Для чего нужны микроорганизмы
Микроорганизмы
Содержание
Общие сведения
Повсеместная распространенность и суммарная мощность метаболического потенциала микроорганизмов определяет их важнейшую роль в круговороте веществ и поддержании динамического равновесия в биосфере Земли.
Краткое рассмотрение различных представителей микромира, занимающих определенные «этажи» размеров, показывает, что, как правило, величина объектов определенно связана с их структурной сложностью. Нижний предел размеров свободноживущего одноклеточного организма определяется пространством, требуемым для упаковки внутри клетки аппарата, необходимого для независимого существования. Ограничение верхнего предела размеров микроорганизмов определяется, по современным представлениям, соотношениями между клеточной поверхностью и объемом. При увеличении клеточных размеров поверхность возрастает в квадрате, а объем — в кубе, поэтому соотношение между этими величинами сдвигается в сторону последнего.
Среда обитания
Микроорганизмы обитают почти повсеместно, где есть вода, включая горячие источники, дно мирового океана, а также глубоко внутри земной коры. Они являются важным звеном в обмене веществ в экосистемах, в основном выполняя роль редуцентов, но в некоторых экосистемах они — единственные производители биомассы — продуценты.
Микроорганизмы, обитающие в различных средах, участвуют в круговороте серы, железа, фосфора и других элементов, осуществляют разложение органических веществ животного, растительного происхождения, а также абиогенного происхождения (метан, парафины), обеспечивают самоочищение воды в водоемах.
Впрочем, не все виды микроорганизмов приносят человеку пользу. Весьма многочисленное количество видов микроорганизмов является условно-патогенной или патогенной для человека и животных. Некоторые микроорганизмы вызывают порчу сельскохозяйственной продукции, обедняют почву азотом, вызывают загрязнение водоемов, накопление в продуктах питания ядовитых веществ (например, микробных токсинов).
В природе среда обитания с такой температурой существует под давлением в горячих вулканических источниках на дне океанов (Черные курильщики).
Известны микроорганизмы, процветающие при гибельных для многоклеточных существ уровнях ионизирующего излучения, в широком интервале значений рН, при 25 % концентрации хлорида натрия, в условиях различного содержания кислорода вплоть до полного его отсутствия (Анаэробные микроорганизмы).
В то же время, патогенные микроорганизмы вызывают болезни человека, животных и растений.
Наиболее общепризнанные теории о происхождении жизни на Земле предполагают, что протомикроорганизмы были первыми живыми организмами, появившимися в процессе эволюции.
Микроорганизмы в нашей жизни
Микроорганизмы – это одноклеточные живые организмы, нахождение которых определяется только с помощью микроскопа. Для определения этих организмов 26 февраля в 1878 году французский филолог Эмиль Литтре по предложению французского военного врача-хирурга Шарля-Эммануэля Седийо ввел понятие «микроб».
Микроорганизмы представляют собой важное звено в обмене веществ в экосистеме. Они могут находиться в различных сферах обитания, особенно там, где имеется вода. Было проведено множество исследований о развитии микроорганизмов и их влиянии на нашу жизнь. Стоит отметить, что существует два ключевых вида микробов – полезные и вредные. Полезные микроорганизмы помогают регулировать правильное функционирование организма. В теле человека заложено около 90 миллиардов хороший бактерий для улучшения здоровья и поддержания иммунитета. Это примерно два килограмма полезных бактерий, которые необходимы каждому из нас.
У вредных микроорганизмов задача стоит другая – они всячески пытаются подавить здоровый организм, вызвав при этом аллергическую реакцию на животных, предметы, продукт или средство. Согласитесь, что бóльшую часть своей жизни мы проводим в помещениях, где с нами соседствует несчетное количество вредных бактерий и грибов. О их существовании уже давно известно, но только нет точного определения и разновидностей этих организмов. Учёными обнаружено более 100 000 видов бактерий, грибов и крохотных клещей, обитающих в комочках домашней пыли.
Известно, что в 1м³ воздуха жилых помещений насчитывается порядка 20 тысяч микроорганизмов – это бактерии, споры и клетки грибов, а также микроскопические водоросли. Но это ещё не всё: тысячи видов микроскопических организмов прячутся в одежде, ванной, на кухне и в наших постелях. К сожалению, полностью избавиться от домашних «вредителей» невозможно, но в наших силах повлиять на их состав, а для этого необходимо знать, какие факторы формируют сообщество домашних микроорганизмов.
Вернемся к полезным микробам. Кроме человеческого организма они также хорошо влияют на работу селькохозяйственных культур. Специализированные микробы, разработанные людьми, широко используются и в этой области. Благодаря искусственно полученным микробам аграрии могут повышать количество доступных для растений нутриентов путем добавления азотфиксирующих бактерий к своим культурам, а также используют особые симбиотические грибки. До появления искусственно полезных микроорганизмов ученые могли лишь наблюдать и изучать микробные виды, которые легко культивировать в лаборатории с использованием традиционных подходов, составляющие лишь крошечную часть от микробного мира. Однако сегодня с помощью новых методов в разработке микробных технологий, они могут исследовать гены микроорганизмов путем секвенирования, а также изучать их функциональность, используя высокопроизводительные методы скрининга для поиска микробов с определенным набором атрибутов. Кроме того, возможна и генная инженерия микроорганизмов, которая позволит не только выводить новые организмы с заранее заданным набором характеристик, но и буквально создавать совершенно новый вид микробов, полезных для окружающей среды.
