Микробиота человека включает 10–100 триллионов симбиотических микробных клеток, составляющих более 10 000 микробных видов, обитающих в организме человека и превосходящих по численности человеческие клетки в 10 раз. Микробиом состоит в основном из бактерий, а также вирусов, грибков, простейших и гельминтов, обитающих в органах человеческого тела и на них, таких как кожа, молочные железы, слизистая оболочка, желудочно-кишечный (ЖКТ), респираторный и мочеполовой тракты. Самый большой процент микробиоты человека (95%) находится в желудочно-кишечном тракте, и каждый человек имеет уникальный состав микробиоты, который потенциально может служить уникальным отпечатком пальца. Микробиом человека состоит из генов прокариотических и эукариотических клеток, и его часто рассматривают как наш «другой геном», состоящий из более чем трех миллионов генов, по сравнению с нашими 23 000 генами человека. Следовательно, микробиом человека в последнее время вызывает повышенный интерес в связи с выявлением новых мишеней для лекарств и биомаркеров заболеваний человека.
Значение микробиоты
Человеческая микробиота играет несколько важных ролей в организме человека, таких как помощь в переваривании пищи, выработка витаминов, регулирование иммунной системы и защита от патогенных болезнетворных микробов.
Микробиота влияет на здоровье и болезни человека, модулируя важные метаболические и иммуномодулирующие процессы . Взаимодействия между человеческим телом и микробиотой образуют сложную, отчетливую и гармонизированную биосеть, которая определяет отношения между хозяином и его микробиотой как комменсальные, симбиотические или патогенные. Микробиота человека постоянно развивается и изменяется на протяжении всей жизни, реагируя на такие факторы хозяина, как возраст, гены, гормональные изменения, питание, предрасполагающие заболевания, образ жизни и многие факторы окружающей среды. Гармонизированная микробиота вносит существенный вклад в здоровый образ жизни , в то время как нарушение гемостаза микробиоты (дисбактериоз) может способствовать развитию опасных для жизни заболеваний. Значительный вклад микробиома человека в здоровье и болезни был недавно описан в биомедицинской литературе с разграничением желудочно-кишечного тракта . , мочевыводящих путей и кожи микробиоты. Данные из биомедицинской литературы указывают на то, что изменения иммунитета хозяина могут быть тесно связаны с композиционными и функциональными изменениями кишечной флоры .
Классификация здоровых и нездоровых микробиомов
Идентификация биомаркеров на основе микробиома для диагностики заболеваний, прогнозирования, профилирования рисков и прецизионной медицины зависит от определения микробных характеристик, связанных со здоровьем или болезнью. Часто бывает сложной задачей четко определить, что представляет собой здоровый микробиом в различных человеческих популяциях, особенно потому, что на микробиоту человека могут влиять многие факторы, включая возраст, образ жизни, диету, курение, физические упражнения, этническую принадлежность, факторы окружающей среды и другие факторы. . Другая проблема при классификации здоровых и нездоровых микробиомов связана с ограничениями современных технологий и методологий, которые не обеспечивают высокого микробного разрешения на уровне штамма, что препятствует функциональному пониманию или актуальности для здоровья или болезни.
