Микробиом мочевыводящего тракта в норме и патологии


Мочевыводящие пути, ранее считавшиеся стерильным локусом организма, оказались вместилищем множества бактерий у здоровых людей. Обнаружение этого феномена привело к новым революционным исследованиям в урологии. Установлено, что микробиом мочевого тракта здоровых лиц может изменяться при урологических заболеваниях. На основании изучения микробиома могут быть разработаны новые диагностические и прогностические биомаркеры для использования в урологической клинической практике.

Представляем вашему вниманию обзор статьи специалистов в области урологии университета Малаги (Испания) I. M. Aragon, B. Herrera-Imbroda, M. I. Queipo-Ortun et al. В ней проанализированы данные литературы о роли микробиома мочевыводящих путей у здоровых людей и с различными нарушениями, а также о пользе пробиотиков и пребиотиков в лечении урологических заболеваний.

Известно, что в человеческом организме даже при состоянии полного здоровья обитают разнообразные микроорганизмы – бактерии, вирусы, дрожжеподобные грибы, простейшие. Количество микробных клеток примерно в десять раз превышает количество клеток самого человека. Под термином «микробиота» понимают многообразие микроорганизмов во всем макроорганизме, а термин «микробиом» обозначает совокупность генов всех микроорганизмов.

Программа Human Microbiome Project Национального института здоровья США была разработана в 2008 г. с целью комплексной оценки микробиома человека и анализа его роли в поддержании здоровья и развитии заболеваний человека. Первоначально в рамках этого проекта не планировались исследования микробиома мочевого пузыря. Одна из причин этого заключалась в том, что считалось неэтичным проведение биопсии мочевого пузыря или надлобковой аспирации у здоровых лиц, принимая во внимание возможность контаминации образцов мочи микроорганизмами из уретры. Кроме того, в течение длительного времени мочевой пузырь и моча при отсутствии клинических признаков патологии рассматривались как стерильные среды, поскольку технологических мощностей стандартних микробиологических методов было недостаточно, чтобы охарактеризовать полный спектр уринарной микробиоты. Достижения молекулярной биологии и совершенствование методов культивирования позволили определить специфический микробиом в локусах организма, которые ранее считались стерильными, в т.ч. мочевыводящие пути. Идентификация специфического микробиома в мочевыводящем тракте важна для понимания проблемы поддержания здоровья и/или развития определенных заболеваний. Однако трудно установить четкую связь между микробиомом и здоровьем или патологией без учета его изменения в течение жизни и в зависимости от сезона или под влиянием окружающей среды (инфекции, лечение, диета, гормональный статус или образ жизни). Таким образом, обнаружение уринарной микробиоты открыло новую область для исследований с целью разработки лечения, направленного на конкретные микроорганизмы.

Микробиом мочевыводящего тракта

Традиционно изучение уринарной микробиоты главным образом включало стандартное культуральное исследование мочи, имеющее существенные ограничения в отношении обнаружения полного спектра бактериальных видов. Внедрение новых методов, таких как секвенирование 16S рРНК и расширенное культуральное исследование мочи (expanded quantitative urine culture, EQUC) способствовало значительному расширению знаний о микробиоме мочевыводящих путей. Применение EQUC позволило выделить бактерии в 80% образцов мочи, для большинства из которых при стандартном посеве мочи был получен отрицательный результат. Обобщение результатов разных исследований уринарного микробиома у здоровых лиц представлено в таблице 1.

Как следует из таблицы 1, исследования микробиома отличаются по полу участников, размеру выборки и используемым методам. Тем не менее следует отметить, что в целом наиболее распространенными видами микроорганизмов были Lactobacillus и Streptococcus. Оба эти вида являются молочнокислыми бактериями, тесно связанными с некоторыми тканями организма, включая урогенитальный тракт, где они играют защитную роль. Другие бактериальные виды (Alloscardovia, Burkholderia, Jonquetella, Klebsiella, Saccharofermentans, Rhodanobacter и Veillonella) реже обнаруживались в образцах мочи. Представленные результаты исследований свидетельствуют о том, что разнообразие идентифицированных микроорганизмов зависит от методов сбора мочи и метода оценки микробиома. В связи с этим Wolfe et al. сравнивали различные методики сбора мочи для выявления бактерий в мочевом пузыре и пришли к выводу, что лучшими являются надлобковая аспирация и трансуретральная катетеризация, поскольку таковые минимизируют контаминацию из вульвовагинальной области. При сравнении методов изучения микробиома обнаружено, что при секвенировании 16S рРНК и EQUC определяются аналогичные (но не идентичные) профили микробиома. Так, род Trueperella обнаруживали только при бакпосеве, тогда как Atopobium – только посредством секвенирования. Возможным объяснением этих различий является отсутствие роста некоторых бактерий в условиях, применеяемых при EQUC. В то же время эта методика способствует усилению роста других штаммов, представленных в образцах мочи в небольшом количестве. Ограничением метода секвенирования 16S рРНК является невозможность дифференциации живых, погибших и разрушенных бактерий. Однако в этом аспекте заслуживает внимания гипотеза, которая заключается в том, что все бактерии, обнаруженные с помощью секвенирования, в т.ч. и погибшие, в какой-то момент были живы в организме человека и таким образом способствовали созданию микробиома. Поэтому идентификация бактериальных сообществ (живых или мертвых) посредством секвенирования позволяет получить дополнительную информацию, которую невозможно почерпнуть с помощью культуральных методов.

