Журнал «Здоровье ребенка» Том 12, №2, 2017
Вернуться к номеру
Иммуномодулирующие свойства пробиотиков на основе Bacillus subtilis: перспективы клинического применения
Авторы: В. Николаенко
Рубрики: Педиатрия/Неонатология
Разделы: Справочник специалиста
Версия для печати
Резюме
Пробіотичні властивості одного з найбільш вивчених мікроорганізмів Bacillus subtilis, що має феноменальну стійкість до несприятливих факторів зовнішнього середовища і є одним з основних представників алохтонних бактерій кишечника людини, вже понад півстоліття привертають увагу вчених. За цей час були вивчені механізми позитивного впливу, що дозволяють використовувати ці бацили в лікувальних цілях: здатність до продукції антибіотиків і антагоністичний вплив на патогенну мікрофлору, участь у відновленні нормального біоценозу кишечника і порушених процесів травлення, протизапальний і репаративний вплив на слизову оболонку. Особливе значення для організму дитини, з його не до кінця сформованою системою імунного захисту, набуває здатність Bacillus subtilis впливати на різні ланки неспецифічного і специфічного імунітету, підвищуючи резистентність організму до різних патогенів бактеріального, вірусного і грибкового походження. Посилення імуномодулюючих властивостей рекомбінантного штаму Bacillus subtilis здатністю до активної продукції інтерферону дозволяє рекомендувати його для профілактики й лікування сезонних спалахів гострих респіраторних вірусних інфекцій та кишкових інфекцій, рецидивуючих респіраторних і хронічних інфекцій у дітей.
Пробиотические свойства одного из самых изученных микроорганизмов Bacillus subtilis, обладающего феноменальной устойчивостью к неблагоприятным факторам внешней среды и являющегося одним из основных представителей аллохтонных бактерий кишечника человека, уже более полувека привлекают внимание ученых. За это время были изучены механизмы позитивного влияния, позволяющие использовать эти бациллы в лечебных целях: способность к продукции антибиотиков и антагонистическое воздействие на патогенную микрофлору, участие в восстановлении нормального биоценоза кишечника и нарушенных процессов пищеварения, противовоспалительное и репаративное воздействие на слизистую оболочку. Особое значение для организма ребенка, с его не до конца сформированной системой иммунной защиты, приобретает способность Bacillus subtilis влиять на различные звенья неспецифического и специфического иммунитета, повышая резистентность организма к различным патогенам бактериального, вирусного и грибкового происхождения. Усиление иммуномодулирующих свойств рекомбинантного штамма Bacillus subtilis способностью к активной продукции интерферона позволяет рекомендовать его для профилактики и лечения сезонных вспышек острых респираторных вирусных инфекций и кишечных инфекций, рецидивирующих респираторных и хронических инфекций у детей.
The probiotic properties of one of the most studied microorganisms — Bacillus subtilis, which possesses a phenomenal resistance to unfavorable environmental factors and is one of the main representatives of allochthonous bacteria of the human intestine, have attracted the attention of scientists for more than half a century. During this time, the mechanisms of positive influence allowing the use of these bacilli for therapeutic purposes have been studied: the ability to produce antibiotics and antagonistic effects on the pathogenic microflora, participation in the restoration of normal intestinal biocenosis and disturbed digestive processes, anti-inflammatory and reparative effects on the mucous membrane. The ability of Bacillus subtilis to influence various links of nonspecific and specific immunity, increasing the body’s resistance to various pathogens of bacterial, viral and fungal origin, acquires special significance for the child’s body, with its not fully formed immune defense system. Strengthening the immunomodulatory properties of the recombinant Bacillus subtilis strain by its ability to actively produce interferon allows us to recommend it for the prevention and treatment of seasonal outbreaks of acute respiratory viral infections and intestinal infections, recurrent respiratory and chronic infections in children.
