Микробиом. То, что убивает, и то, что делает нас сильнее

Игорь Стом

Микробиом

То, что убивает, и то, что делает нас сильнее

То, ЧТО мы думаем,

всегда намного менее сложно, нежели то,

ЧЕМ мы думаем.

Станислав Лем

Книга посвящается моей семье:

спасибо, что никогда не переставали

верить в меня.

© И. Стома, текст.

© А. Апаева, илл.

© ООО «Издательство АСТ»

Предисловие автора

Еще в 400 г. до н. э. Гиппократ отмечал, что «смерть начинается в кишечнике». Сегодня мы начинаем понимать всю глубину этой мысли, опираясь на недавно полученные знания о микробиоме. И действительно, не только смерть, но и жизнь, а также здоровье человека находятся во взаимосвязи с невероятным объемом микроорганизмов, сопровождающих нас на протяжении всего нашего пути…

Микробы составляют 70 % всей биологической массы на планете Земля!

Из всего этого гигантского объема биомассы микробов, только часть способна колонизировать и жить внутри и на поверхности человеческого тела. По сути, человеческий организм и микробы, проживающие в нем, формируют единое целое – то, что еще в середине ХХ века было названо суперорганизм. Количество микробов, проживающих в организме человека, в 10–100 раз превышает количество собственных клеток самого человека. Это 1015 (квадриллион, т. е. миллион миллиардов) бактерий в сравнении с «всего» 1013–1014 (10–100 триллионов) человеческих клеток. Суммарная биологическая масса этих бактерий внутри и на поверхностях тела человека колеблется в районе 1–1,5 кг.

Рис. 1

Подчеркнем, что кодирующая способность генов микробов внутри нашего тела превышает кодирующую способность нашего собственного генома. То есть внутри нас – гораздо более сложный компьютер, чем мы сами. Человек, кстати, совсем недавний обитатель планеты Земля. Да, человечество прирастает в среднем по одному проценту ежегодно в последние годы. Но ведь первые три миллиарда лет существования Земли ее обитателями были только микробы, и именно они формировали экологию и биологический слой этой планеты. Вспомним, что на поверхности юной Земли практические не было кислорода. Тогда бактерии, для которых кислород был губителен (анаэробы), более свободно проживали на Земле. И лишь появление фотосинтеза, а именно растений, продуцирующих кислород, привело к тому, что атмосфера этой планеты начала насыщаться кислородом. Из-за этого бактерии-анаэробы были вынуждены «спрятаться» от кислорода внутри более сложных многоклеточных организмов, то есть внутри животных и человека. Получается, что с точки зрения биологии, любой многоклеточный организм – это всего лишь убежище для анаэробных микробов, позволяющее избежать повреждающего действия кислорода.

Почему люди, изучающие возбудителей опасных инфекций, настолько увлечены этим непростым делом? Почему однажды увидев бактериальную клетку в окуляр микроскопа, они никогда не перестают представлять этот чудесный микромир?

Дело в том, что именно в нем таятся ответы на вопросы жизни и смерти, этот мир гораздо сложнее, чем кажется сначала. Он устроен даже сложнее, чем человеческий мир. Микроорганизмы успешно существовали до появления человека, и вероятно переживут и современную эру людей.

Писатели-фантасты не раз обращались к теме микробов, стоит вспомнить, к примеру, Герберта Уэллса, который в своем романе «Война миров» описал вторжение инопланетных завоевателей на нашу планету и предложил элегантную причину их поражения. Победу тогда одержали не люди, а микроорганизмы, населявшие Землю. Те микроорганизмы, которые успешно сосуществовали с людьми, смогли эффективно уничтожить инопланетных существ, как сказали бы сейчас, не имеющих иммунитета к этим микробам.

А в 2020 году нашу планету захватил новый вирус, продемонстрировав человечеству, обладающему короткой памятью, что такое настоящая пандемия… Мне как врачу-инфекционисту пришлось стать непосредственным участником этих событий и сделать немало собственных выводов о природе этой инфекции.

