Одной из важнейших функций микрофлоры является осуществлении колонизационной резистентности, т. е. предотвращении колонизации ЖКТ условнопатогенными и патогенными микроорганизмами (Кучумова С. Ю., 2011). Способами достижения колонизационной резистентности служат: конкуренция за питательные вещества и рецепторы адгезии, а также выработка бактериоцинов, короткоцепочечных жирных кислот, лизоцима, препятствующих росту патогенных микроорганизмов.
Защитное действие короткоцепочечных жирных кислот проявляется в стимуляции кровотока в слизистой оболочке и продукции слизи, а также в снижении рН тонкой кишки, приводящем к тому, что аммиак, образующийся в толстой кишке в связи с микробным метаболизмом белков и аминокислот, переходит в ионы аммония и в таком виде не диффундирует через кишечную стенку в кровь, а выводится с калом в виде аммонийных солей (Jenkins D. J. A., 1999).
Пищеварительная функция. Не расщепленные в тонкой кишке белки, жиры, углеводы под воздействием нормальной микрофлоры толстой кишки подвергаются ферментативному расщеплению (Кучумова, С. Ю., 2011). Лактобактерии используют различные углеводы для энергетических и пластических целей, однако плохо расщепляют белки и жиры, в связи с чем нуждаются в поступлении извне аминокислот, жирных кислот, а также витаминов. Энтеробактерии расщепляют углеводы с образованием углекислого газа, водорода и органических кислот, они могут утилизировать белки и жиры, поэтому практически не нуждаются во внешнем поступлении аминокислот, жирных кислот и большинства витаминов (Каширская Н. Ю., 2010).
Под влиянием ферментов нормальной микрофлоры в подвздошной кишке осуществляются деконъюгация желчных кислот и преобразование их в первичные желчные кислоты (SCFA), синтезированных в печени, во вторичные желчные кислоты, 90 % из которых подвергаются обратному всасыванию и повторно участвуют в пищеварении (Кучумова, С. Ю., 2011). Оставшиеся желчные кислоты выделяются с калом – их наличие в содержимом толстой кишки тормозит всасывание воды и препятствует излишней дегидратации кала. Таким образом, ферментативная деятельность микрофлоры способствует нормальному формированию каловых масс (Урсова Н. И., 2006).
В проксимальных отделах толстой кишки короткоцепочечные жирные кислоты стимулируют рецепторы эндокринных L леток кишечника, которые вырабатывают регуляторный пептид PYY, замедляющий моторику толстой и тонкой кишки. Ранее было установлено, что выработка PYY лежит в основе "илеоцекального тормоза", угнетающего кишечную моторику при попадании в толстую кишку недостаточно переваренных жиров (Cherbut C., 1998). В дистальных отделах толстой кишки эффект короткоцепочечных жирных кислот противоположный. Они стимулируют рецепторы энтерохромаффинных EС-клеток, вырабатывающих гистамин, который, действуя на 5-HT4-рецепторы афферентных волокон блуждающего нерва, инициирует рефлекторное усиление моторики (Fukumoto S., 2003, Jouet P., 2000).
Микрофлора способствует регуляции двигательной активности кишечника за счет синтеза оксида азота из аргинина под действием NOS (синтаза оксида азота) (Кучумова С. Ю., 2011). Оксид азота проникает в мышечный слой и активирует гуанилатциклазу, что приводит к увеличению содержания гуанозинмонофосфата (ГМФ) и расслаблению мышц (Ивашкин В. Т., 2011).