Материал подготовлен на основе открытых источников.
Мир внутри нас: зачем человеку микробы
Еще в 11 веке предполагали, что возникновению инфекционных болезней способствуют какие-то мельчайшие существа. Но только спустя восемь столетий, во Франции нашелся человек, сумевший доказать существование микроорганизмов.
Пастер и микроорганизмы
Луи Пастер оказался тем самым ученым, который свои теории доказывал на практике, затыкая за пояс мнение и домыслы коллег. Он предположил, что в процессе разложения органических веществ участвует что-то еще и скорее всего оно живое. Ведь каким-то образом одни вещества видоизменяются, а другие меняют количество. На доказательство своей правоты ученый потратил тридцать лет жизни, попутно разбив теорию о самозарождении жизни и доказав, что есть бактерии, часть которых не может существовать без воздуха, а другая часть – наоборот.
Брюшной тиф, унесший жизни троих детей ученого, привел Пастера в медицинскую среду. С 1876 года его внимание полностью сосредоточилось на поиске и изучении возбудителей инфекционных заболеваний. Он и раньше посещал госпитали с целью исследования процессов гниения и заражения тканей, пострадавших от ран. Именно Пастеру удалось определить возбудителей самых «популярных» для своей эпохи заболеваний – холеры, бешенства, сибирской язвы и родильной горячки.
Так микробы, они же бактерии, вышли из тени и получили от человека право на существование в природе.
Как живут бактерии
Бактерии составляют 95% разнообразия форм жизни на планете. Некоторые из них – настоящие экстремалы, которые живут там, где ничего другое не приживается. Например, в условиях вечной мерзлоты, в горячих источниках или концентрированной соляной среде Мертвого моря.
Как и любые другие организмы, бактерии живут сообществами. У них тоже существуют взаимоотношения: зависимость друг от друга, взаимопомощь и конкуренция. И даже есть свой способ общения – вещества, по концентрации которого микроорганизмы определяют, есть ли место на данной территории, есть ли пища и конкуренты. Это вещество люди назвали антибиотиком.
Зачем нашему организму нужны микробы
Бактерии живут своей жизнью и даже не догадываются о том, что человек существует и уж тем более боится их нападения. Более того, их в десятки раз больше, чем клеток нашего организма (а клеток, на минуточку, триллионы).
Учеными доказано, что плод живого существа – стерилен, в нем нет никакой сторонней фауны. Первые микробы новорожденный получает при прохождении через родовые пути и с молоком матери. Это важный этап формирования иммунитета у юного организма. Пожизненное количество микробов у человека формируется годам к 4-5, а на протяжении остальных лет только меняется.
Львиная доля микроорганизмов проживает в кишечнике. Если попробовать представить кишечник без его физической оболочки, то плотный контур и форму сохранят микробы – настолько их много. Они выполняют ту работу, с которой наш организм самостоятельно не справится.
Например, микробы нас:
Так что как ни крути, а без бактерий риск вымереть куда выше.
Откуда тогда инфекции?
Микроорганизмы быстро и хорошо адаптируются к новым условиям жизни. Они постоянно обмениваются генами и многочисленными вирусами. Именно вирус и есть виновник инфекционных заболеваний.
Дело в том, что у вируса нет собственной клетки, поэтому он может жить только в качестве «паразита», пристраиваюсь в геном бактерии. Так образуется новый организм, который либо погибает, либо провоцирует вспышку инфекции.
В большинстве случаев благоприятные условия для дальнейшего развития инфекции человек создает сам. Взять экологию. Из-за вырубки лесов, осушения водоемов и загрязнений дикие животные оказываются без дома и переселяются поближе к человеку в поисках пищи и укрытия. В свою очередь, их микроорганизмы начинают контактировать с нашими через длинные пищевые цепочки. Это не значит, что нужно уничтожать дикую природу, это значит, что нужно оставить ей ее место на планете в том количестве и чистоте, которые ей необходимы.
Вы можете возразить: в Средневековье-то почище было. Нет, нет и еще раз нет. С точки зрения применения химии – да, а вот переизбыток отходов на улицах, огромное количество крыс и насекомых открывали двери для чумы и тифа.
Другой пример – чрезмерное употребление искусственных антибиотиков. Это сильно изменило среду обитания микроорганизмов. «Плохие гены» получили свой собственный иммунитет и стали сильно мешать при лечении различных заболеваний. Возможно, вы обращали внимание, что в один прекрасный момент перестает действовать проверенное лекарство – это, пожалуй, самый наглядный пример такой деятельности.
Злоупотреблять не стоит
Вот пример. Вы намыли полы с хлоркой, потому что уверены – хлорка уничтожает все бактерии. Протерли с антисептиком все поверхности. Помыли всех членов семьи, включая кота и собаку для пущей чистоты. Но вот пришла соседка и принесла свои микробы. Натрясла их с тапок на коврик в прихожей, выдохнула при разговоре, приклеила к коту, когда гладила его. Неужели все заново? Только представьте, сколько времени тогда будет занимать уборка. К тому же, если у вас нет аллергии на дезинфицирующие средства сейчас, то вполне возможно, что она скоро проявится. Чистоту можно поддерживать и более гуманными способами, например, с помощью экологичных средств для уборки – они помогут в борьбе с грязью без вреда окружающей среде. А кота мыть не обязательно – у него свой бактериальный баланс, без которого он просто зачахнет.