Ключевые слова
пробіотики; Bacillus subtilis; імунітет; інтерферон; мікробіоценоз; діареї; діти
пробиотик; Bacillus subtilis; иммунитет; интерферон; микробиоценоз; диареи; дети
probiotic; Bacillus subtilis; immunity; interferon; microbiocenosis; diarrhea; children
В последние десятилетия отмечено увеличение распространенности заболеваний кишечника у детей, как инфекционной, так и неинфекционной этиологии. Продолжает расти число случаев инфекционной диареи, от которой, по данным ВОЗ, ежегодно в мире умирает около полумиллиона детей младше 5 лет [1], у более половины (до 90 %) населения отмечаются различные проявления дисбиозов [2]. Во многом эти негативные тенденции связаны с неконтролируемым применением антибиотиков, приводящим к прогрессированию антибиотикорезистентности патогенных микроорганизмов, повышению частоты антибиотикассоциированных диарей, изменению состава микробиоценоза кишечника.
Кишечник является важным компонентом системы иммунологической защиты организма: ассоциированная с ним лимфоидная ткань GALT (gut associated lymphoid tissue) участвует в распознавании и презентации антигенов, в том числе и микробного происхождения, формировании специфического пула лимфоидных клеток, продуцирующих иммуноглобулины (в первую очередь IgA) и цитокины, стимуляции клеточного иммунитета [3]. Это определяет роль патологии желудочно-кишечного тракта в развитии иммунных нарушений, способных приводить к увеличению частоты инфекционной патологии других органов и систем (респираторной, мочевыводящей), повышению риска развития аллергических и аутоиммунных реакций.
Предпосылки для использования Bacillus subtilis в медицине
Сложная многоуровневая иммунная система человека сформировалась в противостоянии с болезнетворными микроорганизмами, а в качестве союзника и модели для отработки защитных реакций была задействована аутохтонная (индигенная) микрофлора, обитающая на поверхности тканей организма, контактирующих с внешней средой. Постоянно попадая в кишечный и респираторный тракт, аллохтонные бактерии компенсировали полученную возможность комфортного существования своих вегетативных форм целым рядом эффектов, благоприятных для их временного хозяина, в том числе и способностью подавлять конкурентные патогенные микробы. Поэтому закономерно, что в поиске средств защиты от инфекционных заболеваний ученые обратились к изучению свойств наиболее распространенных в природе бактерий.
Термин «пробиотик» был предложен в 1974 г. Паркером для обозначения организмов и субстанций, обеспечивающих равновесие кишечной микрофлоры, а согласно современному определению ВОЗ, так называют «живые микроорганизмы, которые при введении в адекватном количестве позитивно влияют на здоровье организма хозяина». Один из первых пробиотиков еще в 1835 г. выделил известный немецкий естествоиспытатель, автор термина «бактерии» Эренберг: он обнаружил, что даже после длительного кипячения настоя сена выживают споры бактерий, которые он назвал Vibrio subtilis, или сенной палочкой, в 1872 г. они были переименованы Кохом в Bacillus subtilis [4].
Впервые в лечебных целях эти бациллы были использованы для борьбы с симптомами дизентерии у немецких солдат во время Африканской кампании в 1941 году: редко болеющие кишечными инфекциями местные жители приписывали целебные антидиарейные свойства свежему конскому или верблюжьему навозу, из которого бактериологами вермахта было выделено основное действующее вещество — Bacillus subtilis [5]. В дальнейшем эти бактерии начали широко применять в Европе и Америке в качестве препарата для лечения инфекционных заболеваний кишечника, интерес к ним несколько поутих в 60-е годы после широкого внедрения антибиотиков и вновь возродился в конце прошлого столетия — одновременно с ростом разочарования в синтетических антибактериальных препаратах.
Палочковидные грамположительные Bacillus subtilis широко распространены в почве, воде и воздушной пыли — этим они обязаны феноменальной устойчивости спор к экстремальным факторам внешней среды, таким как высокая и сверхнизкая температура, воздействие токсинов, кислот и растворителей, УФ-облучение, а также своей способности ферментировать и превращать в доступные источники питания самые разнообразные вещества животного и растительного происхождения. Используя для выживания в анаэробных условиях бромирование бутандиола и аммонификацию нитратов с помощью двух различных типов нитратредуктаз, они обладают свойствами факультативных анаэробов [6].
