Микробиом и аллергические заболевания у детей

В последние годы активно изучается потенциальная роль микробиома человека в модуляции иммунологической толерантности и патогенезе аллергических заболеваний. По определению, микробиом представляет собой совокупность микроорганизмов (МО) (бактерий, грибов, архебактерий и простейших) и вирусов, которые колонизируют определенную среду и физиологически, а иногда и патологически сосуществуют в симбиотических отношениях с человеческим организмом [1]. Микробный мир постоянно взаимодействует с человеческим организмом. Мы находимся в ежедневном контакте с бесконечным количеством и бесчисленными разновидностями микробов в окружающей среде. Одни бактерии могут проходить через организм, не причиняя ему никакого вреда, в то время как другие могут вызывать нежелательные последствия для здоровья [2].

Ежегодно отмечается рост различных аллергических патологий. Многие авторы отмечают, что такое быстрое изменение распространенности аллергических заболеваний среди детского населения не могло быть вызвано глобальными эволюционными процессами и генетической предрасположенностью, поэтому акцент причинно-следственных связей сместился в сторону изменений в окружающей среде, а также в образе жизни. Все большее количество людей предпочитают проживать в крупных городах, образ жизни в которых подразумевает определенные особенности питания и гигиены. Сократилось также общее количество детей в семьях, что уменьшает микробное разнообразие из-за более серьезного внимания к вопросам гигиены.

Доказано, что изменение образа жизни, переход от диеты с преимущественно высоким содержанием клетчатки к диете с высоким содержанием жиров и белков, а также выбор в пользу кесарева сечения и кормления из бутылочки влияют на состав микробиома [3]. В связи с развитием медицины, вакцинопрофилактики, а также медицинской грамотности населения значительно снизилось количество инфекционных заболеваний, что, несомненно, повлияло на общую картину заболеваемости населения [4].

В 1989 г. была представлена концепция, известная как гигиеническая гипотеза роста распространенности аллергических заболеваний. Исследователи предположили, что улучшение методов санитарной обработки продуктов питания, жилья, развитие медицины, использование антибактериальных препаратов и различных антисептиков привели к снижению частоты инфекционных и паразитарных заболеваний. Это в свою очередь повлекло изменение нозологического пейзажа и привело к росту аллергологической патологии с параллельным снижением доли инфекционных заболеваний. Опубликовано достаточно большое количество работ, доказывающих, что в результате взаимодействия микробов с организмом хозяина происходит стимуляция регуляторных иммунных механизмов. Взаимодействие микробов с организмом хозяина, как извне, так и с микробиомом самого человека, стимулирует иммунную регуляцию с преобладанием Th1-вектора иммунных реакций [5]. И наоборот, обеднение микробиома, в частности микробиома кишечника, вместе со снижением доли паразитарных и бактериальных инфекций из-за улучшения гигиенических условий неминуемо приводит к росту Th2-опосредованных иммунных реакций. Так, на сегодняшний день доказано, что уменьшение доли паразитарных и микробных инфекций выразилось в снижении RORyt⁺Treg-регуляторных В-клеток, продуцирующих интерлейкин 10. Это в свою очередь привело к смещению вектора иммунных реакций в сторону Th2-реакций с развитием гиперчувствительности к ранее безобидным антигенам, таким как пыльца или пища [6, 7].

В подтверждение положительного влияния микробного и паразитарного мира на развитие и течение аллергических заболеваний недавно были опубликованы работы, в которых показано, что иммуноглобулины G (IgG), индуцированные плоским червем шистосомой, проявляют блокирующие свойства по отношению к IgE Ara h1, Bet v1, Phl p1, Phl p 5b. Реактивность IgG-шистосомы в основном была обусловлена сходными гликанами, которые присутствуют на гельминтах и растениях, что проявляется блокирующей активностью в отношении аллергических реакций на пыльцу и арахис [8, 9]. Другой механизм блокирующего влияния аллергической реактивности был продемонстрирован с помощью молекулы трансформирующего фактора роста β – белка с цитокиноподобной функцией, продуцируемого многими паразитами, который способен использовать эндогенный путь иммунорегуляции в организме хозяина. Данная молекула может индуцировать Foxp3⁺Treg-клетки. Вместе они потенциально могут связываться с IgE и блокировать FceRI на тучных клетках [10].

