science-review.ru
Каждый вид микроорганизмов, населяющих пограничные поверхности в организме человека, приспосабливается к специфической среде. Численность отдельных представителей микробиома зависит от различных факторов, включая концентрацию кислорода, pH, окислительно-восстановительный потенциал, запасы питательных веществ, уровень секреции и перистальтики кишечника хозяина [1] и т.д. В норме кишечная микробиота, слизистый барьер и эпителиальный барьер представляют собой полноценный защитный механизм кишечника [2], который изменяется под влиянием внешних и внутренних факторов, включая степень насыщения крови кислородом.
Цель исследования – обобщить и систематизировать данные, касающиеся эффекта повышенной концентрации кислорода во вдыхаемом воздухе (гипероксия) на состояние кишечного и респираторного микробиома.
Материалы и методы исследования
Литературный поиск по базам данным РИНЦ, Scopus и Web of Science, включая PubMed, Elibrary, Elsevier и др. Из 150 публикаций, найденных по ключевым словам «респираторный микробиом», «кишечный микробиом», «гипероксия», «патобиом», «искусственная вентиляция легких», «критические больные», к наиболее значимым были отнесены 34 статьи, которые были взяты для данного обзора.
Результаты исследования и их обсуждение
Общеизвестно, что при наличии нормобиома в ЖКТ хозяина кратковременные дизоксические воздействия улучшают состояние организма аналогично другим стрессорным воздействиям, активирующим защитные системы организма в соответствии с теорией Селье [3]. В стабильных условиях микробиом как сообщество определяет активное состояние его отдельных компонентов. Непродолжительное изменение макроокружения приводит к кратковременным изменениям микробиома (дисбиозу) различной степени с возможностью последующего возвращения к первичному статусу. Длительно продолжающееся внешнее воздействие может привести к реформации и формированию патобиома, на уровне макроорганизма обычно ассоциированного с последующим развитием заболевания на уровне органа и всего организма в целом [4]. Нормобиом кишечника находится в динамическом равновесии с нормобиомом других органов, включая дыхательную систему. Динамическая идентификация микробных популяций (микробиоты) позволила доказать присутствие бактерий в здоровых легких, где было обнаружено приблизительно 2000 бактериальных геномов на 1 см2 площади поверхности, в том числе представителей родов Prevotella, Veillonella, Streptococcus и Haemophilus [5]. Последующие исследования подтвердили наличие грибов (Cladosporium и Aspergillus) [6] и вирусов (включая анелловирус, фаги Gardnerella и фаги Lactobacillus) [7]. По другим данным, в легких здорового человека чаще всего встречаются роды Streptococcus, Prevotella, Veillonella, Haemophilus, Neisseria, Lacertus, Pseudomonas, Leptotrichia, Schaalia, Candidatus, Protochlamydia spp. [8]. Легочная микробиота тесно связана с развитием и прогрессированием различных видов респираторных заболеваний, таких как астма [9], хроническая обструктивная болезнь легких (ХОБЛ) [10], муковисцидоз, бронхоэктатическая болезнь, COVID-19 [11], рак легких [12]. Внешние абиотические условия, такие как курение, также могут нарушать легочную микробиоту [13].
Острое повреждение легких у человека гистопатологически характеризуется нейтрофильным альвеолитом, повреждением альвеолярного эпителия и эндотелия, образованием гиалиновых мембран и микрососудистыми тромбами. Происходит образование отеков, альвеолярный клиренс уменьшается вплоть до коллапса, повышается легочное сосудистое сопротивление, что реализуется в нарушениях газообмена и вентиляционно перфузионном несоответствии. В последние десять лет повысилась частота случаев применения искусственной вентиляции легких при различных операционных вмешательствах, а также при тяжелых формах заболеваний легких, включая COVID-19. Повреждение легких, вызванное коронавирусом SARS-CoV-2, может включать глубокую гипоксемию [14]. В этих случаях назначается механическая вентиляция легких, которая может привести к травматизации и усугубляется присоединением нарушения структуры респираторного микробиома [15].
Степень изменения структуры микробиоты легких при вирусных и бактериальных инфекциях органов дыхания коррелирует с тяжестью и продолжительностью заболевания [16]. Вдыхаемый кислород может вызывать тяжелое повреждение легких. Состав легочного микробиома определяется иммиграцией, элиминацией и относительной скоростью роста его членов; все эти явления резко изменяются при хроническом заболевании легких и в дальнейшем во время обострений. Обострения респираторных заболеваний могут являться случаями респираторного дисбиоза – нарушения респираторной микробной экосистемы с негативным воздействием на биологию хозяина. Респираторный дисбиоз провоцирует нарушение регуляции иммунного ответа хозяина, что, в свою очередь, изменяет условия роста микробов в дыхательных путях пациента, еще больше способствуя дисбиозу [16] и приводя к формированию легочного патобиома, структурно отличного от нормобиома.
