|
14.06.2005
А.Г. Никоненко, к.б.н.; НИИ физиологии АН Украины им. А.А. Богомольца, г. Киев
Нормальная жизнедеятельность человеческого организма предполагает поддержание условий внутренней среды, которые в значительной степени отличаются от условий среды внешней. Область контакта этих двух сред имеет важнейшее значение для целостности всего организма, поэтому структура и функция поверхностных тканей во многом подчинена формированию барьера между клетками организма и внешней средой.
Снаружи тело покрыто кожей, а функцию барьера внутри тела выполняют слизистые оболочки, которые выстилают различные трубчатые и полые органы. Наиболее важное значение имеют органы желудочно-кишечного, респираторного и урогенитального трактов. Менее значимы слизистые оболочки других органов, например конъюнктива.
Несмотря на разнообразие функций различных слизистых, они имеют общие черты строения. Их наружный слой сформирован эпителием, а подлежащий слой соединительной ткани обильно снабжен кровеносными и лимфатическими сосудами. Еще ниже может располагаться тонкий слой гладкомышечной ткани. Кожа и слизистые оболочки формируют физический и экологический барьер, который препятствует проникновению патологических агентов внутрь организма [3]. Механизмы защиты, однако, у них кардинально отличны.
Наружный слой кожи представлен прочным многослойным ороговевающим епителием, эпидермисом. На поверхности кожи, как правило, мало влаги, а секреты желез кожи препятствуют размножению микроорганизмов. Эпидермис непроницаем для влаги, противодействует повреждающему действию механических факторов и препятствует проникновению бактерий внутрь организма. Задача поддержания защитных свойств слизистыми значительно более сложна по целому ряду причин. Лишь слизистые ротовой полости, пищевода и ануса, где поверхность испытывает значительные физические нагрузки, а также предверия носовой полости и конъюнктива имеют несколько слоев эпителия и его структура до определенной степени напоминает таковую эпидермиса кожи. В остальных же слизистых эпителий является однослойным, что необходимо для выполнения им специфических функций.
Еще одна специфика слизистых оболочек как защитного барьера – увлажненность их поверхности. Наличие влаги создает условия, способствующие размножению микроорганизмов и диффузии токсинов внутрь организма. Существенным фактором является и то, что совокупная площадь поверхности слизистых оболочек организма намного превосходит поверхность кожи. В одном лишь тонком кишечнике за счет многочисленных пальцеобразных выростов стенки кишки, а также микроворсинок плазматической мембраны эпителиоцитов площадь поверхности слизистой достигает 300 м2, что более чем в сто раз превышает площадь поверхности кожи [3].
Микроорганизмы заселяют почти все участки слизистых оболочек, хотя их распределение и численность весьма неоднородны и определяются анатомическими и физиологическими особенностями слизистых. Наибольшее видовое разнообразие микроорганизмов отмечено в желудочно-кишечном тракте (ЖКТ), здесь выявляется около 500 видов. Число микробных клеток в кишечнике может достигать 1015, что значительно превышает число собственных клеток организма-хозяина. Напротив, на слизистых мочевого пузыря и почек, а также нижних отделов дыхательного тракта микроорганизмы в норме отсутствуют [30].
В зависимости от условий, которые могут сильно отличаться, в различных слизистых доминируют те или иные микроорганизмы. Например, в ротовой полости ряд микроорганизмов специально адаптирован к анаэробным условиям десневых карманов, другие же обладают способностью удерживаться на поверхности зубов. В ротовой полости выявляются бактерии родов Streptococcus, Neisseria, Veillonella, Staphylococcus, Fusobacterium, Corynebacterium, Actinomyces, Haemophilus, Lactobacillus и Bacteroides. Здесь также встречаются грибы (Candida albicans) и простейшие (Entamoeba gingivalis) [26].
Микроорганизмы, присутствующие в верхних дыхательных путях, сходны с таковыми в ротовой полости. В носовой полости и глотке присутствуют резидентные популяции микробов. В хоанах могут встречаться бактерии рода Neisseria, причем возбудитель менингита N. meningitidis выявляется здесь примерно у 5% здоровых индивидуумов. Ротовая область глотки содержит бактерии многих видов, однако в количественном отношении здесь доминируют стрептококки.
