Микробиота фото: особенности перекрестнопарных растений, правила посадки и ухода, примеры в ландшафтном дизайне

особенности перекрестнопарных растений, правила посадки и ухода, примеры в ландшафтном дизайне

Микробиота представляет собой род хвойных кустарников, произрастающих преимущественно на востоке нашей страны. Самым важным моментом при описании данного растения садоводы считают его компактность, благодаря которой хвойные кустарники активно используются многими при оформлении ландшафтного дизайна на дачном участке или перед коттеджем. Интересно, что в местах, где растет микробиота, практически невозможно встретить какие-либо сорняки, ведь рядом с ней они попросту не могут выжить. Далее более подробно ознакомимся с описанием хвойных кустарников, узнаем их виды и сорта, а также рассмотрим оригинальные примеры ландшафтного дизайна.

Описание

Микробиота относится к семейству кипарисовых, ее род представлен исключительно одним видом – микробиотой перекрёстнопарной (Microbiota decussata). Многие специалисты считают микробиоту подвидом казацкого можжевельника. Данное растение — идеальное решение для украшения ландшафтного дизайна в саду в любом регионе, поскольку оно сочетается не только с другими хвойными растениями, но и со многими цветами.

Микробиота перекрёстнопарная была открыта не так давно. Несмотря на свою широкую популярность сегодня, она уже занесена в Красную книгу. Тем не менее исчезновение данному растению не грозит, так как оно широко выращивается в нашей стране многими садоводами. Занесение в Красную книгу связано с тем, что у данного растения нет так называемых родственников, произрастающих в других странах.

В весенне-летний период окрас хвойного растения насыщенно-зеленый, а вот осенью и зимой – коричневый с красноватым оттенком. Этот стелющийся кустарник может достигать в высоту 30-50 см, диаметр кроны обычно бывает не более 2 метров. Ветки у растения тонкие и раскидистые, довольно плотно прижимаются к земле.

Хвоя у кустарников микробиоты чешуйчатая, длиной около 2 мм, на верхушке слегка заостренная. Микробиота, как и другие хвойные растения, имеет небольшие округлые шишки бурого цвета. При вызревании они очень часто растрескиваются.

Из них можно собирать семена и использовать в дальнейшем для размножения культуры.

Виды и сорта

Несмотря на то что микробиота перекрёстнопарная (декуссата) представлена лишь одним видом в своём роде, специалистами были выведены несколько сортов, рассмотрим их более подробно.

• Northern Pride. Данный сорт представляет собой раскидистую микробиоту, которая всего лишь при помощи нескольких растений может покрыть огромную площадь сада.

• Celtic Pride. А вот данный сорт, наоборот, представляет собой очень компактный и менее раскидистый кустарник. Идеально подойдет для создания аккуратных композиций в ландшафтном дизайне.

• «Карнавал». У этого сорта на зеленых ветках виднеются пятна желто-золотистого цвета, однако их количество незначительное.

• «Якобсен». Считается, что данный сорт был выведен специалистами из Дании. Ветки плотные, само растение имеет склонность расти вверх. Побеги этого растения вырастают как бы перекрученными, что придает ему особый колорит.

• Goldspot. У данного сорта ветки имеют пятнистый зелено-желтый окрас. К осеннему периоду могут стать полностью зелеными.

Большая часть сортов очень неприхотливы в посадке и дальнейшем уходе, а потому выбирать понравившийся рекомендуется по внешним признакам. Микробиота прекрасно растет в городской среде, а потому многие ее сорта можно без опаски высаживать у своего коттеджа. На дачах же и приусадебных участках такое хвойное растение встречается очень часто.

Посадка

Микробиота является морозостойким растением, которое прекрасно выживает даже в суровом климате. Также данное растение не боится резких перепадов температуры и сильных ветров. Для посадки микробиоты рекомендуется отдавать предпочтение рыхлым суглинистым почвам и тем, которые содержат песок. Кислые почвы растение переносит с трудом.

Микробиота отлично растет на склонах. Лучше всего для данного растения выбрать место в тени. Однако солнечные участки не сильно влияют на жизнедеятельность, разве что немного замедляют рост ввысь. Стоит отметить, что

на тяжелой суглинистой почве растение может расти и развиваться очень долго.

При посадке между двумя кустарниками рекомендуется соблюдать дистанцию в 1 метр. Посадочная яма должна соответствовать размерам корневой системы растения. При посадке в яму рекомендуется засыпать дренаж. Заглубление корневой шейки растения возможно до 2 сантиметров. В качестве посадочного субстрата можно использовать специальные смеси или песок, смешанный с грунтом и торфом.

При соблюдении рекомендованных условий посадки в открытом грунте растение будет развиваться без каких-либо проблем.

Последующий уход

После посадки растению требуются регулярный полив и мульчирование, которое благоприятно сказывается на состоянии микробиоты, а также служит профилактикой различных заболеваний и нападения вредителей. В качестве мульчи можно использовать специальную торфяную крошку. Время от времени микробиоту следует полоть и рыхлить рядом с ней почву. Обрезку садоводы осуществляют крайне редко, поскольку микробиота и без того прекрасно держит форму кроны.

Полив

Первый полив осуществляется сразу после посадки, далее он должен быть регулярным и обильным, но переливать не стоит. Считается, что растение неплохо переносит засуху. Оптимально поливать микробиоту по мере пересыхания почвы, но не чаще раза в неделю.

При сильной засухе полив может быть увеличен, а при частых осадках, наоборот, уменьшен. Следует отметить, что при чрезмерной влажности корни растения могут начать болеть и загнивать.

Подкормка

Считается, что и без дополнительных удобрений микробиота развивается очень быстро. Чрезмерно частые удобрения растению не нужны, разве что в молодом возрасте. Обычно профилактические удобрения проводятся в весеннее время года, наиболее часто для этого применяются универсальные подкормки, которые можно приобрести в любом специализированном магазине. Также удобрять растение можно и в конце лета. Делается это для того, чтобы нарастить обильную зеленую массу и подготовить растение к зимовке.

Не рекомендуется использовать азотные удобрения, которые растение очень плохо переносит. А вот комплексные минеральные удобрения с магнием будут весьма кстати. Если в посадочную яму изначально вносились удобрения, то первая подкормка рекомендована растению не ранее, чем через 2 года. В качестве удобрения идеально использовать компост из расчета 4-5 кг на 1 кв.м.

Обрезка

Как уже отмечалась, стрижка микробиоты – процедура необязательная. Обычно обрезка проводится для создания и сохранения красивой формы кустарника. Формирующая кустарник обрезка может проводиться ежегодно, обрезают побеги в весеннее время года, но не более чем на треть.

Обязательному удалению подлежат только высохшие и больные ветви растения, а также те, что подверглись нападению вредителей.

Подготовка к зиме

Несмотря на то что микробиота не боится заморозков, ее следует правильно подготовить к зиме в осенний период. В конце лета можно подкормить растение, а к концу осени следует обильно полить хвойник. Для молодых растений желательно сделать укрытие. Взрослые также следует укрывать, если зима малоснежная. Без снега растения очень уязвимы.

Борьба с болезнями и вредителями

Болезни и вредители поражают микробиоту достаточно редко. Связано это с ее природной устойчивостью к ним и хорошим иммунитетом. При правильном поливе, мульчировании и регулярных подкормках заболеваний можно полностью избежать. При обнаружении каких-либо насекомых на ветках можно использовать народные средства, а также специальные инсектициды.

Размножение

Размножают микробиоту семенами и черенками. Первый способ довольно кропотлив, именно поэтому его крайне редко выбирают не только новички, но и опытные садоводы. Семена обычно достают из шишек, что также может доставить немало хлопот.

Черенкование не всегда дает хорошие результаты, но процент выживаемости у молодых растений довольно высокий. Для размножения микробиоты таким способом следует в конце весны нарезать черенки длиной 7-12 см с остатками коры. Срезы рекомендуется обработать или даже на небольшое время замочить в стимуляторе роста. Высаживать черенки можно сразу в рыхлый грунт, накрыв их стеклянной банкой. Делается это для более быстрого приживания растения и создания парникового эффекта.

Специалистами отмечается, что микробиота обычно очень болезненно переносит размножение делением куста, поэтому подобным образом данное растение не размножают. Кроме того, растение хорошо размножается горизонтальными отводками. При таком способе укоренение молодого растения происходит в течение года.

Красивые примеры в ландшафтном дизайне

Микробиота прекрасно смотрится на переднем плане во многих садовых композициях ландшафтного дизайна. Данное растение особенно удачно гармонирует с туями, небольшими елями, можжевеловыми кустами, папоротниками и кипарисами. В одной композиции с микробиотой может быть от 3 до 10 растений.

Особенно выигрышны варианты, которые удачно сочетаются между собой по цвету и контрастности.

Микробиота прекрасно растет близ камней и скал, именно поэтому многие ландшафтные дизайнеры размещают данное растение рядом с декоративными водоемами, камнями и крупными валунами. Такие природные картины смотрятся весьма эффектно.

Любой сорт микробиоты отлично впишется в альпийскую горку или будет прекрасно смотреться на декоративном горном склоне в саду. Таким образом, данное растение можно использовать в самых разнообразных композициях. А если хочется чего-то оригинального, то можно посадить его в большой горшок, где оно, как и в открытом грунте, будет произрастать без особых проблем.

Еще больше информации о микробиоте узнаете из следующего видео.

Микробиота. Фото и описание хвойного растения

Семейство: Кипарисовых. Род: хвойные кустарники. Вид: Микробиота (лат. Microbióta). Это хвойный кустарник, с горизонтально стелящимися изящными ветками, приподнимающимися или поникающими на концах. Высота кустарника не более полуметра, ширина кроны 2 метра. Ветви кустарника имеют множество ветвлений, слегка сплющены и этим сходны с ветвями туи. Листья (хвоя) мелкие, чешуевидные, супротивно расположенные.

Хвоинки молодых растений и побегов, растущих в тени, часто оттопыренные, игловидной формы. У взрослого растения листья похожи на чешуйки и прижаты к стволу. Длина листьев составляет 1-2 мм. Осенью листья миктобиоты приобретают коричневый оттенок с бронзовым отливом. Плод: небольшая сухая шишка.

Микробиота относится к двудомным растения. На одном кустарнике расположены цветы в виде шишек как мужского, так и женского пола.

Мужские шишки очень мелкие, состоят из 5—6 пар чешуек, хранящих пыльцу. Расположены преимущественно на концах побегов. Женские шишки несколько крупнее мужских, округлой формы и диаметром около 5 мм. Они «сидят» на коротких побегах и состоят из одной или двух пар деревянистых тонких чешуй. При созревании эти чешуйки растопыриваются, обнажая крупное семя округлой формы с носиком.

Шишки у микробиоты образуются не ежегодно, очень мелкие и потому трудно заметные. Поэтому долгое время ученые ботаники не могли прийти к единому мнению относительно пола этого растения. Микробиота относиться к растениям с замедленным темпом роста. Каждый год ее прирост составляет не более 3 см.

Распространение микробиоты и её сорта

Кустарник обнаружен в 1921 году. В диком состоянии его можно увидеть на Дальнем Востоке (юг Сихотэ-Алиня). Микробиота растет в горных районах, среди камней. Встречается и в верхней лесной зоне, среди кустарников.

Микробиота перекрестнопарная (M. decussata) — единственный вид рода. Это светолюбивое растение, предпочитающее нейтральные или умеренно влажные плодородные почвы. Хорошо переносит воздействие прямых солнечных лучей, не страдая солнечными ожогами. Не боится низких температур. Используется для создания декоративных садовых композиций как почвопокровное растение. Хорошо смотрится в нижнем ярусе групповых композиций из хвойных растений.

Существует 8 видов микробиоты перекрестнопарной. Все они получены селекционным путем и являются достаточно редкими растениями, находящимися под охраной. В нашей стране можно увидеть только 2 из 8 сортов этих вечнозеленых кустарников.

Микробиота Gold Spot (Goldspot) — отличается окраской ветвей. Летом они светло-желтого цвета. В осенне-зимний период окраска становится насыщенней.

Микробиота Jakobsen (Дания) — отличается плотностью куста и вертикальным ростом. К 10 годам кустарник достигает в высоту полуметра. Побеги микробиоты Jakobsen перекручены и покрыты заостренными, игловидными листьями – хвоинками. За эту особенность растение получило у местного населения название «ведьмина метла».

Сад: деревья и кустарники Хвойные деревья

описание, фото и применение в ландшафтном дизайне

Распечатать статью

Хвойные растения незаменимы в ландшафтном дизайне и каждая разновидность вечнозеленых выполняет свою, очень важную роль. Микробиота перекрестнопарная (Microbioxa decussate), о которой пойдет речь в этой публикации, может выполнять сразу несколько функций в оформлении сада, имея ряд преимуществ.

Этот почвопокровный кустарник относится к семейству Кипарисовые и является эндемиком, произрастая в дикой природе только в горах Юго-Восточной Сибири на территории около 70000 кв.м. Как вид, сокращающийся в численности, занесен в Красную книгу России. Микробиота перекрестнопарная была открыта научным сообществом только в 1921 году, а как декоративный кустарник стала использоваться только в 60-х.

В естественной среде обитания произрастает в сложных для многих растений климатических условиях. Склоны гор обдуваются сильными ветрами, а температура воздуха иногда падает и до -40 °C. Исходя из этого можно не переживать за зимостойкость микробиоты в средней полосе России и смело высаживать это интересное растение на приусадебных участках. Представляет собой вечнозеленый кустарник с небольшим годовым приростом — не более 10 сантиметров на солнечных участках и около 15 сантиметров в полутени. В высоту достигает около полуметра, а в стороны ветви простираются порой более чем на два метра, образуя очень плотную узорную крону. Стрижки переносит комфортно, а значит подойдет для выращивания и в небольших композициях. Зимой хвоя обретает насыщенно бурый окрас, но к весне вновь наливается сочно-зелеными оттенками.

Микробиота — растение уникальное!

Микробиота перекрестнопарная имеет ряд преимуществ, благодаря которым ее популярность среди ландшафтных дизайнеров с каждым годом только возрастает:

• Способна расти как на солнце, так и в полутени. Кстати, на затененных участках развивается активнее: имеет достаточно большие ежегодные приросты и выглядит декоративно (не «лысеет», как многие другие хвойные).

• Не привередлива к составу почвы. Может произрастать и на суглинках. Тяжелые почвы значительно замедлят рост кустарника, но никак не повлияют на его жизнеспособность.

• Хорошо переносит стрижки. Сдерживать рост микробиоты не составит труда, а значит украшать ей можно как небольшие альпинарии, так и теневые пейзажные композиции.

• Переносит сильное понижение температуры. Значит ни о каком укрытии на зиму и лишних хлопотах и речи быть не может.

• Имеет очень крепкие, гибкие ветви. Благодаря этому даже после особенно снежных зим будет выглядеть привлекательно. Высаживать можно и возле дома, не боясь схода снега с крыши — он не навредит растению.

Сорта микробиоты

Многие выращивают именно видового представителя на своем участке, но существует и несколько сортов этого кустарника, над которыми потрудились селекционеры. Мы расскажем о трех самых популярных.

Микробиота перекрестнопарная Голдспот (Goldspot)

Отличительной особенностью кустарника являются местами окрашенные в золотисто-желтый оттенок побеги. Сорт относится к быстрорастущим и уже к 10 годам достигает 50-70 сантиметров в диаметре. Позолоченные кончики ветвей со временем образуют очень интересный ярусный узор, делая крону неописуемо красивой.

Микробиота перекрестнопарная Цельтик Прайд (Celtic Pride)

Сорт не имеет принципиальных отличий от видовой особи, но примечателен компактными размерами в зрелом возрасте. Высаживая его в небольшие композиции, совсем не обязательно беспокоится о стрижках, ведь в диаметре ветви вытягиваются не более чем на 1,5 метра.

Микробиота перекрестнопарная Карнавал (Carnival)

Также будет довольно компактной, кустики редко разрастаются более чем на полтора метра вширь. Характерная особенность: всю крону украшают изящные золотистые перышки. Пестрота более явная, чем у сорта Голдспот. К осени эти желтоватые элементы будут обретать оранжево-коричневатый окрас.

Микробиота в ландшафтном дизайне

В каменистых садах и альпинариях микробиота смотрится не только привлекательно, но и гармонично, ведь в природе она как раз произрастает в скалистой местности. Кончики побегов эффектно выделяются на фоне камней и изящный узор, образуемый хвоинками различается четче.

В миксбордерах это растение не редко соседствует с цветущими кустарниками и многолетниками. Цветки разнообразных окрасов смотрятся ярче, будучи окаймленными нежной хвоей микробиоты.
На склонах этот хвойный кустарник смотрится особенно красиво, образуя обширные заросли. Как и почвопокровные можжевельники, способен оформить элементы геопластики, но, что важно, в том числе и в тенистых участках сада, сохраняя природную красоту и аккуратность.
В оформлении подпорных стенок микробиота также применяется часто. Благодаря распростертым побегам, кончики которых игриво растопырены, образуются интересные рисунки, декорирующие саму стеночку.

Как декоративное почвопокровное растение микробиота в ландшафтном дизайне применяется все чаще. Порой, так сложно украсить пространство у подножья деревьев и рослых кустарников, крона которых образует серьезную тень, но с этой задачей наш хвойный кустарник справляется без усилий, создавая живописные узорные куртины.

У водоемов, как и в случае с подпорной стенкой, микробиота смотрится столь же благородно, преимущественно, в каменной отсыпке. Кончики побегов изящно ниспадают к воде, подчеркивая ажурность кроны кустарника. Кроме того, отражается в водной глади, добавляя загадочности пейзажу.
Учитывая вышесказанное, микробиоту можно назвать универсальным растением не имеющим аналогов. Благодаря ее природной привлекательности и массе преимуществ, она станет незаменимой в оформлении тенистых зон на участке, вашим верным другом на долгие десятилетия.

Микробиота перекрестнопарная -описание, посадка и уход

Поистине уникальное реликтовое растение – микробиота перекрестнопарная – известно не одно тысячелетие. Хотя многие путают эту красавицу со стелющимся можжевельником, ближе по родству к ней оказывается туя восточная.

Это растение имеет широко распростертые горизонтальные ветви, формирующие низкую широкую крону с отчетливо выраженными ярусами. Несмотря на то, что микробиота была открыта лишь в ХХ веке, ее сразу по достоинству оценили садоводы.

И не удивительно, ведь этот неприхотливый кустарник с приятной на вид кроной долго сохраняет форму, поскольку за год вырастает в высоту не более чем на 2 см, а взрослым редко достигает даже одного метра. Зато вширь он может разрастаться более пяти метров, становясь в саду заметным пятном.

Хвоя у этого растения приятна на ощупь и менее сплюснута, чем у туи. В летнее время она имеет темно-зеленый цвет, а с приближением осени буреет, приобретая оттенок старой меди.

микробиота перекрестнопарная

Еще одно достоинство микробиоты – возможность посидеть и полежать на ней. В то время как другие хвойные растения никак не сойдут за подушку, она достаточно мягкая, гибкая, крепкая, выдерживая в естественных условиях даже «возлежание» медведей.

Особенности посадки

В отличие от многих хвойных культур, микробиота перекрестнопарная любит хорошо притененное место, хотя и произрастание на солнечном месте не отражается ни на чем, кроме замедления роста. Предпочтение отдается супесчаной или суглинистой почве.

Уход за елью в саду, сорта с фото и размножение

Молодой кустарник высаживают в предварительно выкопанную ямку по размеру корневища, не заглубляя корневую шейку больше чем на 1-2 см. К окончательной глубине ямки нужно добавить еще 20 см на каменную крошку и крупный щебень для дренажа.

К вынутой почве следует добавить компост и песок. Если куст высаживается как отдельное растение, важно выдержать расстояние не меньше метра к ближайшим соседям. Такое же расстояние рекомендуется при групповой посадке за исключением высадки в ряд, где расстояние можно уменьшить до 50 см.

Выращивание и уход

Кустарник зимоустойчив и хорошо переносит засуху. Единственное условие создания ему комфортной жизни в саду – правильное количество влаги. Микробиота не терпит заболачивания и застоя воды, однако, с другой стороны, требует обильный полив и опрыскивание.

Чтобы количество воды было комфортным, нужно поливать ее только когда верхний слой почвы подсохнет. При засухе поливать куст следует дважды в неделю до возобновления естественных осадков.

А чтобы крона его сохраняла декоративность, вечером важно регулярно ее опрыскивать. Через два года после посадки весной в почву рекомендуется вносить универсальное удобрение.

Для одиночно посаженного кустарника важно своевременное удаление сорняков из-под раскидистой кроны и рыхление земли на глубину ширины ладони. Если же миробиота растет в групповой посадке, рыхление противопоказано.

Благодаря отсутствию вокруг глубоких разветвленных корней плотного земляного кома, растение безболезненно реагирует на пересадку даже во взрослом возрасте. Также хорошо воспринимает оно формирующую обрезку, которую лучше проводить не позже первой декады мая.

