Ось кишечник – мозг. Как вылечить болезни мозга, улучшив состояние кишечной микробиоты

Считается, что именно нарушение проницаемости кишечного барьера и, как следствие, проникновение бактерий или других веществ микробного происхождения в области, обычно от них изолированные, становится одной из главных причин системного воспаления и многих других заболеваний, далеко не обязательно связанных с кишечником.

Прием пищи с высоким содержанием животных жиров буквально за несколько недель может привести к дисбиозу. Дисбиоз, в свою очередь, являясь нарушением микрофлоры кишечника, может спровоцировать образование «дырявого» кишечника как на уровне «забора» из эпителиальных клеток, так и на уровне сосудистого барьера. Интересно, что такое явление происходит у мужчин раньше, чем у женщин. Возможно, именно поэтому некоторые заболевания (например, неалкогольная жировая болезнь печени) чаще затрагивают мужской мир, чем женский.

Два барьера в головном мозге

Центральная нервная система оснащена неимоверным количеством кровеносных сосудов, поэтому неудивителен тот факт, что и количество барьеров будет соответствующим: в то время как в кишечнике – лишь один барьер сосудистого типа, в головном мозге их обнаружено целых два – гематоэнцефалический и барьер сосудистого сплетения.

Гематоэнцефалический барьер (англ. Blood-Brain Barrier, ГЭБ) – это сосудистый «забор», защищающий головной мозг от нежелательных агентов. Он состоит из весьма плотного «плетения», которое при сбалансированном состоянии остается почти полностью закрытым. Это заслуга «эндотелиальных клеток», образующих стенки сосудов: они настолько близко прилегают друг к другу, что лишь мельчайшим питательным веществам удается пройти от одной клетки к другой. Однако в условиях дисбаланса, как при многих нейродегенеративных заболеваниях, работа ГЭБ нарушится и перестанет контролировать процесс [8].

Появление ГЭБ

Появление ГЭБ – это реакция организма на потенциальную опасность. Этот барьер существует для защиты головного мозга от населяющих нас микроорганизмов. Дело в том, что при отсутствии микробиоты у животных, находящихся в стерильных условиях, ГЭБ обладает гораздо большей проницаемостью [9]. Если наделить этих же животных микробиотой, то происходит быстрое уменьшение проницаемости, что свидетельствует о динамичной регулируемости ее строения и функций в зависимости от условий. Неслучайно развитие ГЭБ начинается еще в утробе матери и продолжается у ребенка после рождения, когда микробиота «заселяет» кишечник.

Именно из-за прочности этого барьера ученые на протяжении долгого времени полагали, что головной мозг не ведет коммуникацию с организмом. По этой причине этот орган называли «иммунопривилегированным», закрытым ко всем клеткам (включая клетки иммунной системы). Пока во всех других органах иммунные клетки, или так называемые «солдатики», продолжали циркулировать, контролировать организм и защищать его от нежелательных сюрпризов – будь то внешние захватчики или злокачественные клетки – в головном мозге, как считалось, такого «патрулирования» не происходило. Лишь недавно стало ясно, что в действительности для здоровья центральной нервной системы иммунитету необходимо беспрерывно внедрять свою «армию», при этом не вызывая воспаления. По-видимому, этот проход при нормальных условиях должен быть под контролем более сложного механизма, чем ГЭБ. Израильская исследовательская группа под руководством профессора Михаль Шварц сделала открытие, выделив гематоликворный барьер (англ. Brain-Blood Cerebrospinal Fluid Barrier, ГЛБ) в качестве доступа сторожевых клеток. ГЛБ расположен в желудочках мозга на уровне сосудистого сплетения и по сравнению с ГЭБ гораздо более гибкий и модулируемый. Сегодня он известен как важнейшая точка взаимодействия между головным мозгом и остальным организмом.