Популяция микроорганизмов в ЖКТ варьирует по составу и численности в зависимости от отдела тракта. Кислая среда желудка ограничивает размножение бактерий, однако и здесь в нормальных условиях можно обнаружить лактобациллы и стрептококки, которые транзитом проходят через желудок, где может встречаться Helicobacter pylori. В кишечнике выявляются стрептококки, лактобациллы, Bacteroides spp., Bifidobacterium spp., Enterococcus faecalis, Clostridium spp., а также могут присутствовать грамотрицательные палочки Escherichia coli. Плотность и многообразие микрофлоры увеличивается по мере продвижения вдоль ЖКТ, достигая максимума в толстом кишечнике. В ободочной кишке бактерии составляют около 55% твердого содержимого. Здесь постоянно присутствуют бактерии 40 видов, хотя выявить можно представителей, по меньшей мере, 400 видов. Численность анаэробных микроорганизмов в толстом кишечнике превосходит аэробов в 100-1000 раз [30].
Состав микрофлоры вагины здоровой женщины включает более 50 видов анаэробных и аэробных бактерий и может меняться в зависимости от гормонального статуса. Здесь находятся Streptococcus spp., Сorynebacterium, Mycobacterium, Candida spp., а доминируют бактерии рода Lactobacillus [24]. Микробные клетки часто обнаруживаются в дистальных отделах урогенитального тракта. Микрофлора уретры напоминает таковую кожи (Staphylococcus spp., Streptococcus spp.) и может время от времени содержать Escherichia coli. Колонизацию более высоких отделов тракта предотвращает смывание микроорганизмов мочой. Мочевой пузырь и почки, как правило, являются стерильными.
Отношения организма хозяина и микроорганизмов могут относиться к симбиозу, когда оба, и микроб и хозяин, получают выгоду от совместного существования. Примером таких микроорганизмов могут быть представители нормальной микрофлоры кожи. Организм хозяина обеспечивает им питательные вещества и тепло, в то время как бактерии продуцируют кислоты, понижающие рН кожи, и предотвращают колонизацию ее более опасными микробами (например, Staphylococcus epidermidis). Бактерии также могут сосуществовать с макроорганизмом на условиях комменсализма, когда микроб получает выгоду, а организм хозяина, не получая выгоды, в то же время не страдает от контакта с бактерией. Таким образом взаимодействуют с организмом человека большинство представителей нормальной микрофлоры. И, наконец, организм хозяина может страдать от бактерий, вызывающих болезнь (паразитизм). Следует, однако, отметить, что многие микроорганизмы-комменсалы способны при определенных обстоятельствах вызывать болезни.
Нормальная микрофлора слизистых оболочек находится в состоянии симбиоза с организмом и выполняет целый ряд важных функций. Ее становление происходило на протяжении миллионов лет, а поэтому эволюцию слизистых оболочек корректнее рассматривать как совместную эволюцию их симбиоза с микроорганизмами [2]. Одной из важных функций микрофлоры является трофическая. Например, анаэробная кишечная микрофлора разлагает полисахариды, не гидролизуемые собственными пищеварительными ферментами организма [6]. При брожении моносахаридов с участием сахаролитических анаэробов ЖКТ образуются короткоцепочечные жирные кислоты [9, 10], которые в значительной мере восполняют энергетические потребности эпителиоцитов толстой кишки и других клеток организма. Нарушение обеспечения эпителиоцитов этими кислотами является одним из звеньев патогенеза язвенного колита [9] и таких функциональных болезней, как синдром раздраженной толстой кишки [33].
Важной ролью кишечной микрофлоры является детоксикация организма. Вместе с неперевариваемыми углеводами микрофлора формирует энтеросорбент с огромной адсорбционной емкостью, который аккумулирует большую часть токсинов и выносит их из организма вместе с кишечным содержимым, предотвращая непосредственный контакт ряда патогенных агентов со слизистой. Часть токсинов утилизируется микрофлорой для собственных нужд [19].
