Космос в кишечнике
Кто проживает внутри человека
Каждый из нас — остров из 30 триллионов клеток, на котором живут еще около 40 триллионов существ: три килограмма волосатых палочек, толстых фасолинок и других древних микроскопических организмов, заселивших Землю на миллиарды лет раньше нас. Сообщества микробов способны жить повсюду — в антарктических ледниках, под огромным давлением на дне океана, в горячих источниках с почти кипящей водой… А еще — в кишечнике, глазах, легких, на коже и гениталиях любого человека. И они там не просто живут, а влияют на нас. Что можно вылечить с помощью бактерий и на что способны могущественные невидимки?
Эксперименты с экскрементами
Два молодых африканца удачно поохотились: недалеко от водоема посреди саванны они делят тушу взрослой зебры. Липкая густая кровь стекает по их рукам до локтей, но парни знают, что делать: они окунают кисти в разорванный желудок животного, из-за чего кровь быстро сворачивается и легко очищается песком. Через несколько минут мужчины из племени хадза будут жевать свежее жареное мясо, с удовольствием облизывая грязные пальцы. Эта милая привычка, как предполагают ученые, позволяет им не страдать от воспалительных заболеваний кишечника.
Микробы из внутренностей зебры, кровь и песок, а еще корнеплоды, мед, плоды баобаба и ягоды из их рациона — удивительный бактериальный коктейль, который делает сообщество кишечных бактерий хадза заметно разнообразнее, чем у рядового европейца. Особая микробиота может защищать людей племени от рака толстой кишки, колита, болезни Крона и других заболеваний, с которыми все чаще сталкиваются жители больших городов. Чтобы понять, в чем секрет здоровья хадза, американский микробиолог Джефф Лич уже несколько лет изучает это удивительное племя. Он то исследует бактерии из их кишечников в лаборатории, то сам пытается перейти на местную диету, а однажды даже ввел себе в кишечник разведенные в воде фекалии одного из охотников.
Звучит, конечно, дико, но сегодня эта экзотическая процедура применяется в медицинских клиниках по всему миру. Называется она Intestinal Microbiota Transplantation (IMT) — трансплантация кишечной микробиоты, или фекалотерапия. В отличие от уринотерапии метод вполне научный: с его помощью, например, можно справиться с псевдомембранозным колитом, вызванным устойчивой к антибиотикам бактерией Clostridium diffi cile. Эта внутрибольничная инфекция каждый год только в США уносит жизни около 15 000 человек.
— Микробы контролируют множество функций нашего организма. И ведь об этом ничего не было известно еще десятилетие назад! — рассказывает руководитель микробиологической лаборатории Калифорнийского университета в Сан-Диего, известный ученый Роб Найт. Мы встретились с ним на научной конференции BiATA, организованной Центром aлгоритмической биотехнологии СПбГУ. — В их власти находятся воспалительные заболевания кишечника и ожирение. Они влияют на то, как человек воспринимает полезные вещества из продуктов питания. С ними связаны ревматоидный артрит и сердечно-сосудистые заболевания, болезнь Паркинсона и рассеянный склероз. Микробы воздействуют даже на наше поведение! Есть исследования, которые показывают, как трансплантация фекальной микрофлоры людям с заболеванием желудочно-кишечного тракта и аутизмом приводит не только к улучшению состояния кишечника, но и к коррекции симптомов аутизма.
Как и многие изобретения, фекальная трансплантация уходит корнями в далекую древность. Еще в IV веке даосский ученый Гэ Хун поил людей, страдающих от отравления или диареи, жидкостью с разбавленными человеческими экскрементами. Сегодня процедура проводится не так жестоко. Есть три способа: колоноскопия — через «черный ход», желудочный зонд — он вводится через нос или рот, а также капсулы с замороженными или высушенными микробами, которые человек проглатывает как обычные таблетки.
Такое микробное лекарство сложно синтезировать в лаборатории, поэтому ученым приходится открывать банки фекалий, чтобы материала всегда хватало. Первый банк фекалий появился в США в 2012 году — выпускники Массачусетского технологического института полтора года пытались помочь близкому другу, который страдал от проблем с кишечником, вызванных клостридиями, и решили основать некоммерческий фонд OpenBiome, помогающий собирать донорский материал для фекальной трансплантации. Кстати, доноры получают неплохое вознаграждение — 40 долларов за образец.
