Кишечная микрофлора и моторика толстой кишки

Многочисленные микроорганизмы, населяющие кишечник человека, образуют единую экосистему и, по существу, орган, обладающий высокой метаболической и иммунологической активностью, определяющий состояние здоровья макроорганизма, часто обозначаемый термином «микробиота».

С.В.Бельмер, А.И.Хавкин

На состав кишечной микрофлоры существенное влияние могут оказывать различные внешние и внутренние факторы, обуславливая нарушения нормального течения физиологических процессов, а в отдельных случаях, приводя к серьезным патологическим состояниям.

Микробная популяция пищеварительной системы

Микробиота ЖКТ человека насчитывает более 1014 микроорганизмов, что на порядок превышает число клеток организма-хозяина [7]. Она включает более чем 50 классификационных типов (phyla), из которых 10 населяет толстую кишку человека, причем три их них (Firmicutes, Bacteroidetesand Actinobacteriapredominate) являются преобладающими [8]. Генотипирование, основанное на анализе 16S рибосомальной РНК показало, что в ЖКТ обитает более 1000 различных видов микроорганизмов [9]. В то же время, несмотря на это разнообразие, ядро микробиоты ЖКТ составляют лишь 18 видов микроорганизмов, обнаруживаемые у всех индивидуумов, и еще 57 видов – обнаруживаемые у 90% лиц. Это указывает на относительную стабильность микробного сообщества в человеческой популяции. Так, J.J.Faith и соавт., проанализировав фекальную микрофлору у 37 лиц, установили, что в среднем 60% бактериальных видов остаются стабильными в течение 5 лет наблюдения, а многие из них обнаруживаются в организме и через 10 лет [10].

Микробная популяция толстой кишки – наиболее обширная по сравнению с другими отделами ЖКТ. В целом разнообразие кишечного микробиоценоза определяется возрастом, характером питания и состоянием здоровья [13, 14].

Кишечная микрофлора новорожденных

Бактерии в кишечнике появляются с первого дня жизни и представлены энтерококками, кишечной палочкой, головчатыми бактериями, протеем и другими. В дальнейшем кишечная флора становится разнообразнее и по составу приближается к флоре взрослого человека. У детей старшего возраста насчитывается более 1000 видов микроорганизмов.

В первые часы (от 3 до 19) после рождения кишечник освобождается от первородного кала – мекония. Он представляет собой густую клейкую массу темно-зеленого цвета с рН, приблизительно равным 6,0. В состав мекония входят опущенный эпителий, сгустившаяся слизь, остатки поглощенных околоплодных вод, желчные пигменты. В течение первых 3–5 ч меконий стерилен, позже в нем содержатся микроорганизмы. В первые 2–3 дня жизни к меконию примешивается и кал. На 4–5-й день меконий из кала исчезает. У детей 1-го месяца дефекация происходит после каждого кормления – 5–7 раз в сутки, со 2-го месяца дефекация становится реже – 3–6 раз, к одному году – 1–2 раза. При смешанном и искусственном вскармливании дефекация происходит реже. Кал у детей на грудном вскармливании имеет консистенцию мягкой мази, желтого цвета, кислого запаха; количество кала – около 1–3 г на 100 г молока. При смешанном вскармливании кал кашицеобразный, беловато-желтого цвета; при искусственном – более густой консистенции, щелочной реакции и с более резким запахом. У детей к 1-му году кал оформлен в виде цилиндров диаметром 1,5–2,5 см, 50–70 г в сутки. Толстая кишка продолжает увеличиваться по относительной длине по мере взросления, что, вероятно, связано с увеличением грубых, трудно перевариваемых видов пищи в рационе человека с возрастом.

Пребиотики как элемент диеты макро- и микроорганизмов

Жизнедеятельность микроорганизмов, населяющих ЖКТ человека, обеспечивается за счет нутриентов, которые не перевариваются собственными ферментативными системами кишечника и не всасываются в тонкой кишке. Эти нутриенты получили название «пребиотики». Согласно современному определению, пребиотиками называют частично или полностью неперевариваемые компоненты пищи, которые избирательно стимулируют рост и/или метаболизм одной или нескольких групп микроорганизмов, обитающих в толстой кишке, обеспечивая нормальный состав кишечного микробиоценоза.

С биохимической точки зрения под пребиотиками понимают обычно углеводные компоненты питания, особо необходимые для жизнедеятельности нормальной кишечной микрофлоры. Хотя моносахариды могут легко утилизироваться микроорганизмами толстой кишки, к пребиотикам их не относят, т.к. они должны полностью всасываться в тонкой кишке. К пребиотикам относят некоторые дисахариды, олигосахариды, полисахариды и достаточно гетерогенную группу соединений, которую обозначили как пищевые волокна. В женском молоке из пребиотиков присутствует лактоза и олигосахариды.