Микрофлора способствует абсорбционной функции, например, улучшает всасывание воды. Na+ / Н+-обменники (NHE – Na+ / H+ exchangers) составляют группу интегральных мембранных белков, экспрессируемых во всех тканях организма, которые осуществляют трансмембранный обмен ионов Na+ на ионы Н+ (Binder H. J., 1994; Yun C. H., 1995). Существует 6 типов белков транспортеров, однако NHЕ1, NHЕ2 и NHЕ3 экспрессируются на апикальной мембране эпителиальных клеток кишечника (Yun C. H., 1995). Там же расположены Cl– / HCO3 – обменники. Установлено, что бутират (масляная кислота, вырабатываемая микрофлорой кишки) поступает в колоноцит в обмен на гидрокарбонатные ионы. Часть всосавшегося бутирата вновь поступает в просвет кишки в обмен на ионы хлора, однако значительная часть его остается в колоноците и утилизируется им. Кроме того, всасывание бутирата тесно связано с всасыванием натрия: блокирование всасывания бутирата блокирует всасывание натрия, и наоборот. Это взаимодействие имеет особое значение, т. к. поступление натрия в колоноцит определяет всасывание воды (Guarner F., 2003).
Важнейшая роль нормальной микрофлоры заключается в способности нейтрализовать многие токсические субстраты и метаболиты (нитраты, ксенобиотики, гистамин, мутагенные стероиды) (Кучумова С. Ю., 2011). С одной стороны, микрофлора представляет собой массивный сорбент, выводящий из организма токсические продукты с кишечным содержимым, а с другой – утилизирует их в реакциях метаболизма для своих нужд.
Некоторые вещества, вырабатываемые бактериями, обладают антиоксидантными свойствами и способствуют снижению риска заболеваемости раком толстой кишки (Кучумова, С. Ю., 2011). Например, антиканцерогенный эффект бутирата проявляется в регуляции апоптоза – гибели клетки, который характеризуется активацией нелизосомных эндогенных эндонуклеаз, расщепляющих ядерную ДНК на маленькие фрагменты. Бутират снижает пролиферацию клеток эпителия толстой кишки, но повышает их дифференцировку (Бельмер С. В, 2005; Pryde S. E., 2002).
Предполагается, что одна из причин более высокой частоты опухолей толстой кишки по сравнению с тонкой – недостаток цитопротективных составляющих, большинство из которых всасывается в средних отделах ЖКТ (Кучумова, С. Ю., 2011). Среди них – витамин В 12 и фолиевая кислота, которые определяют стабильность клеточных ДНК, в частности ДНК клеток эпителия толстой кишки. Даже незначительный дефицит этих витаминов, не вызывающий анемию или другие тяжелые последствия, приводит к значимым аберрациям в молекулах ДНК колоноцитов, способным стать основой канцерогенеза. Известно, что недостаточное поступление к колоноцитам витаминов В 6 , В 12 и фолиевой кислоты ассоциируется с повышенной частотой рака толстой кишки в популяции (Бельмер С. В., 2006). Дефицит витаминов приводит к нарушению процессов метилирования ДНК, мутациям и, как следствие, раку толстой кишки.
Кишечная микрофлора обеспечивает синтез многих жизненно необходимых веществ: синтез витаминов группы В (В 1 , В 2 , В 6 , В 12 ), витаминов С, К, фолиевой, никотиновой кислот. Одна только кишечная палочка синтезирует около 10 витаминов (Кучумова С. Ю., 2011).
В результате микробного метаболизма в толстой кишке образуются молочная кислота, короткоцепочечные жирные кислоты, углекислый газ, водород, вода. Углекислый газ в большой степени преобразуется в ацетат, водород всасывается и выводится через легкие, а органические кислоты утилизируются макроорганизмом (Rambaud J. C., 2006). Так, произведенные местными кишечными бактериями, вносят 5–10 % необходимых калории людям, и имеют благоприятные воздействия и на местных и на системном уровнях (Mortensen P. B., 1996).
Такие продукты метаболизма молочнокислых бактерий и бактероидов, как молочная, уксусная, янтарная, муравьиная кислоты, обеспечивают поддержание показателя рН внутрикишечного содержимого на уровне 4.0, благодаря чему в ЖКТ тормозится рост и размножение патогенных и гнилостных микроорганизмов.
