Свойства и характеристики микроорганизмов интересуют всех. От климатологов (которые разыскали бактерии, способные «одолеть» глобальное потепление) до криминалистов (которые предлагают устанавливать предельно точное время смерти по наличию или отсутствию в организме тех или иных «жильцов»). От художников (освоивших технику био-арта — создания предметов искусства из разных микробов) до сотрудников НАСА (исследующих выживаемость бактерий в условиях космоса). От генных инженеров (которые намерены программировать вирусы для борьбы с раком) до врачей (которые хотели бы лечить недомогания пациента, влияя на уже имеющуюся у него флору).
Мы поговорим сегодня о том, какие возможности для медицины и человека могут появиться в ближайшее время благодаря постоянно расширяющемуся знанию о микромире и микробиоме.
Микробиом (или микробиота) — совокупность патогенных, условно-патогенных и непатогенных микроорганизмов (бактерий, а также архей, грибов и вирусов), населяющих живой организм. По последним данным, каждый житель Земли служит домом для сотни триллионов бактерий (это число больше, чем число клеток организма-хозяина в 3–6 раз) и отдает «постояльцам» 1–3 % от свой массы. Бóльшая часть из них обитает внутри пищеварительного тракта, однако некоторые облюбовали и другие органы и системы (к примеру, недавно учеными был подробно описан микробиом крови).
Микробиом и рост
Хотите, чтобы ребенок вырос большим и сильным? Следите за тем, как поживает его микрофлора. Такой вольный вывод можно сделать из научных работ, опубликованных в авторитетных журналах Cell и Nature.
Ученые рассмотрели состав кишечной микробиоты детей из африканской республики Малави и пришли к заключению, что микробиом детей, отстающих в росте, отличается от микробиома детей нормального роста (имеет характеристики, свойственные микробиому детей более младшего возраста).
Исследователи не объяснили причину взаимосвязи, однако описали проведение весьма интересного эксперимента. Образцы кала исследуемых детей были пересажены лабораторным мышам. В результате молодые мышки, получившие «подарок» от детей с задержкой роста, стали расти медленнее. А те, кому достались кишечные микробы здоровых детей, развивались нормально.
Другая группа ученых смогла дополнить данные этого эксперимента и внести некоторые пояснения. Биологи из Франции, Чехии и Италии установили, что у мышей с нормальным микробным составом кишечника гормон роста соматотропин повышал уровень инсулиноподобного фактора роста 1(IGF-1), который ответственен за рост мышечной и костной ткани. Тогда как у животных с «недоразвитым» микробиомом синтез IGF-1 нарушался при нормальном уровне соматотропина, и это мешало развитию.
Еще одно исследование пролило свет на то, что именно приводит к «незрелости» микробиома. Ответ оказался достаточно прозаичен: все дело в диете. Было выяснено, что грудное молоко матерей детей, отстающих в росте, не содержит достаточного количества сиалированных олигосахаридов, которые служат питательной средой для флоры. В качестве доказательства использовался эксперимент на мышах. Грызунов с пересаженным калом отстающих в росте детей стали кормить олигосахаридами, полученными из пшеницы, и в результате животные стали набирать мышечную массу и увеличивать размеры тела.
Подобные исследования позволяют предположить, что правильно сбалансированная диета молодых мам, а также добавки в рацион младенцев и детей дошкольного возраста смогут решить проблему задержки роста и развития.
Микробиом и вес
Еще одна серия экспериментов показала, что микробиом может иметь связь не только с ростом и развитием юного индивида, но и с его весом уже во взрослом возрасте. Физиологи из Женевского университета обнаружили, что у мышей, проводящих на холоде много времени, меняется состав микрофлоры, что ведет к быстрому и значительному снижению веса. При этом пересадка «замороженного» микробиома животным, не бывавшим на холоде, заставляет последних худеть. Работа, посвященная исследованию, была представлена в научном журнале Cell.