Гибискус травянистый, посадка и уход

Хотя микробиота перекрестнопарная устойчива к морозам и не нуждается в укрытии на зиму, молодые саженцы лучше защитить от промерзания весной толстым слоем мульчи из лапника и сухих листьев.

Микробиота и ландшафный дизайн

В естественных условиях растет в горной среде, поэтому и в саду будет хорошо смотреться на небольших альпинариях. Практикуют его высадку также возле дома, дорожек и подпорных стенок, на террасных садах. Благодаря своему небольшому росту, кустарник удобен в качестве почвопокровника, а в стриженном виде он становится хорошим украшением границ газона и бордюров.

посадка и уход, сорта, размножение и зимовка

Автор: Наталья Категория: Садовые растения Опубликовано: 20 февраля 2019Последние правки: 20 января 2021

Это хвойное растение с интересным названием очень похоже на тую. В природе его возможно встретить исключительно в регионах Дальнего Востока. Сначала микробиоту считали можжевельником ложноказацким, но потом исследователи поняли, что имеют дело с совершенно новым для них растением, которое размером значительно мельче туи. Отсюда и появилось название – микробиота. Этот хвойный кустарник занесен в Красную книгу, поскольку в дикой природе он стал встречаться все реже.
Зато на дачных и приусадебных участках это эффектное и неприхотливое растение стало весьма популярным.

Ботаническое описание

Это хвойное растение семейства Кипарисовые представлено в культуре единственным видом – микробиотой перекрестнопарной. В высоту кустарник достигает не более 1 метра, а в ширину может распространиться на 6-7 метров. Корни у растения ветвящиеся, ветви стелются по земле, а зимой приобретают бурый оттенок. Размножение микробиоты происходит семенами, содержащимися в шишке. Эти кустарники неприхотливые, но плохо воспринимают засоленные грунты и постоянно нуждаются в поливе.

На фото: Кустарник микробиота

Условия выращивание и уход

Где лучше выращивать

В естественных условиях микробиота произрастает на продуваемых ветром местах, в регионе, где зимой возможны морозы до – 40 ºC. Поэтому на дачном участке ей можно выделить не самое уютное место где-нибудь на возвышении. Кустарник нетребователен к почве, хорошо растет на каменистых участках. Альпийская горка – наиболее подходящее место для этого кустарника. Болезни и вредители поражают растение крайне редко. Несмотря на то, что растет микробиота очень медленно (3-5 сантиметров в год), со временем она превращается в сплошное зелёное покрытие: каждый куст может достигать в диаметре более 2 м.

Зимой хвоя микробиоты приобретает бронзовый оттенок, и может показаться, что куст погиб, но весной растение опять зазеленеет.

Посадка микробиоты

Сажают микробиоту в яму такого размера, чтобы в нее поместилась корневая система растения, но корневая шейка не должна быть заглублена больше, чем на 1-3 см. На дно ямы кладут дренажный слой толщиной 20 см, для которого можно использовать щебенку или каменную крошку с добавлением компоста и песка. При посадке нескольких кустов микробиоты в произвольном порядке расстояние между ними должно составлять не менее метра, а при посадке кустов в один ряд – не менее полуметра. Почву вокруг высаженных кустов поливают, а затем мульчируют торфом или деревянными опилками.

Уход за микробиотой

Полив. Микробиота нуждается в регулярном увлажнении грунта, однако между поливами нужно позволять верхнему слою почвы просохнуть. В засушливую пору полив осуществляют два раза в неделю, расходуя на каждое растение по 5-8 литров воды. Однако с апреля по июль при отсутствии высокой солнечной активности лучше всего увлажнять грунт дождеванием, причем первые два года после посадки нужно проводить эту процедуру через день. Кроме того, в жару кустарник желательно ежедневно опрыскивать по вечерам.

Как правильно сажать можжевельник – советы дизайнеров

Подкормка. Внесение подкормок является необходимостью для организации нормального роста и развития микробиоты. В качестве удобрения чаще всего используют раствор коровяка. Удобрять кустарник с помощью навоза не рекомендуется: растению он вреден.

Минеральные подкормки можно вносить при условии четкого соблюдения инструкций, так как микробиота очень чувствительна к составу удобрения.

При внесении подкормок следует учитывать, что:

• нельзя использовать для удобрения почвы азотсодержащие добавки, так как из-за них микробиоте будет тяжело пережить зиму, и она может погибнуть: молодые побеги начнут желтеть, может развиться хлороз. А компост в количестве 4-6 кг на 1 м² – прекрасное удобрение для растения;
• биогумус отлично зарекомендовал себя в качестве удобрения для микробиоты;
• микробиота нуждается в кислороде, однако у нее, как у хвойной культуры, вместо листьев хвоя, поэтому необходимо помогать растению с процессом фотосинтеза, первостепенную роль в котором играет магний. Составы, содержащие этот микроэлемент, помогут решить эту проблему, если применять их для внекорневой подкормки микробиоты.

Рыхление. Очень важно обеспечить доступ воздуха к корневой системе микробиоты, поэтому после полива кустарника следует проводить рыхление грунта, но таким образом, чтобы не повредить корни растения. Первый раз нужно разрыхлить почву в начале сезона, после того, как сойдет снег и грунт просохнет от талой воды. В дальнейшем рыхлить почву вокруг кустов микробиоты нужно по необходимости, когда вы заметите, что поверхность слишком уплотнена. Глубина рыхления – 5-6 см вокруг молодых растений и около 15 см вокруг взрослых.

Прополка. Сорняковые растения угнетают микробиоту: поглощают солнечный свет, занимают место, поглощают из почвы питательные элементы. Кроме этого, сорные травы способствуют развитию заболеваний и размножению вредителей. Удаляют сорняки после полива, когда их легче выдернуть из земли.

Чтобы облегчить себе уход за участком с микробиотой, следует замульчировать его поверхность слоем торфа или щепы: мульча предохранит почву от быстрой потери влаги, образования на ее поверхности корки и не позволит развиваться сорнякам.

Как размножать

Чаще всего микробиоту размножают черенкованием. Для этого в конце весны из побегов нарезают черенки длиной 8-12 сантиметров с пяточкой, то есть с остатком коры той ветки, на которой рос черенок. Нижние срезы черенков перед посадкой следует обработать стимулятором корнеобразования. Высаживают черенки в рыхлый грунт и содержат их в теплом влажном месте – череночник накрывают прозрачной крышкой или колпаком. К осени примерно треть черенков обзаведется здоровой корневой системой, и их можно будет пересадить в школку.

Выращиваем кипарисовик – родственник микробиоты

Размножается микробиота и семенами, однако в любительском садоводстве к генеративному способу прибегают нечасто, поскольку семенам, созревающим к началу осени, необходимы для прорастания особые условия. Кроме того, они очень быстро, буквально через год, теряют всхожесть.

Микробиота болезненно реагирует на пересадку, поэтому делением куста ее не размножают.

Зимовка микробиоты

Чтобы микробиота успешно перезимовала, ее нужно правильно подготовить. Ближе к концу осени нужно провести влагозарядковый полив, расходуя на каждое растение не менее двух ведер воды. Зимой, если случится обильный снегопад, с микробиоты нужно убирать снег, так как велика опасность перелома веток кустарника.

На фото: Микробиота после зимовки

Микробиота в ландшафтном дизайне

Микробиота для ландшафтных дизайнеров стала открытием двадцатого века. Несмотря на невысокий рост, растение, способное охватывать вокруг себя большую территорию, может широко использоваться для оформления участка. Кроме того, оказалось, что микробиота совместима практически со всеми садовыми растениями. Дизайнеры разработали множество вариантов оформления сада, в которых используется микробиота:

• Русская усадьба: микробиоту высаживают у водоёма в окружении берёз, а в непосредственной от нее близости устанавливают беседку. Дополняют оформление прекрасно сочетающиеся с микробиотой фруктовые деревья;
• Английский дворик: отличительной особенностью этого стиля является то, что микробиоту рассаживают практически по всей территории сада, и везде она к месту;
• Использование микробиоты в качестве бордюрного растения: ее высаживают вдоль садовых дорожек.

На фото: Микробиота в ландшафтном дизайне

Натуральность планировке сада придаёт расположение микробиоты на каменистых склонах. Микробиота – очень привлекательное хвойное растение, которое можно использовать в многочисленных композициях, создающих неповторимый стиль участка.

Сорта

Среди разнообразия сортов микробиоты можно выделить два:

Микробиота перекрестнопарная Якобсен (Microbiota decussata Jacobsen)

Компактное растение, которое за 10 лет вырастает примерно на 40 см. Этот сорт отличается ветвистой, широкой кроной. В молодом возрасте кустарник растет вверх, с годами ветки изгибаются и приобретают красный оттенок. Хвоя этого сорта микробиоты имеет особый, неповторимый аромат. Это растение плохо приживается в кислом грунте и не любит яркого света;

На фото: Микробиота перекрестнопарная

Микробиота перекрестнопарная Голдспот (Microbiota decussata Goldspot)

Более крупное растение, чем Jacobsen. Его зелёная хвоя имеет на кончиках кремовый оттенок. Созревание семян в шишках происходит в начале осени, сами шишки могут вырасти до 7 см. Корневая система растения глубоко проникает в землю. Предпочитает этот сорт микробиоты затенённые участки, хорошо защищенные от ветра.

Литература

1. Информация про Кустарник

Разделы: Кустарники Декоративно-лиственные Растения на М Кипарисовые Хвойные

После этой статьи обычно читают

Добавить комментарий

секреты посадки и выращивания растения

Что нужно садовому растению для того, чтобы считаться удачным приобретением? Наверное, ему стоит хорошо вписываться в практически любой стиль садового оформления. Возможно, быть уютным и компактным — чтобы не создавать много проблем по формовке в перспективе. Многие хвойные кустарники замечательно вписываются в эти критерии. А будучи ещё и вечнозелёными, оставляют место для планирования дизайна сада зимой! Микробиота относится как раз к таким.

Микробиота перекрёстнопарная (Microbiota decussata) — удивительное растение. В природе оно растёт только на Дальнем Востоке, через море от Японии. А это значит — оно является эндемиком (так называют виды, обитающие лишь на небольшой территории). Между прочим, родственный и похожий на микробиоту, но крупнее размерами вид называется просто «биота» (Platycladus) и растёт неподалёку, в Китае.

Микробиота представляет собой невысокий вечнозелёный куст: в самых удачных случаях даже метровая микробиота считается весьма крупной. В ширину, правда, куст может раздаться и ковром на несколько метров, но чаще — гораздо меньше. Плоские ветки с коричневой корой и чешуевидными, порой заострёнными листьями. Неплохо переносит засуху, зиму (хвоя под снежным покровом может потемнеть), а в природе — даже пожары. Как и многие хвойные, растёт микробиота медленно и живёт долго. Однодомна.

Разновидности

Вообще-то, перекрёстнопарная микробиота является единственным видом в своём роде. Род принадлежит семейству Кипарисовые (Cupressaceae).

Но, несмотря на малое видовое разнообразие (один вид — не так уж много, не правда ли?), было выведено несколько сортов. Сорта стали выводить сравнительно недавно — приблизительно с середины первой половины ХХ века, когда вид был описан. Поначалу встретить такую диковинку можно было лишь в отдельных ботанических садах.

• Northern Pride — раскидистый сорт, для желающих покрыть большую площадь всего несколькими растениями;
• Celtic Pride — в пару к предыдущему идёт более компактный и небольшой сорт; удачный выбор для создания аккуратных садовых композиций;

• Goldspot — данный сорт имеет ветви пятнистого окраса, преобладает жёлтый цвет. Отдельные участки, а то и все окрашенные, к осени становятся более насыщенными, темно-золотистыми;
• Carnival — также отличается светлыми пятнами, тоже желтовато-золотистого цвета, но в большем количестве;
• Jacobsen — выведенный в Дании сорт, плотный по своей архитектуре. Более других склонен расти ввысь. Побеги микробиоты этого сорта вырастают достаточно перекрученными, с игловидными хвоинками, что придаёт ему колорита.

Выращивание

Семенами. Размножать микробиоту теоретически можно с помощью семян. Этот способ не из лёгких: даже достать семена из шишки — уже дело не самое банальное! Лучше всего использовать на посадку семена, собранные только что — ведь после хранения в обычных комнатных условиях их всхожесть теряется за пару лет. Высадка семян должна предусматривать их стратификацию, как это характерно для многих хвойных растений. По этой причине семена или выдерживают 2–3 месяца при низкой положительной температуре — около 3–5 выше нуля, — или сажают «под зиму». Неглубоко помещённые семена, да ещё и мульчированные сверху, замечательно стратифицируются естественным образом. Домашняя рассада достаточно схожа с любым другим хвойным, а приживается на открытом грунте даже лучше других.

Молодое растение микробиоты

Семена микробиоты

Черенками. Однако, наиболее удачными всё равно являются вегетативные способы размножения. Например, черенками, а особенно — с молодых растений. Самым лучшим для заготовки черенков сезоном является начало лета. Берите крепкие, но не активно растущие боковые побеги, не менее 10–15 сантиметров в длину.

Укореняя их в субстрате (в парнике, при постоянной хорошей влажности), нельзя переворачивать ветки нижней стороной вверх. При нормальном уходе укоренение наступит уже к середине–концу лета, даже без использования стимуляторов. В зависимости от степени развития корневой системы, черенки с разной успешностью зимуют в открытом грунте. Возможно, разумным будет прикрыть саженцы с корнями послабее.

Есть методы также стеблевых отводков, которые, добившись укоренения, следует отделять от материнского растения постепенно: раз за разом всё больше подрезая их соединение.

Уход

Место. Что касается места посадки, то микробиоту логичнее всего будет поместить в тень: такова её естественная экологическая ниша в дальневосточных лесах. Однако, как показывает опыт, расположение на освещённых участках практически не сказывается на самочувствии растения. Разве что слегка замедлится прирост, доходящий в тени до 15 см за год. Как и для других небольших растений, лучше озаботиться защитой от ветра. Не забывайте оставлять некоторый люфт между растениями — метра достаточно.

Почва. В целом особенных требований к плодородию почвы на участке посадки нет. Грунт должен быть рыхлым, а по составу вполне сгодятся супеси и суглинки. При посадке подготовленную яму оборудуют дренажём.

Важно: В качестве посадочного субстрата можно использовать песочно-грунтовую смесь, добавив туда торфокомпост или верховую подстилку.

После посадки — рыхление и мульчирование.

Удобрение в целом не необходимо, но благотворно скажется на молодых растениях. Если и удобрять, то весной: после схода снега, по влажной земле. Обычно используют универсальные подкормки.

Микробиота в тени сада

Полив микробиоты

Полив. После первого посадочного полива воду микробиоте нужно давать регулярно (каждую неделю), но без перебора — по мере подсыхания почвы. Излишняя влага — загнивание корней. При наличии обильных осадков полив следует урезать, в жару — дополнительно «дождевать» по вечерам. Вообще микробиота способна переносить засуху наравне с морозом.

Важно: Пересадка должна предваряться подрезанием корней для формирования компактной корневой системы — иначе есть шанс, что не приживётся на новом месте.

Растению также нужно рыхление и прополка время от времени, обрезка применяется редко — микробиота медленно растёт и хорошо держит форму кроны. Зимовку лучше оборудовать с укрытием молодых растений. Взрослые будут уязвимы в отсутствие снега.

Применение

Уютные кусты микробиоты отлично впишутся в ландшафт самых различных стилей. Каменистая горка только выиграет от хвойных подушек, которые будут дополнительно укреплять её. Клумбы в тени замечательно заполнятся куртинками микробиоты, укрывающей их ковром.

Почему бы не вспомнить традицию выращивать садовые растения в горшках? При таком способе содержания микробиота может даже чуть больше вытянуться вверх, образуя эдакий вечнозелёный фонтанчик.

В конце-концов, микробиота может запросто окаймить собой бордюры и границы участков, оставаясь заметной в любое время года.

Микробиота по краям садовых дорожек

Эндемичный обитатель Дальнего Востока, вечнозелёное украшение любого сада, компактный и пышный элемент для теневых композиций — разве этих преимуществ мало, чтобы полюбить чудную микробиоту?..

Микробиота в ландшафтном дизайне: фото, посадка, уход

В семействе Кипарисовых есть моновид Микробиота. Этот хвойный кустарник является объектом Красной книги в России. Вечнозеленое растение достигает одного метра в высоту и четырех в ширину. Тонкие изящные ветки приподнимаются и словно стелятся. Ствол хвои от 7 до 10 см в диаметре. Темно-зеленая чешуйчатая хвоя на ветках направлена в одну сторону. У зрелого представителя кора приобретает гладкую поверхность и коричневый окрас.

Содержание:

Внешне микробиота похожа на тую стелящего вида. Если молодое растение произрастает в тени, то хвоя может стать игольчатой. Растет она медленно, не более 2 см за год. Продолжительность жизни больше века. Шишки односемянные, мелкие. Чаще всего можно встретить мужского представителя микробиоты. В ландшафтном дизайне популярна благодаря неприхотливости, устойчивости к низким температурам и невосприимчивость ко многим болезням и паразитам. Цвет растения меняется в холодное время года, хвоя становится бронзового оттенка.

Применение в ландшафтном дизайне

Растение можно по праву назвать «открытием 20 века» для садоводства и ландшафтного дизайна. Растение неприхотливо, прекрасно переносит стрижку и долго сохраняет её форму, из-за медленного роста. Несмотря на невысокий рост растение более, чем заметно, ведь разрастается вширь до 4-5 метров. Хвоя не колючая, приятная на ощупь. Гибкие и мягкие ветки можно использовать как природный ковер: на нем можно сидеть и лежать. При этом хвоя остается целой и невредимой. При растирании разносится стойкий аромат хвои. Что придает саду особый колорит.

Растения является важным элементом в ландшафтном дизайне японского сада. Реликтовое растение словно создано него. Неповторимая самобытность микробиоты зачаровывает и делает сад загадочным уголком природы. Сдержанный цвет, украшающий круглый год приусадебный участок, гармоничное сочетание со многими цветами, деревьями и кустарниками, неприхотливость — самые важные правила подбора растений в стране восходящего солнца. Микробиота им полностью соответствует. Отсутствие ярких пестрых цветов помогает кустарнику влиться в общую картину пейзажа, играя роль полутона во всей картине. Дизайнерами удачно обыгрывается превращение растения из зеленого в медный, как напоминание о природной гармонии в смене времен года. Это помогает расставить дополнительные акценты и создать индивидуальный стиль.

Английский стиль

В английском стиле растение используют повсеместно. Его включают в оформление бордюр, каменистых горок, газонов склонов и прочее. Сдержанный цвет, необычная декоративная форма и стойкое сохранение формы придают английскому саду аристократичность и аккуратность. Натуральный вид всех растений, без явных следов вмешательства человека, преобладает в пейзажной стиле. Поэтому английский стиль, он же пейзажный, часто использует микробиоту из-за несимметричной кроны, что делает внешний вид растения максимально приближенным к естественной среде. Отсутствие искусственности и свободная планировка максимально подходит для украшения и обозначения бордюр. Лента из хвои, высаженная вдоль дорожек и тропинок, живописно наплывает и грациозно свисает с каменного мощения. В таком же окне воспроизводят окантовку всей территории участка.

Микробиоте, как и многим представителям хвои, удивительно подходят камни, и изделия из них. Создавая природное сообщество в каменистом саду растение высаживают на крутых склонах. Универсальность кустарника прослеживается в создании архитектурного рокария из окна мощения, расположенного на открытом месте.

В преобразовании открытого ровного участка или пологого склона в плоский сад не обойтись без микробиоты. Применяя кустарник в озеленении можно создать один сплошной ковер из многолетников, плотно прилегающих друг к другу. Хвойный куст замечательно произрастает и удачно гармонирует со всеми представителями стелящих хвойных. Вносит привлекательное разнообразие в композицию, микробиота в соседстве с барвинком, тимьяном и живучкой. Ковер из распластанных растение можно трансформировать в плоский рокарий, добавив в ансамбль валуны.

Стиль Русской усадьбы

В силе русской усадьбы, среди стройных берез и плакучих ив, прекрасно вписывается и микробиота. Ее садят около искусственных и природных водоемов, качелей, беседок и альтанок. Непринужденность и естественность этого стилевого направления сочетает хвойный кустарник с клумбами, цветниками, фруктовым садом и небольшими грядками огорода. Обилие деревянных построек и интерьерных композиций приносит свой специфический аромат, в сочетании с хвойным он напоминает о настоящей лесной поляне.