Кишечная микрофлора участвует в формировании как местного, так и общего иммунитета. Путем контакта с микроорганизмами через слизистую оболочку, постоянного проникновения небольшого количества бактерий, их антигенов и продуктов метаболизма в кровоток поддерживается необходимая напряженность иннатной и адаптивной иммунной системы (Карамов Э. В., 2008; Николаева Т. Н., 2004; Kelly D., 2005).
Барьерная функция слизистой оболочки ЖКТ, пути бактериальной адгезии. Между колониями микроорганизмов и кишечной стенкой имеется тесная взаимосвязь, что позволяет их объединять в единый микробно-тканевый комплекс, который образуют микроколонии бактерий и продуцируемые ими метаболиты, слизь, эпителиальные клетки слизистой оболочки и их гликокаликс, а также клетки стромы слизистой оболочки (фибробласты, лейкоциты, лимфоциты, нейроэндокринные клетки, клетки микроциркуляторного русла и др.) (Ардатская М. Д., 2011).
Все факторы, способствующие поддержанию постоянства состава кишечной микрофлоры, делятся на анатомические, функциональные, а также на факторы, которые ингибируют адгезию бактерий к эпителию (Gabrielli M., 2013; Hao W. L., 2004; Riordan S. M., 2001; Bures J., 2010; Плотникова Е. Ю., 2012; Мечетина Т. А., 2011; Ардатская М. Д. 2000, 2001, 2006, 2009; Белоусова Е. А., 2005, 2009; Логинов А. С., 2000; Парфенов А. И., 2007; Шептулин А. А., 2008; Toskes P. P., 1993).
Функцию биологического барьера обеспечивает микрофлора полости рта, которая препятствует размножению болезнетворных бактерий, попадающих в полость рта из внешней среды (Кучумова С. Ю., 2011). Секреция соляной кислоты – основополагающий защитный фактор против колонизации верхних отделов ЖКТ патогенными микробами (Плотникова Е. Ю., 2012; Кучумова С. Ю., 2011; Ардатская М. Д., 2011). Получены экспериментальные данные об антимикробных свойствах желчи и панкреатического секрета (Шульпекова Ю. О., 2003; Drouault S., 1999).
Эпителий, выстилающий кишку, выполняет роль механического барьера между содержимым кишечника и внутренней средой организма за счет наличия плотных контактов (zonula occludens) между эпителиоцитами, которые предотвращают проникновение мельчайших молекул из просвета кишки. Плотные контакты создаются путем точечного соединения мембран соседних клеток за счет трансмембранных белков клаудинов и окклюдинов, образующих решетку или сеть (Binder H. J., 1994; Furuse M., 1998; Tsukita S., 2001). По данным недавних исследований, при снижении экспрессии белков плотных контактов отмечается повышение проницаемости кишечной стенки (Isola L., 2009; Moreau M. C., 2001).
Микробные сообщества, связанные с поверхностью слизистой оболочки отличны от внутрипросветных, существующих в фекалиях (Eckburg P. B., 2005; Zoetendal E. G., 2002). Это различие в значительной степени определяется наличием слоя слизи (произведенной бокаловидными клетками), который покрывает кишечный эпителий и служит богатым источником энергии для множества колонизирующих кишечных микробов (Macfarlane S, 2003). Кроме того, слой слизи служит важным физическим барьером, который ограничивает прямой контакт между кишечными микробами и апикальными поверхностями энтероцитов (Johansson M. E., 2011).
Состав слизи и ее организационная структура изменяется вдоль ЖКТ (Juge N., 2012). В тонкой кишке слой слизи более тонкий, чем в толстой (Johansson M. E., 2011). Слизь толстой кишки организована в два слоя: тонкий внутренний слой (mucin), расположен интимно с эпителием, уплотнен и в значительной степени лишен микробной колонизации (Johansson M. E., 2008) Толстый внешний слой более свободно устроен, может эффективно использоваться бактериями и плотно колонизирован местной микробиоматерией (Johansson M. E., 2011).
