ВВЕДЕНИЕ

Сегодня в научных кругах широко известен и доказан тот факт, что средний человеческий организм населяет в три раза больше клеток, отличных от человека, чем клеток самого человека, или приблизительно столько же [1]. Речь идет, конечно же, о человеческом микробиоме, который является совокупностью всех микробных биотопов, колонизирующих ткани и биологические жидкости организма вместе с соответствующими анатомическими участками и, конечно, не существует изолированно от функционирования органов и систем, а также физиологического гемостаза человека [2]. В контексте геномики понятие «микробиом человека» также используется для обозначения коллективных геномов резидентных микроорганизмов [3].

К основным типам микроорганизмов, формирующих различные вариации человеческого микробиома, относятся бактерии, археи, грибы, протисты и вирусы. Некоторые из них выполняют задачи, полезные для человека-хозяина, участвуя в формировании симбиотических или комменсальных взаимоотношений. Те микробы, которые рутинно при физиологических процессах жизнедеятельности не вызывают заболевания, считаются нормальной флорой или нормальной микробиотой [4]. Парадокс заключается в том, что современному научному сообществу до сих пор не совсем ясна роль и конкретные функции большинства микросообществ, несмотря на их видовое разнообразие и численное превосходство над клетками человеческого организма. В этой статье приведен обзор публикаций, прямо указывающих на степень важности оценки состояния микробиома отдельных человеческих популяций как фактора развития заболеваний, в том числе, урогенитального тракта.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Выполнен обзор литературы на основе данных, опубликованных в базах Научной электронной библиотеки еLibrary.ru (https://elibrary.ru/) и PubMed (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/). Поиск был проведен по ключевым словам: микробиом (microbiome); микробиота (microbiota); тестикулярная ткань (testicular tissue); азооспермия (azoospermia); секвенирование (sequencing); геном (genome); мужское бесплодие (male infertility). Всего было проанализировано 167 источников. Для данного обзора были отобраны 48 публикаций.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Исследования микробиома

В последние годы все чаще публикуются работы, в основе которых лежит секвенирование генома микробиоты человека с целью детального ее изучения. В исследованиях сообщается, что суммарно ДНК микробных колоний в организме содержит больше генов, ответственных за выживание человека, чем непосредственно человеческая ДНК, что заставляет задуматься о бактериальном микробиоме как об одном из основополагающих звеньев в поддержании физиологического гомеостаза [5, 6].

Одной из самых изученных анатомических областей с точки зрения населяющих ее микробных популяций является желудочно-кишечный тракт. В частности, триллионы микроорганизмов колонизируют кишечник человека. Они рассматриваются как потенциальные ключевые факторы здоровья и, как правило, имеют схожее разнообразие у лиц сопоставимого географического и национального происхождения [7, 8]. Так, был проведен ряд масштабных исследований, посвященных вкладу этнической принадлежности в вариации микробиома и оценке его диверсификации на глобальном популяционном уровне [9, 10]. Происхождение и место проживания способствовали объяснению межиндивидуальных различий в составе кишечной микробиоты: исследователями были сформированы три основных полюса в зависимости от преобладания конкретных видов микроорганизмов – оперативных таксономических единиц (OTЕ, англ. – Operational Taxonomic Unit - OTU) классифицированных как Prevotella (марокканцы, турки, ганы), Bacteroides (африканские суринамцы, южноазиатские суринамцы) и Clostridiales (голландский) [11, 12]. Голландцы продемонстрировали наибольшее разнообразие кишечной микробиоты, а суринамцы Южной Азии – наименьшее с соответствующим истощением в многочисленных ОТЕ [13, 14]. Так, следует отметить, что этническое происхождение людей может быть важным фактором в структурном составе микробиоты человека, что необходимо учитывать при дальнейшем изучении данной темы и потенциальном будущем применении полученных результатов в этнических обществах [15]. Однако, на сегодня многообразие человеческого микробиома охарактеризовано лишь небольшими выборками из людей, живущих в отдельных географических точках, что диктует актуальность дальнейших исследований в этой области, а также их масштабирование, особенно в тканях, не относящихся к кишечнику, таких как урогенитальный тракт [16, 17].

