Микробиота кишечника - ключ к пониманию последствий воздействия микро(нано)пластиков и их биодеградации на здоровье человекаМикробиота кишечника - ключ к пониманию последствий воздействия микро(нано)пластиков и их биодеградации на здоровье человека
На протяжении десятилетий использование пластмассы было популярно в промышленности и в быту и стало незаменимым во всех сферах человеческой деятельности.
Поэтому за последние 25 лет производство пластмасс утроилось, и в 2020 году мировое производство достигло 367 миллионов тонн, причем 55 миллионов тонн произведено в Европе, а примерно треть от общего объема - в Китае.
Пластиковые отходы состоят из многочисленных типов полимеров с различной степенью износа, формой и размером, которые также могут распадаться на более мелкие частицы посредством физических, химических, биологических механизмов и/или их комбинации. Размер является одним из наиболее используемых критериев для классификации пластиковых отходов в связи с их экологической значимостью, обычно их делят на три основные группы: макро- (>25 мм), мезо- (от 5 до 25 мм) и микропластик (МП < 5 мм). Поскольку данных о взаимодействии нанопластика (НП) с организмом человека практически нет, для целей данного обзора мы используем объединенный термин - микро(нано)пластик (МНП).
С учетом происхождения частицы можно разделить на первичные МНП, когда они намеренно изготовлены (потребительские товары), и вторичные МНП, когда они попадают в окружающую среду в результате медленной фрагментации/деградации более крупных пластиков. В настоящее время преобладающими видами полимеров являются пластмассы на основе ископаемого топлива и менее 1% - биоразлагаемые; из почти 370 миллионов тонн пластмасс, производимых ежегодно, лишь небольшая часть (≈1%) производится на биооснове.
Из-за присущих им характеристик, особенно высокой молекулярной массы и высокой кристалличности, пластмассы разлагаются и накапливаются в многочисленных формах в окружающей среде, что может вызвать серьезные глобальные проблемы загрязнения, негативно влияя на организмы, почву и воду. Кроме того, пластики/МНП содержат различные добавки и могут адсорбировать металлы и стойкие органические загрязнител. Более того, из-за своего гидрофобного характера, твердых свойств и сильной плавучести МНП являются потенциальными переносчиками микроорганизмов и/или патогенов в океанах и естественных микробных средах.
Эти загрязнители могут быть перенесены в организмы и биологические ткани после проглатывания пластика, что недавно было подтверждено, особенно для пластика в форме МНП. Первоначально считалось, что воздействие МНП на морскую биоту является проблемой загрязнения морской среды. Однако за последнее десятилетие исследования МНП быстро развивались: МНП были обнаружены в пресной воде, снеге, льду, воздухе и даже в океанских брызгах, в то время как почва и наземная биота соответствуют более позднему направлению исследований. В настоящее время МНП обнаружены во всех исследованных экосистемах окружающей среды и в очень широком спектре морских и наземных видов, включая человека.
Основная проблема, связанная с МНП в окружающей среде, включает их потенциальное попадание в пищевую цепь и рацион питания, как для обеспечения продовольственной безопасности, так и для оценки риска для здоровья человека. Однако остается малоизученным вопрос о том, могут ли ежедневные количества МНП, попадающие в организм человека, играть важную роль в здоровье человека и будущего сообщества, и может ли взаимодействие между МНП и связанными с ними химическими/биологическими загрязнителями вызвать эффект биомагнификации. Все больше доказательств существования биоаккумуляции МНП в пищеварительном тракте различных организмов, причем присутствие МНП обнаружено в фекалиях водных организмов и организмов высокого трофического уровня, а также в фекалиях человека, свидетельствуют о связи между МНП и микробиотой кишечника человека и ее влиянии на здоровье.
Помимо рассмотрения неблагоприятных биологических последствий, исследователи также уделяют внимание микробным сообществам и микробиомам кишечника как потенциальным будущим биоинструментам для восстановления пластиковых отходов. По оценкам, только 21% пластика перерабатывается или сжигается; остальное попадает на свалки или в природную среду. Кроме того, разнообразие типов полимеров, загрязнение поверхности и низкая плотность материала (материалов) после потребителя еще больше ограничивают возможности их вторичной переработки. Таким образом, все больший интерес вызывают различные биотехнологические решения для биодеградации пластика с участием микроорганизмов и их полимер-активных ферментов, а также микробных сообществ кишечника. На данный момент очень важно оценить, влияет ли кишечная микробиота человека на состав и структуру проглоченного МНП, которые могут модифицировать и определять характеристики частиц, изменяя их конечные биологические эффекты.