Аналогично эпителиальной слизи, пристеночная микробиоматерия действует как дополнительный механический барьер, занимая рецепторы адгезии клеточных мембран (Juge N., 2012). Также, создавая анаэробные условия в просвете кишечника (Marteyn B., 2011), местная микробиоматерия снижает окислительный потенциал кислорода и замедляет темп роста и экспрессию генов ядовитости Enterobacteriaceae (Altier C., 2005). Однако, Enterobacteriaceae являются факультативными анаэробами и способны выживать в пределах кишечного тракта (Marteyn B., 2011). Тем не менее, такие бактерии как Shigella flexneri чувствительны к незначительным различиям концентрации O 2 и только при особых условиях реализуют свою патогенность (Marteyn B., 2010).
Кроме того, питательное истощение обусловленное местной микробиоматерией, играет роль в подавлении резидентной патогенной флоры, такой как C. Dificile. Ее низкая концентрация на слизистой оболочке в условиях кишечного эубиоза часто формирует феномен бессимптомного носительства у хозяина (Wilson K. H., 1988). Подтверждением тому явились данные Jangi S. (2010) о том, что у 50–60 % новорожденных колонизированных кишечным патогеном Clostridium difficile, болезнь наблюдалась редко.
Нормальная перистальтика тонкой кишки обеспечивается благодаря работе III фазы мигрирующего моторного комплекса – ММК (MMC – migrating motor complex), способствующего сокращениям толстой кишки каждые 90–120 мин в межпищеварительный период и продвижению содержимого из тонкой кишки в толстую. Нарушение регулярности работы ММК может приводить к колонизации бактериями верхних отделов тонкой кишки (Тропская Н. С., 2005). Немаловажную роль в предотвращении цеко-илеального рефлюкса играет илеоцекальный клапан (Ардатская М. Д., 2011; Кучумова С. Ю., 2011; Gabrielli M., 2013).
Количественный и качественный состав микробных ассоциаций контролируется, с одной стороны, системой "чувства кворума", которая позволяет бактериям обмениваться информацией посредством диффузии сигнальных молекул, регулирующих экспрессию бактериальных генов при достижении оптимальной клеточной плотности (Ткаченко Е. И., 2006). С другой стороны, ткани-носители макроорганизма обладают способностью оптимизировать микробные экосистемы продукцией антимикробных пептидов (Dominguez-Bello M. G., 2008). Сложность этих взаимосвязей дополняется влиянием микроорганизмов на функционирование органа-среды обитания благоприятным для себя образом, посредством экспрессии молекулмессенжеров для различных межклеточных сигнальных путей макроорганизма, и правильное созревание иммунной системы человека во многом опосредовано влиянием представителей его микрофлоры (Sobko T., 2005). В этой связи кишечные сапрофиты и их метаболиты признаны сильными стимуляторами кишечной иммунной системы, которые непосредственно воздействуют на общее состояние здоровья кишечных эпителиальных клеток (Artis D., 2008) и деятельность основных клеток иммунной системы (Atarashi K., 2008; Satoh-Takayama N., 2008).