Взаимосвязь респираторного и кишечного микробиома считается доказанным фактом. Заболевания легких обычно сопровождаются дисбиозом кишечной флоры и воспалительной реакцией. Кишечная флора и ее метаболиты прямо или косвенно участвуют в иммунной регуляции организма хозяина при заболевании легких [17].
В последние годы ряд исследователей склонны рассматривать гипероксию, которая применяется при оперативном вмешательстве, как фактор, повреждающий организм. Причинами периоперационной гипероксии могут быть коллапс одного легкого во время операции или введение кислорода для улучшения неврологических функций во время каротидной эндартерэктомии. Клиническое использование гипероксии может отрицательно повлиять на исходы различных неотложных состояний, включая обострение хронической обструктивной болезни легких, острые коронарные синдромы и инсульт. Негативные эффекты гипероксигенации могут проявиться после успешной сердечно-легочной реанимации [18].
Риск чрезмерного использования дополнительного кислорода у взрослых пациентов продемонстрирован в комплексном систематическом обзоре с участием 16000 пациентов в 25 рандомизированных контролируемых исследованиях, где исследователи сравнили два типа стратегии применения оксигенации у взрослых при сепсисе, критических заболеваниях, инсульте, травме, инфаркте миокарда, сердечной недостаточности или экстренном хирургическом вмешательстве [19]. Избыточное использование кислорода увеличило как внутрибольничную, так и внебольничную смертность. Наибольшее увеличение риска было отмечено для внутрибольничной смертности. Результаты были одинаковыми для всех групп населения и типов оксигенации (чрезназальная вентиляция, маски для лица, инвазивная вентиляция) [19]. Полученные результаты привели к тому, что в руководствах были изменены целевые параметры, при применении оксигенации предлагается использовать целевые показатели насыщения от 90 до 96%.
В неонатологии токсические эффекты кислорода стали известны раньше, в связи с чем предпринимались постоянные усилия по достижению баланса между предотвращением негативных последствий как гипоксии, так и гипероксии у недоношенных новорожденных. Наиболее признанным является механизм свободнорадикального повреждения. Свободные радикалы повреждают капилляры эндотелия, создавая состояние гиперпроницаемости, которая может вызвать отек легких. Модуляции коагуляции и фибринолиза приводят к отложению фибрина и накоплению тромбоцитов, изменениям альвеолярно-капиллярной мембраны [20].
Вместе с тем значительную роль в развитии осложнений играет нарушение микробного гомеостаза. Было показано, что у пациентов в критическом состоянии, получающих искусственную вентиляцию легких, гипероксия обеспечивает селективное относительное преимущество в увеличении в составе микробиома ЖКТ респираторных микробов, толерантных к кислороду, включая Staphylococcus aureus [21]. Эти данные были подтверждены в экспериментах с использованием моделей новорожденных и взрослых мышей. Во время воздействия на мышей гипероксии бактериальные сообщества как в легких, так и в кишечнике были изменены, и эти сообщества способствовали кислород-индуцированному повреждению легких. Нарушение микробиоты легких и кишечника предшествовало повреждению легких, а изменения в микробных сообществах коррелировали с изменениями воспаления легких. Мыши, свободные от микробов, были защищены от вызванного кислородом повреждения легких, а системное лечение антибиотиками выборочно модулировало тяжесть вызванного кислородом повреждения легких у животных, содержащихся в обычных условиях, что позволяет предположить, что вдыхаемый кислород может изменить микробные сообщества легких и кишечника и что эти сообщества могут способствовать повреждению легких [21].
Механизм повреждающего действия гипероксии с точки зрения микробиома может быть обусловлен тем, что некоторые условно-патогенные анаэробные бактерии толерантны к повышению концентрации кислорода, в то время как рост строгих анаэробов при повышении рO2 подавляется [22, 23]. При экспериментальных исследованиях более выраженные изменения были отмечены у мышей, у которых исходно были обнаружены индивидуальные отличия в микробиоме на уровне типа и вплоть до уровня операционных таксономических единиц (OTU) [24]. На уровне семейств нормобиом толстой кишки представлен преимущественно анаэробными бактериями, в том числе Bacteroidaceae, Prevotellaceae, Rikenellaceae, Lachnospiraceae и Ruminococceae, в то время как Lactobacillaceae колонизируют тонкий кишечник и желудок. На уровне рода микробиом толстой кишки содержит более высокий процент Bacteroides, Prevotella и Alistipes, в то время как Lactobacillus населяют тонкий кишечник [24]. Концентрация кислорода вдоль кишечного тракта млекопитающих ниже, чем в других органах [25]. Кроме резкого снижения концентрации O2 вдоль желудочно-кишечного тракта, существует также поперечный (вертикальный) градиент в тканях (от васкуляризированного подслизистого слоя к бескислородному просвету кишки) [26], что, естественно, влияет на микроорганизмы, относящиеся к просветному компартменту и пристеночной его части, а также на эпителиальный слой и соседние клетки. Эпителиальные клетки, выстилающие слизистую оболочку кишечника, в норме существуют в среде с относительно низким рО2. Эпителиальные клетки кишечника приспособлены к «физиологической гипоксии», необходимой для правильного функционирования эпителия. Они обеспечивают физический и химический барьер для разделения микробиоты и защиты организма от патогенов, а также вносят свой вклад в гипоксическую среду кишечника, потребляя часть кислорода, поступающего из кровотока в результате митохондриального окислительного фосфорилирования – процесса, который необходим для производства АТФ и который модулируется молекулами микробиоты, такими как короткоцепочечные жирные кислоты (КЦЖК) [27]. Низкая доступность кислорода в кишечнике активирует ответные механизмы в этих клетках, приводящие к экспрессии генов, имеющих важнейшее значение для функционирования слизистого барьера, такие как соединительные белки, антимикробные пептиды и продукция слизи [28].
