Кишечная микробиота в клинической диагностике

Микробиота кишечника как инструмент диагностики в клинической практике

Параметры микробиоты кишечника, потенциально полезные в клинической перспективе

СОДЕРЖАНИЕ

Резюме

Интерес к анализу микробиоты кишечника находится на рекордно высоком уровне. Считается, что микробиота кишечника связана с растущим спектром заболеваний, представляющих интерес для врачей и диетологов. Избыточный вес, ожирение, реакция на диету, метаболический синдром, воспаление низкой степени, диабет и новообразования толстой кишки, возможно, можно было бы наблюдать через анализ микробиоты, если бы были имелись доступные маркеры. Возможные биомаркеры, такие как соотношение Firmicutes / Bacteroidetes, соотношение грамположительные / грамотрицательные, соотношение Prevotella / Bacteroides и соотношение Fusobacterium nucleatum / Faecalibacterium prausnitzii, рассматриваются здесь в повествовательной форме в попытке подчеркнуть их возможную будущую роль в повседневной практике и клинически значимой диагностике.

1. Поиск биомаркеров

Логика, лежащая в основе анализа микробиоты, совпадает с возможностью перехвата параметров, интерпретируемых как показатели, по крайней мере предполагаемые, некоторой деформации по сравнению со стандартом. Как показали многие авторы, эта точная потребность может быть удовлетворена биоразнообразием [1,2,3,4,5,6,7,8,9], размером и составом по родам [10,11,12,13,14,15,16] и классификацией по энтеротипам [17,18,19]. Однако научные исследования выявили существование других возможных маркеров, полезных для интерпретации консорциума фекальных бактерий. Среди них потенциально наиболее полезными могут быть: соотношение Firmicutes / Bacteroidetes (соотношение между типами), соотношение грамположительные / грамотрицательные (соотношение между группами таксонов), соотношение Prevotella / Bacteroides (соотношение между родами) и соотношение Fusobacterium nucleatum / Faecalibacterium prausnitzii (соотношение между видами).

Однако существование этих маркеров, возможно, потому, что они иногда считаются лишь предполагаемыми, не привело к какому-либо практическому применению в области здравоохранения и в настоящее время не принимается во внимание органами здравоохранения. Вероятно, частичное отсутствие продольных исследований, способных отслеживать эти параметры с течением времени, нынешнее отсутствие точной стандартизации методов геномного секвенирования, время ожидания, необходимое лабораториям для получения хорошо отфильтрованных результатов с высокой гомологией последовательностей, и аналитика затрат, которые на данный момент все еще относительно высоки или в любом случае недоступны для всех, способствуют созданию этого возможного разрыва. Однако, несмотря на это, тщательное изучение доступной научной литературы показывает, что иногда отсутствие клинического использования этих параметров также, возможно, является результатом неправильной интерпретации их значения. Возьмем, к примеру, соотношение Firmicutes / Bacteroides. Как будет показано в этом обзоре, по крайней мере, с точки зрения повествования, обычно воспринимаемой также на научном уровне и уровне Конгресса, этот параметр, когда он высокий, может указывать на фенотип ожирения, а при уменьшении - на худой фенотип. Если бы эта интерпретация также соответствовала действительности, интерпретированный таким образом параметр был бы бесполезен. На самом деле, чтобы идентифицировать тучных или худых людей, достаточно глаз и, в лучшем случае, весов. Анализ фекальной микробиоты позволяет нам получить представление только о консорциуме бактерий толстой кишки и просвета. Таким образом, он показывает идентичность тех бактерий, которые участвуют в конечных процессах переваривания остатков пищи, присутствующих в толстой кишке. Процесс всасывания пищи и калорий, с другой стороны, происходит в основном в тонком кишечнике. Таким образом, с калорийной точки зрения информация, которую можно получить, довольно скромна. Несмотря на это, это не бесполезно. Фактически, микробиота толстой кишки может предположить, будет ли и с какой степенью полноты непереваренная клетчатка (пищевые волокна), присутствующая в толстой кишке, метаболизироваться с образованием короткоцепочечных жирных кислот (SCFAs). Последние не могут считаться нулевыми калориями, и их прямой анализ, выполняемый путем отбора проб стула, рискует дать неточные результаты, поскольку они постоянно производятся и немедленно усваиваются. В этом смысле, однако, соотношение Firmicutes / Bacteroidetes обеспечивает, как будет показано ниже, показатель исчерпывающей способности к метаболизму калорий, поглощенных субъектом и присутствующих только в толстой кишке. Как будет показано ниже, они соответствуют примерно 100–200 ккал/день. Неактуальное значение для пациента с ожирением, только если не рассматривать в совокупности с течением времени (месяцы и годы). То же самое верно и для грамположительного / грамотрицательного отношения. Это считается параметром, пропорциональным присутствию бактериального липополисахарида (ЛПС). Как будет показано, это отчасти неверно. Некоторые грамотрицательные бактерии, указанные как таковые, например, в метагеномных базах данных, не содержат ЛПС (например, Tenericutes). У других, таких как Bacteroides, ЛПС в мембране в тысячи раз менее провоспалительный, чем стандартный (E. coli). В этом смысле, следовательно, воспалительный потенциал, опосредованный ЛПС, обнаруженный посредством секвенирования геномов бактерий толстой кишки, также необходимо интерпретировать с учетом этих аспектов. Таким же образом, другие параметры, такие как соотношение между Prevotella и Bacteroides или простое обнаружение Fusobacterium, которые можно легко исследовать, представляют особую критичность, которую необходимо обсудить, чтобы получить, насколько это возможно с имеющейся сегодня информацией, наиболее правильную возможную интерпретацию.

2. Соотношение Firmicutes / Bacteroidetes

Микрофотография представителя фирмикутов (Faecalibacterium prausnitzii - слева) и представителя бактероидетов (Bacteroides fragilis)

Примечание редактора: Некоторые исследования показали, что микробиота кишечника тучных животных (и людей) демонстрирует более высокое соотношение Firmicutes / Bacteroidetes по сравнению с животными (людьми) с нормальным весом, предлагая это соотношение в качестве возможного биомаркера. Соответственно, соотношение Firmicutes / Bacteroidetes часто упоминается в научной литературе как маркер ожирения. Однако имеются немного иные гипотезы в отношении этого показателя (F/B).