Одним из моих личных стимулов к изучению мира микробов стала книга «Охотники за микробами», написанная Полем де Крюи еще в начале XX века. Переведенная на русский язык в 1927 году, она стала проводником в мир науки для многих ребят, вдохновляя их на самое интересное занятие в жизни – изучать мир по другую сторону микроскопа. И когда в юношеском возрасте я представлял таинственную работу микробиолога, я не мог вообразить, что пройдут годы, и я буду работать в Центре изучения микробов, воспаления и рака на 68-й улице вдоль Йорк-авеню на Манхэттене в Нью-Йорке, рядом с Рокфеллеровским университетом, в нескольких шагах от того места, где за сто лет до меня работал сам Поль де Крюи. Кстати, по четвергам, именно в Рокфеллеровском университете для ученых, в том числе из соседних учреждений (центра Слоуна-Кеттеринга и Корнелльского университета), проводили социальные вечера с напитками, гуакамоле и, главное, невероятно живым общением с лучшими умами мира, в расслабленной обстановке. Это было тем местом, где действующий и, возможно, будущий Нобелевские лауреаты из разных областей науки могли, не стесняясь в выражениях, горячо подискутировать.

Многим из нас подсознательно хочется достичь бессмертия. И пока оно невозможно физически, люди многие тысячелетия пробуют запечатлеть свое бессмертие в нематериальных достижениях. Для этого пишутся книги и создаются произведения искусства, а спортсмены бьют рекорды. Но самый лучший метод придать нашей короткой жизни каплю бессмертия – это совершать научные открытия, те, что улучшают жизнь людей и помогают победить болезни. Во многом поэтому, филантропы все больше поддерживают изучение биомедицинских направлений, примером чего является Институт изучения микробиома при Чикагском университете, который возглавил один из величайших ученых современности, профессор Эрик Памер. Сам же институт был создан на деньги семьи Дючуссуа, а именно на 100 миллионов долларов, которые передали на науку Дженнет и Крейг Дючуссуа, продолжатели династии бизнесменов из Чикаго. Сам же основатель Ричард Дючуссуа, ветеран Второй Мировой войны, отметивший свое 100-летие в 1921 году, героически сражался в пяти военных кампаниях, включая высадку в Нормандии, командовал танковым батальоном. Таким образом, достойная жизнь достойного человека привела к созданию целого научного института. Другим интересным подобным примером является Мортимер Цукерман, в здании, носящем имя которого, мне посчастливилось поработать в Нью-Йорке. Мортимер Цукерман, известный медиамагнат, направил опять же 100 миллионов долларов на создание научного центра по изучению рака на базе Мемориального центра Слоуна-Кеттеринга в 2006 году. Как это мудро, понимать, что огромное состояние не заберешь с собой в могилу, а избыток денег – это не всегда залог счастья для потомков, а часто наоборот – необоснованные риски.

Кстати, автором предисловия к советскому изданию книги Поля де Крюи был Лев Александрович Зильбер, великий вирусолог, создатель советской школы вирусологии. И опять же, здесь прослеживаются чудесным образом выстроенные связи и сочетания судеб. Лев Зильбер – старший брат писателя Вениамина Каверина, автора «Двух капитанов», был женат на Зинаиде Виссарионовне Ермольевой, создательнице советского пенициллина, человеке который заслуживал Нобелевской премии не менее Александра Флеминга… И вдогонку к этим сочетаниям – страшные изломанные судьбы великих людей, годы тюремного заключения Л.А. Зильбера, где, кстати, он продолжал свои опыты, обобщал и записывал полученные данные, которые впоследствии стали одной из основных концепций развития рака, так называемой вирусной концепцией онкогенеза. В очередной раз замечено, как великие умы тянутся друг к другу и как при этом серые бездарности не могут принять своей ущербности на фоне этих великих умов. Заинтересованные этой темой могут обратиться к прекрасному роману о науке и жизни «Открытая книга» Вениамина Каверина.