Лактоза (молочный сахар) представляет собой дисахарид, состоящий из галактозы и глюкозы. В норме лактоза расщепляется лактазой тонкой кишки до мономеров, которые практически полностью всасываются в тонкой кишке. Лишь незначительное количество нерасщепленной лактозы у детей первых месяцев жизни попадает в толстую кишку, где утилизируется микрофлорой, обеспечивая ее становление.

Олигосахариды представляют собой линейные полимеры глюкозы и других моносахаров с общей длиной цепи не более десяти. Концентрация олигосахаридов в женском молоке относительно невелика, не более 12–14 г/л, однако их пребиотический эффект весьма значителен. Именно олигосахариды сегодня рассматриваются как основные пребиотики женского молока, обеспечивающие как становление нормальной микрофлоры кишечника ребенка, так и поддержание в дальнейшем.

Клетчатка – большая гетерогенная группа полисахаридов, которые представляют собой длинноцепочечные углеводы, в основном растительного происхождения (наиболее известны целлюлоза и гемицеллюлоза). Один из примеров – инулин, который утилизируется бифидо- и лактобактериями, способствуя их росту. Помимо выполнения роли субстрата для лакто- и бифидофлоры , клетчатка обладает высокой адсорбционной способностью и удерживает воду, что приводит к повышению осмотического давления в полости кишки, увеличению объема фекалий, ускорения пассажа по кишечнику, что обуславливает слабительный эффект.

Пребиотики важны не только для питания микрофлоры, но также для благополучия ЖКТ и всего организма в целом. В то же время, в современных условиях отмечается дефицит пребиотиков в питании во всех возрастных группах. В частности, взрослый человек должен съедать в сутки примерно 20–35 г пищевых волокон, тогда как в реальных условиях европейский житель потребляет не более 13 г в сутки. Уменьшение доли естественного вскармливания у детей первого года жизни приводит к недостатку пребиотиков, содержащихся в женском молоке. Эта нехватка пребиотиков в питании может объяснять, как увеличение частоты функциональных запоров, так и увеличение частоты рака толстой кишки.

Таким образом, пребиотики обеспечивают благополучие микрофлоры толстой кишки, ее здоровье и являются необходимым фактором здоровья человека в связи с их существенными метаболическими эффектами. Преодоление дефицита пребиотиков в современных условиях связано с обеспечением рационального питания человека в любом возрасте.

Метаболические особенности симбиоза

Свои энергетические потребности микроорганизмы толстой кишки обеспечивают за счет анаэробного субстратного фосфорилирования, в ходе которого образуется преимущественно молочная кислота (молочное брожение, характерное для лактобактерий, стрептококков толстой кишки) или молочная кислота в сочетании с другими метаболитами (в т.ч. уксусной кислотой, присущее бифидобактериям).

В результате микробного метаболизма в толстой кишке образуются также короткоцепочечные жирные кислоты, углекислый газ, водород, вода. Углекислый газ в большой степени преобразуется в ацетат, водород всасывается и выводится через легкие, а органические кислоты утилизируются макроорганизмом. Наиболее значимы уксусная , пропионовая, масляная / изомасляная, валериановая / изовалериановая, капроновая / изокапроновая кислоты Нормальная микрофлора толстой кишки, перерабатывая непереваренные в тонкой кишке углеводы, производит перечисленные кислоты с минимальным количеством их изоформ. В то же время, при нарушении микробиоценоза и увеличении доли протеолитической микрофлоры указанные жирные кислоты начинают синтезироваться из белков преимущественно в виде изоформ, что отрицательным образом сказывается на состоянии толстой кишки, с одной стороны, и может быть диагностическим маркером, с другой.

Концентрация короткоцепочечных жирных кислот (КЦЖК) в толстой кишке максимальная в проксимальных отделах, т.е. там, где идет наиболее интенсивный их синтез, и снижается к дистальным отделам. В среднем концентрация КЦЖК в толстой кишке взрослого человека составляет 70–140 ммоль/л в проксимальных отделах толстой кишки и 20–70 ммоль/л – в дистальных [15]. У новорожденного ребенка КЦЖК в толстой кишке в виду отсутствия микрофлоры практически отсутствуют. Их количество у здорового ребенка резко нарастает к 20–30 дню жизни до 70–80 ммоль/л, что совпадает с периодом нормального становления кишечной микрофлоры и далее достигает «взрослых» значений к 2-м годам жизни [16].

Ацетат является преобладающим во всех возрастных группах, однако у детей первых месяцев жизни, находящихся на естественном вскармливании, концентрация бутирата и пропионата очень невелики, а основную часть метаболитов микробной микрофлоры составляют ацетат и лактат. При искусственном вскармливании доля лактата уменьшается, а бутирата и пропионата увеличивается, что объясняется изменением состава микрофлоры и может иметь отрицательные последствия для состояния кишечника [17].

