Микроорганизмы: ключ к здоровью человека
Маленькие, почти невидимые, но очень активные и сложные микроорганизмы необходимы для жизни на Земле и хорошего здоровья. Как они нам помогают? Как мы можем их защитить? Почему некоторые из них вызывают заболевания? Ответ ниже.
Раздел специалистов здравоохранения
Найдите здесь свое выделенное место
Об этой статье
Микроорганизмы: микроскопические создания с необычайными способностями
Микроорганизмы — это живые существа, невидимые невооруженным глазом, иногда называемые «микробами» или «бактериями». Они, как правило, состоят из одной клетки и обитают повсюду: в глубинах океана, воздухе, почве и реках, а также в растениях и нашем кишечнике.
Микроорганизмы: неутомимые и невидимые работники
Благодаря своим сверхспособностям, микроорганизмы позволяют существовать жизни на Земле. Они играют ключевую роль в разложении растительных и животных остатков, а также в фиксации углерода и азота. Они — важные звенья в функционировании наземных экосистем и залог здоровья живых существ.
Наше тело имеет свою экосистему, в которой миллиарды «дружественных» микроорганизмов обитают в тесной гармонии, предоставляя нам широкий спектр услуг. Эти популяции известны как наша «флора» или «микробиота». Подобные типы микробных сообществ можно найти не только у животных и растений, но также в почве и океанах 1.
500 миллионов Такое количество риновирусов (вызывают простуду) может поместиться в сферу размером с булавочную головку.
1 миллиард Столько бактерий и вирусов содержится в 1 г стула.
1 миллиард Столько же бактерий и грибов содержится в 1 г почвы.
Микробиота — это сообщества микроорганизмов, в основном бактерий, а также вирусов, грибов и архей, которые населяют организм человека.
Кишечная микробиота, также известная как кишечная флора, содержит наибольшее количество микроорганизмов.
У человека микробиота
Бактерии — маленькие помощники человека
- Бактерии рода Rhizobium, живущие в корнях бобовых растений, фиксируют атмосферный азот в почве, что способствуют росту растений и уменьшает потребность в использовании химических удобрений;
- Бактерии Lactobacillus acidophilus и Streptococcus thermophilus превращают молоко в йогурт;
- Гриб Penicillium roqueforti превращает створоженное и ферментированное молоко в голубой сыр или рокфор;
- Вирусы, называемые «фагами», помогают нам лечить определенные инфекции, вызванные бактериями, устойчивыми к антибиотикам;
- Дрожжи Saccharomyces cerevisiae превращают сахара из пшеницы или ячменя в спирт при производстве пива;
- Наконец, определенные бактерии, грибы и археи используются для очищения воды на очистных сооружениях.
100 миллиардов Количество бактерий в 1 г зубного налета.
Сага о микроорганизмах
- 3,4-3,7 миллиарда лет назад: появление первых бактерий и архей (первые формы жизни на Земле).
- 1665: английский ученый Роберт Гук впервые видит микроорганизмы (плесень) под микроскопом.
- 1674: голландский торговец тканями Антони ван Левенгук впервые видит бактерии под микроскопом и назвал их «маленькими животными».
- 1838: немецкий натуралист и зоолог Кристиан Готфрид Эренберг вводит термин «бактерии».
- 1857: Луи Пастер доказывает участие бактерий в процессах ферментации.
- 1882: Роберт Кох открывает возбудителя туберкулеза (туберкулезная палочка).
- 1918: эпидемия испанского гриппа, вызванная вирусом H1N1 (25 миллионов смертей).
- 1930: ученые впервые наблюдают вирусы с помощью электронного микроскопа.
- 1917: Феликс д'Эрель и Фредерик Туорт открывают бактериофагов.
- 1929: Александр Флеминг открывает пенициллин (антибиотик).
- 1977: Карл Вёзе обнаруживает археи.
- 1995: команда Крейга Вентера секвенирует первый бактериальный геном полностью.
- 2019: пандемия COVID-19 (вирус SARS-CoV-2).
