Микробиценозы человека и функциональное питание (часть 1)

Микробиценозы человека и функциональное питание
 Б.А.Шендеров
Московский НИИ эпидемиологии и микробиологии им. Г.Н .Габричевского

Полагают, что в настоящее время на Земле обитает более полутора миллионов видов живых организмов. Разнообразие и различный уровень их организации отражает многомиллионную по времени прохождения эволюцию биологической материи, которая осуществлялась как за счет многочисленных мутационных и рекомбинационных процессов на уровне отдельных клеток и их популяций, так и в результате возникновения, развития и усложнения симбиотических ассоциаций прокариотических и эукариотических клеток, для сохранения которых возникали те или иные формы живой материи, наилучшим образом способные приспосабливаться к конкретным условиям среды обитания на Земле. В процессе этой эволюции одновременно происходило формирование вначале базовых (микроэлементная, микроэкологическая системы), а в последующем, с усложнением биологических структур, и дополнительных более сложных (иммунная, окислительная – антиокислительная, эндокринная и нервная системы) регуляторных механизмов поддержания динамического гомеостаза живых организмов. В качестве одного из наиболее древних базовых механизмов адаптации живых организмов (от примитивных до высших животных) к постоянно меняющимся факторам среды выступают симбиотические микробиоценозы, присутствующие в их пищеварительном тракте и служащие связывающим звеном между неорганической природой и живой материей. Локализуясь в биопленке, покрывающейвыстилающей слизистые желудочно-кишечного тракта, эти микробиоценозы взаимодействуют с любым попадающим в организм естестественным путем субстратом, а затем в результате микробной трансформации превращают его через каскад реакций в промежуточный либо конечный продукты, участвующие в водно-солевом обмене, в метаболизме и рециркуляции белков, углеводов, липидов, нуклеиновых кислот и других макромолекул, в обеспечении колонизационной резистентности и в других важных для организма хозяина физиологических функциях и биохимических реакциях. Биопленку с входящими в нее многочисленными и разнообразными микроорганизмами поэтому все более часто рассматривают как первичную мишень для любого попадающего обычным (непарентеральным) путем соединения, как структуру, которя первой вовлекается в процессы распознования, абсорбции, метаболизации, транслокации и детоксикации как полезных, так и потенциально вредных агентов и которая инициирует работу всех последующих неспецифических и специфических иммунных, гормональных, нервных и биохимических механизмов защиты и регуляции гомеостаза организма хозяина.

Несмотря на определенную стабильность, состав микробиоценозов может изменяться как под влиянием различных стрессовых агентов, так и физиологического состояния организма хозяина. Хозяйственное освоение человеком Земли привело к внедрению в жизнь большого числа химических соединений, обладающих потенциальным токсическим влиянием на микробные сообщества окружающей среды, растений, животных и человека. В настоящее время известно более двух милионов таких соединений, из которых более 30000 производятся в промышленных масштабах (лекарственные препараты, пестициды, пищевые добавки и т.д.). В России из-за 80-100% износа производственных фондов предприятий постоянно создаются условия возникновения различных техногенных катастроф, сопровождающихся попаданием вредных соединений в окружающую среду. В районах размещения 45 тысяч отечественных предприятий существует зона постоянного загрязнения. 80% российских хозяйственно-питьевых водопроводов не имеют систем водоподготовки и обеззараживания. Крупные реки России и их притоки относятся к “загрязенным” и “сильно-загрязненным” водоемам. Вода водопроводов 18 регионов и подземных горизонтов бактериально и химически загрязнена. Воздействуя на организм человека через дыхательный и пищеварительный тракты, а также через кожу, многие физические, химические и биологические факторы, потенциально способны вызывать различные побочные реакции, включая дисбаланс в естественных микробиоценозах человека. Даже медицинские вмешательства (инструментальное, хирургическое или лекарственное воздействие) способны изменять нормальную микрофлору человека. Дисбиотические проявления, как следствие воздействия указанных выше факторов на микрофлору хозяина, выражаются в изменении абсолютной численности анаэробных и других прокариотических клеток, их видового и штаммового состава, ареала обитания, в нарушении дрейфа микробных генов между особями и микробными популяциями, спектра и количества образуемых микробных метаболитов и т. д.