В издании сообщается, что лабораторные мышки жили при комфортной для них температуре и поддерживали стабильную массу тела. После длительного нахождения на морозе грызуны продемонстрировали понижение температуры тела, падение сахара в крови и повышение чувствительности к инсулину, а их микробиом лишился ряда важных бактерий (например, бактерии Akkermansia muciniphila, играющей роль в усвоении питательных веществ).
Интересен и другой побочный эффект, который был вызван «оскудением» микробиоты. Поскольку питательные вещества перестали усваиваться, жизнь мышек оказалась в опасности и их организмам пришлось «принимать меры»: у всех подопытных животных началось разрастание кишечника — увеличив площадь ткани, которая способна всасывать полезные вещества, природа взяла свое и не позволила мышкам погибнуть. Чтобы проверить наличие связи между «оскудением» микробиоты и результатами эксперимента, ученые пересадили микробиом «охлажденных» мышек содержащимся в тепле. Это привело к тому, что здоровые мышки быстро начали терять вес.
Чтобы проверить связь отсутствия бактерии Akkermansia muciniphila с разрастанием тканей кишечника, ученые добавили к пересаженному «замороженному» микробиому отдельные колонии этой бактерии. У тех мышек, которые получили такую добавку, разрастания кишечника не произошло, а похудение тем не менее продолжилось.
Авторы исследования полагают, что перед нами одна из технологий, которая в будущем (после дополнительных тестов и апробаций) поможет лечить ожирение у человека.
Лечить ожирение может помочь и другое открытие, также связанное с микробиомом. Сотрудники Университета Руана выяснили, что именно микроорганизмы регулируют то самое чувство насыщения, которое дает нам команду прекратить есть.
Эксперименты на модельных животных показали, что популяции кишечной палочки, получив необходимое количество питательных веществ с пищей, уже 20 минут начинают синтезировать белки, которые воздействуют на нейроны головного мозга, связанные с аппетитом и насыщением. Ученым удалось выделить «сигнальные» белки и воссоздать их. После введения их в организм мышей, было замечено стойкое подавление аппетита животных.
Микробиом и мозг
То, что микробиом связан с нашим питанием и с тем, что влечет за собой недо- или переедание, в общем-то, не очень и новость. Куда неожиданней то, что ученые доказали связь микрофлоры с мозгом. (Связь при этом, похоже, является двусторонней: как мозг может давать команды иммунной системе и регулировать тем самым число «пассажиров», так и они могут выделять вещества, влияющие на нервные клетки.)
Читайте также:
Почему мы едим вредные продукты
Одно из исследований в этой области, проведенное на мышах и опубликованное в журнале Biological Psychiatry, показало, что изменение микробиома животных влияет на уровень их тревожности, память и поведение.
Исследуемые мыши принимали пищу с богатым содержанием жиров — это привело к тому, что микробиота их изменилась, а затем изменилось и поведение. Когда измененная микробиота была пересажена партии мышек, не задействованных в эксперименте ранее, те показали схожее изменение поведения — стали более нервными.
Другое исследование, одно из наиболее известных на данный момент, было проведено Ирландским национальным университетом Корк и Университетом Макмастера. Ученые помещали мышей в высокие цилиндрические сосуды, заполненные водой, и замеряли время, в течение которого грызуны сохраняют надежду на спасение — ни коснуться лапами дна, ни выплыть и покинуть аквариум они не сумеют. В среднем мыши приходили в отчаяние через 6 минут.
Затем ученые несколько недель кормили группу мышей бактерией Lactobacillus rhamnosus, которую обычно используют для ферментации йогурта. Эксперимент показал, что мыши, потреблявшие эту бактерию, не сдавались намного дольше. Кроме того, они были более расслаблены. Вероятно, все дело в том, что Lactobacillus rhamnosus выделяет огромное количество гамма-аминомасляной кислоты, которая тормозит прохождение информации по нейронам и тем самым «успокаивает».
Несколько других научных групп посвятили пару десятилетий изучению связи бактерий и аутизма.
