Проект:
«Микробиом малочисленных народов Севера и Дальнего Востока: этно-культурально-региональные особенности, как индикатор и предиктор адаптационных способностей»
Цель:
Определение этно-культурально-региональной специфичности у коренных малочисленных народов Севера композиции микробиом (интегрирующего органа индикатора состояния организма) для выработки комплекса предложений по их адаптации к процессам глобализации. Характеристика этно-культурально-региональных особенностей композиции микробиома у коренных малочисленных народов Севера для выработки комплекса предложений по их адаптации к процессам глобализации. Для реализации поставленной цели планируется:
Проведение отбора образцов микробиома кишечника у репрезентативных представителей коренных малочисленных народов Севера, создание биобанка для их хранения и последующий метагеномный и биоинформатический анализ для установления сигнатуры (комбинации генов, видов бактерий), характеризующей исследуемый кишечный микробиом в норме. Разработка биомедицинских рекомендаций, способствующих увеличению продолжительности жизни, репродуктивной способности женщин и адаптации к изменяющимся условиям жизни, в том числе в процессе миграции.
Микробиом является уникальным характерным признаком каждого человека. По некоторым приблизительным расчётам, состав микробиота зависит на 50% от типа питания (Oriach et al., 2016). Остальные факторы, влияющие на состав микробиома определяются географической местностью, культурными особенностями народа, образом жизни и т.д.
Сравнение микробиомов народов, ведущих образ жизни охотников-собирателей с урбанизированными популяций не только позволяет изучить метаболические и таксономические различия (Obregon-Tito et al., 2015; Clemente et al., 2015), но и определяет как богатство и разнообразие микробиома связаны с особенностями питания конкретного народа (Obregon-Tito et al., 2015; Schnorr et al., 2014).
Например, микробиом кишечника изолированных популяций инуитов и канадских городских сообществ значительно различался по видовому и штаммовому составу (Girard et al., 2017). Некоторые доминирующие роды бактерий отбирались как потенциальные индикаторы состояния желудочно-кишечного тракта местных народов.
В качестве примера, можно привести род Prevotella, Treponema у племени хадза в Танзании, которые питаются преимущественно растительной пищей с высоким содержанием пищевых волокон (Schnorr et al., 2014).
Другие исследования выявили пагубные последствия экономического роста на кишечную микробиоту коренных народов (Stagaman et al., 2018). Экономическое развитие, измеряемое количеством современного жилья и уровнем доминирования традиционного образа жизни коренного населения Эквадора, коррелировало с утратой разнообразия микробиома и сокращением числа полезных бактериальных таксонов (Stagaman et al., 2018). Недавно проводилось многокогортное исследование, охватывающее различные группы населения, населяющие высокогорный Непал и Боливию, которое выявило микробную сигнатуру, которая могла бы поддержать метаболические и пищевые потребности людей, живущих на большой высоте (Quagliariello et al., 2019).
Аналогичное исследование с участием четырех различных гималайских племенных сообществ показало, что разные стили жизни характеризовались разной степенью развития агротехники, и были связаны с различиями на уровне кишечного микробиома (Jha et al., 2018).
Сельскохозяйственные практики, а также другие факторы, такие как источник питьевой воды и использование твердого топлива для приготовления пищи также оказывали сильное влияние на сигнатуру микробиома (Jha et al., 2018). Знаменитое исследование Dehingia et al. (Dehingia et al., 2015) анализировало микробный состав кишечника пятнадцати различных племена в Индии и выявило влияние типа питания на состав микробиома наряду с основными родами бактерий, связанными с коренными общинами.
Несмотря на общий консенсус, что у коренного населения высокое разнообразие и богатство состава микробиома кишечника, даже у изолированных племён были обнаружены гены устойчивости к антибиотикам в микробиоме кишечника, несмотря на кажущееся отсутствие экспозиции к самим антибиотикам (Clemente et al., 2015).
Изучение микробиома народов крайнего севера прольёт свет на ряд важных научных вопросов: -как неблагоприятные условия крайнего севера, характеризующиеся, в первую очередь, коротким световым днём и низкими температурами, влияют на состав микробиома человека? Какие адаптивные изменения состава микробиома характерны для коренных жителей высоких широт и связанны с приспособленностью последних к своей окружающей среде? - как образ жизни и социокультурные различия, в эпоху глобализации, отражаются на составе и функциональности микробима в контексте устойчивости к стрессовым условиям?
Ответы на данные вопросы не только продвинут микрбиомику вперёд, но и крайне необходимы для применения походов персонализированной медицины для улучшения качества жизни, запланированных к изучению, народов. Более того, изучение микробиома коренных народов может открыть уникальные микробы с терапевтическим потенциалом для человека (Sonnenburg et al., 2019).
Список литературы к Введению:
Ненцы является самым многочисленным народом согласно утвержденному Правительством Российской Федерации перечню коренных малочисленных народов Севера, Сибири и Дальнего Востока Российской Федерации (No104-ФЗ от 20 июля 2000 года) согласно переписи 2010 – их количество насчитывает около 45 тысяч ненцов.
Не́нцы — самодийский народ в России, населяющий евразийское побережье Северного Ледовитого океана от Кольского полуострова до Таймыра. Ненецкий язык относится к самодийской группе уральской семьи. Различают два диалекта: тундровый (тундровым диалектом владеет большинство представителей этого народа) и лесной (говорит около двух тысяч человек). Среди ненцев распространен и русский язык. Письменность основана на русской графике. Впервые ненцы были описаны в 1671 году в книге «Путешествие в Северные Страны», Пьер-Мартеном де Ламартиньер. По теории Фишера — Кастрена самоеды попали на территорию современной России еще в первом тысячелетии н.э. в связи с так называемым великим переселением народов, что позволило им хорошо приспособиться к тяжелым условиям Крайнего Севера.