С самой технологией пересадки бактерий все более-менее ясно, но не совсем понятны ответы на главные вопросы — кому, от кого и в каких случаях стоит трансплантировать кал? Уверенные успехи показывают пока только исследования с вызывающей колит Clostridium difficile — тут процедура может помочь примерно в 90% случаев. Интересные результаты связаны с аутизмом: по итогам работы ученых из Университета штата Аризона 18 детей с этим заболеванием после восьминедельного курса пересадки фекалий показывали улучшение по таким симптомам аутизма, как гиперактивность, повторяющиеся действия и раздражительность. Эффект длился два года.
Есть успехи, связанные с лечением язвенного колита и ожирения. Однако все это первые шаги в понимании того, как дирижирование оркестром бактерий может помочь человеку стать здоровым. Мы пока плохо понимаем, в каких случаях дисбаланс микробиоты является причиной заболевания, а в каких — спутником болезни. Речь идет уже не о «плохих» и «хороших» бактериях, а о том, может ли микробный союз выполнять те или иные функции. Сбалансирована ли жизнь в микромире нашего кишечника?
На что способны бактерии
«Когда пару лет назад на свет появилась моя дочь, жене сделали экстренное кесарево сечение. Но мы взяли ситуацию под контроль и нанесли на девочку слой вагинальных микробов, которые она получила бы естественным путем». Эту историю Роб Найт рассказывал зрителям конференции TED в 2015 году. Звучит все это странно, но на самом деле американский микробиолог поступил как настоящий любящий отец: последние исследования показывают, что есть связь между кесаревым сечением и повышенным риском развития у ребенка ожирения, астмы и атопического дерматита.
— То, как человек появляется на свет, очень важно, — объясняет ученый. — Если он рождается естественным путем, то, как правило, в его микробиоте превалируют бактерии из вагинальной микрофлоры матери. В случае кесарева сечения у ребенка будет больше микробов, которые живут на материнской коже. Вообще флора, которая находится на коже и во рту человека, формируется очень быстро — в течение двух-трех недель после рождения. А вот «населению» кишечника, чтобы оно напоминало микробиоту взрослого человека, как правило, требуется три года.
Большинством своих бактерий человек обзаводится после рождения. Они постепенно заселяют его как необитаемый остров: кишечник, рот, кожу, глаза, гениталии, легкие, подмышки и другие места. Мужчина среднего телосложения носит с собой около трех килограммов микробов, которые помогают ему переваривать пищу, обучать иммунную систему и противостоять болезням. Микробиота плохо переносит атаки антибиотиков, а так как уязвимость здоровья ее хозяина часто связана с сокращением видов бактерий, то чем разнообразнее микромир кишечника, тем лучше себя чувствует весь «остров».
Если генетический материал разных людей совпадает на 99,9%, то микробный — всего на 10%. Ученые проводят массу исследований, чтобы разобраться, почему у кого-то в кишечнике все работает как часы, а у кого-то бактерии устраивают революции. Бурному развитию этой области мы обязаны цифровым технологиям: современные машины для секвенирования ДНК позволяют довольно быстро получать информацию о микробиоме — генах тысяч видов бактерий кишечника, а специалисты-биоинформатики знают, как этот огромный массив данных обработать, чтобы идентифицировать всех жителей нашего тела.
Собирать такие «библиотеки генов» помогают масштабные исследования по изучению сообществ микробов. К примеру, Роб Найт является соучредителем проектов Earth Microbiome («Микробиом Земли») и American Gut («Нутро Америки»). Он и его коллеги выяснили немало занятных фактов: например, чтобы поддерживать здоровую микробиоту, необходимо есть максимально разнообразную растительную пищу — чем больше разных видов овощей и фруктов, тем лучше.
— Еще один удивительный момент связан с мигренью, — отмечает ученый. — Могут ли микробы, содержащиеся во рту человека, извлекать определенные компоненты из продуктов питания, которые вызывают головную боль? Оказалось, что да: так иногда образуется оксид азота, который циркулирует в сосудах, доходит до головы и может спровоцировать мигрень.
Немало интересного можно узнать из исследований связи микробиоты и иммунитета. Оказывается, контакт детей с собаками в первый год жизни снижает риск развития аллергий, однако общение с домашними животными в подростковом возрасте, наоборот, этот риск увеличивает. В своей книге «Смотри, что у тебя внутри» Роб Найт дает вполне конкретные советы молодым родителям: ребенка стоит еще в раннем детстве познакомить с собакой, чаще возить в деревню (там много почвенных микробов), меньше давать ему антибиотики и по возможности кормить грудью. Однако, поощряя знакомство с бактериями, важно не переусердствовать: облизывать больничный пол для маленького человека, разумеется, очень опасно.
