Лактобациллы с установленными пробиотическими свойствами

Поступила в редакцию 25.05.2020 г.

МРНТИ 76.03.43

УДК 579.12:616.33.05

ЛАКТОБАЦИЛЛЫ С УСТАНОВЛЕННЫМИ

ПРОБИОТИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ

Д.А. Исаева1, С.М. Шайхин2, А.С. Абилхадиров2, Т.Д. Укбаева1

1Евразийский национальный университет имени Л.Н. Гумилева, Нур-Султан, Казахстан

2РГП «Республиканская коллекция микроорганизмов» Комитета науки Министерства образования и науки Республики Казахстан, Нур-Султан, Казахстан

В статье представлены современные данные о пробиотическом потенциале молочнокислых бактерий на примере штаммов из рода Lactobacillus. Лактобациллы, благодаря антагонистическим взаимоотношениям с патогенными бактериями, поддерживают ЖКТ в здоровом состоянии. Штаммы Lactobacillus spp., отнесенные к пробиотикам, считаются биологическими препаратами, оказывающими иммуномодулирующие и противоопухолевые действия на здоровье человека, снижают содержание холестерина, синтезируют витамины и другие биологические активные вещества.

Ключевые слова: лактобациллы, пробиотики, пребиотик, желудочно-кишечный тракт, антагонизм, синбиотик.

LACTOBACILLI WITH ESTABLISHED PROBIOTIC PROPERTIES

D. Issayeva1, S. Shaikhin2, A. Abilhadirov2, T. Ukbaevа1

1L.N. Gumilyov Eurasian National University, Nur-Sultan city, Kazakhstan

2Republican Collection of Microorganisms at Science Committee of Ministry of Education and Science RK, Nur-Sultan city, Kazakhstan

The article presents modern data on the probiotic potential of lactic acid bacteria using strains from the genus Lactobacillus as an example. Lactobacilli, due to antagonistic relationships with pathogenic bacteria, support the gastrointestinal tract in a healthy state. The strains of Lactobacillus spp., classified as probiotics, are considered biological drugs that have immunomodulating and antitumor effects on human health, reduce cholesterol, synthesize vitamins, and other biologically active substances.

Keywords: lactobacilli, probiotics, prebiotics, gastrointestinal tract, antagonism, synbiotic.

БЕЛГ1ЛЕНГЕН ПРОБИОТИКАЛЬЩ ЦАСИЕТТЕР1 БАР

ЛАКТОБАЦИЛЛДЕР

Д.А. Исаева1, С.М. Шайхин2, А.С. Абилхадиров2, Т.Д. Укбаева1

1Л.Н.Гумилев атындагы Еуразия ¥лттык Университет^ Нур-Султан, Казакстан

2Казакстан Республикасынын Бшм жэне гылым министрлшнщ Гылым комитетшщ «Микроорганизмдердщ республикалы; коллекциясы», Нур-Султан, Казакстан

Макалада мысал ретiнде Lactobacillus тукымынын штамдарын колдана отырып, CYт кышкылы бактерияларыньщ пробиотикалык элеуетi туралы казiргi замангы мэлiметтер келтiрiлген. Лактобацилли, патогендiк бактериялармен антагонистiк карым-катынастын аркасында асказан-шек жолын сау кYЙiнде колдайды. Пробиотиктер санатына енетiн Lactobacillus spp. штаммдары иммуномодуляциялык жэне тумауга карсы эсерi бар, холестериндi твмендететiн, дэрумендер синтездейтiн жэне баска да биологиялык белсендi заттардын биологиялык препараттары болып табылады.

Кшгтш свздер: лактобацилдер, пробиотиктер, пребиотиктер, асказан-шек жолдары, антагонизм, синбиотиктер.

Кишечная микробиота очень хорошо адаптирована, стабильна и специфична для каждого человека. В нормальных условиях функционирования пищеварительной системы организма человека преобладают нейтральные и полезные микроорганизмы. Однако в условиях современности внешние факторы отрицательно влияют на баланс кишечной

микрофлоры. В желудочно-кишечном тракте (ЖКТ) патогенные бактерии, такие как Escherichia coli, Salmonella enterica, Campylobacter jejuni, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Clostridium botulinum и др. вызывают заболевания и расстройства, такие как гастрит, энтерит, язвенная болезнь, язвенный колит и т.д. [1,2].