Сочетание с другими растениями

Соседство микробиоты с хвоей наиболее гармонично. Часто ее сочетают с туей изумруд, туей рейнголд, елью коника и можжевельником скай ракет. Микробиоту садят по бокам. Этот хвойный миксбордер должен произрастает вдоль дорожек, ведущих к дому. Количество растений в группе можно уменьшать или увеличивать на свое усмотрение. Пирамидальные кроны, изумрудно-зеленые хвойные ветки и стелящий кустарник выглядят гармонично в любой комбинации. Осенью, когда микробиота бронзовеет, ансамбль приобретает другой вид, со смещенным в нем акценте. Хвойные группы и садики сочетаются по росту, форме кроны и оттенку хвои. Не менее гармоничное соседство с самшитом, тисом, можжевельником виргинским и карликовой горной сосной.

Смелой идей может стать посадка кустов микробиота с лиственными кустарниками и цветами. Такой ансамбль выглядит свежо, оригинально и гармонично. В нем используются следующие растения: гортензия, сирень, садовые розы, арабис, вербена, флокс. Вечнозеленый хвойник соседствуя с нежными цветами создает невероятное цветовое сочетание. Ансамбль может произрастать словно на лесной опушке или на горной вершине, максимально естественно и подчеркивать живописность разных садовых зон. С этим же составом можно создать рокарий, фасадную композицию или водную зону.

Виды

Микробиота перекрестнопарная — единственный вид своего рода. Но за время популяризации растения было выведено множество сортов. Наиболее известные:

• норзен прайд. Раскидистый кустарник, немного отличающийся расцветкой и размером. Высаживается на больших открытых участках.

• селтик прайд. Сомкнутый и аккуратный куст, часто применяется в создании цветочных композиций.

• голдспот. Окрас ветвей пёстрый, с золотыми пятнами.

• карнивал. Также имеет золотые вкрапления, но большей площади.

• якобсен. Ветки кустарника располагаются плотно и перекручиваются.

Посадка, уход и болезни

Наиболее подходящие типы почв для посадки — суглинистая и супесчаная. Первым слоем в лунке всегда выкладывается дренаж. Растение не любит застоя в почве, хорошо переносит засушливую погоду. Но в поливе нуждается. Подкормка осуществляется 1-2 раза в день, если естественные осадки давно не выпадали. Отдельно стоящее растение высаживают в метре от близлежащих кустарников и деревьев. Расстояние в ряде из микробиоты должны быть не менее 50 см. Для соло композиции обязательна прополка сорняков и рыхление почвы. Кустарник хорошо переносит пересадку и обрезку. В зимний период укрытие не требуется.

Похожие записи:

Движущихся изображений микробиома человека | Геномная биология

Стабильные различия микробных сообществ между участками тела с течением времени

По образцам из Костелло и др. . [6] и текущее исследование сравниваются напрямую, образцы группируются по среде обитания тела, демонстрируя отличное соответствие между исследованиями (Рисунок 1a в [6]; Рисунок 1b в текущем исследовании), несмотря на различия в технологии секвенирования (454 и Illumina GA- IIx, соответственно), средняя длина считывания (229 ± 16 (SD) нуклеотидов и 123 ± 17 (SD) нуклеотидов, соответственно) и участок секвенирования 16S (V2 и V4, соответственно).Расстояния UniFrac между 331 выборкой временных рядов, которые были секвенированы как на Illumina, так и на 454, были значительно коррелированы, как определено Прокрустовым анализом невзвешенных матриц главных координат UniFrac (M2 = 0,161; Монте-Карло P <0,001; Дополнительный файл 1) и Корреляция Пирсона расстояний UniFrac для пар образцов (r = 0,91; P <0,001). По наблюдениям Костелло и др. . [6] было обнаружено, что бактериальные сообщества кишечника, полости рта и кожи различаются по составу на основе анализа основных координат невзвешенных расстояний UniFrac между сообществами (UniFrac измеряет сходство сообществ на основе степени, в которой они разделяют длину ветвей на филогенетическом дереве).Долгосрочные временные ряды впервые показывают, что эта дифференциация тела и участка очень стабильна в течение более одного года (рис. 1c), но динамично внутри участков с течением времени (дополнительные файлы 2, 3, 4, 5, 6, 7 , 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15).

Рисунок 1

Анализ основных координат невзвешенных расстояний UniFrac между образцами . (а) Костелло и др. . [6] образцы. (б) Выборки временных рядов M3, F4. (c) Временные ряды M3, F4, PC1 в зависимости от времени (дни).Панели (a, b) и (c) показывают два независимых анализа главных координат. Для сравнения Costello и др. . 454 данных (a) с временными рядами данных Illumina (b), эти данные были сгенерированы при анализе единственных основных координат расстояний UniFrac при 500 последовательностях на образец. Панель (c) не содержит данных 454, поэтому использует увеличенную глубину выборки, возможную на Illumina (равномерно отобранных до 5000 последовательностей на образец для расчетов UniFrac).

Дополнительный файл 2: Анимация, отслеживающая изменение положения на ПК1 и ПК2 со временем для всех участков тела обоих индивидуумов.Вид, представленный в этом видео, напрямую сопоставим с рисунком 1а. Цвета фона соответствуют рисунку 1а. Временной ряд M3 показан в виде красного следа (левая ладонь – оранжевым), а временной ряд F4 – синим следом (левая ладонь – белым). (MOV 1 МБ)

Дополнительный файл 3: Анимация, отслеживающая изменение положения на ПК1 и ПК2 со временем для всех участков тела в M3. Вид, представленный в этом видео, напрямую сопоставим с рисунком 1а. Цвета фона соответствуют рисунку 1а.Временной ряд M3 показан в виде красного следа (левая ладонь – оранжевым). (MOV 631 KB)

Дополнительный файл 4: Анимация, отслеживающая изменение положения на ПК1 и ПК2 со временем для всех участков тела на F4. Вид, представленный в этом видео, напрямую сопоставим с рисунком 1а. Цвета фона соответствуют рисунку 1а. Временной ряд F4 показан в виде синей кривой (левая ладонь отображается белым цветом). (MOV 286 KB)

Дополнительный файл 5: Анимация, отслеживающая изменение положения на ПК1, ПК2 и ПК3 со временем для всех участков тела обоих людей.Цвета фона соответствуют рисунку 1а. Временной ряд M3 показан в виде красного следа (левая ладонь – оранжевым), а временной ряд F4 – синим следом (левая ладонь – белым). (MOV 2 МБ)

Дополнительный файл 6: Анимация, отслеживающая изменение положения на ПК1, ПК2 и ПК3 со временем для всех участков тела в M3. Цвета фона соответствуют рисунку 1а. Временной ряд M3 показан в виде красного следа (левая ладонь – оранжевым). (MOV 2 МБ)

Дополнительный файл 7: Анимация, отслеживающая изменение положения на ПК1, ПК2 и ПК3 со временем для всех участков тела на F4.Цвета фона соответствуют рисунку 1а. Временной ряд F4 показан в виде синей кривой (левая ладонь отображается белым цветом). (MOV 996 KB)

Минимальные доказательства наличия микробиома временного ядра между участками тела или внутри них

В то время как общие различия в составе между участками тела и людьми были относительно стабильными, наши данные также предполагают удивительно небольшую временную “ сердцевину микробиоты человека ” внутри индивидуума. участки тела (рис. 2), когда мы определяем «ядро» как те филотипы на уровне вида в данной среде обитания тела, которые наблюдались во всех случаях отбора проб.Эти данные предполагают минимальный основной микробиом с течением времени, когда размер ядра уменьшается следующим образом: рот> кишечник> правая ладонь ≈ левая ладонь> по участкам тела внутри человека> по участкам тела и людям.

Рисунок 2

Микробиом временного ядра . Доля операционных таксономических единиц (OTU) на уровне вида, составляющих ядро ​​микробиоты, по количеству образцов, в которых OTU должна присутствовать, чтобы считаться частью ядра.

На этой глубине секвенирования гораздо больше OTU являются либо постоянными членами сообщества, которые появляются в данной среде обитания тела и остаются в течение длительного периода времени, но присутствуют недостаточно постоянно, чтобы считаться основными членами, либо временными членами сообщества, которые появляются в естественной среде обитания и вскоре после этого исчезают (рис. 3).Таксоны, составляющие эти устойчивые и временные категории, значительно различаются (например, кишечник M3: G _indep , 84,78; P = 1,80 × 10 ^-14 ). В кишечнике M3 как в постоянных, так и в временных сообществах преобладают Clostridia, Bacteroidia и, в меньшей степени, Erysipelotrichi. Однако постоянное сообщество также состоит из бетапротеобактерий и дельтапротеобактерий, тогда как временное сообщество состоит из актинобактерий, гаммапротеобактерий, эпсилонпротеобактерий и веррукомикробактерий.Таксономические сводки постоянных и временных групп для всех участков тела обоих индивидов представлены в дополнительном файле 16.

Рисунок 3

Членство в сообществе . Сводная информация о членстве в сообществе для всех OTU в (a) M3 кишечника, (b) F4 кишечника, (c) M3 языка, (d) F4 языка, (e) M3 левой ладони, ( f) F4 левая ладонь, (g) M3 правая ладонь и (h) F4 правая ладонь. Точки – это ОТЕ, окрашенные в соответствии с их средней относительной численностью, вычисленной по всем образцам, где они встречаются, а круговые диаграммы суммируют таксоны на уровне класса, наблюдаемые как постоянные и временные ОТЕ.

Мы применили несколько методов для контроля вероятности того, что постоянные группы будут ошибочно приняты за временные группы, если они иногда опускаются ниже порога обнаружения. Во-первых, при вычислении максимального количества последовательных наблюдений для OTU мы посчитали один нулевой счет для OTU как не прерывание серии последовательных наблюдений при условии, что обе соседние точки времени достигли ненулевых счетчиков для этого OTU. Во-вторых, мы повторно секвенировали 331 образец временного ряда на платформе 454 и пересчитали краткие сводки постоянных и временных таксонов.Мы обнаружили, что для обоих людей состав стойких кишечных и оральных сообществ существенно не отличался между 454 и Illumina, несмотря на почти 40-кратную разницу в глубине секвенирования. Однако стойкие пальмовые сообщества в обоих случаях существенно различались. Возможным мешающим фактором в этом сравнении является систематическая ошибка праймера, поскольку область V2 была секвенирована на 454. Поэтому мы выполнили 1000 итераций этого анализа, сделав субдискретизацию данных Illumina на 5000 последовательностей на образец и пересчитав состав устойчивой группы для каждого индивидуума. и среда обитания тела.В этом анализе семь из восьми пар индивидуум / тело никогда не отличались существенно от постоянного состава сообщества в полном наборе данных Illumina. Единственным исключением было кишечное сообщество F4, которое значительно отличалось примерно в половине итераций. При повторном отборе образцов на глубине 10 000 последовательностей на образец стойкое кишечное сообщество F4 никогда не достигало значительных отличий от значений, определенных на полном наборе данных Illumina. Полные результаты этих анализов представлены в Дополнительном файле 17.Обозначение групп как «постоянных» было таким образом хорошо воспроизводимым на платформах секвенирования и ампликонах, хотя все еще возможно, что ошибка секвенирования или таксоны с очень низкой численностью, иногда падающие ниже порога обнаружения, могут привести к заниженной оценке размера устойчивой группы.

Динамические микробные сообщества во времени и корреляции между участками тела

Различия в расстояниях UniFrac в левой и правой ладонях в соседние моменты времени у обоих людей значимо коррелировали (корреляция Пирсона для M3, r = 0.69, P = 2,07 × 10 ^-46 ; для F4, r = 0,64, P = 3,77 × 10 ^-16 ), возможно, из-за уравновешивания микробных сообществ на пальмах при физическом контакте. Мы не увидели корреляции между другими участками тела. В то время как величина и направление изменения филогенетического несходства между соседними временными точками были коррелированы между пальмовыми участками, микробные таксоны на уровне вида, присутствующие на каждой руке, не были существенно коррелированы, подтверждая предыдущие наблюдения, что в один момент времени левая и правая рука одного человека могут иметь относительно несколько OTU [13].

Для участков с одним телом расстояния внутри субъектов были ниже, чем расстояния между субъектами, что свидетельствует о стабильном паттерне, согласованном по участкам тела, в различиях между субъектами во времени. Например, расстояния между образцами фекалий между субъектами были значительно выше, чем расстояния в образцах фекалий M3 (t = 15,52; P <0,001; односторонний, два образца t -тест) и расстояния в образцах кала F4. (t = 33,45; P ≤ 0,001; односторонний, двухвыборочный t -тест).

Динамика микробного сообщества особенно очевидна в анимации анализа основных координат (дополнительные файлы 2, 3, 4, 5, 6, 7), где типы образцов (субъект, комбинации участков тела) представлены в виде движущихся следов на фоне Костелло и др. . данные. Следы дают немедленное представление об изменчивости внутри каждого участка тела, относительной отличимости участков и субъектов, а также относительной скорости изменений на каждом участке. Цветение определенных таксонов со временем вносит вклад в различия внутри участков, например, с уменьшением и увеличением относительной численности протеобактерий в кишечнике как M3, так и F4 (дополнительные файлы 8 и 9, панель Phylum (бирюзовый)).Подобные закономерности очевидны на всех таксономических уровнях и участках тела (дополнительные файлы 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15). Такая визуализация динамики микробного сообщества добавит еще одно измерение к долгосрочным исследованиям различных клинических состояний, таких как воспалительные заболевания кишечника или лекарственные препараты, а также изменения в диете или образе жизни.

Микробиом кишечника

Кредит: Антуан Доре

Мы не одни в своем теле.Внутри каждого человека живут триллионы микроорганизмов – бактерий, вирусов, грибов и других форм жизни, которые вместе известны как микробиом. Различные органы имеют различных микробных обитателей, но группа, которая привлекла наибольшее внимание в биомедицинских исследованиях, – это кишечник.

Чтобы лучше понять роль, которую микробы кишечника играют в здоровье и болезнях, исследователи со всего мира исследуют, что делает микробиом кишечника «хорошим». В конце концов, в кишечнике существуют сотни различных видов бактерий – некоторые патогенные, а некоторые полезные.Компьютерный биолог Эран Сигал утверждает, что сбор данных о микробиоме позволит применить подход «глубокого фенотипирования», который может изменить открытие лекарств. А изучение некоторых видов пробиотиков, способствующих укреплению здоровья, дает биологические открытия, которые могут способствовать разработке лекарств.

В настоящее время считается, что на некоторые заболевания влияют процессы микробиома кишечника. К ним относятся рак, аутоиммунные заболевания, такие как рассеянный склероз и расстройство аутистического спектра. Микробиом кишечника также сильно взаимодействует с некоторыми лекарствами, в том числе с некоторыми терапевтическими средствами для психического здоровья, и влияет на их эффекты.

С ростом доказательств важности микробиома кишечника для здоровья биологи-синтетики стремятся создать микробиом – как на уровне отдельных видов, так и на уровне экосистемы – чтобы предотвратить развитие болезней. Также растет общественный интерес к тому, как можно повлиять на микробиом кишечника, часто сосредоточенный на личном диетическом выборе. Микробиолог Питер Тернбо рассматривает это как вопрос не о том, какие продукты принесут пользу нашему здоровью, а скорее о том, какие медицинские выводы можно почерпнуть из взаимодействия между нашими кишечными микробами и тем, что мы едим.

В настоящее время проводится гораздо больше исследований микробиома кишечника, чем может быть описано в этом обзоре, но эта добавка дает представление о широте этой надежной области.

Мы рады поблагодарить компанию Danone Nutricia Research за финансовую поддержку в подготовке настоящего обзора. Как всегда, Nature сохраняет за собой исключительную ответственность за все редакционные материалы.

Познакомьтесь со своим микробиомом

В 2003 году Проект «Геном человека» (HGP) объявил, что он завершил секвенирование каждой пары оснований ДНК отдельного человека и картирование всех генов – вместе известных как геном – нашего вида, Homo sapiens .Это рекламировалось как крупный прорыв в понимании нашего развития, нашей эволюции и, что очень важно, нашего здоровья. HGP произвела революцию в медицине, и с тех пор технология секвенирования генов стала гораздо более распространенной и менее дорогой.

В рамках проекта «Геном человека» мы узнали, что в геноме человека содержится около 20 000 генов, кодирующих белок – не больше, чем у мыши, и меньше, чем у некоторых обычных лабораторных растений! Как могли такие умные, изысканные и сложные существа, как мы, обойтись таким небольшим количеством генов? Оказывается, мы, люди, не просто люди.Каждый из нас представляет собой экосистему с примерно одним триллионом других микроскопических организмов, живущих в нас и на нас в любой момент времени. И эти организмы, известные как наш микробиом, содержат примерно в 300 раз больше генов, чем наши собственные геномы.

В настоящее время мы находимся в разгаре другой революции, и эта революция столь же захватывающая и стремительная, как и геномная. Чем больше мы узнаем об этих организмах, тем яснее становится, что мы на самом деле суперорганизмы, каждый из нас – маленькая планета в себе, с жителями и посетителями.Они влияют на наше настроение и внешний вид и играют важную роль в нашей иммунной системе. Тем не менее, мы разными способами меняем эти сообщества, одним из самых важных является использование антибиотиков. Подобно пенициллину, одному из первых открытых антибиотиков, и ципро, который исчез с полок в панике сибирской язвы после 11 сентября, это мощные и эффективные лекарства для уничтожения бактерий. Однако они не эффективны против вирусов или грибковых инфекций, и все же тревожно большое количество врачей признается, что прописывает их при таких состояниях, как вирусы простуды, потому что пациенты или родители пациентов думают, что это поможет им почувствовать себя лучше.Эта практика, наряду с другими видами неправильного использования антибиотиков, не только тратит деньги впустую. Эти практики нарушают наш микробиом, что чревато последствиями для здоровья человека, которые мы только сейчас начинаем понимать.

Meet Your Микробиом исследует эти последствия и их потенциальные средства правовой защиты в рамках исследования доктора Мартина Блазера, директора программы микробиома человека, Медицинский центр Нью-Йоркского университета в Лангоне и автора, совсем недавно, книги Missing Microbes: How the Overuse антибиотиков подпитывает наши современные чумы .

Посмотреть больше

Микробиолог Сьюзан Перкинс, бывший младший куратор / профессор музейного отдела зоологии беспозвоночных, Институт сравнительной геномики им. Саклера и аспирантура Ричарда Гилдера.Она изучает паразитов, доминирующую форму жизни на Земле, уделяя особое внимание простейшим паразитам, вызывающим малярию.

Врач и микробиолог Мартин Блазер обсуждает, как изменения в микробиоме человека – например, из-за чрезмерного использования антибиотиков – могут способствовать увеличению хронических состояний, включая ожирение, аллергические расстройства и диабет.

Доктор Мартин Блазер о священных коровах, ушных инфекциях и природе науки

Бактерии были заняты планетой около трех миллиардов лет, и они были заняты. Доктор Мартин Дж. Блазер прекрасно описывает это в своей книге « Missing Microbes » за 2014 год: «Они создали кислород, которым мы дышим, почву, которую мы обрабатываем, пищевые сети, которые поддерживают наши океаны. Медленно, неумолимо, методом проб и ошибок в глубине времени они изобрели сложные и надежные системы обратной связи, которые по сей день поддерживают все живое на Земле.Древние, но не примитивные бактериальные клетки, которые специалист по инфекционным заболеваниям называет «законченными, самодостаточными существами», имеют все формы и размеры и адаптированы практически к каждой экосистеме на Земле.

Поэтому нас не должно удивлять, что они занимают большую часть Древа Жизни, которое представляет собой эволюционные отношения между всеми живыми существами. Блазер использует пример двух распространенных бактерий, E. coli и Clostridium , чтобы подчеркнуть это.Люди гораздо ближе на «дереве» к кукурузе, зеленому растению, чем две бактерии друг к другу. Другими словами, он пишет: «Человечество – всего лишь частичка в мире массовых бактерий. Нам нужно привыкнуть к этой идее ».

Посмотреть больше

На древе жизни люди гораздо ближе к кукурузе, зеленому растению, чем две обычные бактерии друг к другу.

, Габи Д’Алессандро / © AMNH

На древе жизни люди гораздо ближе к кукурузе, зеленому растению, чем две обычные бактерии друг к другу.

, Габи Д’Алессандро / © AMNH

«Человечество – всего лишь частичка в мире массовых бактерий.
Нам нужно привыкнуть к этой идее ».

Д-р Мартин Блазер Автор книги «Пропавшие микробы».

Посмотреть больше

Учитывая этот факт, нас не должно удивлять, что микробы также занимают большую часть из нас, человек.От семидесяти до девяноста процентов всех клеток в организме человека являются бактериальными, представляющими, возможно, 10 000 различных видов. Генетически мы получаем еще меньше недвижимости: 99 процентов уникальных генов в нашем организме являются бактериальными. Эта популяция, состоящая из более чем 100 триллионов микроорганизмов, составляет наш микробиом: совокупность микробных сообществ, которые эволюционировали вместе с homo sapiens , чтобы помочь организовать основные жизненные процессы, начиная с момента нашего рождения.

