Внутренний мир

Мы живем в мире микробов: они его заселили, преобразовали, сделали пригодным для нашей жизни и... превратили нас в среду своего обитания. Можно сколько угодно говорить о взаимоотношениях «хозяин — его микроб», но только кто тут хозяин, вот вопрос.

Мы их среда, они наш орган

Примерно три миллиарда лет назад на Земле возникла микробная жизнь, спустя еще два миллиарда появились первые одноклеточные эукариоты, а 700—800 миллионов лет назад — животные. Первые животные были микроскопических размеров, и оказались они, милые крошки, среди бактерий, на которых поначалу и охотились. А когда животные подросли и обзавелись полостью тела, микробы заселили эту полость и стали играть роли не только жертвы, но и симбионта, и даже паразита. С тех пор животные и их бактерии эволюционировали вместе.

Постепенно пищеварительный тракт многоклеточных превратился из прямой трубки между ртом и анусом в сложную систему, а ее отделы — в экологические ниши, где возникали новые виды. Каждое животное — уникальный микробный мир: так, более 90% бактерий, населяющих кишечник термитов, больше нигде не встречаются. Когда вымирает очередной вид животных, вместе с ним уходит в небытие неизвестное количество видов микроорганизмов — форменная экологическая катастрофа!

Неясно, в какой степени бактерии способствовали эволюции пищеварительной системы животных, но, во всяком случае, без них немыслимо существование жвачных, которые отвели своим симбионтам целый отдел желудка.

Вообще, микрофлора кишечника — самая многочисленная, и не только у жвачных. У человека она насчитывает триллионы особей. Более 90% ДНК нашего организма приходится именно на геном кишечных симбионтов. Специалисты насчитали у членов микробного сообщества не менее 3,3 миллиона разных генов, примерно в 150 раз больше, чем у человека.

Мы прошли миллионы лет совместной эволюции, бактерии и иммунная система научились ладить друг с другом, мы используем некоторые продукты микробиома — так называют коллективный геном всех видов кишечных бактерий, — которые не в состоянии синтезировать сами. Например, кишечные бактерии синтезируют для нас витамин К, необходимый для свертывания крови и обмена веществ в костной и соединительной тканях.

Микробы — как благосостояние: часть мы получаем по наследству, часть приобретаем сами, а кое-что ценное и утрачиваем. Наследство, конечно, бывает разное. В кишечнике новорожденного, появившегося на свет естественным путем, присутствуют компоненты вагинальной микрофлоры: представители родов Lactobacillus, Prevotella и Atopobium. Но если роженице пришлось делать кесарево сечение, в микробном сообществе младенца много стафилококков с материнской кожи. В течение нескольких недель микробиота меняется, и в ней преобладают уже не аэробные, а анаэробные виды. Кишечная микробиота взрослого человека достаточно стабильна, хотя некоторые исследователи сообщают, что у подростков существенно больше бифидобактерий и клостридий, чем у взрослых. У людей старше шестидесяти значительно сокращается количество бифидобактерий и возрастает число факультативных анаэробов. Естественно, изменение видового состава микро- флоры сказывается на ее метаболизме. Например, для микробиоты детей до 12 лет характерна продукция холина, а во время полового созревания увеличивается синтез 4-гидроксифенилуксусной и индолилуксусной кислот, а также метаболитов цикла трикарбоновых кислот.

Микробное сообщество кишечника можно рассматривать как еще один, довольно большой орган, обладающий собственными структурой и функциями. Этот орган, в частности, помогает переварить сложные углеводороды и другие вещества, которые мы не можем расщепить своими силами, синтезирует некоторые необходимые нам вещества и защищает организм от вторжения патогенных бактерий, которые нормальная микрофлора вытесняет из экосистемы. Микробный орган может даже заболеть: нарушение численности и видового разнообразия микрофлоры кишечника плохо сказывается на состоянии хозяина. Как и всякий орган, кишечная микрофлора взаимодействует с другими органами и системами нашего тела: печенью, мозгом, сосудами, щитовидной железой и в первую очередь, конечно, с желудочно-кишечным трактом (рис. 1). В то же время микробное сообщество представляет собой экосистему, члены которой находятся в сложных отношениях друг с другом и со средой своего обитания. Все эти взаимодействия идут многими путями, с участием разных молекул, в том числе продуктов бактериального метаболизма. Набор сигнальных молекул, а также видовой состав бактерий непостоянен и зависит от того, что человек ест. И горе ему, если он неправильно кормит своих симбионтов.