Очевидно, что микробиом в целом, а также микробиота кожи и желудочно-кишечного тракта синергично и сами по себе могут влиять на развитие и течение аллергических заболеваний. В то же время на формирование микробиома может влиять значительное количество факторов. И в настоящее время точкой отсчета формирования микробиома считается уже не путь родоразрешения, а пейзаж микробиома матери во время беременности и даже зачатия [11].

Инновации в молекулярной области, в частности амплификация и секвенирование гена, кодирующего 16S-рибосомальную РНК, позволили получить большое количество данных о различных видах бактерий, присутствующих в организме. Полученные данные позволили составить так называемые карты биогеографии МО, обитающих в таких областях тела, как кожа, кишечник, слизистая оболочка полости рта или влагалища [12].

Первые исследования были направлены на поиск связей между началом аллергических заболеваний и факторов окружающей среды с использованием эпидемиологических данных и разработкой так называемой гигиенической гипотезы: было обнаружено, что респираторные аллергии или атопический дерматит чаще встречаются у детей из маленьких семей, чем у детей из больших семей. Дальнейшие исследования показали, что дети, прожившие первые годы своей жизни в сельской местности, в тесном контакте с животными и потреблявшие непастеризованное молоко, имели более низкую частоту аллергии [13].

Эти исследования привели к предположению о роли микробиома в этих заболеваниях, что позволило выявить некоторые неонатальные и материнские факторы, которые могут повлиять на развитие иммунной системы в первые месяцы жизни и таким образом определить ключевую роль в потенциале развития аллергических заболеваний [14].

Внутриутробное формирование микробиома ребенка

Во время беременности плод испытывает внутриутробный контакт с материнскими микробами [15]. Доказано, что плацента не только функционирует как источник обмена питательных веществ, но и имеет богатый метаболический микробиом. Микробный контакт внутриутробно связан с изменением профиля экспрессии генов (TLR) врожденного иммунитета плода в кишечнике. Примечательно, что, согласно последним исследованиям, особенности врожденного иммунитета могут быть модулированы посредством диетических вмешательств в рацион будущей матери с использованием специфических пробиотиков, а также посредством изменения места проживания во время беременности [11, 16]. Согласно исследованиям, у женщин, беременность которых протекала в сельскохозяйственной среде, отмечалось увеличение количества и повышение эффективности Treg-лимфоцитов, что сопровождалось изменением профиля цитокинов в пуповинной крови новорожденных с преобладанием противовоспалительного вектора.

Микробная популяция в амниотической жидкости, несмотря на низкое изобилие, богатство и разнообразие, также может влиять на формирование микробиома плода [17], что подтверждается наличием в меконии новорожденного микробного пейзажа, практически идентичного таковому в околоплодных водах. Наиболее распространенными в амниотической жидкости являются различные протеобактерии с высоким обилием видов, принадлежащих к семейству Enterobacteriaceae, таких как Enterobacter и Escherichia/Shigella, некоторые типы Lactobacillus, Staphylococcus и Streptococcus [17]. Что касается бифидобактерий, то уже к моменту рождения ребенка данный вид монофилетических (идентичных материнским) микроорганизмов обнаруживается в меконии ребенка, что свидетельствует об интранатальной транслокации данных штаммов бактерий. Примечательно, что среди детей, родившихся путем кесарева сечения, монофилетические бифидобактерии практически не наблюдается [18]. В подтверждение положительного влияния микробного окружения на формирование микробиома ребенка опубликованы результаты исследований, проведенных на новорожденных, родившихся вагинально или путем кесарева сечения, и показавших, что колонизация различных областей (кожи, рта, кишечника) состоит из таких видов, как Sneathia и Lactobacillus spp. (бактерии, присутствующие в родовых путях рожениц), в то время как у детей, родившихся путем кесарева сечения, наблюдается преобладание Staphylococcus и Streptococcus spp. Эти результаты подтверждают предыдущие эпидемиологические исследования, показавшие снижение риска развития аллергических заболеваний у детей, родившихся вагинально [19].

Такое разнообразное микробное окружение во время беременности и родов влияет на экспрессию генов врожденного иммунитета ребенка, что позволяет новорожденному быть более толерантным к микробному окружению вне утробы матери после рождения [20].