Отмечаемое разрушение естественных сложившихся на протяжении многих миллионов лет эволюции микробиоценозов человека, сопровождается возникновением и ростом многих традиционных и новых, так называемых «болезней цивилизации», снижением активности населения, изменением поведенческих реакций, угрозой возникновения необратимых изменений в генофонде.

На протяжении всего периода существования человеческой цивилизации предпринимались попытки ответить на вопрос почему возникают и как начинаются болезни Во второй половине XIX и начале XX века удалось установить, что многие заболевания, склонные к распространению, связаны с конкретными микрооорганизмами - возбудителями инфекций. В 1907 году И.И.Мечников высказал предположение, что в основе многих заболеваний лежит совокупный эффект на клетки и ткани человека разнообразных токсинов и других веществ, продуцируемых микроорганизмами, во множестве присутствующими в его пищеварительном тракте. В 30-80 годы ХХ столетия первопричину многих патологических процессов стали связывать со срывами и нарушениями в центральной нервной системе, балансе электролитов и стероидных гормонов, дефектами в иммунной системе, антиоксидантной защите, наследственном аппарате. Позднее увеличение числа и нозологического спектра болезней человека стали объяснять ухудшением состояния окружающей среды, высокой степенью урбанизации, гиподинамией, химизацией сельскохозяйственного и промышленного производства, широким внедрением в быт и здравоохранение новых химических соединений синтетической природы и т.д. Зарубежные исследователи S. B. EATON и M. KONNOR в 1985 году высказали гипотезу, что рост болезней цивилизации во второй половине XX века, обусловлен тем, что гены современного человека, адаптированные в течение почти миллиона лет эволюции к жизненным устоям и пище древних предшественников, оказались недостаточно устойчивыми к резким изменениям жизни человека за последние 100-200 лет.

Какие же наиболее существенные изменения произошли в составе и структуре питания за последние двести лет, с которыми связывают снижение устойчивости человека к острым и хроническим заболеваниям?

В первую очередь, следует отметить резкое увеличение употребления человеком в пищу рафинированных продуктов (сахар, растительное и сливочное масло, очищенные от шелухи и оболочки зерна и семена растений, крепкие алкогольные напитки, лекарственные препараты и т. д.). Рафинируя продукты питания, убирая так называемые балластные вещества, человек на протяжении многих десятилетий создавал продукты питания, обогащенные легко усваиваемыми углеводами, но лишенные многих витаминов, пищевых волокон и других крайне необходимых с современных позиций пищевых компонентов. Изменился состав и соотношение употребляемых в пищу компонентов, участвующих в обеспечении организма пластическими и регуляторынми соединениями. Диета наших предков содержала небольшое количество белков и в ее составе в два раза было больше различных минеральных солей, в четыре-десять раз - пищевых волокон, в десять раз – антиоксидантов Соотношение омега –6 к омега - 3 жирным кислот в пищевых продуктах, использумых нашими предками, было 2 : 1. У современных эскимосов это соотношение равняется 1 : 1, у жителей других прибрежных стран оно может достигать 10 : 1, а у населения континентальной суши это соотношение близко к 30-50 : 1. Наши предки преимущественно употребляли фрукты и овощи задолго до того, как они созреют. Именно в незрелом состоянии фрукты и овощи содержат наибольшее количество различных флавоноидов и глютатиона, благодаря которым эти пищевые продукты обладают мощным антимутагенным и противораковым эффектом.. Особенно много подобных антиоксидантов в окрашенных овощах и фруктах. Истощение почв также вносит свой вклад в создании дефицита тех или иных важнейших пищевых субстанций. Так, например, если 75-100 лет назад для удовлетворения человеком своих потребностей в железе достаточно было съедать 1-2 яблока, то в настоящее время для покрытия суточной потребности в этом микроэлементе необходимо ежедневно употреблять 10-15 яблок.
Существенным моментом, характеризующим существенное изменение диеты современного человека, является резкое уменьшение поступления в его организм молочнокислых бактерий. Наши предки для сохранения продуктов питания,: в первую очередь, использовали природную ферментацию за счет молочнокислых и других микроорганизмов, случайным образом попадающих в растительную и животную пищу из окружающей среды. В результате ферментации многие продукты обогащались миллиардами молочнокислых бактерий, грибов и продуктами их метаболизма (летучие жирные кислоты, пептиды, полиамины, витамины, антибиотикосхожие субстанции и другие соединения), которые попав в пищеварительный тракт, вносили существенный вклад в поддержание здоровья наших предков. С внедрением термической обработки, повышенных гигиенических требований состав и абсолютное содержание попадающих в организм человека молочнокислых и иных микроорганизмов заметно уменьшился и изменился. Этому также способствовало широкое использование в 20 веке антимикробных препаратов как в медицине, так и в быту (например, хлорирование воды).

