Важность местной кишечной микробиоматерии для явления колонизационной резистентности была первоначально описана в 1950-ых годах, когда Bohnhoffet al. (Bohnhoff M., 1955) продемонстрировал, что лечение антибиотиками привело 100 000-кратному уменьшению количества Salmonella enterica (серовар Typhimurium), необходимой для заражения мышей.
Lawley T. D. (2012) указывает, что местная кишечная микробиоматерия развилась и адаптировалась, для заполнения многочисленных экологических ниш в ЖКТ. Это формирует мощный барьер для последующей колонизации инородных микробов и поддерживает явление колонизационной резистентности. Рабочая модель колонизационной резистентности предполагает наличие множества уровней защиты хозяина, которые являются результатом взаимодействия микробов между собой и иммунной системой.
В исследованиях продемонстрированно, что прямые взаимодействия микроб-микроб – это критический компонент сопротивления колонизации (Hopkins M. J., 2003; Lievin V., 2000; Servin A. L., 2004). Есть много путей, через которые эти взаимодействия могут затруднить патогенную колонизацию ЖКТ. Борьба за экологические ниши и питательные вещества, обусловила разнообразие и богатство симбионтной кишечной флоры, которое оптимизирует пропускную способность всей экосистемы. Кишечная микробиоматерия заполняет широкий диапазон доступных ниш, формирующих сложные питательные сети, где метаболический побочный продукт от одного микроба – основание для роста другого (Flint H. J., 2007; Ley R. E., 2006). В действительности это означает, что любая вторгающаяся чужеродная бактерия находится в прямой конкуренции с местной микробиоматерией для ниш и питательных веществ, которые оседлые микробы активно изолируют для их собственного роста и хлеба насущного (Freter R., 1983).
С бактериальной точки зрения успешная колонизация кишечного тракта представляет грандиозную задачу (Falkow S., 1997). Бактерия должна выжить в экологическом резервуаре прежде, чем попасть в полость рта, затем пройти через пищевод, пережить низкий pH желудка, определить подходящую нишу на слизистой кишечника и, в конечном счете, получить доступ к питательным веществам, чтобы реализовать свои свойства. Для успешной колонизации достаточному числу бактерий необходимо сопротивляться перистальтике и клиренсу кишечника (Falkow S., 1997). Вторгающаяся бактерия должна непрерывно конкурировать с резидентной микробиоматерией за ниши и питательные вещества, и сопротивляться иммунной реакции кишечника (Stecher B., 2008).
Несмотря на стабильность спектра взрослой кишечной микробиоматерии, относительное изобилие составляющих бактериальных групп колеблется в ответ на изменения в диете хозяина. (Walker A. W., 2011; Wu G. D., 2011). Основные факторы способные изменить бактериальный спектр кишечного тракта – антибиотикотерапия (Lawley T. D., 2009) и выраженная диарея (Endt K., 2010). Микробиоматерия часто демонстрирует высокую степень упругости в восстановлении после подобных воздействий, однако, полного «возврата» изначальных количественных и качественных параметров не происходит (Dethlefsen L., 2011; Jernberg C., 2007). Долгосрочные последствия лечения антибиотиками для здоровья человека и колонизационнной резистентности определенно остаются (Blaser M. J., 2009).
Достаточная плотность популяции увеличивает вероятность того, что болезнетворный микроорганизм реализует свои факторы патогенности (токсины, белки комплемента) и абсорбируется на слизистой оболочке, чтобы вызвать местный воспалительный ответ и проникнуть в глубжележащие ткани (Coombes B. K., 2004). В настоящее время, есть достаточно данных о том, что воздействие болезнетворных микроорганизмов принимает иммунные реакции, в результате которых вытесняется местная микробиоматерия посредством нарушения колонизационной резистентности (Lupp C., 2007; Stecher B., 2007).
Регулирование кишечными болезнетворными микроорганизмами колонизации и патогенных свойств через экспрессию генов (Camilli A., 2006) – основой фактор влияния на клетки хозяина, вызывающий болезнь и снижение иммунитета.
Способность кишечных болезнетворных микроорганизмов достигнуть энтероцитов и управлять ими, посредством активации сильного провоспалительного ответа, обеспечивает стратегию колонизации. Сальмонелла Typhimurium и Citrobacter rodentium использует множество факторов ядовитости, чтобы колонизировать и непосредственно управлять клетками – хозяевами, приводя к толстокишечному воспалению (Barthel M., 2003; Higgins L. M., 1999). Идентификация TLR / NOD-рецепторами S. Typhimurium и Citrobacter rodentium вызывают ответ Th1 / Th17, характеризующийся дифференциацией и активацией нейтрофилов и макрофагов (Geddes K., 2011; Lee S. J., 2012; Broz P., 2011).
