Одиннадцать друзей квашиоркора

Это вторая половина переведенного нами фрагмента из книги научного журналиста Эда Йонга «Я вмещаю множества» (на фото ниже), посвященного работе микробиолога Джеффа Гордона и его научной группы со стерильными мышами и кишечными микробиомами. Возможно, стоит почитать первую половину для понимания отдельных моментов ниже.

ed-yong-contain-multitudes

По уровню младенческой смертности Малави обгоняет почти все страны мира, причем в половине случаев причиной смерти является истощение организма. Одна из его форм, известная под именем квашиоркор, протекает очень тяжело и практически не лечится. Телесные жидкости попросту вытекают из кровеносных сосудов ребенка, что приводит к одутловатости конечностей, вздутию живота и повреждениям кожи.

О квашиоркоре долгое время было мало что известно. Кто-то утверждал, что его причиной становится недостаток белков в пище, но ведь дети, больные квашиоркором, потребляли ничуть не меньше белков, чем страдающие от алиментарной дистрофии! Да и когда благотворительные организации поставляли в Малави богатую белком пищу, лучше детям не становилось. К тому же один близнец может заболеть квашиоркором, а другой – алиментарной дистрофией, и это при условии, что у них одинаковый геном, они живут в одной деревне и едят одну и ту же пищу.

Джефф Гордон считает, что тут не обошлось без кишечных микробов и именно они, возможно, смогут объяснить различия в состоянии здоровья одинаковых по всем остальным параметрам детей. После того как его команда провела те самые передовые опыты, ему в голову пришла мысль: если бактерии могут влиять на ожирение, может, они и в истощении играют роль? Большинство других ученых относились к такой возможности скептически, но Гордона это не остановило. Его команда отправилась в Малави собирать образцы стула младенцев до трех лет: одни болели квашиоркором, другие были здоровы.

Выяснилось, что кишечные микробиомы младенцев с квашиоркором развиваются не так, как у здоровых детей. Обычно сообщества микробов разительно меняются в первые годы жизни, но все эти изменения можно отследить и предсказать. Знаете, как заселяются новые острова: сначала там появляются лишайники, потом кусты, потом деревья. Вот так же и с кишечниками младенцев: разные виды микробов появляются там постепенно и в определенной последовательности. Однако в кишечниках детей, больных квашиоркором, микробы не диверсифицируются так, как надо. Их внутренние экосистемы застаиваются, так что их микробиологический возраст вскоре начинает отставать от биологического.

Когда команда Гордона заселила недоразвитые сообщества из кишечников детей, больных квашиоркором, в кишечники стерильных мышей, грызуны начали терять вес – но лишь при условии, что их корм, как и пища детей в Малави, содержал мало питательных веществ. Если же мыши питались своим обычным кормом, то вне зависимости от того, чьи бактерии обитали в их кишечниках, их вес почти не изменялся. Все дело было в сочетании неправильной еды и неправильных микробов. Судя по всему, микробы, отвечающие за квашиоркор, мешали химическим реакциям, заряжающим клетки организма энергией. Следовательно, детям было сложнее получить энергию из пищи, в которой этой самой энергии и так всего ничего.

Истощение обычно лечат сытной витаминизированной смесью из арахисовой пасты, сахара, растительного масла и молока. Однако команда Гордона выяснила, что на бактерий в организмах больных квашиоркором такая смесь оказывает лишь кратковременный эффект – потому-то такое лечение и не помогает. Как только дети снова начинали питаться своей привычной пищей, микробы возвращались в исходное состояние. Почему так?

Квашиоркор распространен в бедных странах, это от него дети «пухнут с голода». Название происходит от одного из языков Ганы и примерно означает «болезнь, которую ребенок получает, когда появляется другой ребенок». Фото: ncg59.

Все экосистемы в какой-то мере устойчивы к переменам. Для того чтобы изменить состояние всей экосистемы, эту устойчивость нужно преодолеть. Это относится к коралловым рифам, тропическим лесам, пастбищам – и человеческим кишкам. Из-за плохого питания микробы в кишечнике могут смениться. Также недостаток питательных веществ может навредить иммунитету ребенка, мешая ему контролировать микробов в кишечнике и предоставляя различным инфекциям возможность и дальше менять микробиом. Новые сообщества микроорганизмов могут и сами начать пакостить – например, не давать кишечнику усваивать питательные вещества, что в свою очередь приведет к еще более запущенному истощению, более серьезным проблемам с иммунитетом, более явным нарушениям в микробиоме и много к чему еще.