В головном мозге два барьера: гематоэнцефалический (Blood-Brain Barrier, ГЭБ), пропускающий только мельчайшие молекулы, и гематоликворный (Brain-blood Cerebrospinal Fluid Barrier, ГЛБ). Последний, более «проницаемый» барьер пропускает молекулы покрупнее – они проходят в спинномозговую жидкость (ликвор) и затем распространяются в желудочки, достигая головного мозга. При воспалении кишечника проявляется сосудистый барьер сплетения (PVB), поскольку гематоликворный барьер закрывается и больше ничего не пропускает.

МИХАЛЬ ШВАРЦ: КАК МЕНЯЕТСЯ ПАРАДИГМА

В качестве примера того, что многим инновационным идеям с трудом удается прижиться в научном сообществе, вспомним историю Михаль Шварц, израильского нейробиолога, которая проводила новаторские исследования в области нейроиммунологии и которой пришлось немало побороться, чтобы доказать коллегам свое открытие.

По сути, теория Шварц опровергла давнюю аксиому, гласившую, что проникновение иммунных клеток в мозг полностью блокируется из-за гематоэнцефалического барьера. Михаль Шварц была первой, кто выдвинул гипотезу о существовании диалога между мозгом и иммунной системой и о роли ГЛБ в этом процессе, приведя первые доказательства. Именно Шварц показала, какое фундаментальное значение для пластичности мозга имеет ГЛБ и насколько серьезны клинические последствия. Ее исследования не только поменяли научную догму, признаваемую до сих пор, но и заложили основы во всем научном сообществе для развития новых подходов как в исследовании, так и в лечении нейродегенеративных заболеваний мозга, в частности болезни Альцгеймера и деменции. Сегодня профессор Шварц – всемирно известная женщина-ученый, недавно удостоенная престижной премии Федерации европейских нейробиологических обществ (FENS-EJN, от англ. Federation of European Neuroscience Societies – European Journal of Neuroscience) 2022 за свою выдающуюся карьеру.

Сосудистое сплетение – это структура, покрывающая каждый из четырех желудочков мозга словно марля: через нее фильтруются молекулы, поступающие из периферической крови. В проходе образуется спинномозговая жидкость (СМЖ или ликвор) – она прозрачная и бесцветная, циркулирует как внутри, так и вокруг головного и спинного мозга. Выступает в роли подушки, защищающей оба мозга от травм, а также снабжающей нервную систему питательными веществами, «вымывает» токсичные продукты и регулирует кровообращение в головном мозге. Количество ликвора у взрослого – от 125 до 150 мл (как ½ стакана), и почти половина от этого количества обновляется каждый день.

Несмотря на то что функция ГЛБ выявлена уже давно, его структура как ключевой элемент для понимания функции головного мозга стала известна лишь недавно благодаря нашим исследованиям (как было описано выше) и работам Михаль Шварц.

Барьер кишечника (GVB) и гематоликворный барьер (ГЛБ) имеют анатомически похожее строение, но двигаются они в противоположном направлении. В желудке идет сначала слизистая оболочка, затем – эпителий («забор») и следом – эндотелий, состоящий из клеток, покрывающих кровеносные сосуды. Что касается ГЛБ, то в нем сначала идет более «проницаемый» эндотелий и только затем эпителий, действующий, как настоящее сито: фильтрованная кровь преобразуется в спинномозговую жидкость и распространяется по всему головному мозгу.

Благодаря нашему исследованию, результаты которого были опубликованы в авторитетном научном журнале Science [10], мы смогли дополнить роль сосудистого сплетения двумя новыми компонентами, выделенными Шварц. Во-первых, мы обнаружили, что через него проходят не только клетки иммунной системы, но и крупные молекулы, участвующие в коммуникации между головным мозгом и остальным организмом. Таким образом, стало понятно, что эпителий – это фильтр не такого уж и «прочного плетения», как полагалось раньше: именно он позволяет вести непрерывный «диалог» с головным мозгом. Второе наше открытие: гематоликворный барьер способен закрываться там, где это необходимо: следовательно, его проницаемость не всегда одна и та же – она регулируется самостоятельно и тем самым защищает головной мозг от проникновения нежелательных молекул. По этой причине ГЛБ оснащен вторым эндотелиальным барьером, активирующимся только при необходимости. Это сосудистый барьер сплетения (PVB), блокирующий прохождение нежелательных молекул при воспалении в кишечнике (рисунок на стр. 44).