Ненцы делятся на европейских и азиатских (сибирских). Тундровые с конца ХIХ в. расселяются в зоне тундры от Кольского полуострова (Мурманской области, Ненецкого АО, Ямало-Ненецкого АО, Красноярского края) до правобережья нижнего Енисея. Лесные расселяются в лесотундре междуречья Оби и Енисея. Основная часть лесных ненцев живет в бассейне р. Пур, а также в верховьях р. Надым и по северным притокам рр. Лямин, Тромеган и Аган. Небольшие группы ненцев проживают в Ханты-Мансийском автономном округе, в Мурманской и Архангельской областях, а также в Республике Коми.
Традиционное занятие ненцев - оленеводство. Животные круглый год пасутся под надзором пастухов и оленегонных собак. У ненцев широко распространен санный способ езды на оленях. По мере истощения кормовых запасов приходится менять пастбища. С оленьим стадом кочуют и пастухи с семьями. На полуострове Ямал кочует несколько тысяч ненецких оленеводов, владеющих около 500 000 оленей.
К условиям кочевого образа жизни приспособлено разборное конусообразное жилище - чум. Зимой чум покрывают в два слоя нюками (шкуры оленя), летом - берестой. В центре чума разжигали костер, позднее стали использовать железные печи.
Помимо выпаса оленей зимой ненцы охотились на песца, лисицу, росомаху, горностая, дикого северного оленя. Пушного зверя промышляли с помощью деревянных ловушек и железных капканов. Из птиц добывали белых куропаток и гусей в период линьки, глухарей. Рыбу ловили, в основном, летом.
Основная пища ненцев – хлеб, рыба и мясо оленей (в сыром и вареном виде). До XIX века мучные изделии были исключением в питании ненцев, однако на сегодняшний день хлеб является основой питания современных ненцев. Хлеб используют мануфактурного производства (обычно белый). За столом его едят с другими продуктами (мясо, рыба, суп, уха), или могут употреблять в «голом» виде, просто вместе с чаем.
Помимо хлеба, другим важнейшим продуктом в тундре является рыба. Ямал, кроме запасов углеводородов, известен, как регион с крупнейшей популяцией сиговых. Именно эта белая рыба, в первую очередь, муксун и щокур (в меньшей степени сырок и сиг-пыжьян) и является традиционной основой питания тундровиков – как рыбаков, так и оленеводов. Рыбу ловят в Обско-Тазовской губе, на реках и озерах Ямальского полуострова. Рыбу солят, коптят, вялят, морозят, широко практикуется сыроедение рыбы (строганина). Важно отметить, что до начала XX века соль не была широко распространена у ненцев и появление соли сильно повлияло на систему консервации и употребления продуктов в пищу.
Ненцы получают мясо и жиры для питания благодаря оленеводству. Это мясо подвергают часто посолу или едят сырым, также как и внутренние органы оленя (свежая печень, язык, сердце, почки, кровь оленя, копальхен). Солонина применяется в любом виде: сыром, копчёном, вяленом. Для удовлетворения потребностей организма в витаминах (особенно С и В2) ненцы употребляют в пищу сырое мясо с кровью (айбат – процедура коллективного поедания сырого мяса). Кроме оленины, ненцы используют говядину и свинину, мясо морского зверя в тушеном или вареном виде.
Современные продукты питания зачастую отрицательно сказываются на здоровье северян. Отход от привычного рациона, приводит к нарушению обмена веществ в организме. Раньше все углеводы ненцы получали только из мяса и рыбы — там их содержится очень мало, но теперь ненцы получают огромную углеводную нагрузку от других продуктов, что неизбежно меняет обмен веществ и приводит к различным заболеваниям.
Общеизвестно, что заметный ущерб населению Севера наносят промышленные компании, деятельность которых ведет к разрушению пастбищ, повышению их дефицита и, естественно, к истощению. Серьезное влияние на здоровье аборигенного населения начинают оказывать климат и интенсивные разрушения и загрязнения природы. Часть загрязнений на Севере—это бытовые отходы, причем повсеместно: и в маленьких тундровых общинах, и в больших городах. Как правило, в северных поселениях нет очистных сооружений, и нечистоты сбрасываются в водоемы, откуда берут воду. Но решающую роль в разрушении и загрязнении природной среды играют нефте-, газо-, золотодобывающие предприятия. По роковому стечению обстоятельств месторождения полезных ископаемых совпадают с местами рождения, проживания и промыслов аборигенных народов. За долгие годы освоения нанесен большой ущерб оленьим пастбищам, до 40% которых деградировали и оказались выведенными из оборота. Свою "лепту" внесли геологи, военные, многие организации, разрушающие и захламляющие Север. Особая опасность исходит от компонентов маяков, упавших ступеней ракет, радиоактивных осадков от ядерных испытаний. Реки, озера, почва загрязнены ГСМ; всё это нарушает хрупкое экологическое равновесие Севера, наносит урон растительному и животному миру, а в конечном счете—человеку.
