100 триллионов клеток, 10 миллионов генов, почти 2 килограмма чистого веса. О микробном богатстве внутри нас мы вспоминаем, только когда покупаем кефир «с бифидобактериями» или травимся непривычной пищей в экзотических странах. На каждую родную клетку человеческого организма приходится почти десять клеток бактериальных, так что неудивительно, что все они очень активно влияют на нашу жизнь
«Как только появились существа, у которых была система пищеварения, у них внутри поселились бактерии, — рассказывает Дмитрий Алексеев. — Они помогают нам с пищеварением и многими другими вещами, а мы помогаем им: люди для бактерий — это корабль для путешествий и получения энергии. Кстати, любая бактерия внутри кишечника, будь у нее возможность, немедленно нас бы съела, но наша иммунная система научились контролировать этот процесс так, чтобы бактерии занимались своими делами, не разрастались слишком сильно и еще и приносили нам пользу».
Самый чувствительный орган
«Мы привыкли думать, что микробы — это всего лишь причина наших заболеваний, — говорит Дмитрий Алексеев. — Но внутри нас они фактически являются целым органом, и поэтому надо менять отношение. Мы же не говорим, что проблемы с сердцем испортили, скажем, печень. Так и наша микробиота не провоцирует ожирение, диабет или даже рак, а страдает от этих комплексных заболеваний вместе со всеми другими органами».
За последнее десятилетие техники геномных исследований значительно подешевели, и теперь за вменяемые деньги можно расшифровать геном не только одного организма, но и целого сообщества, вроде обитающих внутри нас бактерий. Такие исследования называют метагеномными, и их результаты впечатляют. Так, по микробиому — совокупности генов всех наших бактерий — можно, не глядя на человека и не имея данных других анализов, диагностировать ожирение с вероятностью около 90%. Если попытаться то же самое проделать, используя геном самого человека, то вероятность будет всего около 60%. Наши микробы больше знают о нас, чем мы сами.
«Бактерий очень много, они очень быстро размножаются и умеют обмениваться генами, — рассказывает Дмитрий Алексеев. — Поэтому микробиота — это наш самый быстрый в смысле адаптации орган. Вода, еда, воздух, с которым взаимодействуют бактерии в легких, — микробиота контактирует с миром больше, чем все остальные органы. За счет нее мы приспосабливаемся к внешней среде, она первая страдает он плохих условий, и именно здесь раньше всего можно увидеть признаки разных болезней. Например, мы сравнивали микробиоту русских и китайцев и увидели, что у бактерий последних есть огромное количество генов для утилизации тяжелых металлов. Почему? Видимо, этой гадости очень много вокруг них, и скоро от этого станет плохо всему организму».
Учитывая, какое огромное количество информации об окружающей среде мы получаем через еду и питье, ученые уже довольно давно думают, как использовать это богатство в диагностике. Ведь измерить все показатели воздуха, еды и воды невозможно, а по анализу микробиоты теоретически все патологические изменения в организме можно увидеть на самых ранних стадиях. Более того, уже сейчас можно персонально скорректировать питание, а в будущем, возможно, и диагностировать различные серьезные заболевания вроде рака на самых ранних стадиях.
Микробиота и мышление
Понятно и естественно, что микробиота влияет на пищеварение или обмен веществ. Но может ли она определять наше мышление и психическое здоровье? Чтобы разобраться в этом вопросе, ученые ставили эксперименты на мышах. Например, исследователи сравнивали две группы животных: одни были спокойные и флегматичные, а другие — дерганые и агрессивные. Чтобы зафиксировать эти отличия в цифрах, ученые сажали мышей на неудобный высокий постамент и засекали время, через которое грызуны спрыгивали вниз. Затем микробиоту спокойных мышей пересадили агрессивным и наоборот. В результате грызуны «менялись поведением»: бывшие тихони становились сорви-головами, а недавние возмутители спокойствия сидели на постаментах как влитые. Для проверки результатов проводили контрольный эксперимент: микробиоту агрессивных пересаживали агрессивным, а спокойных — спокойным. Эффекта не обнаружилось.