Микробиота и гомеостаз
Микробиота человека контролирует иммунную систему и влияет на воспалительный каскад и иммунный гомеостаз у новорожденных и детей. У детей, у которых в пожилом возрасте развивается аллергия, повсеместно встречаются анаэробные бактерии и Bacteroidaceae, а также низкое количество Lactobacillus , Bifidobacterium bifidum и Bifidobacterium Teenis. Исследования показали, что эти микробы гидролизуют примеси, такие как пестициды, пластиковые частицы, тяжелые металлы, полициклические ароматические углеводороды и органические соединения. Дальнейшие исследования показали, что микробиомы мочевыводящих путей детоксифицируют токсины. Исследования также показали, что микробиомы женских половых путей провоцируют иммунный ответ посредством секреции противомикробных пептидов, ингибирующих соединений и цитокинов. Микробиом кишечника активирует регуляторные Т-клетки (Treg) и провоспалительные клетки Th17 в кишечнике. Более старые нейтрофилы снижают провоспалительные свойства in vivo. Микробиота индуцирует рост нейтрофилов посредством сигнальных каскадов, опосредованных MyD88 и Toll-подобных рецепторов (TLR) . Изменения в микробной флоре уменьшают количество старых нейтрофилов и вызывают опосредованное воспалением повреждение тканей, такое как септический шок и серповидно-клеточная анемия. В целом микробная флора контролирует болезнетворные нейтрофилы, которые являются существенным компонентом воспалительных заболеваний . . Кроме того, кишечные микробиомы защищают организм от вредных патогенов, вызывая устойчивость к колонизации, а также синтезируя противомикробные соединения. Стабильная кишечная микробиота контролирует антитела CD8 +Т (киллеры) и CD4 + (хелперы) клетки, препятствующие поступлению вируса гриппа в дыхательную систему. Кишечная флора поддерживает и оптимизирует функциональность ЖКТ. Активация регуляторных Т-клеток необходима для поддержания гемостаза иммунной системы.
Микробиота и иммунная система
Взаимодействие симбиоза между местным микробиомом и иммунной системой приводит к эволюции иммунных ответов и развитию иммунной системы для распознавания патогенов и полезной микробиоты. Действительно, иммунная система формируется микробиомом человека. Отсутствие или изменения микробиома человека могут ослабить иммунную систему и вызвать иммунные реакции II типа и аллергии. Аберрации микробиоты вызывают аллергический ринит у детей.
Микробиота и аллергические заболевания
На слизистую оболочку дыхательной системы влияет микробиота кишечника. Нарушение микробиома кишечника влияет на микробиом легких посредством микроаспирации, что увеличивает риск респираторных заболеваний. Клинические исследования показали, что неонатальное кесарево сечение потенцирует аллергические заболевания из-за отсутствия материнской флоры. Дальнейшие биологические исследования показали, что дети, рожденные с помощью кесарева сечения, имеют низкий уровень Bacteriodetes или нормальной флоры в желудочно-кишечном тракте. В исследованиях заявлено, что снижение противовоспалительной активности Bacteriodetes сопровождается астмой и ринитом . Исследования зафиксировали, что существуетсвязь между нарушением микробиома и аллергическими антигенами. Исследования показали, что дети с более низким уровнем Akkermansia , Bifidobacterium и Faecalibacterium чувствительны к многочисленным респираторным аллергиям, которые могут привести к астме примерно в 4-летнем возрасте. Исследования показали, что проживание в фермерской среде с разнообразным микробным консорциумом сопровождается более низким уровнем респираторных аллергий. Более ранние данные показали, что выращивание мышей в среде «фермерской пыли» с разнообразным сообществом бактерий ослабляет респираторную аллергическую реакцию. Еще одно исследование показало, что воздействие на мышей Acinetobacter lwoffii F78 и Lactococcus lactis G121 проявляет защитный эффект против воспаления дыхательных путей.
Микробиота и питание
Микробиота кишечника обеспечивает хозяина питательными веществами, переваривая сложные пищевые элементы (например, клетчатку и другие сложные углеводы) в пище, обеспечивая их абсорбцию из кишечника . Кроме того, кишечная микробиота предлагает необходимые питательные вещества, которые недоступны, но необходимы для поддержания функциональности желудочно-кишечного тракта. Кишечная микробиота останавливает прогредиентное течение рака в желудочно-кишечном тракте за счет образования бутирата, который является продуктом ферментации сложных питательных веществ . Исследования показали, что углеводы фруктов и овощей поддерживают здоровый микробиом желудочно-кишечного тракта. Кроме того, кишечный микробиом обеспечивает необходимые витамины (К и фолиевую кислоту) для роста хозяина, такие как энтеробактерии и бактерии желудочно-кишечного тракта, включая виды Bacteroides и Bifidobacterium. Кроме того, микробиота кишечника способствует синтезу красных и белых кровяных телец (эритроцитов и лейкоцитов). Живые микроорганизмы (пробиотики) применяют для лечения аллергических заболеваний . Пробиотики снижают и/или ингибируют активацию Т-клеток и сдерживают активность фактора некроза опухоли (FNO), который участвует в системном воспалении . Микробиота кишечника вырабатывает важные витамины, необходимые для свертывания крови, в том числе витамины группы В, такие как В12, тиамин и рибофлавин, а также витамин К.