Вне семейное воспитание детей, практикуемое среди северных народов и созданное во время СССР, изменения в питании и воздействия, игнорирующие особенности ферментативных систем и других специфических качеств, способствуют увеличению заболеваемости и разрушению механизмов культурной трансмиссии. Насколько противоречивы были меры, осуществленные в отношении аборигенных северных народов, настолько же противоречивыми оказались и их результаты. Туземные народы спасены от голодной смерти, защищены от инфекций, приобщены к иной, более прогрессивной, культуре, однако несомненно и другое—эти воздействия оказались для аборигенных (во многом архаичных) народов Севера беспрецедентными. Внедренные в жизнь тотально, радикально, в кратчайшие сроки, а часто и в принудительном порядке, эти внешние воздействия превзошли адаптационные возможности аборигенов и в итоге привели к развитию комплекса негативных внутренних факторов, ставших самодостаточной основой дезадаптации.
В 2012 году на основе «Научно-исследовательского института медицинской генетики» Сибирского отделения РАМН была проведена характеристика структуры генофондов коренных этносов Сибири на различных иерархических уровнях организации по маркерам нерекомбинирующей части Y-хромосомы и филогенетический и филогеографический анализ гаплогрупп. Результаты филогенетического и дисперсионного анализа свидетельствуют, что состав и структура микросателлитных гаплотипов Y-хромосомы для всех основных гаплогрупп и уровень генетического разнообразия и внутриэтнической генетической дифференциации популяций в пределах отдельных линий Y хромосомы являются высокоспецифичными для каждого этноса. В генофонде сибирских этносов выявлено двадцать восемь гаплогрупп Y-хромосомы. Из них семь имеют частоту более трех процентов (N1c1, N1b, R1a1a, Q1a3, С3*, С3с и С3d), составляя 86% общей выборки сибирских образцов. Все этносы имеют специфичный состав и частоты гаплогрупп, присутствие которых отражает вклад различных по происхождению генетических составляющих, связанных с теми или иными миграционными потоками. Основу генофонда различных этносов составляют разные гаплогруппы.
На сегодняшний момент на базе создаваемого центра высоких биомедицинских технологий лаборатории "Здоровье женщины и ребенка в условиях Крайнего Севера и Арктики" планируется проводить геномные исследования жителей арктической и субарктической территорий, чтобы сформированный на их основе паспорт коренного населения показал склонность жителей к тем или иным заболеваниям.
Как известно, суровый климат и сложная социально-экономическая среда Севера России негативно отражаются на состоянии здоровья населения, обусловливая неблагополучные медико-демографические показатели. Особенно уязвимы коренные малочисленные народы Севера, Сибири и Дальнего Востока (аборигенные народы). Обратившись к медико-демографической статистике, мы обнаружим, что продолжительность жизни аборигенов Севера России на 10—11 лет короче (у неаборигенных северян на 3—4 года), чем в целом по стране. При этом продолжительность жизни аборигенов-мужчин на 14 лет короче, чем женщин. У аборигенных народов постоянно высоким был показатель младенческой смертности.
У аборигенных народов Севера в период 1998—2007 годов наблюдался рост первичной и общей заболеваемости. В структуре заболеваемости аборигенов Севера первое место занимают болезни легких. Отчасти это обусловлено защитно-адаптивной особенностью механизма дыхания аборигенов: фаза вдоха укорочена, выдоха—удлинена, а в легких после выдоха остается большой объем воздуха. Это защищает от воздействия холодного вдыхаемого воздуха. Но в современных условиях, когда воздух поселений загрязнен, эта полезная особенность оказывается вредной, так как ведет к накоплению в легких токсических веществ, вызывающих легочную патологию, в том числе онкологическую. Это лишь один пример того, как защитные механизмы организма аборигенов оказываются опасными в условиях промышленного освоения Севера.
Суммарный показатель паразитарной заболеваемости на Севере в 2 и более раз превышает среднероссийский. Так, в Ямало-Ненецком автономном округе в 2001 году заболеваемость паразитарными болезнями среди аборигенов была в 3,5 раза выше, чем в среднем по округу. Заболеваемость туберкулезом среди аборигенов Севера в несколько раз выше среднероссийской. Например, по данным 2005 года, в Корякском автономном округе она составила 444,6 на 100 тысяч населения (при 67 случаях на 100 тысяч по России). Показатель смертности от инфекционных болезней, в основном от туберкулеза, среди аборигенных народов Севера составляет 60 на 100 тысяч против 23 в среднем по России.
Исследования томских онкологов показали, что за период 1976—1990 годов заболеваемость аборигенного населения раком пищевода в Чукотском, Корякском и Таймырском автономных округах в 4—12 раз выше, чем в среднем по региону Сибири и Дальнего Востока. Самый высокий риск по раку пищевода отмечен у чукчей (13,8—у мужчин, 14,8—у женщин). Вызывают тревогу высокие уровни заболеваемости аборигенов нервно-психическими расстройствами и алкоголизмом. Развитию алкоголизма способствует и отход от традиционного типа питания, который за счет обилия жиров вел к снижению уровня кортикостероидов — "гормонов стресса". Это привело к повышению тревожности, и спиртное стало для аборигенов основным, если не единственным, способом преодоления душевного дискомфорта. Естественным итогом роста алкоголизма стало возрастание смертности от внешних причин, которые составляют у аборигенных народов 36% от всех причин смерти при 15% в среднем по стране. Если уровень смертности от травм в России вдвое превышает среднемировой уровень, то у аборигенов он почти вдвое превышает среднероссийский показатель. Уровень самоубийств среди аборигенов в 1998—2002 годах составил более 100 случаев на 100 тысяч населения (в целом по России—38), убийств—70 (в России—27).
