Биом человека что такое
Что такое микробиом и зачем о нем знать
Человек постоянно сталкивается с микроорганизмами, которые обитают вокруг нас, на нас, внутри нас. Установлена роль различных бактерий, вирусов и грибков в патогенезе многих заболеваний, среди них далеко неполный перечень включает: чуму, ревматизм, туберкулез, коклюш, сибирскую язву, болезнь Лайма и многие другие опасные болезни, вызванные бактериями. То есть у человека есть множество причин отрицательно воспринимать бактерии. Но мы живем в удивительное время, когда с приходом новых технологий меняются наши представления о здоровье и болезни. Сегодня утвердилось абсолютно новое понимание необходимости микроорганизмов внутри и снаружи нашего организма и их значимости не только для нашего пищеварения, но и для самочувствия в целом.
Микробиом: что это
Микробиом – это микроорганизмы, такие как бактерии, археи, грибки и вирусы, которые обитают в определенной экосистеме или в организме.
Микроорганизмы рспространены повсюду, включая человеческое тело, почву, ископаемые, моря, пресные водоемы, атмосферуи и даже в гидротермальных жерлах и подледниковых озерах.
Термин «микробиом» заменил устаревшее определение микрофлора, поскольку “флора” переводится как растительный мир. Он был впервые внедрен в 2001 г. для обозначения объединенных геномов микробиоты. Микробиота – используется для характеристики микробиоценоза отдельных органов и систем. Например, микробиота кишечника, микробиота кожи, микробиота плаценты, микробиота грудного молока и т. д. Благодаря современным научным исследованиям в области генетики ученые смогли идентифицировать и определить количество микроорганизмов, живущих в организме человека. С помощью новейших научных разработок удалось установить, что существует более 1 100 видов микроорганизмов, большинство из которых анаэробы. Доказано, что чем более разнообразны кишечные микроорганизмы, тем лучше здоровье человека, а низкое разнообразие связано с различными заболеваниями. Внедрение молекулярно-генетических технологий в практику микробиологических исследований позволило получить новую информацию о составе и свойствах интестинальной микробиоты у людей разного возраста.
Все микробиомы имеют несколько общих черт но это динамичное сообщество, которое способно меняться в зависимости от разных факторов, будь-то изменения климата, если говорить о группах, населяющих планету, или изменения диеты, если говорить о микробиоме человека. Но в любом случае микробиом всегда тесно связан со своим хозяином.
Распространенность микробиомов
Микробиом океанов
Океаны покрывают почти 70% нашей планеты, поэтому постоянно проводятся исследования микроорганизмов, населяющих водные пространства. Эти крошечные “жители” являются «строительным материалом» для более крупных форм жизни на планете, они производят почти половину кислорода, которым мы дышим, перерабатывают примерно такой же процент углекислого газа и удаляют больше чем половину метана в мировых океанах.
Микробиом почвы
Почву и ископаемые населяют огромное количество микроорганизмов. По приблизительным подсчетам в каждом грамме почвы содержится около 40 тысяч видов микроскопических обитателей. Они необходимы для поддержки множества процессов, обеспечивающих рост растительности. Также микробиом пчвы отвечает за расщепление загрязняющих среду веществ, за круговорот азота и углерода.
Микробиом атмосферы
Известно, что в атмосфере микроорганизмы присутствуют повсюду, но варьируют от места к месту, а также с течением времени. Микроорганизмы с частичками пыли мигрируют свободно вокруг земного шара. Микробиом атмосферы может влиять на распространение инфекционных заболеваний, общее здоровье людей, сельское хозяйство, формирование облаков и осадков.
Микробиом человека
Согласно данным Национального института здоровья США только 10% клеток, входящих в состав организма человека, являются собственно человеческими клетками, а остальные 90% принадлежат бактериям, населяющим различные микробиоты человека. Таким образом, homo sapiens является «суперорганизмом», в котором сосуществует большое количество различных организмов. В 2008 г. был запущен глобальный проект «Микробиом человека», ставивший своей целью расшифровку генома бактерий, населяющих организм человека. Расшифровкой генома бактерий, населяющих ЖКТ, занимается Европейский консорциум MetaHIT. Уже расшифровано около 3 млн генов, что примерно в 150 раз больше набора генов человека.
