Bifidobacterium (бифидобактерии, род бактерий)
| Представители рода Bifidobacterium |
 |
| Bifidobacterium longum |
 |
| Bifidobacterium animalis |
 |
| Bifidobacterium dentium |
Бифидобактерии (лат. Bifidobacterium) — род грамположительных анаэробных бактерий.
Бифидобактерии не образуют спор, имеют форму немного изогнутых палочек длиной 2–5 мкм, концы клеток бифидобактерий могут быть раздвоены, утончены или утолщены в виде шаровидных вздутий. Расположение клеток одиночное, парами, V-образное, иногда цепочками или розетками.
Бифидобактерии в процессе жизнедеятельности вырабатывают ряд органических кислот. В основном, это уксусная и молочная кислоты (в молярном отношении 3:2), а также муравьиная и янтарная. Бифидобактерии синтезируют аминокислоты, белки, витамины В1, В2 (рибофлавин), В6 (пиридоксин), В12, викасол, никотиновую и фолиевую кислоты.
Виды бифидобактерий
Род Bifidobacterium входит в семейство Bifidobacteriaceae, порядок Bifidobacteriales, класс Actinobacteria, тип Actinobacteria, Terrabacteria group, царство Бактерии.
Род Bifidobacterium содержит, в частности, следующие виды: B. actinocoloniiforme, B. adolescentis, B. aerophilum, B. aesculapii, B. angulatum, B. animalis, B. apri, B. aquikefiri, B. asteroides, B. avesanii, B. biavatii, B. bifidum, B. bohemicum, B. bombi, B. boum, B. breve, B. callitrichos, B. catenulatum, B. choerinum, B. commune, B. coryneforme, B. crudilactis, B. cuniculi, B. dentium, B. eulemuris, B. faecale, B. gallicum, B. gallinarum, B. hapali, B. indicum, B. kashiwanohense, B. lemurum, B. longum, B. magnum, B. merycicum, B. minimum, B. mongoliense, B. moukalabense, B. myosotis, B. pseudocatenulatum, B. pseudolongum, B. psychraerophilum, B. pullorum, B. ramosum, B. reuteri, B. ruminantium, B. saeculare, B. saguini, B. scardovii, B. simiae, B. stellenboschense, B. subtile, B. thermacidophilum, B. thermophilum, B. tissieri, B. tsurumiense.
Ранее отдельными видами считались также B. infantis, B. suis, B. lactis. По современной классификации B. longum infantis, B. longum longum, B. longum suis считаются подвидами вида B. longum, а B. animalis animalis и B. animalis lactis — подвидами вида B. animalis.
Бифидобактерии в организме человека
Бифидобактерии — важнейший представитель микрофлоры человека, как в количественном отношении — их удельный весу в составе микробиоценозов составляет от 85 до 98 %, так и в качественном, учитывая их роль в поддержании гомеостаза организма человека. Бифидобактериям принадлежит ведущая роль в нормализации микробиоценоза кишечника, поддержании неспецифической резистентности организма, улучшении процессов всасывания и гидролиза жиров, белкового и минерального обмена, синтезе биологически активных веществ, в том числе, витаминов. Дефицит бифидобактерий является одним из патогенетических факторов длительных кишечных нарушений у детей и взрослых, ведущий к формированию хронических расстройств пищеварения. Все это позволяет рассматривать бифидобактерии как эффективный биокорректор и основу для создания препаратов и продуктов, обладающих многофакторным регулирующим и стимулирующим воздействием на организм, а также как одну из основных категорий функционального питания (Амерханова А.М. и др.). 
До момента рождения желудочно-кишечный тракт плода стерилен. Во время родов новорожденный колонизирует пищеварительный тракт через рот, проходя по родовым путям матери. Бактерии E. coli и стрептококки можно обнаружить в пищеварительном тракте новорожденного через несколько часов после рождения, причем они распространяются ото рта к анусу. 
Различные штаммы бифидобактерий и бактероиды появляются в ЖКТ спустя 10 дней после рождения. Дети, рожденные путём кесарева сечения, имеют значительно более низкое содержание бактерий, чем появившиеся естественным путем. Только у детей, находящихся на вскармливании материнским грудным молоком, в микрофлоре кишечника преобладают бифидобактерий, с чем связывают меньший риск развития инфекционных заболеваний желудочно-кишечного тракта (Хавкин А.И., Бельмер С.В. и др.).
Основным фактором, от которого зависит процесс бактериальной колонизации новорожденных, является материнское молоко. Бифидогенные факторы, преимущественно углеводного происхождения, влияют на заселение пищеварительного тракта новорожденного бифидобактериями, которые являются для них наиболее естественными и полноценными симбионтами. Дети на искусственном вскармливании без соответствующей коррекции препаратами-пробиотиками имеют дисбиотические нарушения микрофлоры разной степени. У детей, находящихся на грудном вскармливании, характерны бифидобактерии видов Bifidobacterium infantis, Bifidobacterium breve, Bifidobacterium bifidum, то у детей того же возраста, но искусственников выделяются Bifidobacterium adolescentis — вида, превалирующего в микробиоценозе пожилого человека. Отклонения в составе микрофлоры детей, находящихся на искусственном вскармливании бывают настолько существенны, что это сопровождается выраженной клинической симптоматикой, чаще всего, в виде диареи (Амерханова А.М.).
Бифидобактерии при анализе кала на дисбактериоз
Количество бифидобактерий в кале определяют при анализе на дисбактериоз. Норма — от 10 10 до 10 11 бифидобактерий (колониеобразующих единиц) на 1 г кала для детей до года, от 10 9 до 10 10 бифидобактерий для пациентов от года до 60 лет и от 10 8 до 10 9 — для пациентов старше 60 лет.