На сегодняшний день очевидно, что исследование микробиома (микробиоты) человека является перспективным глобальным направлением , относящимся к системной биомедицине, возникшем благодаря внедрения в практику новейших технологий и концептуальных подходов на основе междисциплинарной интеграции медицины, молекулярной генетики, микробиологии и биоинформатики (Kelsen J.R. et al., 2012; Califf et al., 2014; Lynch S.V. et al., 2016; Krishnan et al, 2017; Bapteste et al., 2021, Berg et al., 2020)
Mикроэкологические исследования, проведенные в разных лабораториях мира, показали, что в организме здорового человека присутствует огромное количество различных микроорганизмов. Их общее число (микробиота) у взрослого человека составляет более тысячи видов. Наиболее представительной частью микробиоты человека, как по видовому составу, так и по биомассе, является микробное сообщество желудочно-кишечного тракта (ЖКТ) (Sender et al. 2016). Масса нормальной микробиоты кишечника взрослого человека составляет более 2,5 кг, суммарная численность клеток микроорганизмов – 10 14 , а общий геном бактерий – «микробиом» – включает 400 тыс. генов, что в 12 раз больше генома человека. Таксономический состав и генное содержание (метагеном) кишечной микробиоты человека зависят от большого числа факторов, в том числе этнических, физиолого-генетических, социокультурных, связанных с образом жизни, с типом и режимом питания (Sender et al. 2016).
Микробиота кишечника трактуется в настоящее время как новый эндокринный орган, играющий ключевую роль в становлении и поддержании иммунитета, поддержании общего гомеостаза человека, в том числе в формировании его нервно-психических и поведенческих особенностей (Flint H.J. et al., 2012; Foster et al., 2013; Clarke G. et al., 2014; Dinan et al., 2017; Malan-Muller et al., 2018; Averina et al., 2020; Averina et al., 2021). Композиция микробной составляющей ЖКТ является важнейшим показателем состояния постулируемого органа (Turroni et al., 2009). Длительное нарушение микробного баланса кишечника играет значительную роль в развитии метаболического синдрома, ослабленного иммунитета, отягощая их течение, и коррелирует с проявлением различных аутоиммунных и психических заболеваний (рис.1B).
Прямые и косвенные механизмы, включая эндокринную, иммунную и нервную регуляцию, поддерживают двунаправленные взаимодействия между микробиотой кишечника и центральной нервной системой (ЦНС). Афферентная ветвь: (1) Лимфоциты, в ответ на процессы, происходящие в просвете кишечника, способны высвобождать цитокины, которые могут оказывать эндокринное или паракринное действие. (2) Окончания чувствительных нейронов, в частности, в составе блуждающего нерва, могут быть активированы пептидами, которые продуцируют энтероэндокринные клетки. (3) Нейротрансмиттеры или их предшественники, продуцируемые кишечной микробиотой в качестве метаболитов, также могут оказывать эндокринный или паракринный эффекты. (4) После передачи сигнала в ствол мозга последовательно активируются миндалина (Am), островковая кора (IC) и гипоталамус (Hy), который инициирует эфферентную ветвь: (5) кортикостероиды, продуцируемые в результате активации гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой оси, модулируют состав микробиоты. (6) Эфферентная активация может включать противовоспалительный холинэргический рефлекс и/или симпатическую активацию, что приводит к секреции нейротрансмиттеров, которые напрямую могут влиять на состав кишечной микробиоты. (B) Состояния здоровья, обусловленные нарушениями оси микрбиота-кишечник-мозг. Исследования показывают, что ряд патологий может быть обусловлен составом кишечной микробиоты. Среди них тревожное состояние и депрессия (Bravo et al., 2012; Foster and McVey Neufeld, 2013), висцеральные боли (Clarke G. et al., 2014), ожирение (Turnbaugh and Gordon, 2009) и ряд других (по Montiel-Castro et al., 2013. The microbiota-gut-brain axis: neurobehavioral correlates, health and sociality. Figure 1, c изменениями).
Была выдвинута новая парадигма, в рамках которой микробиота кишечника человека – это «второй мозг», ответственный за ряд поведенческих и когнитивных функций (Clarke G. et al., 2014). Бактерии ЖКТ способны продуцировать нейротрансмиттеры: гамма-аминомасляную кислоту (GABA), серотонин, дофамин и, возможно, нейропептиды (Lyte M., 2010, 2013; Averina et al., 2017). В свою очередь, бактерии ЖКТ воспринимают сигналы нейротрансмиттеров, нейропептидов и отвечают на эти сигналы, в том числе через иммунную систему, периферическую нервную систему и непосредственно через блуждающий нерв, передавая эту информацию в мозг (рис. 1А). Таким образом, система кишечник-мозг (gut-brain axis, БМК) является двунаправленной коммуникационной системой, обеспечивающей сложное функционирование ЦНС и ЖКТ.
Микробиом (микробиота) человека являются объектом интенсивных научных исследований в рамках национальных программ различных государств: США – Human Microbiome Project National Institutes of Health USA («Микробиом человека» - проект Национального Института Здоровья); Евросоюз – MetaHIT Project, (проект MetaHIT - Метагеномика Кишечника Человека); Китай – Meta-GUT project; Канада – Canadian Microbiome Initiative project; Япония – Human MetaGenome Consortium Japan (HMGJ) ; Франция – MicroObes project; Сингапур – Human Gastric Microbiome project; Австралия – Australian Urogenital Microbiome Consortium; и международный проект – The International Human Microbiome Consortium (IHMC) . Целью этих программ является комплексное изучение микробиома с помощью методов метагеномики и биоинформатики, в том числе определение нуклеотидной последовательности геномов микроорганизмов, имеющих важное значение для здоровья человека. Секвенированные геномы бактерий используются для отбора генов – функциональных биомаркеров определённых заболеваний. Данная информация позволяет установить, каким образом определенные бактерии и их гены связаны с риском развития заболеваний и создать соответствующие подходы для управления этими механизмами.