Некоторые авторы изучали вариации уринарного микробиома в зависимости от пола и возраста. С помощью секвенирования 16S рРНК в образцах мочи мужчин и женщин разного возраста Lewis et al. обнаружили, что Jonketella, Proteiniphilum, Saccharofermentans и Parvimonas были выделены только у пациентов старше 70 лет. Вместе с тем в этой возрастной группе также идентифицировали другие бактериальные виды, которые обычно находятся в мочевыделительном тракте независимо от возраста. Что касается гендерных различий уринарного микробиома, то Fouts et al. пришли к выводу, что таковой характеризуется преобладанием Lactobacillales у женщин и Corynebacterium у мужчин. Такие результаты могут быть обусловлены различиями в составе мочи, особенностями мочеиспускания и навыками гигиены у детей, взрослых и пожилых людей, а также различиями анатомических и гистологических структур, типов/уровней гормонов у мужчин и женщин.

Микробиом мочевыводящих путей в норме и патологии

В нескольких исследованиях в рамках Human Microbiome Project была обнаружена связь между некоторыми заболеваниями и изменениями микробиома кожи, желудка или кишечника. Изменения уринарного микробиома наблюдались у пациентов с урологическими нарушениями, такими как недержание мочи, рак мочевого пузыря и предстательной железы, нейрогенный мочевой пузырь, интерстициальный цистит, инфекции, передающиеся половым путем (ИППП), и хронический простатит/синдром хронической тазовой боли.

Изменения микробиома при недержании мочи

Значимость уринарного микробиома при ургентном и стрессовом недержании мочи изучена в шести исследованиях. Pearce et al. (2014) и Karstens et al. (2016) изучали бактериальные сообщества мочевыводящего тракта здоровых добровольцев и женщин с ургентным недержанием мочи. Pearce et al. сообщили о более высокой концентрации Gardnerella и более низкой – Lactobacillus у пациенток, страдающих недержанием, по сравнению со здоровыми женщинами контрольной группы. Авторы второго из упомянутых исследований обнаружили различия в относительном содержании 14 бактериальных таксономических единиц у пациенток с ургентной инконтиненцией и без таковой. Кроме того, было отмечено, что симптомы недержания мочи более выражены у лиц с меньшим микробным разнообразием.

Микробиом при раке урогенитального тракта

Во многих исследованиях уделялось внимание взаимосвязи между микробиомом хозяина и предрасположенностью к злокачественным опухолям в органах, кроме мочевыводящего тракта. Имеются явные доказательства такой ассоциации при колоректальной аденокарциноме, раке желудка, толстого кишечника и гепатобилиарной системы. При этих новообразованиях бактерии могут влиять на риск рака, препятствуя, в частности, действию β-катенина (является ключевым модулятором пролиферации и выживания опухолевых клеток). Кроме того, бактерии могут модулировать риск развития рака посредством образования канцерогенных химических веществ (например нитрозаминов и ацетальдегида) в результате метаболизма. Xu et al. (2014) обнаружили изменения в микробиоме у пациентов с уротелиальной карциномой. У них по сравнению со здоровыми лицами выявлено повышенное содержание стрептококков в моче. Однако для подтверждения этих результатов требуются широкомасштабные исследования.

В исследовании H. Yu et al. (2015) продемонстрирована значительная вариабельность микрофлоры секрета простаты, мочи и семенной жидкости у пациентов с раком или доброкачественной гиперплазией предстательной железы. У мужчин со злокачественным новообразованием простаты обнаружено повышенное содержание Bacteroidetes, Alphaproteobacteria, Firmicutes, Lachnospiraceae, Propionicimonas, Sphingomonas и Ochrobactrum. Также у больных раком простаты отмечено большее количество E. coli в семенной жидкости и секрете железы и меньшее – в моче. Кроме того, у них было большее число энтерококков в семенной жидкости при отсутствии существенных различий в образцах мочи и простатическом секрете. Авторы выразили предположение о возможной роли микробиома в патофизиологии рака предстательной железы.