Споры этих бактерий ученые относят к самым долгоживущим на Земле клеточным организмам. По отношению к вегетативным формам они не только являются аналогом содержимого яйца для зародышей птиц, но и способны подготавливать оптимальную окружающую среду для быстрого развития и размножения вегетативных форм, продуцируя большой спектр биологически активных веществ (в т.ч. антибиотиков, протеолитических ферментов, аминокислот, витаминов). Обнаружено, что они накапливают значительное количество кальция, дипиколиновой кислоты, а также магний, марганец, калий, могут связывать тяжелые металлы [7].
B.subtilis стала вторым после E.coli прокариотом, чей геном был полностью секвенирован, что открыло новые перспективы в плане создания генноинженерных штаммов этих бактерий с заданными полезными свойствами. Следует отметить, что наши ученые были в числе первых исследователей в этой области: еще в конце прошлого века на основе B.subtilis, выделенной в Киевском институте микробиологии, создан штамм рекомбинантных бактерий со встроенной плазмидой рВМВ 105, продуцирующей альфа-2-лейкоцитарный интерферон (α2-ИФ), который и сейчас под названием «Субалин» успешно применяется в разных областях медицины [8].
Феноменальная устойчивость к неблагоприятным факторам внешней среды, высокая метаболическая и антибактериальная активность, иммуномодулирующее действие — эти и другие свойства предопределили использование Bacillus subtilis в медицине (табл. 1). Одним из важных условий стало отсутствие патогенных свойств, подтвержденное FDA (Food and Drug Administration), присвоившей Bacillus subtilis статус GRAS (generally regarded as safe), и результатами тестов на токсичность, проведенными European Scientific Committee on Animal Nutrition и European Food Safety Authority (EFSA) [4].
Восстановление гомеостаза кишечника — важная составляющая системного иммунотропного действия B.subtilis
B.subtilis способны успешно конкурировать с другими, преимущественно патогенными или условно-патогенными микроорганизмами: 4–5 % их генома задействовано в продукции 66 различных низкомолекулярных полипептидных антибиотиков, таких как эрицин, субтилин, мерсацидин, бацилизин, коринебактин, микобациллин, диффицидин и др. [6].
Кроме того, они синтезируют бактериоцины и протеолитические ферменты, участвующие в разрушении оболочек патогенных микроорганизмов (грамположительных и грамотрицательных бактерий и дрожжевых грибков) и деградации эндотоксинов, что, вместе со способностью продуцировать органические кислоты и подкислять среду обитания, создает благоприятные условия для восстановления индигенной микрофлоры [6, 7].
Следует подчеркнуть, что В.subtilis характеризуются наибольшей антипатогенной активностью среди всех споровых пробиотиков и значительно превосходят лакто- и бифидобактерии по способности к эрадикации стафилококков, энтерококков и дрожжей. Хорошая защита и способность быстро размножаться в условиях кишечника человека позволяют B.subtilis достигать вполне сопоставимых с количеством лактобактерий концентраций (до 107 КОЕ/г), что соответствует их репутации одного из самых жизнеспособных представителей рода Bacillus [6, 9].
Все это позволяет эффективно использовать B.subtilis для лечения и профилактики диарей различной этиологии — проведенные многочисленные клинические исследования подтвердили ее высокую антагонистическую активность против ряда патогенов (Staphylococcus aureus, Escherichia coli, Salmonella enteritidis, Salmonella sp., Salmonella choleraesuis, Pseudomonas aeruginosa, Proteus vulgaris, Candida albicans, Klebsiella pneumonia, Citrobacter freundii, Morganella morganii, Yersinia enterocolitica, Shigella sonnei, Enterobacter agglomerans). Кроме того, их применяют при дисбиозах, при синдроме избыточного бактериального роста, для профилактики гнойно-септических осложнений. Всемирная гастроэнтерологическая организация — WGO (World Gastroenterology Organisation) рекомендует назначать пробиотики одновременно с курсами антибиотиков для снижения частоты побочных реакций и профилактики негативного влияния на микробиоценозы (Global Guardian of Digestive Health, 2008) [10, 11].
