Основные физиологические функции кишечной бактериальной флоры

В этом разделе мы рассмотрим результаты физиологической активности бактериальной флоры. Такое рассмотрение оправдано как важностью задач, так и тем, что исследование микрофлоры желудочно-кишечного тракта в последнее время позволило значительно продвинуться в понимании сущности процессов питания. Легче всего можно судить о роли бактериальной флоры в организме путем сопоставления безмикробных (стерильно) и обычно животных. Оказалось, что безмикробные животные - это функционально неполноценна организмы, которые, по-видимому, в естественно условиях не имеют шансов на выживание (обзоры: Вальдман, 1972; Germfree research..., 1973; Сравнительная физиология..., 1977; Stanier et al., 1979; Чахава и др., 1982; Пищевые волокна, 1986; Simon, Gorbach, 1987, и др.).

Согласно теории сбалансированного питания, заселение бактериальной флорой пищеварительного тракта высших организмов - нежелательный и в определенной мере вредный побочные эффект. Однако бактериальная флора желудочно-кишечного тракта не только не вредна, но необходима для нормального развития физиологических функций макроорганизма, и его филогенетическое и онтогенетическое развитие тесно связано с биоценозом микроорганизмов.

Следует отметить, что микрофлора оказывает существенное влияние на структурно характеристики кишечника и других органов. У безмикробных организмов масса тонкой кишки меньше, чем у обычно, так как эпителий тоньше и редуцирован примерно на 30%, а ворсинки уже. Более тонкая стенка тонкой и толстой кишки отмечена у безмикробных морских свинок, мышей, цыплят, поросят, крыс, кроликов. Выражению изменения наблюдаются и в слепой кишке без - микробных животных, причем у грызунов масса расширенной слепой кишки и содержимого может составлять до 25-ЗО% массы тела. Предполагается, что такое увеличение слепой кишки обусловлено отсутствием микробов в организме хозяина и частично - влиянием диеты. У безмикробных животных снижены митотическая активность эпителиальна клеток тонкой кишки и продолжительность их жизненного цикла, а время миграции клеток из области крипт на вершину ворсинок увеличено примерно в 2 раза. Многие исследователи отмечали гипоплазию лимфатических узлов у безмикробных животных и снижение функциональной активности их клеток (обзоры: Haenel, Schulze, 1979; Чахава и др., 1982; Simon, Gorbach, 1987, и др.).

Микрофлора пищеварительного аппарата оказывает влияние и на его функциональные характеристики. В частности, бактериальные энтеротоксины существенно влияют на кишечную проницаемость. В большинстве случаев ферментативная активность тонкой кишки у безмикробных организмов выше, чем у обычных. Тем не менее существуют сведения, что уровень дисахаридазной активности тонной кишки безмикробных и обычных крыс одинаков. Столь же противоречивы сведения и в отношении панкреатических ферментов. По одним данным их активность у безмикробных животных выше, чем у обычных, по другим - она одинакова. Следует, наконец, заметить, что дисбактериозы приводят к снижению ферментативной активности тонкой кишки и соответственно к нарушениям мембранного пищеварения (обзор: Уголев, 1985).

Кишечная микрофлора определяет отношение к иммунной защите организма (обзоры: Germfree research..., 1973; Freter, 1974; Чахава и др., 1982; Пищевые волокна, 1986; Kagnoff, 1987, и др.). Дискутируются два механизма местного иммунитета. Первый из них заключается в ингибировании адгезии бактерий к кишечной слизи, медиированной локальными антителами, включая IgA. Второй механизм состоит в контроле численности определенной бактериальной популяции, локализованной на поверхности кишечной слизистой, за счет присутствия в этой области антибактериальных антител. По сравнению с обычными животными у безмикробных организмов содержится лишь 10% клеток, продуцирующих IgA, который участвует в местном иммунитете. При этом продемонстрировано, что содержание в плазме крови общего белка, альфа-, бета - и гамма-глобулинов у безмикробных животных ниже, чем у обычных. в отсутствие обычной микрофлоры при нормальном фагоцитозе у микро - и макрофагов гидролиз ими антигенов замедляется.

Кроме механизмов местного иммунитета, регулирующего микрофлору кишечника, существует еще один механизм контроля - бактериальный антагонизм, за счет которого может предупреждаться рост связанной с кишечной слизистой определенной популяции бактерий.

