Космос в кишечнике

Эксперименты с экскрементами

Два молодых африканца удачно поохотились: недалеко от водоёма 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 ещё корнеплоды, мёд, 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 их от рака толстой кишки, колита, болезни Крона и других заболеваний, с которыми всё чаще сталкиваются жители больших городов. Чтобы понять, в чём 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 ввёл себе в кишечник разведённые 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 difficile. Это 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 ещё десятилетие назад! – рассказывает руководитель микробиологической лаборатории Калифорнийского университета в Сан-Диего, известный учёный 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. Они связаны с ревматоидным артритом и сердечно-сосудистыми заболеваниями, с болезнью Паркинсона и рассеянным склерозом. Они воздействуют даже на наше поведение! Есть исследования, которые показывают, как трансплантация фекальной микрофлоры людям с заболеванием желудочно-кишечного тракта и аутизмом приводит к улучшению не только состояния кишечника, но и к коррекции симптомов аутизма.

«Когда пару лет назад на свет появилась моя дочь, жене сделали экстренное кесарево сечение. Но мы взяли все в свои руки и нанесли  на девочку слой вагинальных микробов, которые бы она получила естественным путем»

Как это бывает со многими изобретениями, первые примеры фекальной трансплантации можно встретить ещё в древнем Китае: в четвёртом веке даосский учёный Гэ Хун поил людей, страдающих от отравления или диареи, жидкостью с разбавленными человеческими экскрементами. Сегодня процедура проходит не так жестоко – есть три способа: колоноскопия – через «чёрный 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 учёным 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 всё более-менее ясно, но не совсем понятны ответы на главные вопросы – кому, от кого и в каких случаях стоить 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 учёных из Университета штата Аризона 18 детей с этим заболеванием после 8-недельного 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 всё это – первые шаги в понимании, 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 идёт 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 всё в свои руки и нанесли на девочку слой вагинальных микробов, которые бы она получила естественным путём». Эту историю Роб Найт рассказывал зрителям конференции TED в 2015 году. Хотя звучит она странно, на самом деле американский микробиолог поступил как настоящий любящий отец: последние исследования показывают, что есть связь между кесаревым сечением и повышенным риском развития у ребёнка ожирения, астмы и атопического дерматита.

— То, как человек появляется на свет, очень важно, — объясняет учёный. —Если он рождается естественным путём, то, как правило, в его микробиоте превалируют бактерии из вагинальной микрофлоры матери. Если мы говорим о кесаревом сечении, тогда у ребёнка будет больше микробов, которые живут на материнской коже. Вообще флора, которая находится на коже и во рту человека, формируется очень быстро – в течение двух-трёх 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, лёгкие, подмышки и другие места. Мужчина среднего телосложения носит с собой около трёх килограммов микробов, которые помогают ему переваривать пищу, обучать иммунную систему и противостоять болезням. Микробиота плохо переносит атаки антибиотиков, а так как уязвимость здоровья её 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%. Проводится масса исследований, чтобы разобраться, почему у кого-то в кишечнике всё 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 учёные-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.

– Ещё один удивительный момент был связан с мигренью, – отмечает учёный. – Могут ли микробы, содержащиеся во рту человека, извлекать определённые 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 даёт вполне конкретные советы молодым родителям: ребёнка стоит ещё в раннем детстве познакомить с собакой, чаще возить в деревню – там много почвенных микробов, меньше давать ему антибиотики и по возможности кормить грудью. Однако в знакомстве с бактериями не стоит перегибать палку: 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. Учёным 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 учёные из Норвегии находили связь между депрессией и бактериями Oscillibacter, которые вырабатывают вещество очень похожее на гамма-аминомасляную кислоту — главный тормозной нейромедиатор центральной нервной системы.

Иллюстрация: Ольга Аршавская

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

Важно понимать, что речь пока идёт только о сопутствии этих бактерий 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 Bifidobacterium longum, к тому же пробиотики могут облегчить синдром хронической усталости. Видимо, некоторые молочнокислые продукты могут стать неплохим способом улучшить настроение.

Большие надежды на изучение микробиоты возлагают учёные, исследующие механизмы старения. По образцу кишечных бактерий, например, можно определить, кто донор – ребёнок, взрослый или пожилой. Пока не очень понятно, как «молодая» микробиота поведёт 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 долголетии.

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 на тактику 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. Учёные знали, что микробиота левой и правой рук даже одного человека заметно отличается, значит – и на разных частях клавиатуры должны поселиться «левые» и «правые» бактерии.

Всё 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. Ещё 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 можно даже установить даже смерти. Для этого криминалистам придётся поработать с некробиотой – сообществом микроорганизмов, которые живут на теле мёртвого человека. Учёные 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. Ему предложили в течение четырёх 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 остаётся вопросом для новых исследований.

Иллюстрация: Ольга Аршавская

С помощью бактерий можно установить дату смерти. Для этого криминалисты работают с некробиотой — микроорганизмами, живущими на мертвом теле. Есть программа, определяющая по микробному составу кожи из ушей и носа день гибели человек

Хотя человек давным-давно приручил микроорганизмы для производства кефира, сыра или квашеной капусты, новые идеи для бактериальной кулинарии всё 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 полгода, выделили из них несколько штаммов бактерий и добавили в мясо. В итоге, отмечают учёные, 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, посвящённых геному и микробиому. Терапевт точно будет знать, на какие антибиотики и обезболивающие ваш кишечник отреагирует лучше всего, а диетолог легко подберёт 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.