Результаты проекта позволят установить взаимосвязь этих генов с состоянием здоровья человека, развитием заболеваний и фенотипом.. По мнению журнала Science, расшифровка метагенома человека входит в число величайших научных открытий последнего десятилетия.
Микробиом человека включает около тысячи разновидностей бактерий, живущих на коже человека, во рту, в его кишечнике и влагалище.
На разных участках тела колонии микробов отличаются друг от друга. Различия между микробиомом кишечника и ротовой полости сравнимы с различием колоний бактерий, обнаруженных на почве и в океанах.
Особенность микробиома каждого человека в его уникальности. Предполагается, что на формирование индивидуального микробиома влияют такие факторы как особенности питания, окружающая среда, генетические факторы и воздействие микробов на человека в самом раннем возрасте. Следовательно, наличие определенного микробиота позволит прогнозировать особенности обмена веществ и указывать на предрасположенность к определенным заболеваниям.
Отмечается, что у лиц с серьезными хроническими заболеваниями, например, с диабетом, разнообразие микробиома упрощается. Также снижение разнообразия микроорганизмов наблюдается у пациентов с дисфункцией кишечника, при аутоиммунных болезнях, ожирении, заболеваниях сердца, а также у лиц пожилого возраста. Это обусловлено тем, что нормальная микробиота кишечника участвует в разнообразных физиологических функциях организма: защитной, пищеварительной, детоксикационной и антиканцерогенной, синтетической, генетической, иммуногенной, в регуляции обмена холестерина и оксалатов.
Сколько в нас микробов
Еще в начале 1970 годов ученым было довольно сложно определить количество микробов, заселяющих наши организмы, данные варьировались от сотни миллиардов до сотен триллионов. С 2016 года на основании геномного анализа установлено, что тело среднестатистического взрослого человека состоит из около 39 триллионов клеток микробов и около 30 триллионов собственно человеческих клеток. Причем эти цифры могут варьировать в зависимости от веса, роста, возраста и пола человека. Но в любом случае вес всех микроорганизмов может составлять от 1 до 3 процентов от общей массы тела человека, а это примерно от 900 г до 2,7 кг – почти столько же весит мозг.
Микробиом считают еще одним органом человека
Микробиом человека представлен бактериями, которые находятся внутри и снаружи нашего тела. Подавляющее большинства микроорганизмов содержится в желудочно-кишечном тракте человека. Это кишечная микробиота, которая включает до тысячи видов микроорганизмов. Кишечные микробиомы разных людей могут содержать похожие виды микробов, но в большинстве случаев это будут различные штаммы. Помимо кишечника, другими наиболее изученными являются микробиота полости, носа, глаз, легких, кожи и влагалища.
Как формируется человеческий микробиом
Заселение кишечника плода микроорганизмами закладывается уже во второй половине беременности от матери (по данным зарубежных и отечественных исследований, до 22-й недели гестации микробов в организме плода нет вообще, а начиная с 24-й недели появляются единичные колонии кишечной палочки и лактобацилл).
На формирование микробиоты кишечника плода влияет питание, образ жизни матери, а также факт приема антибактериальных препаратов во время беременности. Мать является первым источником колонизации и инфицирования своего ребенка. Состояние его микробиоты также определяется способом родоразрешения (роды естественные, оперативные), местом проведения родов – родильный дом или квартира, когда физиологические роды осуществляются в домашних условиях. Микробиота желудочно-кишечного тракта младенца зависит от состояния кожи, родовых путей и кишечника роженицы, а также от того, применялась ли антибактериальная терапия у матери и ребенка. Существенное значение имеет время прикладывания к груди, характер вскармливания с рождения. Так как заселение микроорганизмами слизистых новорожденного начинается с момента прохождения его через родовые пути, то естественный способ родоразрешения является одним из основополагающих, влияющих на формирование микробиоты.
