Текст книги "Второй мозг: Как микробы в кишечнике управляют нашим настроением, решениями и здоровьем"

На протяжении нескольких десятилетий мало кто следил за изучением взаимодействия между мозгом и ЖКТ, однако в последние годы такие исследования заняли центральное место. Это смещение акцентов во многом можно объяснить экспоненциальным увеличением объема знаний и данных о бактериях, архебактериях (археях), то есть о сообществе древних микроорганизмов, грибов и вирусов, которые обитают внутри пищеварительного тракта и в совокупности называются кишечной микробиотой. Численность этих невидимых микроорганизмов огромна: в ЖКТ обитает в 100 000 раз больше микроорганизмов, чем людей на Земле. Мы узнали об их существовании около 300 лет назад, когда голландский ученый Антони ван Левенгук усовершенствовал устройство микроскопа. Взглянув в окуляр на соскобы, взятые с зубов, он увидел живые микроорганизмы. Левенгук назвал их микроскопическими организмами (парамециями, animalcules).

С тех пор прогресс принес огромные технологические изменения, позволяющие нам точнее выявлять и описывать такие микроорганизмы, и большая часть этих достижений выпала на последнее десятилетие. Главную роль в столь бурном прогрессе сыграл проект «Микробиом человека» (The Human Microbiome Project), выполнение которого началось в октябре 2007 г. по инициативе Национального института здравоохранения США (U. S. National Institute of Health) с целью определения и описания микроорганизмов, сосуществующих с людьми. Этот проект был призван выяснить состав микробных компонентов нашего генетического и метаболического ландшафта и понять, как они способствуют поддержанию нормального состояния нашего организма и формированию предрасположенности к заболеваниям.

В последнее десятилетие микробиота ЖКТ стала объектом изучения почти во всех областях медицины, включая далекие друг от друга психиатрию и хирургию. В нашем мире невидимые сообщества микроорганизмов обитают повсюду – в растениях, животных, почве, жерлах глубоководных вулканов и верхних слоях атмосферы, поэтому ими увлеклись ученые, которые изучают микроорганизмы, живущие в океанах, почвах и лесах. Ажиотаж охватил даже Белый дом, который в 2015 г. собрал ученых со всего мира, чтобы они совместно изучили влияние микроорганизмов на климат, обеспечение продовольствием и здоровье человека. На момент написания этих строк президент США Барак Обама планировал 13 мая 2016 г. объявить о начале реализации национального проекта «Микробиомная инициатива» (Microbiome Initiative) – аналога запущенной в 2014 г. инициативы BRAIN[3]3
  BRAIN (Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies) – Изучение мозга с помощью новейших инновационных нейротехнологий. – Прим. пер.


[Закрыть], в рамках которой были выделены миллиарды долларов на исследования головного мозга человека.

Польза, которую кишечная микробиота приносит человеку, многообразна. Больше всего исследовано и подтверждено ее участие в переваривании компонентов пищи, с которыми кишечник не может справиться самостоятельно; в регулировании обмена веществ во внутренних органах, переработке и обезвреживании опасных веществ, попадающих в организм с пищей; в тренировке иммунной системы и регулировании ее деятельности; предотвращении вторжения и развития опасных биологических патогенов. С другой стороны, нарушения и изменения в кишечном микробиоме (микробиоте ЖКТ в совокупности с ее генами и геномами) оборачиваются широким спектром болезней (воспалительные заболевания кишечника, вызванная приемом антибиотиков диарея, астма). Такие сбои даже могут повлиять на возникновение расстройств аутистического типа и таких нейродегенеративных заболеваний головного мозга, как болезнь Паркинсона.

С помощью новых технологий мы обнаруживаем и описываем различные популяции микроорганизмов, живущих на коже, лице, в ноздрях, полости рта, на губах, веках и даже между зубами. Однако местом обитания самых крупных популяций микроорганизмов является желудочно-кишечный тракт, в частности толстая кишка. В почти лишенном кислорода пищеварительном тракте человека обитают более 100 трлн микроорганизмов – примерно столько же, сколько имеется всех клеток в организме человека, включая эритроциты. Это означает, что в нашем организме только 10 % клеток являются собственно человеческими. (Если включить в эту категорию красные кровяные тельца, эритроциты, доля может оказаться выше – около 50 %.) Если собрать вместе все кишечные микроорганизмы человека и представить их в виде одного органа тела, его вес составит 900–2700 г, что вполне сопоставимо с весом головного мозга (около 1200 г). Понятно, почему кишечный микробиом иногда называют «забытым органом». В его состав входят 1000 видов бактерий, имеющих более 7 млн генов – до 360 генов бактерий на каждый человеческий ген. Из этого следует, что к человеческим по своему происхождению относится менее 1 % всех человеческих и микробных генов (так называемый хологеном, hologenome).

