«Микробиом» — новая книга об уникальном микробном сообществе планеты Земля

microbiom-news

«Микробиом» — название новой книги ученых-микробиологов доктора биологических наук, профессора Д.С. Янковского, академика НАН и НАМН Украины В.П. Широбокова, кандидата технических наук Г.С. Дымент.

В монографии рассмотрены различные стороны жизнедеятельности уникального микробного сообщества планеты, как доминирующего звена биосферы и среды обитания других организмов, в том числе и человека.

Дан анализ современных достижений в области изучения микробиома человека. Представлены современные представления о составе и функциях симбиотической микробиоты человека и ее роли в поддержании здоровья.

Дана характеристика средств, используемых профилактики нарушений микробиома и его восстановления при различных формах патологии.

Приведены результаты собственных многолетних исследований авторов в области разработки средств пробиотического воздействия на основе пробиотических микроорганизмов и глинистых сорбентов.

2929 литературных источников. 640 страниц.

УДК 612.614.616.9  ISBN 978-617-657-039-4.

На этой странице вы можете ознакомиться с оглавлением книги и разделом «Введение» (Introduction section — in English), приобрести книгу можно в интернет-магазине shop.symbiter.ua.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Список сокращений 6
Введение 7
ЧАСТЬ 1. МИКРОБЫ И БИОСФЕРА 9
Глава 1. Микробы у истоков зарождения биосферы 11
Глава 2. Молекулярно-биологическая организация представителей микробного мира 15
2.1. Прокариоты 15
2.1.1. Бактерии 17
2.1.2. Археи 23
2.2. Эукариотические микроорганизмы 32
2.3. Простейшие 38
2.4. Нанобы 41
2.5. Вирусы: их место и роль в биосфере 46
2.6. Вироиды и вироидоподобные сателлитные РНК 55
2.7. Плазмиды 57
2.8. Прионы 58
Глава 3. Природные микробные сообщества как суперорганизмы 62
3.1. Микроорганизмы – эффективные конструкторы суперорганизмов 62
3.2. Микробная колония как пример суперорганизма 63
3.3. Микробная биопленка как эффективная форма суперорганизма 66
3.4. Взаимоотношения в микробных экосистемах 74
Глава 4. Экология микроорганизмов 85
4.1. Микробный мир абиогенных систем Земли 85
4.1.1. Микробиом почвы 85
4.1.2. Микробиота гидросферы 96
4.1.3. Микрофлора атмосферы 101
4.1.4. Микробные обитатели экстремальных систем 102
4.2. Симбиотическая микробиота растений и животных 106
4.2.1. Микробные симбионты растений 107
4.2.2. Симбиотическая микробиота животных 110
ЧАСТЬ 2. МИКРОБИОМ ЧЕЛОВЕКА 115
Глава 5. Человек как суперорганизм 117
5.1. Общие сведения о микробиоме человека 117
5.2. Структурная организация микробиома человека 118
5.3. Особенности локальных микробиомов 120
5.3.1. Микробиом пищеварительного тракта 120
5.3.1.1. Микробиом ротовой полости 121
5.3.1.2. Микробиом желудка 127
5.3.1.3. Микробиом тонкой кишки 128
5.3.1.4. Микробиом толстой кишки 130
5.3.1.5. Археи и эукариоты кишечника 138
5.3.1.6. Виром кишечника 139
5.3.2. Микробиом мочеполовой системы 142
5.3.2.1. Микробиом женской мочеполовой системы 142
5.3.2.2. Микробиом плаценты 148
5.3.2.3. Микробиом мужской мочеполовой системы 151
5.3.3. Микробиом кожи 152
5.3.4. Микробиом дыхательной системы 155
5.3.5. Микробиом конъюнктивы глаза 158
Глава 6. Роль микробиома человека в обеспечении физиологического гомеостаза его организма 159
6.1. Участие микробиома в физиологии человека 159
6.2. Участие микробиома в реализации механизмов колонизационной резистентности организма человека 161
6.3. Метаболическая и трофическая функции микробиома 170
6.4. Биосинтетические функции микробиома 178
6.5. Детоксикационная функция микробиома 183
6.6. Генетическая функция микробиома 184
Глава 7. Формирование микробиома и его изменения в онтогенезе 187
