bulardii и сенной палочки — при дисбиозах на фоне инфекционных заболеваний, например энтеровирусных инфекций. Надо сказать, что в исследованиях эффективность лечения пробиотиками проявилась у людей разных возрастных групп. Наиболее часто применение пробиотиков у пожилых вызывало модуляцию врожденного иммунитета с повышенной экспрессией противовоспалительных цитокинов, при этом вводимые с пробиотиком бактерии меняли метаболизм как самого микробного пула, так и всего комплекса организма и микробиоты [7].

Справедливости ради замечу, что сдвиги в составе микробиоты на фоне приема пробиотиков были не столь выраженными и при положительной динамике чаще всего характеризовались повышением числа продуцирующих бутират клостридий и собственно тех бактерий, которые входили в состав пробиотиков [8].

Крайне важный фактор воздействия на состав микробиоты — рацион питания. Установлено, что большое содержание в пище животных жиров и белка (диета «западного типа») способствует увеличению числа бактероидов, а еда с большим количеством пищевых волокон — пролиферации бутират-продуцирующих фирмикутов, преимущественно руминококков [9]. Поскольку с возрастом количество фирмикутов относительно бактероидов снижается, то для восстановления баланса микробиоты могут быть полезны пребиотики на основе плохо ферментируемых полисахаридов. Как оказалось, у столетних стариков количество Ruminococcaceae и Clostridiaceae повышено, а Lachnospiraceae достоверно снижено; вероятно, долголетию этих людей способствовало потребление пищи богатой пищевыми волокнами [10].

В UK Biobank (Манчестере, Великобритания), созданном для изучения, диагностики, профилактики и лечения таких тяжелых патологий, как рак, сердечно-сосудистые заболевания, диабет, артрит, остеопороз и т. д., хранятся образцы биоматериалов (в том числе и микробиоты), взятых у предварительно проверенных доноров. Каждый образец маркирован 2D-штихкодом. Фото с сайта ukbiobank.ac.uk

Нетрудно заметить, что ахиллесова пята пробиотиков как средства лечения дисбиозов — их чужеродность организму хозяина. Действительно, выращенные вне организма на искусственных питательных средах бактерии могут лишь создать условия для восстановления ранее подавленной собственной микробиоты, но не способны восстановить исчезнувшие из микробиоценоза виды или увеличить микробное разнообразие. Интересной альтернативой пробиотикам стала фекальная трансплантация — процедура, когда микробиота донора «пересаживается» в организм пациента, страдающего дисбиозом [11]. Данный подход наиболее успешно был использован при лечении пациентов с псевдомембранозным колитом, обусловленным C. difficile. Часто однократной фекальной трансплантации оказывается достаточно, чтобы существенно снизить тяжесть заболевания и спасти жизнь пациента. Однако успешная процедура замены микробиоты одного человека чужой не решает проблемы восстановления собственных бактерий организма, при этом всегда сохраняется риск передачи от донора бактерий или вирусов, действие которых проявится через какое-то время. Избежать нежелательных последствий микробной терапии, связанных с пробиотиками или фекальной трансплантацией, возможно с помощью технологии аутопробиотиков. Оказалось, что собственные бактерии, сохраненные до развития дисбиоза, можно культивировать и вводить с пищей человеку обратно [12]. В этом случае бактерии воспринимаются иммунной системой не как что-то чужеродное, а как естественная часть организма. К настоящему времени аутопробиотики с успехом применяются при заболеваниях желудочно-кишечного тракта и даже для восстановления микробиоты у космонавтов [13].

Сохраненная в криобанках микробиота здоровых молодых людей может стать фактором восстановления юношеской микробиоты в старческом возрасте. Однако формирование национальных банков индивидуальной микробиоты потребует существенных финансовых и организационных усилий.

Вместо заключения

Выявленные к настоящему времени возрастные отличия микробиоты не отвечают на вопрос о том, насколько ее изменения к пожилому возрасту способствуют или препятствуют долголетию. Напомню, что обнаружена лишь тенденция к повышению содержания одних классов микроорганизмов (бактероидов и протеобактерий) и снижению других (фирмикутов).

Еще одна установленная закономерность микробиоты пожилых — достоверное снижение ее видового и родового разнообразия [9, 14]. Собранные к настоящему времени данные о микробиоте пожилых в рамках проекта ELDERMET, а также не связанных с данной инициативой научных исследований позволяют характеризовать порядка 1000 микробиомов пожилых разных возрастных категорий, но не могут рассматриваться в качестве окончательных.

