ООО "ПРОПИОНИКС"
пн-пт с 09:00 до 18:00 | +7 (966) 348-80-35 |
СОДЕРЖАНИЕ
С увеличением количества доказательств, связывающих определенные заболевания человеческого организма с нарушением микробиоты кишечника, растет интерес к соединениям, которые положительно влияют на ее состав и активность посредством диеты. Помимо потребления пробиотиков для стимуляции благоприятных бактериальных сообществ в желудочно-кишечном тракте человека, можно употреблять пребиотики, такие как фруктаны инулинового типа (ITF) и арабиноксилан-олигосахариды (AXOS), для увеличения количества бифидобактерий в толстой кишке. Бифидобактериям приписывают несколько функций, включая разложение неперевариваемых углеводов, защиту от патогенов, выработку витамина B, антиоксидантов и конъюгированных линолевых кислот, а также стимуляцию иммунной системы. В течение жизни количество бифидобактерий снижается с 90% от общей микробиоты толстой кишки вагинально рожденных младенцев, находящихся на грудном вскармливании, до <5% в толстой кишке взрослых, и еще больше снижается у пожилых людей, а также у пациентов с некоторыми расстройствами, такими как антибиотик-ассоциированная диарея, воспалительные заболевания кишечника, синдром раздраженного кишечника, ожирение, аллергия и регрессивный аутизм. Было высказано предположение, что бифидогенные эффекты ITF и AXOS являются результатом специфических для каждого штамма, но взаимодополняющих механизмов деградации углеводов в сотрудничающих консорциумах бифидобактерий. Помимо бифидогенного эффекта, ITF и AXOS также обладают бутирогенным эффектом в толстой кишке человека, т.е. усилением выработки бутирата в толстой кишке. Бутират является важным метаболитом в толстой кишке человека, поскольку он является предпочтительным источником энергии для эпителиальных клеток толстой кишки, способствует поддержанию барьерных функций кишечника и обладает иммуномодулирующими и противовоспалительными свойствами. Было показано, что бутирогенные эффекты ITF и AXOS являются результатом перекрестного взаимодействия между бифидобактериями и продуцирующими бутират бактериями толстой кишки, такими как Faecalibacterium prausnitzii (клостридиальный кластер IV) и видами Anaerostipes, Eubacterium и Roseburia (клостридиальный кластер XIVa). Подобные взаимодействия, возможно, способствуют сосуществованию штаммов бифидобактерий с другими бифидобактериями и с бактериями, продуцирующими бутират, в толстой кишке человека.
Вступление
Принимая во внимание, что микробиота кишечника человека в прошлом изучалась главным образом в контексте инфекционных заболеваний, сегодня известно, что это огромное количество микроорганизмов играет незаменимую роль в нормальном развитии и функционировании человеческого организма (122; 153). В желудочно-кишечном тракте взрослого человека толстая кишка содержит наиболее плотную (>1011 бактерий на мл содержимого просвета) и метаболически активную микробиоту (рис. 1; 184; 131). Огромное количество генов (более чем в 100 раз превышающее количество генов генома человека), кодируемых этой микробиотой, существенно расширяет биохимические и метаболические возможности хозяина (5; 131). Примерами поддерживающих функций кишечной микробиоты человека являются разложение неперевариваемых пищевых соединений; трансформация токсичных соединений; а также выработка необходимых витаминов, важных конечных продуктов метаболизма и защитных бактериоцинов (153). Конечные продукты метаболизма микроорганизмов, на долю которых приходится треть метаболитов, присутствующих в крови человека, играют важную роль в гомеостазе кишечника и оказывают влияние на метаболизм и здоровье хозяина (185; 81; 103; 150; 134). Ацетат, бутират и пропионат короткоцепочечных жирных кислот (SCFAs) (обычно встречающиеся в соотношении 3:1:1) являются количественно (общая концентрация 50-150 мМ) и метаболически наиболее важными микробными конечными продуктами процесса ферментации в толстой кишке человека (103), поскольку они проявляют ряд физиологических эффектов (таблица 1).
Рис. 1. Пространственное распределение и концентрации бактерий в желудочно-кишечном тракте человека (159). Перечень доминантных родов в желудке, тонком кишечнике и толстой кишке основан на исследованиях последовательности генов 16S рРНК (156, 189, 28, 181).
Таблица 1. Обзор физиологических эффектов ацетата, пропионата и бутирата короткоцепочечных жирных кислот (SCFAs), продуцируемых бактериями толстой кишки человека (78; 1; 79; 104; 19; 103; 158).
SCFA
|
Физиологический эффект
|
Ацетат CH3-COO−
|
Достигает воротной вены и метаболизируется в различных тканях.
Кишечные эффекты
Является второстепенным источником энергии для эпителиальных клеток толстой кишки.
Снижает pH толстой кишки (что снижает растворимость солей желчных кислот, увеличивает абсорбцию минералов, уменьшает абсорбцию аммиака и подавляет рост патогенов)
Обладает противовоспалительным действием
Увеличивает кровоток в толстой кишке и поглощение кислорода.
Используется видами перекрестного питания в качестве совместного субстрата для производства бутирата.
Другие эффекты
Является субстратом для биосинтеза холестерина и жирных кислот в печени.
Является источником энергии для мышечной и мозговой ткани.
|
Пропионат
CH3-CH2-COO−
|
Достигает воротной вены и затем поглощается печенью.
Кишечные эффекты
Является второстепенным источником энергии для эпителиальных клеток толстой кишки.
Снижает pH толстой кишки (что снижает растворимость солей желчных кислот, увеличивает абсорбцию минералов, уменьшает абсорбцию аммиака и подавляет рост патогенов)
Предотвращает пролиферацию и индуцирует апоптоз клеток колоректального рака.
Взаимодействует с иммунной системой
Обладает противовоспалительным действием
Другие эффекты
Способствует насыщению
Снижает уровень холестерина в крови
Уменьшает липогенез в печени
Улучшает чувствительность к инсулину
|
Бутират CH3-CH2-CH2-COO−
|
В основном поглощается эпителиальными клетками толстой кишки, лишь небольшие количества достигают воротной вены и системного кровообращения.
Кишечные эффекты
Является предпочтительным источником энергии для эпителиальных клеток толстой кишки.
Снижает pH толстой кишки (что снижает растворимость солей желчных кислот, увеличивает абсорбцию минералов, уменьшает абсорбцию аммиака и подавляет рост патогенов)
Стимулирует пролиферацию нормальных эпителиальных клеток толстой кишки.
Предотвращает пролиферацию и индуцирует апоптоз клеток колоректального рака.
Влияет на экспрессию генов эпителиальных клеток толстой кишки.
Играет защитную роль против рака толстой кишки и колита.
Улучшает барьерную функцию кишечника за счет стимуляции образования муцина, антимикробных пептидов и белков плотных соединений.
Взаимодействует с иммунной системой
Обладает противовоспалительным действием
Стимулирует всасывание воды и натрия.
Снижает окислительный стресс в толстой кишке
Другие эффекты
Способствует насыщению
|
Изменения в составе микробиоты кишечника связаны с нарушением барьерных функций кишечника, повышением проницаемости кишечника и увеличением концентрации липополисахаридов в плазме (т. е. метаболической эндотоксемией), что вызывает вялотекущее воспаление, провоцирующее развитие ожирения и метаболического синдрома (17). Также другие расстройства, такие как воспалительные заболевания кишечника (ВЗК, включая болезнь Крона и язвенный колит), синдром раздраженного кишечника (СРК), колоректальный рак и аллергии, были связаны с изменениями в составе микробиоты кишечника (30; 99). В последние годы даже была установлена связь между составом микробиоты кишечника и поведенческими расстройствами, такими как депрессия, тревожное расстройство, регрессивный аутизм и шизофрения (23, 13, 35). Однако, в то время как все больше исследований на животных подтверждают причинно-следственные связи между изменениями состава микробиоты кишечника и некоторыми расстройствами (как в случае с ожирением; 135), для людей пока не доказано, могут ли изменения состава микробиоты кишечника вызывать расстройства или эти изменения являются следствием самих расстройств (30).
