Микробиота и микробиом человека и глазная патология

Термин "Микробиота" и "Микробиом" появились в науке относительно недавно.

За многие годы после открытия мира микробов проведено огромное количество исследований в микробиологии и молеку-лярной генетике, в результате чего термин "микрофлора" устарел, т.к. он связан с
понятием растительного мира, и появились вышеуказанные термины  микробиота и микробиом.

МИКРОБИОТА человека (см. рис. 1) - это совокупность всех микроорганизмов, населяющих тело человека снаружи и изнутри. Микробиоту составляют обширные семейства бактерий, грибов, вирусов, простейших и архей. Археи одноклеточные организмы, лишенные клеточных ядер и потому являющиеся прокариотами. Отличаются высокой энзиматической активностью и играют большую роль в метаболических процессах кишечника, являются некультвируемыми организмами. Численность всей микробиоты организме колеблется  от 3,9 до 100 триллионов бактерий, а чистый вес варьиирует от 200 г до 1,5 кг. Среди них есть культивируемые, спящие и жизнеспособные, комменсальные, патогенные, симбиотические и патогенные виды.

Термин микробиота используется для интегрального описания микробиоценоза отдельных органов и систем, включающий около 20 микробиот. Это микробиота кишечника, желудка, кожи, лёгких,  мочеполовой системы, печени и желчного пузыря, слезных и мейбомиевых желез, поверхности глаза, полости рта,  носовой полости,  лобных  и гайморовых пазух, плаценты, грудных желез и грудного молока, наружного слухового прохода и др.

МИKРОБИОМ - это совокупность всех генов  микробиоты, имеющихся в организме человека и его крови. Это  сложная экосистема организма, генетический материал всего живого и неживого микроорганизменного сообщества организма, взятый в целом. Он состоит из миллионов генов.

Микробиота человека играет важную роль в поддержании постоянного гомеостаза организма человека.

На рисунке 2 слева показаны 13 основных функций микробиоты. Одну из самых важных функций выполняет микробиота кишечника, которая включает  триллионы микроорганизмов, связанных с множеством функций, от метаболизма питательных веществ до защиты от патогенов. 

Микробиота кишечника человека состоит из 6 основных типов: Firmicutes, Bacteroidetes , Actinobacteria , Fusobacteria , Verrucomicrobia  и Proteobacteria (The Human Microbiote Projekt Consortium, 2012).  Из них Firmicutes и Bacteroidetes составляют 70–90% микробиоты кишечника. Большинство из них - анаэробы.

У здорового человека бактериальный микробиом кишечника поддерживает тонкий баланс между «хорошими или полезными» (пробиотическими и противовоспалительными) и «плохими или вредными» (провоспалительными и патогенными) бактериями.

Для офтальмологов   важно знание  микробиоты глазной  поверхности (ГП), слёзных, слюнных и мейбомиевых желез. В состав микробиоты (ГП) входят не только бактерии, вирусы, грибы,  но и микроскопические  клещи Demodexsp., играющие большую роль в патологии прилегающих к глазу тканей, век и периорбитального ареала кожи.

Поразительным было открытие в 2021 году ВНУТРИГЛАЗНОЙ МИКРОБИОТЫ -существовании микробов во внутренней сфере глаза (передняя и задняя камеры, стекловидное тело), которую всегда считали стерильной (J. Deng, 2021). Это состояние микробов назвали "спящим"; они фактически являются персистентными, живыми, не причиняющими видимого вреда глазу.

Такой же феномен персистенции установлен и в стерильных образцах крови. Ряд недавних работ, основанных на секвенировании последовательностей 16Sp PНК и электронно-микроскопических исследованиях, позволили выявить подлинный микробиом крови при ряде неинфекционных заболеваний (!).

Так, при использовании этих методов выявлены бактерии в "стерильных" образцах крови больных с болезнью Альцгеймера и болезнью Паркинсона (см. рис.3).