Наблюдается тенденция к обогащению пищи пробиотиками в целях обеспечения безопасности пищевых продуктов от бактерий и защиты здоровья людей. Пробиотики, вместе с другими полезными бактериями, являются комменсалами кишечника и отличаются от патогенных бактерий по своему действию на иммунные клетки в кишечнике, так как предотвращают развитие болезней и не вызывают воспалительных реакций [3]. Пробиотики должны соответствовать нескольким характеристикам. Например, пробиотик должен быть устойчивым к желчи и кислотам, чтобы «выжить» на пути от ротовой полости к тонкой кишке, где он прикрепляется, размножается и выделяет полезные питательные вещества и молекулы. Пробиотик должен быть прикреплен к слизистым и эпителиальным клеткам; пробиотик должен быть устойчивым к антибиотикам, проявлять антимикробную активность в отношении патогенов [4,5]. Одним из функциональных преимуществ пробиотиков является широкий антимикробный спектр, а также антагонизм в отношении патогенных бактерий с сильной антимикробной активностью. Антагонистическая активность одного микроорганизма по отношению к другим может быть реализована путем: конкурентного вытеснения, иммунной модуляцией, стимуляцией систем защиты хозяина, продукцией органических кислот или перекиси водорода, которые снижают рН, продукцией антимикробных веществ, таких как бактериоцины, антиоксиданты, продуцированием сигнальных молекул, которые индуцируют изменения в экспрессии генов [6,7]. Известно, что антимикробные вещества, продуцируемые полезными микроорганизмами, включают молочную, уксусную, муравьиную, фениллактическую, бензойную кислоты, а также органические, короткоцепочечные жирные кислоты, перекись водорода, диоксид углерода, ацетальдегид, диацетил, бактериоцины и бактериоцин-подобные ингибиторные вещества и др. [8,9]. К наиболее изученным бактериоцинам относятся низин, лактицин, лактоцин, педиоцин, пициолин, энтероцин, реутерин, плантарицин, энтеролизин и др. [10,11]. Антимикробная активность пробиотических микроорганизмов имеет широкое применение, включая адъювантную терапию применения антибиотиков, коррекцию дисбактериоза ЖКТ, вызванного диареей [12], антагонистическую активность у людей против инфекций мочевыводящих путей [22], нозокомиальные инфекции [13], образование зубной биопленки [14], снижение уровня холестерина в сыворотке [15], а также, используется в агропродовольственной промышленности для производства кисломолочных продуктов [16], предотвращающих порчу пищевых продуктов [17], в качестве пищевых добавок для продуктов питания [18].

Штаммы родов Lactobacillus и Bifidobacterium являются наиболее широко используемыми пробиотиками, которые были определены Продовольственной и сельскохозяйственной организацией Объединенных Наций как «живые микроорганизмы, приносящие пользу здоровью хозяина при введении в адекватных количествах» [19]. Род Lactobacillus состоит из более чем 170 видов и 17 подвидов, грамположительные, палочковидной формы, не спорообразующие, каталаза-отрицательные, неподвижные бактерии, но встречаются и подвижные такие, как L. agilis, L. aquaticus, L. capillatus, L. ghanensis, L. mali и другие [20]. Они представляют собой большую группу бактерий, растущих в микроаэрофильных условиях при оптимальной температуре роста в диапазоне 30-40°C и pH 5,5-6,2. В окружающей среде обитают в почве, воде, растениях, особенно на гниющей растительности. У людей они являются местными комменсальными обитателями полости рта, так, например, наличие их в полости рта, а именно в зубном налете у здоровых людей присутствуют менее 103-104КОЕ/г, в ЖКТ содержатся около 102-103КОЕ/мл, в тонкой кишке до Ю3-104К0Е/мл кишечного сока, а также присутствуют в толстой кишке [21]. Лактобациллы также могут быть выделены из широкого ассортимента молочнокислых продуктов питания.

