Резюме

Микробна екосистема, в която бактериите вече не живеят в мутуалистична асоциация, се нарича дисбиотик. Дисбиозата на чревната микробиота е състояние, свързано с патогенезата на чревни заболявания (синдром на раздразнените черва, цьолиакия и възпалителни заболявания на червата) и извън чревни заболявания (затлъстяване, метаболитно разстройство, сърдечно-съдов синдром, алергия и астма). Състоянието на дисбиоза е свързано с различни важни патологии и са приложени много терапевтични стратегии, насочени към възстановяване на баланса на чревната екосистема. Тези стратегии включват приложение на пробиотици, пребиотици и синбиотици; фаготерапия; фекална трансплантация; трансплантация на бактериален консорциум; и все още слабо проучен подход, основан на хищни бактерии. Този преглед обсъжда различните аспекти на тези стратегии за противодействие на чревната дисбиоза.

микробиота

1. Въведение

2. Състав на чревната микробиота

Веднъж установен, съставът на чревната микробиота остава стабилен през целия живот на възрастните. Наблюдават се някои разлики между чревната микробиота при възрастни и млади хора [32], главно по отношение на преобладаването на родовете Bacteroides и Clostridium при възрастни хора и Firmicutes при млади възрастни [33]. Предложени са три варианта на човешката чревна микробиота и са класифицирани като ентеротипове според/въз основа на вариацията в нивата на един от трите рода: Bacteroides (ентеротип 1), Prevotella (ентеротип 2) и Ruminococcus (ентеротип 3). Тези три варианта изглеждат независими от индекса на телесна маса, възраст, пол или националност [34,35].

Дисталният тракт на човешкото черво се счита за анаеробен биореактор с метаболитна активност, сравнима с тази на черния дроб, и поради тази причина микробиотата може да се счита за истински орган със специфични функции [36]. Орган, който консумира, съхранява и преразпределя енергията, преминава през физиологично важни химични трансформации и е в състояние да се поддържа и възстановява чрез самовъзпроизвеждане [7]. Подобно на всички човешки органи, „микробиота органът“ има важни функции чрез регулиране на корелирани физиологични системи и здравният статус на гостоприемника е свързан с правилното му функциониране. Микробиотата оказва силно влияние върху различни физиологични процеси: ендокринни и метаболитни пътища, разширяване и регулиране на имунната система, мозъка в неговите когнитивни функции и геномни епигенетични промени. Добре функциониращият микробиотен орган е пряко свързан с баланса на микробиотата [37]; следователно структурата и метаболитният статус на чревната микробиота са свързани със здравословен статус. Когато възникне дисбиотичен статус на червата, органът на микробиотата не функционира правилно и трябва да бъдат предписани подходящи терапии за възстановяване на еубиоза.

3. Фактори, влияещи върху състава на микробиотата

4. Дисбиоза на червата

5. Ребаланс на чревната екосистема

Разработени са много терапевтични стратегии за възстановяване на чревната еубиоза и постоянно се предлагат и изследват нови стратегии. Основните и в момента най-известни и най-приети терапевтични стратегии включват (i) прилагането на пробиотични бактерии, които могат да изместят потенциално патогенните бактерии и да насърчат баланса на микробната общност; (ii) прилагането на пребиотици (т.е. формулировки на хранителни вещества, които се променят или се метаболизират предимно от пробиотични бактерии), за да благоприятстват свръхрастежа на пробиотични бактерии; и (iii) прилагането на комбинации от пробиотици и пребиотици (наречени синбиотици). Предложени са по-нови терапевтични подходи, включително фагова терапия, фекална трансплантация, BCT и все още слабо проучен подход, основан на хищни бактерии. Всички тези стратегии имат една и съща цел да заменят вредните микроби с по-благоприятни за възстановяване на еубиозата.

6. Пробиотици, пребиотици и синбиотици

6.1. Пробиотици

6.2. Пребиотици и формулировки на Symbiotc

7. Диетичен подход

Диетичен подход за модулиране на чревната микробиота

Диетичният подход за модулиране на микробиотата трябва да отчита ефекта от дългосрочните диети [141,142]. Последните проучвания подчертаха важни разлики в способността за модулиране на състава на микробиотата при дългосрочни и краткосрочни диети. При краткосрочните диети промените са значителни и бързи, но размерът на промените е скромен и недостатъчен за преместване на индивиди от един ентеротип в друг [35]. За разлика от това, дългосрочните диети са адекватни за преместване на ентеротипове [35]. Ако се покаже, че ентеротипът е причинител/свързан със заболяване, дългосрочните диетични интервенции биха могли да представляват добра стратегия в помощ [35]. Сред диетичните интервенции е показано, че режимът на хранене с ниско съдържание на ферментиращи олигозахариди, дизахариди, монозахараиди и полиоли (FODMAP) намалява стомашно-чревните симптоми при пациенти с IBS за по-малко от 48 часа [142].

