МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ И СОЦИАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВСЕРОССИЙСКИЙ УЧЕБНО-НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ ЦЕНТР ПО НЕПРЕРЫВНОМУ
МЕДИЦИНСКОМУ И ФАРМАЦЕВТИЧЕСКОМУ ОБРАЗОВАНИЮ
С.В. Бельмер
Применение пребиотиков для
профилактики и лечения нарушений
микрофлоры у детей
Учебно-методическое пособие
Рекомендовано Учебно-методическим объединением медицинских и
фармацевтических вузов России в качестве учебного пособия
для студентов медицинских высших учебных заведений и
учащихся системы последипломного образования
Москва
ГОУ ВУНМЦ МЗиСР РФ
2005
Кишечная микрофлора и ее метаболическая активность
Населяющие желудочно-кишечный тракт (ЖКТ) человека микроорганизмы выполняют многообразные жизненно важные функции в т.ч. обеспечивает процессы переваривания и всасывания, трофику кишечника, антиинфекционную защиту, синтез витаминов и мн. др.
Микрофлора желудочно-кишечного тракта человека насчитывает более 500 видов микроорганизмов, содержание которых в различных его отделах колеблется от 103 до 1012 КОЕ/мл. Наиболее хорошо изучена микрофлора толстой кишки, которая насчитывает около 10'2 КОЕ/мл микроорганизмов, в частности, Bacterioides sp., Eubacterium sp., Enterococcum sp., Bifidobacterium sp, E.coli, C.perfringens, Lactobacillussp., Veillonella sp.
Под воздействием многообразных эндогенных и/или экзогенных факторов состав кишечной микрофлоры может меняться, нарушая нормальное течение физиологических процессов, а в отдельных случаях - приводить к тяжелым патологическим состояниям.
Качественное и/или количественное изменение состава кишечной микрофлоры обозначается как дисбактериоз кишечника, который всегда вторичен, а причиной его развития может стать практически любое заболевание органов пищеварения.
В первую очередь это относится к заболеваниям, сопровождающимся нарушениями переваривания и всасывания, вследствие чего меняется состав внутренней среды в кишке и условия существования кишечных микроорганизмов.
Другая возможная причина развития дисбактериоза кишечника – применение антибиотиков, которые прямо подавляют микроорганизмы, существенно изменяя «микробный пейзаж» желудочно-кишечного тракта.
Нарушение состава кишечной микрофлоры в свою очередь влияет на состав внутренней среды в кишке, что способствует повреждению энтероцитов и нарушению процессов кишечного переваривания и всасывания, повышает проницаемость кишечной стенки для макромолекул, влияет на моторику, создает условия для развития патогенных бактерий и грибов, снижает защитные свойства слизистого барьера желудочно-кишечного тракта.
Дисбактериоз кишечника, таким образом, хотя и не является заболеванием, тем более - диагнозом, но представляется важным патологическим процессом, который следует учитывать при разработке тактики лечения пациента.
Свои энергетические потребности большинство микроорганизмов кишечника обеспечивают анаэробным путем, ключевым метаболитом которого является пируват, образующийся из глюкозы в процессе гликолиза и восстанавливающийся с образованием 1-4 молекул АТФ в ходе дальнейших биохимических реакций.
Данный процесс называется брожением и в зависимости от конечных метаболитов различают различные его типы. Тип брожения определяется особенностями ферментативных систем того или иного микроорганизма. Хорошо известно спиртовое брожение, в ходе которого образуется этанол и углекислый газ.
Этот метаболический путь может использовать лактобактерии и клостридии, однако он не является значимым и в кишечнике этанол образуется в минимальных клинически несущественных количествах. Основное значение имеют различные варианты молочнокислого брожения: гомоферментативное или гетероферментативное.
При гомоферментативном молочном брожении молочная кислота является основным продуктом энергетического метаболизма бактерий, а при гетероферментативном помимо молочной кислоты образуется ряд других метаболитов, в частности, другие органические кислоты. Первый путь характерен для лактобактерий и некоторых анаэробных стрептококков, второй - для бифидобактерий.
Для отдельных штаммов микроорганизмов рода Enterobacteriacea (в частности, E.coli) и рода Clostridium характерны метаболические пути с муравьинокислым, пропионовым, маслянокислым, ацетонобутиловым или гомоацетатным брожением.