В обзоре канадских исследователей T.A. Tomp-kins и соавт. (2010) представлен анализ результатов 23 клинических исследований (с участием более 1800 пациентов) пробиотика, в состав которого входил штамм В.subtilis R0179, продемонстрировавших его эффективность в качестве монотерапии для купирования симптомов хронической диареи и синдрома раздраженного кишечника, в виде коадъювантной терапии при приеме сульфасалазина и месалазина — для ускорения наступления ремиссии при язвенном колите легкой и средней тяжести, а также с целью повышения комплайенса пациентов при проведении эрадикационной тройной терапии Helicobacter pylori [12].
Помимо антибактериального действия, B.subtilis, продуцируя различные протео- амило- и липолитические ферменты, некоторые полисахариды, эссенциальные аминокислоты и витамины, способствуют восстановлению нарушенных процессов пищеварения и регенерации слизистой кишечника, служат дополнительным источником нутриентов [7].
В исследовании M. Fujiya и соавт. (2007) была продемонстрирована способность CSF-фактора (competence and sporulation factor) B.subtilis индуцировать синтез белков теплового шока и активировать ключевые пути выживания эпителиальных клеток в неблагоприятных условиях, в том числе киназы р38 MAP и протеинкиназы В, что значительно уменьшает повреждение и приводит к восстановлению барьерной роли слизистой кишечника [13].
Таким образом, восстановление гомеостаза кишечника вследствие снижения нагрузки микробных и пищевых антигенов на иммунную систему, восстановления нормальной микрофлоры и слизистого барьера кишечника являются важными предпосылками иммунотропного действия B.subtilis.
Влияние B.subtilis на основные звенья врожденного и приобретенного иммунитета
В недавно опубликованном обзоре M.A. Suva и соавт. (2016), посвященном механизму действия и клиническому применению B.subtilis, приведены данные многочисленных работ, подтвердивших способность этого пробиотика стимулировать как неспецифический, так и специфический (гуморальный и клеточно-опосредованный) иммунный ответ, что позволяет эффективно использовать его не только при лечении воспалительных заболеваний кишечника, но и для системной стимуляция иммунного ответа с целью повышения общей резистентности к инфекционным заболеваниям [14].
В опытах на животных продемонстрировано активирующее воздействие спор штаммов B.subtilis B10, B.subtilis BS02 и B.subtilis (natto) B4 на макрофаги со стимуляцией выработки ими цитокинов [15]. На фоне приема препарата выявлено усиление продукции α- и γ-ИФ — важнейших факторов противовирусной защиты организма, стимулирующих активность макрофагов, естественных киллерных клеток и Т-лимфоцитов [16]. Существует ряд экспериментальных работ и клинических исследований, в которых доказано влияние этого пробиотика на гуморальный ответ, приводящее к увеличению продукции иммуноглобулинов IgG и IgA [16], и локальное противовоспалительное действие за счет снижения уровня провоспалительных цитокинов — интерлейкина-6 (IL-6), IL-17, IL-23 и фактора некроза опухоли α (TNF-α) [17]. Его коадъювантное действие, проявившееся в усилении системного гуморального ответа, было продемонстрировано в опытах с введением фрагментов столбнячного токсина и овальбумина [18].
Получено подтверждение участия спор определенных штаммов B.subtilis в мощной стимуляции GALT, сопровождающейся активацией Т-лимфо-цитов: выявленное повышение экспрессии активационных маркеров имело дозозависимый характер [19], а количественные и качественные характеристики иммунного ответа были сопоставимы с действием митогенов фитогемагглютинина и конкавалина А [20].