1. Кишечная микрофлора общается с нами: АМП—антимикробныепептиды, ЛПС—липополисахариды, ПГН — пептидогликаны, ПСА — полисахарид А, ЖККЦ — жирные кислоты короткой цепи, ТМА — триметиламиноксид

Ты — то, что ест твоя микрофлора

Человек никогда не трапезничает в одиночку — кишечные бактерии постоянно при нем. Неправильное питание нередко вызывает изменения в составе микрофлоры, которые могут привести к болезни. Существует длинный список таких заболеваний, он постоянно пополняется, как и перечень продуктов, которые могут пагубно сказаться на здоровье. Совсем недавно специалисты Чикагского университета под руководством Сьюзан Девкот и Юджина Чана обнаружили, что к таким недугам относятся воспалительные заболевания кишечника.

В последние полвека количество этих заболеваний значительно выросло, что связано с распространением западного типа питания, в том числе потребления большого количества животных жиров. Ученые проанализировали влияние разных диет на кишечную микрофлору («Nature» 2012, 487, 7405, 104—108, doi:10.1038/nature11225). В качестве объекта исследования они выбрали мышей-гнотобионтов, то есть безмикробных животных, выращенных в стерильных условиях. Перед началом эксперимента им вводили стандартный набор кишечных бактерий, поэтому исследователи могли быть уверены, что исходное микробное сообщество у всех мышей одинаково. Ученые испробовали четыре равные по калорийности диеты: одна содержала 5% жира, остальные — 38%. Жирные диеты включали насыщенные животные жиры, молочный или свиной, или растительное масло (сафлоровое), содержащее ненасыщенные жирные кислоты. Мыши сидели на диете 24 дня, после чего ученые оценили последствия. Оказалось, что все жирные диеты сокращают биоразнообразие кишечной микрофлоры, но по-разному. В частности, диета, основанная на молочных жирах, приводит к увеличению численности микроорганизмов Bilophila wadsworthia. Это известная бактерия, у людей она тоже встречается. В кишечнике здорового человека B.wadsworthia присутствует в небольших количествах, но гораздо чаще ее обнаруживают у пациентов, больных аппендицитом и разными инфекциями.

Однако изменением состава микрофлоры дело не ограничилось. Ученые работали с мышами, генетически предрасположенными к инфекционным заболеваниям: эти животные не синтезируют противовоспалительный цитокин интерлейкин-10. В течение шести месяцев у 25—30% животных этой линии развиваются воспалительные заболевания кишечника. Мыши, получавшие молочные жиры, заболевают в 60% случаев, причем поражения кишечника у них более тяжелые и обширные.

Цепочка событий, приведшая от молочной жирной диеты к воспалению, оказалась довольно затейливой (рис. 2). Усвоение жиров облегчают желчные кислоты, которые синтезируются в печени и выделяются в просвет кишечника. В состав желчи входит и таурохолевая кислота — продукт конъюгации желчной холевой кислоты и сульфоаминокислоты таурина. Диета с высоким содержанием молочных жиров стимулирует образование таурохолевой кислоты, в результате в кишечник выделяется больше серосодержащих веществ и возникают благоприятные условия для размножения микробов, потребляющих соединения серы, в том числе B. wadsworthia. Но билофилы выделяют сероводород, который разрушает эпителиальную ткань кишечника. В образовавшуюся брешь устремляются патогены, иммунная система активизируется, развивается воспаление. Таким образом, потребление продуктов, богатых молочными жирами, создает условия для экспансии обычно малочисленной патогенной бактерии, и животные заболевают, если у них есть к этому генетическая предрасположенность.

2. Любители мороженого и сливочного масла, бойтесь колитов! ФМО — флавинмонооксигеназа

Еще один продукт, к которому опасно подпускать бактерий, — фосфолипиды. Перерабатывая их, кишечная микрофлора стимулирует развитие сердечно-сосудистых заболеваний. Американские исследователи под руководством Стэнли Хейзена (клиника Кливленда) искали вещества, по уровню которых в плазме пациентов можно определить риск развития инсульта, инфаркта миокарда или других заболеваний. Обследовав несколько тысяч пациентов и здоровых добровольцев, они обнаружили, что роль индикатора играют три метаболита фософолипидов: холин, бетаин и триметиламин-N-оксид (ТМАО).