Собственно моносахариды, в первую очередь, глюкозу бактерии могут получить из кишечного содержимого, однако в большинстве случаев в качестве энергетического субстрата выступают более сложные молекулы (дисахариды, олигосахариды, полисахариды).
При нормальном течении пищеварительных процессов толстой кишки достигают лишь те нутриенты, которые не могут быть утилизированы макроорганизмом в силу отсутствия соответствующих ферментативных систем, т.н. неперевариваемые углеводы.
Перевариваемые углеводы (в частности, глюкоза и лактоза) в норме практически полностью расщепляются и всасываются в тонкой кишке и, хотя кишечные бактерии могут их утилизировать, основными источниками энергии они быть не могут.
Чтобы выжить в этих условиях микроорганизмы кишечника имеют отличный от макроорганизма спектр гидролаз. Так, в отличие от человека они могут расщеплять углеводы клетчатки и лактулозу.
В качестве примеров можно привести особенности метаболизма бифидобактерий, лактобактерий и кишечной палочки. Все эти микроорганизмы могут эффективно использовать практически любой углеводный субстрат, поступающий в толстую кишку (моно-, олиго- и полисахариды).
Конечными продуктами брожения, осуществляемого бифидобактериями, являются, в основном, уксусная и молочная кислоты. Для своих нужд они могут использовать белки и жиры, не требовательны к витаминам, но нуждаются в пантотенатах для синтеза коэнзима А.
Лактобактерий сбраживают углеводы большей частью по гомоферментативному пути с образованием молочной кислоты, используя почти любой углеводный субстрат. В то же время, лактобактерии плохо расщепляют белки и жиры и требуют достаточного поступления аминокислот, жирных кислот и витаминов в толстую кишку.
Представители рода Enterobacteriacea отличаются значительным метаболическим разнообразием, в частности, встречаются не расщепляющие лактозу штаммы, что используется для их микробиологической идентификации. В целом, они ферментируют различные углеводы до водорода, углекислоты и короткоцепочечных жирных кислот, могут утилизировать белки и жиры.
Таким образом, для нормального существования кишечной микрофлоры должно быть обеспечено полноценное питание макроорганизма с достаточным количеством как перевариваемых, так и неперевариваемых нутриентов, а также нормальное функционирование его органов пищеварения.
Определение пребиотиков и их значение для микрофлоры и макроорганизма
Под пребиотиками понимают частично или полностью неперевариваемые компоненты пищи, которые избирательно стимулируют рост и/или метаболизм одной или нескольких групп микроорганизмов, обитающих в толстой кишке, обеспечивая нормальный состав кишечного микробиоценоза [1,2].
В 1953 г. P.A.Gyorgy [3] показал in vitro, что рост B.bifidum var.pensyl-vanicus стимулируется женским молоком, но не меняется при введении в среду молока коровьего. Выявленный фактор роста оказался N-ацетилглюкозамин-содержащим компонентом женского молока, необходимым для построения клеточной стенки бактерий.
Дальнейшие исследования показали, что данная разновидность микроорганизма отличается по своим потребностям от других бифидобактерий кишечника, в частности, наиболее важными ростовыми факторами для них являются не пептидные, а углеводные компоненты питания.
Механизм действия пребиотиков представляется следующим образом. Пребиотики не перевариваются в тонкой кишке и поступают в толстую кишку, где утилизируются микрофлорой, обеспечивая ее рост, стабильность и активность. Не меньшее значение имеет утилизация макроорганизмом продуктов микробного метаболизма, в частности, короткоцепочечных жирных кислоты (КЦЖК).
Говоря о жирных кислотах, наибольшее значение имеют уксусная (обозначается как С2, т.е. содержит 2 углеродных атома), пропионовая (СЗ), масляная / изомасляная (С4), валериановая / изовалериановая (С5), капроновая / изокапроновая (С6). Перечисленные жирные кислоты в медицинской литературе нередко обозначаются как короткоцепочечные, хотя, строго говоря, с биохимической точки зрения таковыми являются только три первых (т.е. С2-С4).
Нормальная микрофлора толстой кишки, перерабатывая непереваренные в тонкой кишке углеводы, производит перечисленные кислоты с минимальным количеством их изоформ. В то же время, при нарушении микробиоценоза и увеличении доли протеолитической микрофлоры указанные жирные кислоты начинают синтезироваться из белков преимущественно в виде изоформ, что отрицательным образом сказывается на состоянии толстой кишки, с одной стороны, и может быть диагностическим маркером, с другой.
