Большинство людей знают, что астма, болезнь, известная с античных времен, превратилась в серьезную проблему для здравоохранения. Статистика из развитых стран, которую ведут не менее семидесяти лет, показывает, что заболеваемость за это время удвоилась, если не утроилась. Графики похожи на пенсионные накопления вашей мечты, однако на самом деле показывают увеличение количества ужасных страданий и, в некоторых случаях, преждевременных смертей.
Врачам уже много лет известно, что астма как-то связана с гастроэзофагеальной рефлюксной болезнью. У многих наблюдаются сипение, кашель и сокращение дыхательных путей, характерные для приступов астмы. А когда люди с астмой получают лекарства от ГЭРБ, чтобы уменьшить кислотность в желудке, улучшается и дыхание. Несмотря на очевидную связь, многие медики считают, что рефлюксная болезнь – причина лишь небольшого процента заболеваний астмой.
Одна теория, объясняющая, как связаны две этих болезни, чисто механическая. Когда желудочный сок поднимается по пищеводу, он может попасть в дыхательные пути и вызвать раздражение. Но это объяснение не учитывает аллергии и сенную лихорадку, часто развивающихся на фоне астмы – основного представителя группы родственных болезней, для которых характерна повышенная чувствительность к чужеродным веществам.
После того как исследования показали, что H. pylori может защитить нас от ГЭРБ, мне стало интересно, сможет ли уберечь и от астмы. Возможно, рост количества случаев этой болезни связан с тем, что сейчас меньше детей получают бактерию в детстве, а у многих ее случайно уничтожают при лечении антибиотиками. Могут ли субклинические нераспознанные случаи ГЭРБ, вызванные отсутствием H. pylori, быть главной причиной эпидемии астмы?
Хотя идея казалась вполне осмысленной и укладывалась в то, что мы узнали в середине 90-х, многие посчитали вывод поспешным. Уменьшение количества H. pylori и увеличение случаев астмы – несомненные факты, но они могли быть не связаны между собой. Увеличение заболеваемости астмой коррелирует еще, например, с увеличением количества телевизоров в домах или «Фольксвагенов» на дорогах.
Я попытался убедить нескольких коллег, работавших с легочными заболеваниями, исследовать эту потенциальную связь вместе со мной, но она казалась слишком уж притянутой за уши. К тому же медицинское сообщество в первую очередь интересовалось опасностью, представляемой H. pylori. Чтобы доказать свою гипотезу, нужно было изучить популяцию пациентов с астмой, но без сотрудничества с ученым-клиницистом мне бы это не удалось.
Затем, в 2000 году, я переехал из университета Вандербильта в Теннесси в Нью-Йорк, где возглавил медицинский факультет Нью-Йоркского университета. Я очень обрадовался возможности вернуться в свою альма-матер и собрать на факультете сильный состав. Но несмотря на административные задачи и давление, не хотел бросать исследования. На новом месте нужно было искать новые шансы. Так что коллегам был задан вопрос: «Кто из вас работает с астмой?»
Все показали на доктора Джоанну Рейбман, специалиста по легочным заболеваниям, которая в 1991 году открыла в госпитале Белльвю клинику для взрослых, больных астмой. Она вежливо, но без особого энтузиазма, выслушала мои идеи. Одна из сильных интеллектуальных сторон Джоанны – ее скептицизм. Дикие идеи появляются постоянно, и женщина не собиралась верить моей идее без доказательств. Справедливо.
Доктор Рейбман согласилась привлечь к исследованиям пациентов своей клиники. Их здоровые друзья и родственники служили контрольной группой. Она провела множество тестов, чтобы выявить легочную функциональность и аллергии. К счастью для меня, с 2002 года она собирала и замораживала образцы крови участников, которыми можно было воспользоваться для проверки на H. pylori. Поддержка Джоанны стала ключевой для проверки гипотезы; она всегда искала и до сих пор ищет способы улучшить жизнь больных астмой.
К 2004 году у команды Джоанны были в наличии образцы крови более 500 человек. Мы договорились, что она отправит моей команде сыворотки крови под кодовыми именами, чтобы не было известно, кто болен, а кто нет. Это уменьшало шансы необъективности. Гильермо сделал анализы крови, после чего мы разделили результаты на положительные, отрицательные и неясные. С помощью повторных анализов практически от всех неясных удалось избавиться.
Позже в том же году мы отправили результаты Джоанне и ее команде, в которой работал в том числе Майкл Мармор, опытный эпидемиолог. Он занимался как раз нужным нам статистическим анализом. Через несколько недель доктор Рейбман позвонила и сообщила, что, к ее удивлению, обнаружилась обратная пропорциональность между наличием H. pylori и астмой. Тем не менее она по-прежнему сомневалась. В конце концов, как желудочный микроб может защищать от легочных болезней?
Мы договорились встретиться и обсудить результаты. Через неделю Джоанна, Майк и остальные члены команды приехали в небольшой госпиталь ветеранской организации, где расположена моя лаборатория и небольшой личный кабинет. Она рассказала об участниках эксперимента – 318 пациентов с астмой и 208 здоровых людей из контрольной группы – и объявила о результатах статистического анализа.
Эксперимент показал, что у людей с положительным анализом на H. pylori шансы заболеть астмой на 30 % меньше, чем у тех, у кого бактерии в организме нет. Статистика сохранилась даже после того, как они учли другие переменные, объясняющие возможную предрасположенность к заболеванию.
Это стало первым подтверждением моей теории. Тем не менее данные можно было толковать разными способами.
– Что насчет cagA? – спросил я. Мы проводили анализ и на наличие этого штамма, как при анализах для язвенной болезни, рака желудка и болезней пищевода.
– Еще не анализировали, – ответила Джоанна.
Я был разочарован, потому что ключевым маркером является сagA. Именно он хуже всего влияет на язву и лучше всего на здоровье пищевода. Если бы можно было предсказать, какая история об астме окажется наиболее эффектной, я готов был биться об заклад, что ей станет сagA как лучший индикатор защищенности от астмы.
– Ну, – ответила Джоанна, – посмотрим потом.
Тут вмешался Майк.
– Подождите минутку! – сказал он. – Я, наверное, смогу это рассчитать.
С этими словами он начал печатать что-то на ноутбуке. Мы молча наблюдали. Через тридцать секунд он размашистым жестом нажал последнюю кнопку и прочитал с экрана:
– СagA+: вероятность 0,6.
Эврика! Эти слова означали, что люди с этим штаммом на 40 % реже болеют астмой.
Поразительно: штаммы, имеющие непосредственное отношение к язве и раку желудка, как оказалось, лучше всего защищали от ГЭРБ, а теперь еще и от астмы. Парадокс, но сейчас результат можно объяснить тем, что СagA наиболее тесно взаимодействуют со своими носителями. К тому времени мы уже понимали систему работы этих штаммов{128}: постоянное впрыскивание своего материала в желудочные клетки человека. Словно бы существуют две разных популяции штаммов H. pylori. Одни – энергичные и общительные, cagA -позитивные. Другие, cagA -негативные, можно считать более ленивыми: они куда реже контактируют с клетками носителя-человека.
Эти штаммы, скорее всего, живут ближе к нашим клеткам, а другие – дальше, в полости желудка. Таким образом, не стоит удивляться, что именно cagA -позитивные сильнее всего повреждают стенки. Но поскольку они самые «общительные», потенциально могут при этом принести наибольшую пользу для регулирования физиологии.
Затем Джоанна просмотрела медицинские карты пациентов, чтобы узнать, когда болезнь была диагностирована. В детстве появились первые симптомы или во взрослом возрасте? Обнаружилось, что у пациентов с H. pylori астма в среднем начиналась в двадцать один год. У кого ее не было – в одиннадцать. Поразительная разница. Это показало, что отсутствие H. pylori чаще ассоциируется с детской астмой, а присутствие откладывает ее начало. Через пару лет в канадской Манитобе провели большое исследование с участием детей. Обнаружили, что использование антибиотиков в первый год жизни приводит к значительному повышению шансов заболеть астмой в семь лет{129}. Специально H. pylori они не искали, но их результаты соотносились с моей общей гипотезой.