В последние годы несколько отдельных членов микробиоты кишечника человека привлекли особое внимание из-за их специального метаболизма и центральной роли в гомеостазе кишечника, а также потому, что их потеря отрицательно влияет на оставшиеся микроорганизмы и/или здоровье хозяина. Виды Bifidobacterium являются одним из таких видов бактерий, которые выполняют важные функции в толстой кишке человека (98; 140). Уменьшение количества этих видов в толстой кишке связано с несколькими расстройствами. Более того, было показано, что они взаимодействуют с другими бактериями толстой кишки, такими как бактерии, продуцирующие бутират, путем перекрестного питания. Кроме того, снижение концентрации бутирата и уменьшение количества производителей бутирата в толстой кишке человека связаны с расстройствами. Поэтому эти знания послужили стимулом для разработки подходов к стимулированию роста и/или активности бифидобактерий, т.е. бифидогенного эффекта, и бутират-продуцирующих толстокишечных бактерий, т.е. бутирогенного эффекта, в толстой кишке человека. Наиболее распространенные способы вызвать бифидогенный и бутирогенный эффекты связаны с употреблением пробиотиков и пребиотиков.
Общие аспекты
Бифидобактерии — это грамположительные анаэробные сахаролитические бактерии, принадлежащие к типу актинобактерий; они в основном встречаются в желудочно-кишечном тракте млекопитающих, птиц и насекомых, но также присутствуют в сточных водах, грудном молоке человека, кисломолочных продуктах, сырах и водном кефире (12; 90; 97; 96). Типичный геном бифидобактерий имеет средний размер от 2,0 до 2,8 Mb и характеризуется высоким содержанием гуанина и цитозина, а также многочисленными генами, участвующими в поглощении и расщеплении углеводов как из рациона, так и из организма хозяина (176). Бифидобактерии являются одними из первых бактерий, колонизирующих желудочно-кишечный тракт человека и достигающих своей наибольшей доли в толстой кишке (до 90% от общей микробиоты толстой кишки у детей на грудном вскармливании, родившихся естественным путем) в течение первых 12 месяцев жизни (155; 162). Это количество значительно снижается с течением времени до <5% у взрослых и еще больше снижается у пожилых людей (4; 38). На момент написания этой статьи род Bifidobacterium насчитывал 51 вид (53, 54; 96), среди которых Bifidobacterium longum, Bifidobacterium animalis, Bifidobacterium adolescentis, Bifidobacterium bifidum, Bifidobacterium catenulatum, Bifidobacterium pseudocatenulatum, Bifidobacterium breve, Bifidobacterium pseudolongum, Bifidobacterium gallicum, Bifidobacterium angulatum и Bifidobacterium faecal встречаются в толстой кишке человека (161; 175; 21). В целом, B. bifidum и B. longum являются доминирующими видами у младенцев, тогда как B. adolescentis и B. longum доминируют в микробиоте кишечника взрослых (162). Количественный ПЦР-анализ образцов фекалий 42 здоровых взрослых бельгийцев показал, что фекальная микробиота взрослых содержит от нуля до четырех (в среднем двух) различных видов бифидобактерий, среди которых B. longum (присутствует у 90% взрослых), Наиболее часто выявляемые виды — B. adolescentis (присутствует у 79% взрослых) и B. catenulatum (присутствует у 38% взрослых) (85).
Функциональная роль в толстой кишке
Из растущего числа научных данных, связывающих снижение количества бифидобактерий с заболеваниями, следует, что эти виды оказывают непропорционально большое влияние на толстую кишку человека по сравнению с их относительно низкой численностью у взрослых. Так, снижение относительной численности видов бифидобактерий в толстой кишке человека было связано с антибиотико-ассоциированной диареей, СРК, ВЗК, ожирением, аллергией и регрессивным аутизмом (33; 74). Примеры функций, выполняемых бифидобактериями, включают производство и/или высвобождение витаминов группы B, антиоксидантов, полифенолов и конъюгированных линолевых кислот; созревание иммунной системы в раннем возрасте и сохранение иммунного гомеостаза в течение жизни; сохранение барьерных функций кишечника и защита от патогенов за счет выработки бактериоцинов, снижения pH в просвете за счет выработки кислот и блокирования адгезии патогенов к слизистой оболочке кишечника (98; 71, 70; 140; 64). Однако эти функции не характерны для рода Bifidobacterium или отдельных видов, а скорее штаммоспецифичны. Другой важной функцией рода бифидобактерий, которая способствует гомеостазу кишечника и здоровью хозяина, является выработка ацетата и лактата во время ферментации углеводов, органических кислот, которые, в свою очередь, могут превращаться в бутират другими бактериями толстой кишки посредством перекрестного питания (таблица 1; 31; 32; 136).
Метаболизм
Бифидобактерии обладают строго ферментативным метаболизмом, то есть получают энергию в виде АТФ путем субстратного фосфорилирования в процессе анаэробного расщепления углеводов, и играют важную роль в толстой кишке человека в отношении расщепления углеводов, которые не перевариваются и не всасываются в верхних отделах желудочно-кишечного тракта (129; 32). Гликозидгидролазы (EC 3.2.1.x) составляют наиболее важную группу ферментов, которую бактерии толстой кишки используют для расщепления поли- и олигосахаридов до ферментируемых моносахаридов (167; 168). По сравнению с геномом человека, кодирующим только 17 гликозидгидролаз для переваривания пищевых углеводов, геномы бифидобактерий содержат большое количество генов, кодирующих эти карбогидразы (50). Например, геном B. longum NCC2705 содержит 56 генов, кодирующих гликозидгидролазы, один ген, кодирующий углеводную эстеразу (EC 3.1.1.x), но нет генов, кодирующих полисахаридлиазы (EC 4.2.2.x; 145; 101). Бифидобактерии особенно специализируются на эффективном поглощении коротких олигосахаридов клеткой, где они далее разлагаются до моносахаридов, т.е. они демонстрируют преимущественный метаболизм олигосахаридов, что дает им конкурентное преимущество перед другими бактериями толстой кишки, которые расщепляют углеводы внеклеточно (170, 171; 58; 31; 32). Около 5% общего содержания бифидобактериальных генов предназначено для интернализации углеводов через АТФ-связывающие кассетные транспортеры, пермеазы или протонные симпортеры (174). Например, B. longum NCC2705 содержит 15 генов, кодирующих транспортные системы, которые могут участвовать в транспорте олигосахаридов (145; 127). Несколько лабораторных исследований ферментации показали, что бифидобактерии могут использовать различные неперевариваемые углеводы в качестве источников энергии, включая углеводы растительного происхождения (такие как резистентный крахмал, пектин, инулин, арабиноксилан (АХ), целлюлоза и соответствующие им олигосахариды) и вырабатываемые хозяином углеводы (олигосахариды женского молока и муцин), хотя эта способность также зависит от штамма (91; 32; 137; 112; 149).
После проникновения в цитоплазму моносахариды гексозы (например, фруктоза и глюкоза) превращаются в ацетат и лактат с помощью фруктозо-6-фосфатфосфокетолазного пути или т.н. бифидного шунта (32). (прим. ред.: Бифидобактерии используют уникальный путь катаболизма гексозы, при котором образуются в основном ацетат и лактат. Этот путь ферментации, известный как "Бифидобактериальный шунт" или "фруктозо-6-фосфатный путь", дает 3 моля ацетата и 2 моля лактата на 2 моля глюкозы с образованием 5 молей АТФ).