Микробиота фекалий толстой кишки в основном состоит из семи основных типов: Firmicutes, Bacteroidetes, Proteobacteria, Actinobacteria, Verrucomicrobia, Fusobacteria и Tenericutes. Типы Firmicutes и Bacteroidetes очень последовательно составляют у здоровых субъектов примерно 90–95% всего консорциума [20]. Ни в какой другой экосистеме эти два типа не проявляются так доминирующе. Это показывает, что толстая кишка на самом деле является их домом и что здесь два типа, возможно, сосуществуют без особой конкуренции и, наоборот, вероятно, проявляют аспекты сотрудничества или специализации. Хотя их относительная сумма соответствует примерно 90–95% всей микробиоты, в пределах этого значения вклад одного и другого вместо этого является переменным, и увеличение одного соответствует уменьшению другого. В этом смысле соотношение между двумя, то есть процентное значение первого (Firmicutes), деленное на процентное значение второго (Bacteroidetes), может фактически идти от бесконечности до нуля. Это соотношение обычно колеблется от 0,1 до 10 (когда оно равно 0,1, Firmicutes составляют 1/10 Bacteroidetes, когда оно 10, Firmicutes в десять раз больше Bacteroidetes), даже если чаще выделяется более узкий диапазон соотношений, приблизительно от 0,2 до 4, со значениями от 0,8 до 1,2, которые можно рассматривать как возможные эталонные [20]. Поэтому становится интересно попытаться приписать наблюдаемым отношениям трансляционный, клинический смысл. Действительно, в 2005 году группа из Вашингтонского университета впервые наблюдала нечто подобное [21]. При сравнении относительного процента этих двух типов у мышей с генетическим ожирением (ob/ob) и мышей с худым фенотипом (ob/⁺ и ⁺/⁺) наблюдалась статистически значимая корреляция между выражением более высокого процента Firmicutes и фенотипом ожирения и, наоборот, между более высоким процентом Bacteroidetes и худым фенотипом. В частности, у мышей с ожирением профиль Firmicutes был в среднем на 20% выше, с идентичным сокращением Bacteroidetes. Отношение Firmicutes / Bacteroidetes (далее просто F/B - Фирмикуты к Бактероидетам) было немного ниже 4 у мышей с ожирением и приблизительно 1,5 у мышей с худым фенотипом. Обратите внимание, что точно так же, как и у людей, мышь имеет процентное значение, относимое к сумме Firmicutes + Bacteroidetes примерно 90–95%. Поскольку анализ фекальной микробиоты «визуализирует» почти исключительно бактерии толстой кишки и с учетом того факта, что толстая кишка поглощает с точки зрения питания только короткоцепочечные жирные кислоты, в основном ацетат, пропионат и бутират, та же исследовательская группа проанализировала содержание последнего в экскретируемом каловом материале [22]. Принимая во внимание возможную неточность этого обнаружения (измерение остаточного содержания в фекалиях короткоцепочечных жирных кислот абсолютно не показывает, сколько было произведено, а только сколько осталось; тем не менее, можно предположить, что чем больше их извлекается, тем было произведено больше), у мышей с генетическим ожирением они наблюдали значительно большее присутствие ацетата и бутирата, но не пропионата. Поскольку Bacteroidetes в основном производят пропионат и Firmicutes, особенно начиная с ацетата, главным образом бутират, поэтому значения ацетата и бутирата часто совпадают, и эти данные, очевидно, хорошо коррелируют с наблюдаемым сдвигом в пользу Firmicutes. Примечательно, что они обнаружили примерно на 10 % больше калорий в фекальном материале худых мышей, чем в стуле тучных. Следовательно, у мышей с ожирением способность извлечения калорий, получаемая за счет катаболизма остаточных волокон в толстой кишке, оказалась более эффективной, чем у худых мышей. Наконец, трансплантация фекального материала с отбором образцов, выполненным от мышей с фенотипом ожирения (ob/ob), определила у животного-реципиента обнаружение более высокого процента жира в организме, чем тот, который был определен после трансплантации стула от мыши с худым фенотипом (⁺/⁺). Результаты, безусловно, были согласованными, но клинических доказательств все еще не было. Это произошло в декабре 2006 года, когда та же группа наблюдала прогрессивное изменение соотношения F/B со снижением Firmicutes и соответствующим ростом Bacteroidetes у 12 пациентов с ожирением, подвергнутых 52 неделям соответственно низкокалорийной и низкосахарной или низкокалорийной и низкожировой диеты [23]. На протяжении всего этого периода микробиота каждого субъекта оставалась больше похожей на саму себя, чем изменялась, чтобы стать более похожей на микробиоту других субъектов. Богатство оставалось почти постоянным у всех испытуемых, и корреляция между потерей веса и снижением соотношения F/B стала очевидной у испытуемых, сидевших на диете с низким содержанием сахара, когда потеря веса превысила 2 % от первоначального веса, а у испытуемых, сидевших на диете с низким содержанием жира, когда потеря веса превысила 6 % от того, что было зарегистрировано при зачислении. Относительное снижение, наблюдаемое у Firmicutes, параллельно с прогрессирующей потерей веса, касалось всего типа и не было связано с уменьшением и/или исчезновением какой-либо группы бактерий. То же самое наблюдалось в отношении процентного роста Bacteroidetes. Хотя большинство последующих исследований фактически показали, как у детей, так и у взрослых и пожилых людей, существование значительной корреляции между высоким соотношением F/B и возникновением фенотипа ожирения [24,25,26], а также существование значительной корреляции между прогрессирующим снижением соотношения F/B и прогрессирующей потерей веса, полученной как при низкокалорийной диете [27], так и при бариатрической хирургии [28], некоторые авторы сообщают, что как методологические различия в управлении стулом, так и в методах секвенирования, а также плохая характеристика пациентов с ожирением, включенных в исследования, и полное отсутствие учета многих других переменных, способных повлиять на таксономические аспекты микробного консорциума (антибиотики, содержание клетчатки в рационе, транзит через толстую кишку и т.д.), могут способствовать тому, что эта корреляция бывает иногда просто ненаблюдаемой, что мешает рассматривать соотношение F/B как действительно надежный маркер [29]. Возможно, проблема неуместна. На самом деле, маркер ожирения не является обязательным, даже если использование его как «бактериального» было бы весьма оригинальным. Чтобы определить тучного человека, нужно только посмотреть на него. Что может быть интересно, так это наличие маркера, который указывает на предрасположенность к набору веса или похудению и который позволяет врачу или диетологу следить за развитием этой предрасположенности во время низкокалорийной диеты. Действительно, в ранних публикациях соотношение F/B не обсуждалось как «метод перехвата людей с ожирением». Вместо этого они описали тенденцию изменения соотношения F/B во время низкокалорийной диеты, способной привести к потере веса. В заключении этих публикаций утверждается, что это явление в основном связано с присутствием «более или менее расточительной» микробиоты, то есть бактериального консорциума, способного или нет терять калории со стулом. На самом деле, если бы это было действительным механизмом, изменение соотношения F/B не наблюдалось бы только при прогрессирующей потере веса у людей с ожирением. Явление, противоположным образом, должно, например, наблюдаться даже у худых, когда они хронически подвергаются высококалорийной диете. Действительно, путем одновременного зачисления субъектов с худощавым фенотипом и субъектов с фенотипом ожирения и подвергания их как низкокалорийным, изокалорийным, так и высококалорийным диетам, можно было наблюдать, как явление изменения соотношения F/B не зависит от исходного фенотипа, а вместо этого строго зависит только от введенного баланса калорий, то есть от пищевой нагрузки, рассчитанной в соответствии с реальными потребностями человека в калориях [30]. Фактически, у каждого субъекта с недостаточным весом, нормальным весом или ожирением есть изокалорический баланс, который дает им их «постоянный вес». У каждого субъекта также есть низкокалорийный баланс, который определяет их потерю веса, и высококалорийный баланс, который вместо этого приводит к увеличению веса. Именно этот аспект, пищевая нагрузка по сравнению с потребностями, определяет изменение соотношения F/B, вверх или вниз. Хотя эта точка зрения может быть принята не всеми или может быть сочтена некоторыми чрезмерным упрощением, потеря веса, полученная с помощью диеты, соответствует хроническому отрицательному энергетическому состоянию, в котором люди потребляют намного меньше, чем баланс, который позволил бы им поддерживать постоянный вес, независимо от их фенотипа. Поэтому наиболее значимая гипотеза заключается в том, что связь между наблюдаемыми таксономическими изменениями и потерей веса отражает последствия снижения пищевой нагрузки, а не потери веса. Результаты подтвердили эту гипотезу. В исследование были включены как худые, так и тучные субъекты (и госпитализированы, чтобы иметь возможность точно контролировать количество калорий во входящем рационе, диете и калориях на выходе, в стуле и моче). Была рассчитана изокалорическая ценность для стационарных пациентов. Затем как тучных, так и худых испытуемых кормили двумя диетами, идентичными с качественной точки зрения (24% белка, 16% жира и 60% углеводов и с одинаковой ценностью клетчатки), но разными по калорийности: 2400 и 3400 ккал/день. Как показано на рисунке 1, было четко продемонстрировано, что тенденция Firmicutes и Bacteroidetes связана с пищевой нагрузкой в отношении изокалорийной ценности. Субъекты, как худые, так и страдающие ожирением, которые ели больше, чем их изокалорийная ценность (на графике отсечение соответствует значению 100 по оси абсцисс), увеличили относительное содержание в Firmicutes и в то же время снизили относительное содержание Bacteroidetes. Увеличение веса, как оказалось, было связано с отсутствием «отходов» калорий, и на самом деле увеличение примерно на 20% у Firmicutes с соответствующим уменьшением Bacteroidetes соответствовало увеличению способности к сбору калорий (из стула), то есть калорий, которые не выводились с калом, примерно на 150 ккал. Это значение оказалось независимым от калорий, потребляемых тучными людьми (которые, следовательно, кажутся лучше «сложенными», чтобы не терять калории), но оказалось, что оно зависит от калорий, когда диета назначалась худым. Эти результаты могут свидетельствовать о возможности того, что микробиота «воспринимает» доступность питательных веществ и способствует их усвоению или нет. Роль чувствительной к калориям микробиоты толстой кишки, безусловно, увлекательна. Однако более вероятно, что объяснение носит химико-механический характер и может быть связано с тем фактом, что чем больше «отходов» не всасывается в тонком кишечнике, тем больше имеется материала для брожения в толстой кишке. Однако при ферментации образуются короткоцепочечные жирные кислоты, и они способствуют небольшому снижению рН толстой кишки. Bacteroidetes, в отличие от Firmicutes, по-видимому, плохо переносят рН, не близкий к нейтральному. Как Firmicutes, так и Bacteroidetes могут ферментировать материал толстой кишки, но в то время как первые продолжают это делать, даже когда рН падает ниже нейтрального (даже незначительно), последние «замедляются», потому что они не выдерживают рН ниже 6,5 [31]. В заключение, соотношение F/B нельзя рассматривать как маркер ожирения, но его можно использовать для оценки предрасположенности к потере или отсутствию калорий в толстой кишке, и долгосрочном плане его можно использовать для отслеживания тенденции микробиоты кишечника во время низкокалорийной диеты, зная, что чем больше соотношение F/B снижается, тем больше микробиота толстой кишки потеряет в производительности в отношении исчерпывающего поглощения калорий. Оценка соотношения F/B перед тем, как принять решение о низкокалорийной диете, может позволить принять более правильные решения относительно точного значения в ккал/день, которое необходимо установить. В частности, после оценки базальной калориметрии, дополнительных суточных затрат энергии и целевого веса, который должен быть достигнут, значение F/B, увеличенное на 30% по сравнению с контролем, возможно, предполагает дальнейшее снижение на 225 ккал/день, которое необходимо рассчитать как абсорбируемые калории в тонком кишечнике (например, крахмалы). Это связано с тем, что, как показано, на каждые 20% дополнительных Firmicutes следует предполагать «захват» около 150 ккал в толстой кишке, в противном случае они выводятся с калом. Более того, в долгосрочном плане непрерывное наблюдение за соотношением F/B могло бы вместо этого указывать на изменение в рационе. Фактически, значение F/B имеет тенденцию описывать только более низкую или более высокую склонность не пропускать калории в толстой кишке. Таким образом, «чтение» этой склонности позволит более точно определить подход к питанию также во время ведения пациента.

Рисунок 1. Таковы тенденции Firmicutes и Bacteroidetes, поскольку количество калорий в рационе варьируется в зависимости от изокалорийного состояния человека независимо от его фенотипа (ожирение или худой). Вариация Firmicutes с диетами 2400 ккал/день (A) и 3400 ккал/день (C). Вариации Bacteroidetes с диетой при 2400 ккал/день (B) и 3400 ккал/день (D) [30] (прим. ред. - диета называется изокалорийной, когда человек получает пищу, энергетическая ценность которой равна его потребностям).

3. Активная роль Firmicutes в предрасположенности к набору веса

Принимая во внимание то, что было описано до сих пор, кишечная микробиота, когда она особенно богата или несбалансирована в пользу типа Firmicutes, кажется важным «микробным» фактором, способным влиять на энергетический баланс хозяина. Долгое время возникали вопросы о возможных механизмах, ответственных за это явление. Как и предполагалось ранее, толерантность к более низкому значению pH будет способствовать непрерывной ферментации остаточного волокна с образованием короткоцепочечных жирных кислот представителями Firmicutes. Однако есть и другие вероятные механизмы, возможно, более биохимические. Первый, по-видимому, связан с подавлением кишечной экспрессии липопротеина с ингибирующими функциями в отношении кишечной липазы (LPL), известного как индуцированный голоданием жировой фактор (FIAF). Подавление FIAF, индуцированного кишечными бактериями (рис. 2), в основном принадлежащих к типу Firmicutes, на самом деле увеличило бы активность LPL, вызывая увеличение способности извлечения жирных кислот из постпрандиальных жировых частиц, в первую очередь из хиломикронов, с увеличением производительности накопления жира в адипоцитах [32]. Второй механизм, способный определять изменения в энергетическом балансе хозяина, по-видимому, связан именно со способностью извлекать остаточную энергию из фекального материала, описанного выше. Большая часть высокомолекулярной клетчатки, попадающей в организм с едой, на самом деле ускользает от гликозидаз хозяина, но может эффективно метаболизироваться популяциями бактерий толстой кишки с относительной выработкой короткоцепочечных жирных кислот (SCFAs), в основном ацетата, пропионата и бутирата [33]. Эпителий толстой кишки получает 60–70% энергии, необходимой для выживания, за счет простого присутствия короткоцепочечных жирных кислот, вырабатываемых микробиотой, в основном бутирата [34,35]. Наличие важных относительных значений Firmicutes может привести к увеличению катаболической способности с увеличением производства локальных значений бутирата, так что они могут «кормить» всю популяцию энтероцитов. Очевидно, это явление может привести к нехватке 30-40% калорий, которые энтероциты должны получать из большого круга кровообращения. Эти калории, очевидно, не «тратятся впустую», а сохраняются в виде жира. И наоборот, когда Bacteroidetes относительно доминируют, наиболее производимым продуктом ферментации волокна является пропионат (пропионовая кислота). Эта короткоцепочечная жирная кислота не абсорбируется энтероцитом, но проходит через него и в конечном итоге входит в цикл печеночного глюконеогенеза, вероятно, подпитывая феномен насыщения и, в конечном итоге, резистентность к инсулину [36,37]. Затем следует рассмотреть третий аспект. Фактически, можно исследовать метаболические предпочтения, отражающие только вклад генов, различных типов [38]. С этой точки зрения они на самом деле сильно отличаются друг от друга. Например,  Энтеробактерии (Enterobacteriaceae) являются преимущественно протеолитическими и липолитическими. Актинобактерии (Actinobacteria) в основном сахаролитики. Фирмикуты (Firmicutes), с другой стороны, имеют тенденцию быть «универсальными», то есть эффективны в протеолитическом, сахаролитическом и липолитическом разрушении практически в равной мере. Поэтому легко понять, почему это может быть невыгодно в современном, западном и богатом обществе, где изобилие еды является правилом. Все, что хозяин дает им поесть, Фирмикуты «едят».