Человек – существо, живущее в симбиозе с бактериями. Поэтому ни чрезмерная чистота, ни такое же загрязнение нам не подходят. В первом случае нашему иммунитету просто не с кем будет бороться, он ослабнет и в случае ЧП ничем не сможет помочь. Во втором – есть риск, что он не справится с навалившейся работой и сдастся. Ни один из вариантов для полноценной жизни не подходит.
Мы и наши микробы
Сама фраза «Мы и наши микробы» свидетельствует о сформировавшемся антропоцентрическом взгляде на микроскопических обитателей нашего тела — микробиоту. Однако микробиота представляет собой неотъемлемую часть нашего организма, развиваясь и функционируя как остальные органы и ткани. Недаром ученые говорят о «суперорганизме», или о том, что каждый из нас представляет собой сложную экосистему. Несмотря на годы изучения микробиоты, эта история далека от своего завершения. Количество непознанного и непонятного здесь существенно больше того, что удалось открыть, хотя уже полученные результаты потрясают.
Об авторе
Вадим Маркович Говорун — академик РАН, профессор, доктор биологических наук, генеральный директор Федерального научно-клинического центра физико-химической медицины ФМБА России (Москва). Специалист в области молекулярной диагностики, геномики, протеомики и системной биологии. Автор и соавтор более 320 научных работ.
Американский профессор Джеффри Гордон, которого называют «отцом микробиома», в 2015 г. был номинирован на Нобелевскую премию за исследования взаимодействий бактерий кишечника с кишечной стенкой и организмом человека в целом, что говорит о серьезности научных результатов, получаемых в этой области. Так что же такое микробиом (микробиота), и почему так трудно определить, кто, как и с кем взаимодействует?
Поразительный факт: численность населяющих наше тело микроорганизмов (вирусов, бактерий, грибков), подавляющая часть которых обитает в желудочно-кишечном тракте, превышает общее число собственных клеток человека. Но самое удивительное — это разница в количестве генов, которые эти микроорганизмы несут: в среднем их в 500 раз больше, чем генов человека.
Микроорганизмы выполняют очень важные для нас функции, в том числе трофические и регуляторные. К примеру, кишечные бактерии разлагают непереваренные остатки пищи, выделяют в просвет кишечника различные соединения, включая витамины, ферменты и другие биологически активные вещества. Микроорганизмы активно участвуют в обменных процессах, в том числе в детоксикации, разлагая яды и токсины, поступающие с водой, пищей, воздухом и т. п.
Вся наша микробиота весит около 2 кг, что сопоставимо с такими крупными органами, как головной мозг или печень. Но в отличие от органов человека она очень плохо изучена, особенно с учетом того, как сильно микробиота варьирует от человека к человеку и у одного человека в зависимости от его состояния. И самое главное таинство — это то, как из нормального физиологического состояния она переходит в патологическое.
Микробиотой называют совокупность всех микроорганизмов (вирусов, бактерий, грибков), населяющих тело человека. Резидентная, или облигатная, микробиота — это микроорганизмы, постоянно присутствующие в определенном отделе организма. Это сообщество, образовавшееся в процессе совместной эволюции микробов и макроорганизма, симбиотически связано с последним и часто выполняет защитную и другие полезные для него функции. Сама же микробиота таким образом обеспечивает себе устойчивые условия для существования. Наряду с резидентной существует и транзиторная микробиота — это «посторонние» микроорганизмы, неспособные постоянно существовать в нашем теле.
Как полнеть «из воздуха»
В современную индустриальную эпоху некогда существовавшие микробные балансы человеческого организма повсеместно нарушаются. Это приводит не просто к дискомфорту, но и к ускоренному старению, развитию множества патологических состояний, и не только желудочно-кишечного тракта. Что до кишечника, то за последние полвека частота его заболеваний, в том числе онкологических, взрывообразно возросла, причем в развитых странах начинает лидировать рак толстой кишки. Добавьте к этому воспалительные заболевания, такие как колиты и болезнь Крона.
Налицо факт микробного дисбаланса, который присущ не отдельным индивидам, а целым популяциям. Парадокс: питаться люди стали, на первый взгляд, лучше и разнообразнее, но практически у каждого человека наблюдаются те или иные признаки пищеварительной дисфункции.
Оказывается, дело не всегда в том, какое количество пищи и даже калорий человек потребляет. Потому что в зависимости от ферментативных свойств отдельных классов, родов и видов бактерий наша микробиота способна утилизировать даже те компоненты пищи, которые традиционно считались неперевариваемыми. Вспомним старую поговорку, что кто-то «полнеет прямо из воздуха». Это означает, что бактерии, извлекая такие дополнительные калории, делятся с организмом и запускают ряд процессов, приводящих к ожирению.
