Откуда берется наш микробиом

 

Если вы – родитель, то хотите для своего ребенка всего самого лучшего. Если вы – ученый, то ваши представления о том, что такое “лучшее”, будут основаны на данных наблюдений и статистического анализа и могут оказаться весьма необычными. А уж если вы – один из моих коллег, изучающий роль микромира в нашей жизни, то эти представления могут проявиться, скажем так, очень специфическим образом.

Когда мы с моей подругой Амандой ждали нашего первого ребенка, мы разработали очень подробный план его появления на свет, включавший даже доулу – профессиональную помощницу при родах (иногда очень полезно, чтобы рядом был человек, стоящий на твоей стороне, а не защищающий интересы страховой компании). Но дети, даже до своего рождения, не очень-то беспокоятся о планах родителей. Второго ноября 2011 года команда проекта “Микробиом человека”, частью которой был я, наконец отослала две фундаментальных статьи с нашими результатами в ведущий научный журнал Nature. Эта работа потребовала неимоверных усилий и от меня, и от Аманды, и мы считали, что заслужили право на праздник. Но поскольку Аманда, как-никак, была беременна, мне пришлось пить за двоих – или даже за троих, включая ребенка. Неважно. Наша дочь должна была появиться на свет только через три недели. Нам еще многое предстояло сделать до ее рождения, но все это могло подождать до утра.

Около полуночи, когда мы ложились спать, на лице у Аманды вдруг появилось какое-то странное выражение. Наклонившись и пощупав ковер у себя под ногами, она сказала: “Кажется, у меня начали отходить воды”. Она позвонила в больницу, и нам велели немедленно приезжать. Поспешно одевшись, мы прыгнули в машину, и Аманда повезла нас в больницу, которая, к счастью, была всего в нескольких километрах от нашего дома. После осмотра гинеколог подтвердил, что роды начались. “Хорошо, – сказали мы, – но можно мы быстренько съездим домой и привезем все необходимое – ползунки, одеяльце, бутылочки, которые мы купили, но не успели захватить?” – “Нет, – сказали нам, – нам, Аманда уже никуда не поедет, пока не родится ребенок”.

Таким образом, возникла проблема: я не мог сесть за руль, хотя чувствовал, что с каждой минутой трезвею. Я вызвал такси, но водитель заблудился, никак не мог найти больницу (наши места с точки зрения доступности такси – далеко не Нью-Йорк), и даже через час он был еще где-то очень далеко. Тогда я сказал ему, что отменяю заказ, и, прихватив подробный список того, что нужно было принести, пошел пешком по сугробам. Мне удалось впихнуть все пункты списка в три имеющихся у нас рюкзака и даже дотащить эти рюкзаки до больницы.

Все шло хорошо. Во всяком случае, так нам казалось. Но к исходу первых суток нашего пребывания в больнице врачи начали заметно беспокоиться. Они сказали, что у ребенка развивается дистресс-синдром. Мы проконсультировались со своей доулой, и она согласилась, что настал момент, когда мы должны перестать надеяться на природу и положиться на современную медицину. Итак, наша дочь появилась на свет в результате экстренного кесарева сечения, и двадцать минут спустя я уже держал ее на руках. Но даже современные медицинские технологии не всесильны. Поэтому, чтобы обеспечить дочь необходимыми микробами, нам пришлось взять дело в свои руки: мы нанесли на кожу новорожденной мазки из вагины ее матери, и в этих мазках содержались те микробы, в которых нуждался ребенок.

Когда мы рассказываем эту историю, у слушателей обычно возникает три вопроса. На первый мы отвечаем, что таким образом репетируем свое выступление на выпускном нашей дочери.

На второй вопрос (“А как вы это сделали?”) ответ простой: установленной процедуры не существует, но мы брали мазки обычными стерильными ватными палочками, а затем касались ими различных частей тела ребенка: кожи, ушей, рта – всех тех мест, куда должны были попасть микробы, если бы он естественным путем прошел через родовые пути.

Но что касается третьего вопроса – почему мы вообще решили это сделать, – то тут нужны более подробные объяснения.