7.1. Формирование микробиома в раннем детстве 188
7.2. Физиологические изменения микробиома у взрослых 197
7.3. Микробиом в пожилом и преклонном возрасте 202
Глава 8. Микробиом и патология 209
8.1. Микробиомные нарушения: вопросы терминологии, этиологии и клиники 209
8.2. Роль микробиомных нарушений в развитии заболеваний 217
8.3. Микробиом и болезни раннего детского возраста 220
8.4. Стратегия взаимодействия микробиома человека с возбудителями инфекционных заболеваний 227
8.5. Ассоциированные с дисбиозом гастроэнтерологические заболевания 232
8.6. Роль дисбиоза в развитии метаболических нарушений 244
8.6.1. Неалкогольная жировая болезнь печени (НАЖБП) 245
8.6.2. Ожирение 248
8.6.3. Резистентность к инсулину и диабет 2-го типа 255
8.6.4. Сердечно-сосудистая патология 256
8.7. Ось «кишечник – мозг – микробиом» 259
8.8. Микробиом и онкологическая патология 277
8.9. Микробиом и аутоиммунные заболевания 288
8.10. Микробиом и аллергическая патология 297
8.11. Микробиом и стоматологическая патология 302
8.12. Микробиом и респираторная патология 304
8.13. Микробиом и дерматологическая патология 305
8.14. Нарушение вагинального микробиома и его роль в развитии гинекологической патологии 309
8.15. Микробиом и почечная патология 316
8.16. Микробиом и заболевания глаз 320
8.17. Микробиом и ВИЧ-инфекция 321
8.18. Микробиом и болезни пожилого возраста 329
Глава 9. Средства оздоровления микробиома 337
9.1. Пробиотики 338
9.1.1. Микроорганизмы, перспективные для использования в составе пробиотиков 340
9.1.1.1. Бифидобактерии 341
9.1.1.2. Лактобациллы 346
9.1.1.3. Пропионовокислые бактерии 347
9.1.1.4. Молочнокислые стрептококки 349
9.1.1.5. Бактерии вида Akkermansia muciniphila 350
9.1.1.6. Бактерии вида Faecalibacterium prausnitzii 350
9.1.1.7. Бактерии рода Enterococcus 351
9.1.1.8. Бактерии вида Escherichia coli 353
9.1.1.9. Аэробные спорообразующие бактерии рода Bacillus 355
9.1.1.10. Современные взгляды на безопасность пробиотиков различного таксономического состава 357
9.1.2. Резистентность пробиотических штаммов к естественным ингибиторам пищеварительного тракта 363
9.1.3. Концентрация клеток пробиотической микрофлоры 365
9.1.4. Антагонизм к патогенным микроорганизмам 366
9.1.5. Иммуностимулирующая активность 372
9.1.6. Пищеварительная и биосинтетическая активность 378
9.1.7. Резистентность к антибиотикам 380
9.1.8. Адгезивные свойства пробиотической микрофлоры 382
9.1.9. Форма выпуска пробиотиков 384
9.1.10. «Национальность» пробиотика 384
9.2. Использование пробиотиков в различных областях медицины 385
9.2.1. Пробиотики в неонатологии и педиатрии 388
9.2.2. Пробиотики в гастроэнтерологии 395
9.2.3. Пробиотики и метаболический синдром 404
9.2.4. Пробиотики и аутоиммунные болезни 412
9.2.5. Место пробиотиков в лечении больных аллергией 413
9.2.6. Пробиотики в онкологии 419
9.2.7. Пробиотики в акушерстве и гинекологии 424
9.2.8. Пробиотики и возбудители инфекций 427
9.2.9. Пробиотики и вакцинация 435
9.2.10. Пробиотики в неврологии и психиатрии 436
9.2.11. Использование пробиотиков в стоматологии 441
9.2.12. Пробиотики и заболевания почек 443
9.2.13. Пробиотики в геронтологии 444
9.3. Другие средства оздоровления микробиома 447
9.3.1. Пребиотики 447
9.3.2. Синбиотики 451
9.3.3. Продукты функционального питания 454
9.3.4. Парапробиотики 455
9.3.5. Нутрицевтики и парафармацевтики 461
9.3.6. Фекальная трансплантация 462
9.3.7. Энтеросорбенты 464
Глава 10. Оздоровление микробиома как важный фактор борьбы с распространением резистентных к лекарственной терапии патогенных бактерий 467
Глава 11.Концептуальные взгляды авторов на проблему оздоровления микробиома 481
Заключение 517
Список использованной литературы 522