Что касается интереса в мире к изучению микробиома, то по данным журнала Nature, только за последние десять лет на исследования микробиома было потрачено более 1,7 миллиардов долларов. Микробиом, объединяя все микроорганизмы внутри нас, уже признается «отдельным органом нашего тела», влияющим как на здоровье и долголетие, так и на развитие заболеваний.

Какие яркие примеры из самых разных отраслей медицины знает наука? В одном из исследований в области онкологии обнаружилось, что у больных меланомой эффективность лечения новыми препаратами зависела именно от разнообразия их кишечного микробиома. При пересадке кишечного микробиома от мышей с ожирением «стройным» особям последние начинают набирать вес – при том же самом рационе и двигательном режиме. В другом эксперименте на животных – пересадка бактерий из кишечного микробиома бегунов на длинные дистанции, марафонцев, в организмы животных (мышек) после успешного завершения забега позволила увеличить у подопытных продолжительность бега.

А теперь представьте себе, что появились бы новые эффективные лекарства, решающие проблему избыточного веса, – что можно привести себя в идеальную физическую форму без изнуряющих тренировок только с помощью «микробного коктейля? Как вы думаете, сколько будут стоить такие препараты?

Можно и не смотреть в будущее. Уже сейчас микробиом применятся для лечения болезней. Рецидивы опасной и распространенной инфекции Clostridioides difficile, вызывающей тяжелые повреждения кишечника, по ведущим мировым протоколам лечатся пересадкой кишечного микробиома от здорового донора! И в мире уже есть десятки тысяч людей, выживших только благодаря этой эффективной процедуре.

Миллиарды долларов сегодня вкладываются инвесторами в науку о микробиоме. Именно с ее помощью стараются отыскать новые лекарства, ключ к долголетию и даже «коктейль бессмертия». Такие инвесторы, как Марк Цукерберг, Билл Гейтс, Марк Бениофф вложили огромные средства в стартапы в области микробиома. Разрабатываемые препараты на основе микробов позволят сделать прорыв в лечении аутизма, депрессии, болезни Паркинсона и многих других заболеваний.

Именно о микробиоме эта книга, о том, что представляют собой микробы внутри нас, как они взаимодействуют с нами, какие общества у них существуют, а также как нам жить с ними в дружбе и согласии. Мы поговорим о будущем микробной медицины, которое уже становится настоящим. Посмотрим на наше тело глазами микробов внутри нас, то есть изучим себя С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ МИКРОБА ВНУТРИ НАС.

Бомба с часовым механизмом у нас в животе: клинический случай (ботулизм)

Ботулизм – это смертельно опасное нейропаралитическое заболевание, вызываемое токсином бактерии Clostridium botulinum. Классические пути передачи основаны на употреблении в пищу продуктов, зараженных этим токсином (консервы, закатки, сушеная рыба), а также попадании бактерии или токсина на открытые раны (раневой ботулизм). Эти пути заражения хорошо вписываются в концепцию того, что инфекции – это нечто опасное из внешнего мира, вызывающее болезнь при попадании внутрь нашего организма. Но, оказывается, инфекции могут развиваться изнутри, и в особых случаях вызывать болезни. По сути, эта бактерия может в крайне малом количестве находиться в микробиоме кишечника и не вызывать никаких проблем, находясь в «подконтрольном» состоянии в многообразном сообществе других бактерий. Так же, как здоровое человеческое общество не даст разбушеваться хулигану на улице или в транспорте, так и другие бактерии микробиома не позволяют лишних действий «хулиганам-патобионтам» в кишечнике.

Дальше мы опишем драматическую историю одного пациента на базе Мемориального онкологического центра им. Слоуна-Кеттеринга в Нью-Йорке, которая напомнила врачам о том, что причины инфекций бывают не только внешними, но и внутренними.