Известно, что три четверти лиц, имеющих это расстройство, также страдают от проблем с ЖКТ: аллергий, чувствительности к глютену, несварения. Чтобы разобраться, есть ли тут связь, ученые проанализировали микробиом больных аутизмом и здоровых людей. Выяснилось, что микробиом аутистов беден на бактерию вида Bacteroides fragilis.
В целях более полного понимания вопроса сотрудники Калифорнийского технологического института провели следующий эксперимент на животных. Лабораторным мышам с признаками заболеваний аутического спектра была введена B. fragilis. В результате микробиом мышей изменился, как изменилось и их поведение: уменьшилась тревожность, склонность к повторению однотипных действий, наладилась коммуникация с сородичами. То есть симптомы заболевания стерлись.
Почему это произошло, однако, так пока и неясно. Одно из предложенных учеными объяснений — бактериальный метаболит 4-этилфенилсульфат. В крови мышей с аутизмом его концентрация превышала нормальную более чем в 40 раз, а когда здоровые мыши получали инъекцию этого вещества, у них начинали проявляться аутичные черты. Не исключено, что введение в микробиом новых видов бактерий как-то влияет на выделение вещества «старожилами», однако это пока не доказано.
Микробиом и рак
Микробы живут внутри живых организмов на протяжении миллионов лет, и им, как никому более, должно быть выгодно выживание как конкретного индивида, так и популяции в целом. Пока живет организм, он кормит, поит и обогревает своих жильцов, а пока у организма поблизости есть друзья и товарищи, жильцы могут съехать в другую «квартирку», не потеряв в комфорте. Поэтому микробы научились влиять на один из ключевых механизмов защиты любого животного — иммунитет.
Одной из наиболее сложных задач, с которой сталкивается эта система иммунного ответа, является борьба с опухолями: коварные новообразования способны блокировать защитные клетки (лимфоциты) и прерывать их работу. Как оказалось, без микрофлоры дела обстояли бы гораздо хуже.
Недавно ученые выяснили, что некоторые бифидобактерии способны стимулировать активность антигенпредставляющих клеток, которые привлекают внимание B- и Т-лимфоцитов к «агенту», которого нужно убрать. Исследованию этого вопроса было посвящено около 10 лет, результаты его были представлены в журнале Science.
Ученые из Чикагского университета экспериментально показали, что потребление лабораторными мышами бифидобактерий в большом количестве улучшало их иммунный ответ на опухоли. У 35 % проверяемых животных активность Т-лимфоцитов была выше, чем у контрольной группы, что влияло на рост опухоли (замедляло или временно приостанавливало его).
Другое исследование, опубликованное в журнале Science, смотрит на проблему с иной стороны. Специалисты из Института Густава Русси после серии работ с химиотерапевтическими препаратами вывели, что влияние препарата на микрофлору пациента очень важно. Чем бóльшие изменения в микробиоме вызывает лекарство, тем менее оно эффективно. Национальный институт рака эту информацию продублировал, представив собственное исследование со схожими результатами.
Заключение
Написанное выше — лишь немногая часть из того, что известно сейчас и над чем работают ученые всего мира. В самое ближайшее время нас ждет еще большее число открытий, экспериментов и идей, требующих проверки.
В планах — разработка технологии, позволяющей детализировать микробиом каждого конкретного человека и создание терапии, индивидуально подобранной для пациента. Кроме того, уже есть идея использовать микробиом как средство идентификации личности, не менее точное, чем отпечаток пальца или, например, скан сетчатки глаза.
Пока же все эксперименты проводятся на мышах, которые далеко не люди, а значит, пытаться примерить выводы исследований на себя — бежать лечить рак йогуртом или долго стоять на холоде, пытаясь заморозить пару-тройку миллионов микробов, чтобы потерять вес, — однозначно не стоит.
Фото thinkstockphotos.com, фотоколлаж Алины Траут
Фото Elena Mozhvilo/unsplash.com