На фото А видны клетки бактерий, ассоциированные с лейкоцитом, на фото В – бактерии, ассоциированные с лейкоцитом и эритроцитом; возможно и расположение клеток бактерий внутри эритроцитов. Благодаря такому "экрану", как стенка эритроцита,  эти микроорганизмы нельзя выделить классическим методом и они относятся к классу "некультивируемых" бактерий. Большинство видов кишечной микробиоты являются преимущественно анаэробами,  выделение и культивирование которых в обычных аэробных условиях невозможно.

Открытие внутриглазной микробиоты поднимает новые вопросы о том, могут ли в тканях или участках тела,  которые в настоящее время считаются стерильными (суставы, спинномозговой канал, глубокие слои кожи - дерма), содержаться "свои" сообщества микробов-комменсалов. Если это так, то  ученым может быть предложена новая необычная парадигма исследований пока неясной (в настоящее время) этиологии органоспецифических или полиорганоспецифических воспалительных заболеваний глаз, например,  при болезни Бехчета, при которой поражаются сосудистая система, слизистые оболочки, а также кожа и центральная нервная система. Открытие внутриглазных патогенных микроорганизмов не исключает других возможных механизмов внутриглазного воспаления.

Альтернативными триггерами воспаления могут быть "молекулярная мимикрия", ТРАНСЛОКАЦИЯ жизнеспособных микроорганизмов или ТРАНСЛОКАЦИЯ микробных продуктов метаболизма в глаз. По мнению некоторых исследователей изучение роли резидентных микроорганизма-хозяина может оказаться плодотворным для раскрытия патогенеза аутоиммунных заболеваний (Rosenbaum, 2016). При этом параллельно возникает вопрос о том, как бактерии-комменсалы и патогены попадают во внутриглазное пространство. Возможно, этому способствует нарушение гематоофтальмического барьера (по неясной пока причине), при котором происходит обмен между микробиотой крови  (сыворотки) и внутриглазной микробиотой. При этом в фагоцитах крови с нарушенной переваривающей способностью ("незавершенный фагоцитоз") может иметь место сохранение жизнеспособности поглощенных бактерий и их перенос с помощью таких фагоцитов в иммунные лимфоидные образования – инструменты защиты организма - или, преодолевая их, проникать в здоровые органы, вызывая их воспаление.

Этот феномен носит название ТРАНСЛОКАЦИИ  микроорганизмов. Важнейшую роль в транслокации инфекта играет кишечная микробиота, хотя известны факты диссеминации инфекции из других микробиот. Например, из микробиоты зубов с периодонтитом: при их удалении возможна транслокация инфекции в кровяное русло и развитие эндокардита. Опасность транслокации инфекции известна при скарлатине, в результате которой происходит диссеминация стрептококков и может развиться  гломерулонефрит.

Весьма опасна транслокация пневмококков. Быстро погибающие во внешней среде они длительное время находятся в состоянии персистенции в полостях лобных и гайморовых пазух, миндалинах. При ослабении иммунной защиты и возникновении респираторной инфекции возможна транслокация пневмококков в глаз с развитием увеита и последующим переходе его в эндофтальмит.

Огромная роль принадлежит микробиоте кишечника, обладающей мощной метаболической активностью. Пул (совокупность)  всех метаболитов в организме называают МЕТАБОЛОМ, аналогично тому, как называют пул всех генов ГЕНОМ. Надо подчеркнуть, что в этот пул входят метаболиты, начиная от клетки, ткани, органа и заканчивая метаболитами целого организма, благодаря чему она может  контролировать множество функций организма.

С нарушением микробиоты кишечника связано возникновение большого спектра инфекционных  заболеваний, а также заболеваний неинфекционной природы: синдром раздраженного кишечника, язвенная болезнь желудка, бронхиальная астма, рак желудка и кишечника, сахарный диабет, аутизм, болезни Альцгеймера, Паркинсона и др.

В последние годы опубликовано большое количество работ, свидетельствующих о взаимосвязи между кишечной микробиотой и патогенезом воспалительных заболеваний глаз.
Поэтому данный феномен исследователи назвали "ОСЬ : "КИШЕЧНИК-ГЛАЗ".