Первоначально бифидобактерии расщепляют с помощью ключевого фермента фруктозо-6-фосфатфосфокетолазы один моль фруктозо-6-фосфата на один моль эритрозо-4-фосфата и один моль ацетилфосфата (рис. 2А). Из эритрозо-4-фосфата и дополнительного моля фруктозо-6-фосфата в результате последовательного действия трансальдолазы и транскетолазы образуется один моль рибозо-5-фосфата и один моль ксилулозо-5-фосфата. Два моля ксилулозо-5-фосфата впоследствии превращаются в два моля ацетилфосфата и два моля глицеральдегид-3-фосфата под действием ксилулозо-5-фосфатфосфокетолазы. Эти два моля ацетилфосфата плюс дополнительный моль ацетилфосфата (вырабатываемого фруктозо-6-фосфатфосфокетолазой) далее преобразуются ацетаткиназой в три моля ацетата, что сопровождается образованием трех молей АТФ. Два моля глицеральдегид-3-фосфата окисляются в два моля пирувата ферментами, участвующими в пути Эмбдена-Мейергофа-Парнаса, что приводит к дополнительному образованию двух молей АТФ. На последней стадии пируват может быть восстановлен в лактат с помощью лактатдегидрогеназы, что сопровождается рециркуляцией NAD+ . Таким образом, при ферментации моносахаридов гексозы образуются ацетат и лактат в теоретическом молярном соотношении 1,5 (ацетата к лактату) и образуется три моля АТФ. Пентозные моносахариды (например, арабиноза и ксилоза) также могут быть доставлены в бифидобактерии путем их превращения в ксилулозо-5-фосфат (рис. 2А). Однако это не сопровождается образованием дополнительного моля ацетата (и, следовательно, никакого дополнительного моля АТФ), как в случае ферментации гексозы, что приводит к конечному теоретическому молярному соотношению ацетата к лактату, равному 1,0, и двум молям АТФ (129; 32). Однако эти теоретические соотношения редко встречаются при бифидобактериальной ферментации углеводов из-за образования формиата, ацетата и этанола из пирувата вместо лактата (рис. 2А), что зависит от доступного источника энергии и нормы ее потребления (125; 170; 169; 171; 59; 32). Образование формиата из пирувата формиатацетилтрансферазой за счет лактата может быть объяснено необходимостью дополнительной выработки АТФ посредством сопутствующего производства ацетата, когда бифидобактерии выращивают на сложных углеводах для улучшения их приспособленности, несмотря на их более низкую скорость роста по сравнению с простыми углеводами. Бифидобактерии также способны продуцировать этанол из ацетил-КоА с помощью бифункциональной альдегид-алкогольдегидрогеназы за счет ацетата, что позволяет продолжать производство пирувата путем регенерации NAD+. Этот сдвиг в метаболизме в сторону от выработки лактата был обнаружен при разложении сложных углеводов, таких как фруктаны инулинового типа (ITF; олигофруктоза и инулин; 170; 59) и арабиноксилан-олигосахариды (AXOS; 137, 136). Бифидобактерии также могут регенерировать NAD+ путем производства сукцината из оксалоацетата, который, в свою очередь, образуется из фосфоенолпирувата (рис. 2А; 169).
Рисунок 2. (А) схематическое изображение ферментации гексоз (глюкозы и фруктозы) и пентоз (арабинозы и ксилозы) бифидобактериями с помощью фруктозо-6-фосфатфосфокетолазного пути или бифид-шунта. (B) схематическое изображение ферментации гексоз (глюкозы и фруктозы) и пентоз (арабинозы и ксилозы) бактериями толстой кишки, продуцирующими бутират, по пути Эмбдена-Мейергофа-Парнаса и пентозофосфатному пути, соответственно, и лактата. Пунктирными линиями обозначены различные стадии. Подчеркнутые метаболиты выводятся во внеклеточную среду. Fdox, окисленный ферредоксин; Fdred, восстановленный ферредоксин; FAD, флавинадениндинуклеотид; ферменты: 1, фруктозо-6-фосфатфосфокетолаза; 2, трансальдолаза; 3, транскетолаза; 4, ксилулозо-5-фосфатфосфокетолаза; 5, ацетаткиназа; 6, лактатдегидрогеназа; 7, формиатацетилтрансфераза; 8, бифункциональная альдегид-алкогольдегидрогеназа; 9, фосфотрансацетилаза; 10, фосфоенолпируваткарбоксилаза; 11, малатдегидрогеназа; 12, фумараза; 13, сукцинатдегидрогеназа; 14, пируват:ферредоксиноксидоредуктаза; 15, пируватформиатлиаза; 16, комплекс бутирил-КоА-дегидрогеназы/флавопротеина, переносящего электроны (Bcd/Etf); 17, бутираткиназа; 18, бутирил-КоА:ацетат-КоА-трансфераза; 19, ферредоксингидрогеназа; и 20, комплекс мембраносвязанной ферредоксиноксидоредуктазы (Rnf).
Общие аспекты
Генно-ориентированные подходы к исследованию бактериальных сообществ, продуцирующих бутират, в микробиоте кишечника человека привели к мнению, что бактерии толстой кишки, продуцирующие бутират, образуют функциональную группу, а не монофилетическую группу. Большинство продуцентов бутирата в толстой кишке человека относятся к типу Firmicutes и, в частности, к клостридиальным кластерам Clostridium IV и XIVa (102; 164; Vital et al., 2014). (прим. ред.: Кластер Clostridium XIVa включает следующие виды: Clostridium, Ruminococcus, Lachnospira, Roseburia, Eubacterium, Coprococcus, Dorea и Butyrivibrio. Кластер Clostridium IV состоит из Clostridium, Ruminococcus, Eubacterium и Anaerofilum).
Клостридиальные кластеры IV и XIVa, продуценты бутирата, - грамположительные, высокочувствительные к кислороду, строго анаэробные сахаролитические бактерии. Два наиболее доминирующих вида бактерий в толстой кишке человека - Faecalibacterium prausnitzii (до 14 % от общей микробиоты кишечника, кластер IV) и Eubacterium rectale (до 13 % от общей микробиоты кишечника, кластер XIVa), как ожидается, вносят значительный вклад в производство бутирата (32; 181). Другими важными видами бактерий, продуцирующих бутират в толстой кишке человека, являются Roseburia spp. (кластер XIVa, такие как Roseburia faecis, Roseburia inulinivorans, Roseburia intestinalis и Roseburia hominis), Eubacterium spp. (кластер XIVa, например Eubacterium hallii), Anaerostipes spp. (кластер XIVa, например Anaerostipes butyraticus, Anaerostipes caccae и Anaerostipes hadrus) и Butyricicoccus pullicaecorum (кластер IV). Некоторые из этих видов (например, E. rectale, F. prausnitzii и R. intestinalis) преимущественно колонизируют слой слизи и, соответственно, повышают биодоступность бутирата для эпителиальных клеток толстой кишки, тогда как другие виды, такие как A. caccae, обитают в основном в просвете толстой кишки (49; 164). В отличие от бифидобактерий, кластеры клостридий IV и XIVa не заселяют толстую кишку в больших количествах сразу после рождения. В случае F. prausnitzii было показано, что их количество в фекалиях младенцев младше 6 месяцев не обнаруживается, немного увеличивается в возрасте от 6 до 24 месяцев, затем внезапно возрастает, достигая пика в позднем детстве и подростковом возрасте, и, наконец, снова снижается в зрелом возрасте и особенно у пожилых людей (114).