Одним из достижений конца ХХ века явилась разработка концепции «пробиотики и функциональное питание», затрагивающей фундаментальные и прикладные аспекты здоровья человека, медицины и пищевой биотехнологии. Под этим понятием понимают такие препараты, биологически активные добавки к пище и продукты питания, которые обеспечивают организм не столько энергетическим и пластическим материалом, сколько контролируют и модулируют определенные физиологические функции, биохимические и поведенческие реакции, способствуют поддержанию здоровья, снижают риск возникновения заболеваний и ускоряют процесс выздоровления. Постепенное, но все более уверенное движение современного человека к увеличению использования для поддержания своего здоровья пробиотиков и продуктов функционального питания, к переходу от концепции адекватного питания к концепции оптимального питания обусловлено рядом объективных причин. Прежде всего этот переход связан с увеличением стоимости лечения заболеваний традиционными фармацевтическими средствами, а также большими экономическими потерями, в связи с утратой трудоспособности, больничными листами и т.д. Стоимость затрат на здравоохранение в развитых странах Северной Америки и Европы каждые 10 лет увеличивается на 1%. С каждым годом растет число лиц пожилого возраста, что требует огромных финансовых затрат для поддержания их здоровья как со стороны государства, страховых компаний, так и личных средств. У многих жителей во всех возрастных группах, проживающих в развитых странах, отмечается все возрастающее желание улучшить качество своей жизни, продлить максимально возможно свою жизнь, чтобы увидеть собственными глазами интересное будущее. Это вынуждает их заботиться о своем здоровье и внедрять в свой пищевой рацион здоровое питание. В Западной Европе к началу 21 века 15% всех жителей имели возраст старше 65 лет. Через 30 лет по данным демографов процент таких людей достигнет 20-25. В США в настоящее время до 40% населения при лечении и профилактике острых и хронических заболеваний вместо традиционных лекарственных препаратов используют те или иные биологически активные добавки к пище или продукты функционального питания.

Рынок «здоровой пищи» в США ныне оценивается в 25 миллиардов долларов с ежегодным 20% приростом. В Западной Европе стоимость схожих продуктов питания достигает 10-12 миллиардов $ США. Если 15-20 лет назад ни одна из 250 самых крупных фармацевтических фирм не занималась продуктами функционального питания, то в 1993 году 2/3 из них имели отделы подобного направления.
В настоящее время наиболее изученным и в определенной степени практически реализованным направлением поддержания микробной экологии человека на оптимальном уровне является использование для этих целей микробных препаратов на основе представителей нормальной микрофлоры пищеварительного тракта человека, и в меньшей степени, выделенных из объектов окружающей среды и продуктов питания Для направленного создания или восстановления нарушенного микробиоценоза человека используют разнообразные приемы: оптимизация микрофлоры кишечника и гениталий у беременных женщин, инокуляция новорожденных определенными микроорганизмами или их комплексами, введение в больших количествах детям и взрослым антагонистических штаммов бактерий - представителей нормальной микрофлоры (бифидобактерий, лактобацилл и др.) в составе фармакопейных препаратов или продуктов питания специального назначения, примненение разнообразных по происхождению и химической природе субстанций, способствующих селективному размножению “дружественных” для человека анаэробных представителей нормальной микрофлоры (например, бифидогенных факторов), добавление в пищу различных метаболитов анаэробной кишечной микрофлоры, назначение иммуностимуляторов различного генеза, повышающих выработку секреторных иммуноглобулинов, стимулирующих другие механизмы местного и общего иммунитета, введение антиадгезивных антител или лектинов, блокирующих способность потенциально патогенных бактерий к адгезии, назначение агентов, специфически подавляющих рост несвойственных данному биотопу микроорганизмов (селективная деконтаминация специально подобранными неабсорбированными антибиотиками, бактериофагами, иммуноглобулинами и т.д.), оптимизация рН и редокс-потенциала путем назначения тех или иных сорбентов, антиоксидантов, детоксицирующих агентов и т.д.