В 2013 году ученые из Медицинской школы Вашингтонского университета исследовали плаценту 195 рожениц и обнаружили бактерии, которые напоминают микробиоту полости рта, а что также микробы содержатся и в околоплодных водах. В ходе другого исследования выяснилось, что почти 30% малышей получают бактерии, которые необходимы для формирования кишечного микробиома, вместе с материнским грудным молоком, которое содержит до 700 различных микроорганизмов. Они попадают в материнское молоко из кишечника путем бактериальной транслокации в кровоток, минуя лимфатические узлы.
Процесс формирования микробиома продолжается в течение первых 3 лет жизни человека. За это время состав микробиома часто меняется, но к 3 годам формируется зрелый индивидуальный микробиом. К этому времени он становится довольно стабильным, хотя и не статичным. То есть состав микробного сообщества на протяжении всей жизни остается довольно пластичным и вариативным. Продолжаются исследования формирования микробиома, предполагается, что этот процесс зависит от множества факторов, таких как пищевые привычки, место обитания, возраст, раса, пол, гормональные изменения и даже прием лекарств.
К примеру, доказано, что в период полового созревания происходят изменения в микробиоме кожи. У женщин состав и структура вагинального микробиома меняется, как минимум, трижды: во время беременности, после родов и в период менопаузы.
Следует отметить, что микробиом человека состоит из определенных видов микроорганизмов, которые дополняют друг друга и даже своего хозяина, выполняя важные функции для поддержания жизнеспособности человека.
Например, кишечные бактерии участвуют в синтезе витаминов и ферментов, процессах пищеварения, укреплении иммунной системы и даже могут влиять на активность головного мозга.
Роль в организме
Симбиоз микробов играет важную роль для человеческого организма, так как принимает участие в:
Состояние микробиома может даже определить, к развитию каких болезней склонен человек. В 2018 году в британском журнале Nature, который является самым влиятельным научным изданием в области биологии и медицины, были опубликованы результаты крупномасштабного исследования, касающегося микробиома. Ученые, проанализировав микробиом более 1000 здоровых людей, выявили тесную связь между микробиотой и изменениями холестерина, массы тела, уровня глюкозы в крови и некоторыми другими параметрами. Специалисты, проводившие исследование, пришли к выводу, что используя генетические данные и профиль микробиома человека, намного легче определить его склонность к тем или иным нарушениям. Доказано, что изменения микробиома приводят к аллергии, аутоиммунным, сердечно-сосудистым, метаболическим и психиатрическим заболеваниям.
Известно, что витамин В12синтезируется в тонком кишечнике с участием микроорганизмов, содержащиеся в кишечнике.
Связь между микробиомами и здоровьем
Чем больше ученые узнают о микробиоме, тем больше получают доказательств, что дисбаланс микроорганизмов может быть как причиной возникновения болезни, так и причиной восстановления здоровья.
Существуют тесные связи между микробиомом кишечника и возникновением таких болезней как диабет 2 типа, ожирение, ревматоидный артрит, цирроз, воспалительные заболевания кишечника, метаболический синдром. Кроме того, ученые предполагают наличие взаимосвязи между кишечным микробиомом и склонностью человека к тревогам, депрессии и аутизму.
Пищеварение и питание
Микробиота – ключевой фактор, влияющий на пищеварение. Без кишечной микрофлоры многие популярные продукты, которые употребляет человек, были бы для него несъедобными. Например, ту же клетчатку, содержащуюся в овощах, фруктах и орехах организм не способен усвоить без кишечного микробиома.
В желудочно-кишечном тракте человека легко расщепляются моносахариды (глюкоза) и дисахариды (лактоза). Но ему гораздо труднее переваривать сложные молекулы и полисахариды, а это белки, жиры, крахмал и другие сложные углеводы, полученные из овощей и мяса. И вот здесь на помощь приходит кишечная микробиота, бактерии которые расщепляются путем ферментации сложные составы до метаболитов, которые организм уже способен усвоить и использовать в собственных потребностях.