В экспериментах, описанных в журнале «Nature» (2011, 472, 7341, 57—63, doi:10.1038/nature09922), ученые установили, что кишечная микрофлора играет ключевую роль в образовании ТМАО (рис. 3). Процесс этот двухступенчатый. Сначала бактерии расщепляют холин до триметиламина, а затем ферменты печени флавинмонооксигеназы окисляют его до ТМАО. Это соединение, в свою очередь, стимулирует образование пенистых клеток — макрофагов, нагруженных эфирами холестерина. Пенистые клетки выделяют факторы роста, которые способствуют образованию атеросклеротических бляшек. У мышей-гнотобионтов ТМАО не образуется и атеросклероз не развивается даже при генетической склонности к этому заболеванию и диете с высоким содержанием фосфатидилхолинов. У животных, чья микрофлора угнетена антибиотиками, — тоже. Более того, прием антибиотиков улучшает состояние сосудов больных мышей. Заманчиво лечить атеросклероз антибиотиками, но каковы будут побочные эффекты?

3. Кишечные бактерии, включившись в метаболизм холинов, могут довести до атеросклероза

В последнее время все больше людей в западных странах полностью отказывается от потребления животных жиров. Но тут важно помнить, что дефицит холина и бетаина вызывает накопление липидов в печени, сердце и артериальных стенках.

Не стоит возлагать на микробное сообщество вину за атеросклероз. Справедливости ради заметим, что антиатерогенная диета также не была бы эффективной без кишечных бактерий. Одно из признанных средств, препятствующих развитию атеросклероза, — красное вино, клубника, черника и другие фрукты и ягоды, содержащие флавоноиды антоцианы. Увы, антоцианы практически не всасываются в кишечнике, в кровь поступает не более 0,1% от общего количества, и в такой концентрации от них нет никакой пользы. Весь остальной пигмент отправляется в толстую кишку и достается бактериям, которые преобразуют один из антоцианов, цианидин-3- β-глюкозид (Cy-3-G), в протокатеховую кислоту. Протокатеховая кислота прекрасно всасывается и препятствует развитию атеросклероза, поскольку стимулирует обратный транспорт холестерина.

Обратный транспорт холестерина — один из эффективных механизмов противодействия атеросклерозу — осуществляют макрофаги; они собирают холестерин, связанный с липопротеинами, в периферических тканях и доставляют его в печень. Там он переходит в желчь и выводится с калом. Чтобы макрофаги могли выполнять эту функцию, им необходимы специальные рецепторы. Рецепторные белки кодируют гены ABCA1 и ABCG1. Работу этих генов подавляет микроРНК-10b (рис. 4).

4. Бактерии помогают антоцианам очистить сосуды. Синтез протокатеховой кислоты стимулирует работу генов ABCA1 и ABCG1. Белки этих генов необходимы для обратного транспорта холестерина

Исследователи из Университета имени Сунь Ятсена (Китай) показали, что на регуляторный каскад влияет протокатеховая кислота, щедро поставляемая микроорганизмами («Circulation Research» 2012, 111, 967—981; doi: 10.1161/CIRCRESAHA.112.266502). Она препятствует образованию микроРНК- 10b, и макрофаги, ощетинившись рецепторами, активно очищают организм от холестерина. Ученые работали с мышами и убедились, что именно кишечная микробиота придает антоцианам их лечебные свойства, в присутствии антибиотиков они бесполезны.

Радости совместной трапезы

Как уже говорилось, человек не ест в одиночку, его трапезу всегда разделяют бактерии. Недавно профессор Руанского университета Виктор Норрис, директор лаборатории «Sysdiag» (Франция) Франк Молина и профессор Университета штата Джорджия (США) Эндрю Гевиц предложили гипотезу, согласно которой существует связь между пищевыми предпочтениями хозяина и составом его кишечной микрофлоры, причем бактерии имеют возможность влиять на питание хозяина («Journal of Bacteriology» 2013, 195, 3, 411—416, doi:10.1128/JB.01384-12).

Фактов, доказывающих, что состав микробного сообщества зависит от питания хозяина, множество. Авторы гипотезы ссылаются на сравнительное исследование микрофлоры европейских детей и детей из Буркина-Фасо, которые едят в основном растительную пищу с малым количеством жиров. Видовой состав бактерий у них разный. Очевидно, кишечная микробиота людей, в рационе которых много полисахаридов, помогает им извлекать максимум энергии из растительных волокон и защищает от кишечных заболеваний.