Первые микроорганизмы вы получаете от матери, проходя через ее родовые пути. Доказано, что материнский микробиом загодя к этому готовится. В течение беременности в вагинальном микробиоме матери начинают преобладать бактерии определенного вида Lactobacillus [29]. Микробное население кишечника тоже меняется: становится больше организмов, способных более эффективно извлекать из пищи энергию. К сожалению, эти микробы также могут способствовать возникновению воспаления, особенно в последнем триместре, – это сложный процесс, результатом которого, среди прочего, могут быть диарея и судороги.

Откуда мы знаем, что женский микробиом меняется во время беременности? Для ответа нам понадобится шприц, полный фекалий, а также наши верные помощники, вечные страдальцы – лабораторные мыши. Группа ученых из США, Финляндии и Швеции перенесла фекалии беременных женщин в организм мышей, выращенных в стерильных боксах, то есть не имеющих никаких собственных микробов. Мышей разделили на две группы: одна получила образцы от женщин, находящихся на первом триместре беременности, другая – от тех, которые были на последнем, третьем, триместре. Обе группы получали совершенно одинаковое питание. Тем не менее мыши “третьего триместра” набрали больший вес и приобрели ряд метаболических и иммунологических характеристик, которые часто наблюдаются у беременных[30].

Пересаживая мышам микробов, мы можем ответить на вопрос: являются ли изменения в популяции реакцией на беременность, или наоборот – микроорганизмы являются катализатором этих изменений. Микробные сообщества кишечника беременных изменяются таким образом, чтобы мать могла извлекать из пищи больше энергии и передавать ее плоду. Возможно также, что микроорганизмы кишечника готовятся к тому, чтобы перейти к ребенку. Мы знаем, что аналогичные процессы происходят у животных со специфическим рационом, например у коал, которым необходимы листья эвкалипта, и у летучих мышей-вампиров, питающихся кровью.

До сих пор остается неясным, есть ли микробы у плода в матке. Опубликованы работы, где наличие микробов в амниотической жидкости или в плаценте связывают с преждевременными родами[31]. Но эти результаты пока не получили широкого подтверждения. В настоящее время преобладает точка зрения, что у здорового плода нет никаких бактерий, – хотя, как это часто случается в науке, не исключено, что после получения новых данных эта точка зрения будет пересмотрена.

По всей вероятности, первых микробов мы получаем в процессе рождения, проходя по родовым путям, наполненным вагинальными бактериями. Несмотря на то, что микробные сообщества у разных женщин различны, во время беременности все они изменяются в одном и том же направлении[32]. И это вполне логично, если микроорганизмы, как мы полагаем, эволюционируют, чтобы обеспечить ребенку при его появлении на свет защитный слой. Это немного похоже на один из тех мультфильмов, в которых новорожденного приветствует хор бабочек и певчих птиц – только роль бабочек и птичек играют уродливые ворсистые существа, которые, барахтаясь в слизи, заползают в ребенка.

Итак, предположим, что первых микробов ребенок получает из родовых путей и вагины матери. Что происходит, если он появляется на свет иным способом? Во многих странах количество кесаревых сечений возрастает[33], потому что они, во-первых, позволяют избежать медицинских осложнений и, во-вторых, их проще планировать.

Мария Глория Домингес-Белло, научный сотрудник медицинского центра Лангона при Нью-Йоркском университете, изучает микробиом младенцев. В нашей совместной работе мы показали, что, в отличие от взрослых с их многочисленными специализированными микробными экосистемами, микробиомы новорожденных более или менее одинаковы. Если ребенок рождается естественным путем, его микробиом похож на вагинальное микробное сообщество матери; если в результате кесарева сечения – скорее на кожный микробиом взрослых, то есть на совершенно другое сообщество[34]. Кесарево сечение ассоциируется с повышенным риском ряда заболеваний, связанных с микробиомом или/и иммунной системой, включая астму[35], а также, возможно, ожирение[36], пищевые аллергии[37]и атопические дерматиты[38](разновидность экземы). Но не нужно паниковать, если вы сами или ваш ребенок пришли в этот мир при помощи кесарева сечения. Скорее всего, с вами все будет в порядке: речь идет об относительно невысоких рисках.