Рисунок 2. Подавление кишечной экспрессии липопротеина с ингибирующими функциями в отношении кишечной липазы (LPL, Lipoprotein lipase), так называемого жирового фактора, индуцируемого натощак (FIAF - fasting induced adipose factor), индуцируемого фирмикутами (Firmicutes), увеличило бы активность LPL, приводящую к увеличению способности к извлечению жирных кислот из частиц жира после приема пищи, с увеличением производительности накопления ира в адипоцитах.

4. Метаболическая эндотоксемия

Примечание ред.: Метаболическая эндотоксемия (МЭ) - это состояние, которое, по оценкам, затрагивает примерно 33% населения запада. Состояние характеризуется повышенной концентрацией эндотоксина в сыворотке крови (обычно липополисахарида, ЛПС) в течение первых пяти часов постпрандиального периода после приема пищи. МЭ - это, по сути, врожденный иммунный ответ, который приводит к субклиническому, стойкому и низкосортному воспалению из-за увеличения циркулирующих эндотоксинов. Блюда с высоким содержанием жира и высоким содержанием калорий, по-видимому, влияют на состояние в большей степени, чем обезжиренные и низкокалорийные блюда. За этим повышением концентрации эндотоксина в сыворотке крови следует системное воспаление, которое характеризуется измеримым повышением уровня интерлейкина-6 (IL-6), интерлейкина-1-альфа (IL-1α) интерферона-гамма (IFNγ), триглицеридов и постпрандиального инсулина. Было показано, что хроническая метаболическая эндотоксемия и связанное с ней воспаление имеют значительную корреляцию с различными хроническими заболеваниями. На сегодняшний день исследования подтверждают сильную корреляцию между МЭ и риском или возникновением таких состояний, как сердечно-сосудистые заболевания, диабет, ожирение, гипогонадизм, аутоиммунитет и даже расстройства психики, такие как тревога и депрессия.

Как известно, диабет и ожирение - это два метаболических заболевания, которые характеризуются (также) резистентностью к инсулину и воспалением слабой степени. В поисках воспалительного фактора, ответственного за возникновение инсулинорезистентности, ожирения и диабета, несколько лет назад [39] бактериальный липополисахарид, более известный как ЛПС, был идентифицирован как возможный триггер (рис. 3). Было обнаружено, что нормальное присутствие ЛПС в плазме увеличивалось или уменьшалось соответственно во время фаз кормления и голодания, и что диета с высоким содержанием жиров, соблюдаемая в течение не менее четырех недель, увеличивала концентрацию ЛПС в плазме примерно в три раза, вызывая воспалительный процесс, состояние, которое было идентифицировано как метаболическая эндотоксемия. Это воспалительное состояние было вызвано увеличением в кишечнике популяций грамотрицательных бактерий, в мембране которых присутствует ЛПС, вызванным диетой, богатой диетическими жирами. У мышей подкожное введение в течение четырех недель количеств ЛПС, пропорциональных тем, которые наблюдаются при метаболической эндотоксемии пищевого происхождения, вызывало повышение уровня глюкозы в крови и инсулина натощак с очевидным увеличением веса. Вес печени и жировой ткани увеличился аналогично тому, что наблюдалось у мышей, получавших диету с высоким содержанием жиров. В печени этих животных также была отмечена индукция сильной инсулинорезистентности, особенно печеночной. Основным периферическим рецептором ЛПС является CD14 [40]. В результате взаимодействия ЛПС-CD14 такие клетки, как макрофаги, высвобождают TNF-α (фактор некроза опухоли-α), мощный медиатор воспаления [41]. Метаболическая эндотоксемия, вызванная этим взаимодействием и последующим высвобождением TNF-α, была выведена из того факта, что мыши с генетическим дефицитом CD14 были вместо этого устойчивы к большинству метаболических заболеваний, вызванных как подкожной инфузией ЛПС, так и высоким содержанием жиров в диете. Эти данные ясно демонстрируют, как метаболическая эндотоксемия вызывает повышение системного воспалительного тонуса и запускает реакции, способные вызвать ожирение и диабет, лежащие в основе феномена инсулинорезистентности. Таким образом, в этом смысле снижение концентрации ЛПС в плазме за счет отрицательного влияния на процентное содержание грамотрицательных колониальных видов может оказаться мощной стратегией контроля метаболических заболеваний.

Рисунок 3. В отношении высокого уровня ЛПС, способного преодолевать барьер энтероцитов, достигая циркуляции плазмы, могут возникать такие явления, как метаболическая эндотоксемия, которые ставятся под сомнение для объяснения некоторых форм ожирения в сочетании с метаболическим синдромом. Повышенный процент грамотрицательных видов бактерий вместе с состоянием высокой кишечной проницаемости может способствовать этому явлению.

5. Грамположительные и грамотрицательные бактерии

На рисунке: структура клеточных стенок грамположительных (слева) и грамотрицательных (справа) бактерий. Сокращения: ЦПМ - Цитоплазматическая мембрана; ППП - Периплазматическое пространство.

Со структурной точки зрения грамположительные бактерии - это бактерии, которые имеют липидный бислой, очень похожий на бислой эукариотических клеток, с белками, также прежде всего, транс-мембранными, с фракциями холестерина, направленными на снижение чрезмерной текучести мембраны, но также с важным внешним утолщением, состоящим из смешанной белково-сахарной матрицы, известной как пептидогликан (или бактериальный мукопептид или муреин), который дополнительно укрепляет и защищает тонкую мембрану бактерии от внешней среды [42]. Структурно пептидогликан представляет собой полимер, состоящий из длинных линейных полисахаридных цепей, соединенных между собой поперечными связями, определяемыми наличием аминокислотных остатков. Полисахаридные цепи состоят из повторения дисахарида, который, в свою очередь, состоит из двух моносахаридов, N-ацетил-глюкозамина (или NAG) и N-ацетил-мураминовой кислоты (или NAM), соединенных между собой гликозидными связями типа β-1,6. Затем дисахариды соединяются друг с другом гликозидными связями β-1,4 типа. С каждой молекулой NAM связан пента-пептид, который заканчивается двумя равными аминокислотами в правовращающей форме, чаще двумя молекулами D-аланина. Именно эти концевые D-аланины, благодаря действию фермента транспептидазы, позволяют образовывать поперечные связи внутри пептидогликана. Точнее, транспептидаза образует пептидную связь между третьей аминокислотой полисахаридной цепи и четвертой аминокислотой параллельной цепи [43]. Результатом является однородная и относительно толстая клеточная стенка (20–80 нм), состоящая из многочисленных слоев пептидогликана, которые пересекаются тейхоевыми кислотами (полимерами спиртов и фосфатов) [44]. Грамположительная стенка очень полярна и позволяет проникать гидрофильным молекулам, таким как те, которые составляют окрашивание по Граму (окрашивание по Граму - это химический процесс на основе кристаллического фиолетового и ацетона / спирта для окрашивания микроорганизмов, который был изобретен в 1884 году датским бактериологом Гансом Кристианом Грамом (Hans Christian Gram), в честь которого метод получил свое название). С другой стороны, грамотрицательные бактерии над липидным бислоем образуют значительно более тонкий слой пептидогликана. Однако выше этого они демонстрируют наличие другой мембраны (следовательно, грамотрицательные бактерии являются бактериями с двойной мембраной), структура которой, однако, своеобразна. Фактически, если слой, обращенный внутрь тела клетки, полностью идентичен грамположительным мембранам, внешний слой вместо этого состоит из липосахаридной матрицы, а именно из ЛПС [45]. Следовательно, грамотрицательные бактерии - это бактерии, характеризующиеся двойной мембраной (из которых самая внешняя полностью состоит из ЛПС) и по этой причине они также идентифицируются как «дидермы» и в этом смысле противоположны грамположительным бактериям, определяемым, следовательно, как «монодермы». В отличие от того, что было бы легче думать, грамположительные - это не те, которые окрашены кристаллическим фиолетовым (или генцианвиолетом). Точно так же грамотрицательные - это не те, которые не окрашиваются одним и тем же красителем. Оба вида окрашиваются. Однако грамположительные при переходе в спирт или ацетон не теряют кристаллический фиолетовый, в то время как грамотрицательные, у которых ЛПС разрушается этим вторым проходом, обесцвечиваются [46]. С эволюционной точки зрения недавно было высказано предположение, что бактерии «родились» в виде дидерм. Позже они, возможно, потеряли внешний слой и выжили до такой степени, что развили способность увеличивать слой пептидогликана, структуру, которая при утолщении определяет защиту и заменяет вторую мембрану. Фактически, если вторая мембрана удаляется из грамотрицательных бактерий, то есть, если удаляется ЛПС, они просто умирают, потому что оставшегося слоя недостаточно для обеспечения осмотического баланса. Фактически, попадание воды из внешней среды приводит к разбуханию бактерии до тех пор, пока она не погибнет [47, 48].

6. Бактериальный липополисахарид (ЛПС)

На рисунке: Структура липополисахарида

С точки зрения структуры, у большинства Enterobacteriaceae ЛПС состоит из четырех различных частей [49]: липида А, настоящего фосфолипида, содержащего в среднем 6-8 жирных кислот и соответствующего части ЛПС, «застрявшей» во внешнем липидном слое второй мембраны грамотрицательных видов; структуры полисахарида, называемой ядром (на рис. core), которое, в свою очередь, может быть разделено на самую внутреннюю часть (внутреннее ядро) и на самую внешнюю часть (внешнее ядро); наконец, длинной внешней полисахаридной цепи, так называемого O-антигена, который может содержать до 50 повторяющихся сахаридных единиц и по отдельности состоит из 4-8 моносахаридных остатков. По-другому, в таких таксонах, как Neisseria, Haemophilus, Bordetella, Acinetobacter и Bacteroides, ЛПС «сжимается» до трех компонентов, поскольку O-антиген отсутствует. Наконец, у таких бактерий, как Chlamydia, внешнее ядро ​​также отсутствует, и поэтому ЛПС сводится только к двум компонентам. Что касается структурной изменчивости среди различных грамотрицательных видов, она, по-видимому, очень высока для O-антигена, высока для внешнего ядра, умеренно высока для внутреннего ядра и низка для липида A. Липид A, безусловно, является наиболее консервативной структурой внутри ЛПС, однако, его можно проследить до трех различных типов, известных просто как A (типичный для Escherichia / Shigella, Campylobacter, Haemophilus), B (типичный для Chromobacterium) и C (типичный для Rhodospirillum) [50].