Бронхиальная астма, аллергический ринит и микробиота

Концепция единого воспаления верхних и нижних дыхательных путей, основанная на феномене солидарности слизистых оболочек, подробно описана в ряде работ и лежит в основе формирования воспалительного каскада, клинически определяя фенотипы болезни [21]. Исследования потенциальной связи между микробиомом и бронхиальной астмой (БА) и аллергическим ринитом (АР) были вызваны открытием посредством амплификации ДНК с использованием 16S РНК микробиома легких, что в дальнейшем привело к пересмотру теории о стерильности нижних дыхательных путей [19]. Однако ранее, еще в 2010 г., M. Hilty и соавт. провели культуральное исследование бронхиальных лаважей 20 детей, 17 из которых страдали БА, семь – составляли контрольную группу. В результате было продемонстрировано, что у пациентов с БА микробиом бронхиального дерева представлен преимущественно бактериями рода Proteobacteria, включающего роды Haemophilus, Moraxella и Neisseria. В контрольной группе здоровых детей микробиом был представлен преимущественно МО типа Bacteroidetes рода Prevotella, что составляет нормальную флору полости рта [22]. Впоследствии исследование R.P. Dickson и соавт. показало, что МО типа Firmicutes также широко распространены у здоровых людей, хотя обычно колонизируют верхние дыхательные пути [23].

В 2007 г. в проспективном исследовании приняли участие 411 новорожденных детей, рожденных от матерей, страдающих БА. Был проведен анализ микробиоты, собранной из аспиратов гипофаринкса в возрасте одного месяца. Далее эти дети находились под наблюдением до возраста пяти лет. На протяжении всего периода наблюдения регистрировались эпизоды ларинготрахеитов, обструктивных бронхитов. В результате наблюдения было установлено, что дети, колонизированные в области гипофаринкса такими МО, как S. pneumoniae, H. influenzae и M. catarrhalis, или комбинацией этих МО, были подвержены более высокому риску рецидивирующих эпизодов обструктивного бронхита и БА в раннем возрасте [24].

В ряде исследований указывается на меньшую частоту БА у детей, проживающих в сельской местности, по сравнению с теми, кто живет в крупных городах. Предполагается, что контакт с животным миром, преобладание в рационе необработанной пищи (пастеризация и другая промышленная обработка продуктов питания) способствуют снижению риска развития БА [25].

Взаимосвязь кишечного пейзажа и заболеваний бронхолегочной системы была продемонстрирована относительно недавно. В ходе эксперимента выделено две группы мышей, одну из которых кормили пылью из домов, где проживали собаки. В результате было установлено, что у мышей, выкормленных домашней пылью, при стимуляции различными аллергенами, а также респираторно-синцитиальным вирусом отмечалась значительно менее выраженная воспалительная реакция со стороны бронхиального дерева по сравнению с контрольной группой. У мышей экспериментальной группы также наблюдалась высокая концентрация Lactobacillus johnsonii, что косвенно свидетельствовало о протективном влиянии микробиома кишечника на аллергические реакции легких [26]. Дальнейшие доказательства были представлены недавними исследованиями на мышах, которые показали, что диета, богатая ферментированными продуктами, содержащими МО родов Firmicutes и Bacteroidetes, увеличивает содержание короткоцепочечных жирных кислот, которые ингибируют дендритные клетки, опосредующие Th2-ответ, тем самым обеспечивая защиту от аллергического воспаления легких [27].

Микробиота и пищевая аллергия

Пищевая аллергия является результатом измененного иммунного ответа на некоторые продукты. На данный момент времени до конца неясно, почему у некоторых людей развивается чувствительность к некоторым продуктам питания, которые большинство переносят нормально, но научные данные свидетельствуют о том, что окружающая среда играет определенную роль в этих процессах [28].

С точки зрения распространенности пищевой аллергии в различных возрастных группах следует отметить, что у маленьких детей пищевая аллергия на молочные и яичные белки является наиболее частой формой сенсибилизации. Однако по мере взросления на первый план выходит сенсибилизация к арахису, орехам, рыбе и морепродуктам [29].