Концентрация короткоцепочечных жирных кислот в толстой кишке максимальная в проксимальных отделах, т.е. там где идет наиболее интенсивный их синтез, и снижается к дистальным отделам. В среднем концентрация КЦЖК в толстой кишке взрослого человека составляет 70-140 ммоль/л в проксимальных отделах и 20-70 ммоль/л – в дистальных [4].
У новорожденного ребенка КЦЖК в толстой кишке в виду отсутствия микрофлоры практически отсутствуют. Их количество у здорового ребенка резко нарастает к 20-30 дню жизни до 70-80 ммоль/л, что совпадает с периодом нормального становления кишечной микрофлоры и далее достигает «взрослых» значений к 2-м годам жизни [5].
Соотношение концентраций С2:СЗ:С4 в толстой кишке взрослого человека составляет примерно 57:21:22%. Остальные КЦЖК присутствуют в незначительных количествах. Ацетат является преобладающим во всех возрастных группах, однако у детей первых месяцев жизни, находящихся на естественном вскармливании, концентрация бутирата и пропионата очень невелики, а основную часть метаболитов микробной микрофлоры составляют ацетат и лактат.
При искусственном вскармливании доля лактата уменьшается, а бутирата и пропионата увеличивается, что объясняется изменением состава микрофлоры и может иметь отрицательные последствия для состояния кишечника [6].
КЦЖК, образованные в результате микробного метаболизма, имеют важное значение как для толстой кишки, так и для макроорганизма в целом. Синтез КЦЖК является важным фактором колонизационной резистентности, обеспечивающим стабильность состава кишечной микрофлоры, в частности, в связи с поддержанием оптимальных значений рН в просвете толстой кишки.
Регуляция кишечного транзита органическими кислотами определяется не только с изменением осмотического давления в результате их синтеза. В проксимальных отделах толстой кишки КЦЖК стимулируют рецепторы L-клеток, которые вырабатывают регуляторный пептид PYY, который, в свою очередь, замедляет моторику как толстой так и тонкой кишки.
Ранее было установлено, что выработка PYY лежит в основе «илеоцекального тормоза», замедляющего кишечную моторику при попадании в толстую кишку недопереваренных жиров [7]. В дистальных отделах толстой кишки эффект КЦЖК противоположный. Они стимулируют рецепторы Eсl-клеток, вырабатывающих гистамин, который действуя на 5-НТ4-рецепторы афферентных волокон блуждающего нерва, инициирует рефлекторное ускорение моторики [8].
Большая часть КЦЖК, образовавшихся в толстой кишке, всасывается. Обычно, с калом выводится не более 5% от их общего количества. Всасывание КЦЖК происходит при участии активных транспортных систем колоноцитов и наиболее хорошо изучено в отношении бутирата. Установлено, что бутират поступает в колоноцит в обмен на гидрокарбонатные ионы. Часть всосавшегося бутирата поступает опять в просвет кишки в обмен на ионы хлора, однако значительная часть его остается в колоноците и утилизируется им.
Кроме того, всасывание бутирата тесно связано с всасыванием натрия: блокирование всасывание бутирата блокирует всасывание натрия и наоборот. Это взаимодействие имеет особое значение, т.к. поступление натрия в колоноцит определяет всасывание воды, (рис.1).
Кроме того, КЦЖК определяют всасывание кальция и магния. Таким образом, эффективность всасывания КЦЖК имеет значение не только для поддержания водно-электролитного равновесия и минерального обмена в организме, но также для регуляции моторики толстой кишки, проявляя свой антидиарейный эффект [9].
Наконец, важнейшей функцией микрофлоры в связи с метаболизмом пребиотиков в КЦЖК является обеспечение колоноцита энергией, который для энергетических целей не менее чем на 70% потребляет бутират и значительно страдает при его недостатке.
Показано также, что КЦЖК являются регуляторами апоптоза и обладают антиканцерогенным эффектом, снижая пролиферацию клеток эпителия толстой кишки, но повышая их дифференцировку.