Функциональная роль в толстой кишке
Клостридиальные кластеры IV и XIVa в последние годы привлекают большое внимание благодаря своему вкладу в гомеостаз кишечника, сохраняя барьерные функции кишечника и оказывая иммуномодулирующее и противовоспалительное действие (173). Помимо полезных свойств вырабатываемого бутирата (табл. 1), F. prausnitzii продуцирует противовоспалительные пептиды, блокирующие активацию ядерного фактора NF-κB и выработку цитокина IL-8 у мышей, что обеспечивает защиту от химически индуцированного колита (132; 133). В ряде исследований было показано, что численность B. pullicaecorum, E. rectale, F. prausnitzii и/или R. intestinalis заметно снижена у пациентов с ВЗК (116; 42; 66) и что у таких пациентов концентрация бутирата в кале ниже, чем у здоровых людей (109; 118). Меньшее количество продуцентов бутирата было также обнаружено у пациентов с колоректальным раком (186). Поэтому в настоящее время ведется поиск методов стимулирования бутират-продуцирующих видов бактерий толстой кишки человека с помощью диеты (пребиотический подход) или путем перорального введения этих бактерий (пробиотический подход). В медицине чистый бутират в виде таблеток или ректальных клизм используется в качестве терапевтического средства для лечения ВЗК (65).
Метаболизм
Подобно бифидобактериям, члены клостридиальных кластеров IV и XIVa осуществляют ферментативный метаболизм и часто способны анаэробно разлагать широкий спектр неперевариваемых углеводов в толстой кишке человека, включая резистентный крахмал, ITF, ксилоолигосахариды (XOS) и AXOS. (60; 102; 148; 136; 115). Например, геном E. rectale ATCC 33656 кодирует 52 гликозидгидролазы, включая β-фруктофуранозидазы, α-арабинофуранозидазы, β-ксилозидазы, экзоолигоксиланазы, α-амилазы, α- и β-глюкозидазы, α- и β- галактозидазы и целлюлазы (101). Однако внутри клостридиальных кластеров IV и XIVa были обнаружены межродовые вариации, поскольку не все виды и даже штаммы внутри одного вида могут потреблять сложные углеводы в одинаковой степени (60; 148; 115). Большинство бутират-продуцирующих бактерий толстой кишки используют непривилегированный механизм внеклеточной деградации для расщепления олиго- и полисахаридов с выделением моносахаридов во внеклеточную среду. Как было показано в лабораторных экспериментах по порционной ферментации, совместное культивирование таких бутират-продуцирующих бактерий с бифидобактериями, имеющими преимущественный механизм деградации углеводов, может повысить конкурентоспособность бутират-продуцирующих бактерий толстой кишки (61, 60; 32). Например, процент олигофруктозы, потребляемой F. prausnitzii DSM 17677T при совместном культивировании с различными штаммами бифидобактерий, снижался по мере увеличения способности последних к деградации ITF (115).
После интернализации в цитоплазму гексозы и пентозы деградируют до пирувата по пути Эмбдена-Мейерхофа-Парнаса или пентозофосфатному пути, соответственно. Как и другие ферментативные бактерии, клостридии кластеров IV и XIVa, продуценты бутирата, обладают несколькими альтернативными путями образования различных конечных метаболитов из пирувата, в зависимости от вида бактерий, источника углеводов, давления водородного газа и необходимости окислительно-восстановительного баланса. Помимо бутирата, они могут образовывать лактат, формиат, газообразный водород и углекислый газ (рис. 2B). Пируват может восстанавливаться в лактат с помощью лактатдегидрогеназы, что сопровождается рециклированием NAD+ (например, R. inulinivorans и E. rectale; 60; 115). Получение бутирата из пирувата включает превращение пирувата в ацетил-КоА с помощью пируват:ферредоксин оксидоредуктазы с восстановлением ферредоксина и образованием углекислого газа (например, большинство клостридиальных бактерий кишечника кластеров IV и XIVa, продуцирующих бутират; 60; 115) и/или с помощью пируват-формиат-лиазы с образованием формиата (например, F. prausnitzii и E. rectale; 136; 115). Два моля ацетил-КоА затем четырехэтапным путем превращаются в бутирил-КоА, причем последний этап осуществляется с помощью комплекса бутирил-КоА-дегидрогеназа/электронпереносящий флавопротеин, который катализирует NADH + Н+-зависимое восстановление кротонил-КоА в сочетании с восстановлением ферредоксина. Последний этап превращения бутирил-КоА в бутират катализируется либо бутираткиназой (после фосфорилирования бутирил-КоА), либо бутирил-КоА:ацетат-КоА-трансферазой (60,102,107,31,115). Известно, что только несколько бутират-продуцирующих бактерий толстой кишки, включая Clostridium butyricum, Coprococcus eutactus и Coprococcus comes, используют бутират-киназу для производства бутирата (102; 179). Этап бутирил-КоА:ацетат-КоА трансферазы включает в себя потребление внешнего ацетата (поступающего, например, из бифидобактерий при расщеплении углеводов в результате перекрестного питания) в качестве ко-субстрата, в результате чего образуются ацетил-КоА и бутират. Образующийся ацетил-КоА может быть преобразован через ацетилфосфат в ацетат с выделением АТФ с помощью ацетат-киназы или рециркулировать в четырехступенчатый путь, упомянутый выше (60). Восстановленный ферредоксин может быть повторно окислен с помощью ферредоксин-гидрогеназы с одновременным образованием H2 и/или с помощью мембраносвязанного ферредоксин-оксидоредуктазного (Rnf) комплекса без образования H2, но с генерацией протонной движущей силы, что позволяет дополнительно производить АТФ (например, R. inulinivorans и F. prausnitzii; 60; 115). Таким образом, производство бутирата не только приводит к регенерации NAD+ из NADH + H+, образующихся в верхних частях путей деградации углеводов для производства АТФ, но и ведет к дополнительной продукции АТФ (60; 102; 107; 31). Некоторые продуценты бутирата, в том числе A. caccae, A. butyraticus, A. hadrus и E. hallii, могут производить бутират из лактата вместо углеводов (рис. 2B; 39; 61, 60; 8; 31; 32).
Поскольку сообщалось об уменьшении количества видов Bifidobacterium и видов бактерий, продуцирующих бутират, в толстой кишке человека у пациентов с различными заболеваниями, а также потому, что SCFAs, продуцируемые этими видами, оказывают благоприятное воздействие (таблица 1), эти бактерии являются потенциальными кандидатами для стимуляции в толстой кишки для предотвращения и восстановления нарушенного гомеостаза кишечника. Наиболее распространенные стратегии стимулирования бифидобактерий и бактерий, продуцирующих бутират, в толстой кишке человека включают потребление пробиотиков и пребиотиков (146).