При медикаментозной терапии дисбактериоза применяются пробиотки (Бифидумбактерин, Бифиформ, Лактобактерин, Ацилакт, Аципол и др.) и/или адекватные причине дисбактериоза бактериофаги или антибиотики.
Бифидобактерии: незримые стражи организма
Классификация бифидобактерий.
Что нам известно о бифидобактериях? Зачастую ничего, кроме самого названия да почерпнутых из телерекламы отрывочных сведений об их полезности для человеческого организма, которые хотя и правдивы, но все же поверхностны.
Чтобы восполнить эти информационные пробелы, рассмотрим, какие же существуют штаммы этих микроорганизмов, узнаем об их функциях, роли в пищеварении и обмене веществ, влиянии на иммунитет, а также о том, по отношению к каким микроорганизмам они являются антагонистами и многое другое.
Бифидобактерии (лат. Bifidobacterium) относятся к роду грамположительных анаэробных бактерий. Название происходит от латинского bifidus – «разделённый надвое» и бактерии. Представляют собой не образующие спор слегка изогнутые палочки длиной от 2 до 5 мкм, иной раз на концах с раздвоением, утончением или утолщением в виде шаровидных вздутий. Из всех бактерий именно они обладают наиболее значительным представительством в организме человека. В период молочного вскармливания составляют 80-90% нормальной кишечной флоры детей. Большая их часть находится в толстой кишке, является основой ее пристеночной и полостной микрофлоры. Располагаются их клетки одиночно, парами, V-образно, а иногда в виде цепочек или розеток. С их участием подавляются популяции гнилостных и болезнетворных микробов.
В настоящее время выделено (идентифицировано) 24 штамма бифидобактерий. Наиболее изучены B. bifidum, B. adolescentis, B. breve, B. longum, B. infantis, B. pseudolongum, B. thermophilum и др. Из них повышенное внимание исследователей привлекли следующие виды: B. infantis, B. longum, B. bifidum, так как именно они из всех названных чаще всего доминируют в кишечнике детей, находящихся на грудном вскармливании. Подробнее
Функции бифидобактерий.
Этими маленькие клетки наряду с остальными представителями полезной микрофлоры кишечника выполняются либо регулируются многочисленные функции человеческого организма. В процессе своей жизнедеятельности ими образуются органические кислоты, способствующие установлению нормальной кишечной среды.
Бифидобактерии имеют выраженный микробный антагонизм. Они препятствуют развитию патогенной, условно-патогенной, гнилостной и способствующей метеоризму вредной микрофлоры кишечника, что является значительным фактором защиты организма – особенно в раннем возрасте! – от развития инфекций и в целом патологических процессов в кишечнике. Вместе с другими полезными кишечными микроорганизмами они принимают активное и непосредственное участие в пищеварении и всасывании. Способствуют ферментативному переваривания пищи, поскольку с их помощью усиливается гидролиз белков, сбраживаются углеводы, а также омыляются жиры, растворяется клетчатка. Кроме этого, стимулируется перистальтика кишечника, что способствует эвакуации его содержимого без каких-либо проблем.
В их активе и участие в синтезе и всасывании витаминов – в частности, группы В, витамина К, фолиевой и никотиновой кислот. Бифидобактерии благоприятствуют синтезу незаменимых аминокислот, с их участием лучше усваиваются соли кальция, витамин D. Антианемическое, антирахитическое и антиаллергическое действия также характерны для этих полезных микроорганизмов.
Еще одна важная функция бифидобактерий – участие в иммунологических реакциях организма (то есть, они укрепляют иммунитет). Стимулируют лимфатическую систему, синтез иммуноглобулинов. Благодаря их участию возрастает активность лизоцима и уменьшается проницаемость сосудистых тканевых барьеров для токсических продуктов жизнедеятельности патогенных и условно-патогенных организмов.
Когда нет дисбактериоза, присутствующие в кишечнике бифидобактерии активно продуцируют уксусную и молочную кислоты, снижают рН. Молочная кислота ингибирует развитие патогенной, газообразующей и гнилостной флоры, стимулируя, наоборот, рост полезных микроорганизмов. Кроме этого, улучшается всасываемость нутриентов, стимулируются секреторная функция пищеварительных желез и перистальтика кишечника. Изменение рН-среды (в кислую сторону) имеет антибактериальное действие. Доказано, что молочнокислые бактерии снижают частоту возникновения сальмонеллеза, а также могут воздействовать на возбудителя туберкулеза, стафилококков и другие микроорганизмы. Восстанавливают нормальный баланс микрофлоры кишечника после массированной антибиотикотерапии.
Когда же рост и развитие бифидобактерий по каким-то причинам недостаточны, а присутствие в кишечнике снижено, наступают обратные процессы: активизируется паразитарная микрофлора, всасываемость нутриентов снижается, ухудшается перистальтика кишечника, возникают запоры либо диарея, повышаются риски кишечных инфекций. Дисбактериоз, если его не устранять, приводит к таким недугам как аллергия, гастрит, язвенная болезнь двенадцатиперстной кишки и желудка. При нем снижаются иммунные реакции организма, возникает повышенная утомляемость и снижается интеллектуальная деятельность.
Для профилактики дисбактериоза человеку необходимо регулярно принимать в пищу продукты с бифидобактериями, — а это, прежде всего, кисломолочные продукты (например, кефир). О пользе последних говорит то, что они усваиваются организмом практически полностью, в то время как молоко всего на 32 %. Но, если микрофлора уже нарушена, для более быстрого и выраженного эффекта принимать препараты, содержащие большее количество бифидобактерий (пробиотики), желательно в форме жидкости — когда бактерии в ней находятся в активном состоянии, и, к тому же, содержат продукты жизнедеятельности бифидобактерий.