Лактобациллы, благодаря антагонистическим взаимодействиям с патогенными бактериями, поддерживают ЖКТ в здоровом состоянии. Штаммы Lactobacillus spp., отнесенные к пробиотикам, считаются биологическими препаратами, оказывающими иммуномодулирующие и противоопухолевые действия, благоприятное воздействие на здоровье человека при различных заболеваниях, снижающими содержание холестерина, синтезирующие витамины и прочие биологические активные вещества. Недавние исследования продемонстрировали несколько механизмов действия антимикробных продуктов Lactobacillus spp., таких как конкуренция за питательные вещества, производство ингибирующих соединений, иммуностимуляция и конкуренция за сайты связывания. Кроме того, штаммы Lactobacillus могут продуцировать молочную кислоту для снижения рН в кишечнике. Эти бактерии могут также секретировать определенные антимикробные молекулы, такие как этанол, жирные кислоты, перекись водорода и бактериоцины, обладающие антимикробной активностью.

Группа Lactobacillus casei (LCG) состоит из близкородственных видов Lactobacillus casei, Lactobacillus paracasei и Lactobacillus rhamnosus. Члены группы LCG филогенетически и фенотипически тесно связаны между собой [22], являются наиболее исследованными и широко используемыми видами в пищевой, биофармацевтической и медицинской промышленностях. Данная группа используется для ферментации молочных продуктов, часто производя продукты с улучшенным вкусом и текстурой. Также производят много биологически активных метаболитов, которые могут принести пользу хозяину при их потреблении [23].

Ассортимент пищевых продуктов, содержащих пробиотические штаммы, широк и продолжает расти. Основными продуктами, имеющимися на рынке, являются продукты на молочной основе, в том числе кисломолочные продукты, сыр, пахта, сухое молоко, йогурты и др. [24]. Применение штаммов в немолочной пище включает в себя использование в соевых продуктах, питательных батончиках, хлопьях и различных соках в качестве подходящего средства доставки пробиотика для человека [25]. Факторами, которые необходимо учитывать при оценке эффективности включения пробиотических штаммов в такие продукты являются, помимо безопасности, совместимость продукта с микроорганизмом и поддержание его жизнеспособности посредством обработки, упаковки и хранения пищевых продуктов. Например, pH продукта является важным фактором, определяющим выживаемость и рост включенного пробиотика, и это является одной из причин, по которым мягкие сыры имеют ряд преимуществ по сравнению с йогуртом как системой доставки жизнеспособных пробиотиков в ЖКТ [26].

Наиболее широко признанной пользой пробиотических микроорганизмов для здоровья являются лечение и профилактика инфекционной диареи. Ротавирус является второй по значимости причиной смерти среди детей в возрасте до 5 лет во всем мире. Вирус реплицируется в высоко дифференцированных абсорбционных клетках эпителия тонкой кишки и нормальная микрофлора играет важную роль в ответе хозяина на инфекцию [27]. Пробиотические добавки для детского питания предназначались как для профилактики ротавирусных инфекций, так и для лечения данного заболевания. Хорошо контролируемые клинические исследования показали, что пробиотики, такие как L. rhamnosus GG, L. reuteri, L. casei shirota и B. animalis Bb12 могут сократить продолжительность острой ротавирусной диареи [28]. Предложенные механизмы включают конкурентную блокировку сигнальных путей, регулирующих секреторную и двигательную защиту, усиление иммунного ответа и продукцию веществ, которые непосредственно инактивируют вирусные частицы. Имеются доказательства того, что определенные пробиотические штаммы лактобацилл L. reuteri, L. rhamnosus GG, L. casei могут ингибировать рост и развитие диарейных синдромов при ротавирусной инфекции и других желудочно-кишечных заболеваниях у детей [29].

Последние данные свидетельствуют о том, что использование молочнокислых бактерий в раннем возрасте может предотвратить развитие аллергии у детей. Пробиотики могут обеспечивать безопасную альтернативную микробную стимуляцию, необходимую

