Microbiome and urine microbiota: modern concepts and gender features

Margarita N. Slesarevskaya; Слесаревская Маргарита Николаевна; Igor V. Kuzmin; Кузьмин Игорь Валентинович; Kairkhan G. Zhumadillayev; Жумадиллаев Кайрхан Галимухамбетович; Gleb A. Vvedenskiy; Введенский Глеб Андреевич; Yury А. Mikheev; Михеев Юрий Александрович; Albina V. Maksimova; Максимова Альбина Вадимовна

doi:10.17816/uroved109278

Микробиом и микробиота мочи: современные представления и гендерные особенности

Авторы: Слесаревская М.Н.¹, Кузьмин И.В.¹, Жумадиллаев К.Г.¹, Введенский Г.А.¹, Михеев Ю.А.¹, Максимова А.В.¹
Учреждения:
1. Первый Санкт-Петербургский государственный медицинский университет им. акад. И.П. Павлова
Выпуск: Том 12, № 2 (2022)
Страницы: 157-165
Раздел: Обзоры литературы
URL: https://journals.eco-vector.com/uroved/article/view/109278
DOI: https://doi.org/10.17816/uroved109278
ID: 109278

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация
Полный текст
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

В обзорной статье даны определения и представлены современные данные о биологическом значении микробиома и микробиоты мочи. Микробиота мочевыводящих путей изучена хуже по сравнению с микробиотой кишечника, однако ее биологическая роль сложна и многогранна. К настоящему моменту очевидно ее значение в формировании колонизационной резистентности, предотвращающей инвазию уропатогенов. Проведен анализ методов оценки микробиома и микробиоты мочи. Показаны недостатки широко используемых стандартных микробиологических методов исследования. Подробно описан современный метод секвенирования гена 16S рРНК. Приведены сведения о гендерных особенностях микробиоты мочи и результаты ее исследования у здоровых женщин и мужчин. Дальнейший прогресс в исследовании уробиома связан с получением новых технологий геномных исследований и развитием биоинформатики.

Ключевые слова

микробиота мочи, микробиом, уробиом, секвенирование, ген 16S рРНК

Полный текст

МИКРОБИОТА И МИКРОБИОМ: ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

В организме человека обитает большое количество разнообразных микроорганизмов, находящихся в симбиотических отношениях друг с другом и с организмом хозяина. Все они объединены в собирательное понятие «микробиота», которое более точно характеризует совокупность микробных сообществ, чем термин микрофлора, по смыслу относящийся к растениям. Выделяют микробиоту отдельных органов и систем — кишечника, кожи, влагалища, желчных путей и т. д. Предполагают, что микробиота человека содержит суммарно 10¹³–10¹⁴клеток, включает в себя более 40 000 бактериальных штаммов, которые относятся к 1800 родам и содержат до 10 млн уникальных генов [1–3]. При этом в состав микробиоты человека входят не только бактерии, но и археи, эукариоты, такие как простейшие, грибы и нематоды, вирусы. Состав микробиоты человека достаточно специфичен и индивидуален. В то же время могут отмечаться некоторые изменения микробиоты по мере старения организма, а также в ответ на различные экзо- и эндогенные воздействия.

Совокупность всех геномов микробиоты человека обозначают термином микробиом. Этот термин был предложен в 2001 г. американским ученым Джошуа Ледербергом [4]. Подсчитано, что объем генетической информации только в микробиоте кишечника в 100 раз больше, чем геном человека [5]. В общем смысле понятие «микробиом» обозначает экосистему, в которой живут микроорганизмы, с которой они взаимодействуют и ресурсами которой пользуются. Изучение набора генов, ответственных за формирование микробиоты различных локализаций, признается одним из наиболее перспективных направлений исследований в биомедицине.

Микробиота каждого человека уникальна и играет ключевую роль в поддержании гомеостаза макроорганизма. Биологическую роль микробиоты трудно переоценить. Эта система оказывает влияние на своего хозяина, а также взаимодействует с ним, адаптируясь к поступающим от него сигналам и информации. Посредством микроорганизмов человек осуществляет функции, которые не кодируются собственным геномом: обеспечивает защиту от вирулентных патогенов, получает дополнительную энергию из продуктов питания, обеспечивает синтез биологически активных веществ, осуществляет иммуногенную, мутагенную или антимутагенную функции, участвует в канцеролитических реакциях [6].