Другое перспективное направление — поиск связей между микробиотой и нашими эмоциональными состояниями. В начале года группа европейских микробиологов представила результаты исследования с участием более тысячи больных депрессией. Ученым удалось выяснить, что недуг связан с «бактероидным энтеротипом 2» — это когда в кишечнике человека преобладают бактерии из рода Bacteroides, получающие энергию от переработки белков и сахаров. Ранее ученые из Норвегии находили связь между депрессией и бактериями Oscillibacter, которые вырабатывают вещество, очень похожее на гамма-аминомасляную кислоту — главный тормозной нейромедиатор центральной нервной системы.
Важно понимать: речь пока идет только о том, что наличие этих бактерий сопутствует депрессии, а не о причинно-следственных связях. Но есть и исследования, которые показывают, как употребление тех или иных бактерий может повлиять на эмоциональное состояние. С патологическим чувством тревоги и депрессией, если верить французским исследователям, помогают справиться бактерии Lactobacillus helveticus и Bifi dobacterium longum; к тому же пробиотики могут облегчить синдром хронической усталости. Видимо, потребление некоторых молочнокислых продуктов может стать неплохим способом улучшить настроение.
Большие надежды на изучение микробиоты возлагают ученые, исследующие механизмы старения. По образцу кишечных бактерий, например, можно определить, кто донор — ребенок, взрослый или пожилой. Пока не очень понятно, как «молодая» микробиота поведет себя в условиях немолодого организма, — но что если простая пересадка микробов может замедлить старение? Мало того, оказалось, что у долгожителей есть важные отличия в микробиоте, касающиеся, например, энергетического снабжения организма; похоже, они играют важную роль в достижении долголетия.
Сегодня исследователи понимают, что микробы как минимум связаны с различными болезнями и состояниями нашего организма, а как максимум могут являться их причинами. Одним словом, пора переходить от тактики убийства «плохих» бактерий к тактике поддержки здорового баланса всех микроорганизмов.
Микробы на службе обществу
Если внимательно посмотреть на клавиатуру ноутбука во время набора текста, можно заметить: пальцы обеих рук практически не нарушают невидимую границу, проходящую между клавишами «G» и «H». Эта линия однажды очень заинтересовала Роба Найта и его коллегу Ноя Фирера из Университета Колорадо. Ученые знали, что микробиота левой и правой рук даже одного человека заметно отличается; значит, и на разных частях клавиатуры должны поселиться «левые» и «правые» бактерии.
Все оказалось даже интереснее: каждый палец оставляет на клавишах собственный след из микроорганизмов. Более того, по микробному профилю ладони микробиологам удалось с точностью до 90% определить хозяина компьютерной мыши. Кожные жители оставались на ней спустя две недели при условии, что мышь держали при комнатной температуре. Эти результаты натолкнули исследователей на мысль: а что если у людей есть микробные отпечатки пальцев? — Например, в судебной медицине микробиоту можно использовать в качестве улик, — объясняет Роб Найт. — Взять ту же шариковую ручку — на ней остаются бактерии человека, которому она принадлежит. Еще бактерии могут помочь в изучении следов на одежде, ведь на ней очень сложно обнаружить отпечаток пальца. Человеческая клетка достаточно хрупкая, есть множество ситуаций, в которых ДНК может быть разрушена. Микробы в этом плане более живучие. Правда, пока подобные доказательства не используются в суде: для этого должен появиться очень уверенный прокурор. Зато эту идею уже использовали сценаристы известного телесериала «Место преступления: Майями» — сюжет одного из эпизодов девятого сезона разворачивается вокруг экспертизы микробного отпечатка.
С помощью бактерий в отдельных случаях можно установить даже дату смерти. Для этого криминалистам придется поработать с некробиотой — сообществом микроорганизмов, которые живут на теле мертвого человека. Ученые из Городского университета Нью-Йорка создали программу, которая по микробному составу кожи из ушей и носа довольно точно определяет день гибели человека, даже если трупу несколько недель.