для развития иммунной системы у детей. В то же время они улучшают барьерную функцию слизистой оболочки - свойство, которое, как считается, способствует смягчению аллергического ответа. Роль кишечной микробиоты при аллергических подтверждается наблюдениями их количественных, а также качественных различий у детей и младенцев, страдающих аллергией [30]. Эти пробиотические эффекты связаны в основном с пищевой аллергией и атопическим дерматитом. Последнее является распространенным хроническим рецидивирующим кожным заболеванием младенчества и детства с наследственной предрасположенностью, являющейся важной составляющей его патогенеза, наряду с воздействием на человека аллергенов окружающей среды. Ограниченное количество штаммов было проверено на их эффективность в лечении и профилактике аллергии у младенцев. В недавнем исследовании грудных детей, страдающих атопической экземой, B. lactis и L. rhamnosus GG оказались эффективными в снижении степени тяжести экземы. Кроме того, L. rhamnosus GG был признан успешным при предотвращении возникновения атопической экземы у детей с высоким уровнем риска его развития [31]. Исследования показали, что пробиотики не всегда купируют симптомы бронхиальной астмы [32]. Что касается пищевой аллергии, ее описывают как иммунологически опосредованную неблагоприятную реакцию против пищевых антигенов, ведущую к вторичному воспалению кишечника и нарушениям. Механизмы иммуномодулирующего действия L. rhamnosus GG связаны с транспортом антигена через слизистую оболочку кишечника [33]. Недавно было изучено использование пробиотических препаратов у взрослых с гиперчувствительностью к молоку, а не с непереносимостью лактозы, и пришли к выводу, что некоторые штаммы могут подавлять вызванную молоком воспалительную реакцию и купирует симптомы аллергии; тем не менее, необходимы дальнейшие исследования в этой области [34].

Онкологические заболевания представляет собой глобальную проблему, при этом большие усилия направлены на методы профилактики и лечения заболевания. Пробиотики используются в качестве иммуномодулирующей терапии для борьбы с раковыми заболевания [35]. Штамм вида L. casei ATCC 393 был исследован на экспериментальной модели рака толстой кишки с использованием линий клеток рака толстой кишки мыши и человека [36]. Модель in vivo показала снижение объема опухоли примерно на 80% у мышей, которых кормили живым L. casei в течение 13 дней. Бактерии прикрепляются к раковым клеткам и снижают жизнеспособность раковых клеток и индуцируют апоптотическую гибель клеток. Штаммы L. casei также были исследованы для комплексного лечения при поздней стадии колоректального рака (КРР). Основной причиной смерти от КРР является метастазирование опухоли в другие органы. Обнаружено, что бесклеточные супернатанты из пробиотиков L. casei и L. rhamnosus GG ослабляют инвазию раковых клеток толстой кишки in vitro [37]. В многочисленных исследованиях изучали стратегии использования пробиотических штаммов для уменьшения опухоли. L. casei Shirota была изучена в сочетании с диетической клетчаткой на ее способность уменьшать повторные возникновения опухолей при колоректальном раке, при этом ранние исследования показали многообещающие результаты [38]. Использование синбиотической пищевой добавки, содержащей пребиотик SYN1 (инулин, обогащенный олигофруктозой), пробиотики Bifidobacterium lactis Bb12 и L. rhamnosus GG показало, что они способны снижать неконтролируемый рост клеток кишечника. Это связано с их способностью усиливать структуру слизистой оболочки, что приводит к снижению воздействия на эпителиальные клетки цитотоксических, генотоксических агентов и сопровождается снижением роста клеток толстой кишки [39]. Было показано, что пробиотики снижают вероятность радиационно-индуцированной диареи во время лечения рака [40].

Заключение

Пробиотики на основе лактобацилл могут быть использованы для лечения и профилактики кишечных инфекций, заболеваний ЖКТ (язвенный колит или синдром раздраженного кишечника), колоректального рака, постантибиотических синдромов. У детей в раннем возрасте могут предотвратить развитие пищевой аллергии и атопического дерматита, а у взрослых урогенитальных заболеваний и бактериального вагиноза у женщин.

Пробиотические лактобациллы имеют высокий профиль безопасности «Generally Regarded As Safe».

Список литературы

1. Practice guidelines for the management of infectious diarrhea/ Guerrant R. L. et al. //Clinical infectious diseases. - 2001. - V. 32, № 3. - P. 331-351.

2. Seale J. V., Millar M. Probiotics: a new frontier for infection control //Journal of Hospital Infection. - 2013. - V. 84, № 1. - P. 1-4.

