Что делает микробиом здоровым?
За последние несколько десятилетий микробиом человека привлек всеобщий интерес.
Естественно, ученые хотят понять микробиом в контексте своих интересов, что привело к появлению целого ряда направлений, посвященных микробиому, от воспалительных заболеваний кишечника до аутизма. Каждая из них располагает уникальными данными о здоровых и больных состояниях.
И все же, мало что известно о том, что именно представляет собой "здоровый" микробиом, и можно ли его определить в целом, не ограничиваясь такими общими понятиями, как разнообразие бактерий или способность к ферментации клетчатки. Более того, исследования микробиома пока мало стандартизированы для сбора, обработки и анализа образцов, что затрудняет сравнение массивов данных даже в одной области. Не говоря уже о том, что многие исследования проводились в промышленно развитых странах, где часто преобладают люди европейского происхождения, что не позволяет с уверенностью утверждать, что полученные данные отражают истинный спектр здоровья.
Глобальная индустриализация и микробиом человека
Организация Global Microbiome Conservancy, основанная Матильдой Пойет из Массачусетского технологического института, ставит своей целью создание биобанка действительно репрезентативной глобальной выборки микробиомов человека. При этом они надеются не только сохранить биоразнообразие, которое быстро сокращается в промышленно развитом мире, но и защитить микробиомы коренных народов, чей образ жизни находится под угрозой, а также расширить исследования микробиома, чтобы уменьшить неравенство в здоровье среди недостаточно представленных групп населения.
Пойет изучает микробную деградацию холестерина в кишечнике. В норме холестерин циркулирует в различных формах через печень, кишечник, кровоток и обратно. Однако холестерин может быть разложен микроорганизмами в другую форму, называемую копростанолом, которая больше не реабсорбируется и выводится с калом. Теоретически, такое микробное разрушение могло бы защитить от высокого уровня холестерина в крови и связанного с ним сердечно-сосудистого риска.
Пойет и ее коллеги обнаружили, что количество копростанола, выделяемого с калом, обратно пропорционально уровню индустриализации страны. От охотников-собирателей, скотоводов до полностью индустриализированного населения - тенденция была неизменной. Затем исследователи определили микроба-кандидата, близкородственного нечеловеческому изоляту Eubacterium coprostanoligenes, который экспрессирует холестериновую дегидрогеназу IsmA, и подтвердили, что только он может превращать холестерин в копростанол in vitro.
На основе обширной выборки населения Пойет определила, что этот вид бактерий наиболее часто встречается среди населения, ведущего более традиционный образ жизни, и менее распространен в индустриально развитых популяциях. Почему индустриальный образ жизни не способствует выживанию этого важного организма, остается неизвестным. Выводы Пойет подчеркивают важность сбора репрезентативных глобальных данных, и эту задачу разделяет организация Global Microbiome Conservancy. Более традиционное исследование, в котором участвовали бы люди только из промышленно развитых стран или из однородных популяций, могло бы вообще пропустить эту важную историю.
Диетическая клетчатка и деградационная ниша слизи в кишечнике
Слой слизи в кишечнике - это важный гликопротеиновый каркас, состоящий из взаимосвязанных гликанов муцина, расположенный вдоль поверхности кишечника. Этот слизистый слой существует в равновесии, с постоянным ростом и отмиранием. Он обеспечивает нишу для кишечных микробов, удерживая их на безопасном расстоянии от нижележащего кишечного эпителия. Однако во время стресса, включая острую нехватку клетчатки в рационе, микробы могут обратиться к слою слизи в поисках пропитания и разрушить этот защитный барьер. Острая нехватка клетчатки может также привести к потере бокаловидных клеток, выделяющих слизь, которые отвечают за создание слизистого слоя, и к резкому снижению бактериального разнообразия в толстой кишке, поскольку не остается достаточного количества питательных веществ для питания имеющихся бактерий.
Дэвид Берри из Венского университета, изучил деградацию муцина с помощью экспериментов с использованием стабильных изотопов, чтобы понять, какие именно микроорганизмы способны потреблять слой слизи. Берри и его группа измеряли содержание меченого треонина в процессе его поглощения бокаловидными клетками кишечника, секреции в виде муцинов и потребления микробами. Сочетая флуоресцентную гибридизацию in situ (FISH) и изотопную визуализацию, они определили 2 основных вида, Akkermansia muciniphila и Bacteroides acidifaciens, ответственных за деградацию большей части слизи, а также небольшой перечень других микробов, способных делать это.