В ходе эксперимента мы показали, что воспаление кишечника запускает перемещение бактериальных молекул из кишечного просвета в кровеносную систему. Если бы эти вещества доходили до головного мозга, вред организму был бы колоссален. По этой причине эндотелий сосудистого сплетения реагирует моментально, создавая своего рода «заграждение»: иными словами, он закрывает все доступы и преграждает путь. Этот механизм останавливает взаимодействие между головным мозгом и остальным организмом. Возникающая изоляция создает анксиогенный эффект: именно этим объясняется ощущение тревоги у многих пациентов с воспалительными заболеваниями кишечника. Например, 30–40% людей с язвенным колитом (ЯК) страдают от тревожных расстройств и депрессии.

При нормальных условиях сосудистый барьер кишечника (GVB) пропускает в кровеносную систему только «хорошие» молекулы и преграждает путь для вредоносных веществ. В этом случае головной мозг может вести диалог с остальным организмом на уровне сосудистого сплетения (ГЛБ). При воспалении, когда GVB становится «дырявым», PVB закрывает доступ к головному мозгу, тем самым изолируя его от остального организма, что может вызывать тревогу и депрессию.

На протяжении долгого времени возникновение этих симптомов – периодических болей в животе, диареи, жжения, кровотечения и усталости – объясняли ухудшением настроения как следствия переутомления и ежедневного стресса пациентов. Сегодня же мы знаем, что такие формы психического расстройства – это проявления заболевания, выходящие за рамки кишечника.

Изолирование головного мозга может показаться негативным аспектом из-за влияния на упадок настроения, но не стоит забывать, что это часть огромной защитной кампании. Если бы барьер не закрывался, то воспаление могло бы распространиться и привести к дегенерации некоторых участков мозга с еще более негативными последствиями. Это так называемая «плата» за защиту нашего самого ценного органа.

АНАТОМИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

Как себя ведет головной мозг перед угрозой кишечной инфекции?

До начала эксперимента у нас было две гипотезы:

• первая: мозг – это иммунопривилегированный орган, не взаимодействующий с остальным организмом;

• вторая: при инфекции кишечника есть вероятность открытия гематоэнцефалического барьера.

Для нахождения ответов на наши вопросы мы провели двухэтапное доклиническое исследование. Сначала вызвали воспаление кишечника искусственным путем, введя вещество (так называемое DSS), образовавшее поры в слизистой оболочке и эпителии, позволив кишечным бактериям проникнуть внутрь.

Перед DSS, в день, который обозначим «нулевым», мы внутривенно ввели краситель, чтобы посмотреть, как он распространится в головном мозге, попадая сразу в кровоток и минуя кишечник. Так как вещество состояло из достаточно крупных молекул, предполагалось, что они не пройдут через гематоэнцефалический барьер (состоящий, как мы помним, из прочного «плетения»), а мы тем временем могли наблюдать распространение красителя по всему мозгу.

Уже в «нулевой» день мы получили предварительный результат, опровергающий нашу первую гипотезу: головной мозг не только не изолирован от всего организма, как предполагалось, – он ведет диалог с другими органами и подпускает к себе даже крупные молекулы.

Таким образом, второй этап эксперимента начался уже с новыми соображениями. Учитывая, что в головной мозг могли проникать и крупные молекулы, казалось, что с течением времени краситель продолжит просачиваться через барьер и его количество в мозге постепенно станет излишним.

Но и здесь нас ждал сюрприз! Если в первый день отмечалось увеличение красителя по сравнению с «нулевым» днем, то спустя три дня от него практически не осталось и следа. По всей видимости, дело в барьере: он закрылся и больше не пропускал краситель.