Следует также упомянуть образование микрофлорой активных метаболитов, которые могут использоваться организмом человека – γ-аминомасляной кислоты, путресцина и других соединений [21, 34]. Микрофлора кишечника поставляет хозяину витамины группы В, витамин К, участвует в обмене железа, цинка и кобальта [10]. Например, источником 20% незаменимой аминокислоты – лизина, попадающей в организм человека, является микрофлора кишечника [19]. Еще одной важной функцией бактериальной микрофлоры является стимуляция моторной активности кишки [35], а также поддержание водного и ионного гомеостаза организма [8].
Благотворные эффекты нормальной микрофлоры включают предотвращение колонизации и инфекции благодаря конкуренции с патогенными микроорганизмами за пространство и питательные вещества. Нормальная резидентная микрофлора посредством низкомолекулярных метаболитов, а также специальных антимикробных веществ подавляет жизнедеятельность ряда патогенных микроорганизмов [15].
Одним из главных защитных механизмов слизистой оболочки является увлажнение ее поверхности слизью, которая вырабатывается либо отдельными клетками, либо специализированными многоклеточными железами. Слизь играет важную роль в предотвращении проникновения патогенов внутрь организма, формируя вязкий слой, который связывает патогены. Активное перемещение слизи вдоль поверхности слизистой способствует дальнейшему удалению микроорганизмов. Например, в дыхательном тракте слизь перемещается за счет деятельности ресничек многорядного эпителия, а в кишечнике – за счет перистальтической активности последнего. В некоторых местах, в конъюнктиве, ротовой и носовой полостях, урогенитальном тракте микробы удаляются с поверхности слизистых с помощью смывания соответствующими секретами. Слизистая оболочка полости носа вырабатывает в течение дня около полулитра жидкости. Уретра промывается током мочи, а слизь, выделяемая из влагалища, способствует удалению микроорганизмов.
Важным фактором поддержания баланса в экосистеме микрофлора – макроорганизм является адгезия, посредством которой организм контролирует численность бактерий. Механизмы адгезии весьма разнообразны и включают как неспецифические, так и специфические взаимодействия с участием специальных молекул – адгезинов. Для установления адгезионного контакта бактериальная клетка и клетка-мишень должны преодолеть электростатическое отталкивание, так как их поверхностные молекулы в норме несут отрицательный заряд. Сахаролитические бактерии обладают необходимым ферментным аппаратом для отщепления отрицательно заряженных фрагментов. Возможны и гидрофобные адгезивные контакты между бактериями и эпителиоцитами слизистых [7, 13]. Адгезия микроорганизмов к поверхности эпителия слизистой может также осуществляться при помощи фимбрий, упорядоченно расположенных нитевидных выростов на поверхности бактериальных клеток. Однако наиболее важную роль играют взаимодействия между адгезинами и рецепторами эпителиоцитов слизистых, некоторые из которых являются видоспецифичными [12, 22].
Несмотря на защитную функцию эпителия и бактерицидное действие секретов, некоторые патогены все же попадают внутрь организма. На этом этапе защита реализуется за счет клеток иммунной системы, которыми богата соединительнотканная составляющая слизистой. Здесь много фагоцитов, тучных клеток и лимфоцитов, часть из которых рассеяна в тканевом матриксе, а другая часть формирует агрегаты, что наиболее ярко проявляется в миндалинах и аппендиксе. Агрегаты лимфоцитов многочисленны в подвздошной кишке, где они носят название пейеровых бляшек. Антигены из просвета кишки могут проникать в пейеровы бляшки через специализированные эпителиальные М-клетки. Эти клетки находятся непосредственно над лимфатическими фолликулами в слизистой кишечника и респираторного тракта [16]. Процесс представления антигенов при посредничестве М-клеток приобретает особо важное значение во время лактации, когда антигенпродуцирующие клетки из пейеровых бляшек мигрируют в молочную железу и секретируют антитела в молоко, таким образом обеспечивая новорожденного пассивным иммунитетом против патогенов, с которыми контактировала мать.
В пейеровых бляшках кишечника преобладают В-лимфоциты, ответственные за развитие гуморального иммунитета, они составляют здесь до 70% клеток. Большинство плазматических клеток в слизистых продуцируют Ig А, в то время как клетки, секретирующие Ig G и Ig М, преимущественно локализованы в тканях, не содержащих слизистых поверхностей.
