Огонь внизу
Пытаясь разобраться в том, какую роль микробиом играет в возникновении заболеваний, мы должны постоянно учитывать вероятность того, что иммунные реакции (особенно воспаления) общие для различных недугов.
В случае синдрома воспаленного кишечника (СВК) такая связь очевидна: нетрудно догадаться, что речь идет о воспалении участков кишечника. Но почему оно возникает и как от него избавиться?
Ответ на эти вопросы хотелось бы получить многим. Болезнью Крона и язвенным колитом (это наиболее серьезные заболевания, относящиеся к категории СВК) страдают, к примеру, четверть миллиона британцев и не менее полутора миллионов жителей США[109]. Острые кишечные расстройства могут вызывать чрезвычайно сильный дискомфорт и приводить к печальным последствиям. Комик Стюарт Ли ярко описывает худшую форму язвенного колита – дивертикулит. Он вспоминает «мою кровоточащую задницу, мою оранжевую мочу, мой искривленный желудок», он «наблюдал, как моя кровь пузырится вокруг иглы установки для вливания, и потом чувствовал, как прохладный соляной раствор вливается в мои вены, как я теряю и вновь набираю вес, я ощущал себя трубкой вопящего мяса, чья единственная цель – перерабатывать всякую дрянь, которую я ем, и испражняться ею с другого конца»[110].
Эти расстройства, так угнетающие человека, могут служить хорошей отправной точкой для выявления микробиомных воздействий, поскольку некоторые особенности таких заболеваний хорошо изучены. Мы немало знаем об участии определенных типов иммунных клеток и сигнальных молекул в организации атак, приводящих к воспалению толстой кишки. Механизмы, которые здесь работают, представляются многообещающей моделью того, как воспалительные процессы контролируются организмом и как они выходят из-под контроля; всё это можно описать как составную часть процессов поддержания или нарушения гомеостаза в более обширной системе, куда входит и толстая кишка, и ее содержимое.
Можно понять, как действенны Т-лимфоциты для снижения активности иммунной системы, изучая, что происходит, когда их нет. Одна из разновидностей регуляторных Т-лимфоцитов производит интерлейкин-10 (ИЛ-10) – сигнальные молекулы, относящиеся к классу цитокинов и несущие другим иммунным клеткам одно и то же послание: «Сохраняйте спокойствие, продолжайте выполнять свою работу». Опыты на мышах, проведенные в 1990-е годы, подтвердили, что модифицирование или блокирование выработки этих клеток приводят к воспалению кишечника подопытных мышей, сходному с тем, что наблюдается у человека. Это стало настоящим прорывом в науке: удалось создать модель для соответствующего заболевания, которая в свою очередь помогла разобраться в некоторых молекулярных взаимодействиях, происходящих в «контролирующей» системе организма. Сегодня многое известно о том, какие виды иммунных клеток отправляют и получают сигналы, регулируя воспалительные процессы в кишечнике посредством выработки цитокинов, способствующих или препятствующих воспалению. Мы многое знаем и о том, как эта система выходит из-под контроля. Благодаря этим знаниям в наши дни удалось создать мощные средства для лечения острой формы болезни Крона и острого колита: эти средства блокируют цитокины, чтобы уменьшить воспаление. Такие лекарства следует тщательно тестировать, поскольку необдуманные игры с цитокинами часто вызывают совершенно незапланированные эффекты. А вот тонко настроенные ингибиторы синтеза воспалительных цитокинов, возможно, действительно способны помочь больным.
Долгое время предполагали, что изменения в составе наших колонистов способствуют обострению болезни Крона. Впервые это подметили на примере паразитических червей, от которых до сих пор страдает значительная часть человечества (возможно, они сосуществовали с человеком всегда). Поскольку эти существа оказывают негативное воздействие на человеческий организм в самых разных аспектах, страны, которым посчастливилось иметь современную систему санитарии и здравоохранения, от глистов давно избавились. Однако примерно в это же время медики зафиксировали резкий всплеск случаев болезни Крона. Некоторые ученые поспешили заключить, что это не просто совпадение. Возможно, паразитические черви или их яйца тренируют иммунную систему, обучая ее не атаковать кишечный эпителий? Среди страдающих болезнью Крона нашлись и такие, кто в отчаянии решился проверить эту гипотезу и намеренно заразил себя паразитами, надеясь ослабить симптомы недуга[111].
Но теперь мы вправе задаться вопросом: какова роль бактерий, находящихся на микроскопическом расстоянии от нежных тканей кишечного эпителия и его иммунных сетей? Существует масса свидетельств в пользу того, что бактерии весьма глубоко вовлечены в эти процессы. Об одном впечатляющем направлении исследований сообщила в 2010 году лаборатория Саркиса Мазманяна, входящая в состав Калифорнийского технологического института. В этих необычных экспериментах задействованы молекулы, имеющиеся на поверхности клеток (например, ЛПС – липополисахариды, упомянутые в прошлой главе как пример вещества, которое способствует выработке антимикробных пептидов, помогающих в профилактике энтерококковой инфекции у мышей).