Краткое изложение наших результатов было представлено на ежегодном собрании Американского общества грудных болезней в мае 2005 года{130}. К сожалению, встретили его зевотой. Наша работа не принадлежала к главному направлению изучения астмы, и даже специалисты по легочным болезням из команды Джоанны оказались намного меньше впечатлены результатом, чем я.
В исследовании Джоанны образцы крови также были протестированы на антитела к аллергенам, чтобы проверить, связана ли H. pylori с аллергическими реакциями. И здесь обнаружилась связь: присутствие бактерии ассоциировалось с меньшим количеством реакций на аллергены. Это говорило о том, что микроорганизм защищает от аллергии.
* * *
Я продолжил работу. Удастся ли повторить наши результаты в другой популяции? Если мы действительно напали на что-то стоящее, увидим это снова. Мне пришла мысль: не стоит ли воспользоваться данными большого исследования под названием NHANES III: 20 000 американцев были выбраны как «представители страны», и с 1988 по 1994 год прошло несколько медосмотров с их участием.
Результаты анализов крови по-прежнему были доступны, в том числе на H. pylori {131}. Сидя в том же маленьком кабинете в здании ветеранской организации, в марте 2006 года я предложил доктору-эпидемиологу Ю Чэнь, молодой специалистке, недавно перешедшей в Нью-Йоркский университет, воспользоваться этими данными, чтобы проверить гипотезу об обратной пропорциональности между наличием H. pylori и заболеваемостью астмой. Она согласилась и сумела найти данные NHANES III о 7600 людях с астмой и анализами на H. pylori. Предыдущее исследование Джоанны с участием 500 человек было само по себе довольно большим, но здесь выборка была в пятнадцать раз больше.
5 мая 2006 года Ю прислала мне электронное письмо. «Я провела анализ данных NHANES… Они какие-то странные».
Торопясь на самолет в Чикаго, я засунул в чемодан присланные распечатки таблиц. Через несколько часов, спокойно усевшись в салоне, наконец их рассмотрел. Все было ясно: данные показали, что между наличием H. pylori и астмой действительно имеется обратно пропорциональная связь. Особенно выраженной она была для сagA -позитивных штаммов. Больше того, процент заболеваемости был ниже примерно на 40 %, как и в исследовании Джоанны.
Это второе большое, независимое, слепое исследование, которое дало результат, практически идентичный первому. Уже явно не простое совпадение. Нужно было, конечно, рассмотреть и другие вопросы, к тому же данные ничего не говорили о том, является отсутствие H. pylori предпосылкой к развитию астмы или наоборот. Но в тот момент, сидя в самолете, под шум двигателей и храп соседа по креслу, я осознал, что гипотеза верна{132}. И почувствовал себя так, словно прошел пешком большой путь и, наконец, едва дыша, мокрый от пота, поднялся на вершину горы – то был момент радостного возбуждения.
В исследовании Ю обнаружились дополнительные нюансы. Все обратно пропорциональные связи встречались у детей младше пятнадцати лет. Эффект был специфическим для детской астмы и никак не проявлялся во взрослом состоянии. Хотя заболеваемость в целом возросла после Второй мировой войны, чаще всего она встречалась среди детей – и в городах, и в сельской местности во всех развитых странах, но особенно уязвимы бедняки. Есть много теорий, объясняющих это; одна из популярных – они чаще встречаются с тараканами и другими насекомыми, которые могут служить важными триггерами астмы. Но не у всех в доме, где живут тараканы, встречается астма, а многие заболевают, хотя вообще ни разу в жизни не видели этих маленьких вредителей. Для меня главный вопрос даже не в том, почему у кого-то проявляется аллергия и после встречи с тараканом дыхание становится хриплым. Это я как раз понимаю. Вопрос, скорее, в том, почему после этой встречи у большинства детей хрипы проходят, но не у всех.
В записях NHANES III была информация и о сенной лихорадке, и об аллергическом рините. Опять-таки мы нашли обратный эффект, и опять-таки в детях, а не во взрослых, и он был более сильный для cagA -позитивных штаммов. Эта работа стала первым доказательством, что присутствие H. pylori в желудке ребенка может защищать его от сенной лихорадки. Как и астма, эта болезнь с постепенным исчезновением H. pylori стала все больше распространяться.
NHANES III оказалось настоящей сокровищницей (деньги налогоплательщиков принесли реальную пользу). Ю сумела связать анализы на H. pylori с результатами кожных тестов на аллергию у более чем 24 000 людей. Для каждого из шести рассмотренных аллергенов наблюдалась обратно пропорциональная зависимость от наличия бактерий, а для четырех из них (пыльца, рожь, чертополох, альтернария) разница оказалась статистически значимой. Как и в случае с астмой и сенной лихорадкой, люди с H. pylori с меньшей вероятностью проявляли кожную реакцию на аллергены. Сразу проясним ситуацию: я не хочу сказать, что существует какая-то прямая связь между нашей бактерией и, например, чертополохом. Скорее, она оказывает какое-то общее воздействие на иммунитет, на способность людей отключить аллергическую реакцию.
Эти дополнительные результаты были очень важными, потому что показали похожую связь с тремя разными, но родственными заболеваниями: астмой, сенной лихорадкой и кожными аллергиями. Кроме того, результаты подтвердились в более крупных выборках{133}, когда Ю и я провели еще одно большое исследование. Мы использовали анализы, взятые у людей из программы NHANES в 1999 году. Почти десять лет спустя результаты вышли схожими.
Я начал изучать астму из-за ее связи с ГЭРБ. Поначалу соглашался с популярным объяснением, что изжога приводит к астме из-за того, что в нижнюю часть пищевода попадают желудочный сок, желчь и другие токсичные вещества, которые потом поднимаются вверх и через трахею оказываются в дыхательных путях. Но эта теория не объясняет происхождение сенной лихорадки и кожных аллергий, потому что они развиваются очень далеко от пищевода. Учитывая, что все эти недуги аллергической природы, возник очевидный вопрос: влияет ли H. pylori на иммунитет? И как вообще желудочный микроб может влиять на иммунитет?
Ответ, к которому я, в конце концов, пришел, близок к исходным наблюдениям Робина Уоррена, австралийского патолога, который связал H. pylori с гастритом – большим скоплением (больше, чем считается нормальным) воспалительных и иммунных клеток на стенке желудка. Но какая стенка нормальна: современная, без H. pylori {134} и с небольшим количеством вышеупомянутых клеток (без гастрита), или же более древняя, с H. pylori и большим их количеством (гастрит)?
Как и кишечник, стенка желудка – дом для многочисленных типов клеток, участвующих в работе иммунитета. Среди них – белые кровяные тельца, сражающиеся с инфекциями, и другие, регулирующие иммунитет. Кроме того, присутствуют так называемые дендритные клетки с длинными выступающими отростками, которые чувствуют находящиеся поблизости бактерии и реагируют на них. Когда они активируются, то передают сигнал тревоги лимфоцитам, белым кровяным тельцам, которые составляют основную часть полицейских сил вашего тела.
Лимфоциты разными способами укрепляют оборону. А кроме того, у них есть память: большинство помнят какой-либо химический аспект конкретного события, например, компонент бактериальной стенки от прошлой инфекции. Каждый раз, когда ребенок заболевает стрептококковым фарингитом, его тело все лучше их запоминает, и, в конце концов, при очередном заражении перестают проявляться симптомы – вырабатывается иммунитет. Вакцины и дозы антигенов используют такие функции, чтобы сделать его сильным.