Все эти гены дают микроорганизмам не только огромный потенциал для производства молекул, посредством которых микробиом может взаимодействовать с нами, но и предоставляют впечатляющие возможности вариаций. Кишечная микробиота каждого человека уникальна, состав штаммов и видов составляющих микроорганизмов широко варьирует. То, какие микроорганизмы обитают в каждом конкретном пищеварительном тракте, зависит от многих факторов, в том числе от ваших генов, от микробиоты матери, которую человек в какой-то степени заимствует при рождении, от микроорганизмов, имеющихся у других членов семьи, входящих в контакт с ребенком, от диеты, от работы головного мозга и состояния сознания конкретного человека.

Чтобы в полной мере осознать важнейшую роль, которую микроорганизмы играют в наших телах, следует помнить, откуда они пришли и как связаны с нами, людьми. Об истории этой эволюции в своей книге «Пропавшие микроорганизмы» (Missing Microbes) прекрасно рассказывает Мартин Блейзер.

На протяжении примерно трех миллиардов лет единственными живыми обитателями на Земле были бактерии. Они заполняли собой каждый клочок земли, каплю воздуха и воды и способствовали осуществлению химических реакций, результаты которых создавали условия для эволюции многоклеточной жизни. Медленно, путем проб и ошибок в течение необъятного по продолжительности времени они изобрели сложные и надежные системы обратной связи, в том числе и наиболее эффективный язык, который до сих пор опосредует всю жизнь на Земле.

Все, что мы уже знаем о микробиоте кишечника, ставит под сомнение ряд традиционных научных воззрений. Это одна из причин того интереса и споров, которые эта тема породила в академической среде и в средствах массовой информации. Эти сомнения и дискуссии в свою очередь стали причиной того, почему некоторые люди задают в настоящее время более серьезные, философские вопросы о влиянии микробиома на жизнь человека. Не является ли наш организм всего лишь транспортным средством для живущих в нем микроорганизмов? Не манипулируют ли они нашим мозгом, заставляя нас искать и потреблять продукты, которые лучше всего подходят для них? Может ли тот факт, что численность нечеловеческих клеток превосходит число живущих на Земле людей, изменить нашу концепцию человеческой личности?

На кого-то подобные философские рассуждения, безусловно, производят впечатление, но современная наука их не поддерживает. Что, однако, не делает менее серьезными последствия открытий, которые сделали ученые, занимающиеся человеческим микробиомом, за последнее десятилетие. Хотя мы находимся в самом начале пути, открывающегося в результате этих исследований, мы больше не можем считать себя единственным интеллектуальным продуктом эволюции, отличающимся от всех других живых существ на планете. Подобно тому как революция Коперника в XVI в. коренным образом изменила понимание нашего положения в солнечной системе, а революционная теория эволюции Дарвина в XIX в. навсегда изменила место людей в животном царстве, наука о микробиоме человека заставляет нас переосмыслить нашу позицию на планете. Согласно новой науке о микробиоме, мы, люди, фактически являемся суперорганизмами, состоящими из неотделимо связанных между собой человеческих и микробных компонентов, чье выживание напрямую зависит один от другого. Может быть, больше всего в этом открытии нас беспокоит тот факт, что микробные составляющие вносят гораздо более весомый вклад в функционирование этого суперорганизма, чем собственно человеческие. Поскольку наша микробная составляющая через общую биологическую систему тесно связана с различными микробиомами почвы, воздуха, океанов, а микроорганизмы живут в симбиозе почти со всеми другими живыми существами, мы оказываемся прочно и неразрывно вплетены в общую паутину жизни на Земле. Новая концепция микробного суперорганизма уже серьезно повлияла на понимание нашей роли на земле и многих аспектов здоровья и болезни.

Здоровье любой экосистемы можно выразить через уровень ее устойчивости и гибкости (способности к самовосстановлению) при воздействии поражающих факторов и возникновении отклонений. Основными факторами, от которых зависит сохранение здоровья экосистемы, являются разнообразие и обилие составляющих ее организмов. То же самое верно в отношении экосистемы кишечной микробиоты. Появляется все больше доказательств того, что развиваются расстройства сообщества кишечных микроорганизмов, которые выводят эту экосистему из здорового стабильного состояния, в результате чего возникают расстройства кишечника (состояние, называемое дисбиозом[4]4
  Дисбиоз – более широкое понятие, чем дисбактериоз; включает не только бактерии, но, например, и грибы. – Прим. пер.