Ig A – это основной класс антител в секретах дыхательных путей и кишечного тракта. Молекулы Ig A в составе секретов представляют собой димеры, соединенные в «хвостовой» части белком, известным как J-цепь, а также содержат дополнительный полипептидный компонент, называемый секреторным. Димеры Ig A приобретают секреторный компонент на поверхности эпителиоцитов. Он синтезируется самими эпителиальными клетками и экспонируется вначале на их базальной поверхности, где служит рецептором для связывания Ig A из крови. Образующиеся комплексы Ig A с секреторным компонентом поглощаются путем эндоцитоза, проходят через цитоплазму эпителиоцита и выводятся на поверхность слизистой. В дополнение к транспортной роли секреторный компонент, возможно, защищает молекулы Ig A от протеолиза пищеварительными ферментами [1].
Секреторный Ig A в слизи действует как первая линия иммунной защиты слизистых, нейтрализующая патогены. Исследования показали, что присутствие секреторного Ig A коррелирует с устойчивостью к инфицированию различными патогенами бактериальной, вирусной и грибковой природы [18, 25]. Другим важным компонентом иммунной защиты слизистых являются Т-лимфоциты. Т-клетки одной из популяций контактируют с эпителиоцитами и оказывают защитный эффект, убивая инфицированные клетки и привлекая другие иммунные клетки к борьбе с патогеном [11]. Интересно, что источником этих лимфоцитов у мыши являются кластеры клеток, находящиеся непосредственно под эпителиальной выстилкой кишечника [27]. Т-клетки способны перемещаться в тканях слизистой благодаря специальным «homing»-рецепторам на их мембранах [22, 31]. Если иммунный ответ развивается в слизистой ЖКТ, Т-клетки могут перемещаться в другие слизистые, например легких или носовой полости, обеспечивая защиту организма на системном уровне [18, 32].
Важное значение имеет взаимодействие между ответом слизистой оболочки и иммунным ответом в масштабах всего организма. Показано, что системное стимулирование иммунной системы (например, путем инъекции или через дыхательные пути) приводит к выработке антител в организме, но может не вызывать ответа слизистых. С другой стороны, стимуляция иммунного ответа слизистых может приводить к мобилизации иммунных клеток как в слизистой, так и в масштабах всего организма [18].
Низкомолекулярные токсины попадают во внутреннюю среду организма лишь при нарушении нормальных соотношений микрофлоры и организма хозяина. Однако организм может использовать небольшие количества некоторых токсинов для активации соответствующих механизмов собственной защиты. Интегральный компонент наружной мембраны грамотрицательных бактерий, эндотоксин, попадая в кровоток в значительных количествах, вызывает целый ряд системных эффектов, которые могут привести к некрозам тканей, внутрисосудистому свертыванию крови и тяжелой интоксикации. В норме большая часть эндотоксина элиминируется фагоцитами печени [17], однако малая часть его все же проникает в системный кровоток. Выявлено активирующее влияние эндотоксина на клетки иммунной системы, например макрофаги в ответ на эндотоксин вырабатывают цитокины – β- и γ-интерфероны [14].
Нормальная микрофлора слабо иммуногенна для хозяина из-за того, что клетки слизистых характеризуются низкой или поляризованной экспрессией так называемых toll-like рецепторов. Экспрессия этих рецепторов может усиливаться в ответ на медиаторы воспаления [5]. Молекулярная эволюция эпителия слизистых проходила под давлением отбора, который способствовал уменьшению ответа организма на бактерии-комменсалы, при поддержании способности ответа на патогенные микроорганизмы. Иными словами, взаимоотношения между нормальной микрофлорой и слизистыми можно обьяснить как результат конвергентной эволюции рецепторов и поверхностных молекул микроорганизмов и эпителиоцитов.
С другой стороны, болезнетворные микроорганизмы для преодоления защитного барьера слизистых часто используют механизмы, объединенные под названием молекулярной мимикрии [29]. Типичным примером мимикрии может являться наличие на внешней мембране стрептококков группы А так называемых М-белков, по своей структуре напоминающих миозин [4]. Очевидно, что у этих микроорганизмов в ходе эволюции сложилась система, позволяющая избегать направленного противомикробного действия защитных сил человеческого организма.