Интересно, что и S. Typhimurium и Citrobacter rodentiumhave обладают множеством механизмов выживания и развития в агрессивной среде (Lupp C., 2007; Stecher B., 2007). Например, S. Typhimurium способна размножаться внутри фагоцита (Finlay B. B., 2000), сопротивляется антибактериальным веществам хозяина, таким как lipocalin-2, RegIIIb и кальпротектин (Raffatellu M., 2009; Stelter C., 2011; Liu J. Z., 2012). Также активно используют радикалы кислорода и другие акторы воспаления для собственного роста (Thiennimitr P., 2011; Winter S. E., 2010). Напротив, многие бактерии сапрофиты не выживают в условиях воспаленной слизистой оболочки, в результате чего, разнообразие и численность местной микробиоматерии снижаются (Lupp C., 2007; Stecher B., 2007). Поэтому, S. Typhimurium и Citrobacter rodentium эксплуатируют гиперреактивное, патологическое Th1 / Th17-обусловленное воспаление и вытесняют сапрофитную флору хозина (Lawley T. D., 2008; Wickham M. E., 2007).
Лечение антибиотиками разрушает кишечный микробиоценоз, приводит к сокращению количества микробов и разнообразия (Antonopoulos D. A., 2009), а также подавляет механизмы иммунной системы (Brandl K., 2008). Как результат, антибитикотерапия снижает колонизационную резистентность, высвобождая экологические ниши и нутриенты и создавая имунносупрессию хозяина, что активно используют болезнетворные микроорганизмы (Lawley T. D., 2012).
Например, C. dificille является главной причиной антибиотик-ассоциированной диареи. Они колонизируют пациентов будучи спорами и немедленно вегитируют после воздействия антибиотиков (Bartlett J. G., 2006; Rupnik M., 2009). C. dificille продуцирует два мощных энтеротоксина, тормозя глюкозотрансферазную активность, за счет чего проникают в энтероцит, приводя к необратимому разрушению цитоскелета (Shen A., 2012), это приводит к некрозу клеток, разрушению клеточного барьера, транслокации бактерий и токсинов в кровь и активации мощного альтеративного воспаления (Lamont J. T., 2002). У людей и мышей C. Difficile инфекция связана с упрощенной микробиоматерией (Buffie C. G., 2012; Chang J. Y., 2008; Lawley T. D., 2009), которая содержит высокие титры очень стойких и патогенных спор C. Difficile (Lawley T. D., 2009).
Значение заместительной терапии. Сравнительно недавно в сферу интересов микробиологов помимо патогенных и ферментирующих бактерий попали симбиотические микроорганизмы человека, когда было установлено значимое влияние этих микроорганизмов, особенно микрофлоры кишечника, на состояние здоровья организма-хозяина, что способствовало формированию концепции пробиотиков (Шаховская А. К., 2011). И. И. Мечников первым сформулировал эту идею, полагая, что кисломолочные бактерии являются наиболее подходящими кандидатами на роль пробиотических микроорганизмов. В начале XX века он писал: «Многочисленные разнообразные ассоциации микроорганизмов, населяющие пищеварительный тракт человека, в значительной степени определяют духовное и физическое здоровье человека» (Мечников И. И., 1988).
В недавно проведенных исследованиях с использованием молекулярных методов установлено, что ряд ранее предложенных гипотез и эмпирических подходов к лечению некоторых заболеваний определенно состоятельны в аспекте значимой взаимосвязи их с кишечной микрофлорой (Маевская Е. А., 2013). В первую очередь речь идет о целиакии, синдроме раздраженного кишечника, ожирении, колоректальном раке, воспалительных заболеваниях кишечника и аллергических реакциях (Serban D. E., 2011).
К настоящему моменту стало известно, что пробиотические бактерии способны взаимодействовать с клетками организма-хозяина вмешательством в работу межклеточных путей передачи сигналов (Шаховская А. К., 2011; Penner R., 2005). Секретируемые бактериальные продукты (пептиды, короткоцепочечные жирные кислоты, бактериоцины, оксид азота) (Cotter, P. D., 2005; Lundberg J. O., 2004; Strompfova V., 2007; Vasilijevic T., 2008) и структурные компоненты погибших бактерий (ДНК, протеины, липополисахариды) (Bergonzelli G. E., 2005) способны вызывать специфический ответ со стороны организма человека, например, изменяя активность факторов транскрипции NF-kB и АР-1 либо через протеинкиназы, активируемые митогенами (МАРК), либо протеинкиназы С и фосфатидил-инозитол-3-киназы (Penner R., 2005; Shida K., 2008).
Пространство взаимодействия пробиотика и организма хозяина можно разделить на три уровня (Шаховская А. К., 2011): 1) просвет кишечника, 2) кишечный эпителий и 3) иммунная система. Биологические эффекты пробиотических микроорганизмов (Шаховская А. К., 2011):
1. Модулирование иммунного ответа (Santvoort H. C., 2008; Turchet P., 2003):