Длительное время в медицинской науке не подвергалась сомнению догма о стерильности мочи здорового человека. Предполагалось, что в таких случаях в моче отсутствуют какие-либо микроорганизмы. Эта концепция поддерживалась главным образом несовершенством методов лабораторной диагностики, хотя многие клиницисты отмечали, что у больных с симптомами цистита и многократными отрицательными результатами посевов мочи лечение антибиотиками часто приводит к исчезновению симптоматики. В 1979 г. группа британских микробиологов под руководством Розалинды Маскелл при инкубации «стерильной» мочи в условиях повышенного содержания углекислого газа выделили медленно растущие грамположительные микроорганизмы, доказав тем самым ошибочность указанной выше концепции [7]. Современные лабораторные технологии выявляют в моче микроорганизмы 1210–1420 видов, при этом у здоровых людей присутствуют не более 12 % из них. В то же время при различных патологических состояниях их число значительно увеличивается: например, у пациентов после трансплантации почки обнаруживают до 25 % видов микроорганизмов [8]. Микробиом мочевых путей начали тщательно изучать значительно позже микробиома других органов и систем. Так, в связи с господствующей концепцией о стерильности мочи здорового человека его изучение вошло в проект «Микробиом человека» (Human Microbiome Project) Национальных институтов здравоохранения США только в 2012 г., через 5 лет после его начала. Однако полученные в рамках этого проекта результаты однозначно подтвердили тот факт, что моча здоровых людей нестерильна и содержит многочисленные анаэробные и аэробные микроорганизмы [9–11]. Это заставило пересмотреть существующие представления об этиологии и патогенезе многих заболеваний. На сегодняшний день не подлежит сомнению, что дисбаланс микробиоты мочи имеет важное значение в развитии не только мочевой инфекции, но и других урологических болезней [12–14].

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МИКРОБИОТЫ И МИКРОБИОМА МОЧИ

Традиционно обнаружение микроорганизмов в моче было основано на результатах стандартных посевов мочи. Согласно клиническим рекомендациям Министерства здравоохранения Российской Федерации по бактериологическому анализу мочи 2014 г., для микробиологического исследования предполагается использовать универсальные, селективные или дифференциально-диагностические среды, предназначенные для культивирования в условиях обычной атмосферы при 35–37 °C в течение 18–24 ч [15]. В зарубежных лабораториях также используют несколько питательных сред (кровяной агар и агар Макконки) и аэробные условия культивирования при температуре 35 °C [16]. Эти методики очень ограничены в своих возможностях, поскольку выявляют относительно небольшое число микроорганизмов, преимущественно аэробные быстрорастущие бактерии, такие как Escherichia coli [17]. При выполнении стандартных посевов регистрируются до 92 % ложноотрицательных результатов [16]. Расширенная методика исследования мочи (Expanded quantitative urine culture — EQUC) значительно более чувствительна и позволяет выявлять до 72 % микроорганизмов уробиома [18]. При проведении EQUC образец мочи объемом 100 мкл высевают на питательные среды (кровяной агар, агар с колистин-налидиксовой кислотой и агар Макконки) с инкубацией в 5 % СО₂в течение 48 ч. В исследовании T.K. Price и соавт. [19] только 33 % уропатогенов были обнаружены при стандартном культивировании мочи, в то время как оптимизированный протокол EQUC позволил идентифицировать 84 % микроорганизмов. С помощью этого метода E.E. Hilt и соавт. [16] в образцах мочи женщин выявили 35 различных родов и 85 различных видов бактерий, при этом наиболее часто микроорганизмы родов Lactobacillus (15 %), Corynebacterium (14,2 %), Streptococcus (11,9 %), Actinomyces (6,9 %) и Staphylococcus (6,9 %).