ВВЕДЕНИЕ

«Если вы не любите бактерии, вам не повезло с планетой. Земля — это планета бактерий»
Крейг Вентер

Необходимость этой книги обусловлена стремительной эволюцией знаний о микроорганизмах и пересмотром классических представлений о роли данной группы живых организмов в функционировании биосферы в целом и жизни человека, в частности. В нашей предыдущей монографии – «Микробы в биогеохимических процессах, эволюции биосферы и существовании человечества», которая вышла в 2014 году, мы уже обращали внимание читателя на огромную роль микроорганизмов в эволюции биосферы, зарождении и поддержании жизни на Земле. В течение этого весьма короткого промежутка времени наука обогатилась новыми данными, значительно дополняющими представления о роли микроорганизмов как в глобальных биосферных процессах, так и в жизнедеятельности всех живых организмов, которые, благодаря микробам-симбионтам, представляют собой сложнейшие симбиотические комплексы – суперорганизмы. Учитывая научную ценность этой информации и новые результаты собственных исследований, мы пришли к выводу о необходимости подготовки новой книги.

История развития знаний о микроорганизмах – это в наибольшей степени история борьбы с возбудителями инфекционных болезней человека, животных и растений, а также микробными вредителями другого характера. Вместе с тем достижения микробиологической науки последних десятилетий заметно пошатнули укоренившиеся представления о микроорганизмах как вредных одноклеточных организмах. Сегодня микроорганизмы рассматриваются как оптимально устроенные, совершенные и заслуживающие большого внимания представители живого мира, являющиеся основой биосферы и необходимым фактором для существования высших видов. Исчезновение микроорганизмов равнозначно разрушению живой оболочки Земли и прекращению жизни на нашей планете. Являясь первоисточником зарождения жизни на Земле и доминантным звеном биосферы, микроорганизмы продолжают играть роль одного из ключевых факторов сохранения видов как низших, так и высших живых организмов, в том числе человека, и двигателя их прогрессивной эволюции.

Человек как биологический вид возник в биосфере, колонизированной микроорганизмами, которые появились на несколько миллиардов лет раньше Homo sapiens. В процессе совместной эволюции симбиотические микроорганизмы заселили слизистые оболочки и кожные покровы человека, что впоследствии привело к формированию уникального дополнительного органа человека, который сравнительно недавно получил название «микробиом».

Интерес к микробной экологии человека стремительно возрастает. В 2007 году Национальный институт здоровья США инициировал масштабный фундаментальный научный проект «Микробиом человека» (Human Microbiome Project), который объединяет разработки ученых ведущих научных организаций различных стран мира, в частности США (NIH), Австралии (CSIRO), Канады (CIHR), Китая (MOST), стран Европейского союза (MetaHIT Consortium), Сингапура и др.

Наиболее приоритетными направлениями исследований в рамках Проекта является расшифровка метагенома, а также изучение метаболома и протеома симбиотической микробиоты человека, имеющей колоссальное значение в формировании и поддержании здоровья на протяжении всей жизни.

Проведенные в последние годы метагеномные исследования открыли многие стороны глубины мутуалистических взаимосвязей организма человека с симбиотической микробиотой. Стало очевидным, что микробиом является важнейшим жизнеобеспечивающим органом человека, без которого поддержание гомеостаза организма не представляется возможным. Этот уникальный микробный орган тесно ассоциирован с иммунной системой и обеспечивает защиту организма от неблагоприятных воздействий внешней среды. Микробиом активно участвует в регуляции многочисленных метаболических функций и функционировании других органов и систем организма человека.