Анализируя литературу и последние научные публикации, хочется отметить, что микробиота мужского урогенитального тракта, включая секрет семенной жидкости, остается одной из самых малоизученных в сравнении с другими биотопами человеческого организма [18]. На протяжении многих лет эякулят соматически здорового мужчины было принято считать стерильной средой, и, соответственно, обнаружение любого титра микроорганизмов ассоциировалось с наличием патологии [19]. Однако, многочисленными исследованиями подтверждено и доказано не только наличие специфического микробиома в каждой анатомической области тела, но и его огромное значение в развитии патологии. Так, микробиом в коже человека, кишечнике, ротовой полости, влагалище и уретре играет ключевую роль в здоровье человека, а также при заболеваниях самых различных этиологий, в частности, говоря в контексте урологической проблематики, при азооспермии [20–22]. Также микробиом кишечника может модулировать проницаемость гемато-семенникового барьера и может играть роль в регуляции эндокринных функций яичка, что является одним из аспектов научного «прорыва» последних лет в тематике микробиома – открытие синдрома повышенной эпителиальной проницаемости кишечника (СПЭП) [23].

Возвращаясь к проблеме азооспермии, важно упомянуть статистику: данная нозология затрагивает 1% общемировой мужской популяции и может быть причиной до 20% случаев идиопатического мужского бесплодия [24–26]. Азооспермия может быть вызвана отсутствием образования сперматозоидов в яичках (секреторная или необструктивная азооспермия; НОА) или неспособностью сперматозоидов достичь эякулята (экскреторная или обструктивная азооспермия; OA) [27]. В ряде авторитетных исследований было доказано, что в числе факторов, ответственных за азооспермию, лежит и генетика [28, 29]. В других работах изучалась роль микроорганизмов в развитии идиопатического мужского бесплодия [30, 31]. Так, Lactobacillus iners, Gardnerella vaginalis, Escherichia faecalis, Escherichia сoli и Staphylococcus aureus связаны с развитием необструктивной формы азооспермии, что было оценено с применением метода полимеразной цепной реакции (ПЦР) и культуральных методик [32–34].

В масштабной работе по анализу микробиома в китайской популяции, приняли участие здоровые мужчины, пациенты с обструктивной (ОА) и необструктивной (НОА) формами азооспермии [35]. В общей сложности в исследовании было секвенировано 675 539 последовательностей ДНК и были получены 5 867 OTЕ. Наиболее распространенными типами были Firmicutes, Proteobacteria, Bacteroidetes и Actinobacteria, составляющие 98,14; 98,26 и 90,96% от общего числа типов в группах здорового контроля, OA и НОА соответственно. В частности, у мужчин с обеими формами азооспермии наблюдалось большее количество типов Bacteroidetes и Firmicutes, тогда как Proteobacteria и Actinobacteria встречались значительно реже в сравнении со здоровым контролем. Также микробное разнообразие между группами ОА или НОА имело более высокую степень сходства, чем группа контроля.

Дабы пояснить решительную важность результатов китайского исследования, следует сказать, что Firmicutes — это тип бактерий, который включает известные патогены, а представители Bacteroides вызывают оппортунистические инфекции [36]. Увеличение числа Bacteroidetes и Firmicutes у пациентов с азооспермией ассоциировано с повышением риска не только урологического воспаления, но также и гинекологического (у половых партнеров таких мужчин). Также у пациентов с азооспермией наблюдалось снижение количества бактерий в семенниках по сравнению со здоровыми пациентами, то есть сперма пациентов с азооспермией содержит меньше полезных микробов по сравнению со здоровыми контролями [37, 38]. Однако количество OTЕ Campylobacter, Campyiobacteraceae и Plesiomonas в группе OA были увеличены. Большинство видов Campylobacter вызывают заболевания, поэтому это увеличение представляет потенциальный риск для здоровья пациентов с азооспермией [39]. 

Следует сказать, что размер выборки, используемый в большинстве работ, может быть недостаточным для полного понимания реального микробиологического состава спермы мужчин с азооспермией, что диктует необходимость дальнейшего научного развития в этой области.