Тем не менее предположение о том, что проблемы со здоровьем могут быть вызваны отсутствием контакта с микробным сообществом, к которому мы адаптированы, вполне обоснованно. Примерно до начала прошлого столетия все люди, доживавшие до зрелости, при рождении проходили через родовые пути и получали свое собственное сообщество микроорганизмов. Вот почему, когда наша собственная дочь появилась на свет в результате экстренного кесарева сечения, мы покрыли ее вагинальными микробами, которых она должна была получить естественным путем. А поскольку каких-либо признанных руководств по этому вопросу не существует, мы поступили по своему разумению.

Пока что мы не знаем, повлияло ли это на нашу дочь: вы не можете получить значимые статистические результаты, если размер выборки – “один ребенок”. Но моя лаборатория при участии доктора Домингес-Белло выполняет пилотный проект, чтобы проверить этот эффект в более широких масштабах. На момент написания книги мы смогли подтвердить, что “вагинальные” и “кесаревы” младенцы сразу после рождения имеют различные микробиомы (то же самое подтвердила канадская группа ученых в аналогичном исследовании[39]). Однако у нас пока нет достаточной информации, чтобы проследить, как это влияет на их здоровье в будущем.

 

 

 

Кроме того, очень трудно сравнивать далекие последствия кесарева сечения и естественных родов, потому что после рождения наши микробиомы быстро усложняются. В момент рождения все младенцы, проходящие через родовые пути, имеют очень похожие микробиомы. Но когда мы становимся взрослыми, разница между нами – точнее, нашими микробиомами – огромна.

Если мы, люди, можем так сильно отличаться друг от друга, то возникает вопрос: с кем же у нас больше всего сходства? С теми, кто ест то же, что и мы? С родственниками, которые живут вместе с нами? С жителями нашего города или континента? Оказывается, все эти факторы влияют на наш микробиом, и мы только стоим на пороге множества открытий, одно важнее другого.

Детство – один из наиболее важных периодов развития микробиоты человека (то есть самих микробов, в то время как слово “микробиом”, как уже говорилось, относится к совокупности генов). Профессор микробиологии Корнелльского университета Рут Лей вместе с сотрудниками моей лаборатории изучали стул одного и того же ребенка на протяжении первых 838 дней его жизни[40]. Мы обнаружили, что если в самом начале микробиом стул этого мальчика совпадал с влагалищным микробиомом взрослой женщины (чего и следовало ожидать, учитывая, что он родился естественным путем), то в конце он превратился в обычный кишечный микробиом взрослого человека. Какое огромное изменение между этими двумя временными вехами!

Что самое интересное, ежедневные различия между его микробными сообществами были больше, чем разница между фекальными сообществами двух здоровых людей. В некоторых случаях недельная разница была больше, чем у 250 взрослых, которых мы отслеживали в похожем проекте. Иными словами, если с точки зрения микробиологии в начале наблюдений малыш более или менее напоминал медведя (у медведей, благодаря их богатой мясом диете, очень простой кишечник), то в конце – обезьяну. Чрезвычайно интересным стал период, когда мальчика лечили антибиотиками от ушной инфекции: в это время его микробиом казался микробиомом не просто другого человека, но чуть ли не существа другого вида! Однако через несколько недель он вновь восстановился до состояния микробиома взрослого. Это к вопросу о том, как часто мы можем принимать и давать детям антибиотики.

Формирование нашего микробиома, даже в самые первые дни, зависит от диеты. Наблюдается заметная разница между результатами грудного и искусственного вскармливания. “Груднички” имеют доступ к особым микробам, содержащимся в материнском молоке, а также к особым сахарам, которые способствуют развитию полезных микробов. Затем, месяцев в шесть, когда мы начинаем есть твердую пищу, наш микробиом проходит следующую стадию развития, когда кратковременные пищевые вариации почти на него не влияют. Но в долгосрочной перспективе вы – это то, что вы едите: если брать период в один год, то наибольшее влияние на микробиом кишечника оказывает диета, от которой зависит баланс двух важнейших групп бактерий, переваривающих соответственно белок и пищевые волокна[41].

 

 

Эти две категории бактерий определяют малоизвестный аспект глобального разнообразия: различия в кишечных микробиомах. Все правильно: наряду с языковыми и культурными различиями народы различаются и своими микробами. У народов, которые едят много мяса, преобладает группа, которая называется бактероиды – Bacteroides (привет вам, США и Европа), в то время как в кишечнике людей, которые питаются в основном зерновыми, доминирует группа превотеллы – Prevotella [42].

Но на самом деле все еще сложнее. Например, микробиомы жителей США и Европы значительно различаются. Даже жителей отдельных регионов, например Дании и Испании, можно отличить друг от друга по их микробиомам[43], хотя различия между ними меньше, чем у людей из разных регионов, ведущих традиционный образ жизни. По сравнению с жителями США у сельских жителей Малави, питающихся в основном кукурузой, и фермеров Венесуэлы, чей рацион состоит главным образом из маниока, гораздо больше Prevotella – это следствие диеты с высоким содержанием клетчатки. Правда, возможно, что различия связаны также с генетикой и экологическими факторами[44].

Разница может проявляться и в меньших масштабах: например, в микробиоме японцев обнаружены гены морских разновидностей бактероидов, которые расщепляют в кишечнике водоросли, – возможно, таким образом они адаптировались к суши[45]. (Внимание: эти гены не были обнаружены у японцев, живущих в Сент-Луисе, которых изучала наша лаборатория[46]; единственное, что я могу сказать по этому поводу: если вы не пробовали суши в Сент-Луисе, то я вам и не советую.)

Вы можете спросить: каким же все-таки образом пищевой рацион управляет микробиомом? Вы удивитесь, узнав, что на сегодняшний день изучению механизма этого воздействия посвящено всего несколько работ, хотя уже обнаружена связь между диетой, с одной стороны, и расстройствами пищеварения, риском возникновения инфекций и угревой сыпью (акне) – с другой.

Далее мы сталкиваемся с влиянием окружающей среды на микробиом, особенно значительным в детстве, потому что, если вам когда-нибудь приходилось наблюдать за малышами, вы наверняка видели, как они лезут куда попало, а потом суют в рот грязные пальцы. Оказывается, это не так уж плохо.

Люди, которые в детстве контактировали с разнообразными микробными сообществами – благодаря братьям и сестрам, домашним животным, жизни на ферме, – как правило, имеют более здоровую иммунную систему по сравнению с городскими жителями[47]. Даже будучи взрослыми, мы делим многих микробов с другими членами семьи, в том числе четвероногими. Точно так же как микробиом позволяет определить, какой компьютерной мышью вы пользуетесь, можно по общим микробам с достаточной степенью точности проследить связь между вами и вашим партнером или вашей собакой[48].

Вне зависимости от наших занятий, в дальнейшем наш микробиом мало меняется, даже когда мы стареем, он остается уникальным. Разница между микробиомами вашим и вашего соседа будет одной и той же – как в день, когда вы оба впервые отправились в детский сад, так и в тот день, когда вы оба выйдете на пенсию. Я сделал видео, иллюстрирующее ежедневные вариации микробиома двух человек – себя и Аманды. В течение шести месяцев мы оба каждый день брали у себя пробы (ради микробиома Аманде пришлось со многим примириться). Потом она остановилась, но я упорствую уже больше пяти лет.

Видео показывает, как на протяжении шести месяцев микробиомы каждого из нас сохраняют свою идентичность[49]несмотря на то, что мы живем вместе и используем все чудесные возможности обменяться микробами. Микробиом каждого организма сохраняет свою уникальность, несмотря на ежедневные вариации. То, чем мы занимались на протяжении этих шести месяцев – путешествовали, ели экзотические блюда и прочее, – мало влияло на наши микробиомы в сравнении с сохраняющимися различиями между ними.

Более поздние этапы жизни человека, как правило, характеризуются большим разнообразием микробных сообществ кишечника. По крайней мере, это справедливо для здоровых пожилых людей; пониженное разнообразие микробиомов обычно ассоциируется со стационарными больными и с худшими последствиями для здоровья[50]. Правда, в одном отношении последние дни нашей жизни удивительно похожи на первые: протеобактерии, такие как E. coli и ей подобные, более распространены в кишечниках стариков и младенцев. Почему так, мы пока не знаем. Возможно, протеобактерии, эти быстрорастущие сорняки микробиома, распознают ослабленный кишечник пожилых и еще не развившийся детский.