Микробиологи называют такое состояние дисбиозом: при нем все сообщество микробов становится опасным для организма. Сами по себе микробы не являются причинами болезней – виной всему сообщество микробов в целом. Причина, по которой микробиомы детей с истощением тормозят в развитии, до сих пор не ясна – дело может быть в антибиотиках, в болезнях кишечника, в плохом питании, у всех по-разному. Зато ясно вот что: если уж микробиом перешел в состояние дисбиоза, «починить» его – задача не из легких.

Но Гордон не оставляет попыток. Его студентка Лора Блэнтон – та самая девушка с термосом, с которой я разговаривал в лифте, – недавно поселила в кишечники мышей микробов из кишечников здоровых или истощенных детей. Затем она посадила грызунов в одну клетку, чтобы их микробиомы со временем смешались. Вскоре сообщества микробов, взятые у здоровых младенцев, полностью заменили недоразвитые, полученные от истощенных детей.

Блэнтон выяснила, что с захватом недоразвитых сообществ лучше всего справлялись пять видов бактерий из здоровых микробиомов. Вскоре после того, как этот ансамбль был скормлен мышам с микробиомами от истощенных детей, грызуны набрали вес нормальным образом. Полученные питательные вещества теперь были направлены на увеличение массы тела, а не на энергию.

Этот эксперимент позволяет предположить, что, возможно, у исследователей получится создать пробиотический коктейль из избранных бактерий, который лечил бы дисбиоз. Однако тут нужно быть осторожным. Современные пробиотики – продукты с якобы полезными микробами – не оказывают особого влияния на здоровье, несмотря на всю свою популярность. Дело в том, что бактерий в них совсем немного, а их штаммы не способны колонизировать кишечник. Гордон знает, что для создания действительно качественных пробиотиков нужно найти способ дать новым микробам преимущества, которые помогут им освоиться в новых домах. Возможно, для этого пробиотики нужно будет принимать с определенной, полезной для них пищей. А может, вместе с микробами нужно будет лечить их хозяев – людей – или же тренировать их иммунитет, чтобы он не отторгал новеньких.

Гордон настроен на удачу, но при этом не забывает про осторожность. По его словам, изучение микробиома рано или поздно поможет нам справиться с загадочными и часто неизлечимыми болезнями. Однако, как он не раз мне говорил, необходимо остерегаться шарлатанов, готовых построить себе имя на искажении фактов о микробиоме. «Я всегда говорю, что важно трезво мыслить, – напоминает он. – Многие рассчитывают на то, что микробы помогут нам узнать о себе все». Но Гордону и другим микробиологам нужно еще показать миру, что их открытия могут действительно кому-то помочь.

Открытия Гордона и его команды создают впечатление, что микробиом – это панацея от всего. Его начали ассоциировать с кучей болезней, порой даже доходит до абсурда: среди них болезнь Крона, язвенный колит, синдром раздраженного кишечника, рак прямой кишки, диабет 1-го и 2-го типа, целиакия, различные виды аллергии, атеросклероз, аутизм, астма, болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, рассеянный склероз, депрессия, беспричинная тревожность, ревматоидный артрит, инсульт и много чего еще.

Большинство подобных ассоциаций – не более чем корреляции. Исследователи часто сравнивают людей с какими-то болезнями и здоровых добровольцев, находят различия в микробиомах и на этом останавливаются. Эти различия намекают на наличие связи между микробами и болезнью, но не раскрывают ее причину и суть. Исследования Гордона и его коллег восполняют этот пробел. Судя по тому, что из-за пересаженных микробов у стерильных мышей в их экспериментах начинаются те же проблемы со здоровьем, причинная связь все же есть.

Однако эти эксперименты порождают больше вопросов, чем ответов. Какую роль здесь в действительности играли микробы – сами явились причиной появления симптомов или просто ухудшили и без того тяжелую ситуацию? Во всем виноват один вид микробов или виновных несколько? Что на самом деле важно – присутствие одних микробов, отсутствие других или все вместе? И ведь даже если эксперименты подтвердят, что микробы могут становиться причиной болезней у мышей, насчет людей мы не можем быть уверены. Действительно ли изменения в микробиоме влияют на наше здоровье вне идеальных условий лаборатории и нестандартных организмов подопытных грызунов? Разобраться, где причина, а где следствие, в беспорядочном и многогранном мире дисбиоза очень нелегко. Мы многое не понимаем о микробиоме, а то, что нам кажется понятным, почти наверняка неправда.

Помните, что у людей и мышей с ожирением в кишечниках больше бактерий Firmicutes и меньше Bacteroidetes, чем у их более стройных сородичей? Это нашумевшее открытие стало достоянием прессы и научной литературы, а ведь оно – мираж. В 2014 году две попытки проанализировать результаты того исследования показали, что соотношение Firmicutes и Bacteroidetes не связано с ожирением у людей напрямую. Наличие связи между микробиомом и ожирением никто не отменял – стерильные мыши действительно начинают набирать вес, если к ним в кишечники попадут микробы полной мыши или человека. Что-то связанное с микробными сообществами влияет на вес, но это не соотношение F/B – по крайней мере не только оно.

Несмотря на десять лет упорной работы, ученые едва ли продвинулись вперед в выяснении того, какие же микробы явно связаны с ожирением, а ведь среди исследователей эта отрасль микробиологии самая популярная. «Наконец-то до всех доходит, что простого показателя вроде процентного соотношения определенных микробов недостаточно, чтобы объяснить настолько сложную вещь, как ожирение», – усмехается Кэтрин Поллард, под чьим руководством был проведен один из тех пересмотров.

Противоречащие друг другу результаты часто возникают в начале исследований какой-либо отрасли – главным образом из-за недостатка финансирования и погрешностей техники. Ученые проводят небольшие исследования, сравнивая мелкие выборки людей или животных тысячами различных способов. «Проблема в том, что их результатам можно доверять так же, как картам таро, – жалуется Роб Найт, еще один ведущий микробиолог. – Что бы вам ни выпало, это можно связать между собой и превратить в неплохую историю».

Генетики тоже сталкивались с такой проблемой. В начале XXI века, когда технологии еще отставали от амбиций, было выявлено множество генетических комбинаций, связанных с болезнями, особенностями тела и поведением. Но как только технологии секвенирования ДНК стали достаточно дешевыми и мощными, чтобы проанализировать миллионы образцов, выяснилось, что многие предыдущие результаты – ложноположительны. Микробиология человека проходит через те же неприятные трудности.

Микробиом очень изменчив: сообщества микробов у мышей могут различаться, если они относятся к разным линиям, были куплены у разных продавцов, родились у разных самок или жили в разных клетках, и этот факт не облегчает задачу микробиологам. Эти различия могут стать причиной обнаружения иллюзорных паттернов или же несоответствий между разными исследованиями. Также существует проблема загрязнения образцов, ведь микробы – вездесущие создания. Они могут попасть во все что угодно, включая используемые в опытах реактивы.

Однако сейчас с этими проблемами понемногу справляются. Микробиологи находят все новые и новые способы обойти препятствия, из-за которых результаты могут оказаться ложными, а также создают новые стандарты для будущих исследований. Им нужны эксперименты, которые подтвердят причинную связь и укажут нам на то, как изменения в микробиоме могут привести к болезни. Они пытаются рассмотреть микробиом в мельчайших деталях и разработать способы, позволяющие определить в микробном сообществе штамм бактерии, а не только ее вид.

Кроме того, ученые проводят более длительные эксперименты. Вместо того чтобы рассматривать один-единственный кадр из микробиома, они пытаются посмотреть весь фильм целиком. Как микробные сообщества изменяются с течением времени? Что делает их более стойкими или, наоборот, ослабляет? Влияет ли степень их стойкости на риск заболевания у человека? Одна команда исследователей сейчас набирает группу из ста добровольцев, которые будут в течение девяти месяцев раз в неделю сдавать на анализ мочу и кал, потребляя при этом определенную пищу или принимая антибиотики по расписанию. Другие проводят подобные исследования на беременных, чтобы выяснить, способствовуют ли микробы преждевременным родам, а также на людях с повышенным риском развития диабета 2-го типа, чтобы понять, могут ли микробы ускорить процесс перехода болезни в полностью развитую форму.

Команда Гордона создала график развития микробиома у здоровых детей и его торможения у детей с квашиоркором. Используя образцы кала детей из Бангладеш и Малави за первые два года их жизни, ученые разработали шкалу, по которой можно измерить степень развития сообществ микроорганизмов в кишечнике, – есть надежда, что по ней можно будет определить, есть ли у младенца риск заболеть квашиоркором, даже если никаких симптомов болезни нет. Главная цель всех этих проектов – научиться замечать признаки болезни как можно раньше, прежде чем человеческий организм превратится в нечто вроде поросшего водорослями рифа или распаханного поля – в вырожденную экосистему, восстановить которую очень тяжело.

Не видим ничего предосудительного в том, чтобы рифы зарастали водорослями.