Уникальные способности бактерий пригодятся не только в медицине, но и в криминалистике, в косметологии, даже в быту — к примеру, чтобы избавиться от неприятного запаха пота. Подобный эксперимент провели микробиологи и дерматологи из Гентского университета в Бельгии. Они пригласили близнецов, один из которых страдал осмидрозом — заболеванием, при котором пот приобретает зловонный запах. Этому испытуемому предложили в течение четырех дней мыться антибактериальным мылом, а здоровому брату — не мыться вовсе. Потом у здорового взяли соскоб кожи из подмышек и пересадили его микробы близнецу с осмидрозом. Зловонный запах не просто исчез — эффект сохранялся в течение года наблюдений. Позже эксперимент повторили с 17 добровольцами и их близкими родственниками: у 16 испытуемых состояние заметно улучшилось, а половина из них не вспоминала о неприятном запахе и спустя три месяца.
Возможно, на основе бактерий получится создать не только дезодорант, но и репеллент — отпугиватель насекомых. Голландские биологи из Университета Вагенингена выяснили, что малярийные комары с большим удовольствием кусают людей, на коже которых живут вполне конкретные бактерии — Leptotrichia, Delftia и Actinobacteria. Каких вкусовых предпочтений придерживаются обычные комары или, к примеру, клещи — пока остается вопросом для новых исследований.
Хотя человек давным-давно приручил микроорганизмы для производства кефира, сыра или квашеной капусты, новые идеи для бактериальной кулинарии все равно находятся. Исследователи из Каталонского института пищевой промышленности и сельского хозяйства смогли заметно улучшить вкусовые свойства местного деликатеса — сыровяленой колбасы Фуэт. Они взяли образцы из кишечной микробиоты 43 младенцев, которым не исполнилось и полугода, выделили несколько штаммов бактерий и добавили в мясо. В итоге, отмечают ученые, получилась вкусная и полезная пробиотическая колбаса.
Словом, микробиота — это ключ к созданию персонализированных, ориентированных на нужды и особенности конкретного человека лекарств, биодобавок, косметики… Возможно, через несколько лет любые медицинские карты будут начинаться с двух больших глав, посвященных геному и микробиому. Терапевт точно будет знать, на какие антибиотики и обезболивающие ваш кишечник отреагирует лучше всего, а диетолог легко подберет меню и пробиотики для эффективного похудения. Бактерии — очень важные жители острова по имени Человек. Только заручившись их поддержкой, мы научимся поддерживать здоровье и равновесие в экосистеме собственного тела.
Главные мировые проекты изучения микробиоты
Немного фекалий для общего блага
Созданный в 2012 году проект микробиологов из США Роба Найта и Джеффа Лича American Gut («Нутро Америки») работает по принципу краудфандинга: сегодня от добровольцев собрано уже более 10 000 образцов. Алгоритм участия прост: отправляешь ученым пожертвование (99 долларов или больше) и получаешь посылку — набор для сбора образцов кала, а также анкету с вопросами о возрасте, весе, состоянии здоровья, питании и многом другом. Таким образом исследователи хотят найти связи между изменениями микробиоты и, например, перенесенными операциями, особенностями диеты, местом жительства и другими факторами.
Нечеловеческие гены у людей
Генов бактерий в нас даже больше, чем своих собственных. Изучая здоровье Homo Sapiens, этот факт невозможно игнорировать, поэтому Национальный институт здоровья США в 2008 году решил профинансировать масштабный проект по расшифровке геномов бактерий Human Microbiome Project («Микробиом человека»). Ученые взяли образцы у 242 здоровых мужчин и женщин — со слизистой щек, из носа, с кожи за ушами, из локтевых сгибов, а также образцы фекалий. Пятилетняя работа позволила получить немало занятных выводов: например, что в человеческом организме обитает больше 10 000 различных видов микробов, или что «вредные» бактерии есть у всех, однако «полезные» умеют держать их в узде и не дают активно размножаться.
Чем накормить бактерии?
Чтобы понять, что такое «здоровая» микробиота, нужно вернуться в прошлое — во времена, когда человек не был знаком с фастфудом, антибиотиками и кесаревым сечением. Именно так считает американский микробиолог Джефф Лич, создатель еще одного проекта по изучению микробов — Human Food Project («Питание человека»). Ученый вместе с коллегами исследует рацион питания африканских племен, которые почти не соприкасаются с благами современной цивилизации. Мясо, ягоды, корнеплоды, мед и плоды баобаба — вот весь скромный выбор блюд хадза, коренного народа севера Танзании, который практически не страдает воспалительными заболеваниями кишечника. Джефф Лич пытается найти ответ на вопрос: может ли палеолитическая диета быть полезной для современного человека?