Миробиота и биомаркеры
Таким образом, микробиота человека потенциально может привести к открытию эффективных биомаркеров для диагностики заболеваний. Согласно Национальному институту здравоохранения (NIH), биомаркер — это «характеристика, которая объективно измеряется и оценивается как индикатор нормальных биологических процессов, патогенных процессов или фармакологического ответа на терапевтическое вмешательство». Диагностический биомаркер — это просто биомаркер, который «выявляет или подтверждает наличие интересующего заболевания или состояния или идентифицирует человека с подтипом заболевания». Наиболее часто используемые биомаркеры получают либо из биологических материалов, либо из данных визуализации. Совсем недавно машинное обучение (МО) и искусственный интеллект (ИИ) позволили идентифицировать биомаркеры, специфичные для конкретных заболеваний, с высокой степенью прогнозирования. Недавние обзоры показали, что сигнатуры микробиома можно использовать в качестве биомаркеров диагностики заболеваний.
Нарушения микрофлоры связывают со многими заболеваниями человека, в том числе с заболеваниями желудочно-кишечного тракта, сердечно-сосудистыми заболеваниями, аллергиями , воспалениями, неврологическими и психическими расстройствами, стойкими бактериальными инфекциями и раком. Идентификация «идеальных биомаркеров» считается сложной задачей для многих заболеваний, включая некоторые виды рака. Большинство современных методов отбора образцов раковых тканей не могут идентифицировать лиц, у которых не будет ответа на терапию, и они не могут правильно классифицировать типы рака из-за межопухолевой и внутриопухолевой гетерогенности опухолей.
Биомаркер должен быть легко измеримым, неинвазивным и экономически эффективным. Микробиом человека, особенно микробиом кишечника, можно рассматривать как неинвазивный подход к выявлению биомаркеров заболеваний, который может выявить многие заболевания на ранних стадиях. Кроме того, идентификация биомаркеров на основе микробиома может повысить точность классификации заболеваний в сочетании с клинической информацией и другими биомаркерами. Например, известно, что некоторые микробы способствуют переходу аденомы в карциному при некоторых видах рака, таких как колоректальный рак (CRC). Такие микробы можно использовать в качестве биомаркеров эффективности заболевания и иммунотерапии.
В дополнение к биомаркерам на основе микробиома также растет интерес к тучным клеткам (ТК) , микроРНК (миРНК), визуализации и моделям машинного обучения, например, таким, как неинвазивные диагностические и прогностические биомаркеры заболеваний, которые обещают сформировать будущее точной медицины. Иногда существует взаимосвязь между микробиотой человека и другими генетическими или химическими биомаркерами. Например, изменения в профилях малых РНК в кале при CRC отражают состав кишечного микробиома в образцах стула. Таким образом, использование нескольких связанных биомаркеров сетевого типа (т.е. «сетевых биомаркеров») может повысить эффективность существующих биомаркеров.
Микробиота и рак
Аберрации в микробиоме человека связаны с несколькими видами рака, включая рак молочной железы, колоректальный рак, рак желудка, поджелудочной железы и печени. Кроме того, рак может провоцировать активность вирусов, грибков, гельминтов и бактерий. Микробиота также может способствовать развитию рака, нарушая баланс между ростом и гибелью клеток-хозяев после изменения иммунной системы и воздействия на метаболизм. Кроме того, микробиота влияет на прогноз рака несколькими механизмами, включая генотоксичность, воспаление и метаболизм.
Добавить комментарий