На правах рукописи
Донских Екатерина Евгеньевна
Молекулярный и микробиологический мониторинг становления
микрофлоры кишечника новорожденных
03.02.03.- микробиология
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
МОСКВА – 2010
1
Работа выполнена в Государственном Образовательном Учреждении Высшего профессионального образования «Российский Государственный Медицинский Университет Федерального агентства по здравоохранению и социальному развитию».
Научные руководители:
доктор медицинских наук, профессор Кафарская Людмила Ивановна доктор медицинских наук, профессор Ефимов Борис Алексеевич
Официальные оппоненты:
доктор биологических наук, профессор Л.П. Блинкова доктор медицинских наук, профессор Ю. В. Несвижский
Ведущая организация:
ГОУ ВПО Московский медико-стоматологический университет Росздрава.
Защита диссертации состоится « » _ 2010 г. в _ час.
на заседании диссертационного совета Д 208.046.01 при Федеральном Государственном учреждении науки «Московский научно-исследовательский институт эпидемиологии и микробиологии им Г.Н. Габричевского» Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека по адресу: 125212, Москва, ул. Адмирала Макарова, д.10.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУН «Московский научноисследовательский институт эпидемиологии и микробиологии им. Г.Н. Габричевского»
Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека.
Автореферат разослан « » 2010 г.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор медицинских наук О.Ю. Борисова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы Поверхность слизистых оболочек является местом наиболее тесного взаимодействия организма хозяина с колонизирующими его микроорганизмами, причем слизистая кишечника представляет собой наиболее значительную область такого контакта. Являясь местом обитания многочисленного бактериального сообщества, отделенного от внутренней среды организма только монослоем эпителиальных клеток, кишечник адаптирован для двусторонних обменных процессов хозяин-микрофлора. Количество резидентных бактерий, обитающих в кишечнике, десятикратно превосходит число человеческих соматических клеток, а совокупный микробный геном намного превышает геном человека (Shanahan F., 2002). Структура и состав кишечной микрофлоры отражает процессы естественного отбора, протекающие как внутри самого микробного сообщества, так и на уровне его взаимодействия с организмом хозяина (Palmer C., 2007) Роль нормальной индигенной микрофлоры все еще недостаточно изучена, но одна из наиболее важных ее функций, вероятно, заключается в поддержании колонизационной резистентности против внешней паразитарной экспансии, а также в контроле над чрезмерным ростом потенциальных патогенов, уже присутствующих в кишечнике (Гончарова Г.И., 1982). Антагонистическая активность индигенной микрофлоры обусловлена различными механизмами, прежде всего биохимическими: способностью продуцировать органические кислоты, бактериоцины и другие антимикробные субстанции (Лянная А.М., 1975; Johnson M.G., 1998; Walker W.A., 2008).
Формирование нормальной микрофлоры кишечника человека начинается еще на самых ранних этапах жизни. Считается, что первичным источником бактерий, колонизирующих пищеварительный тракт ребенка, являются родовые пути матери, во время прохождения которых новорожденный заглатывает их содержимое вместе с бактериями вагинальной микрофлоры. После рождения колонизация кишечника ребенка продолжается не только штаммами бактерий поступающих от матери, но и микроорганизмами от других источников находящихся во внешней среде (Fanaro S., 2003). Однако указанные предположения, касающиеся участия материнских штаммов бактерий в первичной колонизации гастроинтестинального тракта ребенка, до последнего времени остаются недостаточно подтвержденными научными данными. Это, в свою очередь связано с малой информативностью используемых для решения данной задачи микробиологических методов, которые основаны, прежде всего, на изучении морфологических, физиолого-биохимических и культуральных свойств бактериальных штаммов, изолируемых из материнских и детских источников.
Активное внедрение молекулярно-генетических технологий в практику микробиологических исследований позволило получить новую информацию о составе и свойствах интестинальной микрофлоры у людей разного возраста (Favier C.F., 2002;
Furrie E., 2006; Амерханова А.М., 2009). В последние годы был разработан целый арсенал методов с использованием полимеразной цепной реакции, позволяющих не только быстро и достоверно определить видовую принадлежность выделяемых микроорганизмов, но и проводить их количественную оценку непосредственно в исследуемом материале без этапа культивирования.