Иммуномодулирующее действие B.subtilis нашло подтверждение в результатах рандомизированного двойного слепого плацебо-контролируемого исследования, проведенного группой французских ученых под руководством M. Lefevre (2015) [19]. Согласно полученным данным, прием пациентами пожилого возраста (старше 60 лет) штамма B.subtilis CU1 значительно повышал в сравнении с плацебо уровни SIgA в содержимом кишечника и в слюне, а также сывороточное содержание γ-ИФ. Проведенный статистический анализ показал более низкую частоту респираторных инфекций в группе пациентов, получавших пробиотик. Итоги работы позволили авторам предложить использовать B.subtilis CU1 в качестве безопасного и эффективного средства для стимулирования системных и локальных иммунных реакций у пожилых людей, а также рекомендовать ежедневное употребление этого препарата в зимние месяцы с целью профилактики рецидивирующих респираторных инфекций.
Группа украинских исследователей под руководством проф. В.Е. Казмирчук, изучавшая влияние α2-ИФ-продуцирующего штамма B.subtilis УКМ В-5020 (Субалин) на клиническое течение эпизодов ОРВИ у часто болеющих пациентов, выявила достоверное снижение (в сравнении с группой контроля) длительности острого периода заболевания и отсутствие бактериальных осложнений ОРВИ, а также достоверное увеличение сывороточного содержания α-ИФ, более выраженную позитивную динамику показателей лейкоцитарной формулы и фактора активности нейтрофилов. Более того, проспективный анализ частоты заболеваемости ОРВИ в течение первых трех месяцев после окончания терапии пробиотиком выявил снижение этого показателя на 48 % и через полгода — на 27 %, тогда как в контрольной группе не было отмечено позитивной динамики [20].
По данным О.И. Лемко и соавт., использовавших этот же штамм Bacillus subtilis в лечении 120 пациентов с хроническими обструктивными заболеваниями легких (ХОЗЛ) вне периода обострения, включение препарата в традиционную терапию позволило добиться повышения иммунологической резистентности организма: была отмечена достоверная позитивная динамика показателей фагоцитоза, количества Т-лимфоцитов, иммунорегуляторного индекса СD4+/СD8+ и показателя степени иммунных нарушений, более выраженная при І и ІІ стадиях заболевания [21].
Заключение
Благоприятный профиль безопасности применения пробиотиков на основе Bacillus subtilis в сочетании со способностью восстанавливать физиологический микробиоценоз и гомеостаз кишечника определяют их важную роль в комплексном лечении инфекционных и воспалительных заболеваний органов пищеварения. Сочетание этих факторов с воздействием Bacillus subtilis на различные звенья неспецифического и специфического иммунитета делает перспективным их использование для профилактики и терапии вирусных, бактериальных и грибковых заболеваний других органов и систем организма. Усиление иммуномодулирующих свойств рекомбинантного штамма пробиотика способностью к активной продукции интерферона позволяет рекомендовать его для повышения иммунологической резистентности, профилактики сезонных вспышек ОРВИ и кишечных инфекций у детей, а также для профилактики и лечения хронических инфекций у иммунокомпроментированных пациентов (в т.ч. перенесших тяжелые операции, лучевую терапию, при синдроме приобретенного иммунодефицита).
Подготовила
к.м.н. Виктория Николаенко
Список литературы
1. http://www.who.int/topics/diarrhoea/en/
2. Броновец И.Н. Нарушение микрофлоры кишечника: профилактика и лечение // Медицинские новости. — 2009. — № 8. — С. 35-39.
3. Дранник Г.Н. Клиническая иммунология и аллергология. — М.: Медицинское информационное агентство, 2003. — С. 114-119.
4. https://ru.wikipedia.org/wiki/сенная_палочка
5. http://www.rense.com/general4/bac.htm
6. https://probakterii.ru/prokaryotes/species/bacillyus.html
7. Садунова А.В. Общая характеристика бактерий рода Bacillus. — Владивосток: Дальневосточный федеральный университет, 2013. — 66 с.
8. Старовойтова С.А., Скроцкая О.И. Пробиотики на основе трансгенных микроорганизмов // Biotechnol. Acta. — 2013. — № 1. — С. 34-45.
9. Sumi C.D., Yang B.W., YeoI.C., Hahm Y.T. Antimicrobial peptides of the genus Bacillus: A new era for antibiotics // Can. J. Microbiol. — 2015. — Vol. 61. — P. 93-103.