В этом направлении проводятся широкие  исследования с применением таких технологий, как секвенирование ДНК, электронная микроскопия, жидкостная хроматография и др.

Каждый год  приносит все новые и новые доказательства дисбиоза микробиоты кишечника как возможной причины следующих заболеваний, связанными с  поражением сетчатки и других придатков глаза ( Alfuzaie R., Qeios, 2022,):

• Аутоиммунный увеит 
• Диабетическая ретинопатия (сахарный диабет 2-го типа
• Ретинопатия недоношенных
• Окклюзии артерий сетчатки
• Болезнь Бехчета
• Синдром Шегрена
• Возрастная макулярная дегенерация (ВМД)
• Синдром "сухого глаза"
• Глаукома   

Увеиты

Увеиты – это группа воспалительных заболеваний сосудистой оболочки глаза: радужки, цилиарного тела и собственно сосудистой оболочки. Различают инфекционные и неинфекционные (аутоиммунные) увеиты. По рекомендации Международной рабочей  группы по увеитам в 2021 году признано, что  наиболее распостраненными увеитами считаются 29 из них.  А в зависимости от локализации и клиники различают 14 различных типов увеита (см. таблицу ниже).

Этиология, патогенез увеитов довольно разнообразны  и до конца не изучены.

Аутоиммунные увеиты

В патологии глаз аутоиммунные увеиты занимают особое положение. Некоторые считают, что в  их патогенезе  существенная роль принадлежит наличию в организме наследуемого лейкоцитарного антигенаHLA-27.,  придающего этиологии заболевания наследственный характер.

Корреляция меду микробиомом кишечника и увеитом была установлена лишь в течение последних 5-6 лет, как на основании экспериментальных данных, так и на основании клинических наблюдений. Основным триггером аутоиммуного увеита является дисбиоз кишечной микробиоты, при котором нарушается баланс между «полезными» бактериями хозяина (комменсалами) и «вредными» токсигенными серотипами кишечной палочки, другими грамотрицательными бактериями. За этим следует разрушение кишечного барьера и повышение проницаемости кишечной стенки. Дальнейшее развитие патологической реакции может происходить двумя путями (см. рис. 4):

 1. Продукты дисбиоза (бактерии, пептиды, метаболиты кишечной флоры) транслоцируются в кровеносную и лимфатическую систему и активируют специфичные для сетчатки аутореактивные Т-лимфоциты,  которые,  проникая в глаз, приводят к потере иммунологической «привилегии» глаза – нарушению аутотолерантности к эндогенным антигенам. Факторы клеточного иммунитета становятся агрессивными  не только против чужеродных антигенов, но и против собственных тканей. Последние приобретают свойства аутоантигенов с последующей выработкой ретинальных аутоантител к сетчатой оболочке глаза. При этом развивается дисрегуляция и дисбаланс между эффекторными ( Th и T17)  регуляторными Тreg-лимфоцитами с последующим нарушением гематоретинального барьера и инфильтрацией Т-лимфоцитами и макрофагами, что является основой хронического внутриглазного воспаления вообще и аутоиммунного увеита в частности.

2. В дополнение к  этому чужеродные антигены из кишечной микробиоты активируют Toll- и NOD- подобные рецепторы (образ-распознающие белки), которые активируют клеточный иммунный ответ, рекрутируя к сетчатой оболочке воспалительные клетки и провоспалитель-ные  интерлейкины ( ИЛ-1, ИЛ-17 А, IFN-γ),  усугубляя течение аутоиммунного увеита.