Таблица. Компании и проекты по изучению микробиоты, направленному на увеличение продолжительности жизни [15]

Могут ли бактерии в кишечнике столетнего аксакала стать золотой капсулой бессмертия или окажутся ядом с отдаленными последствиями, разрушающими организм, до сих пор неясно. Ответы на данный вопрос появятся нескоро. Наиболее вероятно, что, как и в большинстве случаев, ответы эти не будут однозначными. Например, повышение числа протеобактерий, обеспечивающих провоспалительные сдвиги иммунной системы, может обусловливать развитие иммунопатологий, свойственных заболеваниям в случае хронического воспаления. Однако, с другой стороны, такая стимуляция может быть полезной в условиях естественной возрастной инволюции иммунной системы. Другая сложность в оценке микробиотного состава у пожилых — общее нарастание соматических патологий с возрастом. Можно ли рассматривать изменения микробиоты у пожилых как благоприятствующий долголетию симптом или, напротив, как патологический? Было бы заманчиво, сохранив микробиоту здоровых людей в молодом возрасте, заменить ею микробиоту в старости. Для этого целесообразно заблаговременно осуществлять депонирование микробиоты в биобанки, как это делают с кровью, спермой и стволовыми клетками.

И все же однотипные тенденции в изменении микробиоты с возрастом позволяют надеяться на появление новых рекомендаций по микробной терапии для поддержания здоровья и долголетия в недалеком будущем.

Литература
1. Мечников И. И. Этюды оптимизма. М., 1964.
2. Grice E. A., Segre J. A. The human microbiome: our second genome // Annual Review of Genomics and Human Genetics. 2012. V. 13. P. 151–170. DOI: 10.1146/annurev-genom-090711-163814.
3. Prince A. L., Chu D. M., Seferovic M. D. et al. The perinatal microbiome and pregnancy: moving beyond the vaginal microbiome // Cold Spring Harb. Perspect. Med. 2015. V. 5. № 6. DOI: 10.1101/cshperspect.a023051.
4. Goulet O. Potential role of the intestinal microbiota in programming health and disease // Nutr. Rev. 2015. V. 73. P. 32–40. DOI: 10.1093/nutrit/nuv039.
5. Claesson M. J., Cusack S., O’Sullivan O. et al. Composition, variability, and temporal stability of the intestinal microbiota of the elderly // PNAS. 2011. V. 108. Suppl. 1. P. 4586–4591. DOI: 10.1073/pnas.1000097107.
6. Wang Z., Roberts A. B., Buffa J. A. et al. Non-lethal Inhibition of gut microbial trimethylamine production for the treatment of atherosclerosis // Cell. V. 163. P. 1585–1595. DOI: 10.1016/j.cell.2015.11.055.
7. Eloe-Fadrosh E. A., Brady A., Crabtree J. et al. Functional dynamics of the gut microbiome in elderly people during probiotic consumption // mBio. 2015. V. 6. e00231-15. DOI: 10.1128/mBio.00231-15.
8. Nyangale E. P., Farmer S., Cash H. A. et al. Bacillus coagulans GBI-30, 6086 modulates Faecalibacterium prausnitzii in older men and women // J. Nutr. 2015. V. 145. P. 1446–1452. DOI: 10.3945/jn.114.199802.
9. Wang F., Yu T., Huang G. et al. Gut microbiota community and its assembly associated with age and diet in Chinese centenarians // J. Microbiol. Biotechnol. 2015. V. 25. P. 1195–1204. DOI: 10.4014/jmb.1410.10014.
10. Claesson M. J., Jeffery I. B., Conde S. et al. Gut microbiota composition correlates with diet and health in the elderly // Nature. 2012. V. 488. P. 178–184. DOI: 10.1038/nature11319.
11. Choi H. H., Cho Y. S. Fecal microbiota transplantation: current applications, effectiveness and future perspectives // Clin. Endosc. 2016. V. 49. P. 257–265. DOI: 10.5946/ce.2015.117.
12. Suvorov A. Gut microbiota, probiotics and human health // Biosci. Microbiota Food Health. 2013. V. 32. С. 81–91. DOI: 10.12938/bmfh.32.81.
13. Ильин В. К., Суворов А. Н., Кирюхина Н. В. и др. Аутопробиотики как средство профилактики инфекционно-воспалительных заболеваний у человека в искусственной среде обитания // Вестник РАМН. 2013. № 2. C. 56–62.
14. Saraswati S., Sitaraman R. Aging and the human gut microbiota — from correlation to causality // Front. Microbiol. 2015. V. 5. Article 764. DOI: 10.3389/fmicb.2014.00764.
15. McDonald D., Grishman G., Price N. D. Personalized nutrition through big data // Nat. Biotechnol. 2016. V. 34. P. 152–154. DOI: 10.1038/nbt.3476.

^* Подробнее см.: Суворов А. Н. Полезные микробы — кто они? // Природа. 2009. № 7. С. 21–30. (PDF, 7 Мб)

^** Подробнее см.: Суворов А. Н. Мир микробов и человек // Природа. 2015. № 5. С. 11–19.

^*** Подробнее см.: Суворов А. Н. Микробиота детей // Природа. 2011. № 8. С. 14–21. (PDF, 5 Мб)