Среди большого разнообразия бактериальных видов, колонизирующих толстый кишечник, особого внимания заслуживают бактерии рода Bifidobacterium. В толстой кишке у детей раннего возраста бифидобактерии являются основной группой и составляют до 95% от общей популяции микроорганизмов (Гончарова Г.И., 1986; Tannock G.W., 1994; Reuter G., 2001; Shanahan F., 2002; Tapianinen T., 2006; Gronlund M.M., 2007).
Благодаря исключительно позитивному воздействию бифидобактерий на локальный статус пищеварительного тракта, а также их системному иммуномодулирующему эффекту, бифидобактерии стали объектом многочисленных научных исследований, и широко используются в качестве пробиотических препаратов (Гончарова Г.И.,1989;
Бондаренко В.М., 1995).
Вместе с тем, до последнего времени данные о видовых и штаммовых изменениях, происходящих в составе бифидофлоры у людей по мере взросления, остаются ограниченными.
В этой связи, очевидна актуальность проведения сравнительного мониторинга нормальной микрофлоры толстого кишечника у клинически здоровых детей в динамике с привлечением методов молекулярно-генетической идентификации и типирования штаммов бифидобактерий.
Цель исследования С использованием бактериологических и молекулярно-генетических методов провести мониторинг становления видового состава бифидобактерий у детей, а также путем сравнительного генетического анализа штаммов бифидобактерий, выделенных в парах мать-ребенок, выявить особенности транслокации материнских штаммов бифидобактерий кишечного происхождения к ребенку.
Задачи исследования 1. Изучить в динамике качественный и количественный состав микрофлоры толстого кишечника у клинически здоровых детей разного возраста.
2. Создать коллекцию штаммов бифидобактерий, выделенных из кишечника детей разных возрастных групп и провести их видовую идентификацию при помощи молекулярно-генетических методов.
3. Создать коллекцию штаммов бифидобактерий, выделенных из кишечника детей раннего возраста и их матерей, и провести сравнительный анализ при помощи метода REP-ПЦР и RAPD-ПЦР для установления их генетической идентичности.
Научная новизна исследования видоспецифичными бифидобактериальными праймерами. Проведено частичное секвенирование 16S рДНК бифидобактерий, выделенных из кишечника детей разного возраста и взрослых женщин, что позволило провести оценку динамики возрастных изменений бифидофлоры.
Впервые с использованием метода REP-ПЦР проведен сравнительный анализ штаммов бифидобактерий в парах мать-ребенок для установления их генетической идентичности. Полученные результаты свидетельствуют в пользу существующей гипотезы о ранней колонизации детей материнскими штаммами бифидобактерий.
бифидобактерий у детей раннего возраста методом RAPD-ПЦР и получены данные о транслокации материнских штаммов от матери к ребнку.
Практическая значимость Создана коллекция штаммов бифидобактерий, выделенных из кишечника здоровых детей и взрослых людей, включающая практически все виды микроорганизмов данного рода, обитающие в интестинальном микробиоценозе. Видовая принадлежность полученных штаммов определена при помощи высокочувствительных молекулярных методов, что повышает ценность этой коллекции. Часть штаммов бифидобактерий была фингерпринтинга.
Полученные данные о качественном и количественном составе бифидофлоры у детей различного возраста и взрослых людей могут быть использованы как критерии нормы при оценке различных нарушений микрофлоры кишечного тракта, а также для подбора оптимального видового (штаммового) состава бифидобактерий, включаемых в пробиотические препараты и используемых с целью купирования нарушений кишечной микрофлоры.
Внедрение результатов работы в практику В настоящее время штаммы из созданной коллекции используются сотрудниками кафедры микробиологии и вирусологии ГОУ ВПО РГМУ Росздрава для изучения разнообразных биологических свойств бифидобактерий (акт от 17.02.2010 г.) Результаты исследования включены в материалы лекционного курса для студентов, врачей-интернов и клинических ординаторов, проходящих обучение на кафедре микробиологии и вирусологии ГОУ ВПО РГМУ Росздрава.