Мужчина, 27 лет, с миелодиспластическим синдромом, перенес аллогенную пересадку костного мозга от своей матери. Операция вызвала ряд осложнений, в течение периода лечения пациент находился в состоянии подавленного иммунитета. И вдруг, на 56 день от пересадки у него появились симптомы ботулизма! А именно затуманенность зрения, двусторонний птоз (опущение век), нарушения речи, глотания, и в итоге дыхания, что послужило основанием для перевода на искусственную вентиляцию легких. Что очень важно – вся пища, которую он употреблял в госпитале, проходила особую обработку, а другой пищи он не получал. На 78 день: в стуле пациента биопробой на мышах был подтверждено наличие нейротоксина А ботулизма, рост бактерии Clostridium botulinum на питательной среде, и методом ПЦР в образце стула пациента были обнаружены гены нейротоксинов А и В ботулизма. Назначили введение комбинированного ботулинического антитоксина. Перед этим был взят образец стула для определения состава микробиома кишечника (16S-секвенирование), и в нем впоследствии обнаружился не только дисбиоз (нарушение состава), но и возбудитель болезни Clostridium botulinum.

К сожалению, история закончилась драматически, но она же послужила основой для пересмотра взглядов на путь заражения ботулизмом. Особенно у «сложных» больных, с набором факторов, снижающих иммунитет, повреждением выстилки кишечника. То есть, по сути, миллионы микроорганизмов у нас в кишечнике защищают нас от отдельных опасных бактерий, которые, как «бомба с часовых механизмом», ждут подходящего времени проявить свой агрессивный характер.

Новые тропы открывает лишь тот, кто готов заблудиться.

Жан Ростан

Глава 1

О микробах

1.1. Микробы внутри нас, кто они?

Долгие годы, от возникновения первой микроскопии и опытов Антони ван Левенгука, когда он смог рассмотреть миниатюрные одноклеточные организмы (1676 год), человечество расценивало микробов, как то, что мы видим. Микробиологи засевали специальные питательные среды материалом из раны, наружной среды, кровью и ждали, когда появятся колонии бактерий. На этом строилась вся методология бактериологии, так открывались новые питательные среды, условия культивирования микроорганизмов. До конца XX века была эра именно «культуральной микробиологии».

Однако, что интересно: значительное, а часто и подавляющее количество микробов является сложно культивируемыми или вовсе не хотят расти на питательных средах вне организма человека. Это даже не считая строгих анаэробов, микробов, которые очень требовательны к отсутствию кислорода в зоне обитания. Но что же двигает биологические науки вперед? Новые методы определения, новые физико-химические технологии, новая аппаратура и прорывы в биоинформатике. Именно это позволило быстро выявлять микробы в образце, не ожидая их роста на чашке Петри с питательной средой.

Сначала это был метод полимеразной цепной реакции (ПЦР), который определял генетический материал конкретной бактерии в образце. А затем появилось секвенирование, а именно метод секвенирования нового поколения, с помощью которого мы можем быстро определить гены всей совокупности микробов в образце, и даже оценить их плотность в образце, то есть сказать, каких микробов больше, и выразить это в процентном соотношении.

Как только начали применять метод секвенирования для анализа микробных сообществ в теле человека, оказалось, что значительное количество микробов, например в кишечнике, никогда до этого не изучалось, их функция, свойства и название остаются неизвестными. Тот есть внутри нас – много неизведанных микроорганизмов, так называемая «темная материя[1] микробиологии», изучить которую еще предстоит.

Рис. 2. Адаптировано из Grall N, et al. EMC Biologie, 2017

Если упростить, то около 40 % представителей микробиома обитает в желудочно-кишечном тракте, 20 % – в полости рта, 18–20 % – на кожных покровах, 15–16 % в ротоглотке и 2–4 % в урогенитальном тракте у мужчин; у женщин же на вагинальный биотоп приходится в районе 10 % представителей всех микробов организма.