Кроме того, именно группа Мазманяна несколькими годами ранее показала, что один неплохо изученный вид бактерий – Bacteroides fragilis – способен побуждать организм безмикробных мышей к развитию нормальной иммунной системы кишечника. Теперь же она продемонстрировала: тот же микроорганизм, действующий в одиночку, может вызывать развитие определенных регуляторных Т-лимфоцитов. Собственно, то же самое может проделывать один-единственный антиген, содержащийся в бактериальной стенке, – полисахарид А (ПСА). B. fragilis делает это не из-за того, что ему небезразлично, воспалится кишечник или нет, а для подавления иммунной реакции на его собственное вторжение: так он может спокойно устроиться на поверхности слизистой оболочки кишечника. Однако в нормальной, разнообразной микробиоте это стало бы лишь одним из взаимодействий, которые создают общее равновесие в иммунной системе. Напрашивалась еще одна проверка, и она дала впечатляющие результаты. Если ввести ПСА мышам, страдающим синдромом воспаленного кишечника, симптомы заболевания ослабнут[112].
Ранее аналогичные эксперименты показали: другая бактерия, H. hepaticus, настолько эффективно способствует выработке воспалительных цитокинов, что ее можно с успехом использовать для создания другой «мышиной модели» СВК. Однако B. fragilis противостоит губительному воздействию H. hepaticus; и противовоспалительный агент, выработку которого она стимулирует, побеждает в битве цитокинов.
Такие опыты проводились вначале на безмикробных мышах. Для обычной мыши (как и для обычного человека) эти два вида бактерий соседствуют с сотнями или даже тысячами других видов. Маловероятно, что эти два вида – единственные, кто обменивается такого рода сигналами, так что гипотезы, выстраиваемые в результате подобных изысканий, следует интерпретировать в контексте исследований микробиома в целом.
При СВК общий состав микробной популяции действительно меняется. Часто говорят, что СВК – одно из заболеваний, связанных с «дисбиозом». Неоднозначный термин. Иногда он обозначает специфические изменения в микробных популяциях, но чаще используется более широко и небрежно. Похоже, его нередко применяют, ведя речь просто о смеси микробов, которая чуть отличается от обычной.
Как вы могли бы ожидать, ознакомившись с предыдущими страницами, попытка не ограничиваться экспериментами на безмикробных мышах и получить четкие результаты на основании исследований человека погружает нас в неразбериху вечно меняющихся бактериальных популяций, иммунных откликов человеческих тканей, рациона и других факторов (в числе которых стресс).
Нам хотелось бы отыскать «биомаркеры» – уникальные индикаторы заболевания, пригодные для его диагноза или прогноза, а то и определенные компоненты микробиома, которые вызывают данную проблему и которые можно устранить или заменить в целях ослабления симптомов. Вместо этого мы получаем лишь массивы данных, из которых в лучшем случае удается вывести характерные «автографы» данного заболевания. В сущности, такие результаты говорят: «Если у вас болезнь Крона, ваш микробиом выглядит так-то». Отсюда непросто вывести ясное представление о том, что следствие, а что причина, и как с ней бороться.
Хороший пример самых первых попыток перейти от изучения микробиома здоровых людей к пониманию его роли в развитии этой болезни – небольшое исследование выборки близнецов, опубликованное в 2012 году группой под руководством Элисон Эриксон (Теннесси, Окриджская лаборатория)[113].
Ученые уже знали, что существуют различия в кишечном микробиоме у тех, кто страдает болезнью Крона, и тех, кто ею не страдает. Особенно ясно это демонстрируют близнецы: по распределению микробных видов у них обычно схожие микробиомы, даже если эти люди много десятилетий прожили врозь. Однако в микробиомах наблюдаются заметные различия, если у одного из близнецов развилась болезнь Крона, а у другого почему-то нет.
Для более детального изучения было выбрано 6 пар близнецов. Чтобы учесть все возможные случаи, исследователи включили в эксперимент здоровую пару близнецов; пару близнецов с болезнью Крона в области толстой кишки; две пары близнецов, у которых этот недуг затрагивает подвздошную кишку (последний отрезок тонкого кишечника); две пары, где у одного близнеца есть эта болезнь, а у другого нет.
Сравнительный анализ кала, взятого у всех участников эксперимента, проводился по трем направлениям. Ученым хотелось не только идентифицировать присутствующие в образцах виды микробов, но и узнать, на что эти микробы способны и действительно ли они делают то, на что способны. Для подобного метаболического расследования требуется нечто большее, чем просто базовый анализ 16S рРНК. Следовало изучить ДНК-последовательности смеси геномов всех разнообразных микробов, то есть провести полноценный метагеномный анализ. Как мы уже знаем из главы 1, такое исследование помогло бы получить неплохое представление о том, какие белки (в особенности ферментативные) может вырабатывать каждый микробиом, а значит, и о том, протеканию каких химических реакций может способствовать совместная работа этих бактерий.