Микробиом при другой урологической патологии

В нескольких исследованиях изучали микробиом на фоне интерстициального цистита, нейрогенной дисфункции мочевого пузыря, ИППП, хронического простатита/синдрома хронической тазовой боли (табл. 2).

Анализ микробиома у женщин с интер­стициальным циститом показал явные различия в таксономическом составе, богатстве и разно­образии такового по сравнению с микробным профилем у здоровых лиц. В образцах мочи женщин с этой патологией было обнаружено значительное увеличение численности рода Lactobacillus и уменьшение богатства и разнообразия микрофлоры в целом. Наличие Lactobacillus обычно ассоциируется с поддержанием кислой среды во влагалище, что обеспечивает защиту против инфекций. Однако в некоторых исследованиях продемонстрировано, что специфические виды Lactobacillus, такие как L. delbrueckii и L. gasseri, могут быть связаны с инфекциями мочевыводящих путей и ургентным недержанием мочи соответственно. Nickel et al. сравнили микробиом нижних мочевых путей у женщин с обострением интерстициального цистита и без такового. Применив универсальную биосенсорную систему Ibis T-5000, ученые обнаружили более 80 различных видов микроорганизмов (более 30 родов) в образцах мочи. Хотя между двумя группами пациенток не было выявлено существенных различий в видовом составе микроорганизмов, у лиц с обострением симптомов отмечены более высокие уровни грибов, таких как Candida и Saccharomyces.

Сравнение микробиома методом секвенирования 16S рРНК проводилось у мужчин и женщин с нормальной функцией мочевого пузыря и у пациентов с нейрогенной дисфункцией. В моче здоровых лиц в значительно большем количестве выявляли Lactobacillus и Corynebacterium, тогда как при наличии патологии преобладали Klebsiella, Enterococcus и Escherichia.

Nelson et al. использовали секвенирование 16S рРНК для анализа бактериальной микрофлоры в моче здоровых мужчин по сравнению с мужчинами с ИППП. У инфицированных пациентов доминировали бактерии, которые не идентифицируются стандартным культуральным методом: Sneathia, Gemella, Aerococcus, Anaerococcus, Prevotella и Veillonella. Методом секвенирования также обнаружено, что у пациентов с хроническим простатитом/синдромом хронической тазовой боли повышено содержание класса Clostridia по сравнению с группой контроля. Эти изменения также были связаны с тяжестью клинической симптоматики и с функциональными нарушениями метаболизма.

Результаты всех упомянутых исследований свидетельствуют о том, что некоторые урологические заболевания могут быть прямо или косвенно ассоциированы с микробиомом мочевыводящих путей. Полученные данные вызывают новые вопросы о возможных причинно-следственных связях. Для разрешения вопроса о роли изменений микрофлоры в развитии патологии мочевыделительной системы и разработки новых диагностических и прогностических биомаркеров на основе исследования микробиома необходимы дальнейшие проспективные исследования.

Роль пробиотиков и пребиотиков при урологических заболеваниях

Эффективность пробиотических микроорганизмов в лечении различных заболеваний является спорной проблемой. Пробиотики, как правило, применяются для модификации микробиома кишечника. Изменения кишечной микрофлоры связаны с подавлением роста патогенов, дифференцировкой или стимуляцией барьерной функции кишечного тракта, иммуномодуляцией и пролиферацией эпителиальных клеток. Различные клинические исследования проводились также для изучения положительного эффекта некоторых бактериальных штаммов при урогенитальных инфекциях, раке мочевого пузыря и нефролитиазе.

Наиболее распространенным методом лечения инфекций мочевыводящих путей (ИМП) является антибактериальная терапия. Однако известно, что использование антибиотиков широкого спектра действия может отрицательно влиять на благоприятную бактериальную флору в организме хозяина и, как следствие, на чрезмерный рост патогенных бактерий.

Длительное применение антибиотиков приводит к формированию бактериальной резистентности к некоторым препаратам в 50% случаев. С учетом вышеизложенного были разработаны пробиотики как альтернативная или дополнительная терапия для профилактики и лечения ИМП. Благоприятный эффект в лечении ИМП был продемонстрирован для различных штаммов Lactobacillus, например L. rhamnosus GR1, L. fermentum RC-14 и L. reuteri B-54. Антибактериальная активность штаммов Lactobacillus в основном осуществляется за счет действия молочной кислоты на метаболизм углеводов в гликозаминогликановом слое вагинального эпителия. Выделение молочной кислоты обусловливает существенное снижение рН (рН ≤ 4,5) и приводит к созданию неблагоприятной микросреды для большинства патогенных бактерий.

