Correction of intestinal microbiota disorders

• Ekaterina A. Burlyaeva
• Ksenia S. Nikitina
• Nonna A. Usanova
• Vyacheslav K. Ilyin
• Alexander N. Agureev
• Mark S. Belakovskiy

Abstract

Exposure to various environmental factors and dietary changes can manifest as dysbiotic disorders of varying severity in all crew members who have completed both short and long-term space missions. Of particular importance is the acute adaptation phase to unfavorable environmental conditions (up to 14 days), during which the intestinal microbiome changes leading to the development of symptoms associated with functional gastrointestinal disorders.

The aim of the study was to investigate the effect of a fiber-rich diet on the quantitative composition of the gut microbiota of people undergoing long-term isolation in a sealed facility with an artificial habitat.

Material and methods. 6 apparently healthy volunteers (four women and two men, aged 26 to 37 years) participated in the study. During 120 days of isolation in a sealed facility with an artificial habitat, the diet consisted of specialized foods intended for cosmonauts and industrially produced foods similar in nutritional value and production methods. The energy value of the diet was 2900 kcal/day, with a protein, fat, and carbohydrate ratio of 15:30:55%, respectively. The menu consisted of a 14-day cycle, including all major food groups. Meals were served four times a day: three main meals and one snack. Food and dishes were available in freeze-dried, canned, and fresh forms. For the first 60 days, a dietary supplement containing arabinogalactan (5 g) and lactoferrin (10 mg iron) was included in the diet. Dietary intake was assessed for the month preceding isolation, and during isolation, by analyzing individual food diaries completed daily by the participants. Gut microbiota composition was determined by culture method. Stool samples were collected 30 days before isolation and on days 14, 30, 60, 75, 90, and 120 during isolation.

Results. Dietary modification and enrichment with arabinogalactan and lactoferrin have contributed to an increase in the quantitative indicators of Bifidobacterium species, reaching normal values in all subjects by day 30, and had a preventive effect on clinical gastrointestinal symptoms in the subjects.

Conclusion. The study confirmed the effectiveness of dietary modification and the introduction of prebiotic components in optimizing the gut microbiome under isolation conditions. Despite the limited sample size, the data obtained support the feasibility of using this approach to prevent dysbiotic conditions in extreme and isolated conditions.

Keywords: arabinogalactan; lactoferrin; intestinal microbiota; containment

Питание человека является одним из ключевых факторов, определяющих физическое развитие, функционирование всех систем организма и адаптационные возможности. Роль питания в патогенезе ряда заболеваний, в том числе социально значимых, доказана и не вызывает сомнений. Другие состояния, возникающие в результате различных неблагоприятных воздействий на организм, в патогенезе которых питание не имеет ведущей роли, могут быть скорректированы, а в некоторых случаях и предотвращены модификацией рациона и введением специализированных пищевых продуктов или биологически активных добавок к пище (БАД). К таким состояниям можно отнести те, которые возникают вследствие нарушения состава кишечной микробиоты: метеоризм, нарушение частоты и характера стула, дисфункция иммунной системы.

Опыт изучения биоценоза кишечника у людей, находящихся в условиях длительной изоляции, показывает изменение массы и видового разнообразия кишечной микробиоты [1, 2]. Известно, что в период фазы острой адаптации к неблагоприятным условиям обитания (до 14 сут) происходит изменение микробного пейзажа кишечника, что влечет за собой появление симптомов, связанных с функциональными нарушениями работы желудочно-кишечного тракта. Установлено возникновение систематических дисбиотических сдвигов различной степени выраженности у всех членов экипажей, совершавших как кратковременные, так и длительные полеты в космическом пространстве [3, 4].

Результаты многочисленных исследований применения пищевых волокон в питании людей с целью нормализации функционирования желудочно-кишечного тракта демонстрируют положительный эффект как на клиническую симптоматику, так и на микробный пейзаж кишечника [5, 6]. Эффективность применения пробиотиков и пищевых волокон в питании людей заключается в снижении активности воспалительного процесса и апоптоза лимфоцитов периферической крови [7]. Результаты исследований зарубежных и отечественных ученых подтверждают, что лиственничный арабиногалактан, являющийся ферментируемым волокном, может выступать в качестве питательной среды для Lactobacilli и Bifidobacteria. Арабиногалактан служит благоприятным субстратом для симбионтных бактерий в толстой кишке, что, в свою очередь, способствует снижению роста болезнетворных микроорганизмов [8, 9].