Под влиянием бактериальной флоры, как указано выше, в пищеварительном аппарате образуются некоторые токсины. Это доказывается тем, что образование аминов и, как следствие, уровень их экскреции у безмикробных организмов весьма низки. Этот уровень заметно увеличивается после заражения организмов одной или несколькими группами бактерий. В частности, моноинфекция безмикробных мышей культурой Clostridium perfringens приводит к увеличению уровня гистамина, особенно в полости слепой кишки (Lindblad et al., 1979).

Экскреция пиперидина рассматривается как индекс изменений микрофлоры при колонизации кишечника и при переходе от молочного к дефинитивному питанию. Экскреция этого амина в норме у людей разных возрастных групп различна. Существуют данные, что у детей одного возраста (4-6 мес), питающихся грудным молоком, уровень пиперидина в моче значительно ниже: (1.65±0.55) ммоль/моль креатинина, чем у детей, получающих добавки,- (5.95±0.56). Увеличивается также уровень пиперидина при ряде заболеваний. Так, если у детей концентрация пиперидина в моче в норме составляет (1.11±0.95) ммоль/моль креатинина, то при целиакии - (3.62±1.40), т. е. почти в 3 раза выше (Lindblad et al., 1979) . Эти сведения совпадают с данными об увеличении экскреции тирамина при малабсорбции, вызванной рядом заболеваний.

Как уже было отмечено, по-видимому, в ходе эволюции некоторые токсические амины включились в регуляторные системы организма. Примером этому могут служить упомянутый выше гистамин и серотонин, образующиеся при декарбоксилировании аминокислот. Бактериальная флора кишечника оказывает влияние на пищевые волокна. Детальная характеристика трансформации таких волокон под действием главным образом анаэробной микрофлоры толстой кишки человека дана в обзоре У Каспари с соавторами (Caspary et al., 1981) Переход от физиологического к патологическому состоянию происходит, насколько можно судить, преимущественно за счет усиления ферментативных процессов. Как замечают авторы, те процессы, которые в толстой кишке человека могут быть причиной болезней, в желудке жвачных и многих травоядных животных являются основными для утилизации грубых кормов, недоступных ферментам животного происхождения. По-видимому, при ферментативной обработке происходит одновременно огромное количество различных химических реакций. В связи с этим их точная запись невозможна. Приближенная формула дается многими авторами (в том числе У. Каспари и др.) : 115 (С6Н1206 ) -> 130 уксусная кислота + 40 пропионовая кислота + 30 п-масляная кислота + 70 СН4 + 120 СО2 + 50 Н2О.

Следует, однако, иметь в виду, что при анаэробной ферментации образуются также (чаще в качестве индивидуальных продуктов) муравьиная, янтарная и молочная кислоты и некоторое количество водорода. Определение водорода широко используется для диагностики заболеваний тонкой и особенно толстой кишки.

Таким образом, бактериальная флора желудочно-кишечного тракта является своеобразным трофическим гомеостатом, или трофостатом, обеспечивающим разрушение избыточных компонентов пищи и образование недостающих продуктов. Кроме того, некоторые продукты ее жизнедеятельности принимают участие в регуляции ряда функций макроорганизма. Поэтому поддержание нормальной бактериальной флоры в организме становится одной из важнейших задач оптимизации питания и жизнедеятельности высших организмов, и в том числе человека.

Кроме популяции бактерий, живущих в полости желудочно-кишечного тракта, существует также бактериальная флора, связанная со слизистой оболочкой тонкой кишки. Способность различных бактерий находиться в тесном контакте со структурами кишечной поверхности была продемонстрирована на примере мышей еще в 1965 г. Затем было выявлено, что в одних случаях аутохтонные микроорганизмы не вызывают видимых изменений в структуре кишечных клеток, тогда как в других, напротив, нарушают ее. Примером последних могут служить сегментированные нитевидные микробы, нарушающие мембрану кишечных клеток. Эти же микроорганизмы (спирохеты и спиралевидные бактерии) , ассоциируясь с кишечной клеткой одним своим концом, другим раздвигают микроворсинки, разрушая гликокаликс и щеточную кайму (обзор: Чахава и др., 1982).