Польза бифидобактерий
Какую же конкретно пользу приносят организму такие продукты? Благодаря содержащимся в них бифидобактериям, в организме уменьшаются аллергические реакции, укрепляется иммунитет, снижаются уровень холестерина в крови и риск возникновения злокачественных новообразований и т.д. Факт: уже через несколько недель употребления в пищу кисломолочных продуктов или препаратов —
пробиотиков прекращаются процессы самоотравления организма и гнилостные процессы в кишечнике, начинает восстанавливаться нормальная работа печени и почек.
Множество людей в современном мире страдают избыточным весом и ожирением различных степеней, к которым приводит нездоровое пищевое поведение, злоупотребление сладким и мучным. Отчаявшимся похудеть людям на помощь придут те самые бифидобактерии, которые содержатся в кисломолочных продуктах. Так, употребление такими пациентами кефира эффективно вдвойне: как мочегонное средство, он способствует выведению из организма худеющего лишней жидкости, а как содержащий полезную микрофлору – очищению кишечника и ускорению метаболизма. Кефир используется при так называемых монодиетах (кефирная диета), а также в качестве продукта, употребляемого в разгрузочные дни, являющимися составными частями других распространенных диет.
Многие наверняка думают, что бифидобактерии живут исключительно в организме человека. На самом деле это не так. Встречаются они и у теплокровных животных. Особенно большую значимость имеют для новорожденных животных, активно участвуя в формировании их иммунного статуса. С момента появления животного на свет, бифидобактерии с представителями другой полезной микрофлоры стимулируют работу лимфатической системы, участвуют в формировании общего пула иммуноглобулинов, образуют неспецифическую защиту.
Новый взгляд на бифидобактерии
Современный взгляд на бифидобактерии
Резюме
1. Введение
Развитие кишечной микробиоты в раннем возрасте очень динамично и находится в синергии с анатомией, физиологией кишечника, иммунным и неврологическим развитием [1]. Отклонения и неправильные конфигурации в её структуре и функциях могут способствовать возникновению патологий и хронических болезненных состояний [2]. Время первого воздействия микробов на развивающийся эмбрион часто обсуждается [3]: некоторые отчеты предполагают, что воздействие микробов и их колонизация уже происходит «внутриутробно» [4,5,6], в то время как другие указывают, что необходимы более подробные исследования для проверки этого предположения [3].
Несомненно, существует много более экономных путей, по которым может происходить микробная инокуляция, включая раннее воздействие вагинальной и фекальной микробиоты при рождении, проглатывание эпидермальных кожных микробов и жизнеспособных микробов, присутствующих в грудном молоке, а также врожденно тесные взаимодействия между новорожденным и матерью [7]. Последующий процесс колонизации представляет собой баланс между притоком микробов и адаптивностью ниши [8].
Эти первые микробные пионеры становятся ключевыми игроками в сборке сложной экосистемы, которая следует за отчетливыми сукцессионными стадиями с потенциальными долгосрочными последствиями для здоровья [9]. На формирование этой сложной экосистемы влияют многочисленные факторы, включая генетику хозяина, микробиоту матери, гестационный возраст, медицинскую практику, способ родов, диету, образ жизни, семейную среду, наличие домашних животных, инфекционные заболевания и антимикробную терапию [10]. Хотя сборка микробиоты в кишечнике младенца не является строго детерминированной, существует всеобъемлющая направленность микробной последовательности, сильно обусловленная питанием в раннем возрасте, особенно грудным молоком человека.
2. Экологические факторы приобретения и преемственности бифидобактерий.
2.1. Способ родоразрешения, антибиотики и диета
Сразу после рождения кишечник младенца все еще богат кислородом и предлагает благоприятную среду обитания для факультативных анаэробных микроорганизмов, таких как Staphylococcus spp., Streptococcus spp., Enterobacter spp. и других представителей семейства Enterobacteriaceae [10]. Эти виды-первопроходцы играют важную роль в быстром переходе от микробиома, в котором доминируют таксоны, которые переносят или процветают при ограниченном кислороде, к микробиому, в котором доминируют строго анаэробные таксоны, такие как Clostridium, Bacteroides, Eubacterium и Bifidobacterium spp. [2,10]. Однако роды с помощью кесарева сечения прерывают эту программу приобретения и колонизации микробиоты, поскольку отсутствует контакт с материнской вагинальной и фекальной микробиотой и кожей промежности. Кроме того, младенцы, рожденные кесаревым сечением, часто подвергаются профилактическому введению антибиотиков матерью, и было показано, что кесарево сечение отрицательно влияет на начало грудного вскармливания, количество молока и восприимчивость грудного ребенка к грудному вскармливанию по сравнению с вагинальными родами, что может еще больше поставить под угрозу развитие микробиоты в раннем возрасте [13].
Было показано, что прямое введение антибиотиков новорожденным или непрямое введение антибиотиков через фетоплацентарное кровообращение оказывает всепроникающее влияние на состав кишечной микробиоты и связано с неблагоприятными иммунными исходами, такими как аллергии и атопии [17], а также с метаболическими последствиями для здоровья, такими как ожирение [ 18]. Fouhy et al. продемонстрировали, что введение антибиотиков доношенным новорожденным привело к относительному увеличению фекальных Proteobacteria и уменьшению количества Actinobacteria, особенно Bifidobacterium spp., что представляет собой отклонение от нормального развития микробиоты [19]. Интересно, что было также показано, что введение антибиотиков во время родов не только приводит к различиям в микробиоте кишечника младенцев, но также влияет на состав микробиоты грудного молока [20].
