Як мікроби визначають нашу сутність

Як мікроби визначають нашу сутність

Чим більше вчені досліджують мікробів, що живуть у людському тілі, тим більше вони дізнаються про потужний вплив цих крихт на наш зовнішній вигляд, поведінку, навіть на образ думок і почуття. Чи справді стан нашого здоров "я і самопочуття залежать від вірусів, бактерій, одноклітинних грибів та інших організмів, що живуть у легенях і кишечнику, на шкірі та очних яблуках? Чи не дуже дивно - вважати, що мікроскопічні тварі, яких ми носимо в собі і на собі, багато в чому визначають саму нашу сутність? Вплив мікробіома - так називається цей мінізоопарк - може бути основоположним вже на ранніх етапах розвитку. Одне з досліджень, результати якого були опубліковані в минулому році, показує, що навіть таке вроджене, здавалося б, якість, як темперамент немовляти, може залежати від того, чи належить більшість бактерій в його кишечнику до одного роду: чим більше біфідобактерій, тим життєрадісніша дитина. Висновки, які зробили Анна-Катаріїна Аатсінкі та її колеги з Університету Турку у Фінляндії, засновані на аналізі зразків кала 301 немовляти. Ті діти, у яких у два місяці було більше біфідобактерій, у півроку виявилися більш розташовані проявляти "позитивні емоції", як визначили дослідники. Вивчення мікробіома почалося порівняно недавно - по суті, лише 15 років тому. Це означає, що більшість проведених на сьогодні досліджень носили попередній характер і були скромними за масштабом: у них брали участь лише десятки мишей або людей. Вчені виявили певну залежність між станом мікробіома і різними захворюваннями, але поки ще не можуть виявити чіткі причинно-наслідкові зв 'язки між конкретними мешканцями густонаселеного "внутрішнього світу" людини і її здоров' ям. Різноманітність кишкового мікробіома постає у всій красі в цьому зразку. Крім усього іншого, ми бачимо тут величезну бактерію - вона в 50 разів довша кишкової палички. Мікробіом кожної людини неповторний. Вчені продовжують досліджувати все різноманіття способів, якими мікроорганізми, його складові, впливають на наше здоров 'я, вагу, настрій і навіть на особливості характеру Навіть сама кількість цих мешканців вражає уяву: сьогодні вважається, що в тілі звичайного молодого чоловіка проживає близько 38 квінтильйонів (1012) мікробів - це навіть більше, ніж власних людських клітин. Якщо ми навчимося розуміти, як розпорядитися цим - своїм же - багатством, перед нами відкриються заворожуючі перспективи. На думку оптимістів, в недалекому майбутньому стане звичайною справою вводити людині здорові комплекси мікробів у вигляді пребіотиків (сполук, що виконують роль субстрата, на якому можуть розмножуватися корисні бактерії), пробіотиків (самі ці бактерії) або шляхом фекальної трансплантації (пересадка багатого кишкового мікробіома від донорів) - щоб він міг почати Коли говорять про мікробіом, в першу чергу мають на увазі мешканців шлунково-кишкового тракту, що становлять 90 відсотків наших мікроорганізмів. Однак і в інших органах кишить життя: мікроби заповнюють будь-яку ділянку тіла, що контактує із зовнішнім світом: очі, вуха, ніс, рот, анальний отвір, сечостатеву систему. Крім того, мікроби присутні на будь-якому шматочку шкіри, особливо в підмишках, проміжності, між пальцями ніг і в пупці. Показані тут бактерії взяті з потних ніг. Саме вони надають виділенням потових залоз своєрідний запах: у міру накопичення піт стає середовищем для розмноження пахучих мікробів. А найбільше потових залоз зосереджено на наших долонях і підошвах. І ось що по-справжньому дивно: кожен з нас має неповторний набір мікробів, який не зустрічається більше ні в кого. Сьогодні, вважає Роб Найт з Центру мікробіомних інновацій Каліфорнійського університету (Сан-Дієго), вже можна стверджувати: ймовірність існування двох людей з однаковим набором видів у мікробіомах наближається до