Некоторые определения микроорганизмов
Бактерии
Вирусы (включая фаги)
Простейшие
Микроводоросли
Грибы
Археи
Together with viruses, bacteria are surely the microorganisms most familiar to the general public. Under the microscope, they come in a wide variety of shapes (rods, spheres, screws, etc.), and can be found everywhere: in plants, animals, humans, soil, the oceans, etc. Bacteria play an essential role in the decomposition of animal and plant organic matter. Fortunately for us, only a small number of them act as parasites or pathogens. Some spoil food, while others improve taste and preservation (fermentation). Most of the bacteria that live in symbiosis with humans are found in the digestive system (microbiota). In soils, Nitrobacter oxidizes nitrite into nitrate, while Methanobacterium transforms carbonate into methane. Propionibacterium transform milk lactose to give Emmental and Gruyère a nutty flavor, while certain non-pathogenic staphylococci contribute to cheese ripening and rind formation4.
Unfortunately, some bacteria are better known for their harmful effects on health. In our gut microbiota, most strains of Escherichia coli are harmless, but some can cause food poisoning. For example, the bacterium Shigella is responsible for a disease called shigellosis and caused 212,438 deaths worldwide in 2016. Vibrio cholerae is responsible for the world’s dreaded cholera epidemics and the 107,290 deaths recorded in 2016, generally in poor populations with no access to drinking water5. Other infamous examples are Clostridium tetani, which synthesizes a toxin responsible for tetanus, and Clostridioides difficile, an antibiotic-resistant bacterium that is the main cause of life-threatening nosocomial infectious diarrhea in adults5.
Вместе с вирусами бактерии, безусловно, самые широко известные микроорганизмы. Под микроскопом они бывают самых разных форм (палочки, сферы, спирали и т. д.); их можно найти повсюду: в организме растений, животных, человека, а также почве, океанах и т. д. Бактерии играют главную роль в разложении органических веществ животного и растительного происхождения. К счастью для нас, лишь немногие из них действуют как паразиты или патогены. Одни портят пищу, другие улучшают ее вкус и консервируют (благодаря ферментации). Большинство бактерий, живущих в симбиозе с людьми, находятся в пищеварительной системе (микробиота). В почве бактерия Nitrobacter окисляет нитрит в нитрат, а Methanobacterium превращает карбонат в метан. Propionibacterium ферментирует молочную лактозу, придавая сырам Эмменталь и Грюйер их знаменитый ореховый вкус, тогда как некоторые непатогенные стафилококки способствуют созреванию сыра и образованию сырной корки 4.
К сожалению, некоторые бактерии более известны своим пагубным влиянием на здоровье. В нашей кишечной микробиоте большинство штаммов Escherichia coli безвредны, но некоторые могут вызвать пищевое отравление. Например, бактерия Shigella вызывает болезнь, называемую шигеллезом, от которой в 2016 году во всем мире умерло 212 438 человека. Vibrio cholerae является причиной страшных эпидемий холеры в различных уголках земного шара. В 2016 году от холеры умерло 107 290 человек. В основном это представители бедных слоев населения, не имеющие доступа к питьевой воде 5. Другие печально известные примеры — Clostridium tetani, который синтезирует токсин, вызывающий столбняк, и Clostridioides difficile, бактерия, которая устойчива к антибиотикам и является основной причиной опасной для жизни внутрибольничной инфекционной диареи у взрослых 5.
В большом семействе микроорганизмов вирусы имеют меньше всего представителей. Их структура чрезвычайно проста: молекула ДНК или РНК, окруженная белками, которые вместе образуют «капсид». Одной из необычных особенностей вирусов является то, что они полностью зависят от клетки-хозяина. Другими словами, они должны проникнуть в клетку и захватить ее механизм, чтобы реплицировать себя и заразить новые, соседние, клетки. Так работают вирусы, заражающие человека (СПИД, простуда, грипп и т. д.). После высвобождения вируса клетка-хозяин умирает, а новые вирусы атакуют другие клетки.
Несмотря на свою очень плохую репутацию, не все вирусы патогенны для человека, а некоторые даже являются нашими друзьями. Это относится к вирусам, известным как бактериофаги или фаги (буквально «пожиратели бактерий»), которые заражают только бактерии. Очень полезные для регулирования определенных бактериальных популяций, бактериофаги могут стать новым средством лечения заболеваний и альтернативой антибиотикам 4. К ним относятся Siphoviridae, Myoviridae и Podoviridae, которые отличаются от «классических» вирусов тем, что у них есть хвост, позволяющий прикрепляться к стенке бактерий. Бактериофаги составляют половину всех известных видов вирусов 4.
Все вирусные сообщества в микробиоте известны как «виром».