Параллельно с оптимизацией микробной экологии пищеварительного тракта в повседневный пищевой рацион жителей ряда стран мира (прежде всего США, Западной Европы) во второй половине ХХ века стали активно вводить разнообразные моно- или композиции биологически активных добавок к пище (витамины, минералы, реже другие) с целью восполнения их недостатка в пище, поддержки функциональной активности органов и тканей, а затем для профилактики и лечения тех или иных заболеваний. Для обозначения новых категорий лекарственных препаратов, биологически активных добавок к пище и продуктов питания в научную и популярную литературу последней четверти ХХ века были внедрены разнообразные термины и обозначения (пробиотики, эубиотики, пребиотики, синбиотики, конбиотики, нутрицевтики, парафармацевтики, пробиотические продукты, лечебное питание, здоровое питание, функциональное питание и т. д.). Наиболее часто в последние годы, особенно за рубежом, для обозначения этих групп пищевых добавок и продуктов питания используют термины пробиотики и функциональное питание.

Таблица 1 Некоторые этапы развития концепции «пробиотики» 

 -    Lilly, Stilwell (1965) – пробиотики (п) – это микробные метаболиты, стимулирующие рост микроорганизмов
- Sperti(1971) – (п)  - это экстракты любых тканей, стимулирующие рост микроорганизмов
-    Parker(1974) – (п)  - это микробные препараты, регулирующие микробную экологию пищеварительного тракта                                                                                                                         
-  Fuller(1989) – (п)  – это препараты из живых микроорганизмов, оказывающие на макроорганизм благотворный эффект через коррекцию кишечной микрофлоры
-   Fuller(1995) – (п)  – это препараты из живых микроорганизмов или стимуляторы роста микробного, животного или растительного происхождения, оказывающие благоприятное влияние на  индигенную микрофлору
-   Gibson, Roberfroid (1995) – (п) - это пищевые добавки микробного происхождения, проявляющие свои позитивные свойства на макроорганизм через регуляцию кишечной микрофлоры
      Пребиотики - любые пищевые добавки, неперевариваемые кишечными соками, но подвергающиеся микробной ферментации, оказывающие благоприятный эффект на организм через стимуляцию роста и / или активности кишечной микрофлоры
-                    Б. А. Шендеров, M. А. Манвелова (1997, 2000) – (п) - это живые организмы и/или вещества микробного или иного происхождения, оказывающие при естественном способе введения благоприятные эффекты на физиологические функции, биохимические и поведенческие реакции организма хозяина через оптимизацию его микроэкологического статуса.



В Pоссии, наряду с термином "пробиотики", до настоящего времени широко используют в качестве его синонима термин "эубиотики", предложенный в свое время немецкими учеными. Чаще всего последним обозначают фармакопейные бактерийные препараты из живых лиофильно высушенных микроорганизмов, предназначенные для коррекции микрофлоры хозяина (например, бифидумбактерин сухой, бификол, ацилакт и др). Однако по своей сути эубиотики следует рассматривать как частную разновидность пробиотиков. Необходимо иметь в виду, что в зарубежной специальной литературе в последние годы термин "эубиотики" используется крайне редко.

Таблица 2 Некоторые этапы развития концепции «функциональное питание» в различных странах