Кроме того, Lactobacillus вырабатывают дополнительные метаболиты, обладающие антибактериальными свойствами, в т.ч. перекись водорода и бактериоцин. В исследовании Y. Aso et al. оценивали профилактическое действие препарата Lactobacillus casei для перорального применения у пациентов (n = 138) с поверхностной переходноклеточной карциномой мочевого пузыря. Результаты свидетельствовали, что штамм Shirota вида L. casei может быть эффективным в профилактике и лечении опухолей мочевого пузыря без инвазии в мышечный слой. Снижение риска рака мочевого пузыря при регулярном употреблении молочнокислых бактерий также было продемонстрировано в исследовании японских ученых (Ohashi Y. et al., 2002) с участием 180 пациентов.

Различные препараты молочнокислых бактерий использовались для лечения и других урологических заболеваний (например мочекаменной болезни) с противоречивыми результатами. В нескольких исследованиях была обнаружена обратная связь между колонизацией кишечника Oxalobacter formigenes и образованием камней, содержащих оксалат кальция. Эти бактерии необходимы для расщепления в организме поступающего с пищей оксалата. В исследовании D. W. Kaufman et al. (2008) взрослых пациентов (n = 247) с рецидивирующими оксалатными камнями продемонстрировано, что колонизация O. formigenes ассоциировалась с 70% снижением риска уролитиаза.

Обсуждение

До недавнего времени бактерии рассматривались в урологии только как патогенные агенты, вызывающие инфекции. Идентификация и характеристика специфического микробиома в мочевыводящем тракте здоровых лиц, а также определение его роли в развитии некоторых урологических заболеваний, вызвали множество новых вопросов в урологии.

• Следует ли проводить скрининг микробиома мочевых путей перед назначением лечения?
• Может ли искусственная модификация уринарного микробиома способствовать более низкому риску или лучшему контролю заболевания?
• Влияют ли современные методы лечения на микробиом мочевыводящего тракта?
• Какой эффект на микробиом оказывает применение пробиотиков, лекарственных средств или модификация диеты?

Урологические заболевания остаются проблемой, влияющей на качество жизни многих людей. Опции, используемые урологами, включают хирургическую и медикаментозную терапию и иногда пробиотики. Если трансплантация микробиома кишечника способствует улучшению состояния при некоторых заболеваниях кишечника, может ли быть обоснованной и эффективной трансплантация уринарного микробиома?

Биомаркеры на основе микробиома могут представлять собой новые диагностические и прогностические факторы для определенных урологических заболеваний. Тем не менее еще предстоит много работы, чтобы внедрить знания о микробиоме в урологическую практику, а именно:

• согласовать стандартные процедуры в исследованиях микробиома мочевых путей;
• охарактеризовать специфический микробиом разных отделов мочевыводящего тракта (мочевой пузырь, уретра и т.д.);
• определить физиологические факторы, влияющие на микробные сообщества мочевыводящих путей, в т.ч. индивидуальные генетические характеристики;
• проанализировать значимость уринарного микробиома как диагностического и прогностического биомаркера;
• определить роль нарушений микробиома как фактора риска возникновения некоторых урологических заболеваний и возможного его взаимодействия с другими известными факторами риска.

Знания о микробиоме мочевыводящего тракта могут сыграть очень важную роль для улучшения диагностики, лечения и профилактики урологических заболеваний.

Выводы

Имеются доказательства того, что мочевыводящий тракт здоровых лиц содержит микробиом, который может изменяться при развитии заболеваний. Однако выводам относительно видов бактерий, ассоциированных с конкретным заболеванием, препятствует отсутствие согласованности в методологии, используемой исследователями. Тем не менее опубликованные до настоящего времени результаты открывают возможность дальнейшего изучения новых диагностических и прогностических биомаркеров на основе микробиома, которые могут быть использованы в клинической урологической практике.

Кроме того, несмотря на противоречивые мнения относительно использования пробиотиков и пребиотиков в лечении урологических заболеваний, все чаще появляются данные о возможности их использования в качестве первого этапа нормализации уринарного микробиома с целью снижения риска развития некоторых заболеваний мочевыводящих путей или как лечение таковых.

Подготовила Виктория Лисица

По материалам: I. M. Aragoґn, B. Herrera-Imbroda, M. I. Queipo-Ortuno et al.

The Urinary Tract Microbiome in Health and Disease.

European urology focus. 2018; 4: 128-138.