На рисунке: клеточная стенка грамотрицательных бактерий

7. Токсичность и иммуногенность ЛПС

Токсичность ЛПС впервые была выявлена ​​немецким ученым Ричардом Пфайффером (Richard Pfeiffer) в конце 19 века. Работая со штаммами Vibrio cholerae, он ранее обнаружил, что их экзотоксин, истинный этиологический фактор холеры, деактивируется теплом. В то же время, однако, он также заметил, что, независимо от экзотоксина, если он экспериментально привил бактерию «приготовленной» (мертвой и без экзотоксина) или «разорванной на куски» (мертвой), животное все равно будет проявлять сильную токсичность (лихорадка, артериальная гипотензия, диссеминированное внутрисосудистое свертывание, септический шок). Таким образом, эта токсичность, отличная от токсичности холеры, не устраняется нагреванием и не требует наличия живого патогена. Чтобы отличить его от экзотоксина, Пфайффер назвал вещество, которое, по его мнению, было причиной сепсиса, «эндотоксином». Позже он обнаружил одно и то же вещество во всех энтеробактериях. Любопытно, что, несмотря на очень небольшое количество «эндо» (на самом деле это самая периферическая часть грамотрицательных бактерий), ЛПС до сих пор обычно называют эндотоксином [51].  Однако ЛПС - это не просто токсин. Это также, например, ключ к проникновению для тех бактериофагов, которые распознают грамотрицательные бактерии в качестве своей мишени [52]. Однако, что касается интерфейса бактерия-хозяин, это, прежде всего, мощный иммуноген, способный генерировать иммунные ответы, к сожалению, также очень «воспалительные», благодаря реакции таких популяций, как плазматические клетки, моноциты / макрофаги, гранулоциты и APCs (антигенпредставляющие клетки). По мнению некоторых авторов, вполне вероятно, что эволюция использовала ЛПС в качестве личного тренера иммунитета, чтобы кодировать эффективные ответы против грамотрицательных бактерий [53]. Хотя каждый структурный компонент, очевидно, играет свою особую роль, токсикологические свойства ЛПС в основном обусловлены структурой липида А и структурой внутреннего ядра. Липид А оказался бы настоящим токсофором. Фактически, только одно его присутствие определяет высвобождение TNF-α, IL-1 и IL-6 моноцитами. С другой стороны, внутреннее ядро ​​должно играть определенную роль в модуляции токсического действия липида А [53]. Иммунная и воспалительная реакция, вызываемая ЛПС, обусловлена двумя различными механизмами. Первый, неспецифический, связан просто с липофильностью липида А и, следовательно, с его способностью «растворяться» как в клеточных мембранах, так и в постпрандиальных жировых частицах. Второй, более специфичный и более мощный, опосредуется взаимодействием с ЛПС-связывающим белком (ЛСБ или англ. LPB [54]. Комплекс LPS-LPB (ЛСБ-ЛПС) взаимодействует с CD14. Последний через белок MD-2 (фактор миелоидной дифференцировки 2) активирует рецептор TLR-4 (Toll-подобный рецептор-4). За этим следует цитоплазматический каскад, который начинается с высвобождения MyD88 (первичный ответ миелоидной дифференцировки 88) и заканчивается повышающей модуляцией NF-kB (ядерный фактор, усиливающий каппа-легкую цепь активированных В-клеток), внутриядерного фактора, способного генерировать транскрипцию и трансляцию провоспалительных цитокинов, таких как TNF-α, IL-1 и IL-6 [55].

8. Роль ЛПС, полученных из Bacteroidetes

На уровне толстой кишки, количественно говоря, не семейство Enterobacteriaceae в наибольшей степени отвечает за степень общей грамотрицательности. Группа Bacteroidetes (Bacteroides в первую очередь, но также Parabacteroides, Alistipes, Rikenella, Prevotella, Paraprevotella, Alloprevotella и др.) на самом деле в среднем в десять раз более последовательна [56]. Как описано ранее, ЛПС бактерий, принадлежащих к этому типу, например к роду Bacteroides, структурно отличается от такового у Escherichia / Shigella, поскольку O-антиген отсутствует. Это различие делает его менее эффективным для выработки воспалительных цитокинов и снижает его эффективность в демонстрации летальности. В моделях in vitro, которые измеряют высвобождение TNF-α, ЛПС из Bacteroides spp. работает от 5 до 10 раз меньше, чем ЛПС от Escherichia. У мышей этот разрыв действия значительно увеличивается, показывая летальность примерно в 1000 раз ниже для ЛПС из Bacteroides, чем наблюдаемая при инокуляции ЛПС из Escherichia [57]. Несмотря на это различие, при оценке степени общей токсичности ЛПС, полученного из толстой кишки, нельзя не учитывать сильную представленность Bacteroidetes. Точно так же нельзя игнорировать наличие Negativicutes (Megasphaera, Megamonas, Acidaminococcus, Dialister и т. д. - класс бактерий типа Firmicutes, члены которых имеют своеобразную клеточную стенку с липополисахаридной наружной мембраной, с грамотрицательным окрашиванием, в отличие от большинства других представителей фирмикутов – ред.). Эти вероятные эволюционные мосты между дидермами и монодермами на самом деле являются монодермами, которые обладают ЛПС на внешней мембране. По этой причине они могут вносить вклад в общую грамотрицательную микробиоту толстой кишки [58].

9. Грамотрицательная микробиота толстой кишки и метаболическая эндотоксемия

ЛПС может быть получен как минимум из пяти бактериальных групп, Proteobacteria, Verrucomicrobioa, Fusobacteria, Bacteroidetes и Negativicutes, и попадает в периферическое кровообращение тремя различными путями. Он может проходить через монослой энтероцитов, используя возможную нестабильность плотных контактов, таким образом достигая собственной пластинки, он может «контактировать» со станциями лимфатических узлов, просто используя сократительную способность М-клеток и наличие большого количества лимфоцитов, лежащих в их основе, и он может смешиваться с диетическими жирами и использовать преимущества доставки, обеспечиваемые хиломикронами, для быстрого достижения печени [59,60]. Существует множество ситуаций, когда присутствие в кровотоке ЛПС толстого кишечника (метаболическая эндотоксемия), вероятно, играет активную роль в патологическом генезе (рис. 4). Например, при тревожно-депрессивном синдроме преобладают Enterobacteriaceae и Bacteroidetes, и у этих субъектов метагеномная картина показывает сильную склонность консорциума к экспрессии генов, направленных на продукцию ЛПС. Кроме того, анализ плазмы показывает большее количество, по сравнению со здоровыми субъектами, как ЛПС, так и зонулина, демонстрируя возможный процесс абсорбции ЛПС, опосредованный более проницаемым кишечником [61]. Затем ЛПС, полученный из толстой кишки, может воздействовать на печень через постпрандиальные жировые частицы благодаря первому контакту с CD14, расположенным на мембране клеток Купфера, печеночных макрофагов, принадлежащих ретикуло-гистиоцитарной или ретикуло-эндотелиальной системе, воспалительная реакция которой сильно отражается на гепатоцитах и звездчатых клетках, увеличивая риск развития стеатоза, фиброза, цирроза и карциномы [62,63]. Помимо депрессии и заболеваний печени, метаболическая эндотоксемия по-прежнему эффективно участвует в ряде важных заболеваний: например, при диабете, когда значение ЛПС колониального происхождения в плазме на 66–235% выше, чем в контроле [64]; при сердечных патологиях, от стабильной стенокардии до сердечного приступа, где ЛПС достигает значений соответственно в 2 и 3 раза выше, чем у здоровых людей [65], или при сердечно-метаболических заболеваниях, таких как ожирение и метаболический синдром, где риск сердечно-сосудистых нарушений увеличивается пропорционально увеличению уровня ЛПС в плазме [66]. Участие ЛПС также очевидно при аутоиммунных заболеваниях, таких как ревматоидный артрит, где важную роль, вероятно, играет ЛПС Prevotella copri [67], а также при синдроме хронической усталости [68] при ВИЧ [69], при астме и атопии, даже без особой корреляции со значениями IgE или с картинами выраженной эозинофилии [70,71,72]. Наконец, сильная корреляция наблюдалась при воспалении, также экспериментальном [73,74], и с тяжестью состояния пациентов в отделении интенсивной терапии [75], при котором соотношение между грамположительными и грамотрицательными бактериями, безусловно, выше в контроле, чем у госпитализированных пациентов, и выше, параметр, измеренный через 12 месяцев после первоначальной госпитализации, у выживших, а не у умерших.

Рисунок 4. После прохождения барьера, образованного энтероцитами (этап 1), ЛПС взаимодействует с ЛПС-связывающим белком, известным как LBP (этап 2). Затем комплекс взаимодействует с CD14, помещенным на мембрану клеток-мишеней (этап 3). Затем CD14 переносит ЛПС в рецепторный карман комплекса, состоящего из рецептора TLR4 (Toll-подобный рецептор 4) и его кофактора MD2 (фактор  дифференцировки миелоидов 2), запуская каскад внутрицитоплазматических событий, который завершается проникновением NF-kB (ядерного фактора «каппа-би») в ядро ​​с последующей транскрипцией и трансляцией в белки (в основном цитокины) со специфическими воспалительными характеристиками (этап 4). Присутствие этих цитокинов подпитывает такие явления, как метаболическая эндотоксемия и резистентность тканей к инсулину (шаг 5). Оба, воздействуя на разные органы, имеют разные последствия. В печени они способствуют развитию НАЖБП (неалкогольной жировой болезни печени), НАСГ (неалкогольный стеатогепатит), цирроза и рака. В полосато-скелетной мускулатуре они способствуют накоплению внутримиоцеллюлярных липидов и снижению новообразования гликогена. В жировой ткани они способствуют воспалению. На сердечном и сердечно-сосудистом уровнях они предрасполагают людей к повышенному риску инфаркта миокарда и тромбозу. Наконец, в мозгу они, вероятно, способствуют развитию таких патологий, как тревога и депрессия.

10. Соотношение грамположительные / грамотрицательные (бактерии)

Как подчеркивается в исследовании, проведенном на пациентах ОИТ [75], численное соотношение между относительным процентом грамположительных и грамотрицательных популяций микробиоты толстой кишки (G+/G−) представляет собой возможный маркер воспаления. Учитывая, что в стандартных условиях (взрослый субъект на средиземноморской диете, при отсутствии очевидных патологий и с оценкой стула по Бристольской шкале от 3 до 4) грамотрицательные виды в среднем вдвое превышают грамположительные виды [20], соотношение принимает в качестве эталона значения от 0,4 до 0,5. Таким образом, более низкие значения, стремящиеся к 0,1, связаны с большим вкладом грамотрицательных видов; более высокие значения, стремящиеся к 1, связаны с большим вкладом грамположительных видов. Очень низкое соотношение G+/G−, например от 0,1 до 0,2, предполагает, вероятно, воспалительное состояние, при котором ЛПС, потенциально высвобождаемый в систему, достигает высоких значений, помогая установить, если еще не существующее, воспалительное состояние. Очевидно, что высокая бактериальная грамотрицательность не обязательно означает состояние болезни, а только предрасположенность к построению потенциально воспалительных картин, опосредованных ЛПС. Эти картины потенциального воспаления могут быть ограничены областью толстой кишки или, наоборот, пронизывают ее и, следовательно, могут достигать периферии (печени, кровообращения, суставов и т. д.). Анализ таких параметров, как фекальный кальпротектин и зонулин плазмы, может помочь различить эти две возможности. Кальпротектин, белок цитозоля, выделяемый преимущественно нейтрофилами, обычно исследуется при воспалительном заболевании кишечника. Хотя он обнаруживается в различных жидкостях организма в концентрациях, пропорциональных степени воспаления, в стуле он достигает уровней, примерно в шесть раз превышающих уровни, обнаруживаемые в крови. Таким образом, присутствие фекального кальпротектина отражает воспаление кишечника и исключает наличие функциональных нарушений [76]. Зонулин, белок, участвующий в модуляции кишечной проницаемости, действует, открывая плотные контакты между клетками стенки пищеварительного тракта. Выявленный итальянским исследователем Алессио Фазано (Alessio Fasano) и его командой, работающей в Медицинской школе Мэриленда, в настоящее время он считается лучшим индикатором возможного синдрома «дырявого кишечника» [77]. Поэтому его обнаружение в сочетании с очень низким соотношением G+/G− может свидетельствовать о возможном существовании системного воспалительного состояния.