 Япония
1955 г – разработан первый ферментированный кисломолочный продукт на основе лактобацилл, который вышел на рынок под лозунгом «хорошая микрофлора кишечника обеспечивает здоровый организм»
1989 г. - внедрение в научную литературу термина «функциональное питание»
1991 г - разработана концепции «пищевые продукты, специально используемые для поддержания здоровья (food for specified health use – FOSHU) (продукты, содержащие бифидобактерии, олигосахариды, пищевые волокна, эйкосапентаноиковая кислота)
США
1993 г - выделение из состава пищевых продуктов специальной группы пищевых субстанций, употребление которых снижает риск возникновения определенных заболеваний
1998 г - установлена связь между 11-ю пищевыми субстанциями и определенными заболеваниями (кальций и остеопороз, насыщенные жирные кислоты, холестерин, жир, пищевые волокна и сердечно-сосудистые заболевания, сахар, алкоголи и другие углеводы и кариес зубов и т. д.),
Швеция
1985 г - разработана концепция о взаимосвязи микрофлоры пищеварительного тракта с различными функциями макроорганизма (МАC – микроорганизм - ассоциированные характеристики и GAC -характеристики, не связанные с микроорганизмами).
1990 - 1996 г г установлена взаимосвязь между употреблением углеводов и ожирением, натрия и кровяным давлением, пищевых волокон и запором, кальция и остеопорозом, жира определенного состава и атеросклерозом, легко ферментированных углеводов и кариесом зубов, железом и железодефицитностью
СССР (Россия )
1972 г разработан препарат на основе живых бифидобактерий и установлена его эффективность для профилактики и лечения острых кишечных инфекций у детей
1970 - 1990 г г предложены биопрепараты на основе представителей нормальной кишечной микрофлоры для профилактики и лечения острых и хронических кишечных инфекций, запоров, аллергии, нейродермитов, внутрибольничных инфекций, дисбактериозов различного происхождения.

1989 г - издан приказ Министерства здравоохранения России о производстве кисломолочного бифидумбактерина на всех молочных кухнях россии для профилактики инфекционных заболеваний у детей раннего возраста

В европейской и североамериканской научной литературе, включая российской, до настоящего времени термины “probiotic food, functional food, nutraceuticals, pharmafoods” нередко используются как синонимы для обозначения разнообразных пищевых субстанций, используемых в медицине и в обычной жизни для поддержания здоровья, включая профилактику и лечение заболеваний человека. Так, проведенная в Брюсселе в марте 1999 года европейская конференция ”Технология производства нутрицевтиков” охватывала широкий спектр пищевых продуктов и напитков специального назначения, оказывающих позитивный эффект на здоровье человека (витаминизированные продукты питания, диетические и лечебные продукты питания, продукты и напитки для спортсменов, продукты с повышенным энергетическим потенциалом, специальные продукты для лиц, склонных к аллергическим реакциям, продукты для пожилых людей, для беременных и кормящих женщин, детское питание и т. д.).

Первоначально по классификации японских исследователей основными категориями функционального питания являлись продукты, содержащие бифидобактерии, олигосахариды, пищевые волокна, эйкосапентаноиковую кислоту. В последующем Министерство здравоохранения Японии значительно расширило перечень продуктов, относящихся к категории функционального питания (таблица. 3 ).

Таблица 3 Основные категории продуктов функционального питания





Пищевые волокна

Изопреноиды, витамины


Олигосахариды

Холины


Сахароспирты

Бифидобактерии и другие молочнокислые бактерии


Аминокислоты, пептиды, протеины

Минералы


Гликозиды

Полиненасыщенные жирные кислоты


Спирты

Фитопрепараты, антиоксиданты и т.д.
Ежегодный прирост японского рынка продуктов функционального питания в последние годы составлял порядка 8% и к 1995 году оценивался 4,5 миллиарда $ США. В скором времени он достигнет 1 триллиона йен в год (более 7 млрд. долл.). В Германии за период с ноября 1995 года по январь 1997 года сбыт пробиотических продуктов увеличился с 844 до 5927 тонн (соответственно с 4358000 до 32045000 марок). Ежегодный прирост продаж этой категории продуктов питания в данной стране составляет 17-20% и в скором времени он достигнет 7 миллиардов $ США В 1988 г в США нутрицевтиков было продано на сумму 2,5 миллиардов $. Предполагалось, что в США в 1995 году объем продаж этой категории продуктов составит 8 миллиардов $.Однако уже в 1999 году он достиг 76,89 миллиардов долларов. При этом 40% североамериканцев вместо традиционных лекарственных препаратов в настоящее время по медицинским показаниям и для укрепления своего здоровья используют нутрицевтики (пробиотики и продукты функционального питания). Европейский рынок продуктов функционального питания в 1997 году оценивался в 1.4 миллиардов $ США В 2003 г его стоимость должна достигнуть 3.3 миллиардов $ США, из которых 65% составят молочные продукты функционального питания, 9% - хлебобулочные изделия, 23% - различные пасты, мягкие сыры, джемы и др., 3% - напитки. Полагают, что в Европе к 2010 году рынок нутрицевтиков (продуктов функционального питания) превысит 30% всех реализуемых населению продуктов питания.

