Стерильные мыши и исследования кишечных микробов

ed-yong-multitudes
Вы читаете отрывок из книги научного журналиста Эда Йонга «Я вмещаю множества» в эксклюзивном переводе «Батрахоспермума».

«А что у вас в термосе?» – поинтересовался я.

Мы с профессором Джеффом Гордоном и двумя его студентками ехали в лифте Университета Вашингтона в Сент-Луисе. Одна из студенток держала в руках металлическую коробку.

«Да так, кал в тюбиках», – ответила она.

«Там у нас микробы из кала здоровых детей, и истощенных тоже. Мы этих микробов в мышей переселим», – объяснил Гордон таким тоном, словно зауряднее этого ничего и быть не может.

Лифт наконец приехал, и я пошел вслед за Гордоном, студентками и термосом с замороженными фекалиями. Мы вошли в большую комнату – там рядами стояли герметичные камеры из прозрачного пластика. Заглянув в одну из этих камер, я столкнулся взглядом с одним из самых странных животных на Земле. Животное это выглядело как мышь, и именно в этом состояла его необычность. Это была всего лишь мышь – больше ничего.

Тело любого животного – от многоножки до миножки, от крота до крокодила, от червяка до человека – является домом для бактерий и других микроорганизмов. Такие мини-сообщества называются микробиомами. Микробиом человека состоит из 39 триллионов микробов, примерно по одному на каждую человеческую клетку. Каждый муравей в колонии – сам по себе колония. Каждый зверь в зоопарке – и сам своего рода зоопарк. Микробиом живет и процветает даже в самых простых организмах – например, в губках, чьи тела неподвижны и толщиной не больше нескольких клеток.

А вот в организмах мышей в лаборатории Гордона его нет. Вся их жизнь проходит в изоляции от внешнего мира, в том числе и от микробов. В камерах есть все, что им нужно: корм, питьевая вода, солома для гнездышек и домик из пенопласта, где две мышки могут уединиться. Члены команды, работающей под руководством Гордона, стерилизуют все это облучением и кладут в специальные цилиндры. Их кипятят при высокой температуре и давлении, а потом отправляют в камеру через специальные окошки в задней стенке. Для этого используются соединительные рукава – их, конечно, тоже стерилизуют.

Над всем этим приходится попотеть, но только при таких условиях мыши рождаются и живут, никак не пересекаясь с микробами. По-научному это называется «гнотобиоз» – от греческого «известная жизнь». Мы точно знаем, что именно живет в этих мышах, точнее, что в них вообще ничего не живет. Каждая из этих мышей – в отличие от всех остальных грызунов на планете – всего лишь мышь. Пустой сосуд. Незакрашенный силуэт. Экосистема, состоящая из одного существа.

gnotobiotic-mouse
Стерильная мышь в гнотобиотической камере. Фото: University of Michigan.

К каждой камере через окошки были прикреплены черные резиновые перчатки. С их помощью исследователи могли взаимодействовать с тем, что находится в камере. Перчатки были очень толстые – я засунул в них руки и тут же вспотел.

Я кое-как поднял одну мышку. Зверек с белым мехом и розовыми глазками уютно расположился у меня на ладони. Это было странное ощущение: я держал животное лишь с помощью двух резиновых штуковин, выпячивавшихся в его герметичный мирок. Мышь сидела у меня на руке, но при этом была отделена от меня. Пожав руку Гордону в знак приветствия, я обменялся с ним микробами. Погладив эту мышку, я не обменялся с ней ничем.

Казалось, что это вполне обычная мышка, но это было не так. Ее кишечник никогда не вступал в контакт с микробами и потому не смог развиться как следует – площадь его поверхности была меньше, а значит, питательные вещества всасывались в организм хуже, стенки кишечника были менее прочными, регенерация была замедленной, а сосудов, по которым к кишечнику поступали питательные вещества, было очень мало. Да и у других частей мышиного организма дела обстояли не лучше: кости были слабыми, а иммунная система находилась под угрозой и, наверное, работала не так, как у обычных мышей. Как писал микробиолог Теодор Розбери: «Этому несчастному созданию, видимо, постоянно требуется искусственный заменитель микробов, которых у него нет».