Можно сделать заключение, что защитные механизмы слизистой оболочки включают в себя много факторов и являются продуктом совместной деятельности макроорганизма и микрофлоры. Здесь действуют как неспецифические защитные факторы (рН, редокс-потенциал, вязкость, низкомолекулярные метаболиты микрофлоры), так и специфические – секреторный Ig А, фагоциты и иммунные клетки. В совокупности формируется «колонизационная резистентность» – способность микрофлоры и макроорганизма в кооперации защищать экосистему слизистых от патогенных микроорганизмов.
Нарушение экологического баланса в слизистой оболочке, которое может происходить как в ходе заболевания, так и быть результатом аллопатического лечения, приводит к нарушениям в составе и численности микрофлоры. Например, при лечении с помощью антибиотиков численность некоторых представителей нормальной анаэробной микрофлоры кишечника может резко возрастать, а сами они – вызывать заболевание. Так происходит, например, с бактерией Clostridium difficile, которая может сохранять жизнеспособность при антимикробной терапии и вызывать впоследствии псевдомембранный колит [28].
Изменение состава и численности нормальной микрофлоры может сделать слизистую оболочку более уязвимой по отношению к болезнетворным микроорганизмам. В экспериментах на животных было показано, что угнетение нормальной микрофлоры ЖКТ под влиянием стрептомицина позволяло легче инфицировать животных устойчивыми к стрептомицину штаммами сальмонеллы. Интересно, что если у нормальных животных для инфицирования было необходимо 106 микроорганизмов, то было достаточно лишь десяти возбудителей у животных, которым вводили стрептомицин [20].
При выборе стратегии лечения следует учитывать тот факт, что становление защитных механизмов слизистых оболочек организма человека происходило в течение миллионов лет и их нормальное функционирование зависит от поддержания тонкого баланса в экосистеме микрофлора – макроорганизм. Стимулирование собственных защитных сил организма, созвучное основным парадигмам биологической медицины, позволяет добиваться терапевтических целей, не разрушая в тоже время сложных и совершенных механизмов защиты, созданных самой природой.
Литература
1. Альбертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К., Уотсон Дж. Молекулярная биология клетки. М., «Мир», 1987, т. 5, 231 с.
2. Бабин В.Н., Домарадский И.В., Дубинин А.В., Кондракова О.А. Биохимические и молекулярные аспекты симбиоза человека и его микрофлоры. Рос. хим. журнал, 1994, т. 28, №6, с. 66-78.
3. Хэм А., Кормак Д. Гистология, М., «Мир», т. 4, 344 с.
4. Фишетти В.А. М – белки стрептококков. В мире науки, 1991, №8, с. 24-32.
5. Abreu M.T. Immunologic regulation of toll-like receptors in gut epithelium.Curr. Opin. Gastroenterol., 2003, 19: 559-564.
6. Blaut M. Relationship of prebiotics and food to intestinal microflora. Eur.J.Nutr., 2002, 41 Suppl 1: I11-16.
7. Burke D.A, Axon A.T. Hydrophobic adhesin of E coli in ulcerative colitis.Gut, 1988, 29: 41-43.
8. Caprilli R., Frieri G., Marchetti G., Giambartolomei S. Gli scambi ionici del colon. Minerva Gastroenterologica e Dietologica, 1995, 41: 289-301.
9. Cook S.I, Sellin J.H. Short chain fatty acids in health and disease. Aliment.Pharmacol. Ther., 1998, 12: 499-507.
10. Cummings J.H., Macfarlane G.T. Role of intestinal bacteria in nutrient metabolism. J.Parenter. Enteral.Nutr., 1997, 21:357-365.
11. Isolauri E., Sutas Y., Kankaanpaa P., Arvilommi H., Salminen S. Probiotics: effects on immunity. Am.J.Clin.Nutr., 2001, 73(Suppl): 444S-450S.
12. Jenkinson H.F. Cell surface protein receptors in oral streptococci. FEMS Microbiol. Lett., 1994, 121:133-140.
13. Kennedy M.J. Role of motility, chemotaxis, and adhesion in microbial ecology. Ann.N. Y.Acad.Sci., 1987, 506: 260-273.
14. Klocker U., Schultz U., Schaller H., Protzer U. Endotoxin stimulates liver macrophages to release mediators that inhibit an early step in hepadnavirus replication. J. Virol., 2000, 74: 5525-5533.