Вас не должно удивлять, что стенка желудочно-кишечного тракта, от рта до ануса, населена клетками-дендритами, которые засекают бактерии, и лимфоцитами, которые реагируют на них. Причем и на обычных обитателей, и на непрошеных гостей, но не всегда одинаково. Лимфоциты запоминают и злоумышленников, которых нужно ловить сразу после обнаружения, и гостей, с которыми нужно обращаться предельно учтиво.
В стенке желудка тоже живут белые кровяные тельца: B-лимфоциты, которые вырабатывают антитела, и T-лимфоциты, которые занимаются комплексной защитой. Но иммунные клетки могут выполнять противоположные функции: быть активаторами или подавителями. Некоторые преимущественно запускают воспалительный процесс, а другие, которые называют регуляторными T-лимфоцитами или T-супрессорами, модифицируют и подавляют реакции. Мы не хотим, чтобы любое мелкое происшествие перерастало в полномасштабную войну – это будет слишком разрушительно. Нам нужны полицейские силы для регулирования армии – что-то вроде военной полиции, поддерживающей порядок в войсках. Это одна из ролей, которую играют T-супрессоры. Часть «гастрита», который патологи видят на стенке желудка при колонизации H. pylori, на самом деле представляет собой лимфоциты, реагирующие на бактерию. В желудке с H. pylori живет больше лимфоцитов и намного больше T-супрессоров, чем в «современном» без этой бактерии.
Таким образом, не всякий гастрит, наблюдаемый патологами, – «плохой». Это сдвиг парадигмы. Я считаю, что T-супрессоры, живущие в желудке, с помощью своих функций защищают нас от астмы и аллергических расстройств. Патологи и врачи должны понять, что «воспаление» желудка – это нормально. У него есть биологические издержки, в частности, язва и рак, но оно приносит и пользу, которую мы начинаем понимать только сейчас.
Группа швейцарских ученых, возглавляемая доктором Анной Мюллер, провела эксперименты на мышах, чтобы понять, какую важность имеют иммунные ответы, вызванные H. pylori. Их работа подтверждает ее защитную роль при астме. Мюллер с коллегами индуцировали{135} у мышей астму, впрыснув аэрозоль с аллергеном в легкие. Они показали, что при заражении H. pylori реакция мышей на аллерген оказалась пониженной. Живые бактерии в желудках защищали; мертвые не помогали никак. Более того, мыши, зараженные в младенчестве, получали лучшую защиту. Эти результаты похожи на эпидемиологическую картину у людей. Мы показали, что защита от астмы, обеспечиваемая H. pylori, действует по большей части в начале жизни.
Дальнейшие эксперименты показали, что бактерии взаимодействуют с чувствительными дендритными клетками стенки желудка, заставляя их программировать иммунную систему на выпуск Т-супрессоров. H. pylori выбрали очень умную стратегию: T-супрессоры подавляют иммунные ответы, которые должны уничтожать бактерии. Но это отличная сделка, потому что вместе с этим они подавляют еще и аллергические реакции.
Данная теория, пусть и не слишком широко известная, справедлива с эволюционной и физиологической точки зрения; эпидемиологические, гистологические и экспериментальные исследования дают параллельные доказательства: популяции иммунных клеток, появление которых провоцируют H. pylori, защищают нас от астмы. Опять-таки, идея не в том, что бактерии как-то связаны с тараканами или пыльцой. Скорее их присутствие в раннем детстве гарантирует, что когда носитель встретится с этими аллергенами, он успеет отключить иммунный ответ раньше, чем аллергия выйдет из-под контроля. Причем этим, скорее всего, занимаются не только H. pylori. Вполне возможно, существовали и другие подобные микробы, которые погибли, а вместе с ними популяции иммунных клеток. H. pylori может быть предводителем, вожаком стаи, главным актером труппы, или звездой в спектакле, или же это вообще театр одного актера. Еще не известно. Но эти «старые солдаты» сейчас быстро исчезают, что может быть вполне достаточным объяснением роста заболеваемости астмой.
* * *
Мои идеи о H. pylori – что в начале жизни они полезны для нашего здоровья, но с возрастом становятся опасными – были приняты многими коллегами не слишком хорошо. Напротив, кое-кто даже назвал меня еретиком.
Во многом проблема заключается в том, что вокруг идеи о ее вреде уже построили целую доктрину. Отчасти сопротивление обусловлено вполне логичным научным принципом: показать корреляцию – это еще не доказать причинно-следственную связь. Люди, которые грабят банки, возможно, курят больше, чем те, кто живет обычной жизнью, но это не значит, что курение заставляет их грабить банки. Более того, может быть и «обратная причинность»: ограбление банков – это опасное дело, так что люди могут курить, борясь со стрессом.
Несмотря на немалое число исследований разных ученых, прямых доказательств двойственной природы H. pylori немного. Тем не менее степень скептицизма слишком уж непропорциональна тому, что уже было выяснено. Кстати, прямых доказательств, что H. pylori вызывает язвенную болезнь, тоже не существует. Ученые показали, что ее устранение заметно снижает риск рецидива, и это очень важный клинический результат, но он ничего не говорит об изначальной причине.
Представьте, что я пролил на руки бензин, и кто-то его поджег. В результате получим ожоги. Предположим, что мы решили провести исследование разных методов лечения и на правую руку нанесли мазь с антибиотиком, а на левую нет, и правая рука зажила лучше. Какой вывод можно сделать? Очевидно, применение антибиотика привело к лучшему результату. Если провести такое же испытание на многих людях, и в среднем рука, обработанная антибиотиком, будет заживать лучше, чем необработанная, это может стать новым стандартом лечения.
Но подобное испытание нельзя считать доказательством, что ожог вызван бактериями. Мы видим только то, что их удаление способствует лучшему заживлению ран. Ожог был вызван взаимодействием спички и бензина. Постфактумные исследования результатов устранения H. pylori у людей, уже болевших язвой, – это явление того же порядка. На самом деле единственное известное мне исследование, где задавали вопрос, вызывает ли H. pylori язву желудка, – наше собственное. Работая вместе с Абрахамом Номурой и популяцией японо-американцев на Гавайях, мы показали, что присутствие бактерии в 60-х годах связано с повышенным риском развития язвы двадцать один год спустя{136}. Так что я вовсе не утверждаю, что ее присутствие для нас безвредно. Просто дело в том, что, как и во многих сложных проблемах человеческой биологии, специфические причинно-следственные связи установить довольно трудно. И хотя H. pylori – обычно необходимое условие для развития язвенной болезни, его не достаточно. В 1998 году я предположил, что язва вызывается изменением микроэкологии желудка, что приводит к изменению количества H. pylori, типов и разнообразия ее штаммов, а также изменению количества и распределения других организмов{137}. Через шестнадцать лет идея выглядит вполне обоснованной.
После публикации первой работы Уоррена и Маршалла появилась группа «хеликобактериологов». По всему миру проводились собрания, многие получили немало штампов в паспортах. Каждый год европейское сообщество собирало конференцию по H. pylori, где присутствовали гастроэнтерологи, микробиологи, патологи и их студенты; к середине 90-х количество посетителей измерялось уже тысячами. Горячая поддержка фармацевтических компаний, готовых влиться в новое «движение», стала важным стимулом для проведения собраний.
В 1996 и 1997 годах, когда я выдвинул идею о существовании «хороших» хеликобактеров, диапазон реакций был где-то между недоумением и презрением. Помните: хорошая H. pylori – мертвая H. pylori. Нобелевская премия, полученная Уорреном и Маршаллом в 2005 году, тоже не сильно помогла моему делу, хотя комитет дал очень продуманную формулировку, связанную с открытием H. pylori и ее роли в течении пептической язвенной болезни. Великая революция, которую произвело открытие бактерии, разрушила догму, что причина язв – стресс и связанная с ним гиперактивность. Но ее место заняла не менее радикальная догма: H. pylori должны быть уничтожены.