Группа простейших менее известна широкой публике. Это одноклеточные микроорганизмы самых разных форм, начиная от непрерывно изменяющихся (амебы), и заканчивая постоянными и очень сложными (парамеция). Обычно они встречаются во влажной среде, например, в пресной или морской воде, почве. Они могут перемещаться посредством «амебоидных» движений, а также с помощью ресничек или жгутиков. Некоторые простейшие могут заражать растения и животных, в том числе людей. Это относится к Plasmodium falciparum, печально известному во всем мире как возбудитель тяжелых форм малярии, которого в первую очередь опасаются во время поездок в определенные страны 4.
Микроводоросли можно найти в пресной или морской воде, особенно на дне океанов, озер или рек. Иногда они могут развиваться в почве или на влажных породах, а также в шерсти некоторых животных. Они содержат хлорофилл, который позволяет им синтезировать собственную пищу под действием солнечного света. Диатомовые водоросли — это микроводоросли, которые опускаются на морское дно после своей гибели. Их мягкие части распадаются, тогда как клеточная стенка, состоящая из кремнезема, осаждается под действием давления воды 4.
Фитопланктон — это микроводоросли, обитающие в морской воде. Вместе с живущими там бактериями и вирусами, они составляют «морскую микробиоту». На долю этой разнообразной популяции микроорганизмов приходится более двух третей морской биомассы. Она положительно влияет на океаническую экосистему и способствует поддержанию здоровья планеты 1.
Большинство грибов живет в почве и на растениях. Существует 3 основные группы грибов: многоклеточные нитчатые плесени, макроскопические нитчатые грибы и одноклеточные микроскопические дрожжи 4. В природе плесневые и нитчатые грибы участвуют в круговороте углерода благодаря длинным разветвленным нитям (мицелию), способным разлагать растительные вещества. Самый крупный известный мицелий расположен в штате Орегон (США) и простирается на 9,7 км2. В медицине Penicillium notatum знаменит тем, что стал источником случайного открытия Александром Флемингом пенициллина в 1928 году, что было одним из величайших научных прорывов в истории 6. В агропищевой промышленности одомашнивание некоторых нитевидных грибов позволяет производить новые сорта сыра. Penicillium roqueforti используется для созревания голубых сыров, в то время как видовой комплекс Penicillium camemberti используется для производства мягких сыров, таких как камамбер и бри 6. Дрожжи, такие как Saccharomyces, размножаются путем почкования дочерних клеток из исходных родительских. Вид Saccharomyces cerevisiae используется в производстве вина и пива 6.
Некоторые грибы являются паразитами растений, которые вызывают такие заболевания, как плесень или парша. Лишь небольшое количество грибов вызывает болезни у человека. К ним относятся стригущий лишай, молочница и кандидоз, вызываемые дрожжевым грибком Candida albicans 4.
Археи, которых раньше относили к бактериям из-за большого сходства, представляют собой одноклеточные микроорганизмы, иногда образующие нити или кластеры. Но исследования в 1970-х годах показали, что они эволюционно отличаются от бактерий. Они имеют общие черты с эукариотическими клетками (такими как клетки человека), которые имеют более сложную структуру, чем прокариотические бактерии. Археи могут жить в экстремальных условиях, например, при высоком давлении, в очень соленой среде или при очень низких или высоких температурах (горячие источники, гейзеры, антарктический лед и т. д.) 4. Halobacterium или Halococcus живут в соленых озерах и имеют красный или желтый цвет благодаря своим пигментам, в то время как Pyrobaculum размножается под землей, в нефтяных резервуарах, при температуре более 100 °C.
Любите своих микробов и они отплатят вам сторицей
Если вы думали, что все микробы подлежат уничтожению, то теперь вы видите, что это не так. Подавляющее большинство микробов необходимо для жизни и деятельности человека. Они также необходимы для функционирования нашего организма и хорошего здоровья.
Взаимовыгодное сотрудничество 3, 7, 8
Наше тело является домом для разнообразных «комменсальных» микроорганизмов (в отличие от патогенных микроорганизмов), с которыми у нас поистине симбиотические отношения. В обмен на еду и кров эти микробы предоставляют нам бесценные услуги.
В кишечнике бактерии микробиоты питаются пищевыми волокнами, которые наш организм не может расщепить, и выделяют полезные соединения, известные как «короткоцепочечные жирные кислоты». Эти молекулы питают клетки кишечника, способствуя их росту и дифференцировке, а также усиливают их барьерную функцию. Микробы также синтезируют полезные биологически активные вещества, такие как аминокислоты и витамины (K2, B5, B6 и т. д.).