15. Lu L., Walker W.A. Pathologic and physiologic interactions of bacteria with the gastrointestinal epithelium. Am.J.Clin.Nutr., 2001, 73 (Suppl): 1124S-30S.
16. Man A.L., Prieto-Garcia M.E., Nicoletti C. Improving M cell mediated transport across mucosal barriers: do certain bacteria hold the keys? Immunology, 2004, 113): 15-22.
17. Mathison J.C., Ulevitch R.J. The clearance, tissue distribution, and cellular localization of intravenously injected lipopolysaccharide in rabbits. J.Immunol., 1979, 123: 2133-2143.
18. McCluskie M.J., Davis H.L. Mucosal immunization with DNA vaccines. Microbes Infect., 199l, 1: 685-698.
19. Metges C.C. Contribution of microbial amino acids to amino acid homeostasis of the host. J. Nutr., 2000, 130: 1857S-1864S.
20. Miller C.P., Bonhoff M. Changes in the mouse’s enteric microflora associated with enhanced susceptibility to Salmonella infection following streptomycin treatment. J.Infect.Dis., 1963, 113: 59-66.
21. Noack J., Dongowski G., Hartmann L., Blaut M. The human gut bacteria Bacteroides thetaiotaomicron and Fusobacterium varium produce putrescine and spermidine in cecum of pectin-fed gnotobiotic rats. J. Nutr., 2000, 130: 1225-1231.
22. Ogra P.L., Faden H., Welliver R.C.Vaccination strategies for mucosal immune responses. Clin.Microbiol.Rev., 2001, 14: 430-445.
23. Piatti G. Bacterial adhesion to respiratory mucosa and its modulation by antibiotics at sub-inhibitory concentrations. Pharmacol.Res., 1994, 30: 289-299
24. Redondo-Lopez V., Cook R.L., Sobel J.D. Emerging role of lactobacilli in the control and maintenance of the vaginal bacterial microflora. Rev.Infect.Dis., 1990, 12: 856-872.
25. Rosenthal K.L., Gallichan W.S. Challenges for vaccination against sexually-transmitted diseases: induction and long-term maintenance of mucosal immune responses in the female genital tract. Semin.Immunol., 1997, 9: 303-314.
26. Savage D.C. Microbial ecology of the gastrointestinal tract. Annu.Rev.Microbiol., 1977, 31: 107-120.
27. Saito H, Kanamori Y, Takemori T, Nariuchi H, Kubota E, Takahashi-Iwanaga H., Iwanaga T., Ishikawa H. Generation of intestinal T cells from progenitors residing in gut cryptopatches. Science, 1998, 280: 275-278.
28. Settle C.D., Wilcox M.H. Antibiotic-induced Clostridium difficile infection. Aliment. Pharmacol. Ther., 1996, 10: 835-841.
29. Stebbins C.E., Galan J.E. Structural mimicry in bacterial virulence. Nature, 2001, 412: 701-705.
30. Tannock G.W. Normal Microflora. Chapman and Hall, NY, 1995.
31. Uhlig H.H., Mottet C., Powrie F. Homing of intestinal immune cells. Novartis Found. Symp., 2004, 263:179-188.
32. van Ginkel F.W., Nguyen H.H., McGhee J.R. Vaccines for mucosal immunity to combat emerging infectious diseases. Emerg. Infect. Dis., 2000, 6: 123-132.ы
33. van Nuenen M.H., Venema K., van der Woude J.C., Kuipers E.J. The metabolic activity of fecal microbiota from healthy individuals and patients with inflammatory bowel disease. Dig. Dis.Sci., 2004, 49: 485-491.
34. van Berlo C.L., de Jonge H.R., van den Bogaard A.E., van Eijk H.M., Janssen M.A., Soeters P.B. gamma-Aminobutyric acid production in small and large intestine of normal and germ-free Wistar rats. Influence of food intake and intestinal flora. Gastroenterology, 1987, 93: 472-479.
35. Verdu E.F., Collins S.M. Microbial-gut interactions in health and disease. Irritable bowel syndrome. Best. Pract. Res. Clin. Gastroenterol., 2004, 18: 315-321.
|
|