При пациенти с IBS, които са имали диета с ниско ниво на FODMAP, ферментацията на въглехидрати е намалена и се наблюдава намаляване на луминалната осмоларност и образуването на газове (например водород). Следователно, типичните IBS симптоми на газове и подуване се намаляват/елиминират [142]. Въпреки това, трябва да се проведат повече проучвания за ефектите от дългосрочната диета с ниски FODMAPs. Трябва да се има предвид, че FODMAPs, особено олигозахаридите, играят важна роля в стимулирането на растежа на полезните бактериални групи. Дългосрочното приемане на диета с ниско съдържание на FODMAP може да има непредсказуеми ефекти върху състава на чревната микробиота.

Диетата е лесно модифицируем фактор и следователно е много атрактивен терапевтичен подход за модулиране на чревната микробиота. Понастоящем се предлагат няколко функционални храни, но диета, подходяща за всички субекти, е невъзможна; вместо това се изискват персонализирани функционални храни. Технологиите за метаболитно профилиране осигуряват валидна подкрепа за подобряване на функционалните храни. Съществуването на висока индивидуална вариабилност показва, че по-персонализираният подход, придружен от персонализирани функционални храни, е пътят напред.

8. Трансплантация на фекална микробиота

В допълнение, ние вярваме, че еубиотичният статус на донорната фекална микробна екосистема също трябва да бъде оценен. Това може да се извърши или чрез специфични за видовете qPCR за видове/групи бактерии, за които литературата посочва, че са важни за състоянието на евбиоза, или по-задълбочено чрез методите за секвениране от следващо поколение. Оценката на статуса на фенолна екосистемна донорна екосистема трябва да стане задължителна. Няколко неотдавнашни проучвания показват, че промените в баланса на микробиотите могат да играят активна роля в патогенезата на няколко заболявания, вместо да бъдат просто последствие от това [152,153,154]. Експериментални данни при миши модели показват, че при генетично предразположени мишки чревното възпаление може да бъде предизвикано чрез пренасяне на чревната микробиота от мишки, засегнати от улцерозен колит [154, 155].

Неподходящият избор на донори може да изложи реципиента на няколко рискове, включително промяна на хранителния статус и телесното тегло; промяна в усвояването на хранителни вещества; или придобиване на хронични заболявания, затлъстяване, диабет, сърдечно-съдови заболявания или IBD [152,153,154,155], всички от които са свързани със статуса на дисбиоза на чревната микробиота. За да се преодолеят много от логистичните трудности на методите за доставка на FMT (клистер или назогастрална сонда), капсулите, съдържащи пресни бактериални препарати, могат да се окажат важна стъпка напред [156]. Изключително високите нива на успех, постигнати с FMT при лечението на диария Clostridium difficile, катализират вниманието на голямо разнообразие от клиницисти и изследователи за потенциалните му приложения при лечението на много различни патологии, характеризиращи се с наличие на чревна дисбиоза [157,158,159,160,161], като като болест на Crohn [159], улцерозен колит [158,160], затлъстяване [161] и няколко метаболитни нарушения [162,163,164,165,166].

9. Трансплантация на бактериален консорциум

10. Фаготерапия

Фагите са вируси, които заразяват бактериите, представлявайки приблизително 90% от човешкия виром и оказващи голямо влияние върху бактериалните популации на микробни съобщества. Фагите имат голям терапевтичен потенциал: те могат да се използват или за антимикробни цели (алтернатива на антибиотиците), или за модулиране на състава на микробните съобщества [168]. В допълнение, генетично модифицираните фаги могат да се използват като „генни носители“ за биосинтеза и разграждането на хранителни вещества, както и за генетична модулация на чревната микробиота.

Предвид присъствието в нашата микробна екосистема на фаги, изглежда, че рисковете от този терапевтичен подход не са големи. Потенциалът на бактериофагите като противоинфекциозни агенти беше признат преди няколко десетилетия; протоколите за терапия с бактериофаги са разработени от началото на 20 век и се прилагат главно в Източна Европа и Русия [169,170,171,172]. За съжаление, тези проучвания не са проектирани в съответствие с критериите, приети от международната общност за медицински изследвания [152] и следователно са необходими нови проучвания заедно с модификация на настоящата европейска регулаторна рамка, което е пречка за използването на фага терапия.

Суспензии на фаги могат да се приготвят както за локална, така и за системна терапия [173]. По-специално, фагите се амплифицират експоненциално след приложение. Освен това, кинетиката на амплификация не е постоянна и зависи от концентрацията на чувствителни бактерии и от имунните реакции на човешкия гостоприемник. Тези фактори действат по различен начин при остри и хронични инфекции, което прави точните дози и времето на приложение проблематични, както и от първостепенно значение [174,175,176,177].