«Профессор Плэнер! – воскликнул Джефф Гордон. – Как поживаете?» Это он обратился к своему студенту Джо Плэнеру, стоящему перед обычным лабораторным столом с пипетками, пробирками и чашками Петри, запечатанными в прозрачный пластик. Сооружение из пластика напоминало герметичные камеры для мышей, только оно было нужно для устранения кислорода, а не микробов. Здесь исследователи выращивали кишечных бактерий, нетерпимых к кислороду. «Если написать на бумаге «кислород» и показать этим крошкам, они сразу окочурятся», – улыбнулся Гордон.

В этой анаэробной камере Плэнер вырастил столько микробов, сколько смог найти в образце кала ребенка с квашиоркором из Малави. Затем он разделил все сообщество на штаммы и поместил каждый штамм в свое отделение. Таким образом он превратил хаотичную экосистему кишечника ребенка в упорядоченную библиотеку, разместив огромное количество микробов по аккуратным рядам. «Мы знаем, что из себя представляет каждая бактерия, – говорит он. – Сейчас мы скажем роботу, чтобы он взял определенные бактерии и смешал их вместе».

Он указал на прибор внутри пластиковой камеры, напоминающий сваленные в кучу черные кубики и стальные прутья. Плэнер может запрограммировать его так, чтобы он втянул в себя бактерии из нужных отделений и смешал. «Взять все Enterobacteriaceae!» – может приказать он. Или все Clostridia. Затем он может пересадить этот микробный коктейль в кишечники стерильных мышей, чтобы выяснить, вызовет ли именно такая комбинация бактерий симптомы квашиоркора. Понадобится ли для этого все сообщество? Может, подойдут культивируемые виды? А одно семейство? А один штамм? Этот подход как дробящий, так и целостный. Микробиом сначала разделяется на части, а затем снова становится целым. «Мы пытаемся выяснить, какие актеры играют здесь главные роли», – подытожил Гордон.

Через несколько месяцев после нашей встречи с Плэнером и его роботом команда Гордона сузила список подозреваемых всего до 11 микробов, вызывающих у мышей большинство симптомов болезни. Сами по себе они не были вредны. Проблемы начинались только тогда, когда все эти микробы работали вместе, да и то лишь при условии, что мыши не получали питательные вещества в достаточном количестве. Также исследователи собрали микробные культуры из кишечников здоровых близнецов больных детей и выявили два вида бактерий, умеющих противостоять урону от 11 «друзей» квашиоркора. Одна из них, Akkermansia, уже проявила себя в исследованиях, направленных на снижение веса, но, по-видимому, от истощения она тоже может защитить. Другая, Clostridium scindens, стимулирует определенные участки иммунной системы и тем самым борется с воспалением.

Напротив стола с анаэробной камерой стоял блендер, берущий образцы пищи из различных диет и превращающий их в корм для грызунов. Кто-то прилепил на него бумажку с надписью «Чубакка» (Chowbacca, от англ. chow – корм). Теперь исследователи в лаборатории Гордона имели возможность следить за поведением Akkermansia и C. scindens как в пробирках, так и в организмах гнотобиотических мышей и выяснять, в каких именно питательных веществах нуждались микробы. Это позволило команде сравнить работу микробов при малавийской диете и американской, а также при кормлении грудным молоком – сахара в нем устроены так, что их прежде всего потребляют полезные микробы. Какая пища будет для микробов полезнее? И на какие гены эти микробы смогут повлиять? Из любого микроба команда может создать тысячу мутантов, у каждого из которых один ген будет поврежден. Этих мутантов затем заселят в организмы мышей, чтобы выяснить, какие гены действительно нужны микробам для того, чтобы выжить в кишечнике, установить связь с другими микробами и вызвать квашиоркор – или, наоборот, защитить от него организм.

По сути, Гордон создал источник причинных связей – набор инструментов и методик, благодаря которым, как он надеется, можно будет уточнить, какое именно влияние оказывают на нашу жизнь микробы, и получить на все вопросы четкие ответы, а не догадки и предположения. Борьба с квашиоркором – это только начало. Эти же методики смогут помочь нам разузнать больше о любой болезни, в которой есть место микробам.

И сейчас как раз самое время этим заняться. На нашей планете наступил антропоцен – новая эпоха, при которой влияние человечества на окружающий мир приводит к глобальным изменениям в климате, уменьшению мест обитания диких животных и радикальному снижению разнообразия жизни на Земле. Микробы тоже не избежали подобной участи: и на коралловых рифах, и в собственных кишечниках мы постепенно разрушаем устоявшиеся связи между микроорганизмами и их хозяевами, зачастую разделяя виды, жившие бок о бок миллионы лет. Гордон изо всех сил старается понять секреты этих партнерских отношений, чтобы предотвратить их преждевременный конец. Он не просто изучает микробиом – он им управляет.


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.

poliovirus rides ecoli

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