Хотя в последнее время появились обзоры о взаимодействии пластмасс с микроорганизмами и микробиомами окружающей среды, существует лишь несколько отчетов с точки зрения микробиома кишечника и потенциального риска этих взаимодействий для физиологии и здоровья человека. Поэтому данный обзор, проиллюстрировав основные достижения и знания о пищевом воздействии МНП, направлен на интеграцию современных исследований МНП и их взаимодействия с микробиотой кишечника на двух уровнях: (1) рассмотрение влияния пищевых частиц МНП на микробиоту желудочно-кишечного тракта и здоровье человека и (2) описание возможного влияния микробиоты кишечника на биотрансформацию МНП с указанием предполагаемых последствий для человека.
Преобладающие научные данные показали, что после перорального воздействия МНП оказывают негативное влияние на микробиоту кишечника в широком диапазоне водных и наземных животных, способствуя дисбиозу кишечника, нарушению метаболических функций и воспалительной среде кишечника, а также системным эффектам в организме человека, долгосрочные последствия которых пока не ясны. Таким образом, нарушение микробиоты кишечника может быть важным биомаркером для токсикологической оценки МНП.
До сих пор нет четкой связи между микробной деградацией МНП и микробиотой кишечника человека в отношении конкретных экологических преимуществ и биологического значения; однако дополнительные исследования в физиологически значимых продвинутых моделях in vitro показывают, что МНП подвергаются фрагментации и биотрансформации во время пищеварительного транзита, что предполагает, что члены микробиоты кишечника человека, а также полученные из них мелкие частицы и высвобожденные добавки синергически могут усиливать неблагоприятные физиологические эффекты МНП. Поэтому расшифровка степени диверсификации микроорганизмов кишечника, основных видов МНП, специфических механизмов и биологических последствий станет важной для понимания нашего ответа на воздействие МНП через питание.
МНП могут оставаться в толстой кишке, приводя к длительному и низкоуровневому воспалению. Нарушение микробиоты кишечника приведет к усилению дисфункции кишечного барьера, повышению проницаемости кишечника и иммунотоксичности. Впоследствии бактерии кишечника и их продукты могут попасть в системную циркуляцию и вызвать повреждение тканей и органов. Нарушение целостности кишечного барьера, вызванное условно-патогенными микроорганизмами, позволяет провоспалительным метаболитам, таким как бактериальные липополисахариды (ЛПС), проходить через кишечник, тем самым инициируя проксимальное повреждение других органов.
Слизь является первым слоем в желудочно-кишечном тракте, с которым взаимодействуют инородные частицы. Среди факторов, влияющих на слизистый барьер, микробиом играет важную роль в изменении слизи. Кишечные бактерии колонизируют слой слизи, используя питательные вещества, получаемые из слизи, и взаимодействуют с ней. Дисбиоз кишечника может изменить толщину слоя слизи и вызвать аномальную инвазию слизи и эпителиальную адгезию патогенов, или даже позволить МНП взаимодействовать непосредственно с эпителиальным слоем и разрушать эпителий кишечника, изменяя микросреду кишечника.
Связанные со слизью бактериальные биопленки могут играть определенную роль в этих нарушениях. Согласно ограниченным исследованиям in vivo, МНП остаются прикрепленными к слою кишечной слизи и вступают в прямой контакт с апикальной частью эпителиальных клеток кишечника, что приводит к локальному воспалению и токсичности кишечного барьера. В других исследованиях подчеркивается возможность того, что МНП могут косвенно выступать в качестве переносчиков потенциальных оппортунистических патогенов, ассоциированных с биопленкой, и генов резистентности к антибиотикам в кишечнике человека. Кроме того, была высказана мысль о возможности выступать в качестве переносчика грибков и вирусов. Однако вопрос о том, конкурируют ли МНП и прикрепленные к ним микроорганизмы за ресурсы в кишечнике, остается неизученным. Кроме того, взаимосвязь между изменениями структуры слизи и повреждениями при заболеваниях требует дальнейшего изучения.
Что касается транслокации МНП из желудочно-кишечного тракта в кровеносную систему и другие отделы организма, предварительные исследования с использованием клеток человека и грызунов показали системное воздействие МНП путем биораспределения и накопления в различных органах, включая печень, почки, плаценту и мозг. Мелкие пластиковые частицы (<10 мкм) могут подвергаться абсорбции эпителием кишечника и системному биораспределению по органам после воздействия. Поверхностные заряды также играют преобладающую роль в гибели клеток, вызванной взаимодействием МНП с клетками кишечника, что позволяет предположить, что МНП с различными свойствами могут проходить различные пути интернализации, которые приводят к различным токсическим эффектам.
Интернализация через М-клетки и парацеллюлярная персорбция в кишечнике - наиболее вероятные механизмы, лежащие в основе поглощения МНП. Такие клетки относятся к слизисто-ассоциированным лимфоидным тканям и переносят крупные структуры (антигены, бактерии и вирусы) к иммунной системе. Однако данные об эффективности кишечного барьера в транслокации различных физико-химических атрибутов частиц и форм ограничены и противоречивы. Более того, большинство исследований, о которых сообщалось до сих пор, посвящены нетронутым частицам, без учета воздействия процессов пищеварения и/или влияния химических или микробных загрязнителей. Точные пути поступления МНП в клетки, накопление МНП в тканях и потенциальные негативные последствия после длительного воздействия МНП на человека неизвестны. Судьба и транспорт МНП после попадания в организм через абсорбцию и экскрецию также неясны. Пластиковые частицы (≥700 нм) биодоступны для всасывания в кровь человека. Выведение МНП с мочой происходит медленно, хотя НП выводились через мочу у мышей.
Поскольку геном микроорганизмов наделяет их метаболическими возможностями, превышающими возможности только организма хозяина, делая микробиом кишечника активным участником физиологии хозяина, потенциальные биологические/клинические последствия, связанные с взаимодействием МНП и микробиоты, заслуживают большого внимания. Несмотря на скудость сообщений, имеющих прямое отношение к человеку, недавно в когорте пациентов с воспалительными заболеваниями кишечника (ВЗК) были получены данные о положительной корреляции между концентрацией МНП в кале и тяжестью воспалительного процесса в кишечнике.
В кале этих пациентов было обнаружено повышенное количество различных типов МНП, что указывает на то, что нарушения важнейших функций кишечника, вызванные попаданием в организм МНП, такие как изменение микробиоты, могут в долгосрочной перспективе способствовать возникновению иммуноопосредованных воспалительных заболеваний. Кроме того, изменения в микробных сообществах, вызванные воздействием МНП, могут повлиять на физиологический гомеостаз, способствуя восприимчивости к заболеваниям других органов, вероятнее всего, к сердечно-сосудистым и метаболическим нарушениям, воспалению и неврологическим заболеваниям.
Восприимчивость к ожирению тесно связана с дисбалансом микроорганизмов в кишечнике, и среди механизмов потенциального ожиряющего действия МНП сообщается об индукции эпигенетических изменений в жировой ткани и индукции дисбиоза микробиома кишечника. В недавно проведенном доказательном исследовании оценивалось контаминация МНП в образцах печени пациентов, страдающих циррозом; было обнаружено восьмикратное увеличение контаминации пластиком у пациентов с заболеваниями печени по сравнению с контрольным образцом и образцами печени здоровых людей.
Воздействие на органы, которые первыми вступают в контакт с проглоченными частицами, - кишечник и печень - было дополнительно подтверждено на мышах, где нарушение работы печени было связано с микробиотой кишечника. Аналогичным образом, МНП могут проникать через гематоэнцефалический барьер, накапливаться в мозге и проявлять нейротоксичность. Поскольку между кишечником и мозгом существует связь, сообщалось о связи между ежедневным воздействием МНП в пренатальный и ранний постнатальный периоды и развитием расстройства аутистического спектра. Наконец, поскольку ингаляция является еще одним значимым источником воздействия МНП, совместное изучение воздействия МНП на назальную и кишечную микробиоту представляет собой еще одну проблему для здоровья человека как в целом, так и среди населения с высоким уровнем воздействия.
Возможность того, что вызванный МНП дисбиоз приводит к изменению метаболитов и метаболизма микробиоты человека, и его рассмотрение в качестве косвенного механизма токсического воздействия МНП на микробиоту кишечника - еще один важный вопрос, который ранее не рассматривался. Таким образом, изучение опосредованной микробиотой кишечника модификации МНП может дать нам новые представления о биологической активности МНП при изучении их неблагоприятного воздействия.
Хотя необходимо провести еще много исследований, все больше данных in vitro и in vivo указывают на то, что микробиом кишечника является ключевой проблемой для выявления связей между МНП и здоровьем человека, что также подразумевает здоровье окружающей среды и его связь с привычками человека. Микробиом кишечника влияет на хозяина и может также влиять на биоаккумуляцию МНП в организме человека; поэтому необходимо оценить степень поступления МНП в организм и их метаболическую судьбу, что требует детального знания многочисленных видов пластмасс в реальных условиях жизни человека, т.е. состава материала, размера, формы, свойств поверхности, уровней и количества воздействия и, наконец, их способности всасываться в кишечнике и вызывать системную токсичность в организме человека.
Ожидается, что наше понимание сложной взаимосвязи между МНП, микробиомом и хозяином будет развиваться благодаря новым системам моделирования, разработке и совершенствованию технологий, а также исследованиям, направленным на вклад в здоровье человека и микробный метаболизм и в конечном итоге связанным с устойчивыми продовольственными системами и здоровьем планеты.