По данным Международной научной ассоциации пробиотиков и пребиотиков (ISAPP), пробиотики определяются как «живые микроорганизмы, которые при введении в адекватных количествах приносят пользу для здоровья хозяина» (80). Отобранные штаммы видов Bifidobacterium широко используются в качестве пробиотиков и добавляются в пищевые добавки и продукты питания (особенно молочные продукты). Пероральное употребление бифидобактерий было связано с положительным эффектом при различных проблемах и расстройствах пищеварения, включая ускорение времени прохождения через кишечник; улучшение непереносимости лактозы; профилактика диареи, связанной с приемом антибиотиков, и некротизирующего энтероколита (у недоношенных детей, у которых обычно снижено количество бифидобактерий); и облегчение симптомов СРК и ВЗК (98; 33; 157; 141). Кроме того, продолжают появляться данные о том, что бифидобактерии влияют на иммунные реакции и, следовательно, могут повышать устойчивость к инфекциям и аллергиям (33; 63). Кроме того, бифидобактерии проявляют противовоспалительный эффект и отрицательно коррелируют с метаболической эндотоксемией (55). Кроме того, растет интерес к использованию штаммов бифидобактерий (таких как Bifidobacterium infantis 35624 (или теперь B. longum subsp. infantis 35624 – ред.)) в качестве психобиотиков, которые представляют собой «живые организмы, которые при приеме внутрь в адекватных количествах оказывают положительное воздействие на здоровье пациентов, страдающих психическими заболеваниями» (34, 35). Влияние бифидобактерий на здоровье, конечно, связано со штаммом; некоторые штаммы бифидобактерий эффективны, тогда как другие нет. Более того, польза для здоровья пробиотиков, вероятно, вызвана не только употреблением в пищу штаммов бифидобактерий, а скорее результатом взаимодействия с резидентной микробиотой кишечника (18; 146). Действительно, недавнее метагеномное и метатранскриптомное исследование фекалий 12 здоровых людей показало, что пероральное введение пробиотического штамма Lactobacillus rhamnosus GG значительно изменяет активность резидентной микробиоты кишечника, не влияя на сам состав кишечной микробиоты (51). Особенно гены, участвующие в адгезии, хемотаксисе и/или подвижности видов Bifidobacterium, Eubacterium spp. и Roseburia spp. сверхэкспрессируются во время потребления пробиотиков, что позволяет предположить, что потребление пробиотического штамма способствует взаимодействию между резидентной микробиотой кишечника и хозяином. В настоящее время также растет интерес к использованию других бактериальных штаммов в качестве пробиотиков, таких как Akkermansia muciniphila и бактерии толстой кишки, продуцирующие бутират, включая B. pullicaecorum, E. rectale, F. prausnitzii и Roseburia spp. (110; 65; 18; 146). Например, пероральное введение B. pullicaecorum 25-3T и F. prausnitzii A2-165 грызунам показало ослабление химически индуцированного колита (42, 41; 111). Однако то, смогут ли эти строгие анаэробные бактерии толстой кишки пережить суровые этапы промышленного производства и справиться с нормативными препятствиями (поскольку эти бактерии не имеют истории безопасного использования), частично определит их применение в качестве пробиотиков в будущем рационе человека (62, 72, 146).
С момента введения в действие законодательства ЕС в отношении утверждений о пользе для здоровья в 2009 году Европейское управление по безопасности пищевых продуктов (EFSA) не утвердило ни одного утверждения о пользе пробиотиков в продуктах питания, и термин "пробиотик" больше не может использоваться в качестве маркировки продуктов питания в Европе (69). Единственное одобренное утверждение о пользе для здоровья - это польза для переваривания лактозы при употреблении живых штаммов Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus и Streptococcus thermophilus, содержащихся в йогурте или кисломолочных продуктах (43).
В тяжелых случаях нарушения гомеостаза кишечника, когда лечения пробиотиками недостаточно, микробиоту кишечника можно восстановить путем трансплантации всей фекальной микробиоты от здорового донора больному человеку. Однако ISAPP рекомендует не рассматривать трансплантацию фекальной микробиоты (FMT) как испоьзование пробиотиков, поскольку используются неохарактеризованные смеси штаммов (80). Было показано, что FMTs очень эффективны для лечения инфекций Clostridium difficile, хотя они имеют неоднозначные результаты в отношении ВЗК и СРК (3; 126). Кроме того, для лечения болезни Крона и язвенного колита была предложена стратегия поэтапной FMT, которая состоит из FMT с последующими дополнительными этапами FMT или стандартными препаратами для лечения воспалительных заболеваний кишечника в зависимости от клинического ответа пациента на лечение (26). Кроме того, было показано, что у пациентов с метаболическим синдромом повышается чувствительность к инсулину после лечения фекальной микробиотой здоровых людей (180). У этих пациентов после FMT наблюдается повышенное количество бактерий толстой кишки, продуцирующих бутират, и уменьшенное количество грамотрицательных бактерий. Проводятся исследования, чтобы выяснить, могут ли FMTs также лечить расстройства, не связанные с желудочно-кишечным трактом, такие как аллергия и расстройства поведения (187). Однако до настоящего времени было проведено лишь несколько фекальных трансплантаций, поскольку отбор здоровых доноров фекалий требует тщательного обследования, чтобы избежать передачи патогенов и нарушений, связанных с кишечной микробиотой (89). Поэтому ведется поиск новых подходов к трансплантации четко определенных смесей бактерий (29; 166). Однако дополнительная проблема при выборе подходящего здорового донора или бактериального синтетического сообщества заключается в том, что, несмотря на большой объем информации о составе и разнообразии кишечной микробиоты человека, трудно (если не невозможно) определить состав здоровой кишечной микробиоты, поскольку каждый здоровый индивидуум обладает уникальной кишечной микробиотой (30; 57; 100).
Общие сведения
Еще одной стратегией увеличения количества бифидобактерий и бутират-продуцирующих бактерий в толстой кишке человека является употребление пребиотиков, которые согласно ISAPP определяются как "избирательно ферментированные ингредиенты, которые приводят к специфическим изменениям в составе и/или активности микробиоты желудочно-кишечного тракта, тем самым обеспечивая пользу для здоровья хозяина" (68). На сегодняшний день все известные пребиотики являются углеводами, хотя другие соединения, такие как, например, полифенолы, также могут проявлять пребиотические свойства (10). По сравнению с пробиотиками, пребиотики более стабильны и поэтому могут легко добавляться в продукты питания, такие как йогурты, печенье, хлеб, крупы, спреды, мороженое и напитки (68). Критериями для классификации соединения как пребиотика являются: (I) устойчивость к кислотности желудочного сока, гидролизу пищеварительными ферментами млекопитающих и всасыванию в желудочно-кишечном тракте; (II) ферментация кишечной микробиотой; и (III) избирательная стимуляция роста и/или активности кишечных бактерий, связанных со здоровьем и благополучием (67). В прошлом влияние потребления пребиотиков на состав микробиоты кишечника изучалось в основном в отношении видов Bifidobacterium и Lactobacillus (177). Однако недавние анализы кишечной микробиоты в масштабах всего сообщества показывают, что пребиотики не настолько избирательны, как предполагалось ранее, и что они стимулируют также другие бактерии (10). Действительно, было показано, что бактерии толстой кишки, продуцирующие бутират, такие как E. rectale, F. prausnitzii и Roseburia spp., могут потреблять пребиотики, такие как ITF (Inulin-Type Fructans) (60, 61; 136; 115). Кроме того, потребление олигофруктозы изменяет относительную численность 102 бактериальных таксонов у мышей, из которых у 16 наблюдается более чем 10-кратное снижение или увеличение численности (56). Таким образом, Биндельс и др. (10) предложили определить пребиотик как «неперевариваемое соединение, которое посредством метаболизма микроорганизмами в кишечнике модулирует состав и/или активность кишечной микробиоты, оказывая тем самым благотворное физиологическое воздействие на хозяина». С другой стороны, определение пребиотиков со временем стало оспариваться не только по научным соображениям, но и из-за его важности для регулирующих органов, промышленности и потребителей (84). Как и в случае с пробиотиками, термин "пребиотик" не может быть использован в качестве утверждения о здоровье на пищевых продуктах в Европе (142). Некоторые претензии существуют к термину "клетчатка" (44, 45, 46), но не все волокна являются пребиотиками, поскольку последние отличаются от первых избирательностью ферментации (151; 84; 178).
Примеры пребиотических неперевариваемых углеводов, обладающих бифидогенными свойствами, включают поли- и олигосахариды, содержащие фруктозу (и конечную глюкозу), как в ITF, галактозу и глюкозу (как в галактоолигосахаридах), глюкозу (как в изомальтоолигосахаридах), галактозу и фруктозу (как в лактулозе), ксилозу (как в XOS) и арабинозу и ксилозу (как в AX и AXOS) (138; 105; 15; 31; 32). Если раньше целевым родом для стимуляции пребиотиками был Bifidobacterium (68), то сегодня ведутся поиски новых пребиотиков для стимуляции других полезных видов бактерий в толстой кишке человека, например, продуцентов бутирата. Особый интерес представляют пребиотики, которые вызывают как бифидогенный, так и бутирогенный эффект. ITF, AX и AXOS являются такими пребиотиками, которые стимулируют как бифидобактерии, так и производство бутирата (61, 59, 60; 31; 32; 136).