Иммунитет слизистой оболочки базируется на выработке плазматическими клетками IgA – основного фактора местного иммунитета, преобладающего во всех секретах и собственной пластинке слизистой ЖКТ (Macpherson A. J., 2008; Кучумова С. Ю., 2011). Известно, что около 80 % всех иммунокомпетентных клеток организма локализовано в слизистой оболочке кишечника. Лимфоидная ткань ЖКТ представлена организованными структурами (Пейеровы бляшки, аппендикс, миндалины, лимфатические узлы) и отдельными клеточными элементами (интраэпителиальные лимфоциты, плазматические клетки, макрофаги, тучные клетки, гранулоциты). Также барьерная функция обеспечивается и спектром антибактериальных веществ (a-defensins, cathelicidins, лизозимы и лектины, такие как, RegIIIaand RegIIIc) произведенными специализированными клетками Paneth и лейкоцитами (McGuckin M. A., 2011; Salzman N. H., 2010; Vaishnava S., 2011). Также у многочисленных бактериоцинов, произведенных сапрофитами кишки обнаружены бактерицидные свойства против болезнетворных микроорганизмов (Dobson A., 2012), таких как Listeria monocytogenes, S. spp., Clostridium botulinum, Clostridium perfringens и C. dificille (Corr S. C., 2009; Gong H. S., 2010; Dabard J., 2001; Rea M. C., 2010).
Основная масса бактерий фиксирована к специфическим рецепторам эпителиоцитов слизистой оболочки пищеварительного тракта, образуя микроколонии, покрытые биопленкой (Мечетина Т. А., 2011). Следует отметить, что число рецепторов на эпителиальных клетках, к которым адгезируются бактерии, ограничено, что при избытке микрофлоры создает конкуренцию между микробами.
Видовая и анатомическая специфичность адгезии представителей мукозной микрофлоры столь выражена, что, например, лактобациллы, выделенные из слепой кишки крыс, не способны фиксироваться к эпителиальным клеткам других животных (Хапаев Б. А., 2005). В слизистой оболочке тонкой кишки имеются рецепторы для адгезии преимущественно аэробной флоры, в то время как в толстой кишке преобладают рецепторы для фиксации анаэробных штаммов (Мечетина Т. А., 2011).
Toll-подобные рецепторы (TLRs) и NODs-рецепторы расположены в пределах определенных органоидов и цитоплазматической сети и определяют множество кишечных микробов и их антигенов, таких как липополисахарид (ЛПС), пептидогликаны, нуклеотиды, белки и липопротеины (Iwasaki A., 2004).
Эти рецепторы являются триггерами, запускающими воспаление при взаимодействии с болезнетворными бактериями (Kawai T., 2009). Присутствие в связи с этим определенного пула T-клеток в собственной пластинке важно для установления и поддержания колонизационной резистентности (Barnes M. J., 2009).
Сбалансированный уровень T regs /T helper тип 17 (T reg /Th 17 ) является показателем кишечного гомеостаза (Lee Y. K., 2010). Регулирующие T клетки (T regs ; CD4+; CD25+; Foxp +), расположенные в собственной пластинке слизистой оболочки, подавляют ИЛ 10 медиаторный сигнальный каскад, возникающий в результате чрезмерной активности T-клеток (Josefowicz S. Z., 2012; Round J. L., 2009). Сапрофитная кишечная флора вызывает увеличение T regs из неспециализированных Т-клеток и защищает мышей от избыточного воспаления, вызванного кишечными болезнетворными микроорганизмами и повреждением слизистой. Например, определенные бактерии, такие как Бактероиды fragilis (Round J. L., 2010) и Bifidobacterium infantis (O’Mahony C., 2008) или определенные смеси бактерий Firmicutes bacteria (Atarashi K., 2011) способствуют увеличению T regs и укрепляют кишечный барьер различными механизмами.
Другие представители микробиоматерии способствуют активации Th 17 . Например, сегментированные волокнистые бактерии плотно взаимодействуют с кишечными эпителиальными клетками и вызывают сильный Th 17 -ответ, не вызывая кишечную патологию. Колонизация мышей этими бактериями вызывала умеренный защитный эффект против Citrobacter rodentium (патогенные E. Coli-подобные бактерии) (Ivanov I. I., 2009). Неспецифические метаболиты микробиоматерии, например ATФ, также способствуют дифференцировке и вербовке Th 17 , который опосредовал сопротивление экспериментальному колиту (Atarashi K., 2008).