Несмотря на хорошо установленную связь между стрессом и психическими расстройствами, механизмы, посредством которых стресс приводит к патологическим изменениям, повышающим риск возникновения заболеваний, остаются плохо изученными (Hornig M., 2013). Впервые, стресс был описан Селье (Selye H., 1936) более полувека назад, и определялся как острая угроза для гомеостаза организма. Неблагоприятные события, или стресс, будь то наличие реальной угрозы (физический стресс) или ожидание угрозы (психологический стресс), вызывают каскад физиологических, эмоциональных и поведенческих реакций, которые повышают шансы человека справиться с ситуацией. Тем не менее, серьезные, хронические и неконтролируемые факторы стресса могут влиять на функционирование мозга, в том числе через эпигенетические механизмы, которые могут иметь долгосрочные последствия для физического и психического здоровья человека (Lupien S.J. et al., 2009; McEwen B.S., 2012; Moloney R.D. et al., 2014; Dudek et al., 2021).
Мозг, эмоциональные состояния и стрессовые условия всё чаще изучаются в комплексе с исследованиями расстройств желудочно-кишечного тракта. Изучение дисрегуляции оси микробиота-мозг-кишечник и нарушений в ЦНС, опосредованные стрессом стали предметом обсуждения в ряде последних обзоров (Bravo J.A. et al., 2012; Collins S.M. et al., 2012; Cryan J.F. and Dinan T.G., 2012; Foster J.F. and McVey Neufeld K.A., 2013; Scott L.V. et al., 2013; Averina et al., 2020). Реакция на стресс приводит к перестройке взаимодействия ряда взаимосвязанных областей мозга: миндалевидное тело, гиппокамп и паравентрикулярное ядро гипоталамуса, который получает модулирующие сигналы от высших корковых регионов, таких как префронтальная кора.
В последние годы проводятся интенсивные исследования, направленные на изучение изменений композиции микробиоты человека в стрессовых условиях. На данный момент, в клинической литературе имеется несколько отчетов, описывающих состояние микробиоты у больных депрессией., которая характеризутеся снижением численности Bacteroidetes и увеличением Firmicutes, содержащихся в образцах фекалий, полученных от больных с такими расстройствами (Allen A.P. at al., 2014; Jeffery I.B. et al., 2012; Tana C. et al., 2010). Животные модели стресс-зависимых расстройств также позволили получить интересные результататы касательно влияния стресса на состав микробиоты кишечника. В целом, условия питания, скученность, температурный и другие типы стрессов вели к изменению состава микрофлоры кишечника (Bailey M.T. et al., 2011; Collins S.M. and Bercik P., 2013; Watanabe et al., 2016).
Список литературы к Разделу 3:
Видовой состав микрофлоры существенно меняется в течении жизни человека. На микробиома человека влияют такие факторы, как диета, окружающая среда, режим сна и бодрствования, активный (или малоактивный) образ жизни. Многочисленные исследования доказывают, что диета оказывает значительное влияние на кишечную микробиоту. Так, подвздошная микробиота характеризуется способностью микробов метаболизировать простые сахара, что отражает их адаптацию к доступности питательных веществ в тонком кишечнике. Состав микробиоты толстой кишки во многом зависит от наличия доступных для микробиоты углеводов, которые встречаются в клетчатке. Экстремальные «животные» или «растительные» диеты сопровождаются широким спектром изменений микробиоты кишечника. Например, младенцы из сельскохозяйственных регионов Африки, потребляющие крахмал, волокнистые и растительные полисахариды в избыточном количестве, имеют микробиоту, в которой преобладают Bacteroidetes (57,7%) и актинобактерии (10,1%). С другой стороны, у детей из Европы, чья диета богата сахаром, крахмалом и животным белком, численность этих групп снижается до 22,4% и 6,7%, соответственно.
Микробиота человека является эволюционно обусловленной фундаментальной основой иммунитета и резервом адаптации к неблагоприятным воздействиям окружающей среды. Нарушение взаимоотношений между организмов хозяина и его микробиотой, возникшее в результате различных экзо- и эндогенных факторов, в первую очередь стрессовых факторов, приводит к нарушению баланса в композиции микробиоты и к резкому сокращению числа полезных бактерий. Длительное нарушение микробного баланса кишечника играет является одной из причин ослаблении иммунитета, дисфункции центральной нервной системы и различных эндокринных органов что, как следствие, приводит к возникновению различных сердечнососудистых, аутоиммунных и психических заболеваний (Moloney R.D. et al., 2014; Molina-Torres, 2019). Ключевым фактором в нарушении состава микробиоты кишечника является стресс.
Российскими учеными проведён ряд исследований адаптации человека к экстремальным условиям обитания (космическим полетам, водолазным погружениям, модельным исследованиям: гипокинезия, сухая иммерсия, изоляция, повышенные физические нагрузки) (Ильин Е.П., 2005; Кукаренко Н.Н., 2020; Грибанов А.В., 2019), которые позволили выявить причастность ряда экстремальных факторов к дисбиотической перестройке микробиоты пищеварительного тракта человека. Изменения при этом касаются количественных перестроек микробиоты отдельных биотопов с развитием дисбактериоза различной степени выраженности, а также включают нарастание потенциала патогенности, проявляющееся в активизации патогенных свойств условно-патогенных представителей микробиоты, что приводит к угрозе возникновения инфекции экзогенного и эндогенного характера.