Все беды мышки, не знающей бактерий, отлично показывают, насколько ценен наш микробиом. Многие из нас все еще считают микробов вредителями – разносчиками болезней, от которых нужно держаться подальше. Это очень несправедливо по отношению к микробам, ведь большинство из них не становятся причиной заболеваний. В худшем случае они – пассажиры, автостопом путешествующие по организмам, в лучшем же – неотъемлемая часть наших тел, охраняющая их от напастей. Они помогают нам переваривать пищу, укрепляют иммунитет, защищают от болезней, управляют поведением и поддерживают наше здоровье. Степень их влияния на наши организмы позволяет понять, почему за последние годы изучение микробиомов стало одним из самых популярных разделов биологии, а еще почему Гордон – пожалуй, самый влиятельный ученый в этой области – так ими увлечен.

Изучая наших микроскопических товарищей, он пытается понять, какая существует связь между микробиомом и ожирением, а также его противоположностью – истощением. Он хочет узнать, какие виды микробов могут повлиять на эти состояния организма и как на них в свою очередь влияют наше питание, иммунитет и другие составляющие нашей жизни. Наконец, он желает использовать эти знания, чтобы регулировать микробные миры внутри нас для улучшения нашего здоровья.

Профессор Джефф Гордон из Университета Вашингтона в Сент-Луисе (США) – пионер в области исследований кишечных микробиомов, его регулярно рассматривают в качестве претендента на Нобелевскую премию по физиологии и медицине. Фото: Mark Katzman.

Джефф Гордон – действительно один из самых уважаемых ученых в области человеческого микробиома, но и связаться с ним куда сложнее, чем с другими. Мне пришлось шесть лет писать про его исследования, чтобы он наконец ответил на мои письма, так что потрудиться ради привилегированной возможности посетить его лабораторию пришлось изрядно. Приехав сюда, я ожидал, что профессор окажется угрюмым и необщительным, а в итоге встретил приятного, дружелюбного человека с морщинками вокруг глаз, доброй улыбкой и эксцентричными манерами. Обходя лабораторию, он называл всех «профессор», даже своих студентов. Средства массовой информации он не жалует, но не из-за неприветливости, а из-за неприязни к саморекламе. Даже приглашения на научные конференции он отклоняет – предпочитает центру внимания свою уютную лабораторию.

Там Гордон узнал о влиянии микробов на здоровье человека больше, чем кто-либо другой. Однако при расспросах о его заслугах Гордон говорит, что большую часть работы проделали его студенты и коллеги, с которыми он работал раньше и работает по сей день, – а в этом списке немало самых известных микробиологов. Их статус отражается и на Гордоне – он не просто король, он еще и воспитывает королей. Его статус предводителя знаменателен еще и тем, что он уже был выдающимся ученым, опубликовавшим сотни исследований о развитии человеческого кишечника, задолго до того, как начал изучать микробиом.

В 1990-х у него появилась идея: а что если на развитие кишечника какое-то влияние оказывают бактерии? Однако он понимал, насколько сложно будет это выяснить, ведь в кишечнике обитают тысячи разновидностей микробов. Гордон решил изолировать части кишечника и исследовать их в контролируемых условиях. Ему требовался ценнейший ресурс, который так необходим ученым и которым отказывается делиться биология, – возможность контролировать ситуацию. Другими словами, ему нужны были мыши, много мышей, в организмах которых не было бактерий. Так что он сам их и вывел. Он мог вводить определенные микробы в организмы этих грызунов и полностью определять их рацион, а потом повторять это снова и снова в контролируемых и воспроизводимых условиях. У него появилась возможность превращать мышей в живые биореакторы, в которых вместо запутанного микробиома можно было наблюдать отдельные, легко управляемые его части.