нуля. За словами Найта, унікальність мікробіома можна було б використовувати в криміналістиці. "Хто доторкався до того чи іншого предмета, відстежується за мікробіомним" відбитком ", який залишає шкіра людини", - пояснює він. Що ж, коли-небудь слідчі в пошуках доказів почнуть збирати зразки мікробів, що живуть на шкірі, подібно до того, як сьогодні вони шукають відбитки пальців. У цій статті ми розповімо про деякі важливі відкриття, зроблені вченими, які досліджують мікробіом і його вплив на нас з немовляти до старості. Немовля Плід у материнській утробі практично стерильний. Протискуваючись крізь родові шляхи, він зустрічається з міріадами бактерій. У процесі звичайних пологів немовля "омивається" мікробами, що мешкають у вологолищі; крім того, на нього потрапляють кишкові бактерії матері. Ці мікроби негайно приймаються обживати його власний кишечник, вступаючи в свого роду спілкування з імунною системою, що розвивається. Так вже на самих ранніх стадіях свого існування мікробіом готує імунну систему до того, щоб вона правильно працювала надалі. Якщо ж немовля з 'являється на світ за допомогою операції кесаревого перерізу, контакту з материнськими бактеріями не відбувається, і його кишечник заселяють інші мікроорганізми - зі шкіри матері і з грудного молока, з рук медсестри, навіть з лікарняної білизни. Такий чужорідний мікробіом може ускладнити все подальше життя людини. Streptococcus pneumoniae, показаний тут у момент ділення клітини, може викликати серйозні захворювання, наприклад менінгіт і запалення легенів, - однак, як і штами кишкової палички, деякі стрептококи нешкідливі. Ці бактерії живуть на шкірі і в роті, в дихальних шляхах і в кишечнику. У 2018 році Поль Вільмс з Центру системної медицини Люксембурзького університету опублікував результати дослідження 13 немовлят, народжених природним чином, і 18, що з 'явилися на світ операційним шляхом. Вільмс і його колеги піддали аналізу стілець новонароджених і їх матерів, а також вагінальні мазки породіль. У "кесарят" виявилося значно менше бактерій, що виробляють ліпополісахариди і тим самим стимулюють розвиток імунної системи. Таких мікробів залишається мало щонайменше п 'ять днів після народження - цього, на думку Вільмса, достатньо, щоб призвести до довгострокових наслідків для імунітету. Через деякий час, зазвичай до першого дня народження, мікробіоми дітей в обох групах знаходять схожість. Однак, на думку Вільмса, різниця, що спостерігається в перші дні життя, означає, що в організмі немовлят, які з 'явилися на світ за допомогою кесаревого перерізу, можливо, не проходить первинна імунізація, в ході якої імунні клітини вчаться правильно реагувати на вплив ззовні. Саме цим, ймовірно, пояснюється те, що у таких дітей згодом частіше виникають різноманітні проблеми, пов 'язані з функціонуванням імунної системи, в тому числі алергії, запалення та ожиріння. На думку Вільмса, в майбутньому, можливо, "кесарятам" будуть давати пробіотики, створені на основі штамів бактерій матері, щоб заселити їх травну систему корисними мікробами. Дитинство Харчова алергія стала настільки поширеним явищем, що в деяких школах введені обмеження на продукти харчування, які діти можуть брати з собою з дому (наприклад, забороняють приносити батончики з арахісом або бутерброди з варенням), - щоб у кого-небудь з однокласників не виникла алергічна реакція. У Сполучених Штатах на харчову алергію страждають 5,6 мільйона дітей, тобто в кожному класі є щонайменше дві-три такі дитини. Називаються різні причини, які могли призвести до поширення алергії, в тому числі зростання числа дітей, народжених за допомогою кесаревого перерізу, і надмірне використання антибіотиків, здатних знищувати бактерії, що захищають нас. Кетрін Наглер і її колеги з Чиказького університету вирішили перевірити, чи не пов 'язане поширення харчової алергії серед дітей зі