Положения, выносимые на защиту 1. На протяжении первых лет жизни в популяции бифидобактерий микрофлоры кишечника у здоровых детей наблюдаются выраженные качественные и количественные изменения. В ранние периоды физиологической адаптации для микрофлоры кишечника у детей характерны высокие популяционные уровни и частота выделения бифидобактерий видов B. bifidum, B. longum и B.breve. Кроме того, у детей в первые шесть месяцев после рождения к этой группе относятся и бифидобактерии B.longum bv. infantis. У детей в возрасте 6 лет и у взрослых бифидофлора, в основном, представлена видами B. longum, B.
adolescentis, B. catenulatum и B. bifidum.
2. Молекулярно-генетические методы, основанные на амплификационной технологии (REP-ПЦР и RAPD-ПЦР), позволяют эффективно решать задачи по молекулярногенетическому типированию бифидобактерий с целью установления уровня их внутривидовых вариаций в микрофлоре кишечника у детей и взрослых людей.
Апробация работы Апробация диссертационной работы состоялась на научной конференции кафедры микробиологии и вирусологии ГОУ ВПО РГМУ протокол № 3 от 07 октября 2008 года.
Основные положения работы были доложены на заседаниях секции гнотобиологии Московского отделения Всероссийского общества эпидемиологов, микробиологов и паразитологов им. И.И. Мечникова в 2005 и 2008 гг., на практической конференции «Тимаковские чтения», проводимой секцией гнотобиологии 24.12.2002 г. в ГОУ ВПО РГМУ.
Публикации По теме диссертации опубликовано 15 научных работ, в том числе 3 статьи - в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, в сборниках научных трудов – 6, в других журналах в материалах конференций – 5.
Объм и структура диссертации машинописного текста, состоит из введения, 4 глав, выводов, практических рекомендаций и списка литературы. Библиография включает 213 источников, в том числе 33 работы отечественных авторов и 180 работ зарубежных авторов. Диссертация иллюстрирована таблицами и 4 рисунками.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Материалы и методы С целью решения поставленных задач нами была проведена оценка состояния кишечной микрофлоры у 62 клинически здоровых детей обоего пола, из которых пятеро дети в возрасте от 1 до 3 дней, четверо - в возрасте от 14 до 16 дней, 12 - в возрасте от 1 до 6 месяцев и 28 - в возрасте от 8 до 16 месяцев. Все эти дети (первая группа) были рождены от здоровых матерей в срок. Семеро детей, из группы 8-16 месяцев, были повторно обследованы в возрасте 6-ти лет. Кроме того, одновременно с исследованием микрофлоры кишечника у 13 детей, возраст которых составлял от 2-х до 11 месяцев, было проведено изучение кишечной флоры и у их матерей.
Вторая группа обследуемых включала 16 недоношенных детей (гестационный возраст - 28-36 недель), родившихся от матерей с дородовым излитием околоплодных вод.
Дети находились в палате интенсивной терапии и получали антибактериальную терапию и препараты пробиотики (ампициллин, гентамицин + линекс и бифидумбактерин).
Исследование микрофлоры кишечника у детей этой группы было проведено первично в первые трое суток жизни, затем в возрасте 2-х недель, и в возрасте 1-2-х месяцев. Также было проведено изучение кишечной микрофлоры у 12 женщин с дородовым излитием околоплодных вод.
Материалом для исследования являлись фекалии. Выделение микроорганизмов проводили на следующих питательных средах: Бактофок (Гидробиос, Россия) - для бифидобактерий, MRS (Oxoid, Англия) - для лактобактерий, Columbia agar Base (BBL, США) с добавлением канамицина (100 мг/л), витамина К (1,5 мг/л) и крови (5%) - для выделения неспорообразующей облигатно-анаэробной флоры, TSN - agar (Serva, США) с добавлением эмульсии яичного желтка (50 мл/л) - для клостридий, Staphylococcus agar (Difco, США) - для стафилококков, Enterococcus agar (Serva, США) - для энтерококков, Sabouraud Dextrose agar (Serva, США) с добавлением ампиокса (100 мг/л) - для дрожжеподобных грибов рода Candida. Микроорганизмы семейства Enterobacteriaceae выделяли на среде Endo agar (Serva, США) и Brain Heart Infusion agar с добавлением 5% крови. Чашки Петри с посевами инкубировали при 37°С в течение 48 часов. Для культивирования облигатно-анаэробных микроорганизмов использовали микроанаэростаты (Оxoid,Англия), заполненные газовой смесью (85% N2, 10% С03,5%Н2) (Постникова Е.А., 2006).