Всё это очень интересно, но полезно выяснить, какие из белков вырабатываются на самом деле. Тут-то и вступала в действие третья часть плана. Подобную информацию, что не удивительно, дает уже не ДНК-анализ, а еще одна (из множества расплодившихся сейчас разновидностей) – омика – протеомика. Она занимается идентификацией всех разнообразных белков, производимых выбранной клеткой или набором клеток. В данном случае соответствующую процедуру осуществляли при помощи давно устоявшегося метода масс-спектроскопии. Как явствует из названия, при таком анализе молекулы в смеси сортируются по размеру или массе. Если применить стандартный вариант этого метода к экстракту бактериальной жижи, можно сравнить полученные результаты с очередным электронным архивом и получить «моментальный снимок», показывающий, какие белки действительно вырабатываются в данный момент. Эти белковые «снимки» заметно отличаются у здоровых людей и у страдающих болезнью Крона. Те, у кого болезнь затрагивает подвздошную кишку, демонстрируют более выраженные отличия.
Впрочем, ученые получили не четкие результаты, а скорее туманные очертания. Данные оказались сильно загрязнены молекулярным шумом. Так, было выявлено более чем 1200 белков, уникальных для обладателей здорового кишечника, еще 700 белков, уникальных для страдающих болезнью Крона подвздошной кишки, и еще 145, наблюдаемых лишь у тех, кто страдает болезнью Крона толстой кишки. Изменения состояния микробиома приводят к существенным отличиям в экспрессии генов.
Среди всех этих белков многие наблюдались и раньше, но функция около 30 % из обнаруженных сейчас оказалась неизвестной. Так что при всей хваленой точности этого анализа он говорит главным образом следующее: кишечный микробиом страдающих болезнью Крона подвздошной кишки вырабатывает менее широкий набор белков. К сожалению, в тех случаях, когда функция белка все-таки известна, оказывается, что данную функцию могут выполнять разные типы белков. В список входят ферменты, обеспечивающие перенос и метаболизм углеводов, выработку и сохранение энергии, должное обращение с аминокислотами и липидами, а также выполняющие основную часть других распространенных клеточных функций. В сущности, полученные результаты показывают: если у вас болезнь Крона, затрагивающая подвздошную кишку, ситуация очень запутанная. Но если у вас действительно эта болезнь, то ее проявления и следствия, увы, наверняка уже заставили вас прийти к такому заключению.
Возможно, когда-нибудь более глубокое понимание информации, представленной этими «десятками видов, тысячами метаболитов и сотнями белков, относительное содержание которых меняется», позволит нам разрабатывать более индивидуализированные методики лечения. Пока же эту информацию нужно учиться использовать для постановки точного диагноза, что стало бы огромным благом для множества пациентов: ведь ранние симптомы трудно интерпретировать. Дело в том, что ранние симптомы болезни Крона (в том числе боли в желудке и диарея) часто вызывают у врачей мысль выписать больному антибиотики. Ну так вот это неудачная идея. Более широкое исследование, проведенное в 2014 году на примере американцев, у которых недавно диагностирована болезнь Крона, подтвердило, что у пациентов наблюдается меньшее видовое разнообразие микробов в кишечнике, зато повышено содержание микроорганизмов, которые, по-видимому, способствуют воспалению[114]. Среди детей, у которых не сразу диагностировали болезнь Крона, более «возмущенным» микробиомом обладали те, что принимали антибиотики, а не те, кто обходился без этих препаратов. Более того, от первой стадии лечения, применяемой сразу же после выявления симптомов, боли могли даже усиливааться. Антибиотики всегда следует применять с большой осторожностью!
Так что поиск универсальных, общеприменимых методов вновь возвращается к воспалительным процессам и тому факту, что воспаление может иметь неединственную причину, в частности, возникая как реакция на присутствие или деятельность каких-то бактерий в кишечнике. Служит ли взбудораженная микробиота «причиной» кишечных недугов? Скорее всего нет. Или, во всяком случае, она лишь одна из причин. Дальнейшие опыты на мышах позволили заключить: весьма возможно, что нарушение иммунной реакции нередко создает благоприятные условия для бактерий, способных развиваться в воспаленной толстой кишке, а это в свою очередь способствует усилению воспаления. В организме мышей с иммунными системами, подвергшимися разнообразным изменениям, способствующим развитию у этих зверьков язвенного колита, складывается характерный микробиом. Пересадите этот микробиом нормальным мышам, и они тоже заработают эту болезнь, хотя и не в столь острой форме.
Данная микробная смесь, вероятно, стимулирует воспалительные заболевания двумя путями. В смеси много видов, усиливающих иммунную активность. При этом в ней мало бактерий, способных усваивать сложные углеводы и в результате давать короткоцепочечные насыщенные жирные кислоты, которые оказывают успокаивающее действие на иммунные клетки, как я уже рассказывал в небольшой зарисовке о бутирате (см. главу 5).
Столь примечательная трансформация кишечного микробиома, делающая СВК заразной болезнью, относится к категории экспериментов, которые невозможно ставить на человеке. Однако результаты таких опытов заставляют предположить, что наш собственный микробиом с немалой вероятностью вовлекается в процесс поддержания СВК, едва заболевание начинает развиваться в организме. Из-за этого с недугом труднее бороться.