На результаты как стандартного, так и расширенного посевов мочи влияет ряд факторов, которые необходимо учитывать при интерпретации полученных данных. К таковым относятся способ забора мочи (надлобковая пункция, катетеризация мочевого пузыря, естественное мочеиспускание), неравномерное пространственное распределение микроорганизмов в различных отделах мочевыводящих путей, гендерные различия, возрастные особенности, наличие сопутствующих заболеваний, прием антибактериальных и других лекарственных препаратов, характер питания, физическая активность, факторы внешней среды [20].

При изучении микробиоты мочевыводящих путей золотым стандартом считается секвенирование нуклеиновых кислот микроорганизмов, то есть определение их нуклеотидной последовательности. В 2012 г. A.J. Wolfe и соавт. [21] с помощью метода секвенирования гена 16S рибосомной РНК (рРНК) выявили микрофлору в моче здоровых женщин и тем самым покончили с ложным мифом о «стерильности» мочи. В дальнейшем секвенирование получило широкое распространение как в научных исследованиях, так в клинической практике. Однако необходимо отметить, что данная методика не стандартизирована, что ограничивает возможность ее еще более широкого использования. Выделяют два типа секвенирования — полного генома (Whole Genome Sequencing — WGS) и метагенома [22]. Секвенирование полного генома используют для определения генома конкретной бактерии, а метагеномное секвенирование проводят на смешанных популяциях микроорганизмов. Цель метагеномного секвенирования заключается в идентификации микроорганизмов, присутствующих в конкретном образце исследования. Большинство исследований микробиома, в том числе и мочи, основано на секвенировании гена 16S рРНК прокариотических микроорганизмов. Ген 16S рРНК повсеместно присутствует во всех бактериях, при этом отсутствует у млекопитающих и содержит девять гипервариабельных областей (V1–V9) [23], что позволяет идентифицировать различные бактерии посредством таксономического сопоставления полученных последовательностей с эталонными геномами из международных баз данных. В зависимости от последовательности и выбора баз данных идентификация может быть выполнена до видового уровня, но обычно она приводит к сочетанию видов, родов и типов микроорганизма [18]. Для описания результатов такой идентификации часто используют общий термин «операционная таксономическая единица», объединяющий расшифрованные последовательности гена 16S рРНК с 97 % идентичностью, что обычно достаточно для понимания видовой принадлежности микробов. Этот процесс носит название «метатаксоника». При этом следует отметить, что вирусы и грибы на имеют гена 16S рРНК и, следовательно, не могут быть выявлены, хотя и служат неотъемлемой частью микробиома.

В соответствии с современными представлениями понятие «стерильно» не должно использоваться в отношении мочевыводящих путей [24]. В целом микробиота мочи менее многочисленна и разнообразна по сравнению с микробиотой других локализаций. Например, микробиота мочи женщин в среднем содержит 10⁴–10⁵ колониеобразующих единиц (КОЕ)/мл по сравнению с 10¹² КОЕ/г в фекалиях [25].

Полученные при секвенировании гена 16S рРНК мочи данные свидетельствуют, что микробиом мочи у мужчин и женщин при рассмотрении на уровне типов микроорганизмов практически одинаков. У представителей обоих полов большинство бактерии относится к типу Firmicutes (65 % у мужчин, 73 % у женщин). К остальным наиболее распространенным типам микроорганизмов, выявляемым в моче, относятся Actinobacteria (15 % у мужчин, 19 % у женщин), Bacteroidetes (10 % у мужчин, 3 % у женщин) и Proteobacteria (8 % у мужчин, 3 % у женщин) [26]. Представители указанных типов бактерий составляют до 97 % всех микроорганизмов мочи. Основные гендерные различия в уробиоме проявляются в виде доминирования некоторых родов микроорганизмов в зависимости от пола. Так, бактерии родов Corynebacterium и Streptococcus чаще обнаруживают у мужчин, а Lactobacillus — у женщин [26, 27].

МИКРОБИОМ МОЧИ ЗДОРОВЫХ ЖЕНЩИН

Моча здоровых женщин всех возрастных групп нестерильна, что было доказано еще методом секвенирования в 2012 г. A.J. Wolfe и соавт. [21]. В моче содержатся многочисленные микроорганизмы с преобладанием среди них Lactobacillus spp., Prevotella spp., Gardnerella spp. [28].