«Можно сказать, что у человека есть три нервные системы: центральная, небольшая нервная система для автономной работы сердца и еще одна огромная нервная система, отвечающая за пищеварение и другие функции внутренних органов, — рассказывает Дмитрий Алексеев. — Фактически это провода от кишечника к печени, селезенке, разным железам. У нас в животе химический реактор, где все время выделяются желчь, ферменты, другие вещества, и, чтобы регулировать эти процессы, нужны огромные потоки информации.
Более того, основное депо выработки веществ для синтеза дофамина и серотонина — нейромедиаторов, управляющих работой мозга, — тоже находится здесь: их производит микробиота. В животе постоянно идут вычисления, которые влияют на мышление, а мы о них даже не имеем представления».
Иногда сигналы этой периферической нервной системы все-таки пробиваются в сознание. На нервной почве перед важными событиями мы бегаем в туалет, а влюбившись, чувствуем «бабочек в животе», но в нормальном состоянии нам кажется, что мы независимы от наших внутренностей и уж тем более бактерий.
«Сейчас появляются работы, связывающие мышление и микробиоту, — говорит Дмитрий Алексеев. — Например, очень интересная история складывается с аутизмом. Есть тест на аутичность мышей, когда они раскапывают и закапывают в землю блестящие шарики, и есть экспериментальные свидетельства, что пересадка микробиоты сильно влияет на такое поведение. Аутичные мыши становятся здоровыми и наоборот».
Скажи мне, кто твои друзья, и я скажу, кто ты: индивидуальность микробиоты
В 2014 году в Нью-Йорке ученые рыскали по станциям подземки и собирали мазки бактерий с эскалаторов, турникетов и ручек. Они хотели выяснить, что бактерии могут рассказать о каждой станции и отличаются ли они между собой. Оказалось, что да, и очень заметно: микрофлора каждой станции буквально хранит всю ее историю. Где-то несколько лет назад было наводнение — теперь там живут особые бактерии, тут — явно выход в Чайна-таун или Гарлем, а здесь тянется шлейф молочнокислых бактерий с рук и ног разносчиков пиццы, которые особенно часто спускаются в метро именно на этой станции.
Микробиота человека может рассказать еще больше. По словам Роба Найта , микробиолога из Принстона, бактерии коралловых рифов и прерий отличаются меньше, чем бактерии у нас во рту и кишечнике, а создатели сериала «CSI: место преступления» считают, что ФБР скоро сможет вычислять хозяина компьютерной мышки по обитающим на ней бактериям. По мнению того же Найта, они пока немного преувеличивают, но в обозримом будущем эта перспектива вполне может стать реальностью.
«Вообще, отличия в составе микробиоты всегда относительные, — говорит Дмитрий Алексеев. — Миллионы бактерий проходят через организм, не задерживаясь, а примерно 200 основных видов у нас всех одни и те же — дело только в дисбалансе, в соотношениях этих бактерий, который может много о чем рассказать. Мы проводили исследование на жителях разных городов и деревень России и увидели интересную историю.
Микробиота всех отечественных горожан оказалась примерно одинаковой и похожей на микробиоту среднего европейца или американца.
Одна группа бактерий превалирует, других совсем чуть-чуть, и так всегда. Как будто магазинная еда с консервантами — это такой фильтр, который отсеивает только определенный состав бактерий».
Для микробиоты деревенских жителей у российских ученых получился совершенно другой результат. Все деревни не только сильно отличались от города, но еще и между собой: у каждой местности оказались свои микробы.
Первые годы жизни
Британский химик Дэвид Уитлок не моется уже 12 лет, лишь дважды в день обтирается особым порошком, заменяющим ему мочалку и мыло. Уитлок боится новой заразы — гигиены. Фанатичное увлечение европейцев чистотой сыграло с ними злую шутку. В стерильных помещениях выросли дети с аллергиями, пищевыми расстройствами и слабой иммунной системой, что объясняется как раз особенностями развития микробиоты.
«В детстве иммунная система запоминает тех, кто живет у маленького человека в кишечнике как бы по специальному «баркоду», уникальному белковому составу оболочек бактериальных клеток. А после — все: режим обучения закончен, правильные антитела выработаны. Любая незнакомая бактерия, которая попадает к нам после, автоматически оценивается как вредная. Поэтому важно, чтобы у ребенка в детстве была наиболее разнообразная и здоровая микробиота».
