scinquisitor (scinquisitor) wrote,
scinquisitor
scinquisitor

Метаговномика: бактериальные захватчики мозга, восставшие из кала

Из этой статьи вы узнаете о том, что такое первородный кал, как читали геном какашки и о смелой гипотезе, объясняющей нарастающую симпатию к бактериям в научной среде и нелюбовь к вакцинам и антибиотикам в среде неосведомленных обывателей.

Представления человечества о микроорганизмах и их роли в жизни человека претерпевали существенные изменения по мере развития науки. В своей книге «О контагии, о контагиозных болезнях и лечении» изданной в середине XVI века венецианский врач Джироламо Фракасторо впервые высказал идею, что эпидемии вызываются крошечными частицами, передающимися от одного человека к другому. Сто лет спустя голландский исследователь Энтони Левенгук увидел в микроскопе маленьких существ, которых назвал «анималькулы», а 200 лет спустя, в значительной степени благодаря исследованиям Луи Пастера, зародилась наука микробиология. Пастер показал, что микроорганизмы могут вызывать многие болезни человека. Также Пастер показал, что процесс одноразового нагревания до температуры 60 градусов в течение часа убивает микроорганизмы. Пастер ввел термин “вакцинация” и изобрел первые прививки: от сибирской язвы и бешенства. Тем временем немецкий микробиолог Роберт Кох научился выращивать микробов на твердой среде (на чашках Петри с желатиновыми или агаровыми пластинами), что позволило изолировать отдельные чистые бактериальные культуры, и выработал принципы «получения доказательств, что тот или иной микроорганизм вызывает определённые заболевания».

Российский биолог Илья Мечников был пионером идеи, что даже здоровый человек существенно зависит от микробов, которые в нем сожительствуют, и считал, что качество микрофлоры кишечника имеет непосредственную связь с продолжительностью жизни. Он предполагал, что толстая и прямая кишка, являясь культиваторами микроорганизмов, отравляют наш организм.

На эту тему рекомендую фрагмент из статьи Мечникова “Этюды о природе человека”:

Неудивительно, что пищеварительные органы представляют нам столько примеров частей, бесполезных или вредных для внутренней организации. Животные, наши предки, могли употреблять только сырую, грубую пищу, как дикорастущие растения или сырое мясо. Человек выучился разводить удобоваримые растения и так приготовлять пищу, чтобы она очень легко всасывалась организмом. Поэтому органы, приспособленные к условиям жизни животного до человека, становятся большею частью лишними для последнего. Многие животные виды, которым удалось добывать легко усвояемую пищу, в конце концов, более или менее потеряли свои пищеварительные органы. Таковы паразитические животные; некоторые из них, как, например, солитер, погружены в кишечнике человека в совершенно готовую для их питания жидкость, вследствие чего окончательно утратили собственный кишечный канал.

У человека не совершилось этой эволюции, и он сохранил исключительно вредные ему толстые кишки. Это мешает людям усовершенствовать свою пищу насколько было бы возможно. Человек не должен питаться слишком легко и безостановочно усваиваемыми веществами, потому что при этом толстые кишки опоражниваются с трудом, что может вызвать серьезную болезнь. Поэтому разумная гигиена должна принимать во внимание устройство нашего кишечного канала и вводить в нашу пищу растительные вещества, дающие достаточное количество остатков
”.

Предлагая способы улучшить здоровье человека, Мечников писал о пользе кисломолочных продуктов, содержащих лактобактерий. Молочная кислота, выделяемая лактобактериями, создает кислую среду в кишечнике и подавляет развития многих других бактерий и в этом виделась ее положительная роль.

Как не сложно заметить, во времена Мечникова и до него бактерии представлялись, как нечто почти исключительно вредное. Даже лактобактерии хороши, прежде всего, тем, что устраняют других бактерий, занимая их экологическую нишу. Сегодня ситуация изменилась. Появляется все больше и больше научных статей, в которых бактерий пытаются обелить, описывая их полезные свойства и важность для поддержания здоровья нашего тела. Например, авторы одного исследования обнаружили, что при беременности меняется бактериальный состав женского влагалища, в котором начинает увеличиваться количество бактерий вида Lactobacillus johnsonii. Эти лактобактерии в норме присутствуют в кишечнике человека и помогают усваивать молоко [1]. Выдвинута гипотеза, что ребенок при рождении заглатывает немного таких бактерий, что помогает ему переваривать грудное молоко. В другой работе говорится о том, что грудные дети получают дозу определенных бактерий с самим грудным молоком [2]. Тут я не могу не заметить довольно забавного момента: как пишут сами авторы, совершенно непонятно, откуда бактерии берутся в грудном молоке. Авторы аргументируют, что бактерии могут попадать в молочную железу из слюны, когда грудь сосут грудные дети. Но тогда возникает какой-то странный круг: дети получают бактерий из молока, а молоко получает бактерий из слюны детей? В помощь авторам могу лишь напомнить, что женскую грудь могут брать в рот не только грудные дети, хотя, и не уверен, что это объяснение сильно помогает.