Инулин естественным образом содержится во фруктах и растениях, таких как корни цикория, пшеница, лук, бананы, чеснок и лук-порей, но обычно его извлекают из корней цикория в промышленных масштабах (139). Инулин состоит из линейной основной цепи из β-(2 → 1)-связанных мономеров фруктозы со степенью полимеризации (DP) от 2 до 65 (средняя DP 10), которая часто связана с концевым мономером глюкозы посредством α-(1 → 2)-гликозидной связи (рисунки 3А, B). Олигофруктоза получается из нативного инулина путем частичного ферментативного гидролиза инулиназой и имеет показатель DP, который варьируется от 2 до 8 (среднее значение DP равно 4). Учитывая относительную простоту структур ITF (Inulin-Type Fructans), для их разложения в толстой кишке человека требуется всего несколько бактериальных ферментов, включая ферменты, принадлежащие к суперсемейству β-фруктофуранозидаз (EC 3.2.1.26), которые расщепляют концевые остатки фруктозы с невосстанавливающих концов полимеров фруктозы (рис. 3B; 147). Несколько β-фруктофуранозидаз были выделены и охарактеризованы у бактерий толстой кишки, например, у видов Bifidobacterium (183; 48; 123; 88) и R. inulinivorans (147). Примерами полезных эффектов потребления ITF являются увеличение частоты стула, повышенное всасывание в толстой кишке пищевых минералов (кальция и магния), снижение протеолитической активности и повышенная секреция гормонов насыщения (144).
РИСУНОК 3. Химические структуры [(A) и (C)] и схематические изображения [(B) и (D)] молекул ITF, AX и AXOS. Glc - глюкоза; Fru - фруктоза; Xyl - ксилоза; Ara - арабиноза; FeA - феруловая кислота; Ac - ацетильная группа; GlA - глюкуроновая кислота; CouA - п-кумаровая кислота. Стрелки указывают на возможный гидролиз углеводов бактериальными ферментами, присутствующими в толстой кишке человека: 1, β-фруктофуранозидаза; 2, β-ксилозидаза; 3, β-эндоксиланаза; 4, экзо-олигоксиланаза; 5, α-арабинофуранозидаза; 6, α-глюкуронидаза; и 7, эстераза.
ITF относятся к наиболее изученным пребиотикам, и их бифидогенный и бутирогенный эффекты были хорошо изучены в различных исследованиях (31; 32). Например, было показано, что не все штаммы бифидобактерий получают одинаковую пользу от присутствия ITF в толстой кишке человека. Сравнительное статистическое исследование 18 штаммов бифидобактерий, принадлежащих к 10 различным видам и происходящих от разных доноров и источников, показало существование четырех различных кластеров штаммов, отличающихся механизмами и способностями к деградации ITF (59). Некоторые штаммы потребляют только фруктозу (кластер А), тогда как другие потребляют как фруктозу, так и олигофруктозу, в основном короткие олигосахариды (DP до семи) после импорта в клетку, т.е. они демонстрируют преимущественный метаболизм (кластер В). Определенные штаммы расщепляют как олигофруктозу, так и инулин (только фракции с короткой длиной цепи) внеклеточно, что сопровождается выделением фруктозы во внеклеточную среду, т.е. они демонстрируют непривилегированный метаболизм (кластеры C и D). Недавнее исследование 190 штаммов бифидобактерий, выделенных от разных доноров и из разных областей толстой кишки, показало, что эти отпечатки деградации ITF не коррелируют с областью кишечника, что позволяет предположить, что деградация ITF происходит равномерно по всему кишечнику человека (149). Однако внутривидовая изменчивость способности к деградации ITF указывает на штаммовые вариации. Более того, в пределах одной области толстой кишки встречаются штаммы бифидобактерий с различными механизмами деградации ITF, что говорит о кооперации при деградации ITF в толстой кишке с возможностью перекрестного питания на уровне штаммов и/или видов. Подобное перекрестное питание между штаммами бифидобактерий с взаимодополняющими механизмами деградации было также показано для крахмала, ксилана и муциновых гликопротеинов (47; 160). Также было показано, что потребление ITF, бифидогенный и бутирогенный эффекты связаны друг с другом из-за перекрестного питания между бифидобактериями и бутират-продуцирующими бактериями толстой кишки (рис. 4; 7; 61, 60; 115). Будучи конечным метаболитом бифидо-шунта и ко-субстратом для производства бутирата (раздел «AX и AXOS как пример интересных пребиотиков»), ацетат играет ключевую роль в перекрестных взаимодействиях между бифидобактериями и бактериями толстой кишки, продуцирующими бутират. При первом типе перекрестного кормления как штаммы, продуцирующие бифидобактерии, так и штаммы, продуцирующие бутират, потребляют ITF (рис. 4). Потребление ITF бифидобактериями обеспечивает продуцирующие бутират бактерии толстой кишки экзогенным ацетатом, который используется в качестве сопутствующего субстрата для производства бутирата путем одновременного выращивания на ITF [что, например, имеет место для R. intestinalis DSM 14610 (61), R. inulinivorans DSM 16841 (60) и F. prausnitzii DSM 17677T (115)]. Однако такие взаимодействия при перекрестном питании могут быть либо чисто комменсальными, либо полезными отношениями между этими бактериями, либо в них может преобладать конкуренция, в зависимости от способности участвующих штаммов бифидобактерий к разложению ITF (115). Второй тип перекрестного питания имеет место между бифидобактериями, которые потребляют ITF и одновременно продуцируют ацетат, и потребляющими ацетат бактериями толстой кишки, продуцирующими бутират, которые не способны разлагать ITF (рис. 4). Вместо ITF последние бактерии потребляют продукты распада углеводов (короткоцепочечные олигосахариды), выделяемые штаммом бифидобактерий (что, например, относится к R. hominis DSM 16839; 7) или лактат (например, E. hallii DSM 17630; 7 и A. caccae DSM 14662; 61).
РИСУНОК 4. Различные типы перекрестного питания, которое может происходить между Bifidobacterium spp. и видами бутират-продуцирующих бактерий в толстой кишке человека. Стрелки указывают на потребление олигофруктозы, инулина и AXOS (.....), производство продуктов распада углеводов и/или конечных продуктов метаболизма (- - -) и перекрестное питание между бифидобактериями и бутират-продуцирующими штаммами (-).
Физиологические эффекты
Прим. ред.: Арабиноксилановые олигосахариды (AXOS) и арабиноксиланы (AX), содержащие заместители арабинозы и ксилозы, не могут быть разложены ферментами желудочно-кишечного тракта человека. Эти сложные субстраты поступают в толстую кишку в неизмененном виде и являются источником энергии для сахаролитических бактерий, включая виды Bacteroides, Bifidobacterium, Clostridium, Lactobacillus и Eubacterium.