Диабетическая ретинопатия

Среди заболеваний глаз, возникновение которых  в значительной мере обусловлено дисбиозом  микробиоты  кишечника, аутоиммунные увеиты являются наиболее изученным звеном. В этом ряду негативных последствий дисбиоза находятся также заболевания сетчатки, в частности, развитие диабетической ретинопатии, которая может привести к слепоте. Ранее полагали, что большая масса жировой ткани при ожирении и большой массе тела запускает процесс хронического воспаления, являющегося причиной резистентности к инсулину,  и формированию диабета 2-го типа (ДБ). Но в настоящее время показано, что дисбиоз кишечника может быть одним из звеньев в патогенезе  ДБ. Так, установлено, что представители рода  Bacteroidetes  могут разрушать слизистую оболочку кишечника – этот своеобразный барьер – и попадать в кровоток. В результате метаболических нарушений (в метаболоме организма)  нарушается синтез короткоцепочечных жирных кислот, что способствует развитию воспаления. Помимо этого, Bacteroidetes  продуцируют липополиса-хариды, которые воздействуют на кишечный барьер,  увеличивают синтез провоспалительного интерлейкина-6 (IL-6)  и также способствуют развитию воспаления сетчатки.

Возрастная макулярная дегенерация (ВМД)  +  ФОТО

Возрастная макулярная дегенерация (ВМД) — это дегенеративное заболевание, которое приводит к снижению центрального зрения. Это заболевание преимущественно поражает макулярную область сетчатки. Во всем мире от ВМД страдают более 50 миллионов человек, а к 2040 году прогнозируется, что их число возрастет до 300 миллионов. Это полигенное заболевание, которое можно разделить на сухую или влажную (неоваскулярную) форму.

Установлено, что ВМД возникает из-за дефектов в системе комплемента. Эти дефекты обусловлены геном фактора комплемента Н (CFH), а дисбиоз кишечника, связанный с ВМД, может привести к неадекватной активации комплемента, потенциально влияющей на ось "Кишечник-Глаз" (Alfusaie R., 2021). В одном из исследований в этой области показано, что антиоксидантные пищевые добавки и минералы, включая цинк, нивелируют влияние негативных факторов, как причины ВМД.

У пациентов с ВМД было повышено количество Prevotella spp. по сравнению с контрольны-ми. Кроме того, установлено снижение численности бактерий Ruminococcaceae и Rikenellaceae . Еще одним интересным открытием было то, что виды Oscillobacter, Anaerotruncus и Eubacterium были связаны с повышенной проницаемостью кишечника и воспалительными изменениями (повышение уровней IL-6 и IL-8).  Кроме того, у пациентов с ВМД наблюдался повышенный уровень Виды Streptococcus и Gemella и сниженные уровни видов Prevotella и Leptotrichia по сравнению с контролем.

Хотя точный патогенез ВМД остается недостаточно изученным, были идентифицированы определенные воспалительные механизмы, связанные с врожденным иммунитетом. В настоящее время существуют несколько гипотез о микробных нарушениях, влияющих на прогрессирование ВМД, включая иммунную регуляцию и стимулирование всасывания питательных веществ. Регулируемая иммунная активация посредством привлечения микроглии и макрофагов в субретинальную и хориоидальную области, активация тучных клеток и иммунная активация РПЭ, предположительно, играют роль в патогенезе ВМД (Handa, 2019). Микробиом кишечника может влиять на воспаление и функцию микроглии во время прогрессирования ВМД. Исследование показало, что по сравнению с мышами, получавшими нормальную диету, мыши, содержащиеся на диете с высоким содержанием жиров, были связаны с дисбактериозом кишечника и имели двукратное увеличение количества микроглии и макрофагов в локальных поражениях CNV, и что это увеличение было смягчено путем эрадикации. микробиоту кишечника с помощью применения неомицина. Кормление старых мышей убитыми нагреванием Lactobacillus paracasei ( продуцирующая молочную кислоту бактерия), активировала макрофаги, но парадоксальным образом подавляла воспаление, что приводило к обращению вспять нарушенного соотношения Firmicutes / Bacteroidetes и уменьшению как возрастного воспаления.