Микробиом человека характеризуется огромным разнообразием. На каждую клетку человеческого тела приходится 10-100 микробных клеток, а на каждый ген – не менее 100 генов микробного происхождения. Этот уникальный орган, превращающий человека в «суперорганизм», находится под постоянным воздействием различных факторов: генетических, возрастных, половых, экологических, а также связанных с питанием и образом жизни.

Уникальность микробиома заключается в строгой индивидуальности для каждого человека. Предполагается, что в будущем это может позволить проводить идентификацию личности по последовательностям ДНК индигенной микрофлоры подобно снятию отпечатков пальцев.

Изучение микробиома позволило значительно изменить традиционные взгляды на этиологию многих заболеваний человека. Любые патологические процессы в организме человека протекают на фоне серьезных изменений в составе и функциональной активности микробиома. Человек с микроэкологическими (микробиомными) нарушениями (дисбиозами) характеризуется большей уязвимостью к развитию болезней, причем не только инфекционного, но и соматического характера.

Конец ХХ ст. ознаменовался открытием инфекционных агентов, являющихся возбудителями заболеваний, длительное время считавшихся соматическими (язвенная болезнь, гастрит, гепатит, рак и др.), или существенно влияющих на течение таких заболеваний, как инфаркт миокарда, отдельные формы бронхиальной астмы, шизофрения и др.
Как показали результаты многочисленных исследований, такие формы патологии как диабет, ожирение, нейропсихологические расстройства, аллергия, аутоиммунные и сердечно-сосудистые и многие другие болезни имеют связь с состоянием микробиома.

Процесс формирования микробиома начинается задолго до рождения ребенка. В этом процессе задействованы многочисленные механизмы, связанные со здоровьем матери, в особенности состоянием ее микробной системы, условиями протекания родов, формой вскармливания ребенка, а также влиянием окружающей среды. По мере взросления и старения организма наблюдаются заметные изменения состава микробиома, которые становятся наиболее отчетливыми в пожилом и старческом возрасте. Физиологические изменения, которые происходят в теле человека с возрастом, в первую очередь выражаются в снижении биологических функций и способности приспосабливаться к стрессовым воздействиям. Все эти возрастные процессы протекают на фоне серьезных изменений в составе и функциональной активности микробиома. Человек в позднем возрасте характеризуется большей уязвимостью к болезням, многие из которых связаны со снижением эффективности микроэкологической системы в пожилом возрасте.

Поэтому поддержание физиологического состояния микробиома на всех этапах жизни человека, начиная с внутриутробного развития плода и до глубокой старости, имеет огромное значение для улучшения здоровья населения всех возрастных категорий. Современная наука уже в большой степени готова решить многие вопросы сохранения и восстановления здорового микробиома. Не последнее место в решении этой проблемы должны занять препараты и продукты пробиотического действия, механизмы влияния которых интенсивно изучаются.

INTRODUCTION

“If you do not like bacteria, you have been very unfortunate with the planet. Earth is planet of the bacteria”
Craig Venter

The necessity of this book is caused by the very fast progress of our knowledge about microorganisms and the revaluation of classic conceptions about the role of this group of living organisms in functioning of the biosphere on the whole and the human life, in particular. In our previous monograph, “Microbes in biogeochemical processes, biosphere evolution and life of humanity”, that came out in 2014, we already payed attention of the reader to the enormous role of microorganisms in the evolution of biosphere, origin of life and its maintaining on Earth. During this rather short time interval, the science has been enriched with up-to-date information, which considerably supplemented our concepts about the role of microorganisms in both global biosphere processes and the vital activity of all living organisms that, due to their microbe symbionts, are the most complex symbiotic complexes – superorganisms. In view of the scientific importance of this information and new results of our own researches, we decided to prepare the new book.