Все больший интерес вызывают сложные неперевариваемые углеводы, которые медленно ферментируются и тем самым вызывают бифидогенный и бутирогенный эффекты по всей длине толстой кишки человека. AX и AXOS, представляющие собой широкий класс гетерополисахаридов и -олигосахаридов со сложной вариабельной структурой (рис. 3C,D), относятся к таким медленно ферментирующимся углеводам и, следовательно, способны снижать продукцию бактериальных токсичных метаболитов, образующихся в результате белкового и липидного обмена в дистальном отделе толстой кишки (раздел «Виды бифидобактерий»; 163; 76; 143; 119). Это можно объяснить стимуляцией сахаролитической активности, увеличением выработки SCFA и снижением люминального рН в дистальной части толстой кишки, где углеводы встречаются редко, а протеолитические бактерии, такие как Bacteroides spp., имеют преимущественное развитие (40). Примеры дополнительных потенциальных преимуществ потребления AX и AXOS для здоровья человека включают улучшение всасывания минералов (кальция и магния); увеличение частоты стула и улучшение консистенции стула; снижение постпрандиальной гликемической реакции; снижение уровня холестерина в крови; и увеличение антиоксидантной способности (75; 15; 27; 113). Более того, употребление AXOS с увеличением количества бифидобактерий может помочь восстановить барьерные функции кишечника и вылечить метаболическую эндотоксемию у мышей (120).
Возникновение, структурные свойства и деградация
AX естественным образом встречается в эндосперме и отрубях (околоплоднике, семеннике и алейроновом слое) зерновых культур, таких как пшеница, рожь, рис, ячмень, овес и сорго, но в разных количествах, в зависимости от вида злаков и местоположения в пределах зерно злаков (87). Например, эндосперм зерен пшеницы содержит ок. 2% AX, тогда как околоплодник содержит ок. 38% АХ (9; 106). AX состоит из линейной основной цепи, состоящей из 1500–15 000 β-(1 → 4)-связанных мономеров ксилозы, которые могут быть случайным образом замещены мономерами арабинозы в положениях C-(O)-2 или C-(O)-3 (монозамещенные) или в обоих положениях (незамещенные; фигуры 3C,D; 86). Характер распределения арабинозных заместителей в основной цепи ксилозы не является регулярным для AX пшеницы; сильно разветвленные области связаны последовательностями смежных незамещенных остатков ксилозы (77). Количество заместителей арабинозы, связанных с ксилозой, выражается как соотношение арабиноза/ксилоза (A/X) и зависит от вида злака и места расположения в зерне. Например, в околоплоднике, семенниках, алейроновом слое и эндосперме зерен пшеницы встречаются разные А/Х, а именно около 1,0, 0,1, 0,4 и 0,5, соответственно (86; 2; 6). Ферментируемость AX и AXOS в толстой кишке человека сильно зависит от сложности молекул AXOS и снижается с увеличением DP и увеличением A/X (163; 130). Кроме того, остатки ксилозы могут этерифицироваться глюкуроновой кислотой и ацетильными группами, в то время как остатки арабинозы могут этерифицироваться феруловой и п-кумаровой кислотами, хотя и в небольшом количестве (рис. 3D; 86). Эти этерификации имеют важное медицинское и физико-химическое значение, поскольку феруловая и п-кумаровая кислоты являются антиоксидантами и мощными сшивающими сайтами для присоединения к другим цепям AX (16; 124). Присутствие ферулоилированных и диферулоилированных заместителей арабинозы снижает ферментируемость AX и AXOS (82; 152). Поскольку цельные зерна злаков содержат лишь низкие концентрации АХ (от 1,8 % АХ в сорго до 12,1 % АХ в ржи; 87), и, следовательно, общее потребление АХ невелико (особенно в современных диетах западного типа с высоким потреблением рафинированных зерновых продуктов), АХ можно извлекать из зерен злаков и добавлять в пищевые продукты в более высоких концентрациях (14). В промышленных масштабах АХ обычно извлекают из пшеничных отрубей, которые в большом количестве доступны в Европе (154). AXOS, продукты гидролиза AX, образуются не только в переработанных зерновых продуктах питания, таких как хлеб и пиво (24; 15), но и могут быть получены в промышленных масштабах путем ферментативного расщепления AX с помощью β-эндоксиланаз (14). В результате получаются различные замещенные (т.е. AXOS) и незамещенные (т.е. XOS) молекулы, различающиеся по DP и A/X.
Учитывая их сложную структуру, деградация AX и AXOS в толстой кишке человека требует совместного действия расщепляющих и деполимеризующих углеводно-активных ферментов бактерий, включая β-эндоксиланазы (EC 3.2.1.8), которые расщепляют AX на AXOS и XOS; β-ксилозидазы (EC 3.2.1. 37), которые расщепляют терминальные остатки ксилозы с нередуцирующих концов ксилозных основ; экзоолигоксиланазы (EC 3.2.1.156), которые высвобождают терминальные остатки ксилозы с редуцирующих концов ксилозных основ; и α-арабинофуранозидазы (EC 3.2.1.55), которые удаляют арабинозные заместители с ксилозных основ (Рисунок 3D). Дополнительные ферменты необходимы для расщепления глюкуроновой кислоты [т.е. α-глюкуронидаза (EC 3.2.1.139)], феруловой кислоты [т.е. эстераза феруловой кислоты (EC 3.1.1.73)], ацетильных групп [т.е, ацетильные группы [т.е. эстераза ксилана (EC 3.1.1.72)] и п-кумаровой кислоты [т.е. эстераза п-кумаровой кислоты (EC 3.1.1.-)] из AXOS (рис. 3D; 36; 93).
На сегодняшний день AX и AXOS подпадают под определение пищевых волокон (52; 152), но не рассматриваются EFSA как пребиотики, хотя и отвечают трем критериям пребиотиков (см. выше; 15). AX и AXOS не перевариваются и не всасываются в верхних отделах желудочно-кишечного тракта и достигают толстой кишки человека в неизменном виде, где они ферментируются бактериями, обитающими в толстой кишке, и вызывают бифидогенный и бутирогенный эффекты (табл. 2). Однако, как и в случае с другими пребиотиками, критерий селективной стимуляции может быть поставлен под сомнение. Несколько исследований in vivo и in vitro показали, что AX и AXOS стимулируют, помимо бифидобактерий и бутират-продуцирующих бактерий толстой кишки, и другие сахаролитические бактерии толстой кишки, такие как Bacteroides spp. и Lactobacillus spp. (табл. 2). Кроме того, предполагается пропионогенный эффект. Несколько исследований показали, что AX и AXOS особенно стимулируют выработку пропионата (табл. 2; 82; 165; 130). Например, потребляющая муцин и продуцирующая пропионат A. muciniphila стимулируется в толстой кишке гуманизированных крыс, которых кормили длинноцепочечным AX (таблица 2; 165). Является ли это прямым или косвенным эффектом, пока неизвестно.
Таблица 2. Обзор исследований AX и AXOS in vitro и in vivo.