Несмотря на то, что изучению состояния нормальной микрофлоры посвящено значительное число работ, целый ряд вопросов, на сегодняшний день, остается недостаточно исследованным. В связи с этим представляется актуальным проведение комплексных исследований, касающихся изучения различных аспектов дисбиотических состояний. До сих пор недостаточно изучено влияние неблагоприятных климатических и социально-бытовых факторов на состав микробиоты организма и, как следствие, особенности дисбиотических проявлений, возникающих на данном фоне. Известно, что климатические условия, характер питания и образ жизни существенно отражаются на количественном и качественном составе микробиоты кишечника. Природные условия Крайнего Севера (Арктики) характеризуется рядом факторов, негативно влияющих на здоровье населения: длительный период низкой температуры воздуха, чрезвычайно неустойчивая погода, характеризующаяся резкими перепадами атмосферного давления, сильные ветра, значительные колебания весового содержания атмосферного кислорода, близкое расположение от поверхности почвы слоя вечной мерзлоты, отрицательный годовой баланс солнечной радиации, повышенный уровень облучения. Комплексное воздействие этих специфических природно-климатических факторов снижает функциональную и иммунологическую реактивность организма, способствует развитию нервно-депрессивных расстройств и приводит к возникновению различных сердечнососудистых заболеваний (Friborg, O. et al., 2014; Marqueze, E.C. et al., 2014; Balindres et al., 2016).
Длительный и напряженный процесс адаптации человека к условиям Севера приводит к глубокой перестройке всех регуляторных физиологических и обменных процессов и его гомеостаза в целом, что сопровождается возникновением так называемого «синдромом полярного напряжения» (Истомина Н.В., 2018). «Полярный синдром» – это не болезнь, а реакция организма на действие комплекса факторов высоких широт. Вместе с тем «синдром полярного напряжения» – это фактор риска приводящий, в том числе через микробиоту, человека к возникновению ряда заболеваний нейродепрессивных, кардиологических и др. «Синдром полярного напряжения» обозначает комплекс патологических реакций, характеризующийся некоторым нарушением высшей нервной деятельности, функций дыхания, кровообращения, механизмов терморегуляции и др. Чтобы понять, как лучше организовать свою жизнь в этих условиях, нужно знать, что же представляет собой Крайний Север: – полярная ночь, как правило, характеризуется наличием чувства необоснованной тревоги и напряжения, депрессией, сонливостью, по утрам отсутствует традиционное чувство бодрости. Ещё в 1977 году было установлено, что в период полярной ночи часто возникают депрессии, снижается иммунитет, активизируются различные заболевания. Нехватка света, кислорода, сильные морозы, усиленное облучение нейтронами – все вместе приводит к тому, что здоровье находится под постоянной угрозой (Friborg, O. et al., 2014; Marqueze, E.C. et al., 2014).
Cеверный экологически обусловленный стресс – «синдромом полярного напряжения», наряду с ускорением процессов старения, отражается негативно на развитие и течение сердечнососудистых заболеваний у жителей Севера; это проявляется в возникновении данной патологии на Севере в более молодом возрасте, в более агрессивном течении заболеваний, и в появлении признаков ускоренного биологического старения уже после 35 лет (Baron M. et al., 2020).
Немаловажное значение для понимания причин дисбиотических состояний в условиях Крайнего Севера имеют и социальные факторы. Население городов складывается из двух групп – коренные жители и приезжие из других регионов. Причем коренными жителями считаются не только ненцы, ханты или манси, изначально проживающие на этой территории, но и рождённые в северных условиях дети людей, приехавших осваивать северные территории еще в шестидесятые годы прошлого столетия. Для приезжего населения адаптационный период характеризуется сильным, резко выраженным напряжением компенсаторно-приспособительных механизмов. Это вызвано сочетанным воздействием, как экстремальных факторов внешней среды, так и изменением образа жизни, характера питания, условий работы (вахтовый метод). Существуют основания оценивать состояние организма человека, прибывшего на Север, как состояние своеобразного, весьма специфического хронического напряжения, что в дальнейшем приводит к развитию сбоев на уровне различных и в первую очередь регуляторных систем (нервной, эндокринной, иммунной системы, включая систему неспецифического иммунитета). Затем развиваются вторичные проявления: дисбактериоз кишечника, нервно-депрессивные расстройства и последующее возникновение хронических необратимых заболеваний: кардиологических, нейродегенеративных и др. (Нагорнев С.Н., 2019; Фролов В.К., 2020)
Наряду с этим для населения Крайнего Севера в силу сложившихся традиций характерен специфический режим питания: рыбный рацион, в том числе свежемороженая рыба, употребление в пищу местных дикорастущих растений. Для поддержания терморегуляции организма на должном уровне северные жители вынуждены питаться высококалорийными продуктами, богатыми белками и жирами. Население практически не получает качественных молочных продуктов. Всё это отражается на составе микробиоты кишечника и приводит к формированию даже у здоровых людей специфической микрофлоры (Girard C., 2017).
Установлено, что при обследовании на дисбактериоз кишечника у жителей районов Крайнего Севера в 98,8 % случаев выявляются изменения качественного и количественного состава микробиоты, что достоверно превышает данный показатель у жителей районов умеренного климата (Иванова Т.Н., 2007). Выявлено, что для дисбиоза кишечника у жителей Крайнего Севера характерно значительное снижение количества лактобактерий; обнаружение в тяжёлых случаях дисбиоза культур лактобактерий со сниженной адгезивной и антагонистической активностью и гемолитическими свойствами; замена полноценных в ферментативном отношении культур Е.coli на лактозонегативные, а также появление гемолитических форм (Иванова Т.Н., 2007). Все эти первичные данные требуют детальных исследований с использованием современных технологий метагеномного секвенирования, сравнительного геномного анализа, а также новых концептуальных подходов.