Если вам нужно будет заменить ваш микробиом, предпочтете ли вы микробы долгожителя, ребенка или своего ровесника? Возможно, что у столетних особенно здоровые микробиомы, которые и позволяют им дожить до такого преклонного возраста. С другой стороны, не исключено, что их микробы, несмотря на долгую героическую службу, уже прощально машут жгутиками и поэтому их пересадка вряд ли целесообразна.

В таком случае пересадка молодого микробиома на первый взгляд представляется удачным способом заполучить юное, энергичное, бурно развивающееся сообщество. Но что, если такой микробиом оказывает благотворное влияние только в молодом возрасте, но пагубное – в старшем? Увы, в настоящее время по этому вопросу проведено так мало исследований, что наука нам не помощник. Так что лучше пока не торопиться с фекальной трансплантацией. (Подробнее об этом читайте в главе 5.)

 

В болезни и в здравии

 

И как ученый, и как человек я не устаю поражаться все новым и новым открытиям, доказывающим, насколько мы зависим от своих микробов. Но больше всего меня воодушевляет вполне реальная перспектива того, что когда мы научимся лучше понимать микробиом и даже влиять на него, он может начать нас исцелять.

Мы уже сегодня устанавливаем связь между нашими микробами и целым спектром заболеваний, начиная с очевидных – инфекций и воспалительных заболеваний кишечника – до таких неожиданных в этом списке, как рассеянный склероз, аутизм и депрессия.

Стоит уточнить: тот факт, что микроб играет роль в том или ином заболевании, еще не означает, что болезнь можно излечить, избавившись от этого микроба. Более того, такие действия могут привести к необратимым последствиям. Может оказаться, что определенная диета или ингибирование фермента (это белок, который ускоряет химическую реакцию) более эффективны, чем прямое нападение на микробов. Причина такого повышенного интереса к микробиому – перспектива открытия принципиально новых способов воздействия на болезни, не поддающиеся существующим методам лечения.

Но сначала зададимся вопросом: а откуда мы знаем, что конкретные микробы связаны с определенными болезнями?

Проще всего привести в пример те случаи, когда один специфический вид микроорганизма существенно влияет на здоровье, что, в сущности, охватывает последние 150 лет исследований в области инфекционных заболеваний. Если вы заразитесь такими микроорганизмами, как сальмонелла (Salmonella), лямблия (Giardia – паразит, вызывающий лямблиоз) или микобактерия туберкулеза (Mycobacterium tuberculosis), то готовьтесь к тому, что заболеете. А потом, если будете лечиться нужными антибиотиками (или другими препаратами), можете ожидать, что выздоровеете.

Но погодите: разве мы всегда заболеваем, когда в нас попадают возбудители болезней?

Оказывается, наш риск заболеть является комбинацией факторов: подверженности воздействию, набора генов и других. Некоторые люди рождаются с природным иммунитетом к определенным болезням. Возможно, вы слышали о Тифозной Мэри, нью-йоркской кухарке начала XX века, которая была носителем бактерии, вызывающей тиф. Своей восхитительной стряпней, содержащей мельчайшие дозы ее отнюдь не восхитительных микробов, она заражала одно семейство за другим. Но сама Мэри никогда не болела. У нее был природный иммунитет к болезни, которую она носила внутри себя. Откуда он взялся? Что ж, именно в поисках ответа на этот самый вопрос мы экспериментируем на мышах: во-первых, заражать мышей мы считаем более этичным, чем людей, а во-вторых, мы умеем изменять геном мыши. Благодаря этим исследованиям мы узнали, что склонность практически ко всем видам инфекций в значительной степени зависит от генетики. В лаборатории достаточно легко можно создать мышиную версию Тифозной Мэри – животных, устойчивых не только к тифу, но и ко многим другим инфекциям. Это доказывает, что восприимчивость каждого из нас к тем или иным болезням во многом определяется нашими генами.

Постепенно мы начинаем осознавать, что таких болезней, при которых мы все подвергаемся воздействию одних и тех же микробов, а заболевают только некоторые из нас, может быть гораздо больше. Чтобы объяснить этот факт, нужны новые исследования.

А пока что предлагаю вам обзор нескольких важнейших заболеваний, в развитии которых, как мы подозреваем, играют роль микроорганизмы.