Врачи, искренне считавшие, что делают доброе дело, избавляясь от H. pylori, пациенты, беспокоившиеся из-за «инфекций», и фармацевтические компании, которые всегда рады распространять свою продукцию, в частности антацидные препараты (одни из самых коммерчески успешных лекарств в мире), вместе создали каток, которым готовы раздавить древний микроб. Несмотря на то что язвенной болезнью страдает относительно немного людей, каток получает все более мощный импульс к движению.
Тем не менее я считаю, что в конце концов мы поймем вот что: экологическая перемена таких масштабов – исчезновение H. pylori – несет с собой множество последствий, как хороших, так и плохих. Работа сформировала мои мысли и сделала меня таким, какой я есть сейчас: я беспокоюсь об исчезновении многих микробов из нашего древнего бактериального наследия. Сколько других организмов исчезает или уже исчезло?
Коллеги по-прежнему устраивают «консенсусные конференции», в основном спонсируемые фармацевтическими компаниями, на которых постоянно добавляют все новые категории людей, у которых нужно устранить H. pylori. Основная практика по-прежнему звучит как «Выявить и вылечить». Военная аналогия этой фразы – «Найти и уничтожить». Повсюду люди боятся присутствия бактерии в желудке, а врачи считают себя обязанными избавиться от этого патогена. Несмотря на публикацию наших результатов во многих ведущих журналах, я так и не смог ничего изменить в практике.
Тем не менее эти идеи нашли отклик в сообществах микробиологов и экологов. Поскольку моя команда сыграла важную роль в доказательстве, что H. pylori – патоген, меня приглашают на многие собрания, в университеты, а также включают в состав ведущих ученых обществ. В своих статьях я перестал называть бактерии инфекционными. Это процесс колонизации – бесчисленное множество организмов поступает с нашим телом точно так же и счастливо живет там многие годы. В этом я точно уверен.
Кроме того, время на моей стороне, правда выйдет наружу, и мы научимся назначать персонализированное лечение: решать, у кого H. pylori уничтожать, у кого – сохранить, а у кого – восстановить. Мы движемся в верном направлении, но в современной медицинской практике слишком много контрпродуктивных стимулов, и она слишком инерционна – особенно когда речь заходит о «священных коровах».
Глава 12. Выше…
Мы ехали по проселочной дороге, судя по карте, это был самый короткий путь к Чичен-Ице, большому доколумбову городу, построенному майя. Дорога была сухой и пыльной, но неплохой. За кустами то и дело виднелись крыши домов. Не считая дороги, на обожженном солнцем пейзаже не было заметно особых следов технического прогресса. Тем не менее когда-то Юкатан был одним из центров цивилизации, объединявшей миллионы людей и продержавшейся несколько веков. Теперь же неподалеку от большого ритуального городища все поросло унылым, монотонным кустарником.
Тут я увидел на дороге двух детей. Проезжая мимо, мы успели рассмотреть их лица. Это были чистокровные индейцы майя, с черными как смоль прямыми волосами и широкими, гладкими чертами лица, точь-в-точь как на фресках и скульптурах майянских стел. Но сразу стало понятно, что что-то не так. Эти ребята, им было, может быть, лет восемь и одиннадцать, были слишком тяжелыми. Даже жирными. Я бы не удивился, увидев таких на дороге в Арканзасе, Огайо или Баварии, но здесь, на Юкатане, это стало шоком.
«Оно добралось даже сюда», – сказал я Глории, ехавшей со мной. Супруга была в курсе, что я изучаю ожирение, так что сразу поняла, о чем разговор. Я удивился, как далеко распространилась эпидемия – добралась даже до отдаленных районов развивающихся стран. Позже, когда я рассказал об этом эпизоде одному из коллег по Нью-Йоркскому университету{138}, он ответил, что видел нечто подобное в Гане: «Когда я начал там работать лет тридцать назад, главной проблемой детей было недоедание. Сейчас – ожирение».
Почему люди по всему миру становятся крупнее? Впервые за всю историю человечества перекормленных стало больше, чем недокормленных. Каждый третий взрослый в мире страдает лишним весом. Каждый десятый – ожирением. К 2015 году, по оценкам Всемирной организации здравоохранения, количество толстяков перевалило за 2,3 миллиарда – эта цифра равна населению Китая, Европы и США, вместе взятых. Дети и подростки тоже стали тяжелее, причем, куда ни посмотри. Люди едят больше плохой еды и не делают зарядку?
Как врача и ученого, изучающего человеческое здоровье, меня одновременно беспокоит и занимает вопрос, почему люди толстеют. И я нашел несколько многообещающих, как мне кажется, идей, которые помогут дать ответ. Но, прежде чем перейти к ним, хочу обсудить родственный вопрос, который и привел меня к этим ответам: почему люди по всему миру становятся выше?
За последние сто лет во многих странах увеличился средний рост. Когда я спрашиваю других, почему это так, большинство отвечает: мы стали лучше питаться. С этим трудно спорить. В развитых странах уж точно едят больше, чем раньше, хотя вот лучше ли рацион – отдельный большой вопрос. Голод как стихийное бедствие остался в прошлом. В этом смысле питание действительно улучшилось, и я не принижаю важность этого. Но как и всегда, больше всего меня интересовал вклад микробов в человеческое развитие.
Несколько лет назад я вспоминал исследование, проведенное в 1964–1973 годах Леонардо Матой, микробиологом и экспертом по здравоохранению из Костариканского университета. Оно было посвящено связи между недоеданием и инфекциями у детей из Санта-Мария-Кауке, деревни в Гватемале{139}. Тогда детская смертность была поразительно высокой – около 96 смертей на 1000 рожденных детей, сравните с 6 смертями на 1000 детей в современных США. Санитарная обстановка плохая, дети страдали от множества диарейных заболеваний. Мата и его коллеги обнаружили, что чем чаще у детей была диарея, тем медленнее они росли. Чем больше болезней, тем ниже они были. Работа подтверждалась другими обширными данными, но конкретно его исследование привлекло мое внимание, потому что результаты были очень ясными.
Многие считают, что период максимальной скорости роста (так называемый «рывок роста») наступает в подростковом возрасте, но это не так. Первые два с половиной года жизни – вот он, настоящий период – главное критически важное «окно» для определения будущего роста во взрослом состоянии. Опытные педиатры знают, что, удвоив рост ребенка в возрасте двух лет, можно довольно точно прикинуть, каким он станет в будущем. Исследования детей, усыновленных в Азии, показали, что если они переехали в Америку до трех лет, то дорастали до среднего роста новых товарищей по играм. Но вот если позже, оставались невысокими. Таким образом факторы, определяющие рост, нужно искать в раннем детстве.
Еще одно ключевое наблюдение было получено из изучения H. pylori. Вскоре после открытия этих микробов ученые начали искать связь между ними и различными аспектами человеческого здоровья. Например, их чаще находили в желудках людей, которые в детстве жили в бедных семьях. Более того, взрослые с этой бактерией были в среднем ниже. Исследования посвящены идее, что H. pylori замедляет рост, что вполне соответствовало тогдашним взглядам – «H. pylori приносит вам только вред». Получалось, что патогены делают людей ниже, а если избавиться от них, человечество станет выше. Мне это казалось вполне логичным.
В 90-х годах знали, что заражение H. pylori происходит в первые несколько лет после рождения{140}, когда бактерия действительно может оказать влияние на скорость роста. Кроме того, H. pylori ассоциировалась с детством в семье с маленьким материальным достатком, что тоже вполне соответствовало данным: бедные люди обычно ниже. Но никто не знал, сама H. pylori замедляет рост, или же в данном случае она – маркер для других микробов, возможно, полученных тем же фекально-оральным путем{141}?