В связи с этим целью исследования стало изучение структуры питания людей, находящихся в условиях длительной изоляции в гермообъекте с искусственной средой обитания, и влияния дополнительного приема БАД с пищевыми волокнами на состав микробиоты кишечника.

Задачи исследования:

- разработка рациона для людей, находящихся в условиях длительной изоляции в гермообъекте с искусственной средой обитания;

- анализ питания до и во время изоляции;

- оценка эффективности приема БАД с арабиногалактаном и лактоферрином по изменениям количественного состава кишечной микробиоты.

Материал и методы

Исследование включено в научную программу 360-суточного изоляционного проекта "SIRIUS", проводимого на базе ФГБУН ГНЦ РФ - ИМБП РАН, рассмотрено и одобрено Комиссией по биомедицинской этике ФГБУН ГНЦ РФ - ИМБП РАН. Все участники дали информированное согласие на участие исследовании.

Исследование проводили в условиях изоляции в гермообъекте с искусственной средой обитания с участием практически здоровых 4 женщин и 2 мужчин в возрасте от 26 до 37 лет.

Рацион для испытателей был разработан при содействии ФГБУН "ФИЦ питания и биотехнологии" в соответствии с российско-американским соглашением от 26 января 1996 г. "Нормы по приему питательных веществ для экипажей, пребывающих на Международной космической станции до 360 суток" [Nutritional requirements for International Space Station (ISS) missions up to 360 days. Report № JSC-28038, 1996], на основании которых формируются рационы питания для экипажей Международной космической станции. Потребность в энергии с пищей рассчитывали в зависимости от пола, возраста и массы тела на основании максимальных значений 2900-3000 ккал. Соотношение белков, жиров и углеводов составляет 12-15 : 30-35 : 50-55% по калорийности соответственно. Рассчитанное для испытателей меню представляло собой 14-суточный цикл с включением всех основных групп пищевых продуктов. Питание осуществлялось 4 раза в день: 3 основных приема пищи и 1 перекус. Пищевые продукты и блюда были представлены в сублимированном, консервированном и свежем виде. Время приема пищи устанавливали сами испытатели. Пример меню одного дня приведен в табл. 1. Энергетическая ценность рассчитанного рациона составила 2900 ккал, соотношение белков, жиров, углеводов - 15:30:55% соответственно. Все 6 испытателей принимали в течение первых 60 сут в завтрак по 1 саше БАД, имеющей в своем составе 5 г арабиногалактана из древесины лиственницы и железосодержащий полифункциональный белок коровьего молока лактоферрин с содержанием 10 мг железа. Содержимое саше испытатели предварительно растворяли в 150 мл воды. По условиям исследования весь период испытуемые не должны были принимать антибиотики, а также лекарственные препараты и БАД, влияющие на микробиом кишечника.

Фактическое питание оценивали 2 методами. Однократно частотным методом за 1 мес, предшествующий изоляции, при помощи компьютерной программы "Оптимальное питание" (Свидетельство о государственной регистрации программы ЭВМ RU 2018665829). В ходе изоляции проводили путем анализа ежедневно заполняемых испытателями индивидуальных пищевых дневников. Для этой цели авторами была выполнена модификация этой программы, что позволило в автоматическом режиме обобщать информацию из заполненных испытателями пищевых дневников. В базу пищевых продуктов и блюд компьютерной программы были внесены данные только о тех пищевых продуктах и блюдах, которые составляли рацион испытателей. Информация о пищевой (белки, жиры, углеводы) и энергетической ценности была взята из сопровождающей документации к пищевым продуктам, предназначенным для испытателей.

Состав микробиоты кишечника определяли культуральным методом. Отбор проб кала проводили 1 раз за 30 сут до изоляции и на 14, 30, 60, 75, 90, 120-е сутки во время изоляции. Промежуточные точки отбора проб для исследований обусловлены: на 14-е сутки - окончанием фазы острой адаптации, на 75-е сутки - спустя 2 нед после окончания приема БАД.

Статистическую обработку данных проводили с применением парного t-критерия Стьюдента, являющегося стандартным методом для анализа динамики показателя в малых зависимых выборках.

Результаты и обсуждение

В ходе проведенного исследования была выполнена комплексная оценка структуры и энергетической ценности рациона питания испытателей в 2 ключевых периода: за месяц до изоляции (фоновые значения) и в течение изоляционного периода, моделирующего условия космической экспедиции дальних межпланетных полетов. Полученные данные позволяют сделать ряд существенных выводов относительно особенностей питания в условиях ограниченного пространства и сниженной физической активности, а также соотнести выявленные тенденции с общепопуляционными пищевыми привычками.