После родов грудное молоко является наиболее значительным фактором, влияющим на созревание кишечной микробиоты. Было показано, что младенцы, находящиеся на искусственном вскармливании, обладают более разнообразной микробиотой, чем младенцы, находящиеся на грудном вскармливании [9,21,22]. В микробиоте младенцев, рожденных естественным путем, на грудном вскармливании преобладают представители типа Actinobacteria, тогда как у младенцев, вскармливаемых смесью, микробиота более разнообразна [23]. Более того, прекращение грудного вскармливания связано с резким снижением уровня бифидобактерий и ускоренным увеличением количества представителей Firmicutes и Bacteroides, что еще раз подтверждает ключевую роль взаимодействия молока и бифидобактерий в формировании микробиоты кишечника человека [9].
2.2. Установление бифидобактерий как ключевого рода
Благодаря своему широкому влиянию на функцию состава микробиоты, ключевые члены также могут оказывать сильное прямое и косвенное влияние на физиологию хозяина и могут иметь важное значение для гомеостаза и здоровья хозяина [25]. В раннем возрасте кишечной микробиоты Bifidobacterium и Bacteroides стимулируют развитие микробиоты, поддерживая строгую анаэробную среду, производя и перекрестно питаясь такими метаболитами, как короткоцепочечные жирные кислоты (SCFAs). SCFAs приводят к низкому pH, что является одним из основных механизмов экологической устойчивости к патогенам [26,27]. Неспособность этих ключевых таксонов колонизировать и вести сукцессию может привести или способствовать развитию хронических заболеваний [28]. Например, было ясно продемонстрировано, что введение антибиотиков препятствует размножению этих ключевых таксонов, что, в свою очередь, может нарушать взаимодействие микробов с иммунной системой, особенно на критических стадиях развития. Этот отказ от перекрестного взаимодействия между ключевыми микробами и иммунными клетками считается важным фактором в развитии аллергии, метаболических нарушений и инфекционных заболеваний [29].
Физиологически ключевая функция бифидобактерий тесно связана с их уникальной метаболической способностью и геномной архитектурой. Бифидобактерии генетически приспособлены к использованию специфических гликанов человеческого молока, что представляет собой интригующий пример коэволюции хозяина и микроба в мутуалистический симбиоз.
3. Эволюционные и экофизиологические признаки бифидогенной среды
3.1. Эволюционная экология
Несколько исследований, посвященных изучению специфического переноса микробов между матерью и новорожденным, показали, что мать и ребенок часто имеют геномно идентичные штаммы бифидобактерий, принадлежащих к B. breve и B. longum subsp. longum, B. longum subsp. Infantis, дополнительно обосновывая вертикальную передачу бифидобактерий (Рис. 1) [34,35,36,37]. Эти результаты дают первоначальное представление о том, почему вагинальные роды обеспечивают более высокое обилие видов бифидобактерий у младенцев по сравнению с кесаревым сечением.
Рис. 1. Схематический обзор эко-физиологических факторов, способствующих передаче, колонизации и сукцессии видов Bifidobacterium от матери в микробиоте кишечника в раннем возрасте. (1) Посев: бифидобактерии передаются от матери к ребенку во время родов через естественные родовые пути. (2) Воспитание: грудное молоко содержит жизнеспособные микроорганизмы, в том числе виды Bifidobacterium, которые способствуют посеву микробиоты кишечника младенца. Олигосахариды грудного молока ( HMOs ) минимально перевариваются младенцем и метаболизируются бифидобактериями младенческого типа посредством конвергентных механизмов. (3) Кормление и перекрестное кормление: разные виды и штаммы Bifidobacterium обладают разными способностями к разложению HMOs, что приводит к различному потреблению HMOs. Разложение HMOs происходит последовательно с удалением моносахаридов и требует наличия множества ферментов с различной гликозидной специфичностью. Перекрестное вскармливание бифидобактерий позволяет разделить ресурсы для максимального увеличения потребления питательных веществ из рациона и подчеркивает кооперативный характер штаммов бифидобактерий и их роль как «ключевых видов» в микробиоте кишечника младенца. (4) Последовательность: совместная активность видов Bifidobacterium способствует созданию и поддержанию строгой анаэробной среды и низкого pH за счет производства метаболитов, таких как лактат и ацетат. Эти условия позволяют последовательно создавать таксоны, продуцирующие бутират, такие как Eubacterium и Anaerostipes spp, которые характерны для более зрелой микробиоты.
У младенцев, рожденных через естественные родовые пути, на грудном вскармливании относительное количество бифидобактерий может составлять более 90%, но обычно снижается до менее 5% у взрослых [38,39]. Более конкретно, у младенцев, находящихся на грудном вскармливании, преобладают виды B. breve, B. bifidum, B. longum subsp. Infantis и B. longum subsp. longum, также известные как резидентные бифидобактерии человека (HRB) младенческого типа (рис. 1) [32]. С другой стороны, взрослые особи характеризуются наличием B. adolescentis и B. catenulatum, B. pseudocatenulatum и B. longum subsp. longum, которые часто называют HRB взрослого типа [32,33]. Примечательно, что B. longum subsp. longum преобладает как в кишечнике младенцев, так и взрослых. Следовательно, не существует строгого различия между бифидобактериями «младенческого» типа и «взрослого» типа, поскольку было показано, что некоторые из взрослых бифидобактерий, такие как B. adolescentis, вертикально передаются младенцам [40].
