Коррекция нарушений микробиоты кишечника

Бурляева Екатерина Александровна; Никитина Ксения Сергеевна; Усанова Нонна Альбертовна; Ильин Вячеслав Константинович; Агуреев Александр Никитович; Белаковский Марк Самуилович

Резюме

Воздействие различных факторов окружающей среды и изменение питания могут проявляться дисбиотическими нарушениями различной степени выраженности у всех членов экипажей, совершавших как кратковременные, так и длительные полеты в космическом пространстве. Особое значение имеет период фазы острой адаптации к неблагоприятным условиям обитания (до 14 сут), в который происходит изменение микробного пейзажа кишечника, что влечет за собой появление симптомов, связанных с функциональными нарушениями работы желудочно-кишечного тракта.

Целью исследования стало изучение влияния обогащенного пищевыми волокнами рациона на количественный состав микробиоты кишечника людей, находящихся в условиях длительной изоляции в гермообъекте с искусственной средой обитания.

Материал и методы. В исследовании приняли участие 6 практически здоровых добровольцев (4 женщины и 2 мужчины в возрасте от 26 до 37 лет). В течение 120-суточной изоляции в гермообъекте с искусственной средой обитания рацион питания формировали из специализированных пищевых продуктов, предназначенных для питания космонавтов, и пищевых продуктов промышленного производства, схожих с ними по пищевой ценности и способам производства. Энергетическая ценность рациона составила 2900 ккал/сут, соотношение белков, жиров, углеводов - 15:30:55% по калорийности соответственно. 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. В течение первых 60 сут в рацион включали биологически активную добавку к пище, содержащую арабиногалактан (5 г) и лактоферрин (10 мг железа). Оценку фактического питания проводили за 1 мес, предшествующий изоляции, а в ходе изоляции - путем анализа ежедневно заполняемых испытателями индивидуальных пищевых дневников. Состав микробиоты кишечника определяли культуральным методом. Отбор проб кала проводили за 30 сут до изоляции и на 14, 30, 60, 75, 90, 120-е сутки во время изоляции.

Результаты. Коррекция рациона и его обогащение пищевым волокном арабиногалактаном и лактоферрином способствовали повышению количественных показателей представителей рода Bifidobacterium с достижением нормальных значений у всех испытателей к 30-м суткам и имели профилактическое действие в отношении клинической симптоматики со стороны желудочно-кишечного тракта у испытателей.

Ключевые слова: арабиногалактан; лактоферрин; микробиота кишечника; изоляция в гермообъекте

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.

Литература

1. Ильин В.К., Орлов О.И., Рыкова М.П., Комиссарова Д.В., Усанова Н.А., Антропова Е.Н. и др. Состав микрофлоры и состояние системы сигнальных образ-распознающих рецепторов семейства Toll-подобных клеточных факторов врожденного иммунитета во время 120-суточной изоляции в гермообъекте с искусственной средой обитания // Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2021. Т. 98. № 1. С. 36-45. DOI: https://doi.org/10.36233/0372-9311-95

2. Марданов А.В., Бабыкин М.М., Белецкий А.В., Григорьев А.И., Зинченко В.В., Кадников В.В., и др. Метагеномный анализ динамики изменений состава микробиома кишечника участников эксперимента "МАРС-500", имитирующего длительный космический полет // Acta Naturae. 2013. Т. 5, № 3 (18). С. 120-129.

3. Ильин В.К., Кирюхина Н.В. Синдром нарушения колонизационной резистентности человека в искусственной среде обитания и его профилактика // Acta Naturae. 2014. Т. 6. № 2 (21). С. 11-20.

4. Ильин В.К., Усанова Н.А., Комиссарова Д.В. Исследования микрофлоры профессиональных испытателей и волонтеров в гермокамерных экспериментах продолжительностью до 20 суток // Авиакосмическая и экологическая медицина. 2021. Т. 55. № 3. С. 57-61. DOI: https://doi.org/10.21687/0233-528Х-2021-55-3-57-61

5. Бордин Д. С., Индейкина Л. Х., Винницкая Е. В. Лактулоза: преимущества и место препарата в клинических рекомендациях // Эффективная фармакотерапия. 2023. Т. 19, № 35. С. 42-49. DOI: https://doi.org/10.33978/2307- 3586-2023-19-35-42-49

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. Vol. 375. Article ID 153274. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2026.153274

7. Трушина Э.Н., Ригер Н.А., Мустафина О.К., Тимонин А.Н., Солнцева Т.Н., Зилова И.С. и др. Мультиштаммовый пробиотик в комплексе с пищевыми волокнами - эффективный фактор нутритивной поддержки иммунитета у спортсменов // Вопросы питания. 2024. Т. 93, № 2. С. 19-30. DOI: https://doi.org/10.33029/0042-8833-2024-93-2-19-30

8. Приставка А.А., Юринова Г.В., Михайленко В.Л., Сигова А.А., Орлова А.А., Саловарова В.П. Пребиотические свойства арабиногалактанов: роль дигидрокверцетина и молекулярной массы гетерополисахарида // Известия Иркутского государственного университета. Серия: Биология. Экология. 2024. № 50. С. 28-38. DOI: https://doi.org/10.26516/2073-3372.2024.50.28

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. Vol. 4, N 3. Р. 30. DOI: https://doi.org/10.20517/mrr.2025.29

10. Бурляева Е.А., Камбаров А.О., Никитюк Д.Б. Изменение структуры питания населения России за 100 лет // Клиническое питание и метаболизм. 2020. Т. 1, № 1. С. 17-26. DOI: https://doi.org/10.17816/clinutr21188

Материалы данного сайта распространяются на условиях лицензии CC BY-NC-ND 4.0 (Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International)

© ООО Издательская группа «ГЭОТАР-Медиа». Использование текстового и иллюстративного материала данного издания для обучения любых систем искусственного интеллекта, включая машинное обучение и нейросети, запрещено без письменного разрешения правообладателя.