Позже стало известно, что микроб влияет на регулирование гормонов грелина и лептина{142}: оба производятся в желудке и участвуют в накоплении и расходовании энергии. Вполне можно представить, что дети, растущие с H. pylori, отличаются по обмену веществ от тех, у кого бактерий нет, и это гормональное различие уменьшает траекторию роста. Данная гипотеза требует экспериментального подтверждения. Некоторые эксперименты мы провели на мышах и получили дополнительные свидетельства.
В 2000 году, вернувшись в Нью-Йоркский университет, я стал искать человека, который помог бы исследовать вопрос, почему люди стали выше. Студентка Альбертина Бирд приняла вызов и вскоре нашла много интересных данных. Оказывается, долгосрочные изменения среднего роста довольно просто оценить благодаря большому количеству данных: антропологи используют скелеты, а в армиях много веков собирают информацию о росте солдат{143}.
Альбертина обнаружила, что человеческая история вовсе не была длинной, односторонней дорогой от меньшего роста к большему, как можно было бы подумать. Скелетные остатки показывают, что на различных этапах доисторического и исторического периода люди становились как выше, так и ниже. В разных местах и в разное время рост людей менялся по-разному. В архивах США мы раскопали информацию, что солдаты в армии Джорджа Вашингтона в XVIII веке были выше, чем солдаты, сражавшиеся в Гражданской войне, начавшейся в 1861 году. Почему?
Сейчас, почти сорок лет спустя, я вижу много высоких молодых японцев, и, что еще страннее, их волосы благодаря химическим красителям и моде теперь бывают и белыми, и красными, и фиолетовыми, и даже синими. В Китае, где увеличение среднего роста началось позже, чем в Японии, среднестатистический 6-летний мальчик в 2005 году был на 6,5 см выше, чем в 1975, а девочка – на 6,2 см. Изменения невероятно быстрые.
Более свежие данные демонстрируют заметную тенденцию к увеличению роста в конце XX века. Голландцы, один из самых низкорослых народов Европы в начале XX века, сейчас – один из самых высоких. Улицы Амстердама наполнены юными великанами и великаншами. В Азии перемены еще более резкие. Когда я учился в Токио в 1975 году, то в переполненном метро с моим ростом 185 сантиметров видел вокруг море макушек с черными волосами. Возвратившись, уже иногда видел и лица.
Этому может быть много объяснений, в том числе улучшенное питание. Но мы разработали теорию, как микробы могут влиять на рост. Наше мнение таково, что питание играет свою роль, но его одного недостаточно, чтобы объяснить все временные и географические различия. Как говорилось в предыдущих главах, XIX век был временем, когда в промышленных странах санитарные условия сначала значительно ухудшились, а затем, благодаря предпринятым мерам здравоохранения, намного улучшились. В городских запасах воды обычно содержался микробный «суп» из человеческих патогенов и дружественных или комменсальных бактерий; и те и другие появлялись из-за загрязнения фекалиями. С конца века, когда во многих странах воду начали фильтровать и хлорировать, патогены пропали, и люди стали здоровее и выше. Холеры было меньше, диарейные заболевания стали мягче. Вакцины контролировали дифтерию, коклюш и другие серьезные детские инфекции.
Но вполне возможно, что наблюдаемые изменения могут быть вызваны потерей не только патогенов, но и дружественных бактерий. Наше понимание микробов, обитающих в нас, находится еще в зачаточном состоянии, так что пока не известно, какие могут сделать нас выше и существуют ли такие вообще. Но, основываясь на нашей недавней работе, я готов биться об заклад, что мы их найдем.
Связь между передачей микробов и ростом проливает определенный свет на вопрос, почему солдаты времен американской революции были выше, чем в Гражданскую войну. Если бы вы росли на ферме в середине XVIII века, то жили бы в сравнительной изоляции. Через восемьдесят лет, в переполненных американских городах, вы вряд ли смогли бы избежать эпидемических детских болезней, да и вода, скорее всего, была куда грязнее.
В 2002 году мы опубликовали эти идеи с доказательствами в статье под названием «Экология роста: воздействие передачи микробов на рост человека» в уважаемом журнале Perspectives in Biology and Medicine. Но мало кто удостоил ее вниманием – еще один широкий зевок.
Тем не менее я уже размышлял над продолжением, которое должно было называться «Экология веса», и у меня было немало схожих идей. Но статью я в результате так и не написал, потому что альтернативный путь к пониманию, почему мы толстеем, оказался намного более интересным.
Чтобы начать эту историю, вернемся в 1979 год, когда я поступил на работу в отдел кишечных заболеваний Центра по контролю и профилактике заболеваний, став главным консультантом по сальмонеллам. Моим заданием было отслеживать и изучать бактерии из рода Salmonella, а также другие патогены, поражающие желудочно-кишечный тракт. Как раз в то время я и сам подхватил серьезную сальмонелловую инфекцию, о которой уже писал. Я заболел тифом, съев зараженный арбуз, но большинство людей получают сальмонелловые инфекции из пищи животного происхождения – мяса, яиц, молока и молочных продуктов.
Вы помните, что сельскохозяйственным животным сейчас дают небольшие (субтерапевтические) дозы антибиотиков, чтобы стимулировать их рост. В то время никто не задумывался, почему это настолько эффективно. Когда я писал статью о росте, то понял, что на фермах проходит огромный эксперимент, вполне подходящий под мою идею о влиянии микробов на рост и вес.
Если фермеры могут целенаправленно влиять на рост своих животных, давая им в молодом возрасте антибиотики, что же мы делаем с нашими детьми, давая им курсы похожих лекарств? Может ли широкое применение антибиотиков в лечении инфекционных заболеваний иметь у детей аналогичный эффект?
На ферме дают небольшие дозы медикаментов постоянно. Это, очевидно, работает: те набирают вес. Мы даем детям бóльшие терапевтические дозы, но эпизодически, чтобы лечить инфекции. В каком-то смысле это огромная разница, но в общем одно и то же: воздействие антибиотиков на ранней стадии жизни вызывает микробные пертурбации, когда органы и системы только развиваются. Идея, что антибиотики могут вызывать лишний вес, что они – «недостающее звено» в эпидемии ожирения, кажется довольно оправданной. Но чтобы убедиться в этом, нужны эксперименты.
* * *
Нет никаких сомнений, что использование лекарств фундаментальным образом изменяет развитие молодых животных. Чем раньше фермеры начинают давать их цыплятам, телятам и поросятам, тем больше меняется развитие. Самое интересное – фермеры обнаружили, что практически любой антибиотик стимулирует рост. Они все влияют, несмотря на различия в химическом классе и структуре, принципе и спектре действия.
Это значит, что работают медикаменты благодаря воздействию на микробиом в целом и его взаимодействие с носителем, а не из-за уникальных побочных эффектов или уничтожения конкретных бактерий. Судя по всему, они воздействуют на все аспекты роста и развития метаболических систем в критически важный период.
Кроме того, меня очень заинтересовал временной аспект: чем раньше давать лекарства, тем сильнее эффект. Самое простое объяснение – происходит сдвиг равновесия микробного состава кишечника. Некоторые бактерии начинают сильнее доминировать, другие угнетаются. Как мы знаем, микробы эволюционируют вместе с носителем. Теперь же фермеры умышленно изменяют условия, в которых происходило совместное эволюционирование, добиваясь равновесия. Как предсказывает модель Джона Нэша, если его нарушить, может произойти что-то плохое{144}. Идея проста, но вот последствия огромны.
Чтобы исследовать, как субтерапевтические дозы влияют на развитие, мы начали серию лабораторных экспериментов на мышах. Это стало самой интересной работой за всю карьеру.