КЦЖК, образованные в результате микробного метаболизма, имеют важное значение как для толстой кишки, так и для макроорганизма в целом. Повышение концентрации КЦЖК сочетается со снижением осмотического давления в толстой кишке в связи с расщеплением полисахаридов [15, 18–20].

Регуляция кишечного транзита органическими кислотами связана не только с изменением осмотического давления в результате их синтеза. В проксимальных отделах толстой кишки КЦЖК стимулируют рецепторы L-клеток, которые вырабатывают регуляторный пептид PYY, который, в свою очередь, замедляет моторику как толстой, так и тонкой кишки. Установлено, что выработка PYY лежит в основе «илеоцекального тормоза», замедляющего кишечную моторику при попадании в толстую кишку недопереваренных жиров [21]. В дистальных отделах толстой кишки эффект КЦЖК противоположный. Они стимулируют рецепторы Ecl-клеток, вырабатывающих гистамин, который действуя на 5-HT 4-рецепторы афферентных волокон блуждающего нерва инициирует рефлекторное ускорение моторики [22].

Большая часть КЦЖК, образовавшихся в толстой кишке, всасывается. Эффективность всасывания КЦЖК имеет значение не только для поддержания водно-электролитного равновесия и минерального обмена в организме, но также для регуляции моторики толстой кишки, проявляя свой антидиарейный эффект [23, 24].

Наконец, важнейшей функцией микрофлоры в связи с метаболизмом пребиотиков в КЦЖК является обеспечение колоноцита энергией. Показано, что КЦЖК являются регуляторами апоптоза и обладают антиканцерогенным эффектом, снижая пролиферацию клеток эпителия толстой кишки, но повышая ее их дифференцировку [25]. Поступившие в колоноцит ацетат и пропионат в основном выводятся в кровоток. При этом на уровне толстой кишки они участвуют в регуляции ее кровотока. Большая часть ацетата и пропионата в тканях идет на синтез глюкозы и небольшая часть (не более 10%) на энергетические нужды [15].

Таким образом, метаболическая активность микрофлоры толстой кишки имеет существенное значение для благополучия ЖКТ, в частности, обеспечения нормального кишечного транзита.