На протяжении множества лет человечество было убеждено, что масса тела определяется исключительно тем, сколько человек употребляет пищи. Но недавние экспериментальные исследования на мышах продемонстрировали, что на склонность к полноте влияют микробы, живущие в наших телах. После пересадки подопытным животным микробиоты из кишечника худощавого и тучного человека, мыши, которым достались микробы от более упитанного человека, набрали лишний вес. Вопрос, работает ли эта схема и с человеческим организмом, требует дальнейшего изучения. Но если это так, то микробиота может стать лекарством против ожирения.
Иммунитет и воспаления
Доказано, что от баланса кишечных микробов во многом зависит и баланс иммунной системы. В человеческом кишечнике содержится больше иммунных клеток, чем в любом другом участке организма. То есть микробиота кишечника и клетки иммунитета пребывают в постоянном контакте. Если эту взаимосвязь нарушить, появляется риск развития сложных заболеваний, включая аллергию, ожирение, диабет, депрессию и даже рак.
Экспериментальные исследования на мышах, кишечник которых был максимально “стерильным” продемонстрировали, что такие животные были очень болезненными, у них появились симптомы воспаления легких, астмы и воспалительных заболеваний кишечника. После подсадки мышам бактерий от здоровых животных, они быстро восстанавливались, однако состояние улучшилось только у самых маленьких животных (в возрасте 1-2 недель), более взрослым «пересадка» микробиоты не помогла. Результаты эксперимента расцениваются как очередное подтверждение важности микробиома для выживаемости младенцев и укрепления их иммунитета.
Кроме того, исследования показали, что нарушение кишечного микробиома повышает риск воспалительных заболеваний, в том числе болезни Крона и целиакии, а также делает человека более склонным к аллергиям.
Головной мозг и нервная система
Существует тесная взаимосвязь между желудочно-кишечным трактом и центральной нервной системой. Эта связь базируется на блуждающем нерве, который посылает сигналы из кишечника в мозг и наоборот. Кишечный микробиом способен вырабатывать целый ряд нейротрансмиттеров, в том числе серотонин и ГАМК, которые влияют на настроение, аппетит и мышление, а также могут активировать блуждающий нерв.
В одном из исследований ученые обнаружили, что мыши, которым внедрили штамм кишечной бактерии Lactobacillus rhamnosus, в стрессовых ситуациях проявляли меньше беспокойства и у них вырабатывалось меньше гормона стресса, чем у контрольных животных. При выключении у животных блуждающего нерва различия в поведении мышей исчезли, независимо от состояния их кишечного микробиома.
Другие исследования на мышах также подтвердили существование взаимосвязи между кишечными микробами и депрессией, болезнью Паркинсона, аутизмом, нарушениями настроения. Клиницисты отмечают, что почти 70% детей и подростков, страдающих аутизмом, имеют проблемы с работой желудочно-кишечного тракта, что также может быть свидетельством взаимосвязи между микробиомом и работой головного мозга.
Идентифицированные микроорганизмы микробиоты человека
В этой таблице представлен перечень наиболее изученных бактерий (род и виды), населяющих человеческие организмы.
| Род бактерий | Виды | Где живет | Главные функции |
|---|---|---|---|
| Bacteroidetes | B. acidi faciens B. thetaiotaomicron | Кишечник | Вырабатывает метаболиты, которые препятствуют воспалениям |
| Bifidobacterium | B. crudilactis B. reuteri | Кишечник, ротовая полость, влагалище | Выполняет ряд полезных для организма функций, в том числе служит для профилактики и лечения язвенного колита |
| Lactobacillus | L. rhamnosus L. acidophilus и L. ultunensis | Рот, кишечник, влагалище | Профилактика и лечение диареи, а также других нарушений пищеварения |
| Prevotella | P. copri P. saliva | Рот | Регулирует метаболические процессы |
| Pseudomonas | P. aeruginosa P. stutzeri | Кожа, горло, рот, кишечник, мочеиспускательный канал, влагалище | Вызывает сыпь и кожные инфекции |
| Стрептококк | S. mitis S. pyogenes | Кожа, глаза, нос, горло, рот, кишки, влагалище | Вызывает разные заболевания, включая пневмонию, фарингит, кожные поражения, сепсис |
Исследование микробиомов – сравнительно новое течение в науке. Хотя следует отметить, что русский ученый Илья Мечников еще в 1908 году предположил, что здоровье можно улучшить, а старение организма замедлить, если подкорректировать микрофлору кишечника с помощью полезных бактерий, обнаруженных в кисломолочной продукции. Исследователям предстоит узнать еще много о микробиоте. Но уже есть понимание, что микробы – это не всегда зло и опасность.