Представители рода Lactobacillus — самые многочисленные среди микроорганизмов, обнаруживаемых в микробиоме мочи здоровых женщин [29]. Однако не все виды Lactobacillus связаны со здоровой микробиотой. Так, бактерии Lactobacillus crispatus характерны для уробиома здоровых женщин, а Lactobacillus gasseri чаще выделяют у женщин с ургентным недержанием мочи [25]. Преобладание у молодых женщин Lactobacillus spp. сменяется снижением их количества в постменопаузальном периоде, что способствует колонизации мочевых путей уропатогенами и развитию инфекций мочевыводящих путей [29].

Gardnerella — еще один род бактерий, часто выделяемых из образцов мочи здоровых женщин [30]. Однако Gardnerella vaginalis, представитель этого рода, часто становится причиной бактериального вагиноза и способствует развитию рецидивирующих инфекций нижних мочевыводящих путей. Механизм патологического действия G. vaginalis был изучен N.M. Gilbert и соавт. [31] в эксперименте. Было показано, что воздействие G. vaginalis на мочевой пузырь способствует выходу E. coli из внутриклеточных резервуаров мочевого пузыря и обусловливает рецидивирование цистита. Авторы обнаружили, что даже кратковременное воздействия G. vaginalis вызывает апоптоз эпителия мочевого пузыря и эксфолиацию, которые сохранялись и после исчезновения G. vaginalis из мочевыводящих путей [31]. Эти данные свидетельствуют, что избыточный рост G. vaginalis — вероятный триггер развития инфекций мочевыводящих путей.

Ю.Л. Набока и соавт. [32] провели последовательный ряд исследований по изучению структуры микробиоты у здоровых женщин. Авторы использовали метод полимеразной цепной реакции (ПЦР), а также микробиологические методы, при этом посев исследуемого материала проводили на питательные среды для факультативно-анаэробных бактерий (ФАБ) и неклостридиальных анаэробных бактерий (НАБ). При бактериологическом исследовании 60 образцов мочи здоровых сексуально активных женщин стерильные посевы отсутствовали. Во всех случаях микроорганизмы присутствовали в виде различных вариантов многокомпонентных ассоциаций ФАБ и НАБ. В группе ФАБ в течение дня с высокой частотой более 60 % обнаруживали коагулазоотрицательные стафилококки и Corynebacterium spp. В группе НАБ чаще выявляли Eubacterium spp., Peptococcus spp., Propionibacterium spp., Lactobacillus spp. Уровень бактериурии для всех верифицированных в моче у здоровых женщин микроорганизмов в подавляющем большинстве случаев был <10³ КОЕ/мл. Значимые различия по частоте обнаружения различных родов бактерий в моче в течение дня отсутствовали [32].

Происхождение бактерий из микробного сообщества мочи остается неясным. Анатомическая близость половых и мочевыводящих путей предполагает, что влагалище может быть основным источником мочевого микробного сообщества. В 2016 г. Ю.Л. Набока и соавт. [33] изучили микробиоту мочи и влагалища здоровых женщин постменопаузального возраста. С этой целью были обследованы 20 условно здоровых женщин (средний возраст 59,0 ± 2,1 года), находившихся в климактерическом периоде более 8 лет. Бактериологическое исследование мочи и влагалища проведено на расширенном наборе питательных сред для культивирования ФАБ и НАБ, а также ПЦР средней порции утренней мочи. Как в моче, так и во влагалище выявили ФАБ с преобладанием коагулазоотрицательных стафилококков, причем бактериальные паттерны изучаемых биотопов были сходными. При этом в моче были обнаружены НАБ Megasphaera spp., Veillonella spp., Prevotella spp., Mobiluncus spp., Fusobacterium spp., тогда как во влагалище они отсутствовали. Кластерный анализ не выявил достоверных отличий в концентрации одних и тех же микроорганизмов, выделенных из мочи и влагалища. K.J. Thomas-White и соавт. [34] с помощью метагеномного анализа бактериальных штаммов, выделенных из влагалища и мочевого пузыря, выявили значительное сходство между ними, причем как для уропатогенов (E. coli и S. anginosus), так и для комменсальных микроорганизмов (Lactobacillus iners, L. crispatus). Результаты двух приведенных выше исследований подтверждают необходимость оценки микробиоты мочевого пузыря у женщин в контексте влагалищной микробиоты.