[Закрыть]). Так, сообщалось, что одно из самых серьезных и наиболее выраженных состояний дисбиоза наблюдалось у небольшого числа пациентов, которых в больницах лечили антибиотиками. После этого лечения у них начались сильная диарея и воспалительные поражения кишечника. Такие заболевания, как псевдомембранозные колиты, развиваются, когда лечение антибиотиком широкого спектра действия приводит к значительному снижению разнообразия и количества нормальной кишечной микробиоты, что облегчает вторжение в организм патогенной Clostridium difficile – разновидности анаэробных грамположительных бактерий рода C. difficile. Еще одним подтверждением важности разнообразия микроорганизмов для здоровья кишечника является наблюдение, согласно которому воспаление толстой кишки можно быстро вылечить, если восстановить нарушившуюся структуру микробиоты кишечника. Единственным доступным сейчас способом восстановить разнообразие микробиоты у таких пациентов является перенос неповрежденной фекальной микробиоты от здорового донора в кишечник пациента. Это лечение, известное под названием «трансплантация фекальной микробиоты», приводит к почти чудесному восстановлению собственного состава микробиоты. Подробнее об этом новом типе лечения мы расскажем несколько позже.

В то же время гораздо меньше стали понятны степень влияния и истинная роль состояния дисбиоза в возникновении патофизиологии других хронических заболеваний пищеварительного тракта (неспецифический язвенный колит, болезнь Крона, синдром раздраженного кишечника), относящихся к расстройствам связи между головным мозгом и ЖКТ. Здесь еще много неясного. В мире от выраженного СРК, нарушений функций кишечника, болей и дискомфорта в животе страдает около 15 % населения. Ряд исследований показывает, что у части пациентов наблюдаются изменения в сообществах микроорганизмов в ЖКТ, но пока не ясно, какие из доступных методов восстановления баланса кишечной микробиоты (прием антибиотиков, пробиотиков, специальная диета или трансплантация фекальной микробиоты) лучше всего подходят конкретным пациентам.

Еще несколько лет назад все рассказанное выше было бы воспринято как научная фантастика. Однако новые открытия ученых подтверждают, что наш мозг, ЖКТ и населяющие его микроорганизмы общаются друг с другом на общем биологическом языке. Но как эти невидимые существа могут что-то нам говорить? Как мы можем их услышать, как вообще возможно такое общение?

Микроорганизмы обитают не только в содержимом нашего кишечника, многие их них располагаются в тончайших слоях слизи и клеток, которые выстилают внутреннюю оболочку ЖКТ. В этой уникальной среде обитания микроорганизмы почти неотделимы от иммунных клеток пищеварительной системы и многочисленных клеточных датчиков, которые декодируют ощущения, возникающие в ЖКТ. Другими словами, эти микроорганизмы живут в тесном контакте с основными системами сбора информации в организме. Такое расположение позволяет им вслушиваться в сигналы головного мозга, которые он посылает пищеварительному тракту: например, о том, насколько глубоко вы переживаете стресс или, наоборот, чувство счастья, испытываете ли вы беспокойство или гнев, причем даже тогда, когда вы сами не в полной мере осознаете свое эмоциональное состояние. Но микроорганизмы не ограничиваются прослушиванием этой информации. Это кажется невероятным, но они занимают позицию, позволяющую влиять на наши эмоции, генерируя и модулируя сигналы из ЖКТ и посылая их обратно в головной мозг. То, что начинается в мозге как эмоции, влияет на ЖКТ и генерируемые его микробиотой сигналы, и эти видоизмененные сигналы вновь направляются в мозг, усиливая, а иногда продлевая какое-то эмоциональное состояние.