Бактериальная популяция кишечной слизистой оболочки существенно отличается от полостной как по составу, так и по биохимическим характеристикам. В нашей лаборатории еще в 1975 г. было показано, что среди популяции бактерий слизистой оболочки тонкой кишки почти отсутствуют гемолизирующие формы, которые широко представлены в полостной популяции. Уже в то время нами было высказано предположение, что муказная популяция является аутохтонной и в значительной мере определяет состав полостной популяции. В то же время выявлено, что при изменении диеты и заболеваниях наблюдаются более резкие нарушения муказной популяции, а не полостной (обзор: Уголев, 1985).

Идея И. И. Мечникова о целесообразности подавления кишечной бактериальной флоры в настоящее время должна быть подвергнута коренному пересмотру. Действительно, как уже отмечалось, сопоставление обычных и безмикробных организмов позволило заключить, что последние в метаболическом, иммунологическом и даже нейрологическом отношении дефектны и резко отличаются от обычных. Так, у безмикробных животных недоразвита иммунная защитная система, они более чувствительны к недостаткам рациона, в частности к рационам с недостаточностью незаменимых аминокислот и витаминов. В зависимости от питания меняется также и состав микрофлоры. Например, замена белка на смесь аминокислот вызывает снижение количества бифидобактерий у взрослых людей, как и у детей при добавлении к грудному молоку коровьего молока. На примере крыс обнаружено, что неблагоприятные изменения микрофлоры, в том числе снижение количества лактобацилл и увеличение числа стафилококков, в основном имеют место при олигомерном, но не полимерном питании (обзор: Уголев, 1985).

Когда исследования проводились не на безмикробных животных, а на людях, которые в силу каких-либо причин со дня рождения были отделены от окружающей среды и не имели собственной бактериальной флоры, то оказалось, что их пищевые потребности также существенно отличались от таковых у обычных людей.

Как уже было отмечено, симбиоз микро- и макроорганизмов, вероятно, является древним эволюционным приобретением и наблюдается уже на уровне примитивных многоклеточных организмов. Во всяком случае в ходе эволюции у большинства многоклеточных организмов возник симбиоз с бактериями определен - пых типов. В самом деле, бактериальная флора представляет собой необходимый атрибут существования сложных организмов. Последние, по современным представлениям, следует рассматривать как единую систему более высокого иерархического уровня, чем отдельный индивидуум. При этом макроорганизм по отношению к микроорганизмам выполняет функцию доминанта и регулятора всей системы в целом. Между ним и симбионтами существует обмен метаболитами, в состав которых входят нутриенты, различие неорганические компоненты, стимуляторы, ингибиторы, гормоны и другие физиологически активне соединения. Подавление бактериальной флоры кишечника часто приводит к сдвигу метаболического баланса организма.

Таким образом, в настоящее время становится ясно, что в метаболическом смысле организм представляет собой надорганизменную систему, состоящую из доминирующего многоклеточного организма и специфической бактериальной поликультуры, а иногда и Protozoa. С этой точки зрения существенно, что определенная часть витаминов и незаменимых аминокислот, в которых нуждается организм высших животных и человека, поступает за счет бактерий. Действительно, как отмечено выше, у безмикробных животных недостаток витаминов или незаменимых аминокислот приводит к более тяжелым и скорее проявляющимся нарушениям, чем у обычных. Следовательно, с позиций теории адекватного питания можно говорить не только об экологии в целом, но и о микроэкологии, или более правильно - об эндоэкологии многоклеточных организмов, которая, как мы отмечали, формируется очень рано.

Эндоэкосистемы обладают способностью к саморегуляции и в достаточной мере устойчивы. Вместе с тем они имеют некоторые критические пределы устойчивости, за которыми наступает их непоправимое нарушение. Нормальная эндоэкология может быть нарушена при специфических и неспецифических воздействиях, что может приводить к резкому изменению потока бактериальных метаболитов. Нарушение состава бактериальной популяции кишечника обнаружено, в частности, при изменении состава рациона, при заболеваниях желудочно-кишечного тракта, под влиянием различных экстремальных факторов (например, при стрессах, в том числе эмоциональных, при специальных условиях и т. д.). Дисбактериозы, возникающие по раз him причинам, в частности вследствие применения антибиотиков, провоцируют многие вторичные нарушения, меняют реактивность организма, вызывают скрытые патологии и т. д.

Формирование представлений об эндоэкологии человека и других организмов имеет фундаментальное значение, а сохранение микрофлоры и предупреждение ее нарушений - одна из важных задач биологии и медицины.