Благодаря последним исследованиям стало очевидно, каким образом тип и характер питания влияют на микробиом. Показано, что колонизация различными МО с последующим взаимодействием с клетками иммунной системы и формированием пищевой толерантности происходит в основном в течение первой тысячи дней между пренатальным и неонатальным периодами. Действительно, в течение этого времени микробиом развивает индивидуальные особенности, приобретая видоспецифичность, которая будет характеризовать его на протяжении всей жизни [30]. Так, при вагинальных родах новорожденный вступает в контакт с микробиомом кишечника и половых путей матери, тем самым способствуя колонизации своих слизистых оболочек бифидобактериями, лактобактериями, бактероидами и клостридиями [31]. При кесаревом сечении колонизация происходит в основном МО кожи матери, что прогностически является неблагоприятным для формирования нормального микробиома [32].

На современном этапе разработки концепции профилактики пищевой аллергии огромное внимание уделяется пропаганде и сохранению грудного вскармливания. Грудное молоко естественным образом колонизируется бифидобактериями и лактобактериями, особенно Bifidobacterium breve, Lactobacillus salivarius и Lactobacillus fermentum, однако оно прежде всего содержит олигосахариды, устойчивые к пищеварительным ферментам, которые в свою очередь способствуют росту бифидобактерий с увеличением короткоцепочечных жирных кислот, иммуномодулирующий эффект которых уже рассматривался в отношении БА. В отличие от грудного вскармливания при использовании молочных смесей отмечается диверсификация в сторону преобладания энтерококков рода Enterobacteriaceae и Bacteroides с параллельным уменьшением представителей рода бифидобактерий, что приводит к снижению продукции короткоцепочечных жирных кислот и, следовательно, к большей воспалительной реакции Th2-лимфоцитов [28].

Эти результаты были использованы для сравнения микробиомов здоровых детей с микробиомами тех детей, которые страдают пищевой аллергией. Было продемонстрировано, что снижение количества видов бифидобактерий и лактобактерий в течение одного-двух месяцев может быть связано с дебютом пищевой аллергии в возрасте до пяти лет, что свидетельствует о защитном эффекте грудного молока от развития пищевой аллергии [33]. Испанские исследователи сравнили 46 детей с аллергией на белки коровьего молока и 46 детей без аллергии, проанализировав микробиом их кишечника. Согласно наблюдениям, дети с пищевой аллергией продемонстрировали большее разнообразие видов бактерий по сравнению со здоровыми детьми. По окончании шестимесячной диеты на основе высокогидролизированных молочных смесей микробиом у аллергических субъектов изменился следующим образом: уменьшилось количество бифидобактерий и увеличилось количество лактобактерий [34].

В рамках другого исследования было продемонстрировано протективное влияние на формирование пищевой толерантности к белкам коровьего молока (БКМ) таких МО, как клостридии и фирмикуты. Оценивался состав микробиома детей с аллергией на БКМ в возрасте трех и шести месяцев. Далее состав микробиома оценивался в возрасте восьми лет. Микробиом, богатый клостридиями и фирмикутами, часто встречался у детей, которые в возрасте восьми лет показали приобретенную толерантность к БКМ, что свидетельствует о потенциальной роли этих микроорганизмов в лечении пищевой аллергии на БКМ [7].

Достойно внимания опубликованное исследование, в рамках которого оценивалась терапевтическая роль в формировании толерантности к БКМ лактобактерий (L. rhamnosus GG). С этой целью была синтезирована экстенсивно высокогидролизованная казеиновая формула, дополненная L. rhamnosus GG. В группе сравнения дети получали аналогичную смесь, только без L. rhamnosus GG. В возрасте 36 месяцев было продемонстрировано, что формирование и приобретение толерантности к БКМ было достоверно и значительно выше у детей, получавших смесь и пробиотик, по сравнению с детьми, получавшими только смесь [35].

Опубликованы данные неконтролируемого исследования, показавшего, что пероральные добавки с L. rhamnosus GG могут повысить эффективность пероральной иммунотерапии в индуцировании пищевой толерантности к арахису у детей с аллергией на арахис [36]. Однако необходимы дальнейшие исследования, включая контрольную группу, чтобы определить, будет ли модуляция микробиома во время иммунотерапии способствовать приобретению стойкой невосприимчивости к пищевым аллергенам.