Они также играют роль в созревании иммунных клеток, которых особенно много в стенке кишечника, а также, благодаря колонизации просвета кишечника и синтезу определенных антибактериальных белков, называемых бактериоцинами, препятствуют росту патогенных микроорганизмов. Наконец, они синтезируют метаболиты, способные регулировать некоторые из физиологических функций организма, в частности иммунные и нейронные функции. Например, микробиота и мозг находятся в постоянной связи через так называемую ось микробиота — кишечник — головной мозг
Какую роль микробиота играет в деятельности оси кишечник — головной мозг?
Как ухаживать за своими микробами 3, 7, 8
Здоровье нашей микробиоты зависит от многих факторов: генетики, возраста, среды обитания, способа рождения и т. д. Но самым мощным модулятором кишечной микробиоты остается наш рацион.
«Здоровая» микробиота, то есть богатая и разнообразная, требует рациона, включающего достаточное количество разнообразных растений (фруктов, овощей, масличных культур, цельных зерен, бобовых и т. д., которые обеспечивают микроорганизмы необходимыми «субстратами» или пищей), а также живых бактерий (в составе ферментированных продуктов, таких как квашеная капуста, чайный гриб, кефир и т. д.). Рацион не должен включать слишком много вредных продуктов, например содержащих эмульгаторы и подсластители.
Сокращение потребления некоторых лекарств (антибиотиков, антацидов, слабительных, анксиолитиков и т. д.), снижение потребления алкоголя и табака, а также регулярная физическая активность также являются отличными способами укрепления здоровой микробиоты.
Когда плохо микробам, плохо и нам
Микробы ответственны за множество инфекционных заболеваний: риновирус при простуде, вирус SARS-CoV- 2 при COVID-19, бактерия Salmonella при гастроэнтерите, грибок Candida при кандидозе и т. д. К счастью, у нас есть противомикробные препараты (антибиотики, противовирусные, противогрибковые препараты и т. д.), которые могут лечить большинство инфекций, вызванных микроорганизмами.
Устойчивость к противомикробным препаратам, признанная ВОЗ проблемой общественного здравоохранения, к 2050 году может убивать до 10 миллионов человек в год (столько же, сколько и рак) 10. ВОЗ рекомендует ограничить использование противомикробных препаратов, особенно антибиотиков, в животноводстве, здравоохранении и сельском хозяйстве, но прежде всего призывает к поиску новых, более эффективных методов лечения инфекций.
Всемирная неделя распространения информации об АМР (WAAW) проводится ежегодно с 18 по 24 ноября. В 2023 году, как и в 2022-м, ее тема - «Предотвратим устойчивость к противомикробным препаратам вместе». Устойчивость к противомикробным препаратам представляет угрозу не только для людей, но и для животных, растений и окружающей среды.
Поэтому целью кампании является повышение осведомленности об устойчивости к противомикробным препаратам и продвижение передового опыта, основанного на концепции «Единое здоровье», среди всех заинтересованных сторон (широкой общественности, врачей, ветеринаров, заводчиков и фермеров, лиц, принимающих решения, и т. д.), чтобы уменьшить возникновение и распространение устойчивых инфекций.
Дисбаланс: фон для болезней, связанных с образом жизни 3, 5, 8
Микроорганизмы ответственны не только за инфекционные заболевания. Знаете ли вы, что микроорганизмы также играют роль при ожирении, сахарном диабете, остеопорозе, раке, сосудистых и нейродегенеративных заболеваниях (болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера и т. д.) ?
Исследования показывают, что у людей с этими заболеваниями, наблюдается дисбаланс в микробиоте, известный как «дисбиоз». (sidenote: Дисбиоз Изменение состава и функции микробиоты, вызванное сочетанием экологических и индивидуальных факторов. Дисбиоз не является четко очерченным состоянием и варьируется в зависимости от состояния здоровья каждого человека. Levy M, Kolodziejczyk AA, Thaiss CA, et al. Dysbiosis and the immune system. Nat Rev Immunol. 2017;17(4):219-232. ) характеризуется потерей богатства и разнообразия в микробных популяциях, особенно в кишечнике. Многочисленные исследования показали, что такой дисбаланс может негативно влиять на функционирование нашего организма, способствуя возникновению или обострению заболевания.