Поступившие в колоноцит ацетат и пропионат в основном выводятся в кровоток. При этом на уровне толстой кишки они участвуют в регуляции ее кровоснабжения, увеличивая его и тем самым обладают антиишемическим эффектом. Концентрация КЦЖК (в основном, ацетат и пропионат) в воротной вене составляет в среднем 375±70 ммоль/л, в то время как в оттекающей от печени крови она снижается до 148±42 ммоль/л, а в периферической крови - 79±22 ммоль/л.
Таким образом, печень задерживает примерно половину поступивших через колоноцит КЦЖК, а периферические ткани элиминируют еще одну четверть их. Большая часть ацетата и пропионата в тканях идет на синтез глюкозы и небольшая часть (не более 10%) на энергетические нужды [4].
Пребиотическими свойствами обладают многие неперевариваемые углеводы, а также перевариваемый в нормальных условиях дисахарид лактоза.
Лактоза грудного молока практически полностью расщепляется лактазой тонкой кишки здорового новорожденного ребенка и лишь небольшое ее количество поступает в толстую кишку, где утилизируется микроорганизмами, что имеет важное значение в формировании нормального кишечного биоценоза.
При этом значение имеет не только использование бактериями лактозы как источника глюкозы для энергетического и пластического метаболизма, но также как источника галактозы для нужд бифидобактерий.
В то же время, избыток лактозы в толстой кишке приводит к отрицательному эффекту, в связи с чем для детей с лактазной недостаточностью следует использовать низколактозные продукты. Другой важной группой пребиотиков грудного молока являются олигосахариды.
Олигосахариды являются углеводами-олигомерами, состоящими из 3-10 сахарных остатков. Женское молоко содержит около 130 различных олигосахаридов, состоящих из глюкозы, галактозы, фукозы, сиаловых кислот, N-ацетилглюкозамина и других компонентов.
В среднем в молоке здоровой женщины содержится около 1% нейтральных олигосахаридов и 0,1% - кислых (хотя данные разных авторов значительно различаются). Наиболее хорошо изучены галакто- и фруктоолигосахариды.
Первые состоят из остатков глюкозы и галактозы, а вторые – фруктозы и глюкозы. Галактоолигосахариды содержатся преимущественно в составе женского молока, а фруктоолигосахариды в большом количестве обнаруживаются во фруктах и овощах.
Более низкое содержание бифидо- и лактобактерий в стуле детей, находящихся на искусственном вскармливании, по сравнении с детьми на естественном вскармливании, связывают с присутствием в женском молоке именно олигосахаридов [10].
Еще один олигосахарид женского молока – 3-сиалил-лактоза – является важным фактором защиты слизистых оболочек грудного ребенка и колонизации кишечника нормальной микрофлорой, т.к. предположительно подавляет адгезию многих патогенных микроорганизмов к эпителиальным клеткам [11].
Введение смеси галакто- и фруктоолигосахаридов в состав заменителей женского молока («Нутрилон 1» и «Нутрилон 2», Nuticia, Голландия), впервые полученной в исследовательском центре Numico (Голландия), стало очередным шагом на пути приближения смесей для искусственного вскармливания к своему прообразу и благоприятным образом сказывается на составе кишечной микрофлоры, повышает количество бифидо- и лактобактерий, обеспечивает мягкую консистенцию стула и снижает частоту запоров у детей первого года жизни [12].
H.Schmelzle и соавт., сравнивая в рандомизированном двойном слепом исследовании смеси без пребиотиков со смесями содержащими олигосахариды, показали, что последние обеспечивают лучшие темпы роста детей, повышают содержание бифидобактерий и хорошо переносятся, не влияя на биохимические показатели и аминокислотный состав крови [13].
В другом исследовании, G.Moro et al., сравнивая эффект стандартных смесей со смесями, содержащими различное количество смеси галакто- и фруктоолигосахаридов, отметили не только положительное влияние этих пребиотиков на кишечную микрофлору, сопровождающееся увеличением числа бифидо- и лактобактерий, но также их дозозависимый эффект: увеличение концентрации олигосахаридов соответственно отражалось на увеличении популяции бифидобактерий.
В исследование были включены 90 доношенных детей в возрасте 6-7 дней (гестационный возраст – 39-40 недель), случайным образом разделенные на 3 группы. Дети первой группы находились на искусственном вскармливании с добавлением в питание пребиотика в концентрации 0.4 г/100 мл, второй – 0,8 г/100 мл, а дети третьей группы получали обычную смесь без пребиотических компонентов.