Первичный скрининг штаммов бифидобактерий осуществляли на основании изучения морфологических свойств выросших колоний и окраски материала из них по Граму. Все колонии, подозрительные на принадлежность к роду бифидобактерий, были отсеяны для получения чистой культуры сначала на плотную питательную среду, а затем в жидкую питательную среду TPY для последующего приготовления лиофилизированных стоков.
Лиофилизацию чистых культур бактерий проводили в растворе сахарозы (10%) и желатина (1%) в лиофильной сушке SB1 (Chemlab, Англия). Все последующие манипуляции с чистыми культурами бифидобактерий осуществляли после их выделения из лиофилизированных стоков.
Геномную ДНК из чистых культур бифидобактерий, выделяли с использованием «Genomic DNA Purification Kit» («Fermentas», Литва) в соответствии с рекомендациями изготовителя. Качество и количество ДНК оценивали при помощи электрофореза в 1% агарозном геле.
Видовую идентификацию штаммов бифидобактерий проводили методом ПЦР с девятью парами видоспецифичных праймеров, комплементарных гену 16S рРНК (Bifidobacterium longum, B. bifidum, B. infantis, B. adolescentis генотипы А и B, B.
catenulatum, B. angulatum и B. dentum) (Matsuki T., 2003) (таблица №1). Видовую принадлежность не идентифицированных методом ПЦР штаммов определяли путем секвенирования фрагмента гена 16S рРНК. Продукты секвенирования анализировали при помощи автоматического секвенатора ABI 3100 GeneticAnalyzer («Applied Biosystems», США) и набора программного обеспечения к нему.
Для обнаружения межштаммовых геномных различий у бифидобактерий одного вида был использован метод RAPD-PCR (Bassam et al., 1992) с использованием протокола Jeff Broadbent из Университета штата Юта, США (личное сообщение). Амплификация осуществлялась с использованием амплификатора МС-2 «Терцик» (ЗАО «ДНКТехнология») и следующей программы: 1) первоначальная денатурация 950С 3 мин; 2) циклов: 940С 20 сек, 580С 20 сек, 720С 30 сек; 3) финальная элонгация 720С 5 мин; 4) охлаждение до 40С.
Генотипирование бифидобактерий методом REP-ПЦР проводили с использованием праймера BOXA1R по методу Masco L. (Masco L, 2003), установленная температура отжига 520С.
Продукты ПЦР были визуализированы при помощи гель-электрофореза 10 мкл образцов в 1,5% агарозном геле, приготовленном на буфере 1Х TAE, содержащем 0, мкг/мл бромистого этидия.
Набор олигонуклеотидных праймеров, использованных для видовой идентификации бифидобактерий с помощью ПЦР Статистическую обработку полученных результатов проводили с использованием общепринятых статистических методов на IBM совместимом персональном компьютере с применением программ “Microsoft Excel” и «Biostat». Для проведения статистического анализа полученные результаты представляли в log числа микробов на 1 г исследуемого материала. Для каждой таксономической группы микроорганизмов в каждой обследуемой группе детей считали среднее значение концентрации, стандартное отклонение, частоту встречаемости. Для определения достоверности различий в количественных показателях микроорганизмов между возрастными группами использовали многофакторный дисперсионный анализ и t-критерий Стьюдента (Гланц С., 1998)
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБСУЖДЕНИЕ
Микробиологический мониторинг интестинальной микрофлоры у детей Исследование микрофлоры кишечника здоровых детей, проведнное на третьи сутки жизни, выявило отсутствие у них облигатно анаэробных бактерий (таблица №2).При этом у 60% детей были выявлены лактозопозитивные кишечные палочки, среднее количество которых составило 7,3±1,5 log КОЕ/г исследуемого материала. Кроме того, у 80% обследуемых детей этого возраста присутствовали стафилококки (4,9±2,3 log КОЕ/г) и энтерококки (8,1±2,0 log КОЕ/г).