Больше свежей и актуальной информации о здоровье на нашем канале в Telegram. Подписывайтесь: https://t.me/foodandhealthru
Что такое микробиом человека каковы его функции и роль для здоровья
В последние годы произошел большой прорыв в понимании микробиома человека. Это своего рода «орган», о котором современная медицина забывала долгие годы.
Однако в течение нескольких лет, благодаря развитию биомедицинских наук, было проведено множество исследований, результаты которых доказывают, что микробиом — это больше, чем просто группа микроорганизмов, населяющих наш организм.
Достижения современной науки позволили ученым изучить эти микробы, их функции, понять роль и связь между хозяином и микробиомом, состоянием здоровья.
Что такое микробиом человека
Микробиом представляет собой группу микроорганизмов, характерных для определенной среды обитания, т.е. различные органы человека:
Человеческий организм населяет приблизительно 100 триллионов микробов, большая часть которых живет в кишечнике.
Состав микроорганизмов варьируется в зависимости от среды обитания.
Представляет собой совокупность микроорганизмов, которые включают:
и другие одноклеточные организмы как внутри нас, так и снаружи.
Термин «микробиом» впервые появился в 2001 году. Им нобелевский лауреат Джошуа Ледерберг описал набор всех геномов микробов, населяющих организм человека. Раньше использовали термин «микрофлора».
Не всегда микробиом «дружественен» для своего хозяина. Может также содержать потенциально патогенные микроорганизмы.
Из-за огромного количества населяющих нас микроорганизмов большее внимание уделяется микробам желудочно-кишечного тракта. В основном выделяют 4 подгруппы:
У здоровых людей отдельные отделы пищеварительного тракта характеризуются переменным разнообразием микроорганизмов. Желудок и двенадцатиперстная кишка практически стерильны, потому что кислотность желудочного сока неблагоприятная среда для большинства микроорганизмов.
В тонкой кишке их количество выше и составляет от 10000 до 100000 на 1 грамм пищеварительного содержимого. Здесь преобладают ацидофильные бактерии родов Lactobacillus и Streptococcus.
Наибольшее количество микроорганизмов находится в толстом кишечнике. Здесь их количество на 1 грамм может достигать миллиарды. Подавляющее большинство анаэробные микроорганизмы, такие как Bifidobacterium и Clostridium.
Учеными подсчитано, что в пищеварительном тракте содержится в 10 раз больше микроорганизмов, чем клеток в самом организме человека. Для сравнения, в геноме человека всего 21000 генов.
Бактерии, населяющие желудочно-кишечный тракт, в соответствии с их функциями можно разделить:
Каковы функции микробиома
Большинство представителей микроорганизмов приносят пользу человеку и здоровью. Так, бактерии, населяющие кишечник, участвуют в метаболизме питательных веществ, полученных с пищей:
Поддерживают основные виды жизнедеятельности.
С этой точки зрения их можно сравнить с биореактором, который в процессе ферментации ежедневно вырабатывает бесчисленное множество веществ. Количество и характер этих веществ во многом зависит от того, что мы едим. Кроме участия в процессе пищеварения, кишечная микробиотика:
Что влияет на состав микробиома
Наилучшим образом на данный момент изучена микробиотика кишечника. Несмотря на это, ученым пока не ясна связь между изменениями состава микробиома и патогенезом заболеваний. До сих пока не выяснено, связан ли дисбаланс микробов с так называемым дисбактериозом. Однако предполагается, что на состав микробов могут влиять некоторые факторы, такие как:
Хотя состав кишечного микробиома в первую очередь зависит от факторов окружающей среды, на его состав также оказывает влияние генотип хозяина. Как пример такой взаимосвязи ученые приводят ген FUT2, кодирующего фермент фукозилтрансферазу 2.