11. Соотношение Prevotella / Bacteroides

На рисунке: слева - представители Prevotella, справа - представители Bacteroides 

Еще один потенциальный биомаркер, который легко получить и легко интерпретировать, - это соотношение Prevotella / Bacteroides (P/B - Превотеллы к Бактероидам). Полученный простым определением относительного процента Prevotella в числителе и процента Bacteroides в знаменателе, можно получить параметр, способный идентифицировать субъектов с избыточным весом или ожирением, которые должны лучше реагировать на низкокалорийную диету, когда она также особенно богата растительной клетчаткой. В индустриальных обществах частота субъектов по отношению к их соотношению P/B демонстрирует бимодальный график, на котором первая кривая с более высокой частотой приходится на субъектов с низким соотношением P/B, а вторая, с более низкой частотой, показывает субъектов с высоким соотношением P/B [78]. Согласно опубликованным данным, субъекты с высоким соотношением P/B имели бы наилучшие шансы похудеть, если бы диета, безусловно, низкокалорийная, была особенно богата растительной клетчаткой [79,80]. Помимо чисто калорийных аспектов, главной особенностью этих диет является богатый вклад полисахаридных волокон, которые не ферментируются на уровне тонкой кишки и хорошо метаболизируются в области толстой кишки. Такое «дистальное» пищеварение, безусловно, связано с сахаролитической способностью бактерий, которые в толстой кишке превращают волокна, благодаря своей роли конечных акцепторов электронов, в короткоцепочечные жирные кислоты (SCFAs). Волокна, такие как фруктоолигосахариды, галактоолигосахариды, ксилосахариды и т. д., ферментируются, в зависимости от типа бактерий, в основном до ацетата, пропионата и бутирата и, в меньших количествах, до сукцината и лактата. Следовательно, даже если они не метаболизируются в тонком кишечнике и, следовательно, не усваиваются им в виде моносахаридов, эти волокна могут вносить свой вклад в калорийный баланс еды. В частности, если то, что усваивается в тонком кишечнике в виде гексозы, создает калорийный баланс 3,9 ккал/г, для этих волокон следует рассчитать значение 1,3 ккал/г [81]. Общее количество SCFAs, которое развивается у субъектов с повышенным толстокишечным профилем Prevotella, безусловно, больше, чем у субъектов с низким присутствием Prevotella [82]. Таким образом, даже с учетом получаемой низкой средней калорийности, преобладание Prevotella увеличивает ее производство. Однако, если оценить индивидуально вклад, который два разных доминирования могут определить с точки зрения SCFAs, можно заметить, что пропионат способен внести наибольший вклад, почти суммарный, в расчет общего кол-ва SCFAs. Независимо от доминирования, у субъектов, соблюдающих низкокалорийную диету, баланс потенциально усваиваемых калорий в тонком кишечнике ниже, чем значение в период до диеты. Этот феномен в значительной степени ответственен за потерю веса, наблюдаемую у приверженцев. Однако именно приверженность может иметь значение для доминирования Prevotella и Bacteroides. Это, безусловно, связано с психологическими аспектами, но также и с явлениями, известными каждому, кто когда-либо соблюдал диету, например, с ощущением голода. Таким образом, низкокалорийная диета, способная вызвать феномен сытости, будет иметь больше шансов на успех именно благодаря более низкому восприятию голода субъектом. Фактически, по крайней мере экспериментально, в моделях с очень контролируемой микробиотой пропионат продуцируется и высвобождается в случае сильного преобладания Prevotella при значениях, даже в три раза превышающих те, которые обнаруживаются при доминировании Bacteroides [83]. Как хорошо известно, пропионат, минуя линию энтероцитов, входит в цепь печеночного глюконеогенеза и, вероятно, способствует определению эффекта насыщения [36,37]. Bacteroides, и как сахаролитик, и как тип Bacteroidetes, представляет собой таксон, очевидно, описанный как производящий в первую очередь пропионат, но биоразнообразие и функциональная избыточность, наблюдаемые при доминировании Bacteroides, определенно ниже, чем те, которые наблюдаются при доминировании Prevotella [38]. Следовательно, при том же количестве бактерий и том же количестве потребляемой клетчатки преобладание Prevotella, вероятно, более эффективно в производстве пропионата. Кроме того, следует учитывать, что при доминировании Bacteroides чаще обнаруживается значительное присутствие Firmicutes, и фактически, в случае, например, ксилосахаридов из злаков и сорго, производимый бутират фактически больше при доминировании Bacteroides [83], и, как показано при описании соотношения F/B, способность извлекать калории путем преобразования их в бутират, напротив, является параметром, который коррелирует с избыточным весом и ожирением.

12. Соотношение Fusobacterium nucleatum / Faecalibacterium prausnitzii

На рисунке: слева - Fusobacterium nucleatum, справа - Faecalibacterium prausnitzii

Некоторые авторы недавно описали возможность того, что некоторые виды кишечника, такие как Fusobacterium nucleatum (Fn - Фузобактерии нуклеатум), могут вести себя внутри микробиоты как «онкобактерии», которые могут способствовать развитию новообразований толстой кишки [84]. Существует также противоположная возможность: некоторые бактерии, по-видимому, могут выполнять противоопухолевую роль, как в случае Holdemanella biformis, который считается защитным видом (также) из-за его способности продуцировать бутират [85]. Поскольку род Holdemanella в консорциумах толстой кишки встречается довольно редко, некоторые авторы предложили обнаружить другой, гораздо более часто обнаруживаемый таксон, продуцирующий бутират: Faecalibacterium prausnitzii (Fp - Фекалибактерии праусници) [86]. В частности, анализ соотношения Fn / Fp оказался полезным при перехвате субъектов с аденомами толстой кишки, хроническими воспалительными заболеваниями кишечника (ВЗК) и колоректальной карциномой (CRC), дифференцируя их от здоровых субъектов и от субъектов с неопластическими поражениями не кишечника. Исследование [87], проведенное почти на 1000 испытуемых, показало, что соотношение Fn/Fp низкое, менее 1, у здоровых лиц контрольной группы и у лиц с заболеваниями, не связанными с кишечником, в то время как оно выше у лиц с диагнозом ВЗК, аденомы и CRC. Более того, в последнем случае увеличение отношения Fn/Fp будет пропорционально увеличению тяжести новообразования. Способность перехватывать ситуации CRC, благодаря соотношению Fn/Fp, будет демонстрировать специфичность 94,5% и чувствительность 71,28%. Другое соотношение между Fn и таксоном Bifidobacterium (Fn/Bb) вместо этого могло бы перехватывать только субъектов с риском CRC без выделения субъектов с возможным присутствием аденом или диагнозом ВЗК. Поэтому это второе соотношение было бы менее полезным для предотвращения серьезных дисбиотических ситуаций в более широком смысле. Однако, если оценивается способность перехватывать начальные стадии CRC, лучшая производительность достигается при использовании соотношения Fn/Bb (специфичность: 81,9%, чувствительность: 75%). Принимая во внимание этот второй аспект, было бы стратегически целесообразно наблюдать за обоими индексами. Одно из возможных объяснений плохой детекции (обнаружения) Fp и Bb в присутствии высокого процента Fn заключается в отсутствии роста как Fp, так и Bb in vitro в присутствии культурального супернатанта, полученного из Fn [87]. Последний является хорошо известным продуцентом бактериоцинов [88], к которым могут быть чувствительны оба рода Faecalibacterium и Bifidobacterium. Независимо от важности индексов Fn/Fp и Fn/Bb, простое обнаружение Fn путем анализа микробиоты толстой кишки может быть, вероятно, даже само по себе, хорошим маркером возможного наличия рака толстой кишки. Недавний метаанализ, проведенный с участием 4500 субъектов, включая контрольную группу и пациентов с аденомой или карциномой толстой кишки, показал специфичность 76% и чувствительность 71% в отношении возможности выявления случаев CRC и, в отношении диагностики аденомы, специфичность 73% и чувствительность 36% [89]. В своем исследовании авторы фактически наблюдали более низкие значения специфичности и чувствительности при использовании «простого» обнаружения Fn, а не при использовании соотношения Fn/Fp. Результаты, даже если они важны, не сводят на нет отрицательный прогноз того, что обнаружение Fusobacterium (Fn) может или должно возрасти.

13. Выводы

Недавние достижения в области технических возможностей для анализа микробиоты кишечника человека привели к взрывному росту исследований микробиома. Это, безусловно, вызвало у клиницистов большой интерес к применению этих методов у своих пациентов, чтобы улучшить способность выявлять возможные заболевания. В этом обзоре, написанном в повествовательной форме и с подходом упрощения некоторых чрезмерных сложностей, типичных для кишечной микробиоты, были приняты во внимание некоторые возможные маркеры при попытке оценить, могут ли они и как способствовать лучшему пониманию состояния пациента. Особое внимание было уделено некоторым соотношениям, легко выводимым после анализа микробиоты стула, таким как F/B, P/B, G+/G− и Fn/Fp. Безусловно, эти маркеры нуждаются в дальнейшем изучении и все еще имеют некоторые ограничения. Тем не менее, они показывают возможные перспективы на будущее, и продолжение их обсуждения, как это было сделано в этом описательном обзоре, может побудить исследователей предпринять новые и более точные попытки улучшить методы, необходимые для их улучшения, и может ускорить путь к их обычному клиническому применению.