Ясно одно. Новый имидж бактерии – лучший друг детей. Почти как дед мороз, Иисус и дедушка Ленин в одном лице. Обижать бактерий нехорошо, а скоро им будет положено читать сказки на ночь. В качестве иллюстрации весьма характерен недавний новостной обзор, опубликованный в журнале Nature [3]. В начале обзора говорится, что в условиях, когда еды много, бактерии в кишечнике человека помогают увеличить количество усвоенных калорий [4] (как будто это что-то хорошее в условиях, когда еды много: проблемы ожирения никого уже не волнуют?). Правда когда еды мало, бактерии могут начать есть кусочки хозяина [5]. В связи с этим возник вопрос: а не стоит ли при значительных формах недоедания назначать антибиотики?

Ответ на этот вопрос попыталась получить группа исследователей, которые провели весьма впечатляющее исследование [6]. 2767 детей из Малави, государства в Восточной Африке, получали специальную диету, направленную на их выздоровление. Случайным образом выбранная треть этих детей получала, кроме того, один антибиотик вместе с едой, еще одна треть получала другой антибиотик, а оставшаяся треть – плацебо. В обеих группах детей, получающих антибиотики, смертность была существенно ниже (в среднем где-то на 35-40%). Вот оно настоящее лекарство, а не гомеопатия! Кажется, все ясно: голодные дети подхватывают инфекции, а антибиотики уничтожают бактерий, вызывающих эти инфекции, снижая смертность. Но не тут-то было. В обзоре предлагается еще одно объяснение: антибиотики изменили состав бактериальной микрофлоры кишечника и он стал лучше. Казалось бы в чем разница между этими объяснениями? Вполне логично, что если у человека есть болезнь, вызванная бактериями, а мы их выведем антибиотиками, состав его микрофлоры можно считать улучшенным. По крайней мере этот состав его не убивает. Но разница между формулировками есть. Второе объяснение как минимум не оскорбляет чувства бактерий.

Далее, сообщают в обзоре, существует особый вид тяжёлой дистрофии (на фоне недостатка белков в пищевом рационе), который сопровождается, как ни странно, вздутием живота. Называется это квашиоркор. До конца не ясно из-за чего возникает такое состояние. В Малави были найдены пары близнецов, такие, что один страдает квашиоркором, а другой нет. Этим близнецам посвящена работа, опубликованная в журнале Science [7]. Во-первых, оказалось, что монозиготные и дизиготные близнецы имеют одинаковый уровень различий по этому признаку, что исключает в существенной степени генетическую компоненту заболевания. Во-вторых, ученые брали таких близнецов и пересаживали микробов из их кала мышам. Мышей сначала держали на Малавийской (бедной) диете, потом кормили хорошо, а потом снова переводили на Малавийскую диету. Оказалось, что мыши, которым пересадили микробиом больных квашиоркором детей, испытывали снижение веса при Малавийской диете.

В конце обзора приводится следующая мысль: не очень ясно, почему именно голодные дети, которым давали антибиотики реже умирали и связано ли это с улучшением микрофлоры их кишечника. Но антибиотики могут оказаться не очень хорошими в долгосрочной перспективе. Поэтому лучше бы использовать не антибиотики, а бактериотерапию: вносить правильные бактерии в кишечник, благо имеется некоторый положительный опыт лечения бактериальных инфекций с использованием донорского кала [8]. У антибиотиков, безусловно, имеется существенный недостаток: если их использовать часто и в широких масштабах, появляются штаммы, устойчивые к антибиотику. Но этот недостаток – проблема всего человечества, а вот для отдельных пациентов снижение вероятности их смертности на 35-40% выглядит как беспроигрышный сценарий. Почему же так сильно хотят поддержать размножение бактерий, а не уничтожать их? Ответ на этот вопрос потребует небольшого экскурса в прошлое.

Примерно 10 лет назад с развитием технологий массового чтения последовательностей ДНК, появилось новое направление, которое называется метагеномика. Дело в том, что далеко не все микроорганизмы можно обнаружить и культивировать методами классической микробиологии. Какие-то микроорганизмы просто редки, другие плохо живут, если их извлечь из привычной для них среды. Но последовательности ДНК таких микроорганизмов могут быть прочитаны. В 2004-ом году вышла замечательная статья Крейга Вентера про чтение геномных последовательностей Саргассового Моря [9]. Исследователи брали пробы воды из моря, выделяли из них ДНК и читали подряд все последовательности. Благодаря такому подходу удалось найти кучу ранее не описанных видов, в том числе множество новых видов бактерий.

Когда оказалось, что читать последовательности ДНК из сложных экосистем совсем не сложно, метагеномика обрела колоссальные масштабы, и стала отдельным направлением в биологии. Сегодня с большой подробностью изучены метагеномы человеческой ротовой полости, уретры, женских половых путей [10]. Прочитаны последовательности ДНК в содержимом человеческого кишечника, причем сейчас таких "метаговномов" прочитано десятки [11]. Есть даже исследования, посвященные сравнительной метаговномике [12].

В некоторых случаях метагеномные проекты кажутся весьма перспективными. Например, есть болезни бактериального происхождения, конкретные возбудители которых не выявлены. Используя метагеномные данные можно сравнить бактериальный состав здоровых и инфицированных органов и распознать патогенные организмы. В то же время, огромное разнообразие микробиомов вызывает соблазн искать и хороших бактерий, преобладание которых связано с хорошим, здоровым состоянием тела. Это облегчает обоснование практической значимости фундаментальных исследований. Постепенно речь перешла от того, что есть не очень плохие бактерии, которые вытесняют плохих (и именно этим хороши) к тому, что есть бактерии, без которых мы ну прямо-таки жить не можем, что есть “гармония” внутренних экосистем, которую нельзя нарушать. Или, например, что можно использовать правильных бактерий, чтобы бороться с ожирением [13].

Между тем существуют мыши, выращенные в стерильных условиях. Линии таких мышей получают, используя кесарево сечение. Их кормят стерильной пищей, держат в стерильных боксах, бактерий в их кишечнике быть не должно. Такие мыши при свободном доступе к пище имеют повышенную продолжительность жизни, если сравнивать с родственными мышами, не живущими в стерильных условиях, хотя, возможно, это связано с тем, что они меньше едят [14, 15]. Единственное, у мышей из стерильных условий бывают проблемы с иммунитетом, когда их помещают в нестерильные условия, а также нехватка витамина К, если для стерилизации их пищи используется гамма-излучение [16]. Так может Мечников был отчасти прав и ну их нафиг, бактерий?

Возможно. Впрочем, есть нюанс, касающийся стерильности. Я обещал рассказать про первородный кал. Первородный кал, он же меконий — первые фекалии новорождённого. Состоит из переваренных во внутриутробном периоде эпителиальных клеток, пренатальных волос, слизи, амниотической жидкости, желчи и воды. До недавнего времени думали, что меконий стерилен, но появилось исследование, ставящее это под вопрос [17]. Было предположено, что бактерии могут передаваться от матери к ребенку еще во время пренатального развития. Впрочем, та же группа исследователей поставила под сомнение и стерильности крови [18]. Бактерии в крови являются признаком существенной патологии (например, сепсиса), поэтому, можно предположить, что что-то не так с экспериментальными процедурами авторов исследований (например, стерильностью условий эксперимента). Кроме того одно дело обнаружить последовательности ДНК микроорганизмов с помощью полимеразной цепной реакции (эта методика использовалась, чтобы показать, что меченные бактерии передаются от матери к плоду у мышей [18]), а другое дело обнаружить и выделить живых бактерий.

Если посмотреть существующие работы про влияние бактерий на организмы животных, может сложиться впечатление, что бактерии влияют практически на все. Есть даже исследования о том, что бактерии, живущие в кишках, могут каким-то образом влиять на мозг животных, а пересадка кишечной микробиоты позволяет влиять на поведение мышей [19]. Уж не с этим ли связана внезапно возникшая любовь к бактериям у ученых, выраженная в столь большом количестве метагеномых исследований, вновь оживший интерес к бактериотерапии у медиков, а также появление активного движения против вакцин и применения антибиотиков среди неосведомленного населения? Наверное, нет. Но и муравей, зараженный ланцетовидной двуусткой, думал, что он просто так и по своему желанию ползет ночью на вершину стебелька травы, а не для того, чтобы его съела рогатая скотина - конечный хозяин паразита, проникшего в его маленький мозг.
Support-Bacteria

Картинка взята с сайта http://www.neatoshop.com/product/Support-Bacteria

Список литературы:

1. Aagaard K, Riehle K, Ma J, Segata N, Mistretta TA, Coarfa C, Raza S, Rosenbaum S, Van den Veyver I, Milosavljevic A, et al: A metagenomic approach to characterization of the vaginal microbiome signature in pregnancy. PLoS One 2012, 7:e36466.
2. Hunt KM, Foster JA, Forney LJ, Schutte UM, Beck DL, Abdo Z, Fox LK, Williams JE, McGuire MK, McGuire MA: Characterization of the diversity and temporal stability of bacterial communities in human milk. PLoS One 2011, 6:e21313.
3. Ley RE: Nutrition: When guests turn hostile. Nature 2013, 494:437-438.
4. Backhed F, Ley RE, Sonnenburg JL, Peterson DA, Gordon JI: Host-bacterial mutualism in the human intestine. Science 2005, 307:1915-1920.
5. Sonnenburg JL, Xu J, Leip DD, Chen CH, Westover BP, Weatherford J, Buhler JD, Gordon JI: Glycan foraging in vivo by an intestine-adapted bacterial symbiont. Science 2005, 307:1955-1959.
6. Trehan I, Goldbach HS, LaGrone LN, Meuli GJ, Wang RJ, Maleta KM, Manary MJ: Antibiotics as part of the management of severe acute malnutrition. N Engl J Med 2013, 368:425-435.
7. Smith MI, Yatsunenko T, Manary MJ, Trehan I, Mkakosya R, Cheng J, Kau AL, Rich SS, Concannon P, Mychaleckyj JC, et al: Gut microbiomes of Malawian twin pairs discordant for kwashiorkor. Science 2013, 339:548-554.
8. van Nood E, Vrieze A, Nieuwdorp M, Fuentes S, Zoetendal EG, de Vos WM, Visser CE, Kuijper EJ, Bartelsman JF, Tijssen JG, et al: Duodenal infusion of donor feces for recurrent Clostridium difficile. N Engl J Med 2013, 368:407-415.
9. Venter JC, Remington K, Heidelberg JF, Halpern AL, Rusch D, Eisen JA, Wu D, Paulsen I, Nelson KE, Nelson W, et al: Environmental genome shotgun sequencing of the Sargasso Sea. Science 2004, 304:66-74.
10. Turnbaugh PJ, Ley RE, Hamady M, Fraser-Liggett CM, Knight R, Gordon JI: The human microbiome project. Nature 2007, 449:804-810.
11. Arumugam M, Raes J, Pelletier E, Le Paslier D, Yamada T, Mende DR, Fernandes GR, Tap J, Bruls T, Batto JM, et al: Enterotypes of the human gut microbiome. Nature 2011, 473:174-180.
12. Lamendella R, Domingo JW, Ghosh S, Martinson J, Oerther DB: Comparative fecal metagenomics unveils unique functional capacity of the swine gut. BMC Microbiol 2011, 11:103.
13. Ridaura VK, Faith JJ, Rey FE, Cheng J, Duncan AE, Kau AL, Griffin NW, Lombard V, Henrissat B, Bain JR, et al: Gut microbiota from twins discordant for obesity modulate metabolism in mice. Science 2013, 341:1241214.
14. Tazume S, Umehara K, Matsuzawa H, Aikawa H, Hashimoto K, Sasaki S: Effects of germfree status and food restriction on longevity and growth of mice. Jikken Dobutsu 1991, 40:517-522.
15. Oresic M, Seppanen-Laakso T, Yetukuri L, Backhed F, Hanninen V: Gut microbiota affects lens and retinal lipid composition. Exp Eye Res 2009, 89:604-607.
16. Hirayama K, Uetsuka K, Kuwabara Y, Tamura M, Itoh K: Vitamin K deficiency of germfree mice caused by feeding standard purified diet sterilized by gamma-irradiation. Exp Anim 2007, 56:273-278.
17. Jimenez E, Marin ML, Martin R, Odriozola JM, Olivares M, Xaus J, Fernandez L, Rodriguez JM: Is meconium from healthy newborns actually sterile? Res Microbiol 2008, 159:187-193.
18. Jimenez E, Fernandez L, Marin ML, Martin R, Odriozola JM, Nueno-Palop C, Narbad A, Olivares M, Xaus J, Rodriguez JM: Isolation of commensal bacteria from umbilical cord blood of healthy neonates born by cesarean section. Curr Microbiol 2005, 51:270-274.
19. Collins SM, Kassam Z, Bercik P: The adoptive transfer of behavioral phenotype via the intestinal microbiota: experimental evidence and clinical implications. Curr Opin Microbiol 2013, 16:240-245.


Tags: биология, геномика, наука
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic
  • 62 comments