В 2004 году Фредрик Бэкхед, специалист из команды Гордона, провел на стерильных грызунах эксперимент, определивший дальнейшую судьбу всей лаборатории. Опыт был посвящен связям между микробиомом, питанием и здоровьем. В организмы мышей без бактерий ввели микробы из кишечников обычных мышей. Обычно они ели столько, сколько хотели, и не набирали вес, но с появлением первопроходцев в их кишечниках все изменилось. Больше есть они не стали – даже, возможно, ели немного меньше, – но теперь бóльшая часть пищи превращалась в жир, так что мыши начали толстеть.

Строение организма мышей в какой-то степени похоже на человеческое, так что ученые имеют возможность использовать их для исследований – от испытаний лекарств до изучения строения головного мозга. К мышиным микробам это тоже относится. Гордон сделал вывод, что, если эти ранние результаты применимы и к людям, наши микробы наверняка оказывают влияние на то, какие питательные вещества мы получаем из пищи, и, соответственно, на наш вес. Это была ключевая догадка. Мы привыкли считать, что вес определяется лишь соотношением между калориями и физической активностью. Сама мысль о том, что на это соотношение могут влиять множества живущих в наших телах организмов, в то время казалась сущим бредом. «Об этом никто даже не задумывался», – говорит Гордон.

И все же в 2004 году Рут Лей, тоже член его команды, обнаружила еще одну связь между микробами и весом, выяснив, что в кишечниках людей (и мышей) с ожирением обитают другие сообщества микробов. Прежде всего, разница была в соотношении двух главных групп кишечных бактерий – Firmicutes и Bacteroidetes. Первых в кишечниках людей с ожирением было больше, а вторых – меньше, чем в кишечниках обладателей стройных тел. Разумеется, сразу возник вопрос: это лишний жир способствует увеличению числа фирмикутов или, наоборот, фирмикуты способствуют отложению лишнего жира? Обоснована эта связь или же случайна (causal or casual, выражаясь словами Гордона)? На одних сравнениях далеко не уедешь, так что для ответа на этот вопрос исследователям нужны были эксперименты.

Тогда за дело взялся Питер Тернбо, на тот момент аспирант в лаборатории Джеффа Гордона. Он набрал микробов из кишечников как полных, так и стройных мышей и скормил их мышам, в чьих организмах бактерий не было. Те грызуны, что получили микробов от худеньких мышей, набрали на 27% больше веса, а вот те, что получили микробов от мышек-пышек – аж на 47% больше. Результат был ошеломляющий: Тернбо успешно перенес склонность к полноте от одного животного к другому, всего лишь переместив микробов. Это было откровение из разряда «о боже!», говорит Гордон. Воодушевление подскочило до небес.

Благодаря этому эксперименту мы узнали, что микробиом в кишечниках тучных мышей изменен – и это может еще больше усилить ожирение, по крайней мере в некоторых случаях. Возможно, микробы помогали усваивать больше калорий из пищи или влияли на то, как в организмах мышей откладывался жир. Как бы там ни было, стало ясно, что микробы не простые пассажиры – иногда они выхватывают руль!

И повернуть они могут куда угодно. Тернбо показал, что кишечные микробы могут привести к набору веса, а другие ученые выяснили, что они могут спровоцировать его потерю. Akkermansia muciniphila, довольно обычная кишечная бактерия, встречается в организмах стройных мышей в 3000 раз чаще, чем в организмах мышей, генетически предрасположенных к ожирению. Когда эти бактерии попадают в организм толстых мышей, те теряют вес и начинают проявлять меньше симптомов диабета 2-го типа.

Кстати, желудочное шунтирование – радикальная операция, при которой желудок уменьшают до размеров куриного яйца и заново соединяют с тонкой кишкой, – своим успехом тоже в чем-то обязано кишечным микробам. После этой процедуры можно сбросить десятки килограммов. Такой результат достигается главным образом благодаря уменьшению желудка, но микробы тоже играют здесь свою роль: в перестроенной структуре микробиома увеличивается количество различных видов бактерий, в том числе и Akkermansia. Если пересадить эти новые сообщества в организмы стерильных мышей, они тоже начнут терять вес.

akkermansia-muciniphila
Бактерии Akkermansia muciniphila отдыхают после шунтирования. Цена деления шкалы – 1 мкм. Фото: Microbiology Society.