Микробиом кишечника человека состоит из приблизительно 100 триллионов бактерий, принадлежащих нескольким сотням различных видов. Микробиом включает четыре основных типа бактерий, охватывающих более 90 % общей популяции микроорганизмов, а именно Firmicutes, Bacteroidetes, Actinobacteria, Proteobacteria, а также ряд более редких типов (Verrucomicrobia и Fusobacteria). Общая плотность бактерий больше в толстой кишке, чем в тонком кишечнике.

1.2. Зачем мы нужны микробам?

Наши тела являются планетами для жизни наших микробов. Очевидно, что им выгодно поддерживать в нас жизнь – взамен они получают стабильную среду обитания, с устойчивой температурой, влажностью, уровнем pH и прочим показателями, к которым они привыкли. Организм человека формирует комфортный климат для проживания микроорганизмов. Более того, пища, которую мы употребляем, является пищей не только для нас, но и для наших бактерий. Вплоть до того, что по составу микробиома кишечника можно с высокой долей вероятности предположить, какая диета преобладает у человека, любит ли он сладкое и так далее.

1.3. Зачем микробы нужны нам?

Функции, которые выполняют микробы, разнообразны. Современный человек не смог бы выжить в безмикробном мире.

В рамках проекта изучения микробиома человека в США был проведен одновременный анализ состава и биохимической активности микробиома у многих людей. То есть определяли функции бактерий в разных участках тела человека (верхние и нижние дыхательные пути, верхние и нижние отделы ЖКТ, половые органы). Что же выяснили? Несмотря на различный видовой состав микробиома человека в различных локализациях, метаболические пути бактерий остаются практически неизменными. Это в очередной раз подчеркивает значимость микробиома для биохимических и физиологических функций человека.

Рис. 3

Если проще, то целый ряд функций, которые выполняют в теле человека микробы, мы самостоятельно выполнить не можем, а функции эти являются жизненно важными. Например, биосинтез витаминов и кофакторов, участие в метаболизме углеводов, транспорт олигосахаридов, многоатомных спиртов, фосфатов и аминокислот, синтез АТФ, метаболизм пуриновых и пиримидиновых оснований (необходимых для ДНК) и многое другое. А еще микробы по сути выступают тренерами нашей иммунной системы, о чем мы поговорим далее.

1.4. Как ученые изучают мир микробов?

В 1632 году в городе Делфт (Голландия) родился человек, любопытство которого дало начало микробиологии – Антони ван Левенгук. Его интерес к созданию и усовершенствованию увеличительных линз позволил впервые увидеть микроскопических существ – микробов. Из любопытства он, сделав соскоб налета со своих зубов, смешал его с чистой дождевой водой и рассмотрел под микроскопом. И увидел массу миниатюрных существ, которых он назвал «анималькулюс» («зверушка» по латыни)!

В течение столетий после Левенгука ученые научились разным методам окраски и фиксирования бактерий на предметных стеклах (чтобы они были лучше видны под микроскопом), описали внешний вид сотен микробов, и до сих пор микроскопия с окраской, например по Граму[2], применяется как один из простых, доступных и быстрых методов диагностики инфекций у человека.

Но чтобы рассматривать бактерии в микроскоп, их нужно сначала получить. Это может быть нативный (естественный) материал, как зубной налет, который использовал Левенгук. Но чаще, особенно в медицине, количество бактерий в нативном материале не столь велико, чтобы сразу обнаружить их под микроскопом. И тогда на помощь приходят культуральные методы – выращивание колоний бактерий на питательных средах (культурах). Сначала были среды на основе агар-агара (экстракта водорослей), которые были предложены в 1882 году немецким бактериологом Вальтером Гессе. Но, как мы знаем, у каждой бактерии свои биохимические свойства и свои «вкусы» в отношении питательным сред. Кому-то нужно больше сахара, кому-то больше белка, некоторые предпочитают наличие крови в питательной среде. Со временем были разработаны и появились в продаже десятки разных питательных сред для выращивания разных бактерий. Кстати, даже ваш мобильный телефон может быть успешной питательной средой, например, для микроскопических грибов (Рис 4.).