3.2. Геномные особенности
3.3. Использование олигосахаридов человеческого молока
Доклинические эксперименты на обычных мышах, получавших комбинацию B. bifidum PRL2010, B. longum subsp. Infantis ATCC15697, B. adolescentis 22L и B. breve 12L продемонстрировали синергетический эффект, действуя напрямую или путем перекрестного питания на углеводы, полученные от хозяина или растений, что в дальнейшем привело к обогащению гликобиома кишечника мыши [52]. Напротив, другие кишечные комменсалы, такие как Lactobacillus sp. и Bacteroides sp. демонстрируют слабые или ограниченные возможности использования HMOs соответственно [50,53].
Короткоцепочечные галактоолигосахариды (scGOS) и длинноцепочечные фруктоолигосахариды (lcFOS) в соотношении 9:1 имитируют распределение HMOs по размерам и по функциональности напоминают грудное молоко [54]. На основании этих наблюдений scGOS / lcFOS и синтетические HMOs, такие как 2′-фукозиллактоза ( 2’FL ) и лакто-N-неотетраоза ( LNnT ), включаются в детскую смесь. В целом, эти химические компоненты или пребиотики нацелены на увеличение количества бифидобактерий и, таким образом, на улучшение иммунитета. В клинических исследованиях было продемонстрировано, что 2’FL и LNnT модулируют микробиоту кишечника, демонстрируя повышенные уровни актинобактерий, в частности Bifidobacterium spp., и пониженные уровни Firmicutes и Proteobacteria [55,56].
3.4. Влияние на pH и продукцию SCFAs
Физиологически SCFAs также связаны как с системными эффектами, такими как иммунная модуляция, так и с местными эффектами, такими как действие в качестве источника энергии для колоноцитов. SCFAs могут также обеспечивать устойчивость к колонизации против патогенов, таких как Escherichia coli O157:H7 [57,62]. В клиническом исследовании снижение содержания ацетата в кале в возрасте 3 месяцев было связано с атопическим хрипом, наблюдаемым через 9 месяцев [63]. Кроме того, недавно было показано, что добавление пребиотиков (короткоцепочечные галактоолигосахариды (scGOS) и длинноцепочечные фруктоолигосахариды (lcFOS)) в частично гидролизованной протеиновой формуле приводит к увеличению соотношения Bifidobacterium / Lachnospiraceae, что, в свою очередь, отражается в профилях органических кислот с высоким уровнем ацетата и лактата и низким содержанием бутирата, пропионата и SCFAs с разветвленной цепью [64].
4. Младенческие типы бифидобактерий, как коренные пробиотики
Исторически сложилось так, что выбор пробиотических штаммов для применения на людях часто основывается на технологических критериях, а не на экологических или клинических критериях [72]. Чтобы выжить при прохождении через желудок и эффективно колонизировать и размножаться в кишечнике человека, пробиотический штамм должен быть устойчивым к низким pH, солям желчных кислот и протеолитическим ферментам [68,69]. Для некоторых пробиотиков адгезия к слизистой оболочке кишечника необходима для колонизации [73]. С другой стороны, технологическое применение требует устойчивости к условиям обработки (включая воздействие кислорода), а также жизнеспособности и стабильности продуктов в течение более длительных периодов времени. Поддержание жизнеспособности продуктов в течение определенного периода времени (т.е. срока годности) часто является основным критерием выбора пробиотиков для коммерческого использования. Следовательно, по технологическим причинам Lactobacillus spp. исторически более широко используются для пробиотических приложений, чем другие таксоны, такие как Bifidobacterium spp. Однако иногда обнаруживается, что Lactobacillus spp. менее приспособлены к условиям хозяина и могут не выдерживать жесткую конкуренцию в экологической нише кишечника на ранних этапах жизни [74]. С другой стороны, физиологические свойства пробиотиков, такие как выработка фолиевой кислоты, сродство к углеводному обмену и устойчивость к стрессу, зависят от хозяина [32]. Следовательно, эко-физиологическая адаптивность и клинически значимые взаимодействия хозяин-микроб, несомненно, должны быть очень важными параметрами для выбора и разработки пробиотиков.
Учитывая изобилие бифидобактерий в кишечнике на ранних этапах жизни, их симбиотические отношения с людьми, основанные на HMOs, и благоприятные ассоциации со здоровьем, эти микроорганизмы часто считаются идеальными пробиотиками для младенцев. Сообщалось о задержке колонизации бифидобактериями в случаях затрудненных родов, таких как кесарево сечение и преждевременные роды, или в случае воздействия антибиотиков в раннем возрасте (Рисунок 2) [75]. Интересно, что на передачу бифидобактерий до родов влияют материнские факторы. Нуриэл-Охайон и др. (2019) сообщили, что во время беременности наблюдается резкое изменение микробиоты кишечника, а бифидобактерии обогащаются на поздних сроках беременности, то есть в третьем триместре [76]. Авторы также постулировали, что повышение уровня Bifidobacterium не только полезно для здоровой беременности, но также указывает на эволюционный процесс, который способствует оптимальной передаче во время родов и кормления грудью [76,77]. В независимом исследовании было показано, что женщины с чрезмерной прибавкой в весе во время беременности имеют меньшее количество Bifidobacterium spp. и Bacteroides spp. в кишечнике по сравнению с беременными женщинами с нормальным набором веса [78]. Таким образом, бифидобактериальные пробиотики обладают большим потенциалом для восстановления нарушенной микробиоты, особенно в раннем возрасте, и уже используются в коммерчески выпускаемых в настоящее время пробиотических продуктах питания для младенцев.