10. Verna E.C., Lucak S. Use of probiotics in gastrointestinal disorders: what to recommend? // Therapeutic Advan-ces in Gastroenterology. — 2010. — Vol. 3 (5). — P. 307-319. doi:10.1177/1756283X10373814.
11. Goldenberg J.Z., Ma S.S., Saxton J.D. et al. Probiotics for the prevention of Clostridium difficile-associated diarrhea in adults and children // Cochrane Database Syst. Rev. — 2013. May 31; (5):CD006095. doi: 10.1002/14651858.CD006095.pub3.
12. Tompkins T.A., Xu X., Ahmarani J. A comprehensive review of post-market clinical studies performed in adults with an Asian probiotic formulation // Benef. Microbes. — 2010. — 1 (1). — 93-106. doi: 10.3920/BM2008.1005.
13. The Bacillus subtilis quorum-sensing molecule CSF contributes to intestinal homeostasis via OCTN2, a host cell membrane transporter / Fujiya M., Musch M.W., Nakagawa Y. et al. // Cell. Host Microbe. — 2007. — Vol. 1. — Р. 299-308.
14. Suva M.A., Sureja V.P., Kheni D.B. Novel insight on probiotic Bacillus subtilis: Mechanism of action and clinical applications / J. Curr. Res. Sci Med. — 2016. — Vol. 2. — Р. 65-72.
15. Huang Q., Xu X., Mao Y.L., Huang Y., Rajput I.R., Li W.F. Effects of Bacillus subtilis B10 spores on viability and biological functions of murine macrophages // Anim. Sci J. — 2013. — Vol. 84. — Р. 247-252.
16. Huang J.M., La Ragione R.M., Nunez A., Cutting S.M. Immunostimulatory activity of Bacillus spores // FEMS Immunol. Med. Microbiol. — 2008. — Vol. 53. — Р. 195-203.
17. Gong Y., Li H., Li Y. Effects of Bacillus subtilis on Epithelial Tight Junctions of Mice with Inflammatory Bowel Disease // J. Interferon Cytokine Res. — 2016. — Vol. 36 (2) — Р. 75-85. doi: 10.1089/jir.2015.0030. Epub 2015 Dec 31.
18. Barnes A.G., Cerovic V., Hobson P.S., Klavinskis LS. Bacillus subtilis spores: A novel microparticle adjuvant which can instruct a balanced Th1 and Th2 immune response to specific antigen // Eur. J. Immunol. — 2007. — Vol. 37. — Р. 1538-1547.
19. Chistiakov D.A., Bobryshev Y.V., Kozarov E., Sobenin I.A., Orekhov A.N. Intestinal mucosal tolerance and impact of gut microbiota to mucosal tolerance // Frontiers in Microbiology. — 2014. — 5. — 781. doi:10.3389/fmicb.2014.00781.
20. Sorokulova I. Modern Status and Perspectives of Bacillus Bacteria as Probiotics // J. Prob. Health. — 2013. — Vol. 1, № 4. — Numb. of publ. 1000e106.
21. Lefevre M. Probiotic strain Bacillus subtilis CU1 stimulates immune system of elderly during common infectious disease period: a randomized, double-blind placebo-controlled study / Lefevre M., Racedo S.M., Ripert G. et al. // Immun. Ageing. — 2015. — 12. — 24. Epub 2015 Dec 3.
22. Казмірчук В.Є. Вивчення ефективності й безпечності застосування Субаліну при лікуванні ГРВІ у часто і тривало хворіючих пацієнтів / В.Є. Казмірчук, Д.В. Мальцев // Сучасні інфекції. — 2010. — № 3. — С. 100-106.
23. Лемко О.І. Особливості імунореабілітаційного впливу рекомбінантного пробіотика в комплексному відновлювальному лікуванні хворих на хронічне обструктивне захворювання легень [Електронний ресурс] / О.І. Лемко, Н.В. Вантюх, Л.А. Сафронова, І.С. Лемко // Український терапевтичний журнал. — 2012. — № 3-4. — С. 86-92.