Поэтому нас не должно удивлять, что микробиом играет важную роль в здоровье, особенно в иммунитете и обмене веществ.И то, что нарушение этого древнего равновесия не могло иметь серьезных последствий. Но это было последнее, о чем можно было подумать, когда в 1940-х годах на сцену вышли антибиотики, уничтожающие бактерии или замедляющие их рост. «Мы только что выиграли Вторую мировую войну, мы сбросили бомбу, мы были непобедимы, и теперь у нас есть эти невероятные лекарства», – говорит Блазер. Ранее смертельные болезни можно было предотвратить или вылечить. Хирургия стала намного безопаснее. Побочные эффекты были незначительными и легкими.

Посмотреть больше

Примерно 30 триллионов клеток в вашем теле – менее трети – являются человеческими.Остальные 70-90% – бактериальные и грибковые.

, Габи Д’Алесандро / © AMNH

Примерно 30 триллионов клеток в вашем теле – менее трети – являются человеческими.Остальные 70-90% – бактериальные и грибковые.

, Габи Д’Алесандро / © AMNH

Посмотреть больше

Девяносто девять процентов уникальных генов в вашем теле являются бактериальными.Только около одного процента – люди.

, Габи Д’Алесандро / © AMNH

Девяносто девять процентов уникальных генов в вашем теле являются бактериальными.Только около одного процента – люди.

, Габи Д’Алесандро / © AMNH

Лекарства были настолько эффективны и, по всей видимости, без риска, что и врачи, и пациенты начали использовать их даже тогда, когда болезнь вряд ли была вызвана бактериями: например, для лечения инфекций верхних дыхательных путей. Подавляющее большинство ушных инфекций, ангины и кашля вызваны вирусами и проходят сами по себе. «Но если ваш ребенок принимал амоксициллин, человеческая природа приписывает ему это лекарство», – говорит Блазер.«Человеческая природа – видеть то, что мы хотим и ожидаем увидеть». Трудность заключается в различении серьезных и легких заболеваний, а также в учете риска для общества в целом. Независимо от того, помогает ли препарат тому одному ребенку с ушной инфекцией, Блазер утверждает, что «в совокупности по всему обществу все эти дозы причиняют вреда».

В среднем американцы проходят около 30
курсов антибиотиков до 40 лет.

Он одинаково ясно заявляет о том, что антибиотики неоценимы для лечения многих серьезных инфекций и продолжают спасать бесчисленное количество жизней.Проблема не в использовании, а в злоупотреблении. В среднем американцы проходят около 30 курсов антибиотиков до 40 лет. Они также встречаются в неорганическом мясе, выращенной на фермах рыбе, молоке и яйцах, потому что около 70 процентов всех продаваемых антибиотиков скармливают животным, выращиваемым на коммерческих фермах, для их откорма. . Они тоже в нашей водопроводной воде. Количество следов, но, как указывает Блазер, все складывается. Чрезмерное использование антисептиков и дезинфицирующих средств, а также рост числа случаев кесарева сечения также способствуют наступлению на микробное разнообразие внутри и внутри нас.Мы только начинаем осознавать последствия для здоровья. Отсутствующие микробы документирует связь между тем, что Блазер называет «современными эпидемиями» – ожирением, детским диабетом, астмой, сенной лихорадкой, пищевой аллергией, пищеводным рефлюксом и раком, глютеновой болезнью, болезнью Крона, язвенным колитом, аутизмом, экземой и широко распространенными антибиотиками. злоупотребление.

Оглядываясь назад, Блазер спрашивает: «Как мы могли так долго это пропускать? Как мы могли использовать что-то настолько мощное, так широко и думать, что ничего не произойдет? » Он приписывает это «священным коровам повсюду» – идеям, часто необоснованным, которые, тем не менее, не подвергаются сомнению.«Это по-прежнему правда, что антибиотики настолько эффективны и безопасны, но это не на 100 процентов. – это биологическая стоимость, особенно для детей, чего мы не предвидели ».

Скептики отмечают, что исследования, проведенные лабораторией Блейзера, показывают корреляцию, а не причинно-следственную связь. Например, карты CDC США за 2010 год показывают, что заболеваемость ожирением и употреблением антибиотиков заметно выше на Юге. Описывая доказательства как «поразительно неслучайные», Блазер говорит: «Если вы можете показать достаточно ассоциаций в достаточно разных направлениях, это начинает формировать причинный аргумент.«Взять хотя бы курение, – предлагает он, – никогда не было доказано, что оно вызывает рак легких. Многие курильщики никогда не болеют раком, а есть и некурящие, которые заболевают. «Дело в том, что курение является настолько сильным фактором риска, что мы теперь предполагаем, что это причина, но в техническом смысле этого никогда не было у людей».

Блазер сразу признает, что наука – это проверка гипотез, поэтому новым идеям уместно встречаться со скептицизмом. Примером может служить исследование роли Helicobacter pylori , бактерии, которая обитает в кишечнике человека не менее 100 000 лет.Медицинская догма долгое время утверждала, что желудок стерилен, а способ лечения язв – снижение кислотности путем употребления молока и уменьшения стресса. Затем два австралийских врача заметили в желудке S-образную бактерию (которую мы теперь знаем как H. pylori ) и смогли установить новаторскую связь как с гастритом (воспалением желудка), так и с язвой – работа, которая принесла им Нобелевскую премию. в 2005 году. Лаборатория Блазера, которая начала изучать H. pylori в 1985 году, продолжила доказывать, что микроб может вызывать рак желудка, ведущую причину смерти от рака.

Посмотреть больше

H.пилори

Фотография любезно предоставлена ​​JH Lee и KH Kim / Korea University

H.пилори

Фотография любезно предоставлена ​​JH Lee и KH Kim / Korea University

Догма изменилась: «Единственный хороший H. pylori – мертвый». Но когда Блазер начал понимать, насколько глубоко изменилась микробиология человеческого желудка всего за несколько поколений, он начал задаваться вопросом, так ли это на самом деле. Бактерия, вероятно, стала менее распространенной в начале ^{-го –} века, когда вода стала чище, а семьи уменьшились, а широкое использование антибиотиков после 1940 года ускорило эту тенденцию.Эффект сохраняется на всю жизнь. Растет число новых заболеваний, связанных с потерей H. pylori .

Начиная с 1996 года, несмотря на продолжающийся скептицизм, Блазер предположил, что H. pylori также играет положительную роль в здоровье человека. Он и его коллеги показали, что бактерия защищает от ГЭРБ (гастроэзофагеальной рефлюксной болезни), астмы и рака пищевода. «Helicobacter – очень сложная проблема», – говорит он. «Все пытаются избавиться от него, но его исчезновение может быть не менее важным.Ко мне наедине приходили люди и говорили: «Мы с тобой согласны».

Еще одна проблема чрезмерного использования антибиотиков, которую следует признать первой, – это устойчивость к антибиотикам: появление «супербактерий», невосприимчивых к самым сильным лекарствам в нашем небольшом арсенале. Смертельные микробы, такие как C. difficile и MRSA, инфекция, вызванная устойчивым к антибиотикам стафилококком, впервые появились в больницах. В этом есть смысл, но почему они начали убегать в сообщество? «Из-за давления антибиотиков», – говорит Блазер, проводя аналогию с жизнью ниже уровня моря в Голландии.«Плотина, защищающая вас , должна быть действительно прочной, потому что давление моря настолько велико, что любая небольшая утечка может в конечном итоге затопить вас. Когда дело доходит до этих мощных патогенов, давление создается всеми антибиотиками, которые использовались со времен Второй мировой войны – не только антибиотиками, но и всеми антибактериальными средствами, которыми мы стираем и надеваем одежду. Мой коллега нашел рекламу антибактериального степлера ! »

Откровенно ужасающий рост и распространение этих смертоносных микробов может быть движущей силой перемен, и есть свидетельства того, что мы можем изменить свой образ жизни.Очевидно, что американцы пристрастились к антибиотикам, но в других обществах это не так. Шведы, например, употребляют лишь на 40 процентов меньше антибиотиков, чем американцы (и по крайней мере так же здоровы). Аналогичным образом, частота, с которой врачи назначают антибиотики, широко варьируется в зависимости от одного вида медицинской практики. Блазер написал пропавших без вести микробов , чтобы повлиять на общественность и практикующих врачей, о всех рисках использования антибиотиков. Он хотел бы разработать программу по информированию людей о последствиях для здоровья детей, получающих антибиотики в раннем возрасте.И он хотел бы поощрить разработку антибиотиков узкого спектра действия, которые влияют только на несколько типов бактерий. Поскольку антибиотики намного менее прибыльны, чем лекарства от хронических заболеваний, фармацевтические компании прекратили их разработку. Блазер предлагает людям сказать Конгрессу: «У меня есть дети и внуки, и я хочу, чтобы они получали антибиотики узкого спектра действия – и я хочу, чтобы они были в безопасности».

Просмотреть слайд-шоу лекции «Антибиотики и ожирение»

Многообещающим способом восстановления микробиома является восстановление – замена некоторых организмов, которые теряются, когда кто-то принимает антибиотики.Одним из методов является пересадка фекалий (FT): перенос стула от здорового человека для замены убитых или подавленных полезных бактерий. FT оказался высокоэффективным при искоренении истощающих инфекций C. difficile . Теоретически, чем больше микробиологически разнообразен образец, тем лучше, но на практике стул практически каждого здорового человека превращает странный микробиом в нормальный. «Это потрясающе», – комментирует Блазер. «Мы думаем, что это потому, что существует фундаментальное равновесие».

Он также предупреждает, что это первые дни FT, а возможно, и последние дни, потому что в разработке находятся более безопасные и точные методы лечения.Опять же, это вопрос оценки риска. «Есть тяжелобольные люди, которым это действительно нужно, но другие люди с легкой формой болезни спрашивают меня, как они могут его получить». Blaser добивается хороших результатов от пероральных коктейлей, которые содержат гораздо более определенные бактериальные культуры. Эти – это научно разработанные пробиотики, подчеркивает он, а не плохо изученные соединения, которые заполняют полки в продуктовых магазинах, магазинах здоровой пищи и аптеках.

« Нам также необходимо улучшить некоторые из организмов, которые присутствуют, но истощены, с помощью пребиотиков», – говорит Блазер.(Пребиотики – это особые химические вещества, которые способствуют росту полезных организмов – ваших собственных или тех, которые используются в качестве пробиотиков.) «Может быть, нам нужно изменить ситуацию, заменить некоторые из этих исчезнувших организмов, возможно, изолятами из Амазонки или Африки. И в конечном итоге мы должны контролировать ». Медицинские границы многочисленны. «Мы знаем, что антибиотики влияют на развитие метаболизма (как при ожирении) и иммунитета (как при астме или диабете 1 типа), поэтому нетрудно предположить, что они также влияют на комплексное развитие мозга», – пишет врач. Отсутствующие микробы .Он также видит потенциальную связь со статусом эстрогена.

«Нам нужно улучшить некоторые из организмов, которые присутствуют, но истощены … Может быть, нам придется заменить некоторые из этих исчезнувших организмов, возможно, изолятами из Амазонки или Африки. И в конечном итоге мы должны контролировать ».

Д-р Мартин Блазер Автор книги «Пропавшие микробы».

Посмотреть больше

Могут ли все биологические системы потенциально затронуты микробиомом? Блазер считает, что это, вероятно, играет роль почти во всех аспектах здоровья и болезней, и что более серьезный вопрос заключается в величине.«Участвует ли микробиом в одном проценте биологического процесса – будь то развитие, например, сердечная недостаточность – или большая часть этого?» Практически любую болезнь стоит изучить, потому что все они различаются по течению и исходу, а также по тому, насколько хорошо или плохо люди реагируют на терапию. Врачи уделяют много времени изучению этой человеческой вариации, и Блазер считает разумным приписать некоторые из этих вариаций метаболическому статусу отдельного микробиома. Он и его коллеги особенно заинтересованы в почечной недостаточности, из-за которой некоторые пациенты переходят на диализ быстрее, чем другие.«Мы находимся на очень ранних стадиях определения того, играет ли метаболическая активность микробов в нашем кишечнике роль в этом изменении».

Это захватывающий рубеж для исследований. «У нас есть первые свидетельства существования золота», – говорит Блазер. «Мы еще не знаем, где это». Что он действительно знает, так это то, что от аргументированных научных аргументов, подкрепленных данными, загораются глаза.

Доктор Блазер – профессор медицины Мюриэль и Джорджа Сингеров, профессор микробиологии и директор программы по микробиому человека в Медицинском центре Лангоне Нью-Йоркского университета.Он является автором более 500 научных публикаций и 14 книг, последней из которых является пропавших без вести микробов: как чрезмерное использование антибиотиков подпитывает наши современные чумы.

Эштон Эпплуайт – штатный писатель Американского музея естественной истории.

Этот проект поддерживается программой Награды Партнерства в области научного образования (SEPA) Национальных институтов здравоохранения (NIH).

Новый инструмент для моделирования микробиома кишечника человека | MIT News

В кишечнике человека обитает несколько тысяч штаммов бактерий.Некоторые из них связаны с болезнями, а другие благотворно влияют на здоровье человека. Выяснить точную роль каждой из этих бактерий может быть сложно, потому что многие из них не могут быть выращены в лабораторных исследованиях с использованием тканей человека.

Эта трудность особенно заметна для видов, которые не могут жить в богатой кислородом среде. Однако инженеры-биологи и механики Массачусетского технологического института разработали специальное устройство, в котором они могут выращивать непереносимые кислородом бактерии в тканях, которые воспроизводят слизистую оболочку толстой кишки, что позволяет им выжить до четырех дней.

«Мы думали, что очень важно внести в сообщество инструмент, который можно было бы использовать в этом крайнем случае», – говорит Линда Гриффит, профессор Инженерной школы факультета биологической инженерии Массачусетского технологического института. «Мы показали, что вы можете выращивать эти очень требовательные организмы, и мы смогли изучить их влияние на толстую кишку человека».

Используя эту систему, исследователи показали, что они могут выращивать штамм бактерий под названием Faecalibacterium prausnitzii , который живет в кишечнике человека и защищает от воспаления.Они также показали, что эти бактерии, количество которых часто уменьшается у пациентов с болезнью Крона, по-видимому, проявляют многие из своих защитных эффектов за счет высвобождения жирной кислоты, называемой бутиратом.

Гриффит и Дэвид Трампер, профессор машиностроения Массачусетского технологического института, являются старшими авторами исследования, которое сегодня публикуется в журнале Med . Постдоки Массачусетского технологического института Цзяньбо Чжан и Ю-Джа Хуанг являются ведущими авторами статьи.

Чувствительность к кислороду

Сложную микробиомную среду кишечника человека сложно смоделировать с использованием таких животных, как мыши, отчасти потому, что мыши питаются совсем не так, как люди, – говорит Гриффит.

«Мы многому научились у мышей и других моделей животных, но есть много различий, особенно когда речь идет о микробиоме кишечника», – говорит она.

Большинство бактерий, обитающих в кишечнике человека, являются анаэробными, что означает, что им не нужен кислород для выживания. Некоторые из этих бактерий могут переносить низкие уровни кислорода, в то время как другие, такие как F. prausnitzii , не могут пережить воздействие кислорода, что затрудняет их изучение в лаборатории.Некоторые исследователи разработали устройства, в которых они могут выращивать клетки толстой кишки человека вместе с бактериями, которые переносят низкий уровень кислорода, но они не работают для F. prausnitzii и других микробов с высокой непереносимостью кислорода.

Чтобы преодолеть это, команда Массачусетского технологического института разработала устройство, которое позволяет им точно контролировать уровень кислорода в каждой части системы. Их устройство содержит канал, покрытый клетками слизистой оболочки толстой кишки человека. Ниже этих клеток закачиваются питательные вещества, чтобы клетки оставались живыми.Этот нижний слой богат кислородом, но концентрация кислорода уменьшается к верху слоя клеток слизистой оболочки, подобно тому, что происходит внутри толстой кишки человека.

Так же, как и в толстой кишке человека, барьерные клетки в канале секретируют плотный слой слизи. Команда Массачусетского технологического института показала, что F. prausnitzii может образовывать облака клеток во внешнем слое этой слизи и выживать там до четырех дней в среде, которая не содержит кислорода за счет протекающей через нее жидкости.Эта жидкость также содержит питательные вещества для микробов.

Используя эту систему, исследователи смогли показать, что F. prausnitzii действительно влияет на клеточные пути, участвующие в воспалении. Они заметили, что бактерии производят короткоцепочечную жирную кислоту, называемую бутиратом, которая, как ранее было показано, уменьшает воспаление. После того, как уровень бутирата повысился, клетки слизистой оболочки показали снижение активности пути, называемого NF каппа B. Это снижение успокаивает воспаление.

«В целом, этот путь был сокращен, что действительно похоже на то, что люди видели у людей», – говорит Чжан.«Кажется, что бактерии снижают чувствительность клеток млекопитающих, чтобы они не слишком остро реагировали на опасности во внешней среде, поэтому состояние воспаления успокаивается бактериями».

Пациенты с болезнью Крона часто имеют пониженные уровни F. prausnitzii , и предполагается, что отсутствие этих бактерий способствует гиперактивному воспалению, наблюдаемому у этих пациентов.

Когда исследователи добавили в систему бутират без бактерий, это не вызвало всех эффектов, которые они наблюдали при наличии бактерий.Это говорит о том, что некоторые эффекты бактерий могут быть вызваны другими механизмами, которые исследователи надеются изучить в дальнейшем.

Микробы и болезни

Исследователи также планируют использовать свою систему для изучения того, что происходит, когда они добавляют другие виды бактерий, которые, как считается, играют роль в болезни Крона, чтобы попытаться дополнительно изучить влияние каждого вида.

Они также планируют исследование в сотрудничестве с Алессио Фазано, начальником отделения детской гастроэнтерологии и питания Массачусетской больницы общего профиля, по выращиванию слизистой оболочки пациентов с глютеновой болезнью и другими желудочно-кишечными расстройствами.Затем эту ткань можно было бы использовать для изучения воспаления, вызванного микробами, в клетках с различным генетическим фоном.

«Мы надеемся получить новые данные, которые покажут, как микробы и воспаление работают с генетическим фоном хозяина, чтобы увидеть, могут ли быть люди с генетической предрасположенностью к тому, что микробы немного больше мешают слизистому барьеру. чем другие люди », – говорит Гриффит.

Она также надеется использовать это устройство для изучения других типов слизистых оболочек, в том числе барьеров женских половых путей, таких как шейка матки и эндометрий.

Исследование финансировалось Национальным институтом здравоохранения США, программой Boehringer Ingelheim SHINE и Национальным институтом гигиены окружающей среды.

Кишечная микробиота (кишечная флора) | Inserm

Хроническое воспалительное заболевание кишечника (ВЗК) , такое как болезнь Крона и язвенный колит , связано с неправильной активацией иммунной системы кишечника. Его начало вызвано основными генетическими факторами и факторами окружающей среды (диета, возраст и т. Д.).). В то же время улучшение симптомов у пациентов, получающих антибактериальную терапию, и разрешение воспалительных поражений кишечника у людей, кишечная стенка которых больше не контактирует с фекалиями (отведение фекалий), также указывает на роль микробиоты.

Микробиота , несбалансированная с точки зрения провоспалительных и противовоспалительных видов бактерий и преобладающей природы определенных классов бактерий ( энтеробактерии, фузобактерии ) или редкой природы других видов ( Clostridia , Faecalibacterium ) были описаны у лиц, страдающих ВЗК.В настоящее время невозможно установить, является ли это причиной или следствием этих заболеваний, или определить, является ли дисбактериоз, стоящий за заболеванием, врожденным или результатом другого фактора окружающей среды (диета, лекарства и т. Д.). Была выдвинута привлекательная гипотеза: считается, что дисбактериоз развивается из-за влияния генетических факторов и факторов окружающей среды, но, по-видимому, играет роль в запуске, поддержании и степени тяжести воспаления, что приводит к порочному кругу.

Кроме того, среди десятков генов предрасположенности к ВЗК, идентифицированных в настоящее время, некоторые играют решающую роль в отношении микробиоты. Мутация гена NOD2 чаще всего наблюдается у пациентов, страдающих болезнью Крона: этот ген кодирует рецептор врожденного иммунитета, ответственный за обнаружение компонента бактериальной стенки. После мутации он больше не может выполнять эту функцию или способствовать сохранению кишечного барьера. Сообщалось о других мутациях, например, в отношении гена ATG16L1 , участвующего в аутофагии иммунных клеток в присутствии бактерий, или гена MUC2 , который играет роль в синтезе кишечной слизи.

Микробиота является одной из предпочтительных терапевтических мишеней при этих воспалительных заболеваниях. До сих пор первые клинические испытания, проведенные с пробиотиками или пребиотиками, были безрезультатными. Однако ожидаются новые исследования, основанные на более рациональном выборе используемых микроорганизмов или соединений. В то же время некоторые команды пытаются создать генетически модифицированный пробиотик , который позволил бы имплантировать интересующий микроорганизм, придавая ему дополнительные свойства, такие как секреция иммуномодулирующих медиаторов.