Используя ряд методов, включая применение дейтерия (тяжелой воды) для измерения метаболической активности микробов, он и его группа выявили множество других бактерий, способных разлагать сахара, содержащиеся в гликанах муцина. Они определили, что деградирующие муцин бактерии встречаются на всем филогенетическом древе, но, похоже, особенно обогащены среди представителей филума Bacteroidetes, в частности, семейства Muribacilaceae. В отсутствие предпочтительных источников энергии (например, получаемых из клетчатки) эти виды атакуют белки в слое слизи. Определив способности различных семейств микроорганизмов к деградации сахаров, группа Берри также выявила микробы, которые могут напрямую конкурировать с Clostridioides difficile (C. diff), заполняя предпочитаемую им нишу метаболизма сиаловых кислот.
Работа Берри показывает полезность определения метаболических ниш комменсальных организмов и потенциал для разработки полезных бактериотерапевтических средств для борьбы с оппортунистическими или индуцированными антибиотиками патогенами. Он также подчеркивает, что факторы образа жизни, такие как диета, могут привести к патогенным сдвигам в микробиоте, воздействуя на их метаболические функции в отсутствие предпочтительного источника питательных веществ. Примечательно, что острая нехватка клетчатки более распространена среди индустриальных групп населения, которые чаще потребляют переработанные продукты с низким содержанием клетчатки.
Общие признаки здоровья и заболевания в микробиоме кишечника
В исследованиях микробиома человека понятие "дисбиоз" означает микробные сообщества, которые находятся в состоянии дисбаланса, но в последнее время он стал чем-то вроде всеобъемлющего термина для обозначения микробиома в состоянии нездоровья. Что же на самом деле означает дисбиоз в разных контекстах?
Саад Хан из Медицинского колледжа Альберта Эйнштейна отметил, что исследования микробиома страдают от противоречий. Кроме того, мета-анализ может помочь выявить микробов, ассоциированных с определенным процессом заболевания, но один и тот же микроорганизм может быть связан с несколькими заболеваниями, что делает клинические прогнозы неточными. Без постоянных и специфических биомаркеров заболеваний сбор клинически полезных данных о микробиоме затруднен.
Чтобы лучше понять, что такое "здоровый" микробиом, Хан начал с вопроса: "Что такое здоровье? Вместо того, чтобы просто искать маркеры заболеваний для конкретного состояния, он обучил нейронную сеть (тип искусственного интеллекта) искать маркеры для 17 различных состояний, включая здоровый контроль в разных исследованиях. В процессе поиска маркеров, специфичных для различных заболеваний, Хан понял, что у него больше всего данных по группе "здоровые", что позволяет получить убедительные данные о том, как выглядит микробиом при предполагаемом отсутствии заболевания. Хан и его коллеги обнаружили основной комплекс микробных таксонов, которые последовательно ассоциируются со здоровьем в 21 массиве данных, которые они оценивали.
Там, где во многих исследованиях ставится вопрос "Что такое заболевание?", перевернув вопрос, можно получить богатый массив данных с полезными клиническими маркерами микробиома. Выявилось несколько тенденций, которые говорят о том, что "дисбиоз" может означать в более универсальном смысле. Например, более высокое обилие микроорганизмов ротовой полости в кишечнике было устойчивым, неспецифическим показателем заболевания. И наоборот, Хан обнаружил, что чем более многочисленным был тот или иной организм в кишечнике, тем больше вероятность того, что он был неизменным показателем здоровья. В дальнейшем он надеется выявить основные микробные гены и механизмы, связанные со здоровьем, а также понять, что лежит в основе дисбактериоза.
Совместная диверсификация микробов кишечника и их хозяев-людей
Играет ли значение территориальная принадлежность хозяина для здоровья его микробиома? Некоторые авторы ранее публиковали доказательства того, что конкретные микробные организмы, такие как Helicobacter pylori, отражают особенности миграции человека, но является ли общее микробное сообщество "наиболее здоровым" в географическом контексте своего хозяина?
Ища закономерности кофилогенеза между людьми и конкретными штаммами микроорганизмов Рут Лей и ее коллеги исследовали, