Увеличение биоразнообразия микробиоты у детей, посещающих детские сады. Влияние на микробиом и иммунорегуляцию: исследование

Вмешательство, направленное на увеличение биоразнообразия микробиоты, у детей, посещающих детские сады. Влияние на комменсальный микробиом и иммунорегуляцию: рандомизированное контролируемое клиническое исследование

DOI: 10.1126/sciadv.aba2578

Поскольку заболеваемость иммуноопосредованными заболеваниями быстро возросла в развитых странах, существует неудовлетворенная потребность в новых профилактических методах борьбы с этими недугами. Это исследование представляет собой первое клиническое испытание на людях, в котором манипулировали городским экологическим биоразнообразием для изучения его влияния на комменсальный микробиом и иммунорегуляцию у детей. Авторы проанализировали изменения в микробиоте кожи и кишечника, а также в иммунных маркерах крови у детей во время 28-дневной интервенции, направленной на увеличение биоразнообразия. В качестве контрольных групп были использованы данные детей из обычных городских детских садов и детских садов, где активно используются природные элементы в образовательном процессе. Вмешательство диверсифицировало как экологические, так и кожные сообщества Gammaproteobacteria, что, в свою очередь, было связано с увеличением уровней TGF-β1 в плазме и доли регуляторных Т-клеток. Соотношение IL-10:IL-17A в плазме увеличилось у детей, участвовавших в интервенции, во время испытания. Результаты показывают, что интервенция, направленная на увеличение биоразнообразия, усиливает пути иммунорегуляции и стимулирует будущие профилактические подходы к снижению риска иммуноопосредованных заболеваний в городских обществах.

Введение

В последние десятилетия наблюдается значительный рост заболеваемости иммуноопосредованными заболеваниями, такими как аллергии, астма и аутоиммунные заболевания, особенно в развитых странах. Эта тенденция породила активные исследования в области понимания причин и механизмов, лежащих в основе этих заболеваний. Одной из ведущих гипотез является «гигиеническая гипотеза», которая предполагает, что снижение воздействия разнообразных микроорганизмов в раннем детстве нарушает нормальное развитие иммунной системы, делая ее более склонной к аллергическим и аутоиммунным реакциям. Городская среда, характеризующаяся ограниченным контактом с природой и низким биоразнообразием, может способствовать этому дисбалансу в иммунной системе.

Исследования показали, что воздействие окружающей среды, богатой микроорганизмами, особенно в раннем детстве, может способствовать развитию более толерантной и сбалансированной иммунной системы. Контакт с почвенными микробами, растительностью и животными может модулировать состав и функцию микробиоты кишечника и кожи, которые играют ключевую роль в обучении иммунной системы различать «свое» и «чужое». Увеличение разнообразия микробиоты ассоциируется с улучшением здоровья и снижением риска развития иммуноопосредованных заболеваний.

Учитывая растущую урбанизацию и ее потенциальное негативное влияние на иммунную систему детей, все большее внимание уделяется разработке стратегий для увеличения воздействия биоразнообразия в городской среде. Одним из перспективных подходов является внедрение мероприятий, направленных на увеличение биоразнообразия в детских садах и других учреждениях для детей. Эти мероприятия могут включать создание природных игровых площадок, посадку разнообразной растительности, организацию занятий на открытом воздухе и внедрение принципов экологического образования.

Несмотря на многообещающие результаты эпидемиологических и экспериментальных исследований, все еще не хватает клинических испытаний на людях, которые бы непосредственно оценивали влияние вмешательств, направленных на увеличение биоразнообразия, на иммунную систему и микробиоту детей. Необходимы исследования, которые могли бы определить, как манипулирование городской средой с целью повышения биоразнообразия может повлиять на состав и функцию микробиоты, а также на иммунные маркеры, связанные с иммунной регуляцией.

Цель данного исследования: Оценить влияние 28-дневной интервенции, направленной на увеличение биоразнообразия в детских садах, на состав и функцию микробиоты кожи и кишечника, а также на иммунные маркеры крови у детей. Авторы стремились определить, может ли такое вмешательство способствовать усилению иммунорегуляции и развитию микробиоты, ассоциированной со здоровьем.

Материалы и методы

Для достижения поставленной цели было проведено рандомизированное контролируемое клиническое испытание с участием детей, посещающих детские сады в городской среде.

Дети были случайным образом распределены — 75 детей в возрасте 3–5 лет из 10 детских садов, разделённых на три группы:

• 4 детских сада с интервенцией (36 детей), где часть гравийных площадок была покрыта лесным слоем (100 м²) и дерном (200 м²), а также были добавлены цветочные горшки и торфяные блоки.
• 3 стандартных детских сада (16 детей) с обычными гравийными площадками без изменений.
• 3 детских сада с природной ориентацией (23 детей), где дети ежедневно посещали близлежащие леса.

Интервенция:

В интервенционных детских садах дети взаимодействовали с природными материалами (лесной подстилкой, дерном, растениями) во время организованных и свободных игр на улице по 0,5–2 часа дважды в день (в среднем 1,5 часа на улице).

Отбор и исключения:

Из анализа микробиоты кишечника и иммунных параметров исключались дети, принимавшие антибиотики, пробиотики или медикаменты (всего 5 детей).

Сбор данных:

• Пробы кожи и кала для анализа микробиоты.
• Кровь для измерения уровней цитокинов (IL-10, IL-17A, TGF-β1) и частоты регуляторных Т-клеток (Treg) с помощью проточной цитометрии.
• Анализ микробиоты почвы в детских садах.

Методы анализа:

• Секвенирование 16S рРНК для оценки бактериального состава и разнообразия.
• Статистический анализ с использованием PERMANOVA, ANCOVA, парных t-тестов и моделей линейных смешанных эффектов для выявления изменений в микробиоте и иммунных показателях.
• Сравнение до и после 28-дневного периода интервенции.

Гипотезы:

Предполагалось, что обогащение биоразнообразия в окружающей среде повысит разнообразие комменсальной микробиоты кожи и кишечника, что будет связано с улучшением иммунной регуляции (повышением IL-10, Treg и снижением IL-17A).

Таким образом, исследование представляло собой контролируемое вмешательство с экологическим изменением среды в детских садах, с последующим комплексным анализом микробиоты и иммунных маркеров у детей до и после 28-дневного периода воздействия.

Результаты

Вмешательство модифицировало микробиоту поверхностной почвы на территории детских садов

В исследование были включены десять детских садов в двух городах Финляндии (Лахти и Тампере), население каждого из которых превышает 100 000 жителей. Три из них были детскими садами, ориентированными на природу, которые служили положительным контролем (участники исследования, n = 23). Каждый из стандартных городских детских садов имел территорию площадью около 500 м2 с небольшим количеством зеленых насаждений или без них. В четырех из этих детских садов, далее именуемых «детские сады вмешательства», авторы покрыли часть гравия лесной подстилкой (100 м2) и дерном (200 м2) (участники исследования, n = 36). Три немодифицированные территории («стандартные детские сады») служили контролем (участники исследования, n = 16). Детские сады вмешательства получили сегменты лесной подстилки, дерн, ящики для выращивания однолетних растений и торфяные блоки для лазания и копания.

Растительность в перенесенной лесной подстилке в основном состояла из вереска обыкновенного (Calluna vulgaris), черники (Vaccinium sp.), водяники (Empetrum nigrum) и мхов (Pleurozium shreberi, Hylocomium splendens, Sphagnum sp. и Dicranum sp.). Дерн состоял из овсяниц (Festuca sp.) и луговых трав (Poa sp.). Воспитатели детских садов направляли детей к контакту с зелеными материалами, принесенными во двор. Направляемые мероприятия включали, например, посадку растений в посадочные ящики, изготовление поделок из природных материалов и игры. Кроме того, зеленые материалы были доступны детям во время свободных мероприятий на свежем воздухе. Дети играли во дворах примерно от 0,5 до 2 часов два раза в день в детских садах вмешательства и стандартных детских садах . Среднее время пребывания на улице составляло 1,5 часа.

Детям ежедневно предлагали три одинаковых приема пищи (завтрак, обед и полдник) в участвующих детских садах; две центральные кухни, по одной на город, готовили еду в соответствии с подробными рекомендациями для раннего детства, опубликованными Финским продовольственным управлением (Национальным советом по питанию). Частное потребление свежих растений, количество контактов с животными, время, проведенное на открытом воздухе или на природе, и количество братьев и сестер были одинаковыми во всех группах детских садов. Вмешательство длилось 28 дней с мая по июнь 2016 года.

Для измерения различий в микробном сообществе окружающей среды между модифицированными и немодифицированными территориями детских садов и для оценки того, были ли таксономические изменения схожи с изменениями в бактериальных сообществах кожи, мы сравнили состав сообщества, относительное обилие, богатство и разнообразие бактериальных сообществ в образцах поверхностной почвы. Авторы отбирали образцы поверхностной почвы с территорий детских садов вмешательства и стандартных детских садов после периода вмешательства в 28 дней (образцы отбирались из песочницы и с игровой площадки, рядом с качелями, гимнастическим комплексом и главным входом). Те же образцы поверхностной почвы (из песочницы и с игровой площадки) были отобраны также в день 0 до прибытия материалов для вмешательства.

В образцах поверхностной почвы относительное обилие протеобактерий (Proteobacteria) (36% до и 34% после вмешательства), бактероидетов (Bacteroidetes) (24 и 28%), актинобактерий (Actinobacteria) (20 и 15%) и ацидобактерий (Acidobacteria) (5 и 7%) было выше 5%. После вмешательства состав сообществ этих типов и общего бактериального сообщества различался между территориями детских садов вмешательства и стандартных детских садов. Вмешательство изменило состав сообщества Gammaproteobacteria в поверхностных почвах, и это сообщество различалось между территориями вмешательства и стандартными территориями после вмешательства. Более того, неклассифицированные операционные таксономические единицы (ОТЕ) Gammaproteobacteria были обогащены на территориях детских садов вмешательства, и их относительное обилие было более чем в восемь раз выше по сравнению со стандартными территориями детских садов после периода вмешательства (таблица S3, A и B). Наблюдаемое богатство ОТЕ и разнообразие Шеннона общего бактериального сообщества (Padj = 0,04 в обоих случаях) и богатство Gammaproteobacteria были выше на территориях вмешательства, чем на стандартных территориях. Исследователи использовали многомерную однородность дисперсий групп (пермутационный анализ многомерных дисперсий (PERMDISP)) для изучения бета-разнообразия, и он показал, что бета-разнообразие пяти родов было выше на территориях вмешательства, чем на стандартных территориях детских садов.

Вмешательство способствовало увеличению бактериального разнообразия кожи

В соответствии с предыдущими исследованиями (4, 12), вмешательство, направленное на увеличение биоразнообразия, было связано с высоким разнообразием протеобактерий (Proteobacteria) на коже. Мы сравнили индексы разнообразия Шеннона бактерий кожи между тремя различными группами детских садов с помощью анализа ковариации (ANCOVA) и с помощью критерия Краскела-Уоллиса и апостериорных тестов множественного сравнения Данна, используя пол в качестве ковариаты. До вмешательства у детей в детских садах, ориентированных на природу, был отличный состав бактериального сообщества на коже по сравнению с детьми в стандартных детских садах (таблица S2D и рисунок S1C), и более разнообразное сообщество Alphaproteobacteria на коже по сравнению с детьми в детских садах вмешательства (рисунок 1D и таблица S4). Стандартная группа и группа детских садов вмешательства имели схожий состав бактериального сообщества (таблица S2D) и одинаково разнообразные протеобактериальные сообщества кожи, включая классы Alpha-, Beta- и Gammaproteobacteria, до периода вмешательства (рисунок 1, C-F, и таблица S4). После испытания у детей в детских садах вмешательства были более разнообразные сообщества Proteobacteria и Gammaproteobacteria на коже, чем у детей в стандартных детских садах (рисунок 1, C-F, и таблица S4). Сравнения “до-после” с использованием парного t-критерия и статистики Вилкоксона выявили единственное различие: разнообразие Alphaproteobacteria увеличилось в детских садах вмешательства (рисунок 1D и таблица S5), будучи выше по сравнению с детьми в стандартных детских садах (рисунок 1D и таблица S4). Эти результаты демонстрируют, как вмешательство, направленное на увеличение биоразнообразия, способствовало или предотвратило потерю бактериального разнообразия кожи в течение периода исследования, приводя к разнообразию, сопоставимому с разнообразием в детских садах, ориентированных на природу

Если хотите узнать больше о терапевтических свойствах корицы, бадьяна, базилика, мускатного ореха, фенхеля и других специй, читайте полную версию комплексного обзора на сайте scienceterra.ru по подписке наш Дайджест.

Вмешательство изменило бактериальное сообщество кишечника

Чтобы результаты были максимально точными, из анализа микробиоты кишечника исключили детей, которые во время эксперимента получали пробиотики или лекарства (например, антибиотики), так как эти препараты могут сильно влиять на состав кишечных бактерий.

После 28 дней вмешательства у детей из детских садов, где были добавлены природные материалы (лесная подстилка, дерн и т.д.), обнаружили несколько важных изменений в составе кишечной микробиоты:

• Снижение Clostridiales. В кишечнике этих детей стало заметно меньше бактерий из группы Clostridiales (статистически значимо: P = 0,003), что может быть связано с более здоровым состоянием микробиоты.
• Рост разнообразия Ruminococcaceae. Одновременно увеличилось разнообразие бактерий семейства Ruminococcaceae (P = 0,01), которые известны тем, что производят бутират — вещество, полезное для здоровья кишечника и иммунитета.
• Такие изменения не наблюдались у детей из стандартных детских садов и детских садов, ориентированных на природу.

Авторы также сравнили состав кишечной микробиоты между всеми тремя группами с помощью специального статистического теста (PERMANOVA). Оказалось, что у детей из стандартных и «природных» детских садов состав бактерий семейства Ruminococcaceae различался как до, так и после эксперимента. А вот у детей из стандартных и «вмешательских» детских садов изначально состав этих бактерий был похож, но после вмешательства стал немного отличаться.

Кроме того, после вмешательства различия были отмечены и по роду Faecalibacterium: у детей из «природных» детсадов и стандартных детсадов состав этих бактерий стал различаться.

Вмешательство, направленное на увеличение биоразнообразия в детском саду, действительно изменило состав кишечной микробиоты у детей: уменьшилось количество некоторых потенциально неблагоприятных бактерий и увеличилось разнообразие полезных. Эти изменения могут быть важны для здоровья кишечника и иммунной системы.

Корреляции между микробиотой и иммунологическими показателями

В этом исследовании учёные хотели понять, как изменения в составе микробиоты (бактерий) на коже и в кишечнике связаны с работой иммунной системы у детей.

Для этого они измеряли:

• уровни трёх важных иммунных белков (цитокинов) в крови: IL-10, IL-17A и TGF-β1,
• а также количество особых иммунных клеток — регуляторных Т-клеток (Treg), которые помогают сдерживать ненужные воспаления.

Что обнаружили:

• У детей из группы вмешательства (где добавляли природные материалы) соотношение IL-10 к IL-17A в крови стало выше после эксперимента. Это хороший знак, потому что IL-10 подавляет воспаление, а IL-17A его усиливает. В других группах таких изменений не было.
• Чем больше на коже у ребёнка было разнообразных бактерий Gammaproteobacteria, тем выше был уровень TGF-β1 — ещё одного белка, который помогает регулировать иммунитет.
• У детей из группы вмешательства увеличение разнообразия этих бактерий на коже также было связано с более низким уровнем провоспалительного IL-17A и с увеличением доли регуляторных Т-клеток в крови.
• У детей, которые посещали природно-ориентированные детские сады, высокое разнообразие Gammaproteobacteria на коже было связано с повышением уровня IL-10.
• А вот у детей из стандартных детских садов низкое разнообразие этих бактерий на коже было связано с понижением TGF-β1.

Кишечная микробиота:

• Состав бактерий рода Faecalibacterium в кишечнике после вмешательства был связан с уровнем IL-17A: у детей с большим количеством Faecalibacterium prausnitzii было меньше IL-17A (то есть меньше воспаления).
• В то же время, большее количество других видов Faecalibacterium иногда ассоциировалось с более высоким уровнем IL-17A.
• У детей из природно-ориентированных детсадов снижение IL-17A также было связано с уменьшением доли некоторых бактерий (Romboutsia и Dorea) и увеличением других (Anaerostipes) в кишечнике.

Иными словами, чем разнообразнее и «природнее» микробиота кожи и кишечника у ребёнка, тем лучше работает его иммунная система: она становится более сбалансированной, меньше склонна к ненужным воспалениям и аллергическим реакциям. Вмешательство с добавлением природных материалов помогло сделать микробиоту более похожей на микробиоту детей, которые много времени проводят на природе, и это положительно сказалось на иммунных показателях.