складом їх мікробіома. Минулого року вони опублікували результати дослідження, в якому задіяли вісім піврічних дітей, у половини яких відзначена алергія на коров 'ячі молоко. З 'ясувалося, що мікробіоми у представників двох груп досить сильно розрізняються: у кишечнику здорових немовлят були бактерії, типові для правильно розвиваються дітей їхнього віку, а у тих, хто страждає на алергію, на коров 'ячі молоко виявилися бактерії, більш властиві дорослим. У дітей-алергіків, за словами Наглер, перехід від дитячого мікробіома до дорослого, що зазвичай здійснюється повільно, "стався з ненормальною швидкістю". Наглер і її колеги пересадили (за допомогою фекальних трансплантатів) кишкові бактерії "своїх" немовлят мишам, народженим за допомогою кесаревого перерізу і вирощеним у стерильних умовах, тобто, повністю вільним від мікробів. Виявилося, що тільки у мишей, яким зробили пересадку від здорових немовлят, алергічна реакція на коров 'яче молоко не проявилася. Інші ж, як і їхні донори, стали алергіками. Подальші дослідження показали, що головну роль у захисті першої групи мишей, очевидно, зіграли бактерії одного виду, що зустрічаються тільки у дітей: Anaerostipes caccae з групи клостридій. Як з 'ясувала Наглер і її колеги в ході одного з досліджень, розвиток алергії на арахіс запобігають теж клостридії. Наглер, президент і співзасновниця чиказького фармацевтичного стартапу ClostraBio, розраховує випробувати терапевтичний потенціал бактерій Anaerostipes caccae на лабораторних мишах, а потім і на людях-алергіках. Першим завданням було знайти місце в кишківнику, куди можна було б висадити десант корисних бактерій. Навіть у нездоровому мікробіомі, каже Наглер, всі ніші вже зайняті; так що для того, щоб клостридії прижилися на новому місці, потрібно зігнати колишніх мешканців. Тому в ClostraBio створили препарат, що розчищає в мікробіомі певну нішу. Наглер з колегами "прописують" його мишам, а потім вводять їм кілька видів клостридій, а також харчову клітковину, що сприяє розмноженню мікробів. Наглер сподівається приступити до клінічних випробувань клостридій на людях протягом найближчих двох років, а з часом - створити ліки для дітей, які страждають алергією на продукти харчування. Мікроби - мешканці кишечника - можуть бути пов 'язані і з іншими захворюваннями дітей, у тому числі з діабетом I типу. В Австралії вчені проаналізували зразки стільця 93 дітей, чиї родичі страждали таким діабетом, і виявили, що у тих з них, у кого захворювання згодом розвивалося, в калі спостерігався підвищений вміст ентеровірусу А. Втім, один з експериментаторів, Іан Ліпкін з Мейлманівської школи народної охорони здоров 'я при Колумбійському університеті, застерігає колег від поспішних висновків про те, що причини тих чи інших захворювань пояснюються виключно відмінностями в мікробіомі. "Все, що нам відомо напевно, - каже він, - це те, що певні мікроби якось пов 'язані з певними хворобами". І все одно Ліпкін сповнений ентузіазму щодо майбутнього науки про мікробіом. За його прогнозом, протягом найближчих п 'ятдесяти років вчені розкриють механізм впливу мікробіома на організм і приступлять до клінічних випробувань на людях, щоб наочно показати, як можна покращувати стан здоров' я, "редагуючи" мікробіом. Юність У багатьох підлітків є схильність до вугрівної хвороби - і, схоже, існує таке явище, як "мікробіом сальних залоз". Шкіра хлопців особливо гостинна для двох штамів бактерії Cutibacterium acnes, пов 'язаних з виникненням прищів. Більшість штамів цієї бактерії безпечні або навіть корисні, оскільки стримують розмноження патогенних мікробів; по суті, ця бактерія - основний компонент нормального мікробіома обличчя і шиї. Однак поганий штам може принести чимало шкоди: його присутність, на думку Аманди Нелсон, дерматолога з Медичного коледжу Університету штату Пенсільванія, - одна з передумов розвитку