В одном исследовании авторы объясняют привычку малышей тащить все незнакомые предметы в рот серьезной эволюционной выгодой. Дети «сканируют» окружающую местность на предмет новых бактерий, а потом во время кормления передают их матери. Ее взрослый организм быстро вырабатывает нужные и во время следующего кормления отдает их ребенку обратно. Так иммунная система мамы учит иммунную систему малыша справляться с новыми бактериями.
В другой работе ученые внимательно исследовали микробиоту ребенка, чтобы увидеть ключевые события первых дней жизни. Первая высокая температура, переход на детское питание — все эти события, как оказалось, достаточно сильно влияют на бактерии малыша, но даже близко не могут сравниться с приемом антибиотика. После этого потрясения микрофлора резко меняется и приходит в себя еще несколько недель.
Кстати, именно с антибиотиками связывают и мировую эпидемию ожирения. Сейчас в корма животных часто добавляют следовые количества антибиотиков. Они сбивают обмен веществ, и начинается резкий набор веса. Потом животное убивают, разделывают, и мясо, все еще содержащее антибиотики, попадает в магазины, а оттуда — к нам на стол и в кишечник, где история повторяется: снова нарушение обмена веществ и снова лишний вес.
На пути к новой медицине
Геномные исследования микробиоты пока только приходят в медицину, хотя диагноз «дисбактериоз», наверное, хоть раз ставили каждому читателю. Сейчас по составу микробиоты могут скорректировать питание и образ жизни, но в будущем ученые обещают сделать анализ микробиоты настолько чувствительным, что у него появится предсказательная сила для выявления раковых заболеваний на ранних стадиях, и настолько точным, что он сможет, например, заменить неприятные процедуры колоноскопии и гастроскопии.
Предвестники будущей микробной терапии уже появились: экзотическая процедура пересадки микробиоты, она же фекальная трансплантация. Некоторым пациентам назначают ее при сильных кишечных инфекциях, которые можно подхватить в стационаре. В ослабленной предыдущим лечением антибиотиками микрофлоре человека сильно распространяется патогенный микроб, и победить его иногда можно только пересадкой нормальной, привычной организму, микробиоты, которая способна потеснить захватчика в кишечнике.
«Вообще, микробиота — это пока не медицинская история в европейском понимании этого слова, — говорит Алексеев. — Европейская медицина — это лечение недугов. В нормальном состоянии человек здоров, потом появилась боль или другие симптомы, потом он пришел к врачу и его продиагностировали, полечили, и боль прошла. В восточной медицине все наоборот: ты болен всегда, ты умираешь и можно только подкорректировать этот процесс; чтобы пойти к врачу или заняться здоровьем, там не ждут боли».
Теперь такая практика появляется и в Европе. Ее называют медициной будущего или медициной четырех «П». Предиктивная — можно предсказывать течение болезни. Персональная — лечение подбирается индивидуально. Превентивная — лечение начинается до появления симптомов. При участии пациента — человек занимается своим здоровьем, а не ходит «подлечиться» с появлением симптомов.
Кстати, активных пациентов в России, судя по всему, уже немало. В конце января биотехнологическая компания «Атлас», которая анализирует геном человека, выделенный из слюны, вместе с возглавляемой Алексеевым компанией «Кномикс» начали краудфандинг-проект по изучению микробиоты: заявленные учеными 500 тысяч рублей собрали за первые два дня, а с тех пор сумма перевалила за миллион. Теперь каждый вкладчик станет еще и испытуемым. Сдаст анализ кала, получит результаты метагеномного исследования своей микробиоты и советы по питанию на ближайшие две недели с рекомендациями по каждому приему пищи: сколько белков, жиров или медленных углеводов хорошо съесть на завтрак, обед и ужин.
В идеале такая диета должна сбалансировать микробиоту человека и положительно повлиять на самочувствие. Поэтому после двух недель микробиоту испытуемого снова возьмут на анализ, чтобы отследить изменения. Что получится? Пока неясно.
Михаил Петров
Первичная публикация материала — на портале НАУКА ТАСС