Бактериям важно не только качество, но и количество поступающих веществ. В условиях избытка пищи и голода они должны чувствовать себя по-разному. В подобных экспериментах к исследованиям удобно привлекать бирманского питона, который постится много дней, а потом наедается до отвала. И действительно, у голодного и сытого питона состав микрофлоры различается.

На состав микробного сообщества влияют и психологические стрессы. Они сопровождаются выбросами адреналина и норадреналина, которые стимулируют выделение железа и других индукторов, воздействующих на рост бактерий. Особенно заметно выброс гормонов стресса меняет состав микрофлоры ротовой полости. Не исключено, что гормональные изменения, вызванные беременностью, также сказываются на микробном сообществе, чем и можно объяснить неумеренный аппетит некоторых беременных дам и их тягу к определенным продуктам.

Авторы гипотезы также уверены, что люди, живущие вместе, страдают сходными алиментарными нарушениями, потому что едят одно и то же, и у них, благодаря сходному питанию, должны быть похожие микробные сообщества. По мнению исследователей, различная восприимчивость некоторых народов к болезням зависит от локализации и состава микробного сообщества больше, чем от генетических факторов. Если разные народы по-разному питаются, то и микрофлора у них разная. Но эти предположения еще предстоит проверить.

Вторая часть гипотезы также нуждается в доказательствах. Исследователи подчеркивают, что кишечная микрофлора представляет собой сложную экосистему, входящие в нее виды неизбежно конкурируют друг с другом. Цель у них одна — развиваться и размножаться. Источник жизни для них — продукты, съеденные хозяином. Те виды бактерий, которые бы не жаловались, что их среда заела, а научились управлять предпочтениями своего хозяина, получили бы огромное преимущество. Разумно предположить, что у бактерий было достаточно времени, чтобы овладеть этим искусством.

Во всяком случае, воздействовать на поведение хозяина они в состоянии. Например, бактериальная сигнальная молекула индол, влияющая на прочность соединения эпителиальных клеток кишечника, структурно сходна с мелатонином, который помогает регулировать цикл сна-бодрствования. Тирозин и триптофан могут проходить через гематоэнцефалический барьер и превращаются в мозгу в дофамин, который вызывает чувство удовольствия и прилив бдительности, и серотонин, навевающий спокойствие и сон. Теоретически, регулируя синтез дофамина, бактерии влияют на удовольствие, получаемое человеком во время еды. А еще микроорганизмы могут воздействовать на содержание в плазме пептида YY, который сокращает потребление пищи и продлевает интервал между ее приемами. Микробиота также регулирует использование получаемой с пищей энергии: ожирение и метаболический синдром сопровождаются уменьшением видового разнообразия микробного сообщества и изменением пула работающих микробных генов. А еще микробы способны вызывать чувство тревоги, которое уж точно влияет на аппетит. В общем, возможностей много, но все надо подробно изучать.

Авторы гипотезы предлагают разные способы ее проверки. Например, можно стимулировать область мозга, вовлеченную в получение удовольствия, различными бактериальными метаболитами: индолом, полиаминами, жирными кислотами с короткой цепью, и проследить за изменениями активности нейронов. А можно экспериментировать с мышами, выращенными на разных диетах. Если животных из одной группы напичкать антибиотиками, а затем ввести им набор кишечной микрофлоры мышей другой группы, у них должны измениться и пищевые предпочтения.

Согласно гипотезе, состав микробного сообщества под влиянием внешних условий постоянно изменяется, и большинство изменений приводит к болезням. Если это действительно так, здоровье улучшится, если поддерживать стабильность видового состава сообщества. Такой стабилизации можно достигнуть, регулярно вводя животным постоянный набор непатогенных бактерий. Их видовой состав не имеет большого значения, главное, чтобы он не менялся.

Общее светлое будущее

Эпидемиологи и клиницисты отмечают стремительный рост некоторых аутоиммунных заболеваний: астмы, диабета второго типа, рассеянного склероза, воспалительных заболеваний кишечника. Медики пытаются объяснить ситуацию достижениями медицины: гигиена, мол, ограничила распространение патогенных микроорганизмов, что привело к развитию аутоиммунных заболеваний. Но патогенные бактерии — капля в море по сравнению с нормальной кишечной микрофлорой, которая имеет прямое касательство ко всем вышеперечисленным недугам, а также множеству других, в том числе раку, расстройствам метаболизма и поведения.