Спектр функций нормального кишечного микробиома крайне широк — недаром его иногда выделяют в качестве отдельного органа человека. Соединения, вырабатываемые микроорганизмами, активно участвуют практически во всех метаболических процессах в организме человека. По: (Полунина, 2018)
С точки зрения химика, ЖКТ — достаточно уникальная конструкция. Желудок и тонкий кишечник, запертые сфинктерами, представляют собой большие химические реакторы, где процесс пищеварения проходит с помощью ферментов, химических веществ и сильных детергентов, включая холевые кислоты, выделяемые с желчью. А благодаря кислотной среде желудка и отсутствию кислорода в тонком кишечнике там создаются относительно стерильные условия. На этой стадии из пищи извлекаются легкоусвояемые метаболиты: жиры, аминокислоты или короткие пептиды, а также «быстрые» углеводы.
Верхние отделы ЖКТ слабо обсеменены бактериями, и это неслучайно. Кислотность, антибактериальные ферменты ротовой полости и некоторые иммунные факторы контролируют процесс размножения микроорганизмов настолько, чтобы справляться и с возможными гнилостными процессами в пище. Но если в районе тонкого кишечника численность микробов возрастает, это сопровождается патологическими реакциями. Бактерии не только поедают легкоусвояемые метаболиты, но и выделяют токсины, которые тотчас всасываются в кровь.
В толстый кишечник попадает уже то, что не переварилось. В нижних отделах тонкой кишки, в месте перехода в толстый кишечник, почти полностью реабсорбируется желчь — очень токсичный продукт для микроорганизмов. Поэтому в толстом кишечнике, где среда практически нейтральна и концентрация кислорода выше, выживают разнообразные бактерии, которые очень тонко и «интимно» кооперируются.
Мечников считал, что раз в толстом кишечнике развиваются гнилостные процессы, приводящие к аутоинтоксикации организма, то его удаление позволит человеку жить дольше. Гипотеза о пользе резекции толстой кишки оказалась ложной (в то время не знали про все функции микробиоты этого отдела ЖКТ). Однако придуманные для борьбы с гниением пробиотические препараты начали производить сначала в США, а потом и по всему миру. Так ошибка гения породила огромную индустрию.
Существует ли нормофлора?
В последние годы микробиота, обитающая на различных слизистых тканях человека, интенсивно исследуется как новая мишень для фармакологии. Поскольку медицина меняет свою философию, усиливая предсказательные и профилактические функции, кажется, что именно это новое биомедицинское направление позволит нам если не излечивать, то хотя бы предотвращать наступление тех или иных заболеваний.
Но чтобы направленно влиять на нашу микробиоту, мы должны сначала понять, что представляет собой «нормальная микрофлора». Понятие нормофлоры довольно иллюзорное. Можно считать, что у человека все в порядке, если он хорошо себя чувствует и его ничего не беспокоит с точки зрения пищеварения.
Существует множество факторов, определяющих состав и численность кишечного микробиома конкретного человека. Среди них можно выделить ключевые, связанные как с особенностями окружающей среды, так и с образом и историей жизни самого человека. По: (Quigley, 2017)
Если судить более глубоко, то нормофлора — это такое состояние триллионов клеток бактерий, при котором, во-первых, в организме не возникает воспалительной реакции. Во-вторых, спектр метаболитов, который микробиота продуцирует, достаточен для ее автономного существования в течение длительного времени без дополнительных бактериальных интервенций.
До сих пор идут споры: можно ли это микробиотное царство разбить на энтеротипы либо это некие динамические состояния, которые переходят одно в другое, не поддаваясь четкой классификации.
Вообще на микробное сообщество влияют многие факторы. В целом высокое разнообразие микробов и их генов в кишечнике — это хороший признак. С возрастом многообразие микробиоты падает. Подсчет генов в микробных сообществах показал, что их число у пожилых и больных людей падает примерно в два раза по сравнению со здоровыми и молодыми. И это приводит к развитию метаболического синдрома, диабета и других заболеваний.
В разных странах микробиота людей также имеет свои особенности. Но это вопрос контекста. Если, к примеру, взять города-миллионники в РФ и Европе, то никаких особенных отличий вы не обнаружите. А вот в глубинке, вдали от крупных городов, микробиота будет намного разнообразнее, напоминая микробные сообщества, характерные для людей, живших 100–150 лет назад. Это говорит о том, что, когда мы не потребляем много продуктов так называемого индустриального питания, наш микромир стремится к разнообразию.
В микробиом толстого кишечника могут входить сотни видов различных микроорганизмов, но у взрослого человека преобладают бактерии Firmicutes и Bacteroidetes. Разнообразие микроорганизмов с возрастом падает. Методом подсчета генов в микробных сообществах было показано, что пожилые люди имеют примерно в два раза меньше этих генов, чем молодые
На сегодня важно, что мы научились изменять бактериальную динамику, так как интерес представляет не только и не столько состав микробиома, сколько его реакции на наши активные действия, например когда мы путешествуем, меняем характер питания, попадаем в больницу и т. п. Ведь микробиота, как и клетки нашего организма, накапливает мутации. У нас это нередко заканчивается онкологическими трансформациями клеток, но понять, что происходит с микробиотой, пока не удается. Так, известно, что уровень мутагенеза у бактерий коррелирует с частотой использования антибактериальных препаратов. И если посмотреть на антибактериальную политику в разных странах — Китае, США, Европе — и на число мутаций, которые накапливаются в микробах, то мы увидим прямую, очень четкую связь.