Рис. 2. Влияние стратегий модуляции микробиома (включая Bifidobacterium spp.) на показатели здоровья в раннем и более позднем возрасте. Неблагоприятные события в раннем возрасте, такие как преждевременные роды или воздействие антибиотиков, могут уже инициировать нарушенную последовательность микробов, которая может еще больше усиливаться плохим питанием и образом жизни, повторным воздействием антибиотиков, лекарствами или заболеванием. Сообщается, что все эти факторы влияют в более позднем возрасте на такие последствия для здоровья, как аллергия или неинфекционные заболевания. Восстановление нарушенной микробиоты включает в себя ускорение процесса сукцессии или попытку изменить траекторию сукцессии с помощью стратегий модуляции микробиома.
4.1. Сравнение с пробиотическими видами Lactobacillus
Lactobacillus spp. были тщательно изучены на предмет применения пробиотиков и их общего воздействия на здоровье хозяина. Однако с экологической точки зрения только небольшое количество Lactobacillus spp. можно считать истинно коренными обитателями кишечного тракта человека. Наиболее промышленно используемые Lactobacillus spp. первоначально были выделены из ферментированных продуктов, ротовой полости человека или иногда проксимальных отделов желудочно-кишечного тракта [74]. Различные исследования показали, что распределение других доминирующих таксонов кишечной микробиоты, таких как Bifidobacterium, Bacteroides и Clostridia, демонстрирует более высокую временную стабильность по сравнению с Lactobacillus spp. [74]. Особенно в молодом возрасте Lactobacillus spp. менее многочисленны, чем Bifidobacterium spp. и их присутствие в основном преходящее и обусловлено процессами «случайной колонизации» сразу после рождения [72]. Lactobacilli являются членами типа Firmicutes, которые таксономически и генетически отличаются от типа Actinobacteria, к которому принадлежит род Bifidobacterium.
В частности, Bifidobacterium spp. эволюционировали с генетической структурой, которая адаптирована для метаболизма гликанов, полученных от хозяина, в то время как Lactobacillus spp. обычно обладают более разнообразной способностью к метаболизму углеводов [79]. Основываясь на их эволюционной экологии и способности к ферментации углеводов, представители рода Bifidobacterium с большей вероятностью будут стабильными колонизаторами кишечника младенца [79], что является желательным признаком для применения пробиотиков. Свойства пробиотиков детского типа Bifidobacterium spp. и подвиды такие как B. bifidum, B. longum subsp. longum, B. longum subsp. Infantis и их видоспецифическая значимость для здоровья младенцев были подробно рассмотрены [80,81,82,83]. В следующем разделе мы обобщим научные данные, доступные для пробиотических растворов на основе B. breve в раннем развитии жизни и конкретных клинических условиях.
4.2. Благоприятное влияние штаммов Bifidobacterium breve на здоровье младенцев
История молочных продуктов с добавлением Bifidobacterium восходит к началу 1970-х годов, а в Японии продукция продается с начала 1980-х годов [84]. Кроме того, благодаря своей эко-физиологической функции и ощутимой пользе для здоровья Bifidobacterium spp. широко используются в качестве пробиотических добавок для младенцев и детей младшего возраста. В частности, задокументировано применение пробиотиков штаммов Bifidobacterium breve, таких как BBG-001, BR-03, B632, M-16V, BB536, CNCM I-4035 и C-50 [85].
Штаммы B. breve продемонстрировали антипатогенные, противовоспалительные и иммуномодулирующие свойства [86]. Сообщалось о иммунных преимуществах штаммов B. breve у младенцев с аллергическими расстройствами, у младенцев с очень низкой массой тела при рождении и в профилактике позднего сепсиса и некротического энтероколита у недоношенных детей [87,88]. Помимо иммунной пользы для здоровья, положительные эффекты штаммов B. breve наблюдались также у детей с антибиотико-ассоциированной диареей [89], у педиатрических пациентов, проходящих химиотерапию [90], и у детей с глютеновой болезнью [91].
Штаммы B. breve в сочетании с пребиотиками могут способствовать дальнейшему синергетическому воздействию на здоровье хозяина (Рис.2). Комбинация scGOS/lcFOS и B. breve M-16V, дополненная экстенсивно гидролизованной формулой, продемонстрировала хорошую переносимость у здоровых доношенных детей и поддерживала адекватный рост ребенка [92]. У детей с подозрением на аллергию на коровье молоко, не опосредованную IgE, смесь на основе аминокислот ( AAF ) с добавлением синбиотической смеси фруктоолигосахаридов и B. breve M-16V улучшает состав кишечной микробиоты путем модуляции уровня бифидобактерий и таксона Eubacterium rectal / Blautia coccoides ближе к уровню здоровых детей, вскармливаемых грудью [93].
Штаммы B. breve также продуцируют метаболиты, которые могут прямо или косвенно влиять на здоровье хозяина. Например, на доклинической модели было продемонстрировано, что экзополисахарид B. breve UCC2003, связанный с клеточной поверхностью, снижает колонизацию кишечного патогена Citrobacter rodentium [94]. Бактериальные метаболиты или биоактивные соединения, образующиеся в процессе ферментации, т.е. постбиотики, также могут оказывать благотворное влияние на хозяина [95,96].
Постбиотики могут включать метаболиты, такие как SCFAs, сахариды, такие как полисахарид А, секретируемые молекулы, такие как лактоцепин и молекулы р40 [96]. Было показано, что детские смеси с постбиотиками, полученными в результате ферментации штаммами S. thermophilus (ST065) и B. breve C50 (BbC50), усиливают выработку кишечного sIgA [97] и приводят к менее тяжелым эпизодам диареи [98].