Когда около десяти лет назад в научной литературе появились первые публикации на эту тему – в основном связанные с исследованиями на животных, – я был настроен скептически и по поводу их результатов, и по поводу их перспектив. Эти результаты тогда казались мне слишком далекими – они выходили за пределы общепринятой в то время точки зрения. Однако после того как наша исследовательская группа в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе под руководством Кирстен Тиллич завершила собственное исследование здоровых людей, мы смогли подтвердить результаты исследований на животных. После этого я решил глубже изучить вопрос о том, может ли взаимодействие между микробиотой ЖКТ и мозгом влиять на фоновые эмоции, социальные отношения и даже на нашу способность принимать решения. Неужели именно правильный баланс микроорганизмов является условием психического здоровья? Не вызывает ли нарушение связей между мозгом и ЖКТ риск развития хронических заболеваний головного мозга? Эти вопросы волнуют не только исследователей, но и далеких от науки людей, ведь заболевания головного мозга – это человеческие страдания и высокие расходы на здравоохранение, вот почему важно глубже разобраться в связях между ЖКТ и мозгом.

Статистика показывает, что в настоящее время быстро растет число расстройств аутистического спектра (РАС) – с 4,5 случая на 10 000 детей в 1966 г. до 1 на 68 детей в возрасте 8 лет в 2010 г. По данным National Health Interview Survey за 2014 г., диагноз расстройств аутистического спектра в тот или иной период жизни ставят почти 2,2 % детей в США, из этого можно предположить, что частота заболевания уже достигла показателя 1 на 58 детей. В какой-то мере такой рост можно объяснить большей осведомленностью людей о РАС и новыми диагностическими критериями, но имеющиеся данные свидетельствуют также о том, что частота появления расстройств аутистического спектра только за последнее десятилетие возросла по меньшей мере вдвое.

Одновременно с увеличением случаев РАС участились и случаи других заболеваний, связанных с изменением кишечной микробиоты, в частности аутоиммунные и метаболические расстройства. Такой синхронизм заставляет предположить, что в основе всех этих заболеваний лежит общий механизм, связанный с происходящим на протяжении последних 50 лет изменением микробиоты ЖКТ. Возможные причины этого изменения объясняли переменами в образе жизни, диетой и широким применением антибиотиков. Вероятность того, что такие связи действительно существуют, подтвердили недавние исследования на животных. Кроме того, недавно были начаты исследования связей между изменениями микробиоты ЖКТ и отклонениями в поведении.

Одновременно растет число нейродегенеративных расстройств. В промышленно развитых странах от болезни Паркинсона страдает один из ста человек старше 60 лет. В США ей болеют по крайней мере полмиллиона человек, причем каждый год диагностируется еще около 50 000 новых случаев заболевания. По оценкам, к 2030 г. число случаев заболевания болезнью Паркинсона удвоится, однако истинный показатель ее распространения трудно оценить, поскольку болезнь обычно не диагностируется по классическим неврологическим симптомам до тех пор, пока она не заходит слишком далеко. Недавние исследования показали, что в энтеральной нервной системе нервы претерпевают типичную для болезни Паркинсона дегенерацию задолго до появления классических симптомов этого заболевания, а сама болезнь сопровождается изменениями состава микробиоты ЖКТ.

Следует также учесть, что в 2013 г. 5 млн американцев жили с болезнью Альцгеймера, а к 2050 г. их число, по прогнозам, вырастет почти в три раза – до 14 млн человек. Симптомы болезни Альцгеймера впервые появляются после 60 лет, а это типичный возраст возникновения болезни Паркинсона, причем с возрастом риск заболевания возрастает. После 65 лет заболеваемость болезнью Альцгеймера удваивается с увеличением возраста на каждые 5 лет. Экономические издержки, связанные с этим заболеванием, уже сейчас очень велики, а если нынешние тенденции сохранятся, ожидается, что к 2050 г. достигнут $1,1 трлн в год. Могут ли изменения в функционировании микробиоты ЖКТ, происходящие на протяжении всей жизни человека, каким-то образом вызывать возникновение двух этих нейродегенеративных расстройств, наступающих примерно в одном и том же возрасте?

Состояние кишечной микробиоты также связывают с депрессией, которая является второй по важности причиной инвалидности в США. Чаще всего для лечения депрессии назначаются так называемые селективные ингибиторы обратного захвата серотонина – прозак (Prozaс), паксил (Paxil) и селекса (Celexa). Эти препараты повышают активность сигнальной системы серотонина, которая, как долго считали психиатры, обнаруживается исключительно в головном мозге. Однако теперь мы знаем, что на самом деле 95 % серотонина в организме содержатся в специализированных клетках ЖКТ, и на эти содержащие серотонин клетки оказывают влияние еда, которую мы поглощаем, химические вещества, выделяемые некоторыми видами кишечных микроорганизмов, а также сигналы, которые посылает им головной мозг, сообщая о нашем эмоциональном состоянии. Самое замечательное, что эти клетки тесно связаны с центростремительными (афферентными) нервами, по которым сигналы передаются обратно, в центры мозга, регулирующие эмоции, что делает их важными узлами оси головной мозг – ЖКТ. Благодаря своему стратегическому положению кишечные микроорганизмы и их метаболиты, вероятно, играют важную, хотя в целом пока недоказанную роль в развитии депрессии, а также ее тяжести и продолжительности. Ситуация интригующая: если это подтвердят контролируемые клинические исследования, могут открыться возможности для разработки более эффективных методов лечения, в том числе конкретных диетических рекомендаций.