Связь между  кишечной микробиотой и глаукомой

Глаукома является тяжелым нейродегенеративным заболеванием и второй ведущей причиной слепоты во всем мире; она характеризуется гибелью или дисфункцией ганглиозных клеток сетчатки (RGC), аксоны которых теряют внутреннюю способность к регенерации. Меры терапевтического воздействия для  восстановления зрения включают применение глюкортикостероидов для стимулирования регенерации сетчатки и аксонов.

Учитывая участие CD4 + Т-лимфоцитов и микробиоты в патогенезе глаукомы, недавно было предложено включить глаукому в спектр аутоиммунных заболеваний (Geyer, 2020). Аутореактивные Т-клетки, инфильтрирующие сетчатку,  могут вызывать временное повышение ВГД, а Т-клетки пресенсибилизируются симбиотической микробиотой. Недавно было показано, что дисбактериоз комменсальной микробиоты, включая дисбиоз кишечной и ротовой микробиоты, играет решающую роль в возникновении неврологических расстройств и прогресси-рующей гибели нейронов.

За последние два десятилетия проводились интенсивные исследования зависимости между инфекцией Helicobacter pylori и патогенезом открытоугольной глаукомы.  Показано, что H. pylori может быть триггером системного аутоиммунного ответа, который приводит к высвобождению многочисленных воспалительных субстанций. Бактерии H. pylori могут механически влиять на процесс апоптоза клеток трабекулярной сети и перекрестно реагировать с эпителиальными антигенами цилиарного тела. Результаты изучения литературы с использованием метаанализа позволяют предположить статистически значимую связь между инфекцией H. pylori и первичной открытоугольной глаукомой (ПОУГ) или глаукомой нормального давления.

Ось  «Диета-кишечная микробиота-глаз»

Коль скоро составляющее микробиоту сообщество микроорганизмов (протеобактерии, актинобактерии, формикуты и бактероиды и др.) в значительной мере зависит от источников питания, находящихся в просвете кишечника, теоретически можно предположить зависимость состава микробиоты от диеты хозяина и возможность менять состав микробиоты с помощью диеты, и таким образом влиять на течение воспалительных заболеваний глаз, в том числе аутоиммунных, таких как аутоиммунный увеит и др. Таким образом, пока теоретически прослеживается другая ось "диета-кишечник-глаз".

Основываясь на этих предположениях, были проведены многочисленные исследования о возможности модулирования (коррекции) состава микробиоты с помощью различных методов и средств: пробиотиков, пребиотиков, метаболитов микробиоты, антидепрессантов, антибиотиков и бактериофагов, а также с применением такого необычного способа, как трансплантация содержимого кишечника больным от здоровых доноров. Рассмотрим некоторые из них.

Пробиотики.   Согласно определению ВОЗ пробиотики – это непатогенные для человека микроорганизмы, которые способны восстанавливать нормальную микрофлору органов, а также губительно воздействовать на патогенные и условно-патогенные бактерии. 

Так бактерии семейства Lactobacillus уменьшает диссеминацию и транслокацию микробов, а вид бактероидов  Bac. fragilis проявляет защитное действие при аутоиммунных заболеваниях.
Комбинация пробиотиков, включая Lactobacillusgasseri KS-13, Bifidobacteriumbifidum G9-1 и B. longum MM-2, улучшала течение риноконъюнктивита в период обострения за счет увеличения общего иммуноглобулина IgE в сыворотке и содержания Tregs. (Dennis-Wall, 2017). Интересным представляется подход использования эффективности пробиотической композиции глазных капель, содержащих Saccharomyces boulardii и Lactobacillus rhamnosus,   у пациентов с весенним  кератоконъюнктивитом. Бактерии  Bifidobacterium способствуют выделению и использованию коротко-цепочечных жирных кислот (КЦЖК), которые, оказывают прямое влияние на модулирование иммунитета слизистой оболочки кишечника и снижение тяжести экспериментального увеита. 

Пребиотики — это пищевые вещества, которые не перевариваются и не усваиваются в верхних отделах желудочно-кишечного тракта, но ферментируются микрофлорой толстого кишечника   человека и стимулируют её рост и жизнедеятельность.