Home – Ориентация на микробиоту 2021

Конгресс Targeting Microbiota 2021 пройдет 20-22 октября 2021 года в ЮНЕСКО в Париже, Франция. Встреча будет …

Подробнее

Профессор Петер К. Контурек, президент ISM из клинической больницы Йенского университета, Германия, представит …

Подробнее

Во время Конгресса по целевой микробиоте 2021, который состоится 20-22 октября 2021 года, профессор Тао Цзо из Института …

Подробнее

Во время Конгресса по целевой микробиоте 2021, который состоится 20-22 октября 2021 года, проф.Марвин Эдеас из Institut Coc …

Подробнее

Доктор Маркус Клэссон из Университетского колледжа Корка, Ирландия, присоединится к Виртуальному конгрессу Targeting Microbiota 2021, который запланирован …

Подробнее

Профессор Ланьцзюань Ли из Университета Чжэцзян, Китай, присоединится к программе Targeting Microbiota 2021, которая будет организована в октябре …

Подробнее

Профессор Ян-Ю Лю из Гарвардской медицинской школы и больницы Бригама и женщин, США, присоединится к программе Targeting Microbiot …

Подробнее

Ученые Monash Biomedicine Discovery Institute (BDI) открыли ранее неизвестный метод, используемый бактериями для эвакуации…

Подробнее

Эксперименты доктора Джорджа Ву из Калифорнийского университета могут предложить многообещающие разработки для лечения печеночной недостаточности. (Getty Images) …

Подробнее

Вектор технологий создан brgfx – www.freepik.com Исследователи из Лилльского центра инфекций и иммунитета …

Подробнее

Рисунок: © biomedcentral.com Задний план Последние достижения в области секвенирования следующего поколения (NGS) позволили метагеномную ана …

Подробнее

Изображение из: Mol Syst Biol (2020) 16: e8982 Созданы комплексные модели метаболизма человека на молекулярном уровне…

Подробнее

Функциональные внеклеточные митохондрии, обнаруженные в кровообращении. © Ален Р. Тьерри / Inserm Кровь мы …

Подробнее

Бактериофаги (фаги) рассматриваются в качестве альтернативных терапевтических средств для лечения бактериальных инфекций с множественной лекарственной устойчивостью …

Подробнее

Обоснование: Недавние исследования показали, что у тяжелобольных пациентов микробиота легких изменена и коррелирует с …

Подробнее

Пациенты с анкилозирующим спондилитом демонстрируют отчетливую сигнатуру фекальной микробиоты, которая связана с уровнями фекальных тел…

Подробнее

Награда за вклад в развитие плакатов была вручена д-ру Агате Худжик из Медицинского университета Люблина, Польша, во время таргетинга …

Подробнее

Во время конгресса Targeting Microbiota 2019, который проходил в Кракове, Польша, Научный комитет наградил д-ра Сату Пе …

Подробнее

Международное общество микробиоты (ISM) имеет честь объявить победителя Премии за научный вклад за год …

Подробнее

Во время конгресса Dr.Питер Бак, консультант по науке о жизни в Бэк-Бэй, США, поделится своим видением и рекомендациями. Синица …

Подробнее

Встреча «Искусственный интеллект и здоровье» прошла 25 ноября 2019 г. в Университете Париж-Юг. В ходе встречи Пр …

Подробнее

Профессор Петер Контурек из клинической больницы Йенского университета, Германия расскажет о «Трансплантации фекальной микробиоты …

Подробнее

Организационный комитет опубликовал итоговую повестку дня Конгресса по микробиоте на 2019 год.Если вы не можете принять участие в …

Подробнее

Biocrates Life Sciences AG, всемирно известный разработчик решений для целевого метаболического фенотипирования, поддерживает …

Подробнее

Международное общество микробиоты (ISM) имеет честь объявить ДНК Genotek одним из трех победителей конкурса Industrial Innova …

Подробнее

Д-р Татьяна Миятович из R.E.D. Лаборатории, Бельгия, один из наших спонсоров, присоединятся к 7-му Всемирному конгрессу по нацеливанию на …

Подробнее

В ходе конгресса проф.Магдалена Струс из Медицинского колледжа Ягеллонского университета, Польша проведет презентацию по …

Подробнее

Международное общество микробиоты (ISM) удостоено награды за промышленные инновации R.E.D. Лаборатории в течение …

Подробнее

Проф. Хинам Стэнли Ким из Корейского университета, Корея, снова присоединится к Конгрессу Targeting Microbiota 2019 и представит свои …

Подробнее

Д-р Марк Г.Дж. Feuilloley из Университета Руан-Нормандии, Франция, расскажет о «Связи между бактериальной микробиотой кожи»:…

Подробнее

Доктор Джули Рейгнер из Университета Парижского Декарта – Фармацевтический факультет, Франция присоединится к Конгрессу и представит …

Подробнее

Премия за промышленные инновации была присуждена Sethic Innovation Lab на конгрессе Targeting Microbiota 2019. Научный …

Подробнее

Насколько информативна мышь для исследования микробиоты кишечника человека?

Аннотация

Микробиота кишечника человека привлекает широкое внимание из-за ее связи с широким спектром заболеваний, начиная от метаболических нарушений (например,грамм. ожирение и диабет 2 типа) к аутоиммунным заболеваниям (таким как воспалительное заболевание кишечника и диабет 1 типа), раку и даже нарушениям развития нервной системы (например, аутизму). Мыши, которые все чаще используются в биомедицинских исследованиях, стали предпочтительной моделью для большинства исследований в этой развивающейся области. Мышиные модели позволяют изучать нарушения микробиоты кишечника в контролируемой экспериментальной установке и, таким образом, помогают в оценке причинно-следственной связи сложных взаимодействий хозяина и микробиоты и в разработке механистических гипотез.Однако следует учитывать подводные камни при переносе результатов исследований микробиома кишечника с мышиных моделей на людей. В этой специальной статье мы обсуждаем внутренние сходства и различия, существующие между двумя системами, и сравниваем микробиоту сердцевины кишечника человека и мыши на основе метаанализа имеющихся в настоящее время наборов данных. Наконец, мы обсуждаем внешние факторы, которые влияют на способность моделей мышей воспроизводить изменения кишечной микробиоты, связанные с заболеваниями человека, и исследуем, какие альтернативные модельные системы существуют для исследования кишечной микробиоты.

Введение

Мышиные модели широко используются в биомедицинских исследованиях. Обширное сходство в анатомии, физиологии и генетике позволило сделать многочисленные выводы о биологии человека на основе экспериментов на мышах. Продвинутые знания генетики мышей и наличие множества генетически модифицированных моделей мышей значительно облегчают функциональные исследования. Более того, их низкая стоимость обслуживания (по сравнению с другими экспериментальными моделями млекопитающих), высокие темпы воспроизводства и короткий жизненный цикл являются существенными преимуществами мышиной модели.

В исследованиях микробиоты кишечника все чаще используются мышиные модели для изучения роли и функционирования микробиоты кишечника и ее связи с заболеваниями. Изменения в составе и функции кишечной микробиоты были связаны со многими патологиями человека, начиная от метаболических нарушений, таких как ожирение (Le Chatelier et al., 2013; Ley et al., 2006) и диабет 2 типа (Qin et al., 2012 ), до сложных заболеваний, таких как воспалительное заболевание кишечника (ВЗК) (Manichanh et al., 2012) и аутоиммунных заболеваний, таких как ревматоидный артрит (Vaahtovuo et al., 2008) и аллергии (Russell et al., 2012). Совсем недавно двунаправленное взаимодействие кишечной микробиоты с функцией мозга хозяина посредством нейрогуморальной коммуникации (называемой осью кишечник-мозг) также привлекло внимание при желудочно-кишечных расстройствах, таких как синдром раздраженного кишечника, а также при более неожиданных патологиях, таких как аутизм (De Angelis et al., 2013; Kang et al., 2013; Wang et al., 2013).

Экспериментальные манипуляции с моделями мышей в исследованиях микробиоты кишечника позволяют проводить функциональные и механистические исследования взаимодействий хозяин-микроб, тем самым помогая оценить причинную связь в связанных с заболеванием изменениях в составе микробиоты кишечника.Манипуляции, которые необходимы для исследования микробиоты кишечника, включают манипуляции с генетическим фоном хозяина (нокауты генов), манипуляции с составом микробиоты кишечника (контролируемая инокуляция беспроблемным или гнотобиотическим мышам, то есть стерильным мышам, которым вводят внешние микробы) и вмешательство экосистемы, включая диетические вмешательства, лечение антибиотиками и трансплантация фекалий. Использование моделей на мышах в исследованиях микробиоты кишечника дало больше информации о патологических механизмах некоторых заболеваний, таких как определение роли микробиоты кишечника в патогенезе ВЗК или в контроле энергетического баланса хозяина при ожирении.Например, в исследованиях ожирения незаменимы генетически модифицированные модели (такие как мыши с дефицитом лептина ob / ob ) и мышиные модели без микробов, поскольку они позволяют проводить вмешательства, которые невозможно провести на людях, чтобы предоставить доказательства того, как кишечные бактерии влияют на метаболизм хозяина (Bäckhed et al., 2007). Хотя результаты таких экспериментов привели к важным открытиям в понимании динамических и сложных взаимоотношений между кишечной микробиотой и ее хозяином, перенос таких результатов с мышиных моделей на людей остается нетривиальным из-за наличия некоторых ключевых различий между двумя системами, которые необходимо учитывать. учтено.В этой специальной статье мы сравниваем обе модельные системы в отношении анатомии и функции кишечника и проводим сравнительный анализ состава здоровой кишечной микробиоты у людей и мышей, используя общедоступные наборы данных по фекальной микробиоте. Изучая эти внутренние различия и внешние факторы, формирующие состав микробиоты кишечника, мы оцениваем сильные стороны, а также недостатки использования мышиной модели в исследованиях трансляционной микробиоты кишечника.

Анатомия кишечника мыши и человека

Мышь и человек очень похожи по физиологии и анатомическому строению, и это одна из причин, по которой мышиные модели широко используются в биомедицинских исследованиях.В частности, желудочно-кишечный тракт у обоих видов состоит из анатомически схожих органов. Однако анатомия кишечного тракта мыши и человека также имеет заметные различия (таблица 1), которые могут быть сформированы их расходящимися диетами, режимами питания, размерами тела и метаболическими потребностями.

Таблица 1.

Сходства и различия в анатомии желудочно-кишечного тракта мыши и человека

Несмотря на то, что среднее соотношение площади поверхности кишечника к площади тела у мышей и людей одинаково (Casteleyn et al., 2010), это соотношение сильно различается между двумя видами на разных участках кишечника. Например, среднее отношение длины тонкой кишки к длине толстой кишки составляет 2,5 у мышей против 7 у людей (Treuting and Dintzis, 2012), а соотношение поверхности тонкой кишки: толстой кишки составляет всего 18 у мышей по сравнению с 400 у людей (Casteleyn et al. др., 2010). Слепая кишка мыши также велика по сравнению с общим желудочно-кишечным трактом (ЖКТ) и является важным местом для ферментации растительного сырья, а также для производства витаминов К и В, которые мыши реабсорбируют посредством копрофагии (рис.1). Напротив, слепая кишка человека относительно мала, с анатомической структурой, аналогичной структуре толстой кишки, и не выполняет четкой функции (Treuting and Dintzis, 2012). Эти морфологические различия отражают адаптацию мышей к увеличению емкости толстой и слепой кишки, что позволяет им извлекать питательные вещества из относительно большей доли неперевариваемых пищевых компонентов в их рационе по сравнению с людьми. У людей также есть аппендикс, которого нет у мышей. Аппендикс – это червеобразный орган, прикрепленный к слепой кишке (рис.1) и предположили, что это остаток слепой кишки под давлением выборочной диеты. Однако недавно было показано, что этот орган эволюционировал под действием множества факторов окружающей среды, помимо диеты (Smith et al., 2013b). Было также предложено использовать приложение в качестве хранилища полезных бактерий для пополнения кишечной микробиоты после нарушений (Smith et al., 2013b).

Рисунок 1.

Анатомия желудочно-кишечного тракта человека и мыши. (A) Ободочная кишка человека разделена на разные части (т.е. восходящей, поперечной и нисходящей ободочной кишки) с присутствием taenia coli и компартментализацией в хаустре, которые отсутствуют в толстой кишке мыши. Человеческий желудок выстлан железистой слизистой оболочкой (C), которая выделяет желудочную кислоту, тогда как желудок мыши разделен на две области – железистый желудок и негландулярный или передний желудок (B). Железистый желудок мыши отвечает за секрецию желудочной кислоты, тогда как негландулярный желудок функционирует как временное место хранения и переваривания пищи.(E) Поперечное сечение толстой кишки человека, которая имеет более толстую мышечную стенку и слизистую оболочку по сравнению с толстой кишкой мыши (D). М – слизистая; ME, muscularis externa; TC, taenia coli. Панели B и C воспроизведены из «Сравнительной анатомии и гистологии: атлас мыши и человека» Пайпер М. Тройтинг и Сьюзи Динцис, 2012 г., с разрешения Elsevier. D воспроизводится с веб-сайта http://theses.ulaval.ca/archimede/fichiers/24866/ch07.html с разрешения автора. E используется повторно с сайта www.anatomyatlases.org с разрешения автора.

Ворсинки кишечника мыши выше, чем у человека (рис. 2). Это морфологическое различие увеличивает площадь поверхности тонкого кишечника мыши и было предложено в качестве механизма компенсации отсутствия складок слизистой оболочки в кишечнике мыши. Ободочная кишка мыши довольно гладкая, без делений, тогда как толстая кишка человека подразделяется на мешочки (называемые хаустрой; см. Вставку 1 для глоссария терминов и см. Рис. 1), которые отсутствуют в ободочной кишке мыши. У людей ферментация пищевых углеводов связана с толстой кишкой и не наблюдается ни в рудиментарной слепой кишке, ни в аппендиксе.Эти основные анатомические различия в компартментализации кишечника между мышами и людьми, особенно в отношении большей ферментационной способности мышей (в слепой кишке), вероятно, влияют на разнообразие и состав микробных сообществ кишечника в толстой кишке. Эти сообщества несут ответственность не только за ферментацию неперевариваемых пищевых компонентов, но и за производство необходимых для хозяина дополнительных компонентов, таких как витамины K и B и короткоцепочечные жирные кислоты (SCFA).

Инжир.2.

Анатомические структуры стенки кишечника мышей и человека. A и B сделаны при одинаковом увеличении (20 ×) и показывают срез стенки тонкой кишки у мышей (A) и человека (B), демонстрируя, что ворсинки кишечника мыши (A) выше, чем у людей (B ). В – кишечные крипты; G – бокаловидные клетки; L, lamina propria; MM, muscularis mucosae; P – клетки Панета; SM, подслизистая основа; V, ворсинки. Изображения воспроизведены из «Сравнительной анатомии и гистологии: атлас мыши и человека» Пайпер М.Тройтинг и Сьюзи Динцис, 2012 г., с разрешения Elsevier.

Вставка 1. Глоссарий научных терминов

Адипонектин: белок, участвующий в регуляции уровня глюкозы и расщепления жирных кислот.

Bacteroidetes: Грамотрицательные, неспорообразующие анаэробные бактерии; один из основных видов бактерий в кишечной микробиоте человека и мыши.

Копрофагия: потребление фекалий.

Дисбиоз: дисбаланс микробных сообществ, ассоциированных с человеком, обычно связанных с заболеванием, с отклонением состава (виды микробов) и функциональных (микробный метаболизм) от нормальной микробиоты.

Энтеротип: классификация людей (или других организмов-хозяев) на основе состава их кишечной микробиоты.

Firmicutes: грамположительные анаэробные бактерии, продуцирующие эндоспоры; один из основных видов бактерий в кишечной микробиоте человека и мыши.

Ось кишечник-мозг: двунаправленная передача сигналов между кишечной микробиотой и мозгом хозяина, влияющая на нормальный гомеостаз и способствующая развитию болезни.

Haptens: небольшие молекулы, которые могут вызывать иммунные ответы при присоединении к более крупным неиммуногенным носителям.

Haustra: маленькие мешочки, сегментирующие толстую кишку, вызванные натяжением более коротких внешних мышечных лент (ср. Taenia coli).

Гуманизированные мыши-гнотобиоты: мыши, рожденные свободными от микробов и зараженные образцом микробиоты кишечника человека.

Мыши-изобиотики: генетически идентичные мыши, различающиеся только составом микробиоты.

Метагеномный анализ: исследование микробного сообщества путем секвенирования пула генетического материала из экологического или клинического образца.

Muscularis mucosae: тонкий мышечный слой, отделяющий собственную пластинку слизистой оболочки от подслизистой оболочки.

Taenia coli: три продольных гладкомышечной ленты вдоль внешней стороны толстой кишки.

Помимо макроскопических различий, микроскопическая структура кишечного тракта мышей и людей также различается (Treuting and Dintzis, 2012). Ободочная кишка мышей состоит из тонких мышечных слизистых оболочек (см. Вставку 1 и таблицу 1) без видимой подслизистой оболочки, тогда как ободочная кишка человека покрыта более толстой стенкой слизистой оболочки.Другое отличие состоит в наличии поперечных складок по длине слизистой оболочки толстой кишки у людей, тогда как у мышей эти складки ограничены слепой кишкой и проксимальным отделом толстой кишки. Эти различия в микро-компартментализации и структурировании толстой кишки могут способствовать созданию разнообразных экологических микрониш, вмещающих различные микробные сообщества.

На клеточном уровне также существует ряд заметных различий между людьми и мышами. Первый пример – это распределение бокаловидных клеток, продуцирующих муцин (таблица 1).У мышей эти клетки многочисленны на поверхности кишечных крипт в проксимальном отделе толстой кишки, но в дистальных отделах толстой и прямой кишки их количество уменьшается у основания крипты. И наоборот, у людей бокаловидные клетки в большом количестве находятся от слепой кишки до прямой кишки. Второй пример – это различие в распределении между мышами и людьми другого типа кишечных эпителиальных клеток – клетки Панета (Таблица 1). Клетки Панета выделяют антимикробные соединения в просвет тонкой кишки. Они редки, но присутствуют в слепой кишке и проксимальном отделе толстой кишки человека, тогда как у мышей эти клетки полностью отсутствуют в слизистой оболочке толстой кишки и обнаруживаются только в слепой кишке.Помимо различий в локализации, количество дефенсинов (пептидов, участвующих в защите хозяина), секретируемых клетками Панета, их хранение и секреция также различались у мышей и людей (Cunliffe et al., 2001; Ghosh et al., 2002; Ouellette and Selsted, 1996). Эти различия в распределении бокаловидных клеток и клеток Панета между двумя организмами предполагают различия в местных иммунных ответах, которые могут формировать состав микробиоты кишечника.

В целом пищеварительный тракт млекопитающих сильно консервативен, при этом основные различия между видами, вероятно, обусловлены диетой.Таким образом, учитывая их общую всеядность, люди и мыши очень похожи. Однако люди эволюционировали в сторону меньшей слепой и толстой кишки и относительно более длинного тонкого кишечника по сравнению с мышиной. У мышей ферментация неперевариваемых пищевых компонентов отделена в слепой кишке, тогда как у людей ферментация происходит в толстой кишке, а слепая кишка является рудиментарной (рис. 1). Морфология толстой кишки мыши и человека также различается: толстая кишка человека разделена на хаустру, тогда как толстая кишка мыши довольно гладкая.Клетки, которые необходимы для целостности кишечника и равновесия между хозяином и микробиотой, такие как бокаловидные клетки и клетки Панета, также сохраняются между двумя видами, хотя есть различия в распределении. Хотя эти различия не означают, что модель на мышах не представляет ценности для изучения взаимодействий между хозяином и микробиотой, необходимо соблюдать осторожность при проведении прямых параллелей между кишечником мыши и человека в отношении состава микробиоты, поскольку на коэволюцию микробиоты хозяина могло повлиять влияние. этими анатомическими расхождениями.

Состав микробиоты кишечника человека и мыши в условиях здоровья и болезней

Принимая во внимание упомянутые выше соображения, в этом разделе мы дополнительно анализируем сходства и расхождения между составом кишечной микробиоты мыши и человека, а также их соответствующие ответы на диетические вмешательства. Наконец, мы сравниваем сдвиги микробиома, связанные с заболеванием, между двумя организмами.