запалення. Серед інших причин розвитку хвороби вчені називають шкірний жир (його виробляють сальні залози для зволоження шкіри), службовець для C. acnes живильним середовищем, волосяні мішечки і схильність до запалень. Все це працює разом, і, за словами Нелсон, ми поки не знаємо, що важливіше. Мікробіом сальних залоз досліджували вчені з Медичної школи Вашингтонського університету і з 'ясували, що єдиний засіб проти вугрів, що призводить до тривалого ослаблення хвороби, - ізотретиноїн (відомий під різними торговими назвами) спрацьовує почасти завдяки тому, що змінює мікробіом шкіри, підвищуючи загальне розмаїття мікробів, серед яких шкідливим шт Тепер, коли вчені дізналися, що ізотретиноїн спрацьовує, змінюючи склад мікробіома, вони можуть спробувати створити інші ліки з такою ж дією, але, як вони сподіваються, більш безпечні - адже ізотретиноїн може призводити до вроджених дефектів розвитку у дітей, якщо матері приймали препарат під час вагітності. Вологі губи облюбували всілякі мікроби. Це мікробіом однієї з жінок, яка буквально поцілувала чашку Петрі з поживним субстратом. Через кілька днів колонія вже процвітала. У людей, які часто цілують один одного, виникає схожість між миркобіомами ротової порожнини. Зрілість Що, якщо ви зможете досягти більшого за час тренувань, всього лише запозичивши кишкові мікроби спортсмена? Цим питанням задалися вчені з Гарвардського університету. Протягом двох тижнів вони щодня збирали зразки калу 15 бігунів, які брали участь у Бостонському марафоні 2015 року, - почали за тиждень до забігу і закінчили тиждень потому - і порівнювали їх з фекальними зразками, зібраними також за два тижні у десяти осіб з контрольної групи, які не займаються бігом. Дослідники виявили, що через кілька днів після марафону в аналізах, узятих у бігунів, містилося значно більше бактерій Veillonella atypica, ніж в аналізах учасників контрольної групи. "Це відкриття багато пояснило, оскільки вейлонела володіє унікальним метаболізмом: улюблене джерело енергії для неї - лактат, сіль молочної кислоти, - розповідає Александар Костич з Джослиновського центру вивчення діабету і Гарвардської медичної школи. може, вейлонела розкладає лактат, що виробляється м 'язами в організмі спортсмена? ". І, якщо це дійсно так, чи не можна, вводячи її штами людям, далеким від професійного спорту, підвищувати їх витривалість? Потім вчені зайнялися лабораторними мишами: вейлонелл, виділених з кала одного з бігунів, ввели 16 мишам з нормальним мікробіомом, перевіреним на наявність патогенів. Після цього піддослідних помістили на бігову доріжку і змусили бігати до знеможення. Те ж саме зробили з 16 контрольними мишками; тільки їм вводили бактерії, які не споживають лактат. Як виявилося, миші, "заражені" вейлонеллами, бігали помітно довше, ніж контрольні звірки, а значить, вважають дослідники, мікробіом може відігравати найважливішу роль у підтримці працездатності. За словами Костича, цей експеримент - "чудовий приклад того, що дає нам симбіоз". Вейлонелла процвітає, коли людина, її носій, в результаті фізичного навантаження виробляє лактат, яким та харчується, і, в свою чергу, приносить користь людині, перетворюючи лактат на пропіонат, що впливає на працездатність "господаря", оскільки, в числі іншого, підвищує частоту скорочень серця і покращує кисневий обмін, а також, "Такі стосунки, як мені здається, лежать в основі більшості взаємодій між людиною і мікробіомом, - пояснює Костич. - Зрештою, відносини між ними носять такий ось взаємовигідний характер". Мікробіом, можливо, несе відповідальність і за менш приємні особливості людської натури, в тому числі за такі психічні стани, як тривожність і депресія. У 2016 році вчені з Ірландського національного університету в Корці опублікували результати вивчення впливу мікробіома на розвиток депресії. Дослідники розділили 28 лабораторних щурів