Пребиотическим эффектом обладают олиго-, моно- и дисахариды, полисахариды, антиоксиданты, пептиды, растительные и микробные экстракты и др. Пероральные антиокси-дантные добавки, рекомендованные Ассоциацией по изучению  ВМД, являются ценным средством, которое, по-видимому, замедляет её прогрессирование.

Введение подопытным мышам большого возраста суспензии убитых нагреванием лактобактерий Lactobacillus paracasei (продуцирующих в нативном состоянии молочную кислоту), приводило к активации макрофагов, а также подавляло воспаление, восстанавливало соотношение  Firmicutes / Bacteroidetes в пользу последних, уменьшало возрастное воспаление и потерю ганглиозных клеток в сетчатке (Napolitano, 2021).

Метаболиты.  Нецелевой анализ метаболитов кишечника показал, что микробные кометаболиты, особенно серотонин, защищают от возрастной макулярной дегенерации (ВМД).  Семейство Clostridiales в микробиоте вместе с  гликемической диетой может способствовать развитию ВМД, тогда как бактерии из семейства Bacteroidales и низкоуглеводная диета оказывают защитное действие от развития ВМД.

При сетевом анализе результатов одного из исследований установлена связь между пищевыми углеводами, метаболомом, включая микробные кометаболиты, и микробиотой в пределах оси «кишечник-сетчатка», предупреждая развитие ВМД, вызванной диетой и возрастом. Другие метаболиты, например, КЦЖК, продуцируемые некоторыми кишечными микробами, такими как Bacteroides., могут влиять на функции лимфоцитов Treg и Th17 в кишечнике, кровяном русле и внекишечных тканях.

Пациенты с открытоугольной глаукомой и здоровые люди имеют разные профили состава кишечного микробиома и метаболитов сыворотки. Было показано, что бутират (метаболит кишечных бактерий), снижает ВГД независимо от изменений артериального давления у крыс.

Антибиотики и бактериофаги.  В экспериментах на животных с хориоидальной неоваскуляризацией, вызванной пищей с высоким содержанием жиров, введение пероральных антибиотиков уменьшало процесс неоваскуляризации и устраняло изменение в составе микробиома. При экспериментальном увеите пероральное введение антибиотиков широкого спектра (метронидазол и ванкомицин) значительно снижало клинические проявления.

Помимо такого массивного образования, как микробиота кишечника, в организме существуют микробиота поверхности глаза, микробиота фолликулов ресниц. В состав последней, кроме бактерий, входят и представители членистоногих паразитов – клещи DEMODEX spp., играющие важную роль в возникновении таких заболеваний, как блефароконъюнктивит, эписклерит, склерит, халазион, кератит.

Для лечения демодекозных поражений и элиминации клещей компания ООО «Торговая фармацевтическая компания» разработала крем «ДЕМАЗОЛ», выпускаемый более 20 лет, и шампунь «ДЕМАЗОЛ», предназаченный для обработки волосистой части головы и кожи.

   Использованные и цитируемые источники литературы:          
1.Standardization of Uveitis Nomenclature (SUN) Working Group. Development of Classification Criteria for the Uveitides. Am. J. Ophthalmol., 2021, Vol. 228, pp. 96-105.
2. Horai R.,  Microbiom and autoimmune uveitis. Front. Immun., 2019, 10 (1).                                                                                                                                                          
3. Lin F. Role Gut microbiota in AMD, J.Clin. Med., 2021, 10 (10).
4. Napolitano P. Influence of the Gut Microbiota in Eye Diseases, 2021, 53, (1).
5. Zhan J. Gut microbiota and macula degeneration, 2022, 23 (17), 9676.
6. Xue W. Microbiota and eyes Diseases, 2021, 11, 759333.
7. Rowen S.  Axis “Gut-Retina”, Proc. Natl. Acad. Sci., 2017, 114, E4472.
8. Rosenbaum  Microbiom and HLA-27 assiciated acute uveitis. Nat.Rev.Revm., 2018,14,12.