Состав микробиоты кишечника здоровых людей и мышей

В целом, в кишечной микробиоте человека и мышей преобладают два основных типа: Bacteroidetes и Firmicutes (Eckburg et al., 2005; Лей и др., 2005; Ley et al., 2006). Однако при изучении более глубоких таксономических классификаций Ley et al. показали, что 85% бактериальных родов, обнаруженных в микробиоте кишечника мыши, не присутствуют в организме человека (Ley et al., 2005). Некоторые различия в методах исследования затрудняют сравнение микробиома мыши и человека. Во-первых, в большинстве исследований микробиома кишечника человека используются образцы стула, тогда как содержимое слепой кишки обычно используется в исследованиях микробиома кишечника мышей (за исключением продольных исследований, в которых отбираются образцы гранул).Кроме того, состав микробиоты кишечника человека изучался в нескольких исследованиях (Arumugam et al., 2011; Human Microbiome Project Consortium, 2012; Qin et al., 2010; Yatsunenko et al., 2012) с использованием как метагеномной, так и 16S рДНК. подходы к секвенированию, тогда как стандартным выбором для исследований на мышах в основном является секвенирование рДНК 16S (Brinkman et al., 2011; Brinkman et al., 2013; Hildebrand et al., 2013; Kellermayer et al., 2011; Riboulet-Bisson et al. , 2012; Убеда и др., 2013; Ward et al., 2012; Zenewicz et al., 2013), хотя метагеномный анализ также начал использоваться в исследованиях на мышах (Wang et al., 2014). Здесь мы сравниваем состав микробиоты кишечника мыши и человека на основе всех имеющихся в настоящее время данных секвенирования 16S рДНК из образцов фекалий здоровых взрослых (рис. 3). Учитывая ограничения, упомянутые ранее, анализ основан на ограниченном количестве образцов: пять исследований фекальной 16S рДНК мышей (Nagy-Szakal et al., 2012; Riboulet-Bisson et al., 2012; Ubeda et al., 2013; Ward et al., 2012; Zenewicz et al., 2013) и четыре общедоступных набора данных 16S рДНК здорового взрослого человека (Human Microbiome Project Consortium, 2012; Yatsunenko et al., 2012).

Рис. 3.

Мета-анализ фекальной микробиоты мышей и человека на основе опубликованных данных секвенирования 16S рДНК. (A) Сравнение здоровой кишечной микробиоты взрослого человека и мыши. Относительное содержание родов в кишечной микробиоте обоих организмов [четыре набора данных о людях (Консорциум проекта микробиома человека, 2012 г .; Яцуненко и др., 2012) и пять наборов данных по мышам (Nagy-Szakal et al., 2012; Riboulet-Bisson et al., 2012; Ubeda et al., 2013; Ward et al., 2012; Zenewicz et al., 2013)] упорядочены в соответствии с их чрезмерной представленностью в кишечной микробиоте мышей или человека (непараметрический Z-показатель Вилкоксона). Роды со значительными различиями ( P <0,05) между кишечной микробиотой человека и мыши отмечены звездочкой. Обратите внимание, что ни одно из этих различий не является значимым после нескольких корректировок тестирования. Обратите внимание, что в этом сравнении используются только пять наборов данных о мышах, потому что набор данных из Cho et al.(Cho et al., 2012) не содержит данных о численности и, следовательно, не может использоваться для сравнения относительной численности микробиоты кишечника мыши и человека. (B) Размер ядра мыши и микробиоты панкреста во всех возможных комбинациях шести наборов данных микробиоты кишечника мышей (Cho et al., 2012; Nagy-Szakal et al., 2012; Riboulet-Bisson et al., 2012; Ubeda et al. al., 2013; Ward et al., 2012; Zenewicz et al., 2013). Микробиота кишечника - это набор родов, обнаруженных хотя бы один раз в любом из сравниваемых наборов данных (объединенный набор), тогда как микробиота ядра кишечника - это набор родов, обнаруженных во всех сравниваемых наборах данных (набор пересечений).Следует отметить, что набор данных Зеневича плохо пересекается с другими.

В этих наборах данных мы обнаружили 79 родов, встречающихся в кишечной микробиоте человека и мыши. Относительная численность большинства доминантных родов у мышей и человека совершенно различается (рис. 3А; дополнительный материал, таблица S1). Роды с высокой численностью в кишечной микробиоте человека по сравнению с кишечной микробиотой мыши включают Prevotella , Faecalibacterium и Ruminococcus , тогда как Lactobacillus , Alistipes и дополнительных микробиотических бактерий у мышей (более распространены микробиоты Turicibacter и Turicibacter ). Таблица материалов S1). Clostridium , Bacteroides и Blautia , напротив, имеют одинаковую относительную численность в обоих организмах. Однако ни одно из различий, обнаруженных между микробиотой кишечника человека и мыши, не выдерживает многократных исправлений тестирования из-за ограниченного размера набора данных, поэтому эти результаты следует рассматривать как исследовательские. Хотя важно помнить об основных вариациях между организмами, а также о технических несоответствиях в исследованиях кишечной микробиоты, сравниваемых выше (например, разные популяции людей, домики мышей, линии мышей, обработка образцов, методы обработки и метод анализа) , тем не менее, результаты в основном согласуются с текущими знаниями.Например, известно, что количество Prevotella в кишечной микробиоте мышей низкое (Hildebrand et al., 2013), а Faecalibacterium , как сообщается, является одним из доминирующих представителей здоровой кишечной микробиоты человека, поскольку предполагается, что быть маркером противовоспалительной кишечной микробиоты у пациентов с ВЗК в стадии ремиссии (Sokol et al., 2008; Sokol et al., 2009).

Затем мы определили микробиоту ядра кишечника мышей, то есть таксоны, которые всегда присутствуют в каждой отдельной микробиоте кишечника (пересечение родов в образцах).Сравнительный анализ шести наборов данных микробиоты кишечника мышей (Cho et al., 2012; Nagy-Szakal et al., 2012; Riboulet-Bisson et al., 2012; Ubeda et al., 2013; Ward et al., 2012; Zenewicz et al., 2013) (рис. 3B; таблица дополнительных материалов S2) показывает, что основная микробиота кишечника мышей находится на плато до четырех родов [обратите внимание, что это число увеличивается до 13 родов, если мы исключим ограниченный набор данных Зеневича (Zenewicz et al., 2013), который очень плохо перекрывается с другими наборами данных (данные не показаны)]. У людей, используя клонированные последовательности 16S рДНК от 17 человек, Tap et al.нашли семь родов, общих у 50% когорты (Tap et al., 2009). С другой стороны, исследование, проведенное консорциумом MetaHIT по метагеномам 124 европейцев, обнаружило, что 90% особей когорты имеют общее ядро ​​из девяти родов при 10% -ном пороге охвата последовательностей (т.е. виды считаются присутствующими только в том случае, если минимум 10% их генома было восстановлено в секвенированном метагеноме) (Qin et al., 2010). Совсем недавно Мартинес и др. определили основной набор из 24 родов бактерий (Martínez et al., 2013) в продольном исследовании трех здоровых людей в течение одного года, которое составило бы «здоровый» основной набор микробиоты. Таким образом, первые наблюдения показывают, что основная микробиота мышей может быть меньше, чем у людей, но это требует дальнейшего наблюдения, чтобы убедиться, что этот результат не обусловлен недостаточной глубиной секвенирования в этих первых наборах данных.

Общий набор родов, обнаруженных в шести наборах данных кишечной микробиоты мышей, о которых говорилось ранее (микробиота кишечника: объединение родов в выборках), кумулируется до 352 родов (рис.3B), из которых только 44 обнаружены в более чем трех наборах данных микробиоты кишечника мышей. Это число выше, чем у людей: общее богатство микробиоты стула (то есть количество различных родов в популяции) оценивается в 226 родов бактерий у 208 доноров, используя данные Консорциума проекта микробиома человека (Li et al. ., 2013).

Недавно в исследовании Krych et al. идентифицировали около 80 родов, общих для мышей и людей (с порогом численности, установленным на 0.19%, чтобы отфильтровать вариации из-за метода секвенирования или глубины секвенирования) (Krych et al., 2013), число, которое очень похоже на 79, найденное в нашем метаанализе. Авторы предположили, что несколько родов присутствуют исключительно в микробиоте кишечника человека: Faecalibacterium , Mitsuokellla , Megasphera , Dialister , Asteroleplasma , Succinivibio 133 и Saccinivibiopreterella Saccinivibio , при этом Mucispirillum является единственным родом, исключительным для мышей (Krych et al., 2013). Однако, в качестве примера, Faecalibacterium был обнаружен в наборах данных микробиоты кишечника мышей из Ward (Ward et al., 2012), Riboulet-Bisson (Riboulet-Bisson et al., 2012) и Nagy-Szakal (Nagy- Szakal et al., 2012). Род был также обнаружен в исследовании на мышах Werner et al. (Вернер и др., 2011). Эти примеры указывают на сложность вывода об исключительной принадлежности бактерии к организму на основании отсутствия ее наблюдения в исследованиях сообщества, где только часть, хотя и возрастающая, бактериальных родов доступна с помощью современных методов.Таким образом, на такие выводы влияют глубина секвенирования, возраст мышей / людей, выбранные линии мышей / человеческие популяции, различные пулы микробиоты в разных лабораториях и другие практические факторы, участвующие в исследованиях кишечной микробиоты. Кроме того, влияние условий, свободных от специфических патогенов (SPF) для нескольких поколений, может способствовать снижению разнообразия кишечной микробиоты мышей до уровня ниже, чем у здоровых диких мышей. Соответственно, исследование Linnenbrink et al. показывает, что у диких мышей больше бактериального разнообразия микробиоты слепой кишки, чем у лабораторных мышей, содержащихся в учреждении SPF (Linnenbrink et al., 2013). Другой важный момент заключается в том, что в большинстве современных анализов не учитываются роды с низкой численностью на границе глубины секвенирования. Однако недавнее исследование микробиоты в средах обитания человека предполагает, что роды с низкой численностью могут играть более важную роль, поскольку они повсеместно встречаются в разных частях тела (Li et al., 2013). В совокупности эти результаты подчеркивают, что вариации между исследованиями следует рассматривать более тщательно, и что окончательный вывод о несоответствиях и сходствах между людьми и мышами еще не сделан.

Одним из важных открытий межиндивидуального разнообразия микробиоты кишечника человека стало наблюдение за существованием ограниченного набора возможных кишечных сообществ, называемых энтеротипами (Arumugam et al., 2011). Хотя степень различий между этими кластерами кишечной микробиоты человека все еще остается предметом споров (Ding and Schloss, 2014; Koren et al., 2013), консенсус относительно их полезности в качестве инструмента стратификации растет (Moeller and Ochman, 2014). ). Энтеротипы были также идентифицированы в кишечной микробиоте лабораторных мышей (Hildebrand et al., 2013), среди которых преобладают Lachnospiraceae и Ruminococcaceae или Bacteroidaceae и Enterobacteriaceae соответственно. Хотя причина расслоения людей и мышей на энтеротипы до сих пор неизвестна, существует заметная параллель между доминантными бактериальными семействами мышиных и человеческих энтеротипов. А именно, в одном энтеротипе мыши преобладают Lachnospiraceae / Ruminococcaceae, аналогично энтеротипу человека Ruminococcaceae (также известному как энтеротип 3). Кроме того, второй энтеротип мыши, в котором преобладают Bacteroidaceae / Enterobacteriaceae, аналогичен энтеротипу человека Bacteroides (энтеротип 1) (Arumugam et al., 2011). Интересно, что у диких мышей также были идентифицированы два энтеротипа, среди которых преобладали Bacteroides и Robinsoniella соответственно (Wang et al., 2014). Более того, было обнаружено, что энтеротипы лабораторных мышей коррелируют с видовым разнообразием и воспалением: мыши, принадлежащие к энтеротипу с низким видовым разнообразием (Bacteroidaceae / Enterobacteriaceae), имели более высокие уровни кальпротектина, маркера воспаления. Этот результат согласуется с тем, что было недавно обнаружено в исследованиях ожирения у людей (Cotillard et al., 2013; Le Chatelier et al., 2013), у которых было обнаружено, что особи с низким видовым разнообразием имеют более выраженное воспаление и среди них преобладают Bacteroidetes и Proteobacteria, те же самые группы бактерий, которые доминировали в энтеротипе «воспаленных» мышей.

В целом, эти наблюдения показывают, что можно наблюдать четкие различия на уровне численности конкретных видов / видов между кишечной микробиотой мыши и человека. Наблюдаемые различия могут быть вызваны внутренними различиями между этими двумя системами млекопитающих, но также и различными смешивающими факторами, от диеты до воздействия патогенов.В то же время общие правила состава сообщества, а также определяющие их факторы могут быть схожими (например, энтеротипы). Таким образом, хотя абсолютные сравнения могут быть трудными, мышиные модели, вероятно, актуальны для изучения процессов, ответственных за изменение и сдвиги микробиоты при нарушении.

Имитируют ли изменения кишечной микробиоты в моделях на мышах изменениям микробиоты человека при заболеваниях?

Мышиные модели – мощный инструмент для изучения основных механизмов заболеваний, связанных с кишечной микробиотой.Учитывая анатомические и композиционные различия у здоровых контрольных лиц, мы рассматриваем соответствие основных изменений микробиоты кишечника, связанных с самыми популярными заболеваниями, связанными с кишечной микробиотой: ожирением и ВЗК.

Ожирение

В последние годы исследователи уделяют все больше внимания влиянию диеты на микробиоту кишечника. В связи с ростом числа случаев метаболических нарушений, таких как ожирение и диабет, в западных странах, влияние «западной» диеты (с высоким содержанием простых углеводов и животных жиров) на микробиоту кишечника и наше здоровье является ключевым вопросом в этой области.Многие исследования были проведены на мышах или гуманизированных моделях мышей (то есть на мышах без микробов, которым вводили кишечную микробиоту человека), которым давали диету с высоким содержанием жиров или насыщенных / ненасыщенных жиров для изучения изменений в микробиоте кишечника (Ley et al. , 2006; Liu et al., 2012; Turnbaugh et al., 2009b; Wu et al., 2011; Zhang et al., 2012). В результате этого исследования были выявлены некоторые общие тенденции. Например, мыши, получавшие диету с высоким содержанием животных жиров, демонстрируют пониженное соотношение Bacteroidetes: Firmicutes в микробиоте кишечника (Murphy et al., 2010; Zhang et al., 2012). Этот сдвиг вызван более сложными изменениями на более низких таксономических уровнях внутри филума Bacteroidetes: большинство родов, включая Prevotella и Roseburia , сократились в численности (Neyrinck et al., 2011), тогда как другие роды этого типа, такие как Barnesiella , Bacteroides и Alistipes , значительно увеличились (Zhang et al., 2012). Интересно, что общая тенденция, наблюдаемая в исследованиях на мышах, согласуется с тем, что было обнаружено в исследованиях на людях.Исследования питания человека показали, что энтеротип Bacteroides у людей связан с людьми, чья диета содержит больше животных жиров в течение длительного периода времени, тогда как энтеротип Prevotella преобладает у людей, потребляющих больше углеводов (Wu et al., 2011). Исследование, в котором сравнивались европейские и африканские дети из сельских районов, также подтвердило эту связь между микробиотой и диетой (De Filippo et al., 2010). Африканские дети, которые едят богатую клетчаткой пищу, имели более высокое содержание конкретных Bacteroidetes ( Prevotella и Xylanibacter ), меньшее количество Firmicutes и меньшее количество Proteobacteria ( Shigella , Escherichia ) по сравнению с европейскими. дети.Исследование показало, что европейские дети с высоким содержанием жиров имеют энтеротип Bacteroides , который может предрасполагать их ко многим метаболическим заболеваниям (Le Chatelier et al., 2013). В целом, это подчеркивает, что использование диетических вмешательств в моделях на мышах, включая использование гуманизированных мышей-гнотобиотиков, может имитировать изменения в микробиоте кишечника, которые происходят в связи с диетой человека.

Однако динамика энтеротипов во время диетических вмешательств действительно показывает расхождения между исследованиями на людях и мышах.Wu et al. отслеживали переключение энтеротипов у участников с контролируемой диетой (рандомизированной на диеты с высоким содержанием жиров / низким содержанием клетчатки или с низким содержанием жиров / высоким содержанием клетчатки) в течение 10 дней (Wu et al., 2011). Не было переключения между энтеротипом Bacteroides , который связан с животным белком, и энтеротипом Prevotella , который связан с диетами с большим количеством углеводов и простых сахаров. Поэтому авторы предположили, что для изменения энтеротипа человека может потребоваться длительное диетическое вмешательство (Wu et al., 2011). С другой стороны, исследование диких мышей Wang et al. показали, что кормление диких мышей кормовой диетой может изменить энтеротип мышей так же быстро, как в течение 1 недели, с энтеротипа Bacteroides (связанный с метаболизмом белка) до энтеротипа Robinsoniella (связанный с метаболизмом углеводов) (Wang et al., 2014 ). Расхождения в этих результатах свидетельствуют о том, что людям нужно больше времени для диетических вмешательств, чтобы изменить их энтеротипы, учитывая более радикальные изменения в рационе в исследовании на диких мышах.В противном случае расхождения могли бы иллюстрировать существенные различия, например влияние генетического фона на идентичность энтеротипа, а также внешние мешающие факторы, например воздействия окружающей среды, которые влияют на два организма.

Точно так же существуют разногласия по поводу изменений кишечной микробиоты, наблюдаемых в исследованиях ожирения у людей и мышей. Например, в некоторых исследованиях на людях сообщалось, что у лиц с ожирением повышенное соотношение Firmicutes: Bacteroidetes (Ley et al., 2006; Turnbaugh et al., 2009a), которая уменьшается при соблюдении низкокалорийной диеты (Ley et al., 2006). В исследованиях на мышах, помимо кормления мышей дикого типа ad libitum диетой с высоким содержанием жиров, мышей с дефицитом лептина ( ob / ob ) также использовали в качестве модели ожирения. Эти мыши, у которых отсутствует ген, кодирующий гормон лептин, который играет решающую роль в регуляции аппетита, потребляют больше пищи по сравнению с мышами дикого типа и в конечном итоге страдают ожирением. Было обнаружено, что микробиота кишечника этой модели мышей с ожирением также имеет повышенное соотношение Firmicutes: Bacteroidetes (Ley et al., 2005; Murphy et al., 2010), как видно из некоторых исследований на людях, упомянутых выше (Ley et al., 2006; Turnbaugh et al., 2009a). Более того, полногеномное ассоциативное исследование ожирения у мышей выявило гены, связанные с ожирением у мышей, которые перекрываются с некоторыми генами, участвующими в ожирении у человека (Parks et al., 2013). Это совпадение генетического фона предполагает законсервированные механизмы предрасположенности к ожирению у всех видов млекопитающих. Напротив, в других исследованиях сообщалось о противоречивых результатах относительно соотношения Firmicutes и Bacteroidetes, в которых у лиц с избыточным весом и ожирением было обнаружено снижение Firmicutes и увеличение Bacteroidetes (Schwiertz et al., 2010) или не изменились пропорции Bacteroidetes или Firmicutes (Duncan et al., 2008). Сниженное соотношение Firmicutes: Bacteroidetes также было обнаружено в исследовании, связывающем состав микробиоты кишечника и метаболическую адаптацию у мышей на диете с высоким содержанием жиров (Serino et al., 2012). Расхождения в важности соотношения Firmicutes: Bacteroidetes, обнаруженные в исследованиях, могут быть связаны с неоднородностью возраста субъектов, поскольку соотношение Firmicutes: Bacteroidetes изменяется с возрастом (Mariat et al., 2009), или к различным методам обработки / анализа проб, использованным в этих исследованиях. Другая возможность заключается в том, что сосредоточение внимания на соотношении Firmicutes: Bacteroidetes, которое не полностью отражает изменения состава кишечной микробиоты, связанные с ожирением, является чрезмерно упрощенным показателем для изучения метаболических нарушений.

Механизмы, с помощью которых микробиота кишечника способствует патофизиологии ожирения, были исследованы во многих исследованиях на мышах, и благодаря их результатам мы теперь можем составить более четкую картину влияния микробиоты кишечника на поддержание энергетического баланса организма-хозяина.Используя мышей дикого типа и мышей с дефицитом лептина ( ob / ob ), Тернбо и его коллеги предположили, что микробиом кишечника с ожирением обладает повышенной способностью собирать энергию из рациона хозяина (Turnbaugh et al., 2006). Было показано, что микробиом кишечника с ожирением производит более высокий уровень моносахаридов и SCFAs, которые снабжают хозяина дополнительной энергией из неперевариваемых компонентов пищи, по сравнению с тощими животными. Более высокая концентрация SCFAs в кале у людей с ожирением по сравнению с худыми людьми также наблюдалась у людей (Schwiertz et al., 2010). Кроме того, используя мышей без микробов и мышей с дефицитом лептина ( ob / ob ), Бэкхед и его коллеги смогли предложить другие механизмы, с помощью которых микробиота кишечника может регулировать накопление жира в организме хозяина (Bäckhed et al., 2007) . В частности, микробиота кишечника может контролировать окисление жирных кислот в организме хозяина посредством подавления AMP-активируемых протеинкиназ (AMPK). Напротив, микробиота кишечника может также вызывать накопление жира в организме хозяина путем подавления жирового фактора, индуцированного голоданием (Fiaf) (Bäckhed et al., 2007). Эти результаты ценны для понимания патологии ожирения, поскольку они определяют внутренние механизмы того, как микробиота кишечника может вносить вклад в энергетический баланс хозяина. Хотя еще предстоит выяснить, существуют ли те же механизмы у людей, этот пример хорошо иллюстрирует полезность исследований на мышах при проведении экспериментов, которые невозможно провести на людях.