Степень повреждения респираторного микробиома у лиц с муковисцидозом коррелирует с прогрессированием заболевания. Гипероксия существенно влияет на респираторный микробиом при муковисцидозе. При культивировании мокроты от больных муковисцидозом в модельной среде при содержании кислорода 21, 50 и 100 % метагеномное секвенирование через 24, 48 и 72 ч показало, что гипероксия снижает абсолютную микробную нагрузку, видовое богатство и микробное разнообразие. Гипероксия снижала абсолютную численность специфических микробов, включая факультативные анаэробы, такие как Rothia и некоторые виды Streptococcus, с минимальным воздействием на типичных возбудителей инфекционных процессов в легких – например Pseudomonas aeruginosa и Staphylococcus aureus, при этом большие концентрации кислорода оказывали более значительное воздействие. Были отмечены достоверные значимые изменения в сетях микробного взаимодействия. Воздействие гипероксии нарушает микробные сообщества дыхательных путей с доминированием основных патогенов [29].
Гипербарическая гипероксия изменяет состав микробиоты кишечника у мышей, количество Anaerostipes, (облигатный анаэроб типа Firmicute) уменьшается после гипербарической гипероксии [26]. Нормобарическая гипероксия также вызывает дисбиоз кишечника, но для его развития требуется более продолжительное время. На модели взрослых грызунов были обнаружены дисбиотические сдвиги микробиома толстой кишки. Гипероксия влияет также на патогенные бактерии, увеличивая долю патогенного стрептококка, при этом уменьшая количество гамма-протеобактерий и протея [30].
Секвенирование 16S рРНК выявляет изменения в составе микробиоты кишечника с более высоким содержанием Proteobacteria и Actinobacteria у гипероксических животных по сравнению с более высоким содержанием Firmicutes у гипоксических мышей [31, 32].
При острой гипобарической оксигенации показано резкое снижение микробного разнообразия у крыс, изменяется долевое соотношение численности родов. Доля Bacteroides значительно возрастает, а количество Prevotella уменьшается [33]. У мышей, ранее подвергшихся гипоксии, может быть вызвана противоположная реакция на гипероксию – снижение уровня O2 в просвете по сравнению с нормоксическими животными [32].
Эффективные стратегии ведения пациентов, в том числе критических больных, получавших искусственную вентиляцию, опираются на понимание механизмов взаимодействия микробиоты и хозяина. У пациентов, получавших антианаэробные антибиотики, наблюдалось снижение начальной бактериальной плотности кишечника, нарушение функции кишечного барьера, повышение бактериальной транслокации во время госпитализации и доминирование в структуре микробиома Enterobacteriaceae spp., среди которых было обнаружено повышение доли респираторных патогенов [34]. Эффекты истощения анаэробов у мышей были изучены на моделях инфекционного (Klebsiella pneumoniae и Staphylococcus aureus pneumonia) и неинфекционного (гипероксия) повреждения. У мышей лечение антианаэробными антибиотиками повышало частоту развития пневмонии, вызванной Enterobacteriaceae (p < 0,05), и увеличивало летальность от гипероксии [34].
Нарушения структуры кишечного микробиома могут быть значимой причиной послеоперационных осложнений, при которых применяется система искусственной вентиляции легких. Во всех случаях оперативного вмешательства развивается нарушение структуры микробиома, как под действием применяемых антибиотиков, так и под действием гипероксии.
Заключение
Таким образом, гипербарическая, нормобарическая и гипобарическая гипероксия способны привести к развитию дисбиотических изменений кишечника, в том числе к глубоким нарушениям с формированием патобиома, что приводит к усугублению тяжести и выраженности воспалительных процессов в дыхательной системе. При решении о стратегии лечения антибактериальными препаратами, а также применении искусственной вентиляции легких должны учитываться все факторы воздействия на пациентов, включая анамнез больного. Наличие в анамнезе хронических заболеваний легких и/или кишечника, свидетельствующее о наличии кишечного или респираторного патобиома, должно рассматриваться как фактор риска более тяжелого течения болезни с худшим прогнозом по сравнению с больными, не имеющими хронических патологий дыхательной и пищеварительной систем.