Согласно “Научная концепция функциональных продуктов питания в Европе” (Scientific Concepts of Functionsl Food in Europe), разработанной в 1995-1998 гг., продукты питания лишь в том случае могут быть отнесены к функциональным, если имеется возможность продемонстрировать их позитивный эффект на ту или иную ключевую функцию (функции) макроорганизма (помимо традиционных питательных эффектов) и получить веские объективные доказательства, подтверждающие эти взаимоотношения. Было рекомендовано по возможности идентифицировать конкретные маркеры этих функций, чувствительные к модулирующему эффекту пищевых факторов, если позитивные эффекты на эти функции проявляются при употреблении пищи (или ее действующего начала) в количествах, которые безопасны для организма. (таблица 4). Результирующим следствием воздействия на организм хозяина продуктов питания, классифицируемых как функциональное питание, должно быть улучшение здоровья и снижение риска возникновения заболеваний. Улучшение физического и психического здоровья, также как и предотвращение или уменьшение частоты возникновения заболеваний, являются главными критериями, позволяющими относить существующие или создаваемые вновь продукты питания к категории продуктов функционального питания. При этом представители этой новой группы продуктов должны оказывать свое благоприятное действие на организм при их употреблении в количествах сопоставимых с таковыми традиционных продуктов питания, т. е. это не должны быть пилюли, таблетки или капсулы.

Группа экспертов в области пищевой технологии, работавшая в рамках программы функционального питания, полагает, что в ближайшие годы наиболее перспективными являются разработки продуктов функционального питания на основе живых микроорганизмов человеческого происхождения, пищевых биологически активных белков, минералов, углеводов, сывороточных белков и антиоксидантов растительного происхождения.

Таблица 4 Ключевые функции организма человека, позитивное воздействие на которые, позволяет относить продукты к категории продуктов функционального питания

Рост, развитие и дифференциация (адаптивные изменения в организме матери во время беременности и лактации; развитие плода; рост и развитие ребенка в период новорожденности и детства)
Метаболизм различных субстратов (поддержание веса тела,.состава и распределения жирового слоя; сохранение энергетического баланса; содержание глюкозы, инсулина и триацилглицеридов в сыворотке крови; адаптация к физическим упражнениям)
Защита против соединений, обладающих оксидантной активностью (защита структуры и функции ДНК; защита структуры и функций циркулирующиъх в крови липопротеинов и полиненасыщенных жирных кислот в клеточных мембранах; защита структуры и функций белков)
Сердечно - сосудистая система (гомеостаз липопротеинов; целостность эндотелия и артериол; наблюдение за факторами, участвующими в коагуляции и фибринолизе; уровень гомоцистеина в плазме крови; контроль за кровяным давлением)
Физиология желудочно - кишечного тракта (вес и консистенция фекалий, частота стула, время транзита содержимого пищеварительного тракта, состав и количество газов в выдыхаемом воздухе)
Состояние нормальной микрофлоры (количество и состав микроорганизмов в фекпалиях, электронно-микроскопические исследования биопленки, гистохимические, морфологические исследования содержимого пищеварительного тракта, биотипирование выделяемых микроорганизмов, определение количественного и качественного состава микробных метаболитов, нагрузочные пробы с индикаторными микроорганизмами и химическими субстанциями, исследование микроорганизм-ассоциированных характеристик).

Состояние иммунной системы (состояние ассоциированной с пищеварительным трактом лимфоидной ткани, изучение активности фагоцитоза, содержания эндотоксина в сыворотке крови, определение иммуноглобулинов различных классов, Т- и В- лимфоцитов, интерлейкинов и медиаторов иммунного ответа и воспаления). Поведенческие реакции и состояние психического здоровья (аппетит, сытость, познавательные способности, настроение и жизнестойкость, способность справляться со стрессом)

Продолжение