Воспалительное заболевание кишечника

Развитие ВЗК было связано с генетическими факторами, инфекционными патогенами и изменениями в составе микробиоты кишечника (Jostins et al., 2012; Khor et al., 2011), хотя соответствующая причинная важность этих факторов все еще требует уточнения. Что касается роли микробиоты кишечника, большие индивидуальные различия между пациентами с ВЗК относительно генетического фона, стадии заболевания и диеты затрудняют выявление четких ассоциаций между изменениями состава микробиоты кишечника и патологией. Сравнение тенденций изменений в составе микробиоты кишечника при ВЗК между человеческими и модельными организмами осложняется тем фактом, что ВЗК охватывает гетерогенную группу заболеваний, включая болезнь Крона (подвздошная, толстая кишка), язвенный колит и промежуточный колит, все из которых могут также находиться на разных стадиях (например, в активной или в стадии ремиссии).При этом некоторые заметные изменения в микробиоте кишечника одновременно наблюдались в независимых исследованиях ВЗК с использованием различных методов в разных когортах, таких как снижение бактериального разнообразия как у пациентов с болезнью Крона, так и у пациентов с язвенным колитом (Andoh et al., 2012; Nemoto et al. al., 2012; Sokol et al., 2006; Walker et al., 2011), снижение уровня противовоспалительной бактерии Faecalibacterium (Andoh et al., 2012; Joossens et al., 2011; Sokol et al., 2009; Willing et al., 2009), а также Clostridium coccoides и Bifidobacterium (Sokol et al., 2009) и увеличение численности Enterobacteriaceae (например, E. coli ) (Duboc et al., 2013; Joossens et al., 2011; Willing et al., 2009; Willing et al., 2010).

Было создано все большее количество моделей мышей, которые использовались в исследованиях ВЗК с целью имитации патофизиологии заболевания у людей. В общем, эти модели были созданы путем введения генетических модификаций в мышей, которые напоминают генетические дефекты пациентов с ВЗК, или путем использования внешних возмущений для индукции заболевания.Последние включают биологические агенты, такие как инфекционные патогены (например, Helicobacter hepaticus и Citrobacter rodentium ) или химические вещества, такие как декстрансульфат натрия (DSS) и 2,4,6-тринитробензолсульфоновая кислота (TNBS), которые вызывают первоначальное повреждение, которое приводит к хроническому воспалению кишечника (Peloquin and Nguyen, 2013; Wirtz et al., 2007). Однако большинство мышиных моделей колита не полностью воспроизводят патофизиологию ВЗК человека и обычно вызывают только воспаление толстой кишки (рис.4), который больше похож на язвенный колит (рассмотрено Wirtz and Neurath, 2007 и обсуждается ниже). Несмотря на это, основные изменения микробиоты кишечника, которые наблюдались на разных моделях колита на мышах, аналогичны тем, которые были обнаружены в исследованиях ВЗК на людях. В этих моделях было обнаружено уменьшение разнообразия кишечных бактерий, при этом наблюдались определенные сдвиги в профилях кишечной микробиоты, такие как увеличение количества Enterobacteriaceae ( Escherichia, ), Bacteroidaceae ( Bacteroides, ) и Ruminococcaceae (Berry et al., 2012; Лупп и др., 2007; Wohlgemuth et al., 2009). Однако уменьшение количества противовоспалительных бактерий Faecalibacterium prausnitzii , которое наблюдается во многих исследованиях ВЗК на людях, не наблюдалось в моделях колита на мышах. Кроме того, было обнаружено, что количество Akkermansia уменьшилось в количестве в исследовании язвенного колита у людей (Vigsnigss et al., 2012), но было повышено в модели мыши, индуцированной DSS (Berry et al., 2012). Исследования на мышах также выявили изменения в численности бактериальных филотипов, которые происходят только у мышей, такие как Tenericutes и Deferribacteriaceae (Nagalingam et al., 2011). И наоборот, изменения в разнообразии филотипов TM7 (Kuehbacher et al., 2008) или в численности Roseburia (Willing et al., 2010) были обнаружены только в исследованиях болезни Крона на людях. Vereecke et al. недавно разработал мышиную модель, предрасположенную к спонтанному колиту (Vereecke et al., 2014), изучая A20 – ингибитор как NF-κB, так и апоптотической передачи сигналов, который ранее был связан с восприимчивостью к IBD у людей (Catrysse et al., 2014). ; Ма, Малинн, 2012).Удаление A20 в эпителиальных и миелоидных клетках кишечника мышей ( A20 ^{IEC / myel-KO} ) индуцировало апоптоз кишечного эпителия, потерю клеток Панета и бокаловидных клеток и дисбактериоз кишечной микробиоты. Последний характеризовался пониженным бактериальным разнообразием и измененным составом по сравнению с диким типом. Кроме того, специфический для мыши род Mucispirillum был значительно увеличен у мышей A20 ^{IEC / myel-KO} и, таким образом, был предложен в качестве биомаркера спонтанного колита в этой модели.Интересно, что уровни экспрессии A20 в слизистой оболочке у людей были выдвинуты в качестве маркера прогноза ответа на лечение анти-TNF у пациентов с IBD (Vereecke et al., 2014).

Рис. 4.

Гистологические особенности колита, вызванного DSS у мышей. (A, B) Гистологические изображения поперечных срезов толстой кишки от контрольных (A) и обработанных декстрансульфатом натрия (DSS) мышей (B). Схема под каждой панелью иллюстрирует контур поперечного сечения толстой кишки мыши с прямоугольниками A и B, указывающими гистологические области, показанные на панелях A и B, соответственно. Mir29 -нокаут-мышей из фона Black6 обрабатывали либо водой (контрольные животные), либо 1,5% DSS в течение 8 дней перед исследованием. В то время как поперечное сечение стенки толстой кишки контрольной мыши показывает нормальную морфологию (A), толстая кишка мыши, получавшей DSS (B), показывает изменения в эпителии слизистой оболочки, такие как некроз клеток и потеря структуры как ворсинок, так и ворсинок. кишечные крипты (C; обозначены стрелкой). Кроме того, в собственной пластинке толстой кишки (L) и подслизистой оболочке (SM) обнаруживается инфильтрация иммунных клеток, таких как макрофаги, нейтрофилы, эозинофилы и лимфоциты (указано стрелками), что указывает на воспалительный статус мыши, получавшей DSS.В – кишечные крипты; G – бокаловидные клетки; L, lamina propria; ME, muscularis externa; MM, muscularis mucosae; MT: мышечная оболочка; SM: подслизистая основа; V: ворсинки.

В целом, эти результаты показывают, что ожирение и ВЗК имеют совершенно разную «переносимость» от моделей к людям, и иллюстрируют как потенциал, так и недостатки этого процесса.

Практические вопросы влияют на состав кишечной микробиоты человека и мыши

Микробиота кишечника мыши и человека не только различается по своей сути, но также зависит от факторов окружающей среды.Эти факторы могут мешать, но также могут контролироваться с помощью соответствующего экспериментального дизайна в исследованиях на мышах. Здесь мы обсуждаем, как генетический фон моделей мышей, а также факторы окружающей среды влияют на общий состав микробиоты кишечника мышей.

Жилищные условия

Чтобы предотвратить заражение мышей, участвующих в исследованиях микробиоты кишечника, патогенами из окружающей среды, их обычно содержат в чистых помещениях, например, в условиях SPF, где гигиена строго контролируется.Хотя микробы, разрешенные в помещениях SPF, строго регулируются, в каждом мышином доме обитает отдельный пул микроорганизмов, в том числе различные патогены, возникающие в результате контаминации или случайных инфекций (Jacoby and Lindsey, 1998; Pritchett-Corning et al., 2009). ; Taylor et al., 2007). Поскольку мышей содержат в полузакрытой среде, в которой частично контролируются типы микробов и другие факторы окружающей среды, их микробиота, включая микробиоту кишечника, в значительной степени зависит от пула микробов в доме мышей, от других присутствующих мышей и, возможно, даже на тех, кто ухаживает за ними, которые могут непреднамеренно передать свои микробы мышам в помещениях.Таким образом, микробиота кишечника лабораторных мышей не может рассматриваться как полностью представляющая микробиоту нормальных, свободноживущих мышей, и добавляет различия с микробиотой кишечника человека, которая подвергается воздействию широкого спектра факторов окружающей среды. Также возможно, что в такой полузакрытой системе стохастические эффекты будут влиять на доступный пул микробиоты с течением времени (McCafferty et al., 2013). Примечательно, что случайное открытие сегментированных нитчатых бактерий, которые объясняют различия в микробиоте мышей от двух разных производителей мышей (Иванов и др., 2009) подчеркивает различия в составе кишечной микробиоты, вызванные разными жилищными условиями.

Не только внешние факторы окружающей среды влияют на мышей в домиках для мышей; «Внутрикорпоративные» взаимодействия с товарищами по клетке также влияют на состав их кишечной микробиоты. Например, внутри одной клетки мыши будут участвовать в копрофагии, чтобы получать дополнительные питательные вещества из фекалий (Soave and Brand, 1991). Эта активность считается основной причиной постепенной гомогенизации кишечной микробиоты мышей, содержащихся в одном помещении, как показали многочисленные исследования (Elinav et al., 2011; Зеневич и др., 2013). Еще один фактор, который следует принимать во внимание при исследовании микробиоты кишечника, – это передача микробиоты от матери у млекопитающих при рождении, что, как сообщается, является важным смешивающим фактором в исследованиях на мышах (Benson et al., 2010; Friswell et al., 2010; Ley et al., 2005). Микробы из влагалищной, фекальной и кожной микробиоты матери первыми заселяют микробиоту кишечника. Было показано, что прививка от матери влияет на состав кишечной микробиоты в четырех поколениях (Benson et al., 2010), и, таким образом, является важным фактором, определяющим состав микробиоты кишечника. Однако важность влияния этого исходного инокулята на окончательный состав взрослой микробиоты неясна по сравнению с диетическими, физиологическими, генетическими и стохастическими эффектами хозяина во время развития животного (Hildebrand et al., 2013; Spor et al. ., 2011). Кроме того, считается, что в закрытых условиях содержания, где мыши находятся в ограниченном пространстве, стресс, связанный с обращением с людьми, шумом и социальными контактами с соседями по клетке, влияет на состав микробиоты кишечника (Ma et al., 2012). В частности, было показано, что животные ведут себя по-разному, когда они содержатся в изолированной клетке (Blanchard et al., 1991). Несмотря на устранение стресса, вызванного агрессией сородича, изоляция является источником стресса у социальных животных. Действительно, было показано, что мыши в группах защищены от стресса и демонстрируют более положительные признаки здоровья, такие как более быстрое заживление ран и более низкий уровень гибели нейронов, вызванной инсультом (DeVries et al., 2007; Galley et al. , 2014). Это актуально в контексте все большего количества доказательств того, что существует двунаправленная связь между нервной системой и микробиотой кишечника.Учитывая характер этих взаимодействий, стресс может изменить состав микробиоты кишечника (Bercik et al., 2012; Cryan and O’Mahony, 2011; Galley et al., 2014; Neufeld et al., 2011).

Влияние на питание

Обычно лабораторных мышей скармливают стандартизированной диетой, закрытой формулой, в которой точное количество каждого ингредиента не раскрывается производителем. Пищевая ценность корма варьируется от партии к партии в зависимости от колебаний агрономического рынка. Даже с этими вариациями рацион состоит в основном из растительных материалов и, таким образом, значительно отличается от состава и вариаций ежедневного рациона человека.В большинстве случаев мышей, используемых в эксперименте, на протяжении всего эксперимента кормили одной и той же диетой, полученной от одного поставщика. Кормовая диета может отличаться от рациона человека компонентами, которые оказывают значительное влияние на состав микробиоты кишечника. Например, куместрол, фитоэстроген из люцерны (клевера), используется в рационе грызунов, что увеличивает потребление эквивалентов эстрогена мышами по сравнению с людьми (Degen et al., 2002). Фактически, было обнаружено, что изменения в составе микробиоты кишечника следуют за изменениями содержания эстрогенов в рационах как людей, так и мышей (Akaza, 2012; Menon et al., 2013). Некоторые ксенобиотики, такие как антибиотики, также могут сильно влиять на состав и функцию кишечной микробиоты (Maurice et al., 2013). Люди через диету или лечение часто подвергаются воздействию таких соединений и их потенциальному синергетическому эффекту. Мышиные модели обладают тем преимуществом, что позволяют исследователям контролировать влияние таких соединений на микробиоту кишечника, либо минимизируя воздействие, либо регистрируя уровни воздействия.

Кроме того, диетические различия между людьми представляют собой большой потенциальный источник межличностных вариаций кишечной микробиоты, которые не могут быть обнаружены у лабораторных мышей при единообразной диете.Например, энтеротип Prevotella , как известно, чувствителен к изменениям диеты и связан с диетой с высоким содержанием углеводов / клетчатки у людей (De Filippo et al., 2010; Liu et al., 2012; Willing et al., 2010 ; Wu et al., 2011). В исследованиях кишечной микробиоты как мышей (Neyrinck et al., 2011), так и человека (Fernandez-Raudales et al., 2012; Wu et al., 2011) содержание Prevotella изменялось в результате диетического вмешательства. Кроме того, Wang et al. показали, что содержание диких мышей в лабораторных условиях на кормовой диете вызывает сдвиг в энтеротипах, с преобладания исходных Bacteroides (с микробным метаболизмом, в большей степени направленного на расщепление белков) на Robinsoneilla , преобладающих (более посвященных деградации углеводов). ) энтеротип (Wang et al., 2014).

Таким образом, важно иметь в виду, что контролируемая диета на мышах может исказить результаты анализа, сосредоточив внимание только на подмножестве межличностной дисперсии микробиоты кишечника мышей. С другой стороны, контроль рациона мышей обеспечивает более четкую экспериментальную установку, позволяющую разобраться в ассоциациях между составом и функцией кишечной микробиоты и изученными нарушениями, такими как болезнь и физиология хозяина (вставка 2).

Вставка 2. Преимущества и ограничения моделей мышей, используемых в исследовании микробиоты кишечника

Преимущества

• Разрешить вмешательства, которые невозможны для людей, для изучения причинной роли кишечной микробиоты в здоровье и болезнях.

• Всестороннее знание генетики мышей и наличие множества генетически модифицированных моделей мышей больше, чем любые другие модели.

• Низкая стоимость обслуживания, высокая репродуктивная способность, короткий жизненный цикл.

• Всеядное млекопитающее с физиологией и анатомией кишечника, сравнимыми с человеческими.

• Позволяет воздействовать на конкретный ген / путь в сложных взаимодействиях кишечной микробиоты и хозяина с помощью моделей нокаута.

• Мышиные модели являются инбредными, что обеспечивает однородный генетический фон, более чистую систему для анализа сигналов от взаимодействий кишечника, бактерий и хозяина и улучшения воспроизводимости экспериментов.

• Источники вариаций, такие как диета и жилищные условия, обычно контролируются в экспериментах, ограничивая нежелательное влияние шумов из окружающей среды на микробиоту кишечника.

Ограничения

• Несмотря на важное сходство, мыши отличаются от людей по анатомии, генетике и физиологии, и, таким образом, мышиные модели не могут полностью воспроизводить человеческие системы.

• Различные модели мышей могут вызывать разные изменения в составе кишечной микробиоты.

• Перекрестная связь между кишечной микробиотой и хозяином зависит от хозяина, поэтому наблюдения на мышах могут быть неприменимы к людям.

• Генетическая однородность означает, что инбредные линии мышей не могут улавливать генетические вариации, присущие человеческой популяции.

• Множественные факторы, такие как генетический фон, способ родоразрешения (кесарево или вагинальное), способ кормления (грудь или бутылочка), диета, история болезни и социальная активность – все это способствует формированию «реальной» кишечной микробиоты у людей.Отсутствие этих факторов у мышей означает, что микробиота кишечника на моделях мышей не может отражать «реальную» микробиоту кишечника.

Генетический фон и эффекты основателя

Широкий спектр экспериментов, в ходе которых были созданы модели мышей с нокаутом генов, дающие различный генетический фон, показал, что генетика является важным фактором, определяющим состав микробиоты кишечника (Benson et al., 2010; Hildebrand et al., 2013; Kovacs). и др., 2011). В экспериментах с использованием инбредных линий мышей дикого типа предполагалось, что генетические фоновые эффекты сильнее, чем пол (Hildebrand et al., 2013; Kovacs et al., 2011), но вносят меньший, чем факторы окружающей среды (клетки) и стохастические эффекты, в изменение состава кишечной микробиоты (Hildebrand et al., 2013). Одним из объяснений влияния генетического фона является изменение эффективности колонизации бактериями хозяев с различным генетическим фоном. Например, Wos-Oxley et al. обнаружили, что бактерии Clostridiales колонизируют кишечник гуманизированных крыс более эффективно, чем кишечник гуманизированных мышей (Wos-Oxley et al., 2012).

У людей роль генетики в составе микробиоты кишечника была тщательно изучена в исследованиях на близнецах. Исследование Тернбо и его коллег показывает, что монозиготные близнецы менее различаются по составу кишечной микробиоты в парах близнецов, чем пары дизиготных близнецов, и что микробиота кишечника близнецов больше похожа друг на друга, чем на их матери ” ., 2009а). Учитывая схожую среду, в которой близнецы живут друг с другом и со своей матерью, очевидно, что чем более близки они генетически, тем более похожим становится состав кишечной микробиоты.

Мышиные модели обычно инбредированы, чтобы уменьшить фенотипические вариации, возникающие из-за генетической гетерогенности. Контроль генетического фона дает возможность разобраться в сложных отношениях между генетикой хозяина и микробиотой кишечника и, возможно, выяснить механизмы взаимодействия хозяина и микробиоты. Например, нокаутные мышиные модели являются важнейшими инструментами для функциональных экспериментов с патологиями кишечника. Например, исследование мышей с нокаутом Muc2, у которых отсутствует Muc2, наиболее часто выделяемый желудочно-кишечный муцин, привело к открытию связи между этим белком и подавлением колоректального рака (Velcich et al., 2002). Тем не менее, при выбивании модели есть и подводные камни. Генетическая однородность, которая не может отражать межличностные различия у людей, может создавать проблемы при переводе результатов исследований с использованием инбредных линий мышей на людей в исследованиях кишечной микробиоты. Например, результаты модели мыши с нокаутом IL-10 предполагают, что этот противовоспалительный цитокин играет важную роль в контроле IBD. Однако клинические испытания лечения ИЛ-10 ВЗК у людей дали скромные результаты (Fedorak et al., 2000; Schreiber et al., 2000). Одним из объяснений минимальных результатов была неожиданная гетерогенность пула рецепторов IL-10 у людей по сравнению с мышами (Barnett and Fraser, 2011). Эта гетерогенность может влиять на эффективность IL-10 в подавлении воспаления через взаимодействия с клетками-мишенями, которые экспрессируют рецепторы IL-10. Точно так же различия в эффективности лекарств из-за генетического полиморфизма в человеческой популяции – еще один важный вопрос, который обсуждался (Ma and Lu, 2011). Однако отсутствие генетического фонового разнообразия у инбредных мышей может быть решено в экспериментальных установках с использованием аутбредных линий или диких мышей или генетически модифицированных моделей из нескольких линий мышей, чтобы частично имитировать генетическое разнообразие человеческой популяции.Еще одно преимущество этого подхода состоит в том, что материнский эффект сводится к минимуму, когда все мыши происходят от разных матерей.

Учитывая сложное взаимодействие кишечной микробиоты с хозяином и окружающей средой, а также стохастические эффекты, которые по-прежнему в значительной степени влияют на вариации кишечной микробиоты (Hildebrand et al., 2013), крайне важно контролировать все факторы, способствующие увеличению статистической мощности. . К ним относятся генетический фон, эффекты клетки, материнские эффекты, диета, методы лечения и количество биологических повторений.Кроме того, для воспроизводимости исследований микробиоты кишечника первостепенное значение имеют стандартизация протоколов обращения с животными, а также хранения и обработки образцов и анализа данных.