The history of obtaining knowledge about microorganisms is largely the history of the fight against causative agents of infectious diseases in humans, animals and plants, as well as other microbial pests. At the same time, advances in microbiology over the past few decades have noticeably shaken the rooted assurances about microorganisms as harmful unicellular organisms. To date, microorganisms are considered as optimally organized, perfect and deserving great attention representatives of the living world, which underlie the biosphere and are a necessary factor for the existence of higher species. Extinction of microorganisms would be equivalent to the destruction of the Earth living envelope and termination of life on our planet. Being the primary source of life initiation on Earth and the dominant part of biosphere, microorganisms still are a key factor of preservation of all living organisms, both lower and higher species, including humans – they are the moving factor of their progressive evolution.

As a biological species, human emerged in a biosphere colonized with microorganisms that appeared several billion years earlier then Homo sapiens. In the process of coevolution, symbiotic microorganisms colonized human mucous membranes and cutaneous coverings; afterwards, this has led to the formation of a supplementary unique human organ that not long ago was named “microbiome”.

Interest to the human microbe ecology is growing rapidly. In 2007, National Institute of Health (NIH, USA) initiated fundamental large-scale Human Microbiome Project, which unites developments of leading scientific organizations in different countries of the world, including USA (NIH), Australia (CSIRO), China (MOST), EU countries (MetaHIT Consortium), Singapore et al.
Most priority directions of investigations within the framework of the Project are decoding of metagenome, as well as research of metabolome and proteome of human symbiotic microbiota, which has enormous importance for formation and maintenance of health during all life.

Metagenome investigations of the last years have shown many sides of extensive mutualistic interactions between human organism and symbiotic microbiota. It has become obvious that microbiome is an important, life supporting human organ that is necessary for maintaining homeostasis of the human organism. This unique microbe organ is closely associated with the immune system and ensures the organism protection from unfavourable influences of the external environment. Microbiome actively participates in the regulation of numerous metabolic functions and functioning of other human organs and systems.

Human microbiome is characterized by the enormous biodiversity. One human cell corresponds to 10-100 microbe cells and each human gene to no less than 100 genes of the microbe origin. This unique organ, which converts the human organism in superorganism, remains under constant influence of different factors: genetic, age-related, sexual, ecological, and connected with diet and lifestyle.

Microbiome singularity consists in strict individuality for every human being. It is supposed that with time this might allow to make identification of personality, using, similar to fingerprinting, DNA sequences of indigenous microflora.

Microbiome learning has changed considerably traditional notions about aetiology of many human diseases. All pathological processes in the human organism take their course against the background of serious changes in the structure and functional activity of microbiome. Humans with microecological (microbiomic) disturbances (disbioses) possess greater vulnerability towards development of diseases, not only of infectious but also somatic character.

By the end of the 20th century, there were found out infectious agents of diseases that for a long were believed to be somatic (ulcer, gastritis, hepatitis, cancer etc.), or that substantially influenced the course of such diseases as myocardial infarction, some types of bronchial asthma, schizophrenia etc.

As there was shown in numerous investigations, such types of pathology as diabetes, obesity, neuropsychological disturbances, allergy, autoimmune, cardiovascular and many other diseases were connected with the state of microbiome.

The process of microbiome formation begins long before the birth of a child. This process includes numerous mechanisms, connected with mother’s health, in particular, with the state of her microbe system, conditions of delivery, type of infant feeding, as well as the environmental influence. With maturation, there are observed appreciable changes of the microbiome content, that become most pronounced in elderly and senile age. Physiological changes, taking place in the human bogy with age, reveal themselves primarily by lowering biological functions and ability to adapt to stress influences. All these age-related processes take place at the background of strong changes in structure and functional activity of microbiome. Humans in late age are more vulnerable to diseases, many of which are connected with lowered effectivity of microecological system in elderly age.

Therefore, maintaining of the physiological state of microbiome at all stages of human life, from the intrauterine fetus development to the extreme old age, has the utmost importance for maintaining good health of the population of all age groups. Modern science is already largely ready to solve many issues of maintaining and restoring healthy microbiome. Preparations and products with probiotic action, which mechanisms of action are actively studied, should take their place when solving this problem.