Возможный источник микроорганизмов в моче — кишечник. В исследовании G. Dubourg и соавт. [35] при исследовании 435 образцов мочи выделили 450 различных видов бактерий, из которых 256 никогда ранее не обнаруживали в моче. Среди идентифицированных видов бактерий 161 (35 %) вид относился к анаэробным микроорганизмам. Среди всех выделенных видов бактерий ранее выявляли в микробиоте кишечника 64,1 %, а в микробиоте влагалища — только 31,7 %. Эти результаты свидетельствуют, что источником многих представителей микробиоты мочевыводящих путей на самом деле является кишечник [35]. Снижение частоты рецидивов инфекций нижних мочевыводящих путей после трансплантации фекальной микробиоты поддерживает гипотезу о важном значении кишечной микрофлоры в развитии мочевой инфекции [36].

Возрастные особенности микробиоты мочи у женщин были исследованы N. Curtiss и соавт. [37]. Было установлено, что для пожилых женщин характерно снижение количества Lactobacillus, а в постменопаузе отмечается увеличение содержания в моче представителей рода Mobiluncus — грамположительных палочковидных анаэробов [37]. Возможная причина таких изменений состоит в снижении уровня эстрогенов, что приводит как к элиминации лактобактерий, так и к развитию дистрофических и атрофических процессов в слизистых оболочках нижних мочевыводящих путей.

МИКРОБИОМ МОЧИ ЗДОРОВЫХ МУЖЧИН

Количество работ, посвященных изучению микробиома мочи у мужчин, значительно меньше, чем у женщин. В целом мужской уробиом характеризуется меньшим разноообразием микроорганизмов [30]. Большинство авторов указывают на преобладание в мужской микробиоте микроорганизмов Corynebacterium spp. и Streptococcus spp. [17, 38, 39]. D.E. Nelson и соавт. [38] выявили в микробиоме мочи здоровых мужчин 72 рода бактерий, причем помимо указанных выше двух родов в большом количестве присутствовали Sneatia spp. и Lactobacillus spp. Доля представителей рода Lactobacillus у мужчин значительно меньше, чем у женщин [40]. У здоровых мужчин часто выявляют также Staphylococcus haemolyticus [41].

В 2014 г. коллектив авторов Ростовского государственного медицинского университета изучал состав микробиоты нижних мочевых путей и половых органов здоровых мужчин. Бактериологическое исследование мочи и эякулята проводили на расширенном наборе питательных сред для ФАБ и НАБ. Доминирующими кластерами ФАБ были Corynebacterium spp. и коагулазоотрицательные стафилококки (по 67,9 %), а среди НАБ — Eubacterium spp. [42].

Уробиом мужчин старше 70 лет характеризуется большим разнообразием микроорганизмов, что потенциально коррелирует с повышенным риском заболеваний почек, простаты и мочевого пузыря [43].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Микробиота мочевыводящих путей изучена хуже по сравнению с микробиотой кишечника, однако ее биологическая роль сложна и многогранна. К настоящему моменту очевидно ее значение в формировании колонизационной резистентности, предотвращающей инвазию уропатогенов. Дисбаланс микроорганизмов, выявляемый при различных патологиях мочевыделительный системы, может быть одним из ключевых звеньев патогенеза их развития, воздействие на которые в будущем поможет создать новые методы лечения и профилактики. Изучение взаимосвязи кишечной микробиоты и уробиома позволили бы кардинально изменить подходы к лечению пациентов с рецидивирующими инфекциями мочевыводящих путей.

Дальнейший прогресс в исследовании уробиома связан с получением новых технологий геномных исследований и развитием биоинформатики. При этом уже в настоящее время исследования микробиома переходят на качественно новый уровень — от описания его состава и изучения механизмов функционирования до разработки индивидуальных терапевтических средств на основе защитных свойств микробиоты.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. Все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

ADDITIONAL INFORMATION

Author contribution. Thereby, all authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.