Ограничения некоторых моделей мышей

Учитывая ее участие в широком спектре физиологических процессов, микробиота кишечника неизбежно играет важную роль в поддержании здоровья и благополучия хозяина. Число ассоциаций между составом и функцией кишечной микробиоты и заболеваниями хозяина увеличивается, включая такие заболевания, как ожирение, ВЗК, диабет и аллергические заболевания, такие как астма (Russell et al., 2012) и атопии (Lee et al., 2014). Эти хронические заболевания ложатся серьезным финансовым бременем на системы здравоохранения в развитых странах (Burisch et al., 2013; Meng et al., 2014; Yang and Zhang, 2014). Было уже известно, что эти патологии вызываются множеством генетических факторов и факторов окружающей среды. Кроме того, открытие вклада микробиоты кишечника в их развитие добавило еще один уровень сложности к пониманию их патофизиологических механизмов. Хотя связь микробиоты кишечника с заболеванием не подразумевает причинной связи, понимание ее роли открывает потенциально новые возможности для лечения или смягчения последствий заболевания.Использование мышиных моделей для изучения взаимодействий хозяин-микроб позволяет функциональным экспериментам анализировать лежащие в основе механизмы, которые не всегда возможны у людей. С другой стороны, модели мышей также имеют свои ограничения (вставка 2). Здесь мы проиллюстрируем ограничения моделей болезней мышей с точки зрения микробиоты, сосредоточив внимание на моделях колита, а также на моделях, в которых стерильным мышам прививают образцы микробиоты кишечника человека (гуманизированные мыши-гнотобиоты) (Таблица 2).

Таблица 2.

Особенности, которые модели на мышах могут и не могут воспроизводить ВЗК и ожирение человека

Генетически модифицированные и / или химически индуцированные модели

Генетически модифицированные мышиные модели являются мощным инструментом для изучения патофизиологических механизмов заболеваний человека и в настоящее время все чаще используются для изучения сложных взаимодействий между кишечной микробиотой и хозяином при нормальном гомеостазе и болезни. Однако гены-мишени часто участвуют в нескольких путях, что затрудняет выводы, которые можно сделать о связи между экспрессией генов и составом и функцией кишечной микробиоты.Более того, многие мышиные модели не воспроизводят точно моделируемое заболевание человека (таблица 2), при этом каждая модель имеет разные ограничения, которые необходимо учитывать, чтобы перенести результаты на людей. Типичным примером является колит, для которого в настоящее время существует около 60 различных моделей мышей (Peloquin and Nguyen, 2013; Wirtz and Neurath, 2007).

ВЗК – сложное заболевание, предположительно аутоиммунное заболевание с вовлечением нескольких генетических локусов, а также вклад микробиоты кишечника в развитие болезни.Исследования ВЗК привели к появлению нескольких моделей на мышах (обычно называемых моделями колита, потому что патология в основном напоминает симптомы язвенного колита, как упоминалось выше), включая генетически модифицированные модели, где ген-кандидат, участвующий в развитии ВЗК, изменен или нокаутирован, и модели в какие химические вещества или инфекционные патогены используются для индукции воспаления кишечника и изменения состава кишечной микробиоты, что приводит к колиту. Несмотря на многочисленные мышиные модели, разработанные для ВЗК, и их вклад в наши знания о механизмах, лежащих в основе заболевания, ни одна из них полностью не имитирует патофизиологию ВЗК человека (Peloquin and Nguyen, 2013; Wirtz and Neurath, 2007) (Таблица 2).Однако эти генетически модифицированные модели могут очень хорошо напоминать фенотип подгруппы людей с ВЗК, которые несут генетические дефекты и, таким образом, предрасположены к развитию ВЗК (Таблица 2). С другой стороны, большинство моделей демонстрируют воспаление / поражения в толстом, а не в тонком кишечнике, что больше напоминает симптомы язвенного колита (Peloquin and Nguyen, 2013). Более того, было показано, что на развитие колита на моделях мышей влияет генетический фон используемого штамма [i.е. некоторые штаммы по своей природе более восприимчивы к развитию колита (Büchler et al., 2012)] и взаимодействию с кишечной микробиотой [например, в некоторых моделях колит не развивается в стерильных условиях (Hudcovic et al., 2001)]. Проблема заключается не только в том, что симптомы не соответствуют ВЗК человека, но и в том, что лежащий в основе механизм, такой как перекрестное взаимодействие между иммунной системой и микробиотой кишечника, может быть другим в используемой модели мыши.

Другой распространенный способ вызвать колит у мышей – использование химических агентов, таких как DSS, для повреждения эпителиальных клеток кишечника или молекул для стимуляции иммунного ответа в слизистой оболочке толстой кишки (например,грамм. гаптены, такие как TNBS и оксазолон). Эти агенты вызывают у мышей острое или хроническое воспаление кишечника, что приводит к развитию колита. Несмотря на широкое распространение, существуют вариации в протоколах экспериментов и условиях содержания мышей, что иногда приводит к различным результатам в экспериментах, проводимых на одной и той же модели мыши. Например, Kitajima et al. наблюдали, что стерильные лабораторные мыши очень восприимчивы к DSS-индуцированному колиту, тогда как обычные лабораторные мыши дикого типа более толерантны (Kitajima et al., 2002). Этот результат противоречит наблюдению, что свободные от микробов мыши, либо с иммунодефицитом, либо с иммунокомпетентными, устойчивы к DSS-индуцированному колиту по сравнению с их соответствующими мышами, содержащимися в обычном помещении, как сообщается в исследовании Hudcovic et al. (Hudcovic et al., 2001). Другой пример несоответствия от химически индуцированных моделей колита – это расходящиеся результаты исследований Fayad et al. (Fayad et al., 2007) и Nishihara et al. (Нишихара и др., 2006). В первом случае у мышей с нокаутом адипонектина не развивался колит при введении DSS или TNBS, тогда как во втором случае у мышей с нокаутом адипонектина, получавших DSS, развился более тяжелый колит по сравнению с мышами дикого типа.Расхождения в результатах этих исследований вызывают опасения по поводу использования этих моделей в исследованиях ВЗК и колитов. Кроме того, само химическое вещество может влиять на состав или функцию резидентной микробиоты кишечника до начала колита (Nagalingam et al., 2011). В подтверждение этого предположения, недавно было показано, что DSS изменяет профили экспрессии белков кишечной резидентной E. coli у мышей, получавших DSS (Schumann et al., 2012). Эти случаи подчеркивают, как использование моделей колита на мышах в исследованиях микробиоты кишечника потребует контроля дополнительных переменных, помимо общих факторов (таких как генетический фон хозяина и факторы окружающей среды).Следовательно, интерпретация результатов, полученных на моделях колита на мышах, по крайней мере, с точки зрения микробиоты, должна выполняться с осторожностью. Сложность, присущая исследованию кишечной микробиоты, вместе с несогласованностью мышиных моделей колита (химически индуцированных или созданных с помощью генной инженерии), делает интерпретацию результатов исследований кишечной микробиоты на этих моделях с точки зрения болезней человека далеко не простой.

Гуманизированные мыши-гнотобиоты

Гуманизированные мыши-гнотобиоты, полученные в результате инокуляции образца кишечной микробиоты человека стерильным мышам, представляют собой мощный инструмент для исследований кишечной микробиоты, поскольку эти модели могут воспроизводить большую часть филогенетического состава кишечной микробиоты человека (100% филогенетического состава кишечной микробиоты). , 11/12 классов и ~ 88% таксонов родового уровня).Этот подход широко использовался во многих исследованиях, поскольку он допускает нарушения в «системе, подобной человеку», и считается золотым стандартом для подтверждения ассоциаций и попытки доказать причинную связь в исследованиях кишечной микробиоты (Faith et al., 2011; Goodman et al., 2011; McNulty et al., 2011; Smith et al., 2013a; Turnbaugh et al., 2009b). Однако следует подчеркнуть, что отношения хозяин-микроб в этих гуманизированных моделях не обязательно отражают реальные отношения, наблюдаемые у людей, потому что микробиота кишечника трансплантируется хозяину, с которым она не эволюционировала совместно.Turnbaugh et al. сообщили, что некоторые резидентные бактериальные таксоны микробиоты кишечника человека отсутствуют в гуманизированной микробиоте кишечника мыши (Turnbaugh et al., 2009b). Учитывая низкую численность этих бактерий, их отсутствие обычно считается менее важным для баланса и функций кишечной микробиоты. Однако сложные взаимодействия между бактериями, составляющими кишечное сообщество (Faust and Raes, 2012), позволяют предположить, что это может быть не так. Кроме того, малочисленные виды микробов могут иметь важное значение для экосистемы, как показало недавнее исследование, в котором иммунная система гуманизированных мышей не развивалась нормально (Chung et al., 2012). Это исследование показывает, что состав кишечной микробиоты гуманизированных мышей в целом существенно не отличается от такового у исходных людей-доноров, за исключением отсутствия многих Firmicutes с низкой численностью, но эти мыши не могут воспроизвести комплексный ответ на инфекции. Более того, как обсуждалось выше, фенотипические ответы гнотобиотических мышей могут варьироваться в зависимости от генетического фона мышей, свободных от микробов, у реципиентов. В целом, было обнаружено, что хотя мыши-гнотобиоты все чаще используются в качестве моделей для изучения микробиоты кишечника человека, они могут не полностью воспроизводить механизмы взаимодействия человека-хозяина-кишечника-микробиоты.При этом они являются одним из очень немногих методов оценки причинно-следственной связи в исследованиях микробиоты, и поэтому дальнейшее развитие и совершенствование этого подхода имеют важное значение.

Таким образом, мышиные модели являются мощным инструментом в исследовании микробиоты кишечника и дают возможность проводить эксперименты, которые были бы слишком инвазивными для людей, и с лучшим контролем над мешающими факторами. Несмотря на различные недостатки мышиных моделей колита, эти модели предоставили ценную информацию о колите и физиопатологии ВЗК, выявив факторы, запускающие прогрессирование этого сложного заболевания (Barnett and Fraser, 2011; Nell et al., 2010; Пелокин и Нгуен, 2013; Улиг и Паури, 2009). Точно так же, хотя необходимо признать разрыв между гуманизированными моделями мышей и микробиотой кишечника человека в пределах их первоначального хозяина, эти модели предоставляют уникальные возможности для манипулирования микробиотой человека и потенциально оценивают причинно-следственную связь в роли микробиоты кишечника в здоровье и болезнях. Недавно исследование Ridaura et al. показали, что фенотип ожирения может передаваться от человека к гуманизированным мышам и от мышей, проживающих в одном месте (Ridaura et al., 2013). Такие исследования чрезвычайно важны для понимания механизмов основного заболевания и их возбудителей и, таким образом, для приближения к разработке профилактических или терапевтических методов лечения.

Outlook: альтернативы мышам

Сильные и слабые стороны мышей как модели для исследования микробиоты кишечника очевидны, но есть ли лучшие альтернативы, которые исследовательское сообщество может разработать или рассмотреть? В некоторых исследованиях изучалась микробиота кишечника других моделей животных, таких как крысы (Alpert et al., 2008; Liou et al., 2013; Wos-Oxley et al., 2012), собак (Middelbos et al., 2010), свиней (Lamendella et al., 2011; Riboulet-Bisson et al., 2012) и приматов, таких как шимпанзе (Moeller et al., 2012) и макак (McKenna et al., 2008). Предполагается, что крысы являются более репрезентативными для кишечной микробиоты человека, чем мыши, потому что кишечные бактериальные сообщества гуманизированных крыс более точно отражают кишечную микробиоту людей-доноров (Wos-Oxley et al., 2012). В частности, гуманизированные модели крыс имеют более похожее соотношение Firmicutes: Bacteroidetes с человеческими донорами и могут лучше представлять человека-донора, чем модели на мышах без микробов.Считается, что это различие связано с тем, что крыса имеет микробиоту, которая больше похожа на человеческую, чем на мышей, что способствует созданию инокулированной микробиоты (Wos-Oxley et al., 2012). Кроме того, была выдвинута гипотеза, что различия между мышами и крысами в повторении микробиоты доноров человека связаны с внутренними различиями в генетическом фоне моделей реципиентов, которые могут контролировать формирование перенесенной микробиоты (Wos-Oxley et al., 2012).

Другая модель грызунов, не относящаяся к мышам, которая использовалась в исследовании микробиоты кишечника, – морская свинка. Учитывая гомологию, существующую между E-кадгерином человека и морской свинки, трансмембранным адгезионным белком, который располагается на поверхности кишечника, это животное стало важной моделью для изучения инфекции, вызванной человеческим патогеном Listeria monocytogenes . Поскольку здоровая комменсальная кишечная микробиота влияет на возможность заражения патогеном (исключение патогенов), кишечная микробиота морских свинок изучалась в нескольких исследованиях (Hildebrand et al., 2012; Янабе и др., 2001). Например, в исследовании Yanabe et al., Стерильным морским свинкам прививали комбинации содержимого слепой кишки обычных морских свинок для определения эффективных коктейлей для создания здоровой SPF-колонии (Yanabe et al., 2001). Авторы обнаружили, что перенесенная микробиота стала похожей на микробиоту кишечника обычных морских свинок и оставалась стабильной в течение длительного периода. Совсем недавно в другом исследовании использовались метагеномные подходы для сравнения состава кишечной микробиоты человека и морских свинок (Hildebrand et al., 2012). Исследование показало, что люди и морские свинки разделяют доминирующие бактериальные типы, но распространенность этих общих типов (22 из 26 типов) значительно выше у морских свинок по сравнению с людьми. Кроме того, значительные различия в численности были обнаружены у 320 из 376 родов. Функциональные категории, такие как метаболизм или биогенез клеточных мембран, также значительно различаются по численности между микробиомом кишечника человека и морской свинки (Hildebrand et al., 2012).

Микробиота кишечника собак также изучалась в нескольких исследованиях, учитывая сходство морфологии и функционирования кишечника с пищеварительной системой человека (Middelbos et al., 2010; Suchodolski et al., 2008; Suchodolski et al., 2009). Недавно метагеномное исследование описало состав (бактерии, археи и грибы) и функцию микробиома собаки (Swanson et al., 2011). Микробиота собак имеет такие же доминантные типы (Bacteroidetes и Firmicutes), что и люди. Однако на уровне рода микробиота кишечника собак отличается большей распространенностью рода Fusobacteria , чем у человека. Микробиота кишечника собак также имеет более высокое содержание фибробактерий и ацидобактерий и более низкое количество актинобактерий, чем у человека.Кластеризация фекальных микробиомов на основе метаболической емкости кишечных микробных сообществ собак, людей и мышей показала, что микробиом собак сгруппирован ближе к человеческому, чем микробиом мыши (Swanson et al., 2011).

Одним из потенциальных конкурентов мыши как основной модели исследования микробиома является свинья. Микробиота кишечника свиней становится все более интенсивной областью изучения из-за масштабов свиноводства, а также сходства анатомии, физиологии и иммунологии с желудочно-кишечным трактом человека (Litten-Brown et al., 2010). Микробиота кишечника свиней изучалась в нескольких исследованиях, особенно с участием антибиотиков (Kim et al., 2012), имеющих промышленное значение. Углубленное исследование состава микробиоты кишечника свиней йоркширской породы показало, что микробиота человека и свиней имеет сходные паттерны разнообразия, причем двумя доминирующими типами у свиней также являются Bacteroidetes и Firmicutes (Lamendella et al., 2011). На уровне рода микробиота кишечника свиней содержит больше спирохет и Prevotella , чем микробиота кишечника человека.Интересно, что Anaerovibrio и Treptonema являются родами исключительно для фекальных метагеномов свиней (Lamendella et al., 2011). Миниатюрные свиньи становятся многообещающими моделями для биомедицинских исследований из-за своего небольшого размера. Как правило, миниатюрные свиньи становятся тучными при кормлении ad libitum и поэтому используются в качестве моделей ожирения и метаболического синдрома. В исследовании, в котором миниатюрные породы свиней Осабау и Юкатан оценивались на предмет их пригодности в качестве моделей метаболического синдрома и ишемической болезни сердца, было указано, что миниатюрная свинья Осабау является превосходной моделью (Neeb et al., 2010). Аналогичным образом, состав микробиоты кишечника двух пород миниатюрных свиней, Геттингена и Оссабау, был исследован на предмет их реакции на индукцию ожирения (Pedersen et al., 2013). Исследование показало, что основными типами микробиоты кишечника миниатюрных свиней являются Firmicutes и Bacteroidetes. Интересно, что две миниатюрные породы свиней по-разному отреагировали на диету, вызывающую ожирение: кишечная микробиота Оссабау имела больше характеристик “ здоровой ” тучной микробиоты, тогда как кишечная микробиота Gottigen имела изменения, похожие на метаболический синдром, например, обнаруженные в кишечнике. профили микробиоты мышей с диабетом 2 типа, что еще раз подчеркивает важность генетического фона в ответе кишечной микробиоты на возмущения.

Приматы, отличные от человека, также являются подходящими моделями для исследования микробиоты кишечника человека, с очевидным преимуществом, заключающимся в тесном эволюционном родстве с людьми. Интересно, что у шимпанзе было обнаружено три энтеротипа, и они имели состав, аналогичный таковым у людей (Arumugam et al., 2011; Moeller et al., 2012), что свидетельствует о сохранении стратификации микробных сообществ у шимпанзе и людей ( Мёллер и Охман, 2014). Напротив, исследования состава кишечной микробиоты макак показали, что сообщество кишечных бактерий у этих приматов сильно отличается от сообщества людей или мышей (McKenna et al., 2008). В частности, микробиота кишечника макака четко отделена от микробиоты человека и мышей в основном координатном анализе филогенетического состава микробиоты. Одной из отличительных особенностей микробиоты кишечника макак является присутствие и численность Treponema , рода из филума спирохет. Напротив, Bacteroides , один из самых распространенных родов кишечной микробиоты человека, встречается у этого вида редко (McKenna et al., 2008). Несмотря на преимущество близкого эволюционного родства и физиологии с людьми, модели приматов имеют более строгие этические ограничения для экспериментов и трудностей разведения / ухода по сравнению с мышами.

Выводы

Упомянутые выше новаторские исследования новых моделей животных для исследования микробиоты кишечника в значительной степени продемонстрировали их потенциал. Однако, несмотря на ограничения моделей мышей, описанные в этом обзоре, их преимущества многочисленны, и, кроме того, объем исследований и знаний в области гастроэнтерологии, генетики и иммунологии мышей намного превосходит любую другую модель. Мышиные модели мышей обеспечивают ряд настраиваемых генотипов и фенотипов, намного превосходящих любой другой модельный организм.Таким образом, они сыграли очень важную роль в развивающейся области исследований микробиоты кишечника. Благодаря их широкому использованию в биомедицинских исследованиях, эти модели дополняются обширными знаниями о генетическом фоне и глубоких фенотипических и функциональных характеристиках. Более того, с хорошо организованными стандартизированными помещениями для мышей во всех лабораториях мира, проведение экспериментов на моделях мышей, даже без микробов, может быть осуществлено легче, чем с другими моделями.

Каждая из упомянутых здесь животных моделей демонстрирует некоторое сходство с физиологией пищеварительной системы человека, что дает полезные знания с разных точек зрения о микробиоте кишечника при здоровье и болезнях.Очевидно, что информация, полученная в результате исследований с использованием альтернативных моделей, разнообразила наше понимание микробиоты кишечника млекопитающих в целом и углубила наши знания о каждой модели в отдельности. Однако важно помнить, что модели всегда в некоторой степени отличаются от моделируемой системы. Таким образом, результаты, полученные на животных моделях, в том числе на популярных мышах, не всегда можно перенести на человека, и к выводам следует делать осторожные выводы. Кроме того, даже хорошо контролируемые эксперименты с кишечной микробиотой с использованием моделей мышей демонстрируют важные вариации между исследованиями из-за смешивающих факторов в экспериментальной установке, таких как происхождение мышей, материнские эффекты, условия окружающей среды (состав пищи, свет, стрессовые факторы, инфекция патогенными микроорганизмами). ), генетического фона и применяемых методов последующего анализа.В последнее время были предприняты попытки стандартизировать эксперименты с кишечной микробиотой, например, путем установления стандартизированной микробиоты у изобиотических мышей, которые будут использоваться учреждениями, участвующими в исследованиях кишечной микробиоты (Hooper et al., 2012). Хотя эти усилия все еще находятся в зачаточном состоянии (Würbel, 2000), они повысят воспроизводимость результатов и сопоставимость между исследованиями, а также обеспечат здоровый рост области исследований микробиоты кишечника.

Благодарности

Мы благодарим Наоми Уорд, Илсеунг Чо, Карлеса Убеду, Ричарда Флавелла и Ричарда Келлермайера за любезно предоставленные данные о составе кишечной микробиоты по результатам их исследований; и Майкл Д’Алессандро из Anatomy Atlases (www.anatomyatlases.org) и Lutz Slomianka с веб-сайта Blue Histology (http://www.lab.anhb.uwa.edu.au/mb140/) за разрешения на воспроизведение изображений. Мы также благодарим Рауля Тито, Каролин Фауст, Гвен Фалони и Джанлуку Маттелоти за полезные обсуждения и двух анонимных рецензентов за их конструктивные комментарии к обзору. Наконец, мы благодарим всех членов лабораторий Раеса и Листона за плодотворные обсуждения, приведшие к этой работе.

Сноски

• Конкурирующие интересы

  Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих финансовых интересов.