Другая развивающаяся стратегия модуляции микробиоты кишечника может включать комбинацию пребиотиков и пробиотиков. Например, клиническое исследование с частично ферментированной (постбиотической) формулой, дополненной scGOS/lcFOS в соотношении 9:1, привело к снижению частоты детских колик и увеличению sIgA в дополнение к большему количеству бифидобактерий и менее патогенных бактерий, таких как виды, связанные с клостридиями [99,100]. Взятые вместе, эти примеры стратегий модуляции микробиоты, основанных на пробиотиках/пребиотиках/постбиотиках или их комбинациях, тесно связаны с уникальными метаболическими характеристиками штаммов B. breve.
4.3. Недоношенные дети
Преждевременные роды ( PTB ), определяемые как роды на сроке гестации менее 37 недель, являются основной причиной неонатальной заболеваемости и смертности. Во всем мире 14,8 миллиона детей рождаются преждевременно. Как в развитых, так и в слаборазвитых странах показатели PTB существенно не снизились за последние 40 лет, а в некоторых случаях увеличились [101].
Некоторые из распространенных осложнений преждевременных родов включают высокий уровень респираторного дистресс-синдрома, некротический энтероколит (НЭК), сепсис с ранним и поздним началом, церебральный паралич, инфекции и трудности с кормлением [101]. Эти осложнения со здоровьем в основном связаны с незрелыми системами органов, которые еще не готовы к поддержанию жизни во внематочной среде. Как следствие преждевременных родов, развитие кишечной микробиоты также нарушается, и у недоношенных детей таксономически менее разнообразная микробиота с повышенной численностью факультативных анаэробов (Рисунок 2) [102,103,104]. Эти различия в составе микробиоты могут быть связаны с условиями интенсивной терапии и широким применением антибиотиков после рождения. Это подтверждается наблюдением, что индивидуальные различия в составе микробиоты госпитализированных младенцев с очень низкой массой тела при рождении становятся меньше с увеличением продолжительности пребывания [105,106]. В частности, микробиота госпитализированных младенцев сходится к микробиоте, обогащенной бактериальными семействами Enterobacteriaceae и Enterococcaceae, включая представителей родов Klebsiella, Enterobacter и Clostridium, и лишенной полезных родов, таких как Lactobacillus и Bifidobacterium [14,107].
Нарушенный состав микробиоты в сочетании с недоразвитой иммунной системой может сделать недоношенных детей восприимчивыми к внутрибольничным инфекциям, таким как НЭК и сепсис. Профилактическое лечение антибиотиками широкого спектра действия, такими как амоксициллин, цефтазидим, эритромицин и ванкомицин, является обычной практикой в неонатальных отделениях для профилактики и лечения инфекций и сепсиса.
4.4. Кесарево сечение
Во всем мире количество родов с помощью кесарева сечения почти удвоилось с 2000 года (12,1%) по 2015 год (21,1%) [112]. Этот необычный рост числа родов может иметь последствия для здоровья. В частности, кесарево сечение связано с повышенным риском иммунных заболеваний, таких как астма, экзема и аллергия [113]. Хотя механистические связи между кесаревым сечением и иммунной функцией полностью не установлены [114,115], имеется множество сообщений, демонстрирующих роль способа рождения в колонизации микробиома в раннем возрасте. Было высказано предположение, что наблюдаемые эффекты кесарева сечения на микробную колонизацию кишечника связаны с результирующим непреднамеренным воздействием антибиотиков широкого спектра действия во время родов у всех новорожденных, рожденных с помощью кесарева сечения (рис. 2) [116]. Однако Reyman et al. (2019), отложив введение антибиотиков матерям до пережатия пуповины, продемонстрировали, что влияние кесарева сечения на микробиоту кишечника в значительной степени не зависит от приема антибиотиков во время родов [117,118].
Для восстановления развития микробиоты у детей, родившихся после кесарева сечения, в настоящее время изучается несколько стратегий. Одной из таких стратегий является вагинальный посев: прививка марли или тампона вагинальными жидкостями для переноса вагинальной флоры в рот, нос или кожу новорожденного. Данные небольшого экспериментального исследования показали, что вагинальный посев частично восстанавливает микробиом новорожденных с кесаревым сечением [119], но для оценки влияния вагинального посева на траектории микробиома и исходы для здоровья необходимы более крупные и строгие исследования. Дополнительную озабоченность вызывает то, что 20% доношенных беременных являются носителями стрептококков группы B. Кроме того, недиагностированное носительство Chlamydia trachomatis, N гонореи, вируса папилломы человека и инфекций, вызванных вирусом простого герпеса, среди прочего, может привести к неблагоприятному воздействию этих патогенов [120].
Более контролируемой стратегией могло бы быть использование пробиотиков или пребиотиков: например, добавление Lactobacillus rhamnosus GG во время беременности оказалось эффективным в модулировании микробиоты кишечника, а также привело к обогащению бифидобактериями у новорожденных [121].
5. Развитие аллергии.
За последние 50 лет глобальная распространенность аллергических заболеваний постоянно увеличивалась и, как ожидается, к 2050 году достигнет 4 миллиардов человек [124]. Хотя существует сильная генетическая связь, приписываемая предполагаемой эпидемии аллергии, она редко начинается при рождении.
Согласно недавним сообщениям, раннее воздействие определенных микробных таксонов является квинтэссенцией для иммунной тренировки. Субоптимальный перенос микробов, например, в случае младенцев, рожденных путем кесарева сечения, подвергшихся воздействию антибиотиков или искусственного вскармливания, является факторами риска, связанными с развитием аллергии (рис. 2). В эпохальном исследовании Kalliomaki et al. было показано, что у детей с атопией в возрасте 3 недель соотношение клостридий и бифидобактерий значительно выше [125]. Это наблюдение было дополнительно подтверждено другим исследованием, проведенным в Турции, которое показало, что B. longum присутствует в значительно меньших количествах у детей с аллергией (возраст: 0–3 года), чем у здоровых людей из контрольной группы [126]. Также было обнаружено, что высокий уровень бифидобактерий взрослого типа, таких как B. pseudocatenulatum и B. catenulatum, и низкий уровень бифидобактерий младенческого типа, таких как B. breve, также связан с развитием экземы [126, 127, 128]. Эти данные также подтверждают актуальность колонизации бифидобактериями в раннем возрасте и предполагают, что неадекватный перенос бифидобактерий может предшествовать развитию аллергии.