Фундаментальные аспекты здоровья абсолютно зависимы от микробного симбиоза — к этой мысли людям еще предстоит привыкнуть. Современные санитарные мероприятия и широкое распространение антибиотиков, которое правильнее было бы назвать разгулом, призваны укреплять наше здоровье, а на деле его подрывают. Поэтому разумнее нам обходиться без антибиотиков. Лечиться надо по-другому. Чем больше мы будем узнавать о влиянии разных видов бактерий на наш организм, тем шире сможем использовать микроорганизмы, их ферменты (ингибиторы или активаторы различных процессов), диету, благоприятную для необходимых пациенту бактерий, абсорбенты, позволяющие связывать вредные микробные метаболиты. Именно в этом направлении надлежит трудиться фармацевтам и разработчикам функционального питания.

Однако же эти меры не помогут справиться с патогенными бактериями. Если щадить патогенное меньшинство ради большинства нормальной микрофлоры, можно запросто умереть от инфекционной болезни, пневмонии например. Не проще ли обходиться вообще без микрофлоры, а вместо пробиотиков и специальных диет принимать необходимые пищевые добавки?

Вообще-то без микрофлоры прожить можно, и существование гнотобионтов это доказывает. Профессор Каролинского института (Швеция) Свен Петтерсон обнаружил, что безмикробные мыши, живущие в стерильных условиях, более предприимчивы и менее тревожны, чем животные с нормальной микрофлорой, и дольше живут (« Proceedings of the National Academy of Sciences», 2011, 108, 7, 3047—3052, doi: 10.1073/pnas.1010529108). Но гнотобионты имеют преимущество только в идеальных условиях, к негативным воздействиям такие животные более чувствительны, чем обычные. Нам после изгнания из рая без микрофлоры не обойтись, тем более что она нам как орган.

Увы, не обойтись пока и без антибиотиков, но, возможно, вскоре мы найдем управу на патогенов. Прекрасный способ борьбы с инфекционными болезнями — вакцинация, однако привиться от всего пока невозможно хотя бы потому, что возбудителей инфекции слишком много и все они разные. Если делать прививки от всех известных болезней, иммунная система просто не выдержит такой нагрузки. Идеальным выходом была бы универсальная вакцина. Ее разрабатывают исследователи из нескольких лабораторий разных стран под руководством Джеральда Пира (Медицинский центр Бостонского университета). В этой работе («Proceedings of the National Academy of Sciences», 2013, 110, 24, E2209—E2218, doi/10.1073/pnas.1303573110) участвуют и российские ученые, сотрудники лаборатории химии гликоконъюгатов Института органической химии имени Н.Д.Зелинского РАН под руководством члена-корреспондента РАН Николая Эдуардовича Нифантьева. В течение 16 лет ученые исследовали иммунные свойства полисахаридного компонента бактериальной оболочки — полимера N-ацетилглюкозамина (ПНАГ). Сначала исследователи обнаружили ПНАГ у нескольких видов патогенных бактерий, которые, размножаясь, образуют биопленки. ПНАГ как раз входит в полисахаридный каркас, объединяющий бактерии. Затем оказалось, что его синтезируют даже такие микроорганизмы, которые не образуют биопленок, а также некоторые одноклеточные грибы и простейшие, в том числе возбудители малярии и трихомониаза. Судя по широкому распространению этого полисахарида, он повышает устойчивость клеток к внешним воздействиям. Но, опять же благодаря своей распространенности и универсальности, ПНАГ может служить антигеном для единой вакцины. Чтобы ПНАГ вызывал эффективный иммунный ответ, его пришлось модифицировать. Исследователи создали вакцину, в состав которой помимо синтетического полисахарида входит более двадцати компонентов. Сейчас она проходит первую стадию клинических испытаний. Будем надеяться, что все закончится благополучно и ПНАГ окажется полисахаридом, присущим исключительно патогенным бактериям и простейшим.

Станет ли новая вакцина панацеей — неизвестно. Люди уже думали так, когда открыли антибиотики. Однако в любом случае мы скоро не сможем лечиться старыми методами. Патогенные микроорганизмы слишком быстро приобретают устойчивость к новым лекарствам, а мы все больше узнаем о свойствах нашей нормальной кишечной микрофлоры и учимся использовать эту информацию. Похоже, нас ожидает новая революция в биологии и медицине.

Продолжение темы:

Жители россиян