Однако на данный момент эти параметры могут стать частью рутинных подходов в амбулаторных и стационарных условиях. Очевидно, что сначала необходимо максимально оптимизировать ряд аналитических параметров, которые все еще слишком мало рассматриваются как важные переменные, способные изменить, по крайней мере частично, результаты. Такая оптимизация позволит получить большую степень единообразия и совпадения полученных результатов, даже если они получены из разных лабораторий. Например, слишком много лабораторий полагаются на слишком низкую гомологию последовательностей [90,91]. Тогда было бы целесообразно, чтобы каждый принял 100% гомологию последовательностей, чтобы перейти от концепции OTU (операционная таксономическая единица) к более точной концепции ASV (вариант последовательности ампликона) [92,93]. Очевидно, это должно быть сделано вместе с лучшим профилированием систем фильтрации, чтобы избежать, насколько это возможно, необходимости интерпретировать последовательности, возникающие в результате ошибок, как реальные чтения [94]. Для этого необходимо попытаться стандартизировать методы фильтрации или, по крайней мере, проверить возможную биоэквивалентность различных систем. Другая проблема касается обновления баз данных, используемых при таксономической атрибуции полученных считываний. Слишком часто лаборатории ссылаются на базы данных, которые недостаточно обновлены [95,96]. Очевидно, что многие другие переменные будут стандартизированы (методы извлечения ДНК или области гена 16S рРНК, подлежащие анализу), но, по крайней мере, поиск единообразия в гомологии последовательностей, в фильтрации отсечения считываний и в используемых базах данных можно считать хорошим шагом вперед в этом отношении. Как только будет достигнута большая степень аналитической однородности, параметры, обсуждаемые в этом обзоре, могут быть фактически использованы в клинической практике. Несомненно, соотношение F/B можно было бы использовать для более точного определения количества калорий, которое должно быть установлено в диете для похудения, с учетом большего количества калорий, полученных из SCFAs [97]. Тот же параметр также может быть использован во время той же терапии для оценки тенденции способности к извлечению калорий во время продолжения диеты. Соотношение G+/G− с соответствующими оценками, которые должны быть выполнены для таксонов, обладающих мембраной с ЛПС, следует использовать для оценки воспалительного потенциала (pro-TNF-α, pro-IL-1β, pro-IL-6, и т.д.) микробиоты. Чтобы лучше понять, в какой степени воспалительная сила микробиоты может затем быть перенесена за пределы области кишечника (печень, мышцы, жировая ткань, мозг и т.д.), может помочь анализ фекального зонулина [61,98]. Независимо от зонулина, сильную грамотрицательность всегда следует рассматривать как потенциально воспалительную и, следовательно, лечить с помощью диетического вмешательства (например, с уменьшением количества пищевых жиров) и/или с помощью пробиотиков и пребиотиков. Тест следует тщательно оценивать у пациентов с ожирением, диабетом и инсулинорезистентностью, а также у тех, кто придерживается кетогенной диеты. В этом случае мониторинг грамотрицательности может предложить перейти на менее воспалительную диету, такую как средиземноморская [99]. Основываясь на недавней публикации, которая демонстрирует, как ЛПС, полученные из кишечной микробиоты, могут способствовать тревожно-депрессивным проявлениям [100], анализ соотношения G+/G может помочь врачу в принятии решения о том, следует ли назначать только традиционную терапию (с антидепрессантами и/или анксиолитиками) или также вмешиваться в диету, пытаясь снизить общую грамотрицательность. Даже если содержание Prevotella у людей в промышленно развитых странах, безусловно, невелико, соотношение P/B также может быть выгодно применимо в диетах. Например, высокое соотношение P/B может указывать на возможный успех диеты, богатой клетчаткой, и может снизить использование кетогенной диеты, вероятно, воспалительной, которая, возможно, слишком часто применяется врачами и диетологами для достижения более безопасной потери веса. Наконец, взаимосвязь между Fusobacterium и Faecalibacterium или между Fusobacterium и Bifidobacterium может помочь, как это делается при анализе скрытой крови кала или кальпротектина[101], предотвратить ситуации, которые могут развиться в аденомы или карциномы толстой кишки или воспалительные заболевания кишечника. Конечно, даже простейшее обнаружение одной только Fusobacterium должно звучать как «тревожный звонок». Однако, как показано в соответствующем абзаце, присутствие «агрессора» (Fusobacterium), вероятно, менее опасно (следовательно, менее продромально для болезни) в присутствии «защитника» (Faecalibacterium или Bifidobacterium). Как показывают результаты специфичности и чувствительности, анализ взаимосвязи между Fusobacterium и Faecalibacterium (или Bifidobacterium), а не только обнаружение Fusobacterium, демонстрирует более значимые результаты.

В заключение, измененный состав кишечных бактерий был связан с предрасположенностью и/или патогенезом многих заболеваний. Некоторые параметры (F/B, G+/G−, P/B и Fn/Fp) можно использовать для лучшей классификации и понимания этих измененных консорциумов и разработки возможного плана вмешательства.

Дополнительная информация:

• Медицина микробиоты
• Классификация кишечных бактерий. Бактероидеты и Фирмикуты и др.
  
• Нацеливание на микробиоту в здравоохранительной практике
• Основы микробиологии: микроорганизмы
• Липополисахариды грамотрицательных бактерий
• Соотношение Firmicutes / Bacteroidetes: релевантный маркер дисбиоза кишечника у пациентов с ожирением?
• Практичная характеристика представителей кишечной микробиоты