У детей с атопическим дерматитом (AD) было продемонстрировано, что добавка синбиотиков (B. breve M-16V и scGOS / lcFOS) может предотвращать симптомы астмы, тогда как у взрослых, страдающих астмой, эта смесь синбиотиков снижает индуцированные аллергеном иммунные ответы [ 87,129]. Кроме того, у младенцев с AD комбинация B. breve M-16V с scGOS / lcFOS не оказывала никакого эффекта на AD, тогда как в подгруппе младенцев с AD, ассоциированной с IgE, приводила к значительному снижению AD [130]. В случае младенцев с аллергией на коровье молоко аминокислотная смесь при добавлении B. breve M-16V и scFOS / lcFOS модулировала состав микробиома ближе к здоровым младенцам, находящимся на грудном вскармливании [93]. Эти результаты подтверждают гипотезу о том, что неадекватная колонизация микробиома является ключевой в проявлении аллергических заболеваний и что уровни бифидобактерий в раннем возрасте соответствуют ключевым этапам иммунного созревания. Исследования показали, что бифидобактерии опосредуют диалог с иммунными клетками, связанными со слизистой оболочкой, обладая как про-, так и противовоспалительным действием, способствуя иммунным ответам против патогенов [86, 131].
Несколько исследований показывают иммунные рецепторно–лигандные взаимодействия и иммунные сигнальные пути, связанные со специфическими бифидобактериальными соединениями, такими как пили и экзополисахариды ( EPS ) [94,131,132,133]. Хотя в большинстве случаев задействованные молекулярные механизмы не до конца понятны, эти наблюдения открывают большие перспективы для применения в стратегиях модуляции микробиоты для профилактики и лечения аллергии.
6. Актуальность бифидобактерий в более позднем возрасте.
Хотя преобладание бифидобактерий наиболее выражено у младенцев, особенно в период кормления грудью, у взрослых они все еще остаются одними из самых распространенных родов [40]. Среди всех видов бифидобактерий B. adolescentis является наиболее часто изолированным видом у взрослых [134, 135, 136]. Генотипическая и фенотипическая характеристика штаммов B. adolescentis выявила их обширные метаболические возможности в использовании гликанов, полученных из пищи, таких как крахмал, поли- и олигосахариды, амилопектин, пуллулан, мальтотриоза и мальтодекстрин [137]. Однако у B. adolescentis отсутствуют гены, участвующие в метаболизме гликанов хозяина, таких как муцин и олигосахариды грудного молока, что отличает их от других бифидобактерий младенческого типа.
У пожилых людей наблюдается постепенное снижение численности бифидобактерий, которое сопровождается уменьшением микробного разнообразия [40]. Это неоднократно подтверждалось несколькими исследованиями с использованием различных технологий [138, 139, 140, 141]. В недавнем поперечном исследовании в Японии изучали изменения численности Bifidobacterium на протяжении всей жизни (возраст 0–104 лет) (n = 441) [39]. Группа B. longum была наиболее распространенным таксоном на протяжении всей жизни, тогда как B. breve была обнаружена почти у 70% японских детей в возрасте до 3 лет. У взрослых общая численность видов бифидобактерий была низкой, но B. adolescentis и B. longum subsp. longum часто встречается у долгожителей. Предполагается, что B. adolescentis и B. longum subsp. longum приносят пользу долгожителям за счет повышения иммунитета [39, 142, 143].
В пожилом возрасте наблюдается снижение иммунной толерантности, снижение иммунной памяти и иммунного надзора, и эти иммунологические изменения связаны с повышенным риском инфекций и заболеваний, таких как муковисцидоз, гепатит B и диабет 1 и 2 типа [40, 144]. Определенные штаммы пробиотиков известны своими иммуномодулирующими свойствами; поэтому применение пробиотиков также приобретает все больший интерес для применения в стареющих популяциях. Например, было показано, что потребление пробиотика Bifidobacterium lactis Bi-07 у здоровых пожилых людей усиливает фагоцитарную активность моноцитов и гранулоцитов и тем самым повышает иммунную толерантность [145]. У пожилых людей чаще возникают желудочно-кишечные симптомы, такие как запор. Клиническое исследование Pitkala et al. (2007) продемонстрировали, что введение пробиотиков в ферментированный овсяный продукт, например, B. longum и B. lactis, приводит к увеличению частоты испражнений у финских пожилых людей [146]. Принимая во внимание все эти недавние клинические наблюдения, существует явный потенциал использования пробиотиков на основе бифидобактерий у взрослых, особенно у стареющего населения.
7. Выводы
Быстрые изменения в образе жизни человека за последние 100 лет, включая глубокие изменения в современном детском питании и практике родов [147], оказали глубокое влияние на приобретение микробиоты в раннем возрасте [148] и могут особенно повлиять на колонизацию бифидобактериями. Сразу после рождения физико-химические свойства и постоянная доступность HMOs дают сильное селективное преимущество для раннего типа Bifidobacterium spp. Сравнение младенцев с различным количеством бифидобактерий в раннем возрасте необходимо для понимания того, как потеря этого ключевого таксона и его критической экологической функции влияет на общее здоровье и развитие младенцев.