Список литературы к Разделу 4:
Микробиом кишечника человека является органом, интегрирующим коммуникацию центральной, иммунной и эндокринной систем с внешней средой путем аккумуляции позитивной и негативной информации, поступающей с пищей, водой.
Среди прочих факторов, композиция (состав генов и бактерий, их содержащих) микробиома определяется продуктами питания, которые потребляет человек. По этой причине, композиция микробиома здорового человека имеет отличия у людей, проживающих в различных регионах мира, относящихся к различным культурно-этническим группам. В свою очередь, микробиом человека определяет его вкусовые предпочтения и потребность в сбалансированном по показателям ряда компонентов питании.
Существующая сегодня в мире парадигма функционального питания основывается на двух принципах. Первый - питание должно быть персонализированным, т.е. для различных групп населения подходят разные продукты питания, которые как правило связаны с этнокультурными традициями конкретного народа. Второй принцип - подбор продуктов питания на основе знаний об их влиянии на композицию микробиома конкретных групп населения мира.
В последние годы пробиотические бактерии как важный компонент микробиоты человека интенсивно изучаются в различных зарубежных и российских лабораториях. В лаборатории Генетики микроорганизмов Института Общей Генетики им. Н.И. Вавилова РАН проводится изучение сравнительной генетики и геномики пробиотических бактерий: бифидобактерий и лактобацилл. Достигнуты определенные успехи в изучении генетических особенностей российских пробиотических культур.
Бифидобактерии – анаэробные бактерии, существовавшие на планете Земля до появления на ней кислорода и после его появления, заселившие анаэробные полости практически всех представителей животного мира от насекомых до человека. Предполагается, что бифидобактерии, представленные на сегодня 99 видами рода Bifidobacterium , участвовали в формировании иммунной системы своих хозяев. Хорошо известно, что виды B. longum и B. bifidum первыми после рождения заселяют кишечник человека и формируют иммунную систему ребенка. Интенсивно исследуется роль бифидобактерий и их компонентов (метаболитов) в коммуникации кишечник-мозг и кишечник-иммунная система. Относительно хорошо изучены метаболиты и компоненты клеток бифидобактерий, модулирующие с помощью тех или иных механизмов активность иммунной системы. Вместе с тем, практически ничего не известно о сигнальных системах (белках, рецепторах и др.) способных воспринимать сигналы иммунной системы, в том числе осуществлять взаимодействия с цитокинами.
Приоритетными являются исследования ключевых адаптивных и пробиотических генов (DyachkovaM.S. et al. 2019; Fetissov S.O. et al. 2019; Poluektova et al., 2021; Nezametdinova et al., 2021). Секвенированы геномы ряда российских пробиотических штаммов бифидобактерий и лактобацилл. Проводится масштабный биоинформатический анализ секвенируемых геномов бифидобактерий и лактобацилл. Составлены генетические паспорта на ключевые гены: регуляторные и структурные гены, ответственные за пробиотические свойства, в первую очередь, за коммуникацию с организмом хозяина и за поддержание сбалансированного состава микробиоты. В лаборатории также разработаны методы для быстрого скрининга бифидобактерий и лактобацилл с использованием современных молекулярно-генетических подходов, которые позволяют идентифицировать бактерии до уровня вида и даже штамма (Poluektova E.U. et al., 2017; Klimina K.M. et al. 2019). Разработан методологический подход для характеристики специфичности штаммов с использованием комбинации различных генетических маркеров, в том числе систем токсин – антитоксин, который позволяет провести в намечаемых исследованиях анализ штаммового разнообразия бактерий родов Bifidobacterium и Lactobacillus, что является новым подходом в оценке состояния кишечной микробиоты (Poluektova et al., 2021). Выявленная способность генов систем токсин-антитоксин к экспрессии указывает на их функциональность. Таким образом, полученные данные указывают на возможность использования генов систем токсин-антитоксин в качестве функциональных биомаркеров для мультилокусного метагеномного анализа и использовать их для разработки экспресс-диагностического набора при выявлении переходных нейродепрессивных состояний и ранних стадий кардиологических и других заболеваний.
Ученые лаборатории генетики микроорганизмов ИОГен РАН открыли и исследовали видоспецифический оперон PFNA бифидобактерий, ответственный за такие взаимодействия (Nezametdinova et al., 2021; Dyakov I.N. et al. 2020; Veselovsky V.A. et al. 2020). PFNA оперон, присутствующий практически у всех видов бифидобактерий, содержит 5 основных генов: pkb2, fn3, aaa-atp, duf58, tgm. По крайне мере три из них: pkb2 (серин-треониновая протеинкиназа), fn3 (белок, содержащий фиброниктиновые домены) и tgm (трансглютаминаза), обладают лиганд-связывающей способностью.
Впервые в мире было показано, что FN3 белок этого оперона способен селективно связываться с факторами некроза опухоли TNFα. FN3 белок включает два фибронектиновых домена, содержащих цитокин-связывающие мотивы. Прогностическое построение 3D-структуры данного белка из различных видов бифидобактерий позволило обнаружить в них потенциальные цитокин-связывающие карманы. Полученные научные результаты помимо фундаментальной значимости представляют большой практический интерес. Различные виды бифидобактерии потенциально могут быть источником белков, селективно связывающихся и про- и противовоспалительными цитокинами человека. Это открывает огромные возможности для создания панели препаратов белков, способных регулировать уровень цитокинов в различных органах и тканях человека, подвергшегося воспалительным процессам.