3. He F., Morita H., Ouwehand A. C. Bifidobacteria and lactobacilli exhibited different mitogenic activity on murine splenocytes //International Journal of Probiotics and Prebiotics. - 2006. - V. 1, № 1. - P. 77.

4. Fijan S. Microorganisms with claimed probiotic properties: an overview of recent literature //International journal of environmental research and public health. - 2014. - V. 11, № 5. - P. 4745-4767.

5. Probiotic lactic acid bacteria: a review / Quinto E. J. et al. //Food and Nutrition Sciences. - 2014. -V. 5, № 18. -P. 1765.

6. Probiotic and other functional microbes: from markets to mechanisms/ Saxelin M. et al. //Current opinion in biotechnology. - 2005. -V. 16, № 2. - P. 204-211.

7. Strong antimicrobial activity of Lactobacillus rhamnosus GG against Salmonella typhimurium is due to accumulation of lactic acid/ De Keersmaecker S. C. J. et al. //FEMS microbiology letters. - 2006. - V. 259, № 1. - P. 8996.

8. Antibacterial activity of lactic acid bacteria against spoilage and pathogenic bacteria isolated from the same meat small-scale facility: 1—Screening and characterization of the antibacterial compounds/Ammor S. et al. //Food control. - 2006. - V. 17, № 6. - P. 454-461.

9. Snyder A. B., Worobo R. W. Chemical and genetic characterization of bacteriocins: antimicrobial peptides for food safety //Journal of the Science of Food and Agriculture. - 2014. - V. 94, № 1. - P. 28-44.

10. Antimicrobial activity-the most important property of probiotic and starter lactic acid bacteria/ Suskovic J. et al. //Food Technology and Biotechnology. - 2010. - V. 48, № 3. - P. 296-307.

11. Reevaluating fluoroquinolone breakpoints for Salmonella enterica serotype Typhi and for non-Typhi salmonellae/Crump J. A. et al.//ClinicalInfectious Diseases. - 2003. - V. 37, № 1. - P. 75-81.

12. Immunomodulatory and antimicrobial efficacy of Lactobacilli against enteropathogenic infection of Salmonella typhi: In-vitro and in-vivo study/ Mazaya B. et al. //International journal of immunopathology and pharmacology. - 2015. - V. 28, № 4. - P. 469-478.

13. Antimicrobial activity of different Lactobacillus species against multi-drug resistant clinical isolates of Pseudomonas aeruginosa / Jamalifar H. et al. //Iranian journal of microbiology. - 2011. - V. 3, № 1. - P. 21.

14. Inhibitory effect of Lactobacillus salivarius on Streptococcus mutans biofilm formation/ Wu C. C. et al. //Molecular oral microbiology. - 2015. - V. 30, № 1. - P. 16-26.

15. Preliminary probiotic and technological characterization of Pediococcus pentosaceus strain KID7 and in vivo assessment of its cholesterol-lowering activity/ Damodharan K. et al. //Frontiers in microbiology. - 2015. - V. 6. - P. 768.

16. Baick S. C., Kim C. H. Assessment of characteristics and functional properties of Lactobacillus species isolated from kimchi for dairy use //Korean journal for food science of animal resources. - 2015. -V. 35, № 3. - P. 339.

17. Screening of antagonistic activity of probiotic bacteria against some food-borne pathogens/ El Kholy M. et al. //JAppl Environ Microbiol. - 2014. - V. 2, № 2. - P. 53-60.

18. Safety characterization and antimicrobial properties of kefir-isolated Lactobacillus kefiri /Carasi P. et al. //BioMed research international. - 2014. - V. 2014.

19. Методологические подходы изучения молекулярно-биологических характеристик молочнокислых бактерий: методические рекомендации/Авт.-сост. Г.К. Абитаева, Т.Д. Укбаева, С.М. Шайхин, А.К. и др. -Астана: ТОО «Мастер По», 2019. - С. 1-47.

20. Goldstein E. J. C., Tyrrell K. L., Citron D. M. Lactobacillus species: taxonomic complexity and controversial susceptibilities //Clinical Infectious Diseases. - 2015. - V. 60, № suppl_2. - S98-S107.

21. Яруллина Д.Р., Фахруллин Р.Ф. Бактерии рода Lactobacillus: общая характеристика и методы работы с ними: Учебно-методическое пособие. - 2014. - 51 с.