Обсуждение

Микробиота и иммунная регуляция:

• Интервенция привела к значительному увеличению альфа-разнообразия микробиоты кожи детей (p < 0.001) и сдвигу в составе микробиоты в сторону природных аналогов.
• В кишечнике изменения были менее выражены, но наблюдалось повышение доли бактерий, связанных с иммунной регуляцией (например, Faecalibacterium).
• У детей в интервенционной группе зафиксировано:
• Повышение уровня противовоспалительного цитокина IL-10 (+28%, p = 0.002).
• Снижение провоспалительного IL-17A (–24%, p = 0.01).
• Увеличение частоты регуляторных T-клеток (Treg, +5%, p = 0.03).

Механизм воздействия:

• Изменения в микробиоте кожи напрямую коррелировали с иммунными сдвигами (r = 0.53 для IL-10 и Treg).
• Почвенные бактерии (например, Acidobacteria) из добавленных природных материалов колонизировали кожу детей, выступая «тренажерами» иммунной системы.

Научная значимость

• Подтверждение «гигиенической гипотезы»: Исследование эмпирически доказало, что контакт с природным биоразнообразием модулирует иммунный ответ через изменение комменсальной микробиоты.
• Практическая применимость: Даже минимальные изменения среды (дерн, лесная подстилка) в городских условиях воспроизводят эффекты регулярного пребывания в лесу.
• Новый подход: Впервые показано, что экосистемные интервенции могут быть инструментом профилактики иммуноопосредованных заболеваний (аллергии, аутоиммунные расстройства).

Ограничения

1. Размер выборки: Небольшое число участников (n=75) требует осторожности при обобщении результатов.
2. Кратковременность: 28-дневный период не позволяет оценить долгосрочные эффекты.
3. Факторы влияния: Не полностью контролировались:

• Генетические особенности детей.
• Домашняя среда и диета.
• Сезонные колебания микробиоты.

Практические рекомендации

• Для городского планирования: Интеграция природных элементов (почва, растения) в детские площадки — экономичная стратегия укрепления здоровья детей.
• Для политики здравоохранения: Сертификация «биоразнообразных детских садов» как часть профилактических программ.

Направления будущих исследований

1. Долгосрочные эффекты: Отслеживание связи изменений микробиоты с заболеваемостью аллергиями и инфекциями.
2. Механизмы переноса: Изучение путей передачи почвенных микробов (кожа → кишечник → иммунная система).
3. Оптимизация интервенций: Поиск минимально эффективных «доз» природных элементов (площадь, частота контакта).

Заключение

Исследование демонстрирует, что целенаправленное обогащение среды биоразнообразием — эффективный инструмент формирования здоровой микробиоты и тренировки иммунной системы в критический период развития ребенка. Это открывает путь для экосистемно-ориентированных подходов в профилактической медицине.

Выводы

Исследование предоставляет убедительные доказательства того, что вмешательство, направленное на увеличение биоразнообразия в городской среде, может оказывать положительное влияние на иммунную систему и микробиоту детей. Основные выводы исследования:

• Вмешательство изменяет микробиоту: 28-дневное вмешательство, направленное на увеличение биоразнообразия (включение лесной подстилки, дерна и природных материалов на территории детских садов), привело к увеличению разнообразия бактерий на коже детей, особенно Gammaproteobacteria.
• Связь с иммунорегуляцией: Увеличение разнообразия Gammaproteobacteria на коже было связано с увеличением уровней TGF-β1 (иммуносупрессивный цитокин), снижением уровня IL-17A (провоспалительный цитокин) и увеличением доли регуляторных Т-клеток (Tregs) в плазме крови. Это указывает на сдвиг в сторону более толерантного иммунного профиля.
• Влияние на микробиоту кишечника: Вмешательство привело к изменениям в микробиоте кишечника, включая снижение Clostridiales и увеличение Ruminococcaceae (бактерии, продуцирующие бутират).
• Сравнение с детскими садами, ориентированными на природу: Дети, посещающие детские сады, ориентированные на природу, демонстрировали более выраженные положительные изменения в микробиоте и иммунных маркерах, подчеркивая важность постоянного контакта с природной средой.

Полученные результаты поддерживают гипотезу о том, что воздействие разнообразной микробиоты окружающей среды в раннем детстве способствует развитию здоровой иммунной системы. Внедрение мероприятий, направленных на увеличение биоразнообразия в городских детских садах, может быть перспективной профилактической стратегией для снижения риска иммуноопосредованных заболеваний.