Анализ фоновых данных продемонстрировал, что до начала изоляции энергетическая ценность рациона составляла в среднем 3000 ккал/сут у мужчин и 2000 ккал/сут у женщин, а соотношение белков, жиров, углеводов по калорийности составило соответственно у мужчин 13:40:47% и у женщин 17:49:34%. У всех испытателей в структуре рациона до начала изоляции отмечено увеличение доли жиров более 35% и уменьшение доли углеводов менее 50%, доля белка соответствовала нормальным значениям у 4 человек, у 2 женщин доля белка превышала рекомендуемые значения. Аналогичное перераспределение в структуре потребления основных пищевых веществ прослеживается и в целом у населения России. Изучение изменений в питании за прошедшие 100 лет показало, что отмечается уменьшение в рационе пищевых продуктов, являющихся источником сложных углеводов, и увеличение потребления пищевых продуктов животного происхождения, содержащих большое количество жиров [10].

В период изоляции наблюдалось достоверное снижение энергетической ценности рациона - до 2082 ккал/ сут у мужчин и 1531 ккал/сут у женщин - за счет преимущественного ограничения продуктов, богатых углеводами (крупяных блюд, галет, повидла, шоколада). При этом потребление продуктов, содержащих белки и жиры животного происхождения, сохранялось на достаточно высоком уровне, что позволило избежать критического снижения поступления этих нутриентов. Таким образом, было показано, что, ориентируясь на предложенное меню, испытатели сокращали энергетическую ценность рациона, преимущественно ограничивая в своем питании содержащие углеводы продукты. В результате соотношение белка, жиров и углеводов изменилось и составило 17:35:48% у мужчин и 19:36:44% у женщин, что свидетельствует о частичной коррекции исходного дисбаланса макронутриентов по сравнению с фоновыми показателями. Несмотря на сохраняющееся превышение доли жиров относительно оптимальных рекомендаций, динамика показателей указывает на положительную тенденцию к нормализации структуры рациона в рамках заданных ограничений.

Установлено, что фактическая суточная потребность в энергии у испытуемых в условиях изоляции была ниже расчетных значений, что обусловлено в том числе сниженным уровнем двигательной активности из‑за ограничения жилого и рабочего пространства. Это подтверждает необходимость дифференцированного подхода к расчету энергетических потребностей в условиях модельных космических экспедиций, где традиционные формулы могут давать завышенные оценки. У 2 участников с избыточной массой тела (индекс массы тела 26,9 кг/м² у мужчины и 25,6 кг/м² у женщины) целенаправленное снижение энергетической ценности рациона привело к уменьшению массы тела на 8 и 4 кг соответственно; у остальных членов экипажа статистически значимых изменений массы тела не зафиксировано, что отражает индивидуальные различия в метаболических реакциях на изменение рациона и уровня энергозатрат. Особого внимания заслуживает и тот факт, что даже частичное следование принципам оптимального питания, заложенным в предложенном меню, позволило добиться значимых изменений в структуре рациона. Это подчеркивает важность грамотного планирования питания в изолированных условиях, где возможности коррекции рациона ограничены, а последствия несбалансированного питания могут оказывать существенное влияние на работоспособность и состояние здоровья людей.

По результатам микробиологических исследований биоматериала, выполненных культуральным методом, была продемонстрирована положительная динамика состава кишечной микробиоты на фоне изменения рациона и обогащения его с помощью БАД, содержащей арабиногалактан и лактоферрин. Ключевым показателем эффективности проведенных мероприятий выступило нарастание в фекалиях количественных показателей представителей рода Bifidobacterium с достижением референсных значений (10⁸-10¹⁰ КОЕ/г) у всех 6 испытателей к 30-м суткам исследования (табл. 2).

Исходные данные свидетельствовали о дефиците бифидобактерий у 5 из 6 участников до начала изоляции - их уровни не достигали установленных референсных границ. В фазе острой адаптации (на 14-е сутки) статистически значимых изменений в составе микробиоты не выявлено (p=1,0), что может отражать период стабилизации микробиоценоза в новых условиях. Начиная с 30-х суток зафиксировано статистически значимое повышение содержания Bifidobacterium (p<0,05) относительно исходного уровня; данный эффект сохранялся вплоть до 120-х суток включительно. Максимальная достоверность изменений среднего показателя отмечена на 30-е и 75-е сутки (p=0,007), что подтверждает устойчивость наблюдаемой динамики. Средний прирост содержания представителей рода Bifidobacterium составил 1,3-1,5 lg КОЕ/г, что свидетельствует о выраженной положительной реакции микробиоты на применяемые интервенции.