Текущий уровень знаний не позволяет точно ответить на вопрос о том, вызывает ли (sidenote: Дисбиоз Изменение состава и функции микробиоты, вызванное сочетанием экологических и индивидуальных факторов. Дисбиоз не является четко очерченным состоянием и варьируется в зависимости от состояния здоровья каждого человека. Levy M, Kolodziejczyk AA, Thaiss CA, et al. Dysbiosis and the immune system. Nat Rev Immunol. 2017;17(4):219-232. ) заболевание или заболевание вызывает дисбиоз. Тем не менее, исследования показывают, что можно поддерживать хорошее здоровье, обеспечивая богатую и разнообразную, т. е. «здоровую» микробиоту, или восстанавливая ее баланс.
Слышали ли вы о дисбактериозе
Модуляция микробиоты с целью профилактики или лечения заболеваний
Существует несколько способов положительной модуляции кишечной микробиоты в случаях дисбиоза или заболевания 3, 7 :
- Диета и образ жизни (см. выше);
- Пребиотики (инулин, галактоолигосахариды [ГОС], фруктоолигосахариды [ФОС] и лактулоза): эти соединения способны питать конкретные группы полезных бактерий, таких как Bifidobacterium и Lactobacillus, стимулируя их пролиферацию 11;
- Пробиотики (специфические штаммы живых бактерий или дрожжей с доказанной пользой для здоровья): на сегодняшний день научные доказательства их эффективности ограничены диареей у детей, диареей, связанной с применением антибиотиков, некоторыми воспалительными заболеваниями кишечника и некротическим энтероколитом, однако их терапевтический потенциал является предметом многочисленных исследований 11;
- Биоактивные (sidenote: Метаболиты Низкомолекулярные соединения, образующиеся в ходе клеточного или бактериального метаболизма. Например, короткоцепочечные жирные кислоты представляют собой метаболиты, вырабатываемые кишечной микробиотой при ферментации неперевариваемых сложных углеводов (волокон и т. д.). Silva YP, Bernardi A, Frozza RL. The Role of Short-Chain Fatty Acids From Gut Microbiota in Gut-Brain Communication. Front Endocrinol (Lausanne). 2020;11:25. Lamichhane S, Sen P, Dickens AM, et al An overview of metabolomics data analysis: current tools and future perspectives. Comprehensive analytical chemistry. 2018 ; 82: 387-413 ) : обладают способностью модулировать физиологию целевых микроорганизмов;
- Трансплантация фекальной микробиоты (ТФМ): перенос кишечной микробиоты здорового человека в кишечник человека с заболеванием. Например, ТФМ показала особенно хорошие результаты (90% излечения) для инфекций, вызванных Clostridium difficile 12, но также может быть полезна для облегчения симптомов аутизма 13.
Микробный мир: бесконечный источник терапевтических возможностей
Микроорганизмы — важная область научных исследований. Например, чтобы лучше бороться с устойчивостью бактерий к антибиотикам и разрабатывать инструменты мониторинга, ученым необходимо лучше понять, как бактерии обмениваются генами, приобретают устойчивость к противомикробным препаратам и каким образом факторы этой устойчивости циркулируют между окружающей средой, людьми и животными 10.
Методы геномики и метагеномики высокого разрешения, широко используемые в исследованиях микробиоты человека, являются мощными инструментами для изучения микробной динамики.
Микробиота на перекрестке исследований
Все больше исследований направлено на улучшение нашего понимания того, как микроорганизмы в микробиоте взаимодействуют с организмом и способствуют правильному функционированию клеток человека, а также на выявление того, какие микробные профили наиболее полезны для здоровья и какие модификации способствуют возникновению заболеваний 3.
Конечная цель состоит в том, чтобы определить новые пути лечения и новые пробиотические бактерии, которые позволят модулировать микробиоту и, таким образом, более эффективно бороться с некоторыми острыми и хроническими заболеваниями.
Хотя микроорганизмы невидимы и имеют плохую репутацию, они заслуживают большого уважения и внимания, так как без них привычная нам жизнь была бы невозможной.
Мы все еще мало знаем о микробных сообществах и их взаимодействии с окружающей средой, а также о роли, которую они играют в нашем организме. Но каждый день приносит нам новое исследование, показывающее важность поддержания и укрепления взаимовыгодного симбиоза с полезными микроорганизмами.