В качестве биомаркеров также можно рассматривать гены, кодирующие белки, участвующие в проявлении бактериями следующих функций: нейромодулирующих, иммуномодулирующих, антиоксидантных, стрессадаптивных (Averina et al., 2020, 2021).
Помимо этого, в течение последних лет лаборатория занимается молекулярно генетическими, геномными и метагеномными исследованиями микробиоты (микробиом) человека. Цель этих исследований выявление роли «пробиотического» компонента микробиоты (бифидобактерий, лактобацилл и др.) в коммуникации с организмом хозяина в норме и в экстремальных стрессовых условиях. отобраны и охарактеризованы из микробиом здоровых людей штаммы лактобацилл и бифидобактерий с нейромодулирующей (психибиотики) [Yunes et al 2016, 2020] и антиоксидантными свойствами [Marsova et. al., 2018, 2020]. Разработаны оригинальные тест системы для скрининга и характеристики антиоксидантных свойств лактобацилл на биолюминесцентной системе E.coli MG1655 [Marsova et. al., 2018] и паракват индуцированной модели C. elegans [Marsova et. al., 2020]. Отобранные методики и тест-системы будут использованы в рамках проекта для изучения антиоксидантных свойств новых штаммов, выделенных из микробиоты коменсальных бактерий. Опыт работы с имеющимися штаммами психобиотиков и антиоксибиотиков будет использован при поиске новых штаммов в том числе среди пробиотиков нового поколения. Неотъемлемой частью этих работ является формирование коллекции образцов микробиоты и штаммов бактерий представителей.
В лаборатории изучаются уникальные штаммы, одним из таких штаммов является L. fermentum U21, выделенный из микробиоты стрессоустойчивого человека (космонавта), который позволил установить ряд уникальных показателей [Marsova M. et.al., 2018; Marsova M. et.al., 2020; Даниленко В.Н. 2020]. Осуществлено первичное секвенирование (draft genom) и депонирование в базе данных GenBank NCBI под NoBb01. Антиоксидантная активность штамма исследована на оригинальной модели трансгенных светящихся бактерий E.coli МG1655 [Marsova et al., 2018], и отработанной в лаборатории генетики микроорганизмов паракват-индуцируемой тест-ситеме in vivo, на модели свободноживущей нематоды C. elegans [Marsova et al.,2020]. Антиоксидантные свойства штамма были так же исследованы на моделях оксидативного стресса грызунов, индуцированного паракватом. При паракват-индуцированном оксидативном стрессе на модели нематоды C. elegans штамм увеличивал выживаемость нематоды на 25%. На модели паракват-индуцированного паркинсонического синдрома у мышей линии C57/BL6 штамм способствовал улучшению координации движений и сохранности допаминергических нейронов мозга животных [Marsova et al., 2020], а также снизил гибель мышей на 20% до уровня группы отрицательного контроля. На аналогичной модели у крыс линии Wistar штамм увеличивал выживаемость животных на 60% (с 30 до 90%), сохранность тирозингидроксилазы (TH)+-нервных волокон в сплетениях тонкого кишечника и число бокаловидных клеток в энтеральных нервных сплетениях [Danilenko V.N. et al. 2021]. Исследование белков культуральной жидкости штамма позволило идентифицировать два белка (LysM и ClpB), потенциально определяющие антиоксидантные свойства штамма. Один из идентифицированных белков содержит пептид, возможно, обладающий иммуномодулирующей активностью. Один из идентифицированных белков содержит пептид, возможно, обладающий иммуномодулирующей активностью.
Получение доступных массивов генетических данных для отбора биомаркеров может быть использовано в фармацевтических и диагностических разработках, упрощая и ускоряя диагностику заболеваний и разработку новых лекарственных средств. Это настоящий прорыв по сравнению с догеномной эрой, когда открытие нового маркера было относительно редким событием.
Список публикаций к Разделу 5:
Научные результаты:
Композиция микробиом на уровне видов, штаммов и важных функциональных генов, включая нейромодулирующие, иммуномодулирующие, стрессадаптивные у представителей КМНС.
Разработка экспресс-методов диагностики индивидуального состава микрофлоры человека на основе отобранных генов-биомаркеров с целью идентификации отклонений от нормы, обусловленных тяжелыми условиями проживания в условиях Крайнего Севераи построения прогноза течения заболевания.
Полногеномное секвенирования отобранных пробиотических штаммов и создание информационной базы данных штаммов пробиотиов, характерных для прдставителей КМНС (ненцев).
Установлены композиции генов и бактерий их содержащие являющиеся отрицательным геномным багажом (плата за уникальность) коэволюции на адаптации микробиом к стрессовым условиям Севера (Арктика).
Практические результаты:
Создан атлас микробиоты КМНС (ненцы) характеризующий по различным параметрам данный орган в норме.
Выявлены биомаркеры микробиом, позволяющие приступить к разработке лечебных и функциональных продуктов питания с целью увеличения продолжительности жизни и репродуктивной способности ненцев.
Разработаны препараты фармабиотиков и постбиотиков на основе отобранных штаммов с высокой антиоксидантной и иммуномодулирующей активностью, обеспечивающих адаптационные способности КМНС (ненцев) к условиям жизни в условиях Севера.
Подготовлены биомедицинские рекомендации по интеграции КМНС (ненцев) в пространство глобализации (переезд молодежи в города, освоение Севера, ухудшение экологии, потепление).