Въпреки изключително дългия опит с фаговата терапия в резултат на постоянното й използване в Източна Европа от началото на 20-ти век [178,179], все още са необходими основни данни за одобрението на фагите като антибактериални лекарства от FDA и EMA и проучвания за решаване на тези въпроси са необходими.

11. Хищни бактерии

В естествените си екосистеми бактериите са обект на хищничество не само от бактериофаги, но и от хищни прокариоти [180]. Хищничеството е само една от стратегиите, възприети от бактериите за взаимодействие с други бактериални видове. Разумно беше предложено терминът хищник да се прилага към онези бактерии, които активно ловуват и убиват плячката си и консумират макромолекулите си като хранителни вещества [160]. Хищниците и плячката присъстват във всички екосистеми и съотношението на относителното им изобилие е важно за поддържане на баланса на биомрежата. Хищните бактерии обикновено са по-малки от плячката си, което позволява на хищника да проникне вътре в плячката, да я убие отвътре и да се репликира. Забележително е, че сред хищните бактерии се развиха различни хищнически поведения; сред тях, често посоченото епибиотично хищничество е стратегия, която не изисква вътреклетъчна репликация [181,182].

Въпреки че хищните бактерии играят важна роля чрез контролиране и въздействие върху бактериалните популации в широк спектър от среди и въпреки факта, че те са известни като почти повсеместни, само малка част от тези бактерии са проучени с някои подробности за техните потенциални приложения [ 182,183,184,185,186,187].

Нашата изследователска група наскоро показа, че екосистемата на чревната лигавица обикновено се колонизира от бактериалния хищник Bdellovibrio bacteriovorus [188] и когато настъпи дисбиоза, при свръхрастеж на Грам-отрицателни бактерии, щамът на хищниците не се открива.

Според нашите открития, B. bacteriovorus не е равномерно разпределен в различните райони на чревния тракт. Установихме, че той е по-разпространен в дванадесетопръстника (мястото, в което повърхността на лигавицата обикновено е по-малко колонизирана от бактерии) и постепенно става все по-малко дистално разпространен към зоната на ректума. Фактът, че някои хищни бактерии обикновено са изолирани от микробиотата на здрави хора, показва, че тези бактерии не са патогенни и предполага, че те биха могли да допринесат за хомеостазата на тези среди. Като жертва на грам-отрицателни бактерии, опитвайки се да колонизира масово чревната лигавица, B. bacteriovorus упражнява ролята си на контролиране и оформяне на местни бактериални популации.

Тези наблюдения позволяват спекулации относно възможното използване на хищни бактерии като инструмент за повторно уравновесяване на дисбиотична чревна микробиота, в която преобладават грам-отрицателни бактерии. Използването на B. bacteriovorus за възстановяване на еубиоза в чревната микробиота вече е направено с успех при птици [189]. Като се има предвид потенциалното бъдещо приложение на хищни бактерии, не трябва да се забравя, че бактериалното хищничество продължава милиони години, в което другите играчи (плячката) са разработили свои собствени защитни стратегии. Експерименталните данни показват, че въвеждането на хищници в една екосистема често причинява еволюцията на няколко защитни характеристики в плячката. Заслужава да се има предвид, че много от тези механизми функционират и като фактори на вирулентност и следователно наличието на хищници може да действа като селективен фактор, предизвикващ увеличаване на нежеланата патогенност и вирулентност на микроорганизмите, колонизиращи околната среда [190, 191].

Тази последна информация със сигурност показва, че все още трябва да проверим ефективността на стратегията на хищника, както и потенциалните приложения и рискове. Забележително е, че хищниците съществуват в естествените екосистеми и, както беше доказано наскоро, също в човешките черва и вероятно в други микросреди на човешкото тяло. Показано е, че в човешките черва тяхното присъствие намалява при граници на откриване при дисбиоза.

Въпреки че тези данни ясно подсказват възможното терапевтично приложение на хищни бактерии, ние вярваме, че тяхното използване трябва да се основава на адекватни и точни експериментални данни за точно определяне на дозите, които трябва да се прилагат. Ние вярваме, че хищните бактерии иначе биха могли да се окажат вредни, точно както антибиотиците, когато се използват неподходящо. Използването на хищни бактерии може да се обмисли, когато се случи свръх колонизация от Грам-отрицателни бактерии на чревната лигавица, както когато се случи при IBD или цьолиакия.

12. Заключения

Структурата на чревната микробиота претърпява значителни колебания през целия си живот; тези модификации често са свързани или придружени от нежелани ефекти върху човешкото здраве. Флуктуациите се влияят от няколко фактора като начин на живот, стрес, хранителни фактори и антибиотици. Доказано е, че стратегиите за противовес на тези вредни колебания са ефективни за намаляване на симптомите и понякога за лечение на някои от тези патологии.