Микробный «Орган» человека Текст научной статьи по специальности «Ветеринарные науки»

а НОВОСТИ НАУКИ

ВЛАСОВ Валентин Викторович -академик РАН, председатель Объединенного ученого совета СО РАН по биологическим наукам, директор Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН (Новосибирск), заведующий кафедрой молекулярной биологии Новосибирского государственного университета. Лауреат государственной премии РФ (1999). Автор и соавтор более 460 научных работ и 29 патентов

Беря в руки какой-либо предмет, вдыхая воздух, проглатывая пищу, мы обзаводимся множеством невидимых сожителей, которые способны чрезвычайно быстро размножаться. В человеческом организме содержится 1,0—2,5 кг бактерий, что составляет около 1—2 % массы тела. Эта бактериальная биомасса 32 состоит примерно из ста триллионов клеток, что в несколько раз превышает число собственных клеток организма человека. Геном человека насчитывает около 20 тыс. генов, совокупный бактериальный геном -около 3 млн, т. е. в 300 раз больше! При этом не учитываются еще одни наши микрообитатели - вирусы, число которых намного превышает число бактерий

Микробный «орган» человека

В десятку научных прорывов 2013 г., по версии журнала «Science», вошли результаты исследований, следствием которых стала переоценка функциональной значимости и влияния на здоровье микроорганизмов, сосуществующих с человеком и другими высшими животными. Эти работы стали еще одним важным шагом на пути к персонифицированной медицине

Микробы присутствуют везде и всегда. Деление бактериальных клеток происходит примерно каждые 20 мин., т. е. потомство одной бактериальной клетки через 8 ч может достигнуть 16 млн! В благоприятных условиях бактерии могут быстро размножиться, в неблагоприятных - погибнуть. А теперь представьте себе, какие процессы происходят в нашем организме, когда мы дышим, едим, пьем, принимаем антибиотики, моем руки, путешествуем и контактируем с различными объектами живой природы...

Тем не менее долгое время считалось, что взаимодействие человека с микробами представляет интерес лишь в аспекте предотвращения и лечения инфекционных заболеваний. О масштабе же присутствия микробов и многообразии их деятельности в организме человека просто не задумывались. Это было связано с тем, что традиционная микробиология изучает отдельные виды микробов, которые удается выделить и выращивать вне живого организма, однако рост большинства наших микроскопических «постояльцев» возможен лишь в определенном микроокружении, которое требуется специально воспроизводить.

Ситуация кардинально изменилась с появлением и развитием техники секвенирования ДНК, позволившей проводить так называемые метагеномные иследования, т. е. получать информацию о геномах всех организмов, присутствующих в образце. Таким образом, вместо генома отдельного вида микроорганизма мы можем изучать суммарный геномный материал всего микробного сообщества, выделенного из природных объектов, например, пищеварительного тракта человека.

Подобные исследования, проведенные международными консорциумами ученых США и Европы в рамках проекта «Микробиом», продемонстрировали, что микробы - далеко не случайные гости в нашем теле. Содружество микробов, живущих в организме человека - микробиом, является, по сути, еще одним нашим «органом», пусть и невидимым, но совершенно необходимым для поддержания здоровья. И хотя функции этого органа еще только начинают исследовать, уже сегодня ясно, что они чрезвычайно важны и многообразны.

Ключевые слова: кишечная микрофлора, микробиом человека, синдром Квашиоркор.

Key words: gut microflora, human microbiome, Kwashiorkor syndrome

© В. В. Власов, 2014

Этот апатичный истощенный ребенок, запечатленный на фотографии конца 1960-х гг., был найден в одном из лагерей помощи в Нигерии во время Нигерийско-Биафрской войны среди многих других больных синдромом Квашиоркор. Как было недавно установлено, в развитии этой неинфекционной болезни, проявляющейся в тяжелой белковоэнергетической недостаточности, ключевую роль играет кишечная микрофлора.

Credit: the Centers for Disease Control and Prevention

Микробные сообщества различаются даже у здоровых людей: по их составу, как по отпечаткам пальца, можно идентифицировать конкретного человека. Особенности микробиоты индивидуума определяются его генетическими характеристиками, а также питанием и образом жизни в целом.