Сейчас ведутся метагеномные исследования по поиску закономерностей, связывающих присутствие в микробиоме тех или иных микроорганизмов с развитием заболеваний. К примеру, китайские исследователи показали связь между наличием определенных бактерий и формированием диабета 2-го типа. Но пока это лишь формальное описание феномена — сам механизм непонятен.
Нельзя забывать и об экологической составляющей микробиома. Ведь в природе синхронизируются потоки не только человеческих генов, передаваемых по наследству, но и бактериальных, которые передавались и передаются в популяциях людей как вертикально, так и горизонтально. К примеру, большинство млекопитающих являются копрофагами, это закрепленное поведение. Есть такой рефлекс и у приматов, и у людей, однако детей уже на ранних стадиях кормления от него отучают. С точки зрения санитарии это оправданно, с точки зрения бактериального переноса — не очень.
В «магазинных» продуктах содержится много генов антибиотикорезистентности, так как большинство сельскохозяйственных животных так или иначе контактирует с антибиотиками. Эти вещества используют для активации роста, снижения издержек от инфекционных заболеваний, что актуально, когда животных содержат скученно. И мы сами нередко применяем антибиотики при любых заболеваниях, а не только бактериальных.
В результате в среде происходит постепенное накопление генов устойчивости к антибиотикам. В одной из первых статей на эту тему было показано, что в почве содержится большинство современных, при этом не химически синтезированных антибактериальных соединений, которые являются природными средствами межбактериальной коммуникации.
Но самым гигантским резервуаром антибиотикоустойчивых генов сейчас является человечество. Многие инфекционные заболевания, такие как эмфизема легких, хронические пневмонии и бронхиты, которые ранее считались внутрибольничными инфекциями, — результат попадания в кровоток бактерий из их естественных «местообитаний» в нашем теле. Перемещаясь, к примеру, из кишечника в легкие, такие микроорганизмы могут привести к болезни и даже гибели человека.
В идеале для смены курсовых комбинаций антибиотиков пациентам необходимо иметь карту их антибиотикорезистентности. Иначе, как и в других странах, у нас появятся супербаги — штаммы бактерий, нечувствительные к антибиотикам.
Какие существуют механизмы обратной связи между организмом и его микрофлорой? К примеру, когда вы садитесь на диету, ваши кишечные палочки секретируют пептиды, схожие с белковыми релизинг-факторами, которые выделяются в центральной нервной системе и служат для регуляции аппетита. Эти гормоноподобные бактериальные вещества, попадая в кровь, вызывают у вас чувство голода. Так бактерии «заставляют» вас их кормить.
Второй пример касается людей, которые обычно потребляют мало белков животного происхождения. Соответственно, у них будет недостаток пищеварительных ферментов, в частности протеаз и липаз в тонком кишечнике. Если таким людям на пикнике «налечь» на шашлык, то белковые тела попадут в толстый кишечник, где не могут быть использованы из-за отсутствия протеолитических ферментов. В результате в кишечнике запускаются интенсивные гнилостные процессы, вызванные бурным развитием анаэробных гнилостных бактерий. На следующее утро в результате аутоинтоксикации такие люди чувствуют себя как после тяжелого похмельного синдрома.
Покажите ваши метаболиты
Один из оптимальных способов оценки микробиоты — анализ спектров бактериальных метаболитов. Но и здесь не все так просто, так как последние представляют собой очень большую и плохо изведанную палитру.
Одна из проблем заключается в том, что нет надежных способов отличить эндогенные метаболиты, которые производятся клетками человека, от попадающих в организм с продуктами питания, водой, воздухом, а также созданных микроорганизмами. На животных это можно сделать с использованием радиоактивных или изотопных меток, на человеке — нет.
Но существуют группы метаболитов, которые можно рекомендовать для применения в медицинской практике. Прежде всего это короткоцепочечные жирные кислоты. Это рутинный анализ: сегодня их соотношение определяют у любого пациента с проблемами кишечника еще до постановки диагноза.
Метаболиты фекальных масс — это относительно простые вещества, которые синтезируются микроорганизмами кишечника (вторичные жирные кислоты, аммиак, оксиды азота, сероводород и др.) или поступают с пищей (аминокислоты и другие нутриенты). Всасываясь через кишечную стенку, метаболиты регулируют различные процессы в организме человека: пищеварение, сердечно-сосудистую и мышечную деятельность и даже когнитивные функции. Кроме того, метаболиты по принципу обратной связи регулируют состав микробиоты кишечника, активно влияют на состояние кишечной стенки и процессы воспаления. Метаболиты некоторых бактерий могут быть токсичны для человека (Levy, 2017; Cani, 2019 и др.). Вверху в центре — нормальное соотношение разных метаболитов в фекалиях человека
Вторая группа — гормоноподобные вещества, которые происходят из фолиевых кислот. В зависимости от спектра бактерий, которые окисляют либо продукты аддуктов фолиевой кислоты с глюкуронидами, либо ее саму, могут образовываться активные соединения стероидного ряда, имеющие свои рецепторы на надпочечниках, перикарде, миокарде, легких и т. д. Однако эти вещества эндокринологи сейчас просто «не видят».
Третья группа — индолы, которые в зависимости от химической модификации могут либо оказывать защитное действие, подавляя опасные кишечные патогены, либо быть мощным модулятором противовоспалительных реакций.