Бифидогенные эффекты AX и AXOS
Несколько исследований in vivo (на грызунах, свиньях и людях) и in vitro [во время периодического ферментирования и моделирования микробной экосистемы кишечника человека (SHIME®) с использованием фекальных суспензий] показали, что AX и AXOS являются бифидогенными (таблица 2). Исследование in vivo на крысах показало, что бифидогенный эффект вызывается только AXOS с низким средним значением DP ≤ 5 и A/Xs ≤ 0,27 (163), тогда как другие исследования на грызунах обнаружили стимуляцию бифидобактерий с помощью AX и AXOS с высоким средним значением DP до 284 и A/Xs до 0,70 (табл. 2; 27; 119; 165). В последнем исследовании было обнаружено 60-кратное увеличение количества бифидобактерий в кишечнике крыс, вызванное потреблением длинноцепочечных AX (средний DP - 60, A/X - 0,70; 165). Помимо экспериментов in vitro и на животных, исследования на людях выявили бифидогенный эффект, вызванный ежедневным приемом 10 г AXOS в день (22), 5,5 г AXOS в день (108) и 2,2 г AX и AXOS в день (182; Таблица 2). Однако до недавнего времени многие фундаментальные вопросы оставались без ответа. Например, как малочисленные бифидобактерии (<5%) могут конкурировать с другими, более многочисленными сахаролитическими бактериями в толстой кишке человека за AX и AXOS? Отдают ли бифидобактерии предпочтение определенным молекулам AX и AXOS? Все ли штаммы бифидобактерий в толстой кишке человека стимулируются AX и AXOS? Чтобы ответить на эти вопросы, не хватало детального знания об углеводно-гидролизующей способности бифидобактерий. Действительно, в прошлом исследования деградации AX и AXOS в монокультуре бифидобактерий ограничивались мониторингом роста бактерий, рН и продукции SCFA (172; 25), либо проводились ферментации очищенных короткоцепочечных стандартов AXOS (128), не выявляя полной ферментативной способности бифидобактерий. Недавно были изучены механические вариации деградации AXOS 36 штаммами бифидобактерий от разных доноров и различного происхождения (137). Результаты показывают, что не все штаммы бифидобактерий стимулируются AXOS в одинаковой степени. Деградация AXOS бифидобактериями носит сложный характер и включает в себя потребление арабинозных заместителей, как с последующим, так и без него, потреблением ксилозной основы AXOS, как до ксилотетраозы, так и до более длительного периода, как внутриклеточно, так и внеклеточно. Некоторые штаммы бифидобактерий используют исключительно арабинозные заместители AXOS, в то время как другие сначала потребляют арабинозные заместители, а затем импортируют ксилозные основы (вплоть до ксилотетраозы) в клетку. Такой внеклеточный метаболизм бифидобактерий, ориентированный на заместители арабинозы, был связан с наличием генов, кодирующих внеклеточные α-арабинофуранозидазы (94, 93; 137). Большинство штаммов бифидобактерий не могут использовать ксилозные основы длиннее ксилотетраозы, т.е. демонстрируют преферентный метаболизм, за исключением одного штамма из 36 протестированных - B. catenulatum LMG 11043T, который также использует более длинные ксилозные основы, т.е. демонстрирует непреферентный метаболизм (137). Это может объяснить, почему бифидогенный эффект сильно зависит от сложности молекул AXOS и снижается с увеличением DP (табл. 2; 163). Многомерный анализ данных ферментации этих 36 штаммов бифидобактерий выявил пять независимых от вида кластеров, представляющих пять различных взаимодополняющих механизмов деградации AXOS (137). Штаммы кластера I, хотя и не все, потребляют свободную арабинозу и ксилозу; штаммы кластера II имеют внеклеточный метаболизм, ориентированный на замещение арабинозы; штаммы кластера III демонстрируют преимущественный метаболизм незамещенных основ ксилозы; штаммы кластера IV сочетают механизмы деградации кластеров II и III; а штаммы кластера V демонстрируют непривилегированный метаболизм AXOS. Комплементарный механизм деградации бифидобактерий и способность к внутриклеточной и клеточно-ассоциированной деградации ксилозных основ и AXOS могут объяснить избирательную стимуляцию бифидобактерий AXOS в присутствии других сахаролитических бактерий толстой кишки человека. Аннотации последовательностей целых геномов показали, что некоторые штаммы бифидобактерий содержат гены, кодирующие ферменты, участвующие в разветвлении заместителей и экзо-расщеплении ксилозных основ AX и AXOS (145; 168; 167). Действительно, несколько AXOS-деградирующих ферментов были выделены и охарактеризованы в штаммах бифидобактерий, в том числе β-ксилозидазы в B. adolescentis ATCC 15703 и B. animalis subsp. lactis BB-12; α-арабинофуранозидазы в B. adolescentis ATCC 15703, B. adolescentis DSM 20083, B. longum B667 и B. longum NCC2705; и экзо-олигоксиланазы в B. adolescentis LMG 10502 (94, 95, 93). Однако до сих пор в геноме бифидобактерий не было обнаружено β-эндоксиланаз. Единственный ген (BL1543), который был впервые аннотирован как β-эндоксиланаза в B. longum NCC2705 (145), оказался внеклеточной мембранно-ассоциированной α-арабинофуранозидазой (94, 93; 137). Вероятно, для полной утилизации AX большинству видов Bifidobacterium требуется сотрудничество с β-эндоксиланазопродуцирующими бактериями, такими как Bacteroides и Roseburia (20; 37). Например, геном R. intestinalis L1-82 содержит три гена, возможно, кодирующих β-эндоксиланазы (117).
Бутирогенные эффекты AX и AXOS
Помимо бифидогенного эффекта, AX и AXOS оказывают бутирогенный эффект (табл. 2). В семи из 13 исследований in vitro и in vivo, приведенных в таблице 2, бифидобактерии и бутират-продуцирующие бактерии толстой кишки (F. prausnitzii, E. rectale и Roseburia spp.) стимулировались одновременно, в результате чего значительно увеличивалась продукция бутирата. Поскольку эти бутират-продуцирующие бактерии толстой кишки присутствуют в ней в большом количестве, повышение концентрации бутирата не является неожиданностью (32). В отличие от бифидобактерий, гораздо меньше известно о генетическом AX- и AXOS-деградирующем потенциале видов бутират-продуцирующих бактерий толстой кишки. In silico анализ геномной последовательности, например, E. rectale ATCC 33656 показал, что существует пять генов, возможно, кодирующих AXOS-деградирующие ферменты (экзо-олигоксиланаза, бифункциональная β-ксилозидаза/α-арабинофуранозидаза, β-ксилозидаза и две α-арабинофуранозидазы; 136).
В отличие от ITF, связь между потреблением AXOS, бифидогенным и бутирогенным эффектом была оценена совсем недавно (136). Было показано, что в присутствии AXOS может происходить третий тип перекрестного питания (рис. 4), например, в случае B. longum NCC2705 (деградант арабинозного заместителя AXOS) и E. rectal ATCC 33656 (полный деградант AXOS). Оба штамма потребляют AXOS (как при перекрестном питании типа 1), но штамм бифидобактерий дополнительно стимулируется потреблением моносахаридов, высвобождающихся при внеклеточной деградации AXOS штаммом E. rectale, что приводит к взаимовыгодному перекрестному питанию (Рисунок 4). Вполне вероятно, что подобные перекрестные взаимодействия между бифидобактериями и бутират-продуцирующими бактериями толстой кишки, вызванные потреблением пребиотиков, будут происходить in vivo в толстой кишке человека (11). Однако присутствие других штаммов бактерий с их собственными механизмами деградации углеводов (преференциальными и непреференциальными) и собственными перекрестными взаимодействиями внутри и между видами и родами (рис. 4) усложняет попытки полностью понять бифидогенные и бутирогенные эффекты AX и AXOS в толстой кишке человека. Кроме того, межиндивидуальные различия в бактериальном составе делают предсказание эффектов потребления пребиотиков в толстой кишке еще более сложным.
ВЫВОДЫ
За последние годы исследования микробиоты кишечника человека значительно выросли с точки зрения развития технологий и их влияния на здоровье человека. Например, было показано, что некоторые ключевые бактерии толстой кишки, такие как бифидобактерии и бутират-продуцирующие бактерии толстой кишки, отрицательно коррелируют с такими заболеваниями, как ВЗК и колоректальный рак. Не менее важен и прогресс, достигнутый в области модуляции микробиоты кишечника с помощью пробиотиков, пребиотиков и FMT для улучшения здоровья человека. Если раньше основное внимание уделялось прямому увеличению концентрации бифидобактерий, то в настоящее время в связи с изменением интересов все большее значение приобретает стимуляция бутират-продуцирующих бактерий в толстой кишке человека. Употребление пребиотиков ITF и AXOS также представляется перспективным подходом для борьбы с уменьшением количества бифидобактерий и бутират-продуцирующих бактерий толстой кишки. Однако задача на ближайшие годы будет заключаться в том, чтобы сначала выяснить, являются ли эти изменения в составе микробиоты кишечника (уменьшение полезных бактерий) причиной или следствием какого-либо заболевания.
Дополнительная информация:
к разделу "Бифидобактерии"