Таким образом, на сегодняшний день нельзя однозначно утверждать, что пробиотики могут быть важным инструментом в лечении пищевой аллергии. В то же время нельзя и категорически отрицать отсутствие определенного терапевтического эффекта в процессе лечения и профилактики пищевой аллергии.

Микробиота и атопический дерматит

Как уже упоминалось выше, микробиом кожи очень сильно зависит от методов родоразрешения. Если дети, рожденные естественным путем, колонизируются бактериями, принадлежащими к микробиоте желудочно-кишечного тракта и влагалища матери, то дети, рожденные путем кесарева сечения, – бактериями, присутствующими на коже [19]. Это было продемонстрировано в исследовании, опубликованном в 2010 г., в котором был проанализирован микробиом кожи четырех детей, родившихся при вагинальных родах, и шести детей, родившихся путем кесарева сечения. Оно подтвердило, что виды Lactobacillus, Prevotella и Sneathia species обнаруживались на коже детей, родившихся естественным путем, в то время как Staphylococcus, Corynebacterium и Propionibacterium были распространены на коже детей, родившихся путем кесарева сечения [36].

Как известно, атопический дерматит (АтД) – заболевание, характеризующееся нарушением кожного барьера и приводящее к увеличению проницаемости кожи, повышению рН, большему риску аллергической сенсибилизации и, как следствие, снижению защиты от резидентных МО, что способствует хроническому рецидивирующему воспалению [37, 38].

Распространенность АтД среди детей неуклонно растет, что, несомненно, отражается в поиске новых решений для профилактики и лечения данного заболевания [39].

Согласно последним сравнительным исследованиям, микробиома кожи у пациентов с АтД и здоровых добровольцев, в данных популяциях выявлены значительные различия в пейзаже микробиома, а также в его межвидовом разнообразии. Неоднократно отмечено преобладание на коже S. aureus у пациентов с АтД, а также изменение микробиоты кожи в ответ на топические глюкокортикостероиды. Примечательно, что во время обострения АтД отмечается снижение микробного разнообразия, которое постепенно восстанавливается в ответ на проведение топической глюкокортикостероидной терапии. В то же время при исследовании микробиоты кожи здоровых людей отмечено, что основным представителем микробиома является S. epidermidis, который в сочетании с другими бактериями (коагулазонегативными стафилококками) может секретировать антимикробные препараты, ограничивающие чрезмерный рост и образование биопленки S. aureus [24].

Распространенность S. aureus по сравнению с распространенностью S. epidermidis у пациентов, страдающих БА, является полезной отправной точкой для дальнейших научных исследований, направленных в первую очередь на определение его потенциальной роли в развитии заболевания и связи с кесаревым сечением, ассоциированным с большей восприимчивостью к колонизации S. aureus.

Это предположение подтверждается результатами немецкого исследования, опубликованного в 2018 г., в котором была обнаружена более тесная связь между диагнозом АтД и родоразрешением путем кесарева сечения [40].

Важно отметить, что не только состав микробиоты кожи играет важную роль в сохранении целостности кожного барьера как основы здоровья кожи. Патогенетически определенная роль отведена трансдермальной потере липидов, таких как сфингозины и керамиды. Присутствие их на коже является своего рода субстратом для роста МО, антагонистических S. aureus. Напротив, их потеря в стадии обострения АтД может способствовать усиленному росту S. aureus [41].

Однако не только бактериальные виды микробиоты кожи вовлечены в патогенез АтД: как описано в обзоре N. Lunjani и соавт., грибковая ДНК Malassezia была обнаружена на 90% площади пораженной кожи при АтД, и она может способствовать поддержанию воспалительного процесса за счет продукции ряда иммуногенных белков, которые в свою очередь индуцируют выработку провоспалительных цитокинов кератиноцитами кожи [42].

Таким образом, снижение микробного разнообразия кожи больных АтД, а также чрезмерный рост S. aureus способствуют поддержанию воспаления в коже. С этой точки зрения перспективным в отношении терапии АтД может служить разработка топических средств, содержащих местные пребиотики, которые могли бы модулировать рост защитной микрофлоры и контролировать избыточный рост S. aureus и Malassezia [43].