Баланс всех этих веществ важен не только для назначения персонифицированных схем лечения, но и для понимания, насколько хорошо удалось добиться конечного результата — надежной стабилизации физиологии пациента.
По-видимому, ученым и медикам предстоит большая работа по созданию ориентированной на медицину таблицы бактериальных метаболитов, разработке относительно дешевых методов их регистрации и понятных для врачей способов интерпретации. Другими словами, речь идет о выработке «показаний». И мерить метаболиты намного проще и правильнее, чем каждый раз определять состав микробиома (последнее гораздо важнее для фундаментальной науки, чем для практической медицины).
И снова дисбактериоз
В российской педиатрической практике до сих пор можно встретить диагноз «дисбактериоз», хотя в официальных международных классификациях болезней, например МКБ-10, такого заболевания не существует. В случае диареи или других кишечных проблем у ребенка берут кал на посев, бактериологическая лаборатория подсчитывает количество 20–30 микроорганизмов (бифидо-, лакто-, актинобактерий и др.). Главной целью этих анализов является установление наличия воспалительного синдрома в кишечнике. Но бывают случаи, когда анализ четко показывает дисбактериоз, а человек чувствует себя нормально, никаких клинических симптомов нет, и наоборот.
Лактобактерии используют при производстве молочнокислых продуктов, а также пробиотиков. Их численность у человека увеличивается во время грудного вскармливания. Вверху — Lactobacillus acidophilus, представители нормофлоры полости рта, толстой кишки и влагалища; справа — L. paracasei, обитающие в кишечнике и ротовой полости. Фото: Bob Blaylock и Horst Neve (Max Rubner-Institut)
Само слово «дисбактериоз» не совсем правильное. Речь идет скорее о дисбалансе, который касается не столько количественных характеристик бактерий, сколько большого числа метаболических параметров, включая содержание в кале коротких жирных кислот, индолов, свободной ДНК человека (если есть диарея, т. е. воспалительный синдром, кишечный эпителий активно слущивается). И дисбаланс проявляется не только внутри кишечника, как раньше думали, — это системное заболевание.
Дисбаланс кишечной флоры связан с развитием онкологических заболеваний, различных форм воспалительных процессов, а также с инфекцией клостридиями (эти бактерии часто присутствуют в кишечнике в небольшом количестве, обычно не вызывая патологии). Как правило, клостридиальная инфекция является психогенной; этих тяжелых пациентов долго и массированно лечат антибактериальными средствами.
С дисбалансом кишечной микрофлоры связано развитие не только болезней желудочно-кишечного тракта, но и ряда других органов, а также системных и онкологических заболеваний и различных форм воспалительных процессов. По: (Schroeder & Bäckhed, 2016)
Когда увлекались секвенированием генов и поиском бактериальных ассоциаций, выяснилось, что с кишечной микробиотой каким-то образом связаны очень многие, самые разные болезни. Среди них — метаболический синдром, диабет 2-го типа, астма, аутизм. Известно, что подсадка мышам микробиоты пациента с аутизмом приводит к формированию сходного синдрома, который снимается пересадкой микробиоты здоровых доноров.
Алкоголизм можно рассматривать как болезнь: у алкоголиков снижено пищевое потребление, они являются истощенными людьми. Мы изучали, может ли изменение микробиоты быть у них очередным патогенетическим путем, усугубляющим течение заболевания, и действительно нашли некоторые закономерности. У алкоголиков, особенно при тяжелых состояниях, обнаружено много видов бактерий, «настроенных» на использование продуктов цикла метаболизма этанола. В целом разнообразие микробиоты у них снижено, при этом выявляются бактерии, отсутствующие в нормальных микробиомах.
Болезнь Крона
Остановимся подробнее на болезни Крона, хроническом воспалительном заболевании кишечника. За последнее столетие эпидемиология этого тяжелого заболевания существенно изменилась в худшую сторону: от 2–3 случаев на 100 тыс. человек в начале прошлого века до 150, как в некоторых современных скандинавских странах. Причем в эту статистику вошли лишь случаи с яркой клинической картиной. В связи с развитием методов капсульной эндоскопии, которая дала возможность смотреть прямо в середину тонкой кишки, эта статистика, вероятно, еще больше изменится.
Один из достоверных дисбалансов в микробиоте кишечника при болезни Крона связан с численностью кишечной палочки: у 30–60% таких больных содержание E. coli в кишечнике на один-два порядка выше, чем у здоровых. По: (Gevers et al., 2014)
Попыток объяснить причины и механизм развития болезни Крона было много. Так, есть генетическая теория для случаев чисто аутоиммунного процесса. И сегодня мы уже можем достаточно аккуратно распознавать генетические паттерны, которые коррелируют с вероятностью развития этой болезни у конкретного человека.
Исторически болезнь Крона ассоциировали со многими инфекционными заболеваниями, например туберкулезом кишечника. Недавно французские специалисты при исследовании западноевропейской популяции обнаружили, что с болезнью Крона тесно ассоциирован специализированный штамм кишечной палочки LF82. Этот известный уропатогенный штамм вызывает циститы (воспаление мочевого пузыря) и имеет склонность к повышенной адгезии и инвазии в клетки эпителия. Оказалось, что у некоторых пациентов с болезнью Крона эта кишечная палочка составляет до 80% микробных сообществ, окружающих язвы в тонком кишечнике (в норме эта концентрация не превышает 3%).