Глава 13. …и толще
Целью было воссоздать в лаборатории увеличение веса и размеров, наблюдаемые у сельскохозяйственных животных, а затем выявить причины, которыми они обусловлены. Понадобилась большая команда, но ключевые роли в ней играли несколько ученых: Ильсын Чхо, врач и стипендиат-исследователь по гастроэнтерологии; Лори Кокс, аспирантка, чья диссертация была посвящена экспериментам на мышах и которая еще в четырнадцать лет начала работать с бактериями в компании отца, производившей материалы для бактериологических лабораторий; студентка-бакалавр Яэль Нобель. Без таких умных и целеустремленных помощников я бы не проверил ни одной своей идеи. К поискам присоединились и многие другие: от школьников, подрабатывавших летом, до студентов, занимавшихся независимыми исследованиями, и гостей – ученых со всего мира{145}.
В 2007 году, после нескольких попыток запустить модель, мы наконец начали первый полный набор экспериментов по изучению фермерских практик, добавив четыре разных субтерапевтических курса антибиотиков (СТК) в воду в мышиных поилках. Рассматривали только самок, потому что они дерутся гораздо реже самцов, и это облегчило работу. Первые результаты оказались не слишком многообещающими: разницы в весе между мышами, получавшими СТК, и контрольной группой не наблюдалось.
Когда исследовательскому комитету Ильсына сообщили, что мыши не набирают вес, один из экспертов спросил: «А как меняется состав их тела?»{146} Он имел в виду массовую долю жира, мышц и костей. Мы не знали ответа.
– Может быть, провести ДЭРА и узнать? – предложил он.
Это аббревиатура от «двухэнергетической рентгеновской абсорбциометрии», теста, который измеряет у женщин толщину костей и связанный с этим риск остеопороза. Но кроме этого, говорит, сколько в теле жира, а сколько – мышц.
Предложение оказалось полезнейшим. Мы обнаружили, что у всех четырех групп СТК-мышей на 15 % больше жира, чем у контрольной группы – такую разницу нельзя объяснить простой случайностью.
Это было первое доказательство, что антибиотики изменяют обмен веществ и влияют на состав тела. СТК-мыши были жирнее, но вот мышечная масса была почти такой же, как у контрольной группы. Кроме того, обнаружилась неожиданная вещь: в возрасте семи недель, через три недели после начала курса антибиотиков, мыши начали ускоренно набирать костную массу. Это говорило о том, что они должны стать больше, длиннее и выше. Но к возрасту в десять недель костная масса была одинаковой у всех. Более ранний набор проявился только у мышей, которым давали лекарства. В последующих экспериментах мы так же обнаружили изменения роста костей, некоторые остались на всю жизнь. Этот эффект опять-таки не ограничивался только одним антибиотиком. Иначе все можно было бы списать на побочные эффекты конкретного лекарства. Повторюсь, он проявлялся для всех, использованных в эксперименте. Наша работа подтверждает идею, что вместе с улучшенным питанием и чистой водой медикаменты – один из факторов, благодаря которым люди в среднем сейчас выше, чем когда-либо.
Итак, мы получили доказательства, что СТК изменяет развитие в начале жизни, но так и не поняли, почему это происходит. Каким образом добавление антибиотиков в воду вызывает подобный эффект? Что делает животных жирнее и заставляет их набирать костную массу? Мы заподозрили, что лекарства меняют состав кишечной микрофлоры, так что начали исследовать помет. Фекалии – это конечный продукт всех процессов, происходящих в кишечнике, и в нашем распоряжении его было достаточно. Они дали стандартный материал для сравнения во времени у одной и той же мыши и между теми, кому скармливали разные антибиотики и разную пищу.
Кроме того, после смерти животных мы изучали материал из верхней части толстого кишечника, которую называют слепой кишкой. Его содержание было важно для исследований, потому что оно показывало, какие микробы присутствуют и проявляют активность в теле, а не только после выделения в фекалиях. Поскольку этот материал можно добыть только хирургическим путем, мы получали его один раз. По большей части содержимое кишечника (и толстой кишки, и фекалий) мышей и людей состоит из непереваренных пищевых волокон, воды и бактерий; почти все присутствующие ДНК – бактериальные. Чтобы узнать больше, был проведен так называемый универсальный бактериальный анализ на 16S рРНК.
У всех микроорганизмов есть ген, кодирующий 16S рРНК, необходимую для производства белков. Но точная последовательность ДНК у разных видов бактерий значительно отличается. Форма гена у E. coli совсем не такая, как у стафилококка. Так что, воспользовавшись универсальным анализом с последующим секвенированием ДНК, мы смогли провести перепись «кто здесь». Это примерно то же самое, что проводить перепись населения Нью-Йорка или Чикаго, чтобы узнать, сколько там живет учителей, юристов, полицейских и школьников. В данном случае нас интересовало, сколько присутствует клостридий, бактероидов, стрептококков и так далее, вплоть до тысяч отдельных видов бактерий. На основании результатов переписи мы смогли ответить на несколько важных вопросов.
Во-первых, влияет ли СТК на разнообразие бактерий? Другими словами, живет ли в мышах, принимавших антибиотик, такая же разношерстная компания микробов, как в мышах контрольной группы? В обоих образцах, безусловно, будет немало «учителей», «школьников» и «полицейских», потому что они широко распространены. Но будут ли там «актуарии» или «настройщики фортепиано» (редкие профессии)?
Мы обнаружили, что антибиотики, возможно из-за низкой дозы, не оказывали очевидного эффекта на бактериальное разнообразие. В образцах СТК-мышей и контрольной группы обнаружилось одинаковое количество «профессий».
А меняют ли медикаменты функции бактерий? Да. Большинство пищи, которую вы едите, переваривается в тонкой кишке. Остатки, добирающиеся до толстой кишки, переварить практически невозможно. И тут на помощь приходят бактерии. Вспомните: некоторые микробы толстой кишки переваривают этот материал и выделяют так называемые короткоцепные жирные кислоты (КЦЖК), которые всасываются в стенки кишечника. Эти КЦЖК составляют 5-15 % всех калорий, которые вы получаете за день. Если бы ваши микробы эффективнее добывали калории из «неперевариваемой» еды, вы получали бы еще больше питания и толстели.
Но что происходит с составом – относительными пропорциями между «учителями», «полисменами» и т. д. – при приеме СТК? Например, можно ожидать, что распределения этих профессий в Нью-Йорке и Чикаго будут более похожи между собой, чем, например, в Дели или Пекине. Вот модель, которую мы находим в кишечном микробиоме.
Тут стало уже интереснее. СТК меняет состав популяции кишечных микробов – это обнаружилось и в слепой кишке, и в фекалиях. Мы знали, что обычная доза антибиотика изменяет пропорции, но не знали, какое влияние окажут очень маленькие дозы. Оказалось, они вызывают тот же эффект.
Мы измерили их уровень в содержимом слепой кишки и обнаружили, что у СТК-мышей он намного выше, чем у контрольной группы. Это означало, что грызуны, принимавшие лекарства в начале жизни, когда развивались ткани, получали больше калорий от своих микробов.
Затем перешли к печени, главной метаболической фабрике тела. Она перерабатывает пищу, усвоенную кишечником, в том числе и КЦЖК, в полезные продукты – белки, источники энергии вроде сахаров и крахмалов, а также жировые молекулы для запасания энергии. Мы сравнили, какие гены чаще работали в печени наших подопечных.
Попадание точно в цель: печень СТК-мышей положительно регулировала гены, необходимые для производства жира и переноса его на периферию – в жировые слои животных. Было известно, что они набирают больше жира, так что откуда-то он должен был браться. Печень – вполне логичный источник. Она стратегически расположена между желудочно-кишечным трактом, где приобретается и вырабатывается энергия, и жировой тканью, где она хранится{147}.
* * *
Наш следующий эксперимент, спланированный и проведенный Лори, подробнее рассматривал, что происходит, когда мыши получают антибиотик (в нашем случае пенициллин) на ранней стадии жизни. В эксперименте Ильсына животным начинали давать лекарства сразу после отлучения от матери, в возрасте примерно двадцати четырех дней. Человеческий эквивалент этого возраста – не менее двенадцати месяцев. Лори же скармливала антибиотик беременным самкам, так что состав их микробов, в том числе вагинальных, менялся заранее. Новорожденные начинали жизнь с измененным микробиомом, при этом продолжали принимать лекарства. Как и предсказывалось, мыши, подвергнутые воздействию антибиотика при рождении, выросли больше, чем те, кому начали их давать позже. Этот эксперимент задал стандарт для всех последующих.