Исследование кишечного содержимого у детей на 14-16 день жизни выявило, что бифидобактерии в толстой кишке определялись в 100% случаев, а их среднее количество составляло 9,1±0,5 log КОЕ/г исследуемого материала. Также у 100% детей были выявлены лактобактерии (8,2±0,9 log КОЕ/г), лактозопозитивные эшерихии (7,3±1,3 log КОЕ/г) и энтерококки (7,6±0,5 log КОЕ/г), у 50% - коагулазонегативные стафилококки (6,1±0,02 log КОЕ/г) и бактероиды (7,9±0,4 log КОЕ/г). У 28% детей этой группы в кишечнике были обнаружены лактозонегативные E.coli (6,4±1,3 log КОЕ/г).
В микробиоценозе кишечника детей в возрасте от 1 до 6 месяцев по-прежнему преобладали бифидобактерии, определявшиеся со 100% частотой, в количестве, составлявшем 10,1±0,6 log КОЕ/г. Лактобактерии выделялись у 75% детей (8,3±0,8 log КОЕ/г), бактероиды - в 50% случаев (9,8±0,9 log lg КОЕ/г). У всех детей были обнаружены типичные лактозопозитивные эшерихии и энтерококки в среднем количестве, составившем 8,5±0,9 log КОЕ/г и 8,1±1,0 log КОЕ/г исследуемого материала соответственно. Кроме того, в кишечной микрофлоре детей этой возрастной группы было выявлено разнообразие факультативно анаэробных микроорганизмов. Так, у 58% детей выделены S. аureus, количество которых достигало 5,3±1,6 log КОЕ/г, в 42% случаев были обнаружены цитробактеры (6,3±0,3 log КОЕ/г), у 58% были выделены клебсиеллы (8,3±0, log КОЕ/г) и у 17% детей определялись Enterobacter cloacae (6,4±2,8 log КОЕ/г). Грибы рода Candida были обнаружены у 42% детей в среднем количестве, составившем 3,7±1, log КОЕ/г.
Исследование микрофлоры детей в возрасте от 8 до 16 месяцев показало, что у 100% детей сохранялся высокий уровень бифидобактерий, среднее количество которых достигало 10,2±0,7 log КОЕ/г. Частота выделения лактобактерий сохранялась на уровне 79%, в среднем составляя 7,2±1,2 log КОЕ/г, а бактероидов, напротив, повысилась до 86%, при этом их уровень достигал значения 10,4±0,5 log КОЕ/г. В 93% случаев уровень Динамика формирования кишечной микрофлоры здоровых детей Качественный состав кол-во) типичных эшерихий составлял 7,9±1,1 log КОЕ/г, а энтерококков - 7,8±0,8 log КОЕ/г. У 86% детей были выявлены лецитиназонегативные клостридии при среднем показателе количественного уровня 7,8±1,1 log КОЕ/г, лецитиназопозитивные клостридии были обнаружены у 52% детей при среднем показателе 5,1±0,8 log КОЕ/г. Частота выделения, клебсиелл увеличилась до 76%, коагулазопозитивных стафилококков – до 83%, грибов рода Candida - 66%.
Таким образом, микрофлора кишечника здоровых детей в возрасте от 8 до месяцев характеризуется высоким содержанием облигатно анаэробных микроорганизмов.
Наряду с бифидобактериями, у большинства детей выделяются бактероиды и лецитиназонегативные клостридии. Бифидобактерии играют существенную роль в поддержании колонизационной резистентности, на фоне избыточной колонизации кишечника условно-патогенными микроорганизмами они, возможно, препятствуют их транслокации в другие экологические ниши организма.
В шестилетнем возрасте у всех обследованных здоровых детей (100%) сохранялся высокий уровень бифидобактерий, средний показатель которых составил 9,5±0,9 log КОЕ/г. При той же частоте бактероиды выявлялись в количестве 10,1±0,4 log КОЕ/г, энтерококки - 6,1±0,6 log КОЕ/г. Однако частота выделения и количественный уровень лактобактерий снизились, причем снижение второго показателя носило достоверный