Не подтвердилась и вторая наша гипотеза. При воспалении кишечника головной мозг закрывает к себе доступ и включает режим «защиты», прерывая тем самым диалог с остальным организмом.

Благодаря этому эксперименту мы заметили еще кое-что интересное: закрытие барьера – временное явление, связанное с воспалением. Фактически после прерывания воздействия DSS ситуация стабилизировалась через два дня. Другими словами, головной мозг закрывается, если чувствует надвигающуюся угрозу, но как только «захватчик» отступает от кишечника, барьер снова открывается и головной мозг продолжает общение с организмом. Именно поэтому состояние «закрытия» впоследствии связывали с тревогой.

Это открытие в очередной раз подчеркнуло важность связи между кишечником и головным мозгом, а также между GVB и PVB, соединенных сложной системой «плотин». Если GVB работает исправно, то есть пропускает только мелкие молекулы, то сохраняется взаимодействие между кишечником и головным мозгом, продолжающим общение со всем организмом. Если же GVB открывается «нараспашку» в присутствии воспалительного процесса, то PVB закрывается, изолировав головной мозг.

Для лучшего понимания этого тонкого процесса представим, будто организм – это многоквартирный дом, а GVB – входная дверь подъезда: если дверь справляется со своей задачей, пуская желанных гостей и не пуская незваных, то нет необходимости закрывать на ключ квартирные двери. Можно спать спокойно, даже не закрываясь изнутри, потому что в доме находятся только «друзья».

И наоборот, при воспалении «вооруженные враги» выламывают входную дверь и по кровеносной системе (лестнице) направляются из кишечника в печень, чтобы добраться до головного мозга. Срабатывает сигнализация для эндотелиальных клеток сплетения (обычно они открыты – так мозг может общаться с организмом), которые преобразуются и создают временный барьер: он герметично закрывается и блокирует доступ к самому важному помещению в здании – головному мозгу.

Глава 3

Два мозга

Вечный диалог

Еще в XVIII веке французский анатом и один из отцов современной гистологии Мари Франсуа Ксавье Биша предположил, что кишечник обладает собственной нервной системой, независимой от ЦНС, со сложной структурой, будто кружево. Она плотно и полностью облегает кишечник.

Два века спустя Майкл Д. Гершон, заведующий кафедрой анатомии и клеточной биологии Колумбийского университета и один из основоположников нейрогастроэнтерологии, назвал кишечник «вторым мозгом». Если в животе все гладко, то и ум спокоен. Но когда патогенные микробы и патобионты толпятся под домом, затем выламывают входную дверь и пытаются проникнуть в квартиры, в мозг поступают тревожные звоночки, будто бы жильцы дома кричат с одного этажа на другой, передавая наверх сигнал тревоги.

К этой картине с осью «кишечник – мозг» необходимо добавить третий элемент – микробиоту. Здесь обитают «хорошие» микробы – симбионты, сотрудничающие с нами, помогая пищеварению, взаимодействуя с иммунной системой и дружелюбно общаясь с нашей нервной системой, как мы увидим далее. Симбионты, поддерживающие наше хорошее настроение, называются психобиотиками.

Таким образом, в нашем организме, как и в обществе, все вращается вокруг более или менее правильного обмена информацией и эмоциями.

Второй мозг, находящийся в кишечнике, несмотря на свою автономность, постоянно общается с первым, и немалая часть этого общения происходит через микробиоту. Но как происходит этот содержательный диалог?

Разные каналы коммуникации

Мы знаем, что у микробиоты кишечника несколько разных способов общения с головным мозгом: нейровегетативная система (включающая энтеральную нервную систему), питающаяся нейронами и другими нервными клетками, иммунная и эндокринная системы (передающая информацию через гормоны), а также кровеносная и лимфатическая. Этот диалог может влиять не только на наши когнитивные функции, но и на память, эмоции и настроение.