на дві групи. Експериментальній групі пересадили трансплантати кишкової мікрофлори від трьох чоловіків, які страждають важкою депресією, а контрольній групі - від трьох здорових чоловіків. Виявилося, що кишковий мікробіом людей, які страждають депресією, повергав у депресію і щурів. У порівнянні з контрольними тваринами у них спостерігалася втрата інтересу до діяльності, що приносить задоволення (у щурів це визначають по тому, наскільки часто вони хочуть пити солодку воду), і підвищена тривожність, що виражається у них в прагненні уникати відкритих або незнайомих ділянок лабораторного лабіринту. Враховуючи велику різницю між щурами і людьми, вчені відзначають, що їх дослідження - нове свідчення того, що мікробіом кишечника здатний грати певну роль у розвитку депресії. Рано чи пізно, заявляють вони, може настати день, коли з депресією та іншими подібними розладами будуть боротися, в тому числі, і прицільно знищуючи ті чи інші бактерії в організмі людини. Старість Мікробіом одночасно і стійкий, і мінливий. Його унікальна структура багато в чому формується до чотирьох років від роду, і по-справжньому вплинути на неї можуть лише дуже істотні фактори - наприклад, зміна раціону харчування, інтенсивності фізичних навантажень або часу, що проводиться на свіжому повітрі, переїзд на нове місце проживання, застосування антибіотиків і деяких інших ліків. Однак в якомусь сенсі мікробіом перебуває в постійному русі, ледь помітно змінюючись з кожним прийомом їжі. У дорослих ці зміни настільки передбачувані, що ваш вік можна приблизно визначити, всього лише ознайомившись з набором бактерій, що живуть в кишечнику. Цей метод, відомий як "визначення віку за мікробіомним годинником старіння", вимагає допомоги штучного інтелекту, як, наприклад, в експерименті, нещодавно проведеному гонконгським стартапом Insilico Medicine. Вчені зібрали інформацію про мікробіоми 1165 осіб з Європи, Азії та Північної Америки. Третині з них було 20-30 років, іншій третині - 40-50, і останній - 60-90 років. Дані про 90 відсотків мікробіомів вчені, позначивши вік їх носіїв, піддали "комп 'ютерному осмисленню", а потім доклали закономірності, виявлені штучним інтелектом, до мікробіомів решти десяти відсотків людей, чий вік не був позначений. Їх вік вдалося встановити з похибкою всього в чотири роки. Що це означає: "відредагуй" свій мікробіом і живи спокійно? На жаль, навіть найбільші ентузіасти науки про мікробіома говорять, що поки складно робити точні висновки про взаємозв 'язки між мікробіомом і здоров' ям людини, і наполягають на тому, що до лікування за допомогою бактеріальних трансплантатів потрібно переходити з великою обережністю. Зараз багато хто захоплюється перспективами використання мікробіоти в якості ліків, розповідає Поль Вільмс з Люксембурзького університету, відзначаючи, що фармацевтичні компанії розробляють нові пробіотики, мета яких - збалансувати мікробіом. "Перш ніж ми будемо здатні робити це по-справжньому правильно і розумно, - вважає Вільмс, - нам потрібно зрозуміти в деталях, що таке здоровий мікробіом і як саме він впливає на організм людини. Думаю, нам до цього ще дуже далеко ". Мікроби всередині нас • товста кишка - 38 квінтильйонів • зубний наліт - 1 квінтильйон • шкіра - 180 мільярдів • слина - 100 мільярдів • тонка кишка - 40 мільярдів • шлунок - 9 мільйонів * приблизна кількість Побачити мікробіом Всі зображення в цій статті Мартін Еггерлі зробив за допомогою скануючого електронного мікроскопа: зразки висушили, напилили на них атоми золота і помес-тилі у вакуумну камеру. Довжина хвилі в електронного променя мікроскопа коротша за видиме світло, тому промінь "висвічує" найдрібніші об 'єкти, але поза колірним спектром. Мікробів, колір яких відомий, Еггерлі фарбував у ці кольори, в інших випадках вибирав іншу гаму, щоб можна було розрізнити мікробів і їх характерні особливості.