Рис. 4. Смартфоны как питательная среда в микробиологии

Многие десятилетия всего этого хватало, чтобы изучать бактерии, описывать их свойства.

Позже произошла революция в молекулярной биологии, и появились новые методы исследования. Сначала – полимеразная цепная реакция, а затем секвенирование ДНК и РНК. Эти методы определяют генетические последовательности в образцах и могут выявить не только геном человека, но и гены бактерий, грибов, вирусов. Оказалось, что подавляющее большинство микробов нам не знакомо, мы лишь обнаружили их генетических материал, а до этого мы их не могли высевать на питательных средах. Почему так? Дело в том, что часть бактерий, особенно в кишечнике, не переносит наличие кислорода, часть настолько требовательна к условиям окружающей среды, что не хочет расти в условиях лабораторий. Некоторые бактерии для успешного роста требуют наличия рядом других бактерий, то есть проявляют характер коллективистов и не готовы жить и расти отдельно от друзей и близких. И именно, эта неизведанная часть микробиологии сейчас будоражит умы лучших ученых мира (Рис. 5). Ведь именно здесь может быть ключ к здоровью и долголетию, именно здесь могут быть скрыты новые лекарства, нужные людям!

Рис. 5. Обозримая нижняя часть картины – это пропорция микроорганизмов в кишечнике, которые мы можем выявить классическим культуральным методом (посевом)

Сегодня молекулярная генетика, а именно метод секвенирования нового поколения приоткрыл завесу тайны о неизвестных науке микробах. Более того, этот метод, согласно закону Гордона Мура, будет становиться все эффективнее и доступнее. Снижение стоимости секвенирования происходит уже сейчас, и очень скоро мы увидим, как этот метод станет рутинным в организациях здравоохранения. Как и все современные методы диагностики, он должен пройти этот путь: из научных лабораторий в клинические лаборатории больниц. А о законе Гордона Мура мы более подробно поговорим в одной из завершающих глав этой книги.

Рис. 6. Все многообразие микроорганизмов, проживающих в кишечнике у человека, определяемое с помощью молекулярно-генетических методов. Картина «Карнавал Арлекина», Жоан Миро, 1925 год.

1.5. Как рисуют «живые картины» (чашки Петри)

Тот, кто когда-нибудь видел, как выглядят колонии микробов на чашках Петри, обратил внимание, что нередко эти микробы при росте формируют узоры, подобные тому, как двигалась рука бактериолога при «засевании» чашки специальной петлей.

Ученые, как люди творческие, начали рисовать на чашках Петри узоры, а потом и «живые картины» из микробов. Это требует не только знания характеристик микробов, их условий культивирования и питательных сред, но и творческого подхода и даже точности движения кисти. Термин, которым стали называть это направление, – агаровое искусство или агар-арт.

Более того, ряд профессиональных сообществ учредили конкурсы среди ученых, как молодых, так и состоявшихся, в области этого оригинального направления, на стыке науки и искусства. Это конкурсы Американского общества микробиологов, конкурс «Красота микромира» (Россия) и другие. Лучшие работы российских микробиологов вы сможете увидеть, набрав в интернете название конкурса «Красота микромира», а мы представим то, что изобразили микробами на чашке Петри совсем не профессионалы, а всего лишь студенты второго курса Гомельского медицинского университета на занятиях по микробиологии (Рис. 7).

Рис. 7. Результаты посева микробов на чашку Петри студентом 2-ого курса (2025 год, Гомельский государственный медицинский университет)

Рис. 8. Рисунок на питательной среде с помощью штамма кишечной палочки, победитель конкурса агар-арта (ASM, 2023). Автор Svenja Ries.