В этой книге мы познакомимся с новыми данными, которые позволяют связать друг с другом некоторые разрушительные заболевания головного мозга и распространенные сбои взаимодействия по оси головной мозг – ЖКТ с нарушениями коммуникации кишечной микробиоты с головным мозгом и с тем, как на нее могут влиять наш образ жизни и диета.

«Скажи мне, что ты ешь, и я скажу тебе, кто ты», – писал Жан Антельм Брилья-Саварен, французский юрист, врач и автор книги по физиологии вкуса, оказавшей в XIX в. большое влияние на читателей. Этот знаток высокой кухни, в честь которого названы сыр и торт «Саварен», первым высказал несколько серьезных предположений о взаимосвязи между диетой, ожирением и расстройствами пищеварения. Однако в 1826 г., когда он об этом писал, Саварен еще не мог знать, что в качестве посредников процесса влияния пищи на наше психическое самочувствие и важные функции головного мозга выступают микроорганизмы ЖКТ. Фактически кишечная микробиота, находящаяся на границе раздела между пищеварительной и нервной системами, занимает стратегическую позицию, позволяющую ей связывать наше физическое и психическое самочувствие с тем, что мы едим и пьем, а это в свою очередь связывает наши чувства и эмоции с переработкой пищи.

Каждую миллисекунду желудочно-кишечный тракт собирает информацию о еде и среде. Он занят этим 24 часа в сутки и семь дней в неделю, даже когда вы спите. Большая часть процесса сбора этой информации происходит в желудке и начале тонкой кишки, где обитает лишь небольшое количество микроорганизмов и где их участие в диалоге между ЖКТ и головным мозгом, вероятно, является незначительным. Однако затем триллионы микроорганизмов, живущих в толстой кишке, перерабатывают оставшиеся компоненты пищи, в результате чего появляется огромное количество молекул, которые добавляют этому процессу новое измерение. Как известно из экспериментов на животных, отсутствие микроорганизмов в ЖКТ совместимо с жизнью, включая поддержание процессов пищеварения и усвоения питательных веществ, но только до тех пор, пока вы находитесь в среде, свободной от патогенных микроорганизмов. Как мы теперь уже знаем, серьезно нарушается развитие мозга лишенных микроорганизмов мышей, крыс и даже лошадей и, в частности, областей мозга, участвующих в регулировании эмоций. За существование в стерильной среде приходится расплачиваться отклонениями в развитии головного мозга.

От пищи, которую мы едим, зависит благополучие кишечной микробиоты: составляющие ее микроорганизмы в той или иной степени формируют свои пищевые предпочтения на протяжении нескольких первых лет нашей жизни. Тем не менее независимо от первоначального программирования эти микроорганизмы могут переварить практически все, чем вы их кормите, независимо от того, всеядны вы или, допустим, являетесь вегетарианцем, употребляющим рыбу и морепродукты. Чем бы вы ни кормили микроорганизмы ЖКТ, они используют огромное количество информации, хранящейся в миллионах своих генов, чтобы преобразовать частично переваренную пищу в сотни тысяч метаболитов. И хотя мы только начинаем понимать, как метаболиты влияют на организм, уже доказано, что некоторые из них серьезно воздействуют на желудочно-кишечный тракт, включая его нервы и иммунные клетки. Другие метаболиты попадают в кровь и участвуют в передаче сигналов на бо́льшие расстояния, влияя на все органы тела, включая головной мозг. Особенно важная роль этих молекул, производимых микроорганизмами, состоит в их способности вызывать состояние слабого воспаления в органах, которые служат для них мишенями. Затем эти воспалительные процессы могут проявиться в виде ожирения, болезней сердца, хронических болей и дегенеративных заболеваний головного мозга. Роль воспалительных молекул и их влияние на определенные участки мозга, вполне вероятно, помогут нам лучше понять природу многих заболеваний головного мозга.