Выявленный пролонгированный эффект обусловлен, вероятно, совокупным действием 2 факторов: во‑первых, пребиотическим потенциалом арабиногалактана, стимулирующего рост и метаболическую активность бифидобактерий; во‑вторых, модификацией рациона по соотношению основных пищевых веществ, создающей благоприятные условия для сохранения достигнутого баланса кишечной микробиоты. Кроме того, лактоферрин, входящий в состав БАД, мог оказывать дополнительное модулирующее влияние за счет своих иммуномодулирующих и антимикробных свойств, способствуя селективному преимуществу симбиотических микроорганизмов.

Заключение

Проведенное исследование позволило выявить особенности структуры рациона и их потенциальное влияние на состояние кишечной микробиоты у испытателей в разные периоды исследования. Анализ питания до изоляции в гермообъекте продемонстрировал неоптимальное соотношение основных пищевых веществ: отмечалось увеличение квоты жиров и белка за счет снижения доли углеводов. Такая структура рациона потенциально способна оказывать негативное воздействие на количественный и качественный состав кишечной микробиоты, поскольку углеводы, в особенности сложные и пищевые волокна, служат основным субстратом для ферментативной активности симбиотических микроорганизмов (в том числе бифидо- и лактобактерий), продуцирующих короткоцепочечные жирные кислоты - важные регуляторы метаболических и иммунных процессов в организме.

В период изоляции питание исследователей было модифицировано в соответствии с предложенным меню, ориентированным на приближение к оптимальным пропорциям макронутриентов. В результате соотношение белка, жиров и углеводов в рационе испытателей характеризовалось меньшими отклонениями от рекомендуемых значений по сравнению с фоновым периодом. Это свидетельствует о том, что даже в условиях ограниченного ассортимента продуктов и специфики изолированной среды возможно достижение более сбалансированной структуры питания, способствующей поддержанию физиологических функций организма и стабильности микробиотического профиля.

Корректировка рациона сопровождалась также целенаправленным обогащением его биологически активными компонентами, в частности применением БАД с арабиногалактаном и лактоферрином, что, как было показано в микробиологических исследованиях, способствовало положительной динамике количественных показателей представителей рода Bifidobacterium и достижению референсных значений у всех участников к 30-м суткам исследования. Таким образом, комплексный подход, сочетающий оптимизацию соотношения пищевых веществ и дополнительное введение пребиотических и иммуномодулирующих компонентов, продемонстрировал свою эффективность в поддержании микробиотического баланса в стрессовых условиях изоляции. В малой группе из 6 человек был зафиксирован достоверный положительный сдвиг уровня бифидобактерий в период изоляции, несмотря на стрессорные факторы, связанные с изменением условий жизнедеятельности. Учитывая потенциальную роль бифидобактерий в поддержании барьерной функции кишечника, модуляции иммунного ответа и метаболической активности микробиома, наблюдаемая нормализация их количественных показателей могла иметь профилактическое значение в отношении развития дисбиотических состояний и клинической симптоматики со стороны желудочно‑кишечного тракта.

Полученные данные подчеркивают важность учета не только энергетической ценности рациона, но и его качественного состава при организации питания в изолированных и экстремальных условиях. Смещение баланса в сторону избыточного потребления жиров и белков при дефиците углеводов может создавать предпосылки для развития дисбиотических изменений, тогда как рациональная коррекция структуры питания и включение специализированных добавок позволяют минимизировать эти риски.

Следует отметить, что полученные результаты носят предварительный характер ввиду ограниченного объема выборки. Тем не менее они позволяют обосновать целесообразность обогащения рациона лиц со сниженными количественными показателями представителей рода Bifidobacterium в содержимом толстой кишки пищевыми волокнами, в том числе посредством включения в питание БАД с арабиногалактаном и лактоферрином. Такой подход может способствовать не только нормализации состава кишечной микробиоты, но и сохранению достигнутого эффекта в течение продолжительного времени, что особенно актуально в условиях длительных изолированных экспедиций, при изменении привычного режима питания или под воздействием иных факторов, потенциально нарушающих микробиотический баланс.

Практическая значимость результатов заключается в возможности использования разработанных подходов к формированию рационов для длительных экспедиций (в том числе космических, полярных, подводных), а также для групп населения, испытывающих ограничения в выборе продуктов или подверженных воздействию стрессорных факторов. Оптимизация соотношения макронутриентов в сочетании с целенаправленным введением функциональных компонентов может стать эффективным инструментом профилактики нарушений микробиоты и поддержания здоровья в сложных условиях жизнедеятельности.