Куда ни плюнь — микроб!
Микроорганизмы, обитающие на коже комодского варана, в кишечнике приматов, на дне океанов, в осадках или в вечной мерзлоте Аляски — исследователи проекта Earth Microbiome Project («Микробиом Земли») собирают образцы буквально отовсюду, где на планете можно найти сообщества бактерий, архей и грибов. Сегодня их библиотека насчитывает уже больше 100 000 образцов из всех уголков света, причем информация о микроорганизмах обрабатывается по единому протоколу и отправляется в открытую базу данных, доступную ученым со всего мира. Такая масштабная инвентаризация, отмечают исследователи, поможет прогнозировать, какие бактерии будут жить в той или иной среде, а еще пригодится, скажем, в судебной медицине: микробы могут подсказать, где побывало орудие убийства или ботинки подозреваемого.
Больница как поле боя
С тех пор, как в XVII веке появился первый родильный дом, мир узнал, что такое родильная горячка — группа инфекций, которые уносили жизни до трети пациенток больниц. Хотя в арсенале современных врачей есть мощные антисептики и антибиотики, внутрибольничные инфекции не ушли в прошлое: некоторые бактерии выживают и становятся очень опасными для человека, ведь они уже устойчивы к лекарствам. Чтобы изучить факторы, которые влияют на размножение микробов в госпиталях, ученые из Чикагского университета в течение года в рамках проекта Hospital microbiome project («Больничный микробиом») собирали образцы с кранов, воздушных фильтров, телефонов, ручек дверей, компьютерных мышек, с рук и из носов пациентов и персонала в двух больницах — новой и давно работающей. Удалось, к примеру, выяснить, что кожная микробиота пациента «встраивается» в микробиоту больницы всего за 24 часа.
Как отмыть деньги?
Не зря мамы ругают детей за то, что те не моют руки после похода в магазин: на одной купюре, как выяснили исследователи Нью-Йоркского университета, живет около 3000 разных видов бактерий, причем некоторые из них устойчивы к антибиотикам. В рамках проекта Dirty Money Project («Грязные деньги») ученые проанализировали пробы с 80 однодолларовых купюр из Банка Манхеттена. Выяснилось, что на наличке встречаются бактерии, способные вызывать прыщи, язву желудка и пищевое отравление. Ученые смогли идентифицировать только каждого пятого микроба. Главная цель исследования — собрать информацию, которая поможет предотвратить вспышки инфекционных заболеваний.
Секреты микробов из пупка и подмышек
Американские биологи Холли Меннинджер и Роб Данн изучают микробные сообщества, которые живут у нас буквально под носом: в насадках для душа, на заднем дворе или на кухонной мебели. В 2012 году они исследовали, как из-за дезодорантов меняется микробиота подмышек, а также насколько микробный состав подмышечных впадин отличается у людей, а также шимпанзе, горилл, макак-резусов и бабуинов. Другое их исследование посвящено бактериям из пупков, которые исследователи назвали «микробными джунглями»: в 60 образцах нашли 2300 разновидностей. Ученые пытались понять, как микроорганизмы связаны с полом, возрастом, этнической принадлежностью и даже частотой мытья пупков доноров, но пока, увы, никаких впечатляющих связей не обнаружили.
Микрозоопарк городской подземки
В каменных джунглях тоже живут бактерии, которые интересуют ученых. В 2015 году группа американских медиков и биологов представила проект PathoMap — бактериальную карту всех станций нью-йоркской подземки, городских парков и канала Гованус — одного из самых грязных мест на планете. Образцы для анализа ДНК собирали с поручней, скамеек, урн, турникетов и билетных касс. Что интересно, в центре города нашли возбудителей сибирской язвы и бубонной чумы, но, к счастью, они были мертвыми. Большинство микроорганизмов все-таки оказались безопасными; правда, хозяев половины ДНК ученые так и не определили. Зато исследователи увидели, что микробиом метрополитена может рассказать об истории и демографии города: на станциях, где случался потоп, легко удалось найти морские бактерии, а около Чайнатауна — обнаружить смесь генов, характерных для обитателей Восточной Азии и Латинской Америки.
Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl