Текст книги "Человеческий суперорганизм. Как микробиом изменил наши представления о здоровом образе жизни"

Недавно ученые выявили еще одну важную функцию микробиома: он служит своего рода защитным облачением, смягчающим наши контакты с окружающей средой – чем-то вроде костюма Бэтмена или Человека-паука. Такая «одежда» помогает нам оставаться самими собой.

Микробиом проверяет и сортирует все воздействующие на нас факторы внешнего мира (пищевые продукты, лекарства, химические вещества, чужеродные микробы) и, подобно привратнику, решает, какие из них имеют право достичь наших человеческих клеток, тканей и органов. Микробиом можно представить и в виде универсального преобразователя окружающего мира, который без него показался бы нам полным угроз и опасностей. Профессор Эллен Силбергельд из Школы здравоохранения Джонса Хопкинса и я опубликовали совместную работу, посвященную этим «охранным» функциям микробиома. Питер Тэрнбо с сотрудниками и некоторые другие ученые описали важность микробиома для наших взаимодействий с так называемыми ксенобиотиками – чуждыми нашему организму химическими веществами внешнего мира. Микробиом связывает внешний мир с нашей внутренней средой, причем общение между этими двумя мирами интерактивное – оно осуществляется в обоих направлениях. Если микробиом отсутствует, неполон или поврежден, наша жизнедеятельность и динамические связи с внешним миром нарушаются. При этом само наше существование превращается в непрерывную войну с окружающей средой – войну, где в качестве единственного судьи выступает наша недоразвитая, нетренированная иммунная система. Микробиом отлично знает и наш внутренний мир, и то, что существует за его пределами. Выходя из строя, он превращается в систему, не способную распознать, что есть мы, а что – не мы. Последствия такой поломки, нередко принимающие чудовищный характер, мы можем видеть повсюду.

Микробиом должен подходить человеку как перчатка. Он может и должен идеально соответствовать «человеческой составляющей» нашего суперорганизма – только тогда будет обеспечена слаженная работа этих двух компонентов. Работая над первой главой книги, я случайно наткнулся в спортивной прессе на неплохую аналогию.

В соревновательных видах спорта костюмы нередко помогают атлетам добиваться выдающихся достижений. Это особенно касается тех видов спорта, где от атлетов требуются скорость, ловкость и/или выносливость. Костюм, плотно прилегающий к коже, дает спортсмену аэродинамическое преимущество, не ограничивает свободу движений и позволяет ему проявить максимум физической работоспособности. Такой костюм обеспечивает спортсмену конкурентный перевес. В мир спортивной одежды стремительно внедряются технологии космического века. В 2008 г. на летних Олимпийских играх в Пекине фурор произвели облегающие костюмы Speedo, в которых выступали американские пловцы, а в 2010 г. на зимней Олимпиаде в Ванкувере сенсацией стали горнолыжные костюмы компании Spyder, в которых выступали золотая медалистка Линдси Вонн и другие американские горнолыжники.

Но какие бы высокие технологии ни использовались при создании спортивной одежды, если она не соответствует личным, индивидуальным потребностям спортсмена, чудес от нее ждать не следует. Вспомним хотя бы прославленную команду американских конькобежцев, использовавших специально сконструированные, высокотехнологичные спортивные костюмы особого дизайна, для создания которых, однако, требовалось, чтобы мерки снимались со спортсменов задолго до соревнований. Новые костюмы, названные Mach 39, прибыли прямо перед открытием зимних Олимпийских игр в Сочи в 2014 г. и вызвали множество нареканий со стороны спортсменов. Выступать в них они не смогли. Напротив, голландские конькобежцы привезли с собой испытанные временем и соревнованиями старые костюмы, а заодно прихватили с собой и портного, подгонявшего их прямо перед забегами. В конце концов слабые результаты заставили американских конькобежцев в самый разгар выступлений сменить новые костюмы на старые, а тем временем голландцы изумили мир количеством медалей, завоеванных на сочинской олимпиаде в этом виде спорта. Если уж спортивная одежда должна тщательно подгоняться по фигуре каждого атлета, чтобы позволить ему проявить максимум своих способностей, а не кроиться по общему лекалу или наспех вытаскиваться из шкафа накануне соревнований, то что же говорить о микробиоме, который должен в точности соответствовать уникальному человеческому геному каждого индивида? Нашему телу он должен казаться старым надежным другом. В биологическом смысле это означает, что они должны сотрудничать друг с другом подобно тому, как сотрудничают обитатели кораллового рифа, чтобы обеспечивать собственное выживание. Появляясь на свет в результате естественных родов, мы наследуем не только содержавшуюся в оплодотворенном яйце смесь хромосом своих родителей, но и мириады микробов, которые сосуществовали с человеческими генами нашей матери и которые она передала нам во время нашего появления на свет. Научные исследования показывают, что наш микробиом как нельзя лучше дополняет наши человеческие гены.

Один из способов сравнительного изучения эффектов генетических и средовых факторов у человека – исследование идентичных (однояйцевых) близнецов, то есть близнецов, которые развились из одной оплодотворенной яйцеклетки и имеют одинаковые наборы генов. Неидентичные близнецы возникают из двух разных яйцеклеток, оплодотворенных двумя разными сперматозоидами, но в материнской утробе они развиваются бок о бок. Кроме того, такие близнецы могут крепиться пуповиной к общей плаценте или каждый из них иметь свою собственную плаценту. Поскольку «человеческие» гены у идентичных близнецов одинаковы, для ученых они – благодатное поле для исследований.

До сих пор речь шла о близнецах-двойняшках, но еще бульшую ценность для ученых представляют тройняшки. В г. Корке (Ирландия) было проведено исследование кишечного микробиома трех «комплектов» тройняшек с момента их рождения до конца первого года жизни. В каждой тройне два малыша были идентичными близнецами (то есть возникли из одной и той же яйцеклетки и обладали одинаковыми хромосомами), а третий ребенок развился из другой яйцеклетки, оплодотворенной другим сперматозоидом, и, соответственно, отличался от первых двух малышей частью своих генов. Все новорожденные появились на свет в результате кесарева сечения и, таким образом, не получили материнских вагинальных микробов, которые обычно получают новорожденные, появляющиеся на свет естественным образом. Кормили малышей грудным молоком и искусственными молочными смесями.

Особый интерес у ученых вызывала тройня здоровых малышей, не получавших антибиотики. Когда малышам исполнился месяц, было установлено, что микробиомы двух идентичных близнецов тройни обнаруживают поразительное сходство, в то время как фекальный профиль кишечных микробов третьего малыша, порожденного другими яйцеклеткой и сперматозоидом, но выношенного той же матерью, сильно от них отличается. К концу первого года жизни, однако, различия в характеристиках микробиомов трех здоровых малышей тройни почти исчезли. Этот факт заставляет предполагать, что наши человеческие гены, возможно, оказывают определенное влияние на микробов, подходящих для комплектации нашего микробиома. Заключается своего рода брачный союз между двумя наборами генов – человеческих и микробных, – который продлится по меньшей мере первые несколько дней жизни малыша.

Две тройни близнецов, в которых некоторые малыши получали антибиотики, показали иные результаты. Разрушение младенческого микробиома антибиотиками оказывало на смесь кишечных микробов гораздо более сильное воздействие, чем человеческая генетика (то есть различия в унаследованных от родителей наборах генов). После лечения малышей антибиотиками эти различия переставали иметь сколь-либо существенное значение.

Чтобы понять, каким образом наши человеческий и микробный компоненты гармонически сочетаются друг с другом в единый и целостный суперорганизм, нелишне спросить, а кто, собственно, управляет всем этим «автобусом»? Этот вопрос о механизмах управления нашим сложно устроенным телом открыл – по крайней мере для меня – совершенно новую грань современной биологии. В своей недавно опубликованной статье Джон Крайэн и его сотрудники из Коркского университета не исключают возможности, что микробиом выступает по отношению к нам почти так же, как сказочный кукольный мастер Джеппетто – по отношении к Пиноккио. Они описывают, какое сильное воздействие микробы могут оказывать на функции нашего мозга и поведение. Вопрос «кто здесь главный – наш микробиом или наша человеческая сущность?» – по сути дела, остается открытым. Но работа Крайэна и сотрудников убедительно показывает, что, во-первых, наши кишечные микробы способны вызывать не менее сильные «умопомрачающие» эффекты, чем некоторые психотропные вещества, и, во-вторых, что эта их способность может пригодиться в будущем в терапевтических целях.

Психологические эффекты, вызываемые микробами, с которыми мы вынуждены вести совместное существование, порождают массу тревожных вопросов экзистенциального характера. Возможно, самый злободневный из них звучит так: сколько самоубийств вызвали микробы?

Когда мы будем рассматривать другие представления новой биологии и их применимость к нашему здоровью, станет очевидной одна важная вещь. Микробиом – ключевой фактор, определяющий возможность здоровой жизни. Независимо от того, считаем ли мы микробов «водителями автобуса» нашего суперорганизма или же обычными «пассажирами», просто занимающими в нем большинство мест, эти существа так или иначе постоянно сопровождают нас в нашем жизненном путешествии. Совсем скоро вы тоже научитесь немного управлять своим персональным микробиомом. Но какую пользу можно из этого извлечь?

4. Неполноценное поколение

Врожденные пороки, или пороки развития, – не самая веселая тема для обсуждения. Достаточно вспомнить малышей с отсутствующими или деформированными конечностями или темными пятнами на коже! Говоря о врожденных дефектах, мы в первую очередь и представляем себе изуродованные формы и искаженные цвета. Именно они особенно пугают родителей. Но, по мере того как ребенок подрастает, нередко возникают и худшие последствия. Среди них – пожизненная инвалидность или преждевременная смерть. К тому же многие врожденные пороки лечению сегодня не поддаются.

Часть врожденных пороков имеет генетическую природу; к их числу, например, относится муковисцидоз – наследственная болезнь, связанная с поражением желез наружной секреции и сопровождающаяся серьезными нарушениями дыхания, и синдром Дауна – генетическая аномалия, обусловленная присутствием в клетках лишней (третьей) копии 21-й хромосомы. Пороки развития, однако, могут возникать и в результате воздействия внешних факторов, нередко называемых тератогенами. В качестве примера можно привести талидомид – лекарство, назначавшееся в 1950–1960-х гг. беременным женщинам от тошноты и как седативное средство. Оказалось, что этот препарат вызывает у младенцев множество аномалий развития, включая деформацию конечностей и пороки сердца. История талидомида – один из наиболее трагических примеров того, как предположительно безопасная медицинская процедура (в данном случае – прием лекарства во время беременности) может привести к развитию тяжелых врожденных дефектов. Другой пример тератогенного действия – алкогольный синдром плода, когда злоупотребление беременными женщинами алкоголем приводит к развитию у их потомков серьезных неврологических и сенсорных расстройств.

А теперь уместно и полезно взглянуть на болезни человеческого суперорганизма, возникающие в раннем детстве и связанные с микробиомом, как на новый тип врожденных пороков. На свет то и дело появляются младенцы, лишенные той или иной существенной части тела. Не менее важной частью организма является и микробиом. Будем называть его неполноценность тем, чем она и является на самом деле, – врожденным пороком, или дефектом развития. Не исключено, что подобный диагноз, дополненный определенным диагностическим кодом, будет способствовать учреждению новых исследовательских фондов и заставит клиницистов более серьезно относиться к таким расстройствам.

Поиском средств для профилактики и лечения таких болезней, как астма, аутизм, диабет и ожирение, активно занимается целая армия специалистов, связанных со здравоохранением, – ученых, врачей и исследователей, работающих в медицинской и фармацевтической индустрии. Все перечисленные диагнозы утверждены официальной медициной. Не менее серьезным заболеванием, однако, является и недостаточность микробиома. Когда определенные дыхательные расстройства были официально признаны астмой, для защиты беременных женщин и младенцев тут же были выделены необходимые средства.

Я уверен, кое-кому официальное признание нового типа врожденного порока доставит большие неудобства (например, связанные с финансовыми затратами). Тем не менее это поможет людям вести более здоровый образ жизни, что и является главной целью всех моих усилий. Медицинское признание микробиомных дефектов заставит врачей более внимательно относиться к этим нарушениям. А это, в свою очередь, ускорит официальное использование пробиотиков и других стратегий корректировки микробиома врачебным сообществом.

Сделать это нетрудно. Ниже приведены определения врожденных пороков, сформулированные некоторыми уважаемыми организациями и учреждениями:

1. Согласно определению Центров по контролю и профилактике заболеваний США, основные врожденные пороки включают «структурные изменения одной или нескольких частей тела… присутствующие при рождении… [которые] оказывают серьезное неблагоприятное влияние на здоровье, развитие и функциональные способности младенца».

2. Тератологическое общество США – самое старое в мире общество, занимающееся изучением врожденных дефектов, – дает более широкое определение, включающее структурные, функциональные и физиологические изменения у младенцев.

3. Национальный институт детского здоровья и развития человека Юнис Кеннеди Шрайвер (США) разделяет все врожденные пороки на структурные, функциональные и пороки, связанные с процессом развития. В последнюю категорию включены болезни нервной системы, сенсорные, метаболические и дегенеративные расстройства.

4. Благотворительная организация March of Dimes («Марш десятицентовиков»), занимающаяся финансовой поддержкой медицинских исследований, нуждающихся семей и женщин, определяет врожденные пороки как «присутствующие при рождении аномалии формы или функций одной или нескольких частей тела… [которые] вызывают ухудшение общего состояния здоровья и развития или функционирования организма».

5. И наконец, рассчитанный на обывателей справочник издательства Merriam-Webster рассматривает врожденный порок как «присутствующий при рождении физический или биохимический дефект, который может иметь наследственную природу или возникать под влиянием внешних факторов».

Понятно, что организации и учреждения, сформулировавшие эти определения врожденного порока, сильно расходятся также и в том, какие нарушения следует относить к этой категории заболеваний, а какие – нет. Поскольку у недоношенных детей расстройства аутистического спектра (РАС) встречаются чаще, чем у доношенных младенцев, организация March of Dimes включает их в свой список врожденных пороков, а Центры по контролю и профилактике заболеваний – нет.

Все эти перечни врожденных пороков постоянно меняются: с течением времени и по мере совершенствования исследовательских и диагностических технологий ученые и медики обнаруживают все новые пороки развития. Один из таких недавно выявленных врожденных пороков получил название синдрома капиллярной и артериовенозной мальформации. Мутация одного-единственного гена вызывает серьезную аномалию развития сосудистой системы, приводящую к смертельно опасным осложнениям.

По мере того как ученые делают все новые открытия, изменяются и наши представления о причинах врожденных пороков. На ежегодном заседании Тератологического общества ученые сообщают новые данные о человеческих тератогенах (пищевых продуктах, химических веществах и лекарственных препаратах, способных вызывать аномалии развитии), включая и сведения об идентификации неизвестных тератогенов.

Врожденные пороки, связанные с микробиомом, могут возникать в результате передачи ребенку микробиома, содержащего микробные гены, ответственные за развитие ожирения, диабета, болезней сердца, неврологических расстройств или одного из многочисленных аллергических либо аутоиммунных заболеваний. По сути дела, нет никакой разницы в том, передаются ли младенцу дефектные гены вместе с микробными генами или генами человеческих хромосом. Дефекты микробиома могут возникать под влиянием диеты, лекарств, чрезмерной санитарии, стресса или вследствие воздействия веществ, «неумышленно» убивающих микробов и повреждающих микробиом (о потенциальной токсичности многих веществ для наших микробов мы просто пока ничего не знаем).

Тот факт, что окружающие условия – как в пренатальной жизни младенца, так и после его рождения – могут оказывать сильное влияние на его организм и повышать риск врожденных пороков, вызывает целый ряд интересных вопросов. Должен ли врач пытаться сбалансировать микробиом беременной женщины, если у нее выявлен метаболический синдром и она вот-вот должна передать этот несовершенный микробиом своему ребенку? Как относиться к медицинскому вмешательству, истощающему микробиом, который беременной женщине предстоит передать малышу? А именно такое вмешательство и имеет место, когда во время беременности женщины принимают антибиотики. Как относиться к кесареву сечению, если появляющийся при этом на свет ребенок не получает важную часть материнского микробиома? Если в результате медицинского вмешательства (или его отсутствия) у рождающегося ребенка возникает микробиомная недостаточность, то в принципе такое вмешательство (невмешательство) может стать причиной врожденного порока.

Гипотеза биологической полноценности как биологической конструкции, обеспечивающей здоровье и физическое благополучие человека, автоматически предполагает и существование биологической неполноценности. Эта неполноценность – при рождении или в детском возрасте – может отразиться на здоровье человека в позднем возрасте. В своей статье, опубликованной в 2014 г. в одном из научных журналов, посвященных порокам развития, я высказал мысль, что биологическая неполноценность суперорганизма (то есть его «недосформированность») равнозначна врожденному пороку. Поскольку эта работа была признана Тератологическим обществом лучшей статьей года, в 2015 г. я получил возможность познакомить со своей концепцией широкий круг специалистов по врожденным дефектам накануне ежегодного заседания общества.

Хотя неполноценность человеко-микробиомного суперорганизма сильно отличается от «традиционных» врожденных пороков (хотя бы тем, что ее нельзя увидеть невооруженным глазом), этот дефект затрагивает все системы нашего тела. Если растущий организм не будет получать сигналов к созреванию от здорового микробиома, наше тело лишится необходимых ему питательных веществ, физиологические системы не смогут формироваться должным образом и функции иммунной системы будут нарушены. Именно так новая биология видит события, происходящие в человеческом теле. Именно так она видит события, происходящие в организме ребенка с неполным («недоукомплектованным») микробиомом.

Деррик МакФейб, доктор медицины и исследователь-невролог из Университета Западного Онтарио, занимающийся изучением микробиома и расстройств аутистического спектра, убедительно продемонстрировал способность микробов влиять на процессы социализации и функциональные возможности животных. МакФейб показал, что он может заставить мышей и крыс превратиться в совершенно антисоциальных существ и полностью игнорировать своих братьев и сестер по помету, просто-напросто изменяя концентрацию одного из метаболитов кишечных микробов – представителя класса короткоцепочечных (летучих) жирных кислот, пропионовой кислоты.

Образование специфических метаболитов – пропионовой кислоты, бутирата, витаминов В₃ (ниацина), В₅, В₆ (активной формы), В₁₂ и К, серотонина, дофамина и несметного числа других побочный продуктов микробного метаболизма – представляет собой лишь один из способов, с помощью которых микробиом способен влиять практически на все физиологические системы и ткани организма, включая и головной мозг. Если микробиом неполон, истощен или не сбалансирован, образуемые им метаболиты могут вызывать различные физиологические нарушения. Так происходит, например, когда иммунная система развивается при отсутствии критических метаболитов бактерии Bacteroides fragilis. Ущербность микробиома в ранней жизни приводит к формированию дефектной иммунной системы, что повышает риск аутоиммунных заболеваний.

Микробиом, неинфекционные заболевания (НИЗ) и пороки развития образуют своего рода треугольник, соединяющий микробиом с НИЗ, НИЗ с пороками развития, а пороки развития с микробиомом. До сих пор ученые уделяли основное внимание лишь каким-нибудь парам вершин этого треугольника – например связям между микробиомом и НИЗ или НИЗ и пороками развития. Но в реальной жизни важно рассматривать весь этот треугольник в целом.

Брайан Лав, профессор Фармакологического колледжа Южной Каролины и отец двух детей, заинтересовался связью между приемом антибиотиков и пищевыми аллергиями. Руководимая им группа ученых разного профиля решила проверить гипотезу, что повреждение микробиома от употребления антибиотиков может вызывать иммунные расстройства и пищевые аллергии. В процессе работы ученые неожиданно выяснили, что в любой, даже самой маленькой университетской группе студентов, обязательно найдутся молодые люди с пищевыми аллергиями. Это «открытие» навело их на мысль выяснить точную связь между приемом антибиотиков и риском детских пищевых аллергий и отыскать средства профилактики эпидемии пищевой аллергии.

Во введении мы уже описали несколько примеров социальных последствий пищевой аллергии, взятых из реальной жизни. Но пищевые аллергии – это всего лишь одно из многочисленных проявлений связи между дисфункцией микробиома и НИЗ. А что произойдет, если соединить все три составные части триады – дисфункцию микробиома, возникающие в результате НИЗ и пороки развития? Скорее всего, результат приведет к значительным социальным сдвигам.

Дефекты микробиома могут порождать всевозможные НИЗ. А НИЗ в свою очередь нередко приводят к серьезным ограничениям функций и ухудшают качество жизни пациентов. Эти ограничения могут быть очевидными (как, например, в случае некоторых аутоиммунных и неврологических состояний), но часто остаются незаметными. Кроме того, последствия могут в полной мере проявиться лишь после того, как ребенок подрастет и его нервная, иммунная, пищеварительная, дыхательная, эндокринная и репродуктивная системы окончательно созреют и попытаются работать «по-взрослому». К этому времени поражения и функциональные расстройства обычно становятся уже явными и проявляются в виде НИЗ. Тем не менее и в это время нелишне провести оценку микробиома с помощью так называемых биомаркеров. Эта оценка может включать либо исследование самих микробов, либо анализ их специфических микробных функций (таких, например, как выработка определенных витаминов и других веществ).

Биологи самого разного профиля нередко называют микробиом «недавно признанным органом». В литературе порой встречается и его другое образное название – «отсутствующий орган», хотя на самом деле микробиом всегда с нами. Мы просто не видим его и не чувствуем его присутствия. А между тем его функционирование во многом напоминает работу других органов. Биологи, изучающие гормоны, рассматривают микробиом в качестве одной из эндокринных желез, то есть органов, вырабатывающих гормоны (как щитовидная железа, надпочечники и т. д.). Нутриционисты, диетологи и биохимики иногда называют микробиом «второй печенью»: он обладает мощными пищеварительными и метаболическими способностями. Для иммунологов микробиом – инструмент, «тренирующий» иммунную систему, а для нейробиологов и психологов – орган, контролирующий мышление и поведение людей. Но какие бы функции ни выполнял микробиом – дополнительной эндокринной железы, второй печени, «тренера» иммунитета или неврологического «контролера» – его неадекватное формирование во время и после рождения человека чревато для него как суперорганизма очень серьезными проблемами.