Список литературы

1. Ленюшкин А.И. Детская колопроктология. М., 1990. 352 с.
2. Andrews Ch.N., Storr M. Pathophysiology of chronic constipation. Can J Gastroenterol. 2011; 25 Supple В: 17B–23B.
3. Lynch AC, Anthony A, Dobbs BR, Frizelle FA. Anorectal physiology following spinal cord injury. Spinal Cord.- 2000. 38:573-580.
4. Aaronson MJ, Freed MM, Burako R. Colonic myoelectric activity in persons with spinal cord injury. Dig Dis Sci. 1985. 30:295-300.
5. Rostad H. Colonic motility in the cat. II. Extrinsic nervous control. Acta Physiol Scand.- 1973. 89: 91-103.
6. Lysy J, Karmeli F, Sestieri M, Yatzkan Y, Goldin E. Decreased substance P content in the rectal mucosa of diabetics with diarrhoea and constipation. Metabolism.- 1997. 46: 730-734.
7. Simrén M, Barbara G, Flint HJ, Spiegel BM, Spiller RC, Vanner S, Verdu EF, Whorwell PJ, Zoetendal EG. Intestinal microbiota in functional bowel disorders: a Rome foundation report. Gut 2013; 62: 159-176.
8. Dethlefsen L, McFall-Ngai M, Relman DA. An ecological and evolutionary perspective on human-microbe mutualism and disease. Nature 2007; 449: 811-818.
9. Qin J, Li R, Raes J, Arumugam M, Burgdorf KS, Manichanh C, Nielsen T, Pons N, Levenez F, Yamada T, Mende DR, Li J, Xu J, Li S, Li D, Cao J, Wang B, Liang H, Zheng H, Xie Y, Tap J, Lepage P, Bertalan M, Batto JM, Hansen T, Le Paslier D, Linneberg A, Nielsen HB, Pelletier E, Renault P, Sicheritz-Ponten T, Turner K, Zhu H, Yu C, Li S, Jian M, Zhou Y, Li Y, Zhang X, Li S, Qin N, Yang H, Wang J, Brunak S, Doré J, Guarner F, Kristiansen K, Pedersen O, Parkhill J, Weissenbach J, Bork P, Ehrlich SD, Wang J. A human gut microbial gene catalogue established by metagenomic sequencing. Nature 2010; 464: 59-65.
10. Faith JJ, Guruge JL, Charbonneau M, Subramanian S, Seedorf H, Goodman AL, Clemente JC, Knight R, Heath AC, Leibel RL, Rosenbaum M, Gordon JI. The longterm stability of the human gut microbiota. Science 2013; 341: 1237439.
11. Koren O, Knights D, Gonzalez A, Waldron L, Segata N, Knight R, Huttenhower C, Ley RE. A guide to enterotypes across the human body: meta-analysis of microbial community structures in human microbiome datasets. PLoS Comput Biol 2013; 9: e1002863.
12. Arumugam M, Raes J, Pelletier E, Le Paslier D, Yamada T, Mende DR, Fernandes GR, Tap J, Bruls T, Batto JM, Bertalan M, Borruel N, Casellas F, Fernandez L, Gautier L, Hansen T, Hattori M, Hayashi T, Kleerebezem M, Kurokawa K, Leclerc M, Levenez F, Manichanh C, Nielsen HB, Nielsen T, Pons N, Poulain J, Qin J, Sicheritz-Ponten T, Tims S, Torrents D, Ugarte E, Zoetendal EG, Wang J, Guarner F, Pedersen O, de Vos WM, Brunak S, Doré J, Antolín M, Artiguenave F, Blottiere HM, Almeida M, Brechot C, Cara C, Chervaux C, Cultrone A, Delorme C, Denariaz G, Dervyn R, Foerstner KU, Friss C, van de Guchte M, Guedon E, Haimet F, Huber W, van Hylckama-Vlieg J, Jamet A, Juste C, Kaci G, Knol J, Lakhdari O, Layec S, Le Roux K, Maguin E, Mérieux A, Melo Minardi R, M'rini C, Muller J, Oozeer R, Parkhill J, Renault P, Rescigno M, Sanchez N, Sunagawa S, Torrejon A, Turner K, Vandemeulebrouck G, Varela E, Winogradsky Y, Zeller G, Weissenbach J, Ehrlich SD, Bork P. Enterotypes of the human gut microbiome. Nature 2011; 473: 174-180.
13. Whelan K, Quigley EM. Probiotics in the management of irritable bowel syndrome and inflammatory bowel disease. Curr Opin Gastroenterol 2013; 29: 184-189.
14. Sung Noh Hong, Poong-Lyul Rhee. Unraveling the ties between irritable bowel syndrome and intestinal microbiota. World J Gastroenterol 2014; 20(10): 2470-2481.
15. Topping D.I., Clifton P.M. Short-Chain Fatty Acids and Human Colonic Function: Roles of Resistant Starch and Nonstarch Polysaccharides. Physiological Reviews. 2001; 81(3): 1031-1064.
16. Midtvedt AC, Midtvedt T. Production of short chain fatty acids by the intestinal microflora during the first 2 years of human life. J Pediatr Gastroenterol Nutr. 1992; 15(4): 395-403.
17. Parrett A M, Edwards C A.In vitro fermentation of carbohydrate by breast fed and formula fed infants. Archives of Disease in Childhood.- 1997.- N76: 249-253.
18. Ардатская М. Д., Минушкин О. Н. Современные принципы диагностики и фармакологической коррекции Гастроэнтерология, приложение к журналу Consilium Medicum. 2006; 8(2): 33-37.
19. Ардатская М.Д. Клиническое значение короткоцепочечных жирных кислот при патологии желудочно-кишечного тракта. Автореферат дисс. …док.мед.наук. Москва, 2003. 45 с.
20. Ардатская М.Д. Опыт применения препарата Закофальк в различных областях гастроэнтерологии. Сборник научно-практических работ под редакцией М.Д. Ардатской. М: Форте принт, 2014. С.4-15.
21. Cherbut C., Ferrier L., Rozé C., Anini Y., Blottière H., Lecannu G., Galmiche J.-P. Short-chain fatty acids modify colonic motility through nerves and polypeptide YY release in the rat. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol. 1998; 275. Issue 6: G1415-G142Fukumoto S., Tatewaki M., Yamada T., Fujimiya M., Mantyh C., Voss M., Eubanks S., Harris M., Pappas T.N., Takahashi T. Short-chain fatty acids stimulate colonic transit via intraluminal 5-HT release in rats. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 2003; 284 Issue 5: R1269-R1276.
22. Sandle G.I. Salt and water absorption in the human colon: a modern appraisal. Gut. 1998; 43: 294-299.
23. Сугян Н.Г. Клиническое значение короткоцепочечных жирных кислот при функциональных нарушениях желудочно-кишечного тракта у детей раннего возраста. Автореф. дис. … кан. мед. наук. М.: 2010. С.5-23.
24. Li Q1, Wang C, Tang C, Li N, Li J. Molecular-phylogenetic characterization of the microbiota in ulcerated and non-ulcerated regions in the patients with Crohn's disease. 2012; 7(4): e34939.
25. Southwell BR, Clarke MC, Sutcliffe J, Hutson JM. Colonic transit studies: Normal values for adults and children with comparison of radiological and scintigraphic methods. Pediatr Surg Int 2009;25:559-72.