Литература

1. Haahtela, T.; Holgate, S.; Pawankar, R.; Akdis, C.A.; Benjaponpitak, S.; Caraballo, L.; Demain, J.; Portnoy, J.; von Hertzen, L.; WAO Special Committee on Climate Change and Biodiversity. The biodiversity hypothesis and allergic disease: World allergy organization position statement. World Allergy Organ. J. 2013, 6, 3. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
2. Wilmanski, T.; Rappaport, N.; Earls, J.C.; Magis, A.T.; Manor, O.; Lovejoy, J.; Omenn, G.S.; Hood, L.; Gibbons, S.M.; Price, N.D. Blood metabolome predicts gut microbiome α-diversity in humans. Nat. Biotechnol. 2019, 37, 1217–1228. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
3. Forslund, K.; Hildebrand, F.; Nielsen, T.; Falony, G.; Le Chatelier, E.; Sunagawa, S.; Prifti, E.; Vieira-Silva, S.; Gudmundsdottir, V.; Pedersen, H.K.; et al. Disentangling type 2 diabetes and metformin treatment signatures in the human gut microbiota. Nature 2015, 528, 262–266. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
4. Wei, Y.; Li, Y.; Yan, L.; Sun, C.; Miao, Q.; Wang, Q.; Xiao, X.; Lian, M.; Li, B.; Chen, Y.; et al. Alterations of gut microbiome in autoimmune hepatitis. Gut 2020, 69, 569–577. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
5. Wang, Q.; Li, F.; Liang, B.; Liang, Y.; Chen, S.; Mo, X.; Ju, Y.; Zhao, H.; Jia, H.; Spector, T.D.; et al. A metagenome-wide association study of gut microbiota in asthma in UK adults. BMC Microbiol. 2018, 18, 114. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
6. Lee, M.J.; Kang, M.J.; Lee, S.Y.; Lee, E.; Kim, K.; Won, S.; Suh, D.I.; Kim, K.W.; Sheen, Y.H.; Ahn, K.; et al. Perturbations of gut microbiome genes in infants with atopic dermatitis according to feeding type. J. Allergy Clin. Immunol. 2018, 141, 1310–1319. [Google Scholar] [CrossRef]
7. Mancabelli, L.; Milani, C.; Lugli, G.A.; Turroni, F.; Cocconi, D.; van Sinderen, D.; Ventura, M. Identification of universal gut microbial biomarkers of common human intestinal diseases by meta-analysis. FEMS Microbiol. Ecol. 2017, 93, fix153. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
8. Zhou, Y.; Xu, Z.Z.; He, Y.; Yang, Y.; Liu, L.; Lin, Q.; Nie, Y.; Li, M.; Zhi, F.; Liu, S.; et al. Gut Microbiota Offers Universal Biomarkers across Ethnicity in Inflammatory Bowel Disease Diagnosis and Infliximab Response Prediction. Msystems 2018, 3, e00188-e17. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
9. He, C.; Wang, H.; Liao, W.D.; Peng, C.; Shu, X.; Zhu, X.; Zhu, Z.H. Characteristics of mucosa-associated gut microbiota during treatment in Crohn’s disease. World J. Gastroenterol. 2019, 25, 2204–2216. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
10. Louis, P.; Flint, H.J. Diversity, metabolism and microbial ecology of butyrate-producing bacteria from the human large intestine. FEMS Microbiol. Lett. 2009, 294, 1–8. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
11. Li, X.; Li, Z.; He, Y.; Li, P.; Zhou, H.; Zeng, N. Regional distribution of Christensenellaceae and its associations with metabolic syndrome based on a population-level analysis. PeerJ 2020, 8, e9591. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
12. Png, C.W.; Lindén, S.K.; Gilshenan, K.S.; Zoetendal, E.G.; McSweeney, C.S.; Sly, L.I.; McGuckin, M.A.; Florin, T.H. Mucolytic bacteria with increased prevalence in IBD mucosa augment in vitro utilization of mucin by other bacteria. Am. J. Gastroenterol. 2010, 105, 2420–2428. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
13. Liang, J.Q.; Li, T.; Nakatsu, G.; Chen, Y.X.; Yau, T.O.; Chu, E.; Wong, S.; Szeto, C.H.; Ng, S.C.; Chan, F.K.L.; et al. A novel faecal Lachnoclostridium marker for the non-invasive diagnosis of colorectal adenoma and cancer. Gut 2020, 69, 1248–1257. [Google Scholar] [CrossRef]
14. Alpizar-Rodriguez, D.; Lesker, T.R.; Gronow, A.; Gilbert, B.; Raemy, E.; Lamacchia, C.; Gabay, C.; Finckh, A.; Strowig, T. Prevotella copri in individuals at risk for rheumatoid arthritis. Ann. Rheum. Dis. 2019, 78, 590–593. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
15. Mirza, A.; Forbes, J.D.; Zhu, F.; Bernstein, C.N.; Van Domselaar, G.; Graham, M.; Waubant, E.; Tremlett, H. The multiple sclerosis gut microbiota: A systematic review. Mult. Scler. Relat. Disord. 2020, 37, 101427. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
16. Mirsepasi-Lauridsen, H.C.; Vallance, B.A.; Krogfelt, K.A.; Petersen, A.M. Escherichia coli Pathobionts Associated with Inflammatory Bowel Disease. Clin. Microbiol. Rev. 2019, 32, e00060-18. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
17. Roager, H.M.; Hansen, L.B.; Bahl, M.I.; Frandsen, H.L.; Carvalho, V.; Gøbel, R.J.; Dalgaard, M.D.; Plichta, D.R.; Sparholt, M.H.; Vestergaard, H.; et al. Colonic transit time is related to bacterial metabolism and mucosal turnover in the gut. Nat. Microbiol. 2016, 1, 16093. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
18. Vandeputte, D.; Kathagen, G.; D’hoe, K.; Vieira-Silva, S.; Valles-Colomer, M.; Sabino, J.; Wang, J.; Tito, R.Y.; De Commer, L.; Darzi, Y.; et al. Quantitative microbiome profiling links gut community variation to microbial load. Nature 2017, 551, 507–511. [Google Scholar] [CrossRef]
19. Valles-Colomer, M.; Falony, G.; Darzi, Y.; Tigchelaar, E.F.; Wang, J.; Tito, R.Y.; Schiweck, C.; Kurilshikov, A.; Joossens, M.; Wijmenga, C.; et al. The neuroactive potential of the human gut microbiota in quality of life and depression. Nat. Microbiol. 2019, 4, 623–632. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
20. Allaband, C.; McDonald, D.; Vázquez-Baeza, Y.; Minich, J.J.; Tripathi, A.; Brenner, D.A.; Loomba, R.; Smarr, L.; Sandborn, W.J.; Schnabl, B.; et al. Microbiome 101: Studying, Analyzing, and Interpreting Gut Microbiome Data for Clinicians. Clin. Gastroenterol. Hepatol. 2019, 17, 218–230. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
21. Ley, R.E.; Bäckhed, F.; Turnbaugh, P.; Lozupone, C.A.; Knight, R.D.; Gordon, J.I. Obesity alters gut microbial ecology. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2005, 102, 11070–11075. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
22. Turnbaugh, P.J.; Ley, R.E.; Mahowald, M.A.; Magrini, V.; Mardis, E.R.; Gordon, J.I. An obesity-associated gut microbiome with increased capacity for energy harvest. Nature 2006, 444, 1027–1031. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
23. Ley, R.E.; Turnbaugh, P.J.; Klein, S.; Gordon, J.I. Microbial ecology: Human gut microbes associated with obesity. Nature 2006, 444, 1022–1023. [Google Scholar] [CrossRef]
24. Bervoets, L.; Van Hoorenbeeck, K.; Kortleven, I.; Van Noten, C.; Hens, N.; Vael, C.; Goossens, H.; Desager, K.N.; Vankerckhoven, V. Differences in gut microbiota composition between obese and lean children: A cross-sectional study. Gut Pathog. 2013, 5, 10. [Google Scholar] [CrossRef]
25. Koliada, A.; Syzenko, G.; Moseiko, V.; Budovska, L.; Puchkov, K.; Perederiy, V.; Gavalko, Y.; Dorofeyev, A.; Romanenko, M.; Tkach, S.; et al. Association between body mass index and Firmicutes/Bacteroidetes ratio in an adult Ukrainian population. BMC Microbiol. 2017, 17, 120. [Google Scholar] [CrossRef]
26. Mariat, D.; Firmesse, O.; Levenez, F.; Guimarăes, V.; Sokol, H.; Doré, J.; Corthier, G.; Furet, J.P. The Firmicutes/Bacteroidetes ratio of the human microbiota changes with age. BMC Microbiol. 2009, 9, 123. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
27. Kim, M.S.; Hwang, S.S.; Park, E.J.; Bae, J.W. Strict vegetarian diet improves the risk factors associated with metabolic diseases by modulating gut microbiota and reducing intestinal inflammation. Environ. Microbiol. Rep. 2013, 5, 765–775. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
28. Guo, Y.; Huang, Z.P.; Liu, C.Q.; Qi, L.; Sheng, Y.; Zou, D.J. Modulation of the gut microbiome: A systematic review of the effect of bariatric surgery. Eur. J. Endocrinol. 2018, 178, 43–56. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
29. Magne, F.; Gotteland, M.; Gauthier, L.; Zazueta, A.; Pesoa, S.; Navarrete, P.; Balamurugan, R. The Firmicutes/Bacteroidetes Ratio: A Relevant Marker of Gut Dysbiosis in Obese Patients? Nutrients 2020, 12, 1474. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
30. Jumpertz, R.; Le, D.S.; Turnbaugh, P.J.; Trinidad, C.; Bogardus, C.; Gordon, J.I.; Krakoff, J. Energy-balance studies reveal associations between gut microbes, caloric load, and nutrient absorption in humans. Am. J. Clin. Nutr. 2011, k94, 58–65. [Google Scholar] [CrossRef]
31. Duncan, S.H.; Louis, P.; Thomson, J.M.; Flint, H.J. The role of pH in determining the species composition of the human colonic microbiota. Environ. Microbiol. 2009, 11, 2112–2122. [Google Scholar] [CrossRef]
32. Bäckhed, F.; Ding, H.; Wang, T.; Hooper, L.V.; Koh, G.Y.; Nagy, A.; Semenkovich, C.F.; Gordon, J.I. The gut microbiota as an environmental factor that regulates fat storage. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2004, 101, 15718–15723. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
33. Flint, H.J.; Bayer, E.A.; Rincon, M.T.; Lamed, R.; White, B.A. Polysaccharide utilization by gut bacteria: Potential for new insights from genomic analysis. Nat. Rev. Microbiol. 2008, 6, 121–131. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
34. Blaak, E.E.; Canfora, E.E.; Theis, S.; Frost, G.; Groen, A.K.; Mithieux, G.; Nauta, A.; Scott, K.; Stahl, B.; van Harsselaar, J.; et al. Short chain fatty acids in human gut and metabolic health. Benef. Microbes 2020, 11, 411–455. [Google Scholar] [CrossRef]
35. Roediger, W.E. Role of anaerobic bacteria in the metabolic welfare of the colonic mucosa in man. Gut 1980, 21, 793–798. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
36. Chambers, E.S.; Morrison, D.J.; Frost, G. Control of appetite and energy intake by SCFA: What are the potential underlying mechanisms? Proc. Nutr. Soc. 2015, 74, 328–336. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
37. Chambers, E.S.; Viardot, A.; Psichas, A.; Morrison, D.J.; Murphy, K.G.; Zac-Varghese, S.E.; MacDougall, K.; Preston, T.; Tedford, C.; Finlayson, G.S.; et al. Effects of targeted delivery of propionate to the human colon on appetite regulation, body weight maintenance and adiposity in overweight adults. Gut 2015, 64, 1744–1754. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
38. Vieira-Silva, S.; Falony, G.; Darzi, Y.; Lima-Mendez, G.; Garcia Yunta, R.; Okuda, S.; Vandeputte, D.; Valles-Colomer, M.; Hildebrand, F.; Chaffron, S.; et al. Species-function relationships shape ecological properties of the human gut microbiome. Nat. Microbiol. 2016, 1, 16088. [Google Scholar] [CrossRef]
39. Cani, P.D.; Amar, J.; Iglesias, M.A.; Poggi, M.; Knauf, C.; Bastelica, D.; Neyrinck, A.M.; Fava, F.; Tuohy, K.M.; Chabo, C.; et al. Metabolic endotoxemia initiates obesity and insulin resistance. Diabetes 2007, 56, 1761–1772. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
40. Schütt, C. CD14. Int. J. Biochem. Cell Biol. 1999, 31, 545–549. [Google Scholar] [CrossRef]
41. Borzęcka, K.; Płóciennikowska, A.; Björkelund, H.; Sobota, A.; Kwiatkowska, K. CD14 mediates binding of high doses of LPS but is dispensable for TNF-α production. Mediat. Inflamm. 2013, 2013, 824919. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
42. Goyal, A.K.; Bhat, M.; Sharma, M.; Garg, M.; Khairwa, A.; Garg, R. Effect of green tea mouth rinse on Streptococcus mutans in plaque and saliva in children: An in vivo study. J. Indian Soc. Pedod. Prev. Dent. 2017, 35, 41–46. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
43. Vollmer, W.; Blanot, D.; de Pedro, M.A. Peptidoglycan structure and architecture. FEMS Microbiol. Rev. 2008, 32, 149–167. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
44. Ultee, E.; van der Aart, L.T.; Zhang, L.; van Dissel, D.; Diebolder, C.A.; van Wezel, G.P.; Claessen, D.; Briegel, A. Teichoic acids anchor distinct cell wall lamellae in an apically growing bacterium. Commun. Biol. 2020, 3, 314. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
45. Tripathi, N.; Sapra, A. Gram Staining; StatPearls Publishing: Treasure Island, FL, USA, 2021. [Google Scholar]
46. Coico, R. Gram staining. Curr. Protoc. Microbiol. 2005. Appendix 3:Appendix 3C. [Google Scholar] [CrossRef]
47. Megrian, D.; Taib, N.; Witwinowski, J.; Beloin, C.; Gribaldo, S. One or two membranes? Diderm Firmicutes challenge the Gram-positive/Gram-negative divide. Mol. Microbiol. 2020, 113, 659–671. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
48. Taib, N.; Megrian, D.; Witwinowski, J.; Adam, P.; Poppleton, D.; Borrel, G.; Beloin, C.; Gribaldo, S. Genome-wide analysis of the Firmicutes illuminates the diderm/monoderm transition. Nat. Ecol. Evol. 2020, 4, 1661–1672. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
49. Raetz, C.R.; Whitfield, C. Lipopolysaccharide endotoxins. Annu. Rev. Biochem. 2002, 71, 635–700. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