Микробиом человека сильно меняется в интервале от рождения до двухлетнего возраста, а затем остается достаточно стабильным. Разные части тела (например, ротовая полость и кожа спины) заселены различными

микробными сообществами, поскольку условия «проживания» в них могут значительно отличаться. Поэтому микробиом кожи конкретного человека будет больше схож с соответствующим микробиомом кожи другого человека, чем с микробным сообществом собственного кишечника. Наибольшее разнообразие микроорганизмов отмечено в ротовой полости, наименьшее - в желудке, причем оно начинает вновь возрастать по мере продвижения по пищеварительному тракту. Микробиом кишечника зависит от диеты: например, он значительно различается у вегетарианцев и «мясоедов».

Самая очевидная польза, которую получает человек от своих «сожителей» - помощь в переработке пищи. В этом смысле микробиом кишечника работает как эффективный биореактор: в нем перерабатываются питательные вещества, которые в ином случае не переварятся в организме человека. Микробы секретируют множество полезных метаболитов, в том числе витамины К и группы В, которые через кишечную стенку попадают в кровяное русло.

Так как микробиом может меняться достаточно быстро, он позволяет человеку быстрее адаптироваться к изменениям внешних условий. Это расширяет метаболический потенциал человеческого организма за пределы его генетических возможностей, что, безусловно, определяет многие аспекты физиологии здоровья и болезни. Во многих случаях именно микробиом определяет реакцию организма на внешние воздействия, а также болезни и лекарства.

Доказано, что обитающие в организме человека микроорганизмы эффективно конкурируют с чужеродными патогенными микроорганизмами-агрессорами, препятствуя инфицированию путем конкуренции за питательные вещества, выделения специфических веществ, убивающих бактерии и т. д. Такую защитную роль играют микробиомы ротовой полости, кишечника, кожи и половых органов. Например, оказалось, что специфическая микробиота влагалища у некоторых африканских женщин снижает риск их заражения вирусом иммунодефицита человека.

Кишечная флора оказывает важное влияние на иммунную систему человека: бактерии стимулируют развитие некоторых лимфатических тканей - так называемых пейеровых бляшек в желудочно-кишечном тракте, являющихся важным источником клеток, синтезирующих иммуноглобулин типа А, который обеспечивает защиту практически всех слизистых оболочек органов человека. Доказано, что микроорганизмы помогают организму человека бороться с воспалительными заболеваниями кишечника, а также с аллергическими заболеваниями.

Микробиом кишечника влияет на метаболизм различных лекарств, в том числе широко распространенных, таких как сердечный гликозид дигоксин и анальгетик

а НОВОСТИ НАУКИ

34

ацетаминофен. Еще один пример - противоопухолевый препарат иринотекан (СРТ-11), который в норме нейтрализуется в печени. Однако кишечная микрофлора может превращать его снова в токсичное вещество, что приводит к поражению клеток кишечника и тяжелой диарее. Выяснение этого обстоятельства позволило решить проблему: пациентам стали дополнительно давать ингибитор специфического бактериального фермента, в результате чего появилась возможность вводить больным более высокие дозы препарата и добиваться лучших терапевтических результатов.

Отклонения в составе микробиоты могут быть связаны с определенными болезнями, поэтому ее анализ может быть полезен для диагностики. Так, имеются указания на возможную роль микроорганизмов в развитии ревматоидного артрита, астмы, диабета, ожирения, рака, аллергии, сердечно-сосудистых заболеваний. Значительные изменения микробиоты обнаружены и у больных болезнью Крона - хронического воспалительного заболевания пищеварительного тракта неясной этиологии.

Люди, склонные к худобе, а также обладающие избыточным весом, отличаются по составу микробиоты. Введение лабораторным мышам, не имеющим своей микрофлоры, бактерий, выделенных у таких людей, приводило у животных к формированию специфических микробных сообществ, обеспечивающих животным, соответственно, похудание или набор массы тела.

Экспериментально доказано, что нарушения функций микробиома кишечника могут влиять и на функции мозга, вызывать беспокойство, нарушение сна и даже приводить к аутизм-специфическим нарушениям.

В настоящее время комплексные препараты микроорганизмов уже начали применять в клинике, пока лишь для лечения заболеваний желудочно-кишечного тракта, не поддающихся терапии антибиотиками. Например, только в США ежегодно от тяжелого заболевания, вызванного антибиотикоустойчивыми штаммами широко распространенной бактерии Clostridium difficile, погибает около 14 тыс. человек. В этом случае поразительно эффективным оказывается корректировка бактериальной флоры больных путем введения в кишечник пациентов «фекальных трансплантатов» от здоровых людей. В большинстве случаев такая необычная терапия приводила к немедленному излечению.