Количество бифидо- и лактобактерий в стуле, первоначально сходное во всех трех группах, существенно различалось к 28 дню наблюдения и достигло в группах детей, получавших пребиотики, значений, характерных для детей, находящихся на естественном вскармливании.
Степень увеличения численности нормальной микрофлоры при этом достоверно зависел от дозы пребиотиков в питании. Доза олигосахаридов положительно сказывалась и на консистенции стула. Причем частота стула у детей, получавших пребиотики в концентрации 0,8 г/100 мл, была незначительно выше, чем у детей, получавших пребиотики в концентрации 0,4 г/100 мл. (рис.2, рис.З) [14].
Эффект олигосахаридов на состояние кишечной микрофлоры был продемонстрирован у детей старше 1 месяца жизни, которые не менее 4 недель находились на искусственном вскармливании, получая обычные молочные смеси. В исследовании G.Boehm и соавт. дети первой группы получили смесь с олигосахаридами, дети второй группы продолжили получать обычную молочную смесь, а третьей (группа сравнения) – с рождения находились на естественном вскармливании.
Было показано значительное увеличение количества бифидобактерий в кишечнике к 6 неделе наблюдения у детей группы, по сравнению со второй, приближающееся по своим значениям к показателям в группе сравнения.
У детей из первой группы изменился также видовой состав бифидобактерий, став аналогичным видовому составу детей, находящихся на естественном вскармливании (рис.4) [15]. Таким образом, многочисленные исследования показывают, что введение пребиотиков в продукты детского питания является естественным и перспективным направлением.
Давно известным пребиотиком является также инулин, полимер фруктозы, содержащийся, в частности, в топинамбуре.
Наконец, большую группу составляют т.н. пищевые волокна, достаточно гетерогенная группа веществ, представленная в основном неперевариваемыми полисахаридами. Наиболее известные представители пищевых волокон – целлюлоза, гемицеллюлоза, пектины, лигнин и мн. др.
Помимо пребиотического действия, пищевые волокна обладают широким спектром эффектов. Они обладают высокой осмотической активностью, стимулирующей моторику толстой кишки, высокой адсорбирующей способностью, с которой связывают их детоксицирующее действие, а также гипохолестеринемический эффект.
В средних количествах (1-1,9 г/100 г продукта) пищевые волокна содержатся в таких продуктах как морковь, сладкий перец, петрушка (в корне и зелени), редька, репа, тыква, дыня, чернослив, апельсин, лимон, брусника, фасоль, гречневая и перловая крупа, «Геркулес», ржаной хлеб.
Высоким содержанием (2-3 г/100 г продукта) пищевых волокон характеризуются чеснок, клюква, красная и черная смородина, черноплодная рябина, ежевика, овсяная крупа, хлеб из белково-отрубной муки. Наибольшее же их содержание (более 3 г/100 г) наблюдается в укропе, кураге, клубнике, малине, овсяной муке (7,7 г/100 г), пшеничных отрубях (8,2 г/100 г), сушеном шиповнике (10 г/100 г) и овсяных отрубях (14 г/100 г).
Пищевые волокна, как и многие другие пребиотики, практически отсутствуют в рафинированных продуктах, наиболее широко употребляемых в экономически развитых странах. Хотя точная суточная норма пищевых волокон не установлена, предполагается, что взрослый человек должен за сутки съедать 20-35 г пищевых волокон.
В то же время европеец в среднем потребляет около 13 г пищевых волокон в сутки, с чем связывают многочисленные случаи нарушения кишечного биоценоза у взрослых лиц, запоры, различные заболевания толстой кишки.
Таким образом, для нормального существования кишечной микрофлоры, непосредственно связанного со здоровьем макроорганизма в целом, необходимо достаточное количество пребиотиков в рационе питания детей всех возрастов, также как и взрослых.
В нормальных условиях первые пребиотики ребенок получает с молоком матери (лактоза, галакто-олигосахариды) и в дальнейшем их спектр и количество возрастает после введения прикорма (фруктоолигосахариды, пищевые волокна).
В условиях искусственного вскармливания желательно введение пребиотиков в состав заменителей женского молока. Рациональное питание и нормальное функционирование органов пищеварения способствует здоровью кишечной микрофлоры и, как следствие, здоровью человека.