50. Oliveira, J.; Reygaert, W.C. Gram Negative Bacteria; StatPearls Publishing: Treasure Island, FL, USA, 2021. [Google Scholar]
51. Rietschel, E.T.; Kirikae, T.; Schade, F.U.; Ulmer, A.J.; Holst, O.; Brade, H.; Schmidt, G.; Mamat, U.; Grimmecke, H.D.; Kusumoto, S.; et al. The chemical structure of bacterial endotoxin in relation to bioactivity. Immunobiology 1993, 187, 169–190. [Google Scholar] [CrossRef]
52. Broeker, N.K.; Barbirz, S. Not a barrier but a key: How bacteriophages exploit host’s O-antigen as an essential receptor to initiate infection. Mol. Microbiol. 2017, 105, 353–357. [Google Scholar] [CrossRef]
53. Lim, K.H.; Staudt, L.M. Toll-like receptor signaling. Cold Spring Harb. Perspect. Biol. 2013, 5, a011247. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
54. Ryu, J.K.; Kim, S.J.; Rah, S.H.; Kang, J.I.; Jung, H.E.; Lee, D.; Lee, H.K.; Lee, J.O.; Park, B.S.; Yoon, T.Y.; et al. Reconstruction of LPS Transfer Cascade Reveals Structural Determinants within LBP, CD14, and TLR4-MD2 for Efficient LPS Recognition and Transfer. Immunity 2017, 46, 38–50. [Google Scholar] [CrossRef]
55. Ju, M.; Liu, B.; He, H.; Gu, Z.; Liu, Y.; Su, Y.; Zhu, D.; Cang, J.; Luo, Z. MicroRNA-27a alleviates LPS-induced acute lung injury in mice via inhibiting inflammation and apoptosis through modulating TLR4/MyD88/NF-κB pathway. Cell Cycle 2018, 17, 2001–2018. [Google Scholar] [CrossRef]
56. Jandhyala, S.M.; Talukdar, R.; Subramanyam, C.; Vuyyuru, H.; Sasikala, M.; Nageshwar Reddy, D. Role of the normal gut microbiota. World J. Gastroenterol. 2015, 21, 8787–8803. [Google Scholar] [CrossRef]
57. Delahooke, D.M.; Barclay, G.R.; Poxton, I.R. A re-appraisal of the biological activity of Bacteroides LPS. J. Med. Microbiol. 1995, 42, 102–112. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
58. Antunes, L.C.; Poppleton, D.; Klingl, A.; Criscuolo, A.; Dupuy, B.; Brochier-Armanet, C.; Beloin, C.; Gribaldo, S. Phylogenomic analysis supports the ancestral presence of LPS-outer membranes in the Firmicutes. eLife 2016, 5, e14589. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
59. Wang, M.; Gao, Z.; Zhang, Z.; Pan, L.; Zhang, Y. Roles of M cells in infection and mucosal vaccines. Hum. Vaccin Immunother. 2014, 10, 3544–3551. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
60. Akiba, Y.; Maruta, K.; Takajo, T.; Narimatsu, K.; Said, H.; Kato, I.; Kuwahara, A.; Kaunitz, J.D. Lipopolysaccharides transport during fat absorption in rodent small intestine. Am. J. Physiol. Gastrointest. Liver Physiol. 2020, 318, G1070–G1087. [Google Scholar] [CrossRef]
61. Stevens, B.R.; Goel, R.; Seungbum, K.; Richards, E.M.; Holbert, R.C.; Pepine, C.J.; Raizada, M.K. Increased human intestinal barrier permeability plasma biomarkers zonulin and FABP2 correlated with plasma LPS and altered gut microbiome in anxiety or depression. Gut 2018, 67, 1555–1557. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
62. Xie, G.; Wang, X.; Liu, P.; Wei, R.; Chen, W.; Rajani, C.; Hernandez, B.Y.; Alegado, R.; Dong, B.; Li, D.; et al. Distinctly altered gut microbiota in the progression of liver disease. Oncotarget 2016, 7, 19355–19366. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
63. Fernández-Musoles, R.; García Tejedor, A.; Laparra, J.M. Immunonutritional contribution of gut microbiota to fatty liver disease. Nutr. Hosp. 2020, 37, 193–206. [Google Scholar] [PubMed]
64. Gomes, J.M.G.; Costa, J.A.; Alfenas, R.C.G. Metabolic endotoxemia and diabetes mellitus: A systematic review. Metabolism 2017, 68, 133–144. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
65. Carnevale, R.; Sciarretta, S.; Valenti, V.; di Nonno, F.; Calvieri, C.; Nocella, C.; Frati, G.; Forte, M.; d’Amati, G.; Pignataro, M.G.; et al. Low-grade endotoxaemia enhances artery thrombus growth via Toll-like receptor 4: Implication for myocardial infarction. Eur. Heart J. 2020, 41, 3156–3165. [Google Scholar] [CrossRef]
66. Kallio, K.A.; Hätönen, K.A.; Lehto, M.; Salomaa, V.; Männistö, S.; Pussinen, P.J. Endotoxemia, nutrition, and cardiometabolic disorders. Acta Diabetol. 2015, 52, 395–404. [Google Scholar] [CrossRef]
67. Kasselman, L.J.; Vernice, N.A.; DeLeon, J.; Reiss, A.B. The gut microbiome and elevated cardiovascular risk in obesity and autoimmunity. Atherosclerosis 2018, 271, 203–213. [Google Scholar] [CrossRef]
68. Maes, M.; Twisk, F.N.; Kubera, M.; Ringel, K.; Leunis, J.C.; Geffard, M. Increased IgA responses to the LPS of commensal bacteria is associated with inflammation and activation of cell-mediated immunity in chronic fatigue syndrome. J. Affect. Disord. 2012, 136, 909–917. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
69. Storm-Larsen, C.; Stiksrud, B.; Eriksen, C.; Nowak, P.; Holm, K.; Thalme, A.; Dyrhol-Riise, A.M.; Brix, S.; Hov, J.R.; Trøseid, M. Microbial translocation revisited: Targeting the endotoxic potential of gut microbes in HIV-infected individuals. AIDS 2019, 33, 645–653. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
70. Gomez-Llorente, M.A.; Romero, R.; Chueca, N.; Martinez-Cañavate, A.; Gomez-Llorente, C. Obesity and Asthma: A Missing Link. Int J. Mol. Sci. 2017, 18, 1490. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
71. Penders, J.; Thijs, C.; Mommers, M.; Stobberingh, E.E.; Dompeling, E.; Reijmerink, N.E.; van den Brandt, P.A.; Kerkhof, M.; Koppelman, G.H.; Postma, D.S. Host-microbial interactions in childhood atopy: Toll-like receptor 4 (TLR4), CD14, and fecal Escherichia coli. J. Allergy Clin. Immunol. 2010, 125, 231–236.e5. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
72. Sheen, Y.H.; Jee, H.M.; Kim, D.H.; Ha, E.K.; Jeong, I.J.; Lee, S.J.; Baek, H.S.; Lee, S.W.; Lee, K.J.; Lee, K.S. Serum zonulin is associated with presence and severity of atopic dermatitis in children, independent of total IgE and eosinophil. Clin. Exp. Allergy 2018, 48, 1059–1062. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
73. Park, S.H.; Kim, K.A.; Ahn, Y.T.; Jeong, J.J.; Huh, C.S.; Kim, D.H. Comparative analysis of gut microbiota in elderly people of urbanized towns and longevity villages. BMC Microbiol. 2015, 15, 49. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
74. Kim, K.A.; Jeong, J.J.; Yoo, S.Y.; Kim, D.H. Gut microbiota lipopolysaccharide accelerates inflamm-aging in mice. BMC Microbiol. 2016, 16, 9. [Google Scholar] [CrossRef]
75. Lankelma, J.M.; van Vught, L.A.; Belzer, C.; Schultz, M.J.; van der Poll, T.; de Vos, W.M.; Wiersinga, W.J. Critically ill patients demonstrate large interpersonal variation in intestinal microbiota dysregulation: A pilot study. Intensive Care Med. 2017, 43, 59–68. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
76. Ricciuto, A.; Griffiths, A.M. Clinical value of fecal calprotectin. Crit Rev. Clin. Lab. Sci. 2019, 56, 307–320. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
77. Caviglia, G.P.; Dughera, F.; Ribaldone, D.G.; Rosso, C.; Abate, M.L.; Pellicano, R.; Bresso, F.; Smedile, A.; Saracco, G.M.; Astegiano, M. Serum zonulin in patients with inflammatory bowel disease: A pilot study. Minerva Med. 2019, 110, 95–100. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
78. Roager, H.M.; Licht, T.R.; Poulsen, S.K.; Larsen, T.M.; Bahl, M.I. Microbial enterotypes, inferred by the prevotella-to-bacteroides ratio, remained stable during a 6-month randomized controlled diet intervention with the new nordic diet. Appl. Environ. Microbiol. 2014, 80, 1142–1149. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
79. Hjorth, M.F.; Blædel, T.; Bendtsen, L.Q.; Lorenzen, J.K.; Holm, J.B.; Kiilerich, P.; Roager, H.M.; Kristiansen, K.; Larsen, L.H.; Astrup, A. Prevotella-to-Bacteroides ratio predicts body weight and fat loss success on 24-week diets varying in macronutrient composition and dietary fiber: Results from a post-hoc analysis. Int. J. Obes. 2019, 43, 149–157. [Google Scholar] [CrossRef]
80. Christensen, L.; Roager, H.M.; Astrup, A.; Hjorth, M.F. Microbial enterotypes in personalized nutrition and obesity management. Am. J. Clin. Nutr. 2018, 108, 645–651. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
81. Roberfroid, M.B. Caloric value of inulin and oligofructose. J. Nutr. 1999, 129 (Suppl. 7), 1436S–1437S. [Google Scholar] [CrossRef]
82. De Filippo, C.; Di Paola, M.; Ramazzotti, M.; Albanese, D.; Pieraccini, G.; Banci, E.; Miglietta, F.; Cavalieri, D.; Lionetti, P. Diet, Environments, and Gut Microbiota. A Preliminary Investigation in Children Living in Rural and Urban Burkina Faso and Italy. Front. Microbiol. 2017, 8, 1979. [Google Scholar] [CrossRef]
83. Chen, T.; Long, W.; Zhang, C.; Liu, S.; Zhao, L.; Hamaker, B.R. Fiber-utilizing capacity varies in Prevotella-versus Bacteroides-dominated gut microbiota. Sci. Rep. 2017, 7, 2594. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
84. Brennan, C.A.; Garrett, W.S. Fusobacterium nucleatum: Symbiont, opportunist and oncobacterium. Nat. Rev. Microbiol. 2019, 17, 156–166. [Google Scholar] [CrossRef]
85. Zagato, E.; Pozzi, C.; Bertocchi, A.; Schioppa, T.; Saccheri, F.; Guglietta, S.; Fosso, B.; Melocchi, L.; Nizzoli, G.; Troisi, J.; et al. Endogenous murine microbiota member Faecalibaculum rodentium and its human homologue protect from intestinal tumour growth. Nat. Microbiol. 2020, 5, 511–524. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
86. Lopez-Siles, M.; Duncan, S.H.; Garcia-Gil, L.J.; Martinez-Medina, M. Faecalibacterium prausnitzii: From microbiology to diagnostics and prognostics. ISME J. 2017, 11, 841–852. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
87. Guo, S.; Li, L.; Xu, B.; Li, M.; Zeng, Q.; Xiao, H.; Xue, Y.; Wu, Y.; Wang, Y.; Liu, W.; et al. A Simple and Novel Fecal Biomarker for Colorectal Cancer: Ratio of Fusobacterium Nucleatum to Probiotics Populations, Based on Their Antagonistic Effect. Clin. Chem. 2018, 64, 1327–1337. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
88. Oliveira, A.A.; Farias, L.M.; Nicoli, J.R.; Costa, J.E.; Carvalho, M.A. Bacteriocin production by Fusobacterium isolates recovered from the oral cavity of human subjects with and without periodontal disease and of marmosets. Res. Microbiol. 1998, 149, 585–594. [Google Scholar] [CrossRef]
89. Zhang, X.; Zhu, X.; Cao, Y.; Fang, J.Y.; Hong, J.; Chen, H. Fecal Fusobacterium nucleatum for the diagnosis of colorectal tumor: A systematic review and meta-analysis. Cancer Med. 2019, 8, 480–491. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
90. Edgar, R.C. Accuracy of taxonomy prediction for 16S rRNA and fungal ITS sequences. PeerJ 2018, 6, e4652. [Google Scholar] [CrossRef]
91. Edgar, R.C. Updating the 97% identity threshold for 16S ribosomal RNA OTUs. Bioinformatics 2018, 34, 2371–2375. [Google Scholar] [CrossRef]
92. Callahan, B.J.; Wong, J.; Heiner, C.; Oh, S.; Theriot, C.M.; Gulati, A.S.; McGill, S.K.; Dougherty, M.K. High-throughput amplicon sequencing of the full-length 16S rRNA gene with single-nucleotide resolution. Nucleic Acids Res. 2019, 47, e103. [Google Scholar] [CrossRef]
93. Callahan, B.J.; McMurdie, P.J.; Rosen, M.J.; Han, A.W.; Johnson, A.J.; Holmes, S.P. DADA2: High-resolution sample inference from Illumina amplicon data. Nat. Methods 2016, 13, 581–583. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
94. Quijada, N.M.; Rodríguez-Lázaro, D.; Eiros, J.M.; Hernández, M. TORMES: An automated pipeline for whole bacterial genome analysis. Bioinformatics 2019, 35, 4207–4212. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
95. Balvočiūtė, M.; Huson, D.H. SILVA, RDP, Greengenes, NCBI and OTT—How do these taxonomies compare? BMC Genom. 2017, 18 (Suppl. 2), 114. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
96. Edgar, R. Taxonomy annotation and guide tree errors in 16S rRNA databases. PeerJ 2018, 6, e5030. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
97. Roberfroid, M.; Gibson, G.R.; Delzenne, N. The biochemistry of oligofructose, a nondigestible fiber: An approach to calculate its caloric value. Nutr. Rev. 1993, 51, 137–146. [Google Scholar] [CrossRef]
98. Jayashree, B.; Bibin, Y.S.; Prabhu, D.; Shanthirani, C.S.; Gokulakrishnan, K.; Lakshmi, B.S.; Mohan, V.; Balasubramanyam, M. Increased circulatory levels of lipopolysaccharide (LPS) and zonulin signify novel biomarkers of proinflammation in patients with type 2 diabetes. Mol. Cell Biochem. 2014, 388, 203–210. [Google Scholar] [CrossRef]
99. Paoli, A.; Mancin, L.; Bianco, A.; Thomas, E.; Mota, J.F.; Piccini, F. Ketogenic Diet and Microbiota: Friends or Enemies? Genes 2019, 10, 534. [Google Scholar] [CrossRef]
100. Carloni, S.; Bertocchi, A.; Mancinelli, S.; Bellini, M.; Erreni, M.; Borreca, A.; Braga, D.; Giugliano, S.; Mozzarelli, A.M.; Manganaro, D.; et al. Identification of a choroid plexus vascular barrier closing during intestinal inflammation. Science 2021, 374, 439–448. [Google Scholar] [CrossRef]
101. Ayling, R.M.; Kok, K. Fecal Calprotectin. Adv. Clin. Chem. 2018, 87, 161–190. [Google Scholar]

Будьте здоровы!