Несомненно, в самое ближайшее время нас ждет продолжение фейерверка открытий в области микробиологии, которые позволят еще глубже понять весь спектр взаимодействий микробов с организмом человека и создать новые средства терапии и профилактики заболеваний.

Незримый кукловод

Основанием для включения в десятку научных прорывов 2013 г. результатов изучения взаимодействия микробиома со своим многоклеточном хозяином послужил ряд экспериментов на лабораторных животных, в которых доказывается ключевая роль кишечной микрофлоры в развитии неинфекционных заболеваний, таких как камни в почках, рак печени, ожирение и синдром Квашиоркор (тяжелая белковоэнергетическая недостаточность). Более того, было показано, что экспериментальные изменения взаимоотношений иммуноэндокринных систем кишечника с микрофлорой, его заселяющей, приводят к таким же отклонениям в поведении подопытных животных, какие наблюдаются при психических расстройствах аутистического спектра.

Нужно отметить, что оригинальные по методическому подходу исследования роли кишечного микробиома в модуляции поведения лабораторных мышей ведутся в Центре генетических ресурсов лабораторных животных, сформированном на базе ЦКП «SPF-виварий»

ЮРНЫХЖИШ!

с

МОШКИН Михаил Павлович - доктор биологических наук, профессор, заведующий отделом генофондов экспериментальных животных, научный руководитель ЦКП «SPF-виварий» Института цитологии и генетики СО РАН (Новосибирск). Автор и соавтор более 200 научных работ, в том числе 1 монографии

© М. П. Мошкин, 2014

Манипуляция гнездовым материалом, баллы

5

4

3

2

1

0

Контроль Muc2-/- Muc2-/-C57BL +

фукоза

Список выдающихся научных достижений 2013 г., по версии «Science», убедительно показал не только неоспоримую актуальность биологических и биомедицинских исследований, но и важность их инфраструктурного обеспечения, в том числе огромную роль лабораторных животных, которые были использованы в семи из десяти лучших работ на разных этапах их выполнения. Для проведения подобных работ требуются животные, содержащиеся в условиях отсутствия патогенов -микроорганизмов, вызывающих инфекционные заболевания. В частности, именно такой SPF-формат (Specific Pathogen Free) установлен во всем мире для проведения доклинических испытаний лекарственных препаратов.

В России имеется всего шесть таких SPF-вивариев, в том числе при ИЦиГ СО РАН (Новосибирск), на основе которого создан первый в стране Российский национальный центр генетических ресурсов лабораторных животных в формате Центра коллективного пользования

Лабораторные мыши, нокаутные по гену Muc2, т. е. с выраженным дефицитом кишечного муцина, характеризуются рядом фенотипических особенностей по сравнению с контрольными животными. Так, среди самцов этой линии отмечено поведение, характерное для невроза навязчивых состояний, выражающееся в росте манипуляций гнездовым материалом (справа); к «нетрадиционному половому поведению» (садки с самцом-интрудером), а также высокая смертность от антибиотиков, достигающая 60 %.

Все эти эффекты снимаются добавлением в рацион животных одного из компонентов муцина - сахара фукозы, являющегося субстратом для питания кишечных микроорганизмов. Фото Е. Завьялова

Института цитологии и генетики СО РАН (Новосибирск). Суть этого подхода заключается в изучении поведенческих и физиологических эффектов, обусловленных первичными изменениями кишечной микрофлоры. Начать эти работы удалось благодаря линии лабораторных мышей с нокаутом («выключением») по гену кишечного муцина (Muc2-/-), которые были получены из московского Центра «Биоинженерии» РАН.

Муцин - это высокомолекулярный гликопротеин из семейства мукопротеинов, который участвует в формировании слизистой стенки кишечника. Он не только выполняет защитную барьерную функцию, но и обеспечивает питание некоторым видам бактерий за счет входящих в его состав сахаров, таких как фукоза. Эксперименты показали, что у мышей Muc2-/-, у которых муцин не вырабатывается, наряду с изменениями микрофлоры наблюдаются существенные отклонения в социальном поведении. Оказалось, что оба этих показателя удается нормализовать при кормлении мышей фукозой.

Хотя эти работы находятся пока на начальной стадии, уже сейчас можно предполагать, что у них есть шансы послужить толчком к разработке «правильного кефира» для пациентов, у которых отклонения в психике сочетаются с нарушениями структуры и функции кишечника.