22. Felis G. E., Dellaglio F. Taxonomy of lactobacilli and bifidobacteria //Current issues in intestinal microbiology. - 2007. - V. 8, № 2. - P. 44.

23. Dietrich C. G., Kottmann T., Alavi M. Commercially available probiotic drinks containing Lactobacillus casei DN-114001 reduce antibiotic-associated diarrhea //World Journal of Gastroenterology: WJG. - 2014. - V. 20, № 42. - P. 15837.

24. Market potential for probiotics /Stanton C. et al. //The American journal of clinical nutrition. - 2001. -V. 73, № 2. - 476s-483s.

25. Ewe J. A., Wan-Abdullah W. N., Liong M. T. Viability and growth characteristics of Lactobacillus in soymilk supplemented with B-vitamins //International journal of food sciences and nutrition. - 2010. - V. 61, № 1. -P. 87-107.

26. Sheehan V. M., Ross P., Fitzgerald G. F. Assessing the acid tolerance and the technological robustness of probiotic cultures for fortification in fruit juices //Innovative Food Science & Emerging Technologies. - 2007. - V. , № 2. - P. 279-284.

27. Isolauri E. Probiotics for infectious diarrhoea //Gut. - 2003. - V. 52, № 3. - P. 436-437.

28. Shah N. P. Functional cultures and health benefits //International dairy journal. - 2007. - V. 17, № 11. -P. 1262-1277.

29. Efficacy of probiotic use in acute diarrhea in children: a meta-analysis/ Huang J. S. et al. //Digestive diseases and sciences. - 2002. -V. 47, № 11. - P. 2625-2634.

30. Differences in Bifidobacterium flora composition in allergic and healthy infants / Ouwehand A. C. et al. //Journal of Allergy and Clinical Immunology. - 2001. - V. 108, № 1. - P. 144-145.

31. Probiotics in the management of atopic eczema/ Isolauri E. et al. //Clinical & Experimental Allergy. -2000. - V. 30, № 11. - P. 1605-1610.

32. Probiotic therapy as a novel approach for allergic disease / Toh Z. Q. et al. //Frontiers in pharmacology. - 2012. - V. 3. - P. 171.

33. Immune-mediated mechanisms of action of probiotics and synbiotics in treating pediatric intestinal diseases/Plaza-Díaz J. et al. //Nutrients. - 2018. - V. 10, № 1. - P. 42.

34. Do probiotics reduce adult lactose intolerance? A systematic review.(Applied evidence: New research findings that are changing clinical practice/ Levri K. M. et al. //Journal of Family Practice. - 2005. - V. 54, № 7. - P. 613-621.

35. Effects of L. paracasei subp. paracasei X12 on cell cycle of colon cancer HT-29 cells and regulation of mTOR signalling pathway/Huang L. et al. //Journal of functional foods. - 2016. - V. 21. - P. 431-439.

36. Probiotics for the treatment of atopic dermatitis in children: a systematic review and meta-analysis of randomized controlled trials/Huang R. et al. //Frontiers in cellular and infection microbiology. - 2017. -V. 7. - P. 392.

37. Escamilla J., Lane M. A., Maitin V. Cell-free supernatants from probiotic Lactobacillus casei and Lactobacillus rhamnosus GG decrease colon cancer cell invasion in vitro //Nutrition and cancer. - 2012. -V. 64, № 6. - P. 871-878.

38. Randomized trial of dietary fiber and Lactobacillus casei administration for prevention of colorectal tumors / Ishikawa H. et al. //International journal of cancer. - 2005. - V. 116, № 5. - P. 762-767.

39. Dietary synbiotics reduce cancer risk factors in polypectomized and colon cancer patients/ Rafter J. et al. //The American journal of clinical nutrition. - 2007. - V. 85, № 2. - P. 488-496.

40. Probiotics for prevention of radiation-induced diarrhea: A meta-analysis of randomized controlled trials / Liu M. M. et al. //PLoS One. - 2017. - V. 12, № 6.

Автор для корреспонденции: Исаева Динара Арстановна - магистрант ЕНУ им. Л.Н. Гумилева, dinaro4ka1996@mail.ru