Перспективными направлениями дальнейших исследований представляются расширение выборки участников, включение молекулярно‑генетических методов оценки микробиоты, включая метагеномный анализ, для более детальной характеристики изменений микробиоценоза, а также мониторинг клинических и биохимических показателей, позволяющих оценить функциональное влияние коррекции микробиоты на общее состояние здоровья обследованных.

References

1. Ilyin V.K., Orlov O.I., Rykova M.P., Komissarova D.V., Usanova N.A., Antropova E.N., et al. Composition of microflora and the state of the system of signaling pattern-recognition receptors of the Toll-like cellular factors family of innate immunity during 120-day isolation in a sealed facility with an artificial habitat. Zhurnal mikrobiologii, epidemiologii i immunobiologii [Journal of Microbiology, Epidemiology and Immunobiology]. 2021; 98 (1): 36–45. DOI: https://doi.org/10.36233/0372-9311-95 (in Russian)

2. Mardanov A.V., Babykin M.M., Beletsky A.V., Grigor’ev A.I., Zinchenko V.V., Kadnikov V.V., et al. Metagenomic analysis of the dynamics of changes in the gut microbiome composition of participants in the MARS-500 experiment simulating a long-term space flight. Acta Naturae. 2013; 5 (3): 120–9. (in Russian)

3. Ilyin V.K., Kiryukhina N.V. Syndrome of impaired colonization resistance in humans in an artificial habitat and its prevention. Acta Naturae. 2014; 6 (2): 11–20. (in Russian)

4. Ilyin V.K., Usanova N.A., Komissarova D.V. Studies of the microflora of professional testers and volunteers in hermetically sealed chamber experiments lasting up to 20 days. Aviakosmicheskaya i Ekologicheskaya Meditsina [Aerospace and Environmental Medicine]. 2021; 55 (3): 57–61. DOI: https://doi.org/10.21687/0233-528X-2021-55-3-57-61 (in Russian)

5. Bordin D.S., Indeykina L.Kh., Vinnitskaya E.V. Lactulose: advantages and place of the drug in clinical guidelines. Effektivnaya farmakote­rapiya [Effective Pharmacotherapy]. 2023; 19 (35): 42–9. DOI: https://doi.org/10.33978/2307-3586-2023-19-35-42-49 (in Russian)

6. Batista J.J., da Silva M.F., González A., Silva S.P., Coelho E., et al. Parkia pendula pod exudate polysaccharide: structural characterization and impact on human gut microbiota. Int J Biol Macromol. 2026; 375: 153274. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2026.153274

7. Trushina E.N., Riger N.A., Mustafina O.K., Timonin A.N., Solntseva T.N., Zilova I.S., et al. Multi-strain probiotic in complex with dietary fiber is an effective factor in nutritional support of immunity in athletes. Voprosy pitaniia [Problems of Nutrition]. 2024; 93 (2): 19–30. DOI: https://doi.org/10.33029/0042-8833-2024-93-2-19-30 (in Russian)

8. Pristavka A.A., Yurinova G.V., Mikhaylenko V.L., Sigova A.A., Orlova A.A., Salovarova V.P. Prebiotic properties of arabinogalactans: the role of dihydroquercetin and the molecular weight of the heteropolysaccharide. Izvestiya Irkutskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Biologiya. Ekologiya [Bulletin of Irkutsk State University. Series: Biology. Ecology. 2024; 50: 28–38. DOI: https://doi.org/10.26516/2073-3372.2024.50.28 (in Russian)

9. Rasoulimehrabani H., Khadem S., Hodžić A., Philipp M., Gallo R., Nikolov G., et al. Evaluating the prebiotic activity of arabinogalactan on the human gut microbiota using 16S rRNA gene sequencing and Raman-activated cell sorting. Microbiome Res Rep. 2025; 4 (3): 30. DOI: https://doi.org/10.20517/mrr.2025.29

10. Burlyaeva E.A., Kambarov A.O., Nikityuk D.B. Changes in the nutritional structure of the Russian population over 100 years. Klinicheskoe pitanie i metabolism [Clinical Nutrition and Metabolism]. 2020; 1 (1): 17–26. DOI: https://doi.org/10.17816/clinutr21188 (in Russian)

All articles in our journal are distributed under the CC BY-NC-ND 4.0 (Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International)

© GEOTAR-Media Publishing Group. The use of textual and illustrative content from this publication for the training of any artificial intelligence systems - including machine learning models and neural networks - is strictly prohibited without the prior written consent of the copyright holder.