Люди с неблагоприятным вариантом гена FUT2 не продуцируют определенные олигосахариды, недостаток которых предрасполагает к дефициту защитных бактерий рода «бифидобактерии». Неблагоприятный вариант этого гена встречается примерно у 20% европейцев.
У плода в утробе матери кишечник стерилен. Во время прохождения через родовые пути ЖКТ ребенка заполняется влагалищным микробиомом матери.
Затем во время грудного вскармливания поступают пребиотические вещества из молока, которые стимулируют рост полезных бактерий.
У детей на искусственном вскармливании этих бактерий может быть недостаточно. Учеными доказано, что роды и тип кормления имеют решающее значение для правильного формирования и развития микробиома. Ими обнаружены различия в составе микробиотики у детей, рожденных естественным путем и с помощью кесарева сечения.
После окончания грудного вскармливания и введения твердой пищи постепенно начинает формироваться состав кишечной микрофлоры.
Примерно в 15 лет он становится относительно стабильным, если человек здоров и ведет здоровый образ жизни.
Следующий этап жизни человека, когда начинаются изменения кишечной микробиотики, начинается после 65 лет. В это время отмечается снижение количества защитных бактерий и увеличение числа потенциально патогенных.
Эти изменения могут быть одним из основных факторов возрастных заболеваний. В значительной степени это объясняется снижением функциональности органов, например, поджелудочной железы и других.
Питание — один из сильнейших факторов, влияющих на состав кишечного микробиома. Когда с пищей поступает достаточное количество сложных углеводов, микроорганизмы больше производят веществ, подавляющих воспаления. Это те углеводы, которые устойчивы к пищеварительным ферментам и служат питательной средой для полезных бактерий.
Наличие в питание рафинированных продуктов, т.е. простых углеводов, наоборот, создает все условия для роста патогенных.
Кстати, многие диеты способствуют росту патогенной микрофлоры, например, безглютеновая. Пример здоровой – средиземноморская. Это доказано исследованиями. Она содержит полифенолы в дополнение к большому количеству пищевых волокон. Как показали исследования, 90-95% полифенолов накапливается в толстой кишке, где они подвергаются различным биохимическим изменениям в кишечном микробиоме.
Также доказано влияние на состав стрессовых ситуаций. В проведенных исследованиях сначала на мышах, а затем на людях, доказана связь стресса с патогенной микрофлорой.
Как связано ожирение с микробиом
Первые исследования, указывающие на связь кишечного микробиома с ожирением, были проведены на мышах. У более полных грызунов отмечалось нарушение между патогенными и полезными бактериями не в пользу последних.
Ученые предположили, что микробиотика может оказывать влияние на ожирение:
Влияние на нервную систему
Исследования показали, что кишечный микробиом влияет на развитие нервной системы, реакцию на стресс и поведение. Также в ряде испытаний выявлена прямая связь между кишечным микробиомом и:
Микробиом и болезни цивилизации
Микробиом недаром часто сравнивают с «органом», о котором современная медицина забыла. Исследования показывают, что, как и любой другой орган, микробиом способен получать информацию из окружающей среды, такую как:
И реагировать на них. Эта система называется кворумом и позволяет осуществлять молекулярный диалог между микробиомом, клетками и органами человека.
Из-за многоуровневого воздействия микробиома на организм количественное нарушение баланса бактерий, может оказывать влияние на развитие многих болезней цивилизации:
Вплотную этим вопросом в рамках проекта «Микробиом и человек» занимается Национальный институт здравоохранения Америки, используя самые современные методы молекулярной биологии. Их исследования позволили определить различия в составе микробиома человека в зависимости от генотипа, возраста и питания.
К сожалению, у нас этот вопрос только в стадии становления. Государственных программ пока нет. Хотя нельзя сказать, что изучением этого вопроса совсем не занимаются.
Как сохранить свой микробиом
Данные рекомендации не отличаются от рекомендаций здорового образа жизни:
Изучение микробиома человека относительно новое направление в науке. Но, как утверждают ученые, оно в скором будущем может стать основным не только в лечении болезней, но и продлении жизни человека.
Интересный познавательный фильм и микробиоме человека