Средства массовой информации по всему миру, конечно, запели, что эти открытия – прямо индульгенция для обжор. Зачем сидеть на жестких диетах, когда можно взять и поменять микробы в кишках, правильно? «Растолстели? Это все кишечные бактерии!» – писали газеты. Разумеется, такие заголовки – полная чушь. Микробиом ни в коем случае не подменяет известные нам причины ожирения и не противоречит им, но он тесно с ними связан.

Ванесса Ридора, еще одна студентка Гордона, в 2013 году подтвердила этот факт экспериментом, в котором устроила битвы микробов из кишечников стройных и полных людей. Она разделила стерильных мышей на две группы, переселила в их кишечники сообщества этих микробов и посадила обе группы в одну камеру. Мыши с радостью поедают помет сородичей, так что микробы скоро распространились по всем кишечникам. Тогда Ридора заметила, что «стройные» микробы захватили кишечники, населенные «полными», а мыши перестали набирать вес. Наоборот не случалось ни разу: микробы-«толстушки» никак не могли укрепиться в кишечнике, если там уже были «худышки».

Казалось бы, у «худых» микробов априори преимущество перед «толстыми», но нет. На самом деле Ридора дала им фору: диета мышей состояла из растительной пищи. В растениях содержится много грубой клетчатки, а в кишечниках стройных людей обитает больше видов микробов, которые смогут ее расщеплять. Так что, попав в кишечники худых мышей, «толстые» микробы обнаруживали, что клетчатку уже слопали без них.

А вот когда «худые» микробы появлялись в кишечниках толстых мышей, их ждал целый пир из несъеденной клетчатки – так что условия для размножения у них были отличные. Потом, правда, их ждал облом – Ридора начала кормить мышей жирной пищей с низким содержанием волокон, прямо как в «Макдоналдсе». Без клетчатки «худые» микробы уже не могли заселять кишечники и помогать мышам сохранить нормальный вес. Они поселялись лишь в кишечниках мышей, питающихся здоровой пищей. Чертовы заголовки лишь вводят нас в заблуждение – за питанием все равно придется следить.

Из этого эксперимента мы смогли усвоить важный урок: как бы ни были важны микробы, от их хозяев – то есть нас – зависит очень многое. Наши кишечники, как и любая другая экосистема, характеризуются не только обитающими в них видами, но и питательными веществами. Тропический лес не становится тропическим благодаря лишь местным птицам, насекомым, обезьянам и растениям – на условия в нем также влияют проливные дожди, солнечный свет и богатая питательными веществами почва. Если животные из такого леса попадут в пустыню, им придется несладко. Микробиом может помочь нам выяснить, почему кто-то страдает ожирением, но эксперимент Ридоры подчеркнул тот факт, что микробы не панацея, простых решений не бывает. То же самое команда Гордона выяснила и в другой серии экспериментов – но на этот раз изучалась совершенно другая болезнь на другом конце света… (Продолжение читайте, пожалуйста, здесь.)


Перевод: Полина Иноземцева. Редактор: Виктор Ковылин.

Все права на данный русскоязычный текст принадлежат нашему журналу. Если вы хотите поделиться информацией с вашими друзьями и подписчиками, можно использовать фрагмент и поставить активную ссылку на эту статью – мы будем рады. Пожалуйста, не копируйте текст в соцсети целиком, мы хотим, чтобы наши статьи читали на нашем сайте, попутно замечая и другие наши статьи. С уважением, Батрахоспермум.

Наши предыдущие переводы из книги Эда Йонга:
Как чудодейные микробы помогают нам эволюционировать
У микробов нет морали
Микробиом, в котором я живу