Затем Лори решила узнать, когда именно мышь начинает накапливать жир, при том, что растут они быстро с самого рождения. Появляется лишний жир в детстве или же для этого требуется какое-то время? Результаты эксперимента были ясными. У самцов отличия от контрольной группы начались в возрасте 16 недель, а у самок – в 20 недель (для мышей это зрелость). Но у обоих полов жир, если появился, оставался до конца жизни.
После этого Лори посмотрела, какие бактерии доминировали в молодых мышах. В возрасте четырех недель в контрольных группах доминировали Lactobacillus, вагинальные бактерии матерей. Это было ожидаемо: мышей только-только отлучили от материнского молока, а в это время доминируют как раз лактобациллы.
Но вот в СТК-мышах они по большей части исчезли, их заняли другие группы. Судя по тому, что изменения в составе тела начались в возрасте шестнадцати недель, а микробы-обитатели были другими уже в четыре, мы сделали критически важный вывод: изменения микробиома происходят раньше, чем состава тела.
Элегантная работа, проделанная моим давним другом и коллегой Джеффом Гордона из университета Вашингтона в Сент-Луисе, помогла нам лучше понять собственные результаты. Джефф – один из титанов науки о микробиоме, уже многие годы исследует развитие и функции желудочно-кишечного тракта. Его группа изучала мышей с делецией гена, отвечающего за производство лептина, гормона «накорми-меня», который помогает регулировать аппетит и отвечает за принятие мозгом решения: хранить энергию или расходовать. У мышей с нарушением выработки лептина, так называемых ob/ob -мышей, развивается сильнейшее ожирение. Был поставлен вопрос: отличается ли их микробный состав от микробиоты здоровых грызунов?{148} Да. У каждого типа своя микробная популяция.
Затем Джеффу стало интересно, выполняют ли микробы разные метаболические роли. Он поместил содержимое кишечника жирных ob/ob мышей и здоровых животных в кишечники безмикробных мышей. У этих более тонкие стенки с меньшим количеством клеток, так что они не набирают вес так быстро. Но когда их превращают в «обычных»{149}, снова подсаживая микробы, как это влияет на их рост? Открытие стало мировой сенсацией: микробы, пересаженные от жирных мышей, заставили безмикробных быстрее набирать вес в сравнении с теми, кто получил микробы от здоровых грызунов.
Но стоит кое-что обдумать: у мышей в экспериментах Джеффа был генетический дефект, который, собственно, и сделал их жирными. Именно гены были первичной причиной, а изменение микробной популяции – вторичной. Хотя команда очень красиво охарактеризовала влияние микробов и их функций на ожирение, я считал, что они не добрались до главной причины. Кроме того, безмикробные мыши, которые дают нам очень элегантную систему для тестирования конкретных гипотез об иммунитете и обмене веществ, – полностью искусственные создания. Впрочем, несмотря на то что естественных безмикробных мышей и людей не существует, мы все равно можем узнать многое о фундаментальных принципах взаимодействия микробов и носителей.
Я сам считал, что вызванные антибиотиками пертурбации в составе микробов-обитателей сравнительно здоровых особей – это главное событие, влияющее на изменения в обмене веществ. (Точное доказательство сможем получить лишь не ранее, чем через два года.)
Затем мы спросили, что получится, если объединить СТК и диету с высоким содержанием жиров. Как мы все знаем, рационы наших детей в последние десятилетия стали намного богаче калориями благодаря сладким напиткам и жирной еде. Они сейчас употребляют больше калорий, чем одно-два поколения назад. Известно, что мыши становятся крупнее на более калорийной диете, но как повлияет на эту тенденцию СТК: усилит, ослабит или вообще никак себя не проявит?
Лори назвала этот эксперимент FatSTAT, и результаты опять-таки вышли интереснейшие. Как и ожидалось, мыши на жирной диете выросли больше, чем на нормальной. Но добавление антибиотиков привело к значительным изменениям.
Мы сымитировали методику выращивания сельскохозяйственных животных на современных фермах. Самцы от этого сочетания (жирная диета плюс антибиотик) выросли еще на 10 %, набрав и мышечную массу, и жир. Но самой поразительной оказалась разница в жировой массе: от жирной диеты с антибиотиками самцы набрали на 25 % больше жира, а вот самки – на поразительные 100 %. На жирной диете они набрали 5 граммов, а на диете с антибиотиками – 10. Количество удвоилось! Это немало, учитывая, что всего грызуны весят 20–30 граммов.
Итак, антибиотик действует, диета с высоким содержанием жиров тоже, но вот сумма их эффектов оказалась больше, чем сумма отдельных частей: они образуют синергию. Для самок воздействие медикаментов стало триггером для превращения большего числа дополнительных калорий в жир, а вот у самцов росли и мышечная, и жировая масса. Мы еще не знаем, в чем причина такой разницы между полами. Тем не менее наблюдения согласуются с идеей, что современная высококалорийная диета сама по себе еще не объясняет эпидемию ожирения и что определенную роль в ней могут играть и антибиотики.
Мы задали еще один простой вопрос, предложенный нам диссертационным комитетом Лори. Достаточно ли давать курс антибиотиков всего лишь несколько недель, чтобы обеспечить прибавку в весе? Этот вопрос важен для будущего наших детей. Если набор веса обусловлен долгосрочным приемом антибиотиков, то, может быть, для детей это не так важно. Очень немногие принимают их всю жизнь. Но вот если проблему вызывает даже краткосрочное воздействие, то, возможно, мы найдем причину нынешней эпидемии. Большинство получают сравнительно краткосрочные курсы при лечении отита и простудных заболеваний, особенно в раннем детстве.
В марте 2011 года Лори начала эксперимент DuraSTAT; свое название он получил потому, что мы определяли, насколько прочным (durable) окажется эффект от краткого воздействия лекарств. Лори разделила мышей на четыре группы: без антибиотиков (контрольная группа); СТК в течение первых четырех недель; СТК в течение первых восьми недель; СТК в течение всего эксперимента. Всех в возрасте шести недель посадили на диету с высоким содержанием жира, чтобы выявить разницу. В первую очередь Лори сосредоточилась на самках, помня результаты эксперимента FatSTAT.
Грызуны, получавшие антибиотики в течение всего эксперимента (двадцать восемь недель), набрали вес по сравнению с контрольной группой, как и ожидалось. Но эффект от их приема в течение четырех или восьми недель оказался таким же. Мыши, получавшие пенициллин, набрали на 10–15 % больше веса и на 30–60 % жира по сравнению с контрольной группой. Иными словами, воздействия СТК в раннем детстве оказалось достаточно, чтобы изменить развитие организма на всю жизнь. Результаты DuraSTAT были не такими же, как у FatSTAT, но условия эксперимента были разными, так что напрямую их сравнивать нельзя. Главные показатели – внутри каждого эксперимента. Это важный научный вопрос; исследователи нередко заходят в тупик, сравнивая один эксперимент с другим, хотя условия разные, и эти различия не всегда отмечаются. Но для нас тенденции были одинаковыми: СТК в начале жизни необратимо менял развитие мышей.
После этого мы решили изучить сам микробиом. Лори добросовестно собирала фекальные шарики, иногда ежедневно, у каждой мыши. В распоряжении были тысячи маленьких пластиковых пробирок в больших белых ящиках – один шарик на пробирку, сто пробирок на ящик. Чтобы набрать хотя бы фунт, потребовалось бы восемнадцать тысяч шариков. Но они дорогого стоили из-за секретов, хранившихся в них.
Лори секвенировала сотни образцов, чтобы определить, какие ДНК в них содержатся, и узнать структуру микробных сообществ – в том числе, сколько там «рабочих, обслуживающих таксофоны», «таксистов» и «таксидермистов».
Сначала были рассмотрены образцы, взятые от только что отлученных трехнедельных мышей, которым давали пенициллин. Их сравнили с контрольной группой. Структуры микробных сообществ в определенной степени совпадали, но были явно разными. Это и ожидалось: антибиотики действительно изменяют структуру микробного сообщества в кишечнике.
Затем рассмотрели образцы, взятые на восьмой неделе. Групп, по сути, было уже три: контрольная, мыши, которые еще получали антибиотики, и мыши, которым перестали их давать после четвертой недели. Как и ожидалось, структуры микробного различались еще сильнее, чем в возрасте трех недель. Антибиотики работают. Но вот структура у мышей, которым перестали давать лекарства после четвертой недели, уже практически не отличалась от контрольной. Значит заметный эффект, оказываемый антибиотиками на структуру микробного сообщества, – временный. Это совершенно ясно. Но, как вы помните, грызуны растолстели точно так же, как и остальные. Кратковременное воздействие в младенчестве, вызывающее ранние пертурбации среди микробов-обитателей, приводит к необратимым изменениям на всю жизнь. Причем сама пертурбация вовсе не обязана быть необратимой.
Это ключевое открытие. Мне кажется, нам удалось найти объяснение того, что происходит с нашими детьми. Воздействия антибиотиков на микробы в мышах во время ключевого раннего периода оказалось достаточно, чтобы изменить направление их развития. Именно этот эксперимент стал для меня доказательством, что медикаменты могут влиять на развитие. И, конечно же, многосторонне: не только обмен веществ (что мы изучали у мышей), но и иммунитет, и когнитивные способности. Когда младенцы растут, спят и видят сны, их организм вместе с нашими древними микробами задает контекст для последующего развития. Даже временные пертурбации в критический период могут изменить очень многое{150}.
Но мы ученые, и должны расширять историю, узнавать подробности, разбираться в механизмах. Нужно ответить на простой с виду вопрос: как это работает? Что такого важного в воздействии антибиотиков? Дело в воздействии на микробов, или же пенициллин что-то делает и с самим телом, непосредственно взаимодействуя с тканями, и это никак не связано с эффектом, производимым на микробов? Как и во многих других экспериментах, в том числе проведенных Джеффом Гордоном, мы попытались ответить, пересаживая микроорганизмы от одних мышей другим.
Вспомните один из наших предыдущих вопросов: набор веса – это непосредственный эффект лекарства или же результат воздействия на микробов-обитателей? Мы считали, что все дело в бактериях, но «мы считали» – это еще не доказательство. Чтобы узнать, в чем же дело, нужно перенести их из СТК-мышей или контрольной группы в нейтральную ситуацию, а затем посмотреть, как подействует на реципиентов. Было решено изучить воздействие на безмикробных мышей.
Мы купили пятнадцать мышей-самок; в конце августа 2011 года нам прислали три пластиковых шара. В каждом сидело по пять трехнедельных мышей, только что отлученных от матери. Компания предупредила, что держать их в шарах можно до 72 часов – времени как раз достаточно для эксперимента. Мы назвали его TransSTAT, потому что пересаживали мышам-реципиентам микробиоты СТК-мышей.
Лори выбрала шесть 18-недельных мышей из эксперимента DuraSTAT: трех из контрольной группы и трех, получавших антибиотики. Затем собрала у всех содержимое слепой кишки и разделила его на две группы: одна – от контрольных, другая – от СТК. Будучи опытным бактериологом, Лори приняла специальные меры, чтобы сохранить жизнь всем микробам; некоторые из них настолько чувствительны к кислороду, что даже краткое пребывание на воздухе их убивает. Затем ввела содержимое слепой кишки в желудки всех безмикробных мышей. Семь получили микробы от контрольной группы, восемь – от СТК. Вам, наверное, «введение содержимого слепой кишки в желудок» покажется совсем не аппетитной процедурой, но мыши – копрофаги, что означает, что они регулярно едят и свои фекалии, и фекалии других мышей, живущих с ними.
Итак, мыши уже не были безмикробными. Они стали «обычными», и следующая стадия их жизни должна была пройти во взаимодействии с микробами. Мы наблюдали за ними пять недель, постоянно отбирая образцы фекалий и проводя измерения, в том числе тест ДЭРА, по четыре раза для каждой мыши. Ни одна не получала антибиотиков. Всех выращивали абсолютно одинаково.
Как и ожидалось, все набрали вес, потому что росли. Но мыши, которым дали СТК-микробы, набрали больше. Причем эффект был довольно заметным. Реципиенты СТК-микробов набрали примерно на 10 % больше веса и на 40 % жира.
Этим экспериментом Лори доказала, что изменения в развитии, вызванные субтерапевтическими дозами антибиотиков, могут передаваться через микробы.
* * *
Эксперименты СТК показали, что происходит на фермах. Но меня больше интересуют наши дети. Когда они получают антибиотики, дозы в большинстве случаев непостоянные. Скорее, как мы уже обсуждали, краткие курсы, длящиеся пять-десять дней, в зависимости от болезни (отит, бронхит, больное горло) и решения врача.
Я решил узнать, могут ли и они влиять на набор веса и жира. Так появилась наша новая модель, ПЛА («пульсирующее лечение антибиотиками»). Вместо малых доз мыши получали антибиотики точно так же, как люди: полными терапевтическими дозами в «импульсах», длившихся по несколько дней.
Мы выбрали амоксициллин и тилозин – два самых популярных в США детских антибиотика{151}, которые выписывают в более чем 80 % случаев. Затем отобрали четыре группы мышей: контрольную; группу, получившую три курса амоксициллина; группу, получившую три курса тилозина; наконец, предположив, что эффект может накапливаться, четвертой дали курс тилозина, затем амоксициллина и снова тилозина.
Чтобы лекарства попали в детенышей как можно скорее, Яэль начала давать их самкам через десять дней после родов. Мы посчитали, что лекарства проникнут в кровеносную систему матерей, а затем в молоко, после чего повлияют и на микробный состав мышат. Предположение оказалось верным.
Первый курс прошел, когда грызунам было десять-четырнадцать дней. В двадцать восемь дней, после отлучения от матерей, они получили второй трехдневный курс, а в тридцать семь дней – третий. На сорок первый день посадили всех на диету с высоким содержанием жира, чтобы усилить разницу, вызванную антибиотиками. Все были самками.
К двадцать восьмому дню все ПЛА-мыши выросли значительно быстрее, чем контрольная группа. Мы проводили анализы жира, костей и мышц в течение следующих 150 дней их жизни – вплоть до мышиной старости. ПЛА набрали значительную мышечную массу, но разницы в жировой практически не было. Кости – совсем другое дело. У ПЛА-мышей, получавших амоксициллин, в течение всего эксперимента наблюдалась увеличенная площадь костей и содержание в них минералов. Возможно, эффект был перманентным, потому что они получили антибиотик очень рано. Поскольку амоксициллин – один из самых часто прописываемых детям, я не могу не задать вопрос, уж не благодаря ли этому лекарству люди становятся выше{152}.
Яэль собрала более трех тысяч фекальных шариков; она знала, какой мыши они принадлежат, в какой день были отложены и какой курс лекарств получало животное. С помощью коллег из университета Вашингтона в Сент-Луисе{153} мы подробнее рассмотрели, какие ДНК в них содержатся. Было интересно, как лекарства повлияли на разнообразие микробов в кишечнике каждого животного.
Обнаружилось, что в фекалиях матерей в среднем содержалось 800 видов микроорганизмов. После первого курса у детенышей контрольной группы микробный состав не отличался от материнского. У амоксициллиновой группы микробов осталось около 700 видов. А вот у тилозиновой и смешанной