Доклинические исследования, сравнивающие мышей без микробиоты (так называемые germ-free) с мышами, подвергшимися воздействию патогенов, пробиотиков или антибиотиков, позволяют предположить, что микробиота играет важную роль в регуляции тревожного состояния и боли. Когда мы знаем, что кишечник и населяющие его микробы прочно связаны с головным мозгом, появляется надежда на то, что модуляция микробиоты могла бы в ближайшем будущем открыть новые методы лечения нарушений центральной нервной системы.

Каждый из каналов коммуникации по-разному используется микробами, которые хотят дать о себе знать. Похожую картину мы видим, например, в медиапространстве: каждый канал использует свой собственный синтаксис и язык коммуникации.

Естественно, для координации работы разных систем им необходимо обмениваться определенными «сигнальными молекулами», хотя каждый способ коммуникации обладает особыми правилами и уникальными характеристиками. Некоторые пути чрезвычайно быстры и позволяют отправлять мгновенные сообщения одному конкретному получателю – своего рода биологический мессенджер. Другие же каналы не так точны, но весьма эффективны – как воздушная тревога, оповещающая всю страну о надвигающейся опасности. Третьи пути работают медленнее, но их информация хранится гораздо дольше и может распространяться по всему организму – как почтовое письмо, рассылаемое государством всем гражданам.

Для поддержания общения между вторым и первым мозгом эти системы делят между собой задачи и инструменты. Более того, разные каналы взаимодействуют друг с другом, поэтому сложно говорить о них как о независимых элементах. Для простоты разберем их по отдельности, чтобы выделить особенности каждого, но будем помнить, что конечное сообщение представляет собой нечто большее, чем просто сумма разных сообщений из разных каналов, и зависит от взаимодействия всех путей.

• Нервная система передает информацию «от» и «для» головного мозга. Общение происходит посредством химических веществ, называемых нейромедиаторами, чьи сигналы проходят через спинной мозг и блуждающий нерв. Стиль общения – быстрый, от точки А в точку Б, но недолгий.

• Иммунная система всегда готова дать отпор нарушителю нашей внутренней гармонии. Она может начинать с нуля, если сталкивается с патогеном впервые, либо вспомнить о предыдущем контакте с ним, подготовив новый арсенал на основе информации, полученной при первом контакте, как в случае вакцинации. Более того, она может сигнализировать об опасности, вырабатывая и пуская в кровоток белковые молекулы – цитокины. Такая реакция может привести к сильному химическому эффекту, неслучайно называемому «цитокиновым штормом»: он вызывает обширные повреждения тканей. К сожалению, мы были свидетелями этих процессов в период пандемии COVID-19.

• Эндокринная система следит за ростом и обменом веществ и контролирует их. Входящие в ее состав железы взаимодействуют между собой через секрецию гормонов в кровоток, тем самым распределяя их по всему телу. Эндокринная система работает медленнее, но более умеренно и системно, поскольку она захватывает весь организм, производя долговременный эффект.

• Кровеносная система обеспечивает путь к головному мозгу для сигналов из микробиоты, иммунной и эндокринной систем.

Нервная система

Нервная система делится на две части: центральную, состоящую из спинного и головного мозга, и периферическую, не менее важную. Первая обрабатывает информацию из различных частей тела и разрабатывает комплексные решения. Задача второй – связывать центральную нервную систему с остальным организмом (рисунок на стр. 57).

Головной мозг – это режиссер большей части основных функций организма: от движения до ощущений, от языка до мысли и памяти. Он сформирован из коры головного мозга, или серого вещества, содержащего тела нейронов, с внешней стороны, и нервных волокон, передающих и получающих информацию из «периферии», с внутренней стороны.

Периферическая нервная система делится в свою очередь на соматическую систему, контролирующую произвольные движения и информацию от органов чувств, и нейровегетативную, или автономную, под чьим контролем находится непроизвольная деятельность внутренних органов и желез.