Кишечная палочка (Escherichia coli) — один из самых известных обитателей нижней части кишечника теплокровных животных. Большинство штаммов E. coli безвредны. В кишечнике эта бактерия синтезирует витамин K и предотвращает развитие патогенных микроорганизмов. Фото: CDC / Janice Haney Carr (вверху слева); NIAID / E. Erbe (справа)
Казалось бы, если найден патоген, то можно как минимум продвинуться в лечении. Но, проведя филогенетический анализ, т. е. выделив и охарактеризовав штаммы у наших российских пациентов, мы поняли, что «наша» кишечная палочка отличается большим филогенетическим разнообразием и может принадлежать к обычной симбиотической флоре человека.
То, что мы обнаружили, является продолжением «философии контекстов». Во всех исследованных штаммах кишечной палочки у пациентов с болезнью Крона были найдены опероны (функциональные единицы генома у бактерий), связанные с утилизацией пропандиолов — продуктов распада фукозы, которая является частью защитной слизи, выделяемой слизистой оболочкой кишечника.
Эти и другие особенности бактерий кишечной палочки (например, присутствие генов, кодирующих железосодержащие белки-антиоксиданты) дают им преимущества относительно других штаммов микроорганизмов, находящихся в этот момент в кишечнике, что напоминает некоторые социальные модели развития человеческих обществ, когда скрытые группы людей при некоторых условиях становятся сильными и главными бенефициарами.
Речь идет о новой гипотезе, что кишечная палочка, не являясь в принципе патогеном, вызывающим конкретное заболевание, при развитии определенного сценария, связанного с применением антибиотиков, дисбактериозом, химическим отравлением или какими-то хроническими воспалительными процессами в слизистой, начинает получать все больше возможностей для размножения, ее численность становится подавляющей. Так начинается запуск патологического процесса.
Что такое ТФМ?
Наверное, далеко не все знают про процедуру трансплантации фекальной микробиоты (ТФМ). Не так давно американское Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов решило приостановить применение ТФМ в клинической практике, сославшись на два осложнения (одно со смертельным исходом) при пересадке кала. Причина — инфицирование пациентов штаммами кишечной палочки с генами множественной лекарственной устойчивости к антибиотикам.
Здесь нужно упомянуть, что в России смертельные осложнения от аппендицита составляют 1,5%, хотя его давно научились оперировать. Если взять все опубликованные протоколы ТФМ, то мы получим процент осложнений меньше 0,001%. К тому же это были пациенты после онкологических операций и химиотерапии, явно ослабленные. А, к примеру, наши коллеги из НИИ детской онкологии, гематологии и трансплантологии им. Р. М. Горбачевой (Санкт-Петербург) с помощью ТФМ спасают детей с острыми лейкозами, у которых главным осложнением лечения является сепсис. Использование ТФМ в такой безальтернативной ситуации, когда иммунной системы практически нет, а антибиотики не работают, может спасти до 60% пациентов.
Но, действительно, необходимо очень четко выработать показания к применению ТФМ. Все это вопрос контекста: если мы делаем процедуру, правильно оценив все балансы, существующие на данный момент у конкретного пациента, то имеем все шансы ему помочь.
Манипуляции с микробиотой — это одно из направлений в персонализированной медицине. Так же как в случае применения таргетных препаратов, имеющих побочные действия, это должно быть очень обдуманным шагом. Оценить все возможные взаимоотношения между микробиотой и организмом практически невозможно: их настолько много, что они даже до конца не каталогизированы. Но вполне реально разработать так называемые суррогатные оценочные приемы на основе метаболического профилирования, анализа воспаления, эндоскопических практик и определенных методов контроля.
Сенная палочка Bacillus subtillis в последние годы рассматривается как один из самых перспективных пробиотиков, который способствует усилению неспецифического и специфического иммунитета и стимулирует рост нормальной микробиоты кишечника (Савустьяненко, 2016). Фото felixtsao
Наши наблюдения за ТФМ и процессами заселения кишечника «чужими» бактериями показывают, что, как и в случае с группами крови, здесь также существуют подходящие к друг другу группы доноров и реципиентов. Поэтому даже успешная с точки зрения клиники процедура может дать только временный эффект, и пересаженная флора через какое-то время «уходит». Кстати сказать, сегодня ведутся работы и по созданию так называемого искусственного кала, или искусственной микробиоты, но пока не очень успешно.
Представление о том, что мы «не одиноки» на своем жизненном пути, возникло очень давно, но лишь в новом веке ученые и врачи получили в свои руки инструментарий, позволивший изучать сообщества наших микроскопических сожителей.
Сама проблема составления полного каталога всех микроорганизмов, населяющих организм человека, является в первую очередь технологической, так как лишь очень немногие из них поддаются выращиванию на искусственных питательных средах. Причин этому несколько. Ведь даже очень богатые среды могут не иметь каких-то компонентов, необходимых для жизненного цикла того или иного штамма. К тому же разные бактерии обычно живут не одиночно, а составляют сообщество, поддерживая и дополняя друг друга.