ОБСУЖДЕНИЕ

Представленные данные новы и дискутабельны, однако, основное число предыдущих исследований было посвящено нескольким типам бактерий и основывалось на качественном анализе и выявлении связи между различными микробиомами и качеством спермы как таковой, а полного понимания конфигурации бактериальных сообществ в сперме, в частности, в российской мужской популяции, на сегодня нет [40, 41].

Отдельно хочется отметить, что недавние достижения в технологии секвенирования следующего поколения (NGS) позволили по-новому взглянуть на роль микробов в организме человека, позволив выявить плейотропные эффекты последних. Таким образом, метод секвенирования представляет собой современную платформу для изучения взаимосвязи между микробиотой человека и спермы [42, 43]. Результаты могут быть полезны для разработки клинической терапии в теме профилактики и лечения азооспермии.

Таким образом, анализ микробиома впервые показал, что тестикулярная ткань человека не является микробиологически стерильной средой, а также представил новые данные о бактериологическом составе мужского урогенитального тракта и позволил задуматься об исключении любого потенциального вклада микробных сообществ, присутствующих в соседних анатомических областях. По результатам китайского исследования, ткани яичка с нормальным сперматогенезом охарактеризованы доминированием Actinobacteria, Bacteroidetes, Firmicutes и Proteobacteria. И, наоборот, повышенное количество Actinobacteria и Firmicutes выявлено в яичках мужчин с необструктивной формой азооспермии. Данные результаты имеют потенциальную клиническую значимость, так как в литературе, например, неоднократно было описано, что два рода класса Clostridia (т. е. Anaerococcus и Peptoniphilus) связаны с подвижностью сперматозоидов человека [44] и морфологией [45]. Поэтому характеристики спермы на предмет содержания определенных видов микроорганизмов могут представлять собой надежный клинический маркер для прогнозирования репродуктивного здоровья и качества спермы. Также ранее сообщалось, что те же четыре типа, наблюдаемые в нормозооспермических тестикулах, доминируют и в кишечнике человека [46]. Кишечный микробиом претерпевает колоссальные изменения в процессе старения, включая как снижение биоразнообразия, так и уменьшение процентного представления Firmicutes, что связано с хроническими вялотекущими процессами воспаления, астенией, соматической патологией [47, 48]. Интересно, что модификации микробиома, обнаруженные у мужчин с НOA, аналогичны тем, которые ранее были выявлены в кишечнике пожилых людей, что может быть рассмотрено как дополнительное свидетельство микробиологически раннего старения мужчин НOA на уровне яичек.

ВЫВОДЫ

1. Анализ микробиома впервые показал, что тестикулярная ткань человека не является микробиологически стерильной средой.

2. Характеристики спермы при установлении определенных видов микроорганизмов могут представлять собой надежный клинический маркер для прогнозирования репродуктивного здоровья и качества спермы.

3. Необходимы более масштабные исследования, чтобы подтвердить предварительные выводы о том, что ткань яичка не является микробиологически стерильной, и что яички мужчин с НOA содержат более дисбиотическое бактериальное сообщество.

ЛИТЕРАТУРА

1. Sender R, Fuchs S, Milo R. Are we really vastly outnumbered? Revisiting the ratio of bacterial to host cells in humans. Cell 2016;164(3):337-40. https://doi.org/10.1016/j.cell.2016.01.013.

2. Marchesi JR, Ravel J. The vocabulary of microbiome research: a proposal. Microbiome 2015;3:31. https://doi.org/10.1186/s40168-015-0094-5.

3. Human microbe interactions. Normal microbiote of the human body. In: Joanne Willey, Linda Sherwood, Christopher J. Woolverton. Prescott's Microbiology (9th ed.). 2013; New York: McGraw Hill. P.. 713-21.

4. Quigley EM. Gut bacteria in health and disease. Gastroenterol Hepatol 2013;9(9):560-9.

5. Falony G, Vieira-Silva S, Raes J. Microbiology meets big data: The case of gut microbiota-derived trimethylamine. Annu Rev Microbiol 2015;69:305-21. https://doi.org/10.1146/annurev-micro-091014-104422.

6. NIH Human Microbiome Project defines normal bacterial makeup of the body. NIH News 2012. [Electronic resource]. URL: https://www.nih.gov/newsevents/news-releases/nih-human-microbiome-project-defines-normal-bacterialmakeup-body.

7. Pasolli E, Asnicar F, Manara S, Zolfo M, Karcher N, Armanini F, et al. Extensive unexplored human microbiome diversity revealed by over 150,000 genomes from metagenomes spanning age, geography, and lifestyle. Cell 2019;176(3):649-662.e20. https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.01.001.

8. Schroeder BO, Bäckhed F. Signals from the gut microbiota to distant organs in physiology and disease. Nat Med 2016;22(10):1079-89. https://doi.org/10.1038/nm.4185.

9. Lynch SV, Pedersen O. The Human intestinal microbiome in health and disease. N Engl J Med 2016;375(24):2369-79. https://doi.org/10.1056/NEJMra1600266

10. Zhernakova A, Kurilshikov A, Bonder MJ, Tigchelaar EF, Schirmer M, Vatanen T, et al. Population-based metagenomics analysis reveals markers for gut microbiome composition and diversity. Science 2016;352(6285):565-9. https://doi.org/10.1126/science.aad3369.

11. Falony G, Joossens M, Vieira-Silva S, Wang J, Darzi Y, Faust K, et al. Populationlevel analysis of gut microbiome variation. Science 2016;352(6285):560-4. https://doi.org/10.1126/science.aad3503.

12. Goodrich JK, Waters JL, Poole AC, Sutter JL, Koren O, Blekhman R, et al. Human genetics shape the gut microbiome. Cell 2014;159(4):789-99. https://doi.org/10.1016/j.cell.2014.09.053.

13. Stronks K, Snijder MB, Peters RJ, Prins M, Schene AH, Zwinderman AH. Unravelling the impact of ethnicity on health in Europe: the HELIUS study. BMC Public Health 2013;13:402. https://doi.org/10.1186/1471-2458-13-402.

14. Snijder MB, Galenkamp H, Prins M, Derks EM, Peters RJG, Zwinderman AH, et al. Cohort profile: the healthy life in an urban setting (HELIUS) study in Amsterdam, The Netherlands. BMJ Open 2017;7(12):e017873. https://doi.org/10.1136/bmjopen-2017-017873.

15. Deschasaux M, Bouter KE, Prodan A, Levin E, Groen AK, Herrema H, et al. Depicting the composition of gut microbiota in a population with varied ethnic origins but shared geography. Nat Med 2018;24(10):1526-31. https://doi.org/10.1038/s41591-018-0160-1.

16. Rothschild D, Weissbrod O, Barkan E, Kurilshikov A, Korem T, Zeevi D, et al. Environment dominates over host genetics in shaping human gut microbiota. Nature 2018;555(7695):210-5. https://doi.org/10.1038/nature25973.

17. Кадыров З.А., Степанов В.Н., Фаниев М.В., Рамишвили Ш.В. Микробиота органов урогенитальной системы. Урология 2020;(1):116-20. [Kadyrov Z.A., Stepanov V.N., Faniev M.V., Ramishvili Sh.V. Microbiota of the urogenital system organs. Urologiya = Urologiia 2020;1:116-20. (In Russian)]. https://dx.doi.org/10.18565/urology.2020.1.116-120.

18. Mariat D, Firmesse O, Levenez F, Guimarăes V, Sokol H, Doré J, et al. The Firmicutes/Bacteroidetes ratio of the human microbiota changes with age. BMC Microbiol 2009;9:123. https://doi.org/10.1186/1471-2180-9-123.

19. Baud D, Pattaroni C, Vulliemoz N, Castella V, Marsland BJ, Stojanov M. Sperm microbiota and its impact on semen parameters. Front Microbiol 2019;10:234. https://doi.org/10.3389/fmicb.2019.00234.

20. Hooper LV, Littman DR, Macpherson AJ. Interactions between the microbiota and the immune system. Science 2012;336(6086):1268-73. https://doi.org/10.1126/science.1223490.

21. Nelson MH, Diven MA, Huff LW, Paulos CM. Harnessing the microbiome to enhance cancer immunotherapy. J Immunol Res 2015;2015:368736. https://doi.org/10.1155/2015/368736.

22. Nakatsuji T, Chen TH, Narala S, Chun KA, Two AM, Yun T, et al. Antimicrobials from human skin commensal bacteria protect against Staphylococcus aureus and are deficient in atopic dermatitis. Sci Transl Med 2017;9(378):eaah4680. https://doi.org/10.1126/scitranslmed.aah4680.

23. Farahani L, Tharakan T, Yap T, Ramsay JW, Jayasena CN, Minhas S. The semen microbiome and its impact on sperm function and male fertility: A systematic review and meta-analysis. Andrology 2021;9(1):115-144. https://doi.org/10.1111/andr.12886.

24. He Y, Zou Q, Li B, Chen H, Du X, Weng S, et al. Ketamine inhibits human sperm function by Ca(2+)-related mechanism. Biochem Biophys Res Commun 2016;478(1):501-6. https://doi.org/10.1016/j.bbrc.2016.04.144.

25. Кульченко Н.Г. Прогнозирование успеха вспомогательных репродуктивных технологий с помощью оценки морфологии яичка. Исследования и практика в медицине 2018;5(4):18-25. https://doi.org/10.17709/2409-2231-2018-5-4-2 [Kulchenko N.G. Prediction of success in assisted reproductive technology with the help of morphology of the testis. Research’n Prac Med J 2018;5(4):18-25. (In Russian)].

26. He Y, Zou Q, Chen H, Weng S, Luo T, Zeng X. Lead inhibits human sperm functions by reducing the levels of intracellular calcium, cAMP, and tyrosine phosphorylation. Tohoku J Exp Med 2016;238(4):295-303. https://doi.org/10.1620/tjem.238.295.

27. Luo T, Zou QX, He YQ, Wang HF, Wang T, Liu M, et al. Matrine compromises mouse sperm functions by a [Ca(2+)]i-related mechanism. Reprod Toxicol 2016;60:69-75. https://doi.org/10.1016/j.reprotox.2016.02.003.

28. Myandina G. I., Kulchenko N. G., Alhejoj H. Polymorphism G-105A SEPS1 gene and mens’ infertility. Medical News of North Caucasus 2018;13(3):488-90. (In Engl). https://doi.org/10.14300/mnnc.2018.13085. [Мяндина Г.И., Кульченко Н.Г., Альхеджой Х. Полиморфизм G-105A гена SEPS1 и мужское бесплодие. Медицинский вестник Северного Кавказа 2018;13(3):488-90].

29. Кульченко Н.Г., Мяндина Г.И., Альхеджой Х., Тарасенко Е.В. Влияние полиморфизмов С677Т и А1298С гена MTHFR на репродуктивную функцию мужчин. Урология 2020;(2):66-70. https://doi.org/10.18565/urology.2020.2.66-70. [Kulchenko N.G., Myandina G.I., Alhejoj H., Tarasenko E.V. The effect of polymorphisms C677T AND А1298С gene MTHFR on the reproductive function of men. Urologiya = Urologiia 2020;(2):66-70. (In Russian)].

30. De Croo I, Van der Elst J, Everaert K, De Sutter P, Dhont M. Fertilization, pregnancy and embryo implantation rates after ICSI in cases of obstructive and nonobstructive azoospermia. Hum Reprod 2000;15(6):1383-8. https://doi.org/10.1093/humrep/15.6.1383.

31. Franasiak JM, Scott RT Jr. Reproductive tract microbiome in assisted reproductive technologies. Fertil Steril 2015;104(6):1364-71. https://doi.org/10.1016/j.fertnstert.2015.10.012.

32. Javurek AB, Spollen WG, Ali AM, Johnson SA, Lubahn DB, Bivens NJ, et al. Discovery of a novel seminal fluid microbiome and influence of estrogen receptor alpha genetic status. Sci Rep 2016;6:23027. https://doi.org/10.1038/srep23027.

33. Tuddenham S, Ghanem KG. A microbiome variable in the HIV-prevention equation. Science 2017;356(6341):907-8. https://doi.org/10.1126/science.aan6103.

34. De Francesco MA, Negrini R, Ravizzola G, Galli P, Manca N. Bacterial species present in the lower male genital tract: a five-year retrospective study. Eur J Contracept Reprod Health Care 2011;16(1):47-53. https://doi.org/10.3109/13625187.2010.533219.

35. Chen H, Luo T, Chen T, Wang G. Seminal bacterial composition in patients with obstructive and non-obstructive azoospermia. Exp Ther Med 2018;15(3):2884-90. https://doi.org/10.3892/etm.2018.5778.

36. Wolf M, Müller T, Dandekar T, Pollack JD. Phylogeny of Firmicutes with special reference to Mycoplasma (Mollicutes) as inferred from phosphoglycerate kinase amino acid sequence data. Int J Syst Evol Microbiol 2004;54(Pt 3):871-875. https://doi.org/10.1099/ijs.0.02868-0.

37. Mändar R, Punab M, Korrovits P, Türk S, Ausmees K, Lapp E, et al. Seminal microbiome in men with and without prostatitis. Int J Urol 2017;24(3):211-6. https://doi.org/10.1111/iju.13286.

38. Yang H, Zhang J, Xue Z, Zhao C, Lei L, Wen Y, et al. Potential pathogenic bacteria in seminal microbiota of patients with different types of dysspermatism. Sci Rep 2020;10(1):6876. https://doi.org/10.1038/s41598-020-63787-x.

39. Bae HS, Im WT, Lee ST. Lysobacter concretionis sp. nov., isolated from anaerobic granules in an upflow anaerobic sludge blanket reactor. Int J Syst Evol Microbiol 2005;55(Pt 3):1155-61. https://doi.org/10.1099/ijs.0.63399-0.

40. Younes JA, Lievens E, Hummelen R, van der Westen R, Reid G, Petrova MI. Women and their microbes: The unexpected friendship. Trends Microbiol 2018;26(1):16-32. https://doi.org/10.1016/j.tim.2017.07.008.

41. Weng SL, Chiu CM, Lin FM, Huang WC, Liang C, Yang T, et al. Bacterial communities in semen from men of infertile couples: metagenomic sequencing reveals relationships of seminal microbiota to semen quality. PLoS One 2014;9(10):e110152. https://doi.org/10.1371/journal.pone.011015242.

42. Sivan A, Corrales L, Hubert N, Williams JB, Aquino-Michaels K, Earley ZM, et al. Commensal Bifidobacterium promotes antitumor immunity and facilitates antiPD-L1 efficacy. Science 2015;350(6264):1084-9. https://doi.org/10.1126/science.aac4255.

43. Derrien M, van Hylckama Vlieg JE. Fate, activity, and impact of ingested bacteria within the human gut microbiota. Trends Microbiol 2015;23(6):354-66. https://doi.org/10.1016/j.tim.2015.03.002.

44. Alfano M, Ventimiglia E, Locatelli I, Capogrosso P, Cazzaniga W, Pederzoli F, et al. Antimullerian hormone-to-testosterone ratio is predictive of positive sperm retrieval in men with idiopathic non-obstructive azoospermia. Sci Rep 2017;7(1):17638. https://doi.org/10.1038/s41598-017-17420-z.

45. Shin NR, Whon TW, Bae JW. Proteobacteria: microbial signature of dysbiosis in gut microbiota. Trends Biotechnol 2015;33(9):496-503. https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2015.06.011.

46. Hou D, Zhou X, Zhong X, Settles ML, Herring J, Wang L, et al. Microbiota of the seminal fluid from healthy and infertile men. Fertil Steril 2013;100(5):1261-9. https://doi.org/10.1016/j.fertnstert.2013.07.1991.

47. Biagi E, Nylund L, Candela M, Ostan R, Bucci L, Pini E, et al. Through ageing, and beyond: gut microbiota and inflammatory status in seniors and centenarians. PLoS One 2010;5(5):e10667. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0010667.

48. Al-Asmakh M, Stukenborg JB, Reda A, Anuar F, Strand ML, Hedin L, et al. The gut microbiota and developmental programming of the testis in mice. PLoS One 2014;9(8):e103809. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0103809.