Соматическая нервная система состоит из нервных волокон, посылающих информацию в двух направлениях: от периферии к мозгу и наоборот. Сенсорные данные поступают в центральную нервную систему, а двигательные передают сигналы от ЦНС к скелетной мускулатуре. Мы используем соматическую нервную систему каждый раз, когда решаем что-то сделать: пойти, заговорить, посмотреть вверх или вниз, поесть… и, следовательно, пропитать нашу микробиоту!

Автономная нервная система, в отличие от соматической, отвечает за спонтанные действия и рефлексы. Она в свою очередь делится на симпатическую, парасимпатическую и энтеральную (метасимпатическую) системы.

Симпатическая нервная система – это система, в потенциально опасной ситуации берущая на себя бразды правления без чьего-либо разрешения и запускающая физиологическую реакцию «бей или беги», или Fight or Flight: по ее команде учащается сердцебиение, увеличивается давление и повышается адреналин в крови, побуждая нас к действию. Когда она активизируется, другие системы уходят на второй план.

Распределение функций нервной системы

«Разбудить» симпатическую систему может либо более или менее серьезный внешний стресс (как, например, автомобильная авария, укус осы, ссора или испуг), либо внутренний стресс (воспаление или контрактура).

Парасимпатическая нервная система, наоборот, призывает организм расслабиться и успокоиться, запуская «систему отбоя» – то, что по-английски называют Rest and Digest, дословно – «отдыхай и переваривай». Это система, позволяющая накапливать, запасать энергию. Когда она активизируется, возрастает секреция слюны, а также желудочного, поджелудочного и желчного соков. Парасимпатическая система стимулирует перистальтику, способствующую продвижению пищи по пищеварительному тракту, снижая при этом частоту сердечных сокращений, уменьшая непроизвольную мышечную деятельность бронхов и стимулируя мочеиспускание.

Когда все в порядке, две системы – симпатическая и парасимпатическая – работают сообща и мы можем быть спокойны.

Недавние открытия позволили полностью изменить парадигму, совершив так называемую «революцию психобиоты».

Сегодня мы знаем, что через нашу микробиоту учимся принимать решения, конвертирующие «симпатический» ответ (реакцию симпатической системы) в «парасимпатический», более положительный ответ организма, делая счастливее наш кишечник и, следовательно, нашу жизнь.

Наконец, такие древние практики восточных культур, как йога и медитация, могут направить нашу жизнь в более спокойное русло, стимулируя функциональность парасимпатической системы напрямую.

Энтеральная (или метасимпатическая) система работает внутри кишечника, то есть в нашем втором мозге. Она тесно связана с остальной частью нервной системы, но действует исключительно по своим правилам. Активно взаимодействует с микробиотой через сигналы, поступающие от определенных клеток кишечника – энтероэндокринных и энтерохромаффинных. Они рассыпаны среди эпителиальных клеток стенки кишечника и служат мостом к энтеральной нервной системе. Благодаря такому стратегическому «положению» внутри кишечника и тесной связи с головным мозгом энтеральная нервная система способна нейтрализовать любую негативную реакцию на стресс и вернуть нас в состояние гармонии. Возможно, если мы научимся понимать язык ее действий, найдем ключ к управлению нашим настроением.

Совсем не легко, однако, ощутить наш второй мозг. Энтеральная система – так же, как симпатическая и парасимпатическая, – работает на автопилоте, поэтому мы даже не подозреваем о ее существовании. Это независимая система, и она не нуждается в центральном мозге для функционирования. Все дело в локальном «моторе»: благодаря ему происходят сокращения мышечных клеток и другие движения кишечника, поэтому, даже если бы мы прервали его связь с головным мозгом, они бы не прекратились. Несмотря на свою независимость, энтеральная нервная система, как мы уже выявили, непрерывно общается с головным мозгом посредством как минимум трех путей взаимодействия: нервных волокон, гормонов и иммунных клеток.