Однако сейчас для того, чтобы узнать, есть ли те или иные виды бактерий в образце, достаточно выделить из него нуклеиновые кислоты, в первую очередь ДНК, и, «расшифровав» ее, сравнить с уже имеющимися базами данных. Удешевление этой процедуры позволило изучить то огромное разнообразие микроорганизмов, которые живут вместе с нами.
Наиболее сложным, но и, пожалуй, самым интересным объектом для изучения в этом смысле является кишечник. Его микробиом представляет собой очень сложную, иерархически организованную структуру. Ведь когда говорят о триллионах кишечных бактерий, то речь обычно идет о так называемой просветной флоре, той, что находится в просвете кишечника. Однако микроколонии бактерий живут и на самой слизистой — слое эпителиальных клеток, обращенных в просвет кишечника.
Большинство штаммов кишечной палочки являются безвредными, однако один из серотипов может вызывать тяжелые пищевые отравления. Фото Rocky Mountain Laboratories, NIAID, NIH
И здесь возникает множество вопросов. К примеру, как взаимодействуют между собой «просветные» и прикрепленные микроорганизмы, какова их роль в защите нас от патогенов, регуляции иммунитета? На сегодняшний день далеко не на все эти вопросы есть внятный ответ. При этом изучение микроорганизмов, живущих в слизистой, очень важно, так как они более устойчивы к воздействию антибиотиков и, в случае наступления антибиотик-ассоциированной диареи, могут послужить базой для регенерации кишечного микробиома.
Проблема лекарственной устойчивости бактерий заслуживает особого внимания. Если вы используете антибиотики без рекомендации врача, то размножаете у себя пусть и дружественные бактерии, но с резистентностью к подобным лекарствам. И эта способность путем горизонтального переноса генов может передаваться другим, уже болезнетворным бактериям. Поэтому бесконтрольное использование антибиотиков, безусловно, влияет на скорость распространения в человеческой популяции резистентных штаммов.
Наука о микробиоте человека сейчас очень быстро развивается. Новые данные появляются с фантастической скоростью, и с каждым месяцем мы узнаем все больше о наших микроскопических симбионтах, во многом определяющих наше здоровье и саму жизнь.
Литература
1. Arumugam M., Raes J., Pelletier E. et al. Enterotypes of the human gut microbiome // Nature. 2011. V. 473. P. 174–180.
2. Arumugam M., Sunagawa S., Mitreva M. et al. Genomic variation landscape of the human gut microbiome // Nature. 2013. V. 493. P. 45–50.
3. Claesson M. J., Jeffery I. B., Conde S. et al. Gut microbiota composition correlates with diet and health in the elderly // Nature. 2012. V. 488. P. 178–184.
4. Dubinkina V. B., Tyakht A. V., Odintsova V. Y. et al. Links of gut microbiota composition with alcohol dependence syndrome and alcoholic liver disease // Microbiome. 2017. V. 5(1):141.
6. Huttenhower C., Gevers D., Knight R. et al. Human Microbiome Project Consortium. Structure, function and diversity of the healthy human microbiome // Nature. 2012. V. 486. P. 207–214.
7. Karlsson F. H., Fåk F., Nookaew I. et al. Symptomatic atherosclerosis is associated with an altered gut metagenome // Nat. Commun. 2012. V. 3:1245.
8. Lagier J.-C., Million M., Hugon P. et al. Human gut microbiota: repertoire and variations // Front Cell Infect. Microbiol. 2012. V. 2:136.
9. Ogorodova L. M., Fedosenko S. V., Popenko A. S. et al. Comparison Study of Oropharyngeal Microbiota in Case of Bronchial Asthma and Chronic Obstructive Pulmonary Disease in Different Severity Levels // Vestn. Ross. Akad. Med. Nauk. 2015. V. 6. P. 669–678.
10. Olekhnovich E. I., Manolov A., Samoilov A. E. et al. Shifts in the Human Gut Microbiota Structure Caused by Quadruple Helicobacter pylori Eradication Therapy // Front Microbiol. 2019. DOI: 10.3389/fmicb.2019.01902.
11. O’Hara A. M. & Shanahan F. The gut flora as a forgotten organ // EMBO Rep. 2006. V. 7. P. 688–693.
12. Petrov V. A., Saltykova I., Zhukova I. A. et al. Analysis of Gut Microbiota in Patients with Parkinson’s Disease // Bull. Exp. Bio. l Med. 2017. V. 162(6). P. 734–737.
13. Qin J., Li Y., Cai Z. et al. A metagenome-wide association study of gut microbiota in type 2 diabetes // Nature. 2012. V. 490. P. 55–60.
14. Tyakht A. V., Kostryukova E., Popenko A. S. et al. Human gut microbiota community structures in urban and rural populations in Russia // Nat. Commun. 2013. V. 4:2469.
15. Tyakht A. V., Manolov A., Kanygina A. V. et al. Genetic diversity of Escherichia coli in gut microbiota of patients with Crohn’s disease discovered using metagenomic and genomic analyses // BMC Genomics. 2018. V. 19(1):968.
16. Wu G. D., Chen J., Hoffmann C. et al. Linking long-term dietary patterns with gut microbial enterotypes // Science. 2011. V. 334. P. 105–108.
17. Yatsunenko T., Rey F. E., Manary M. J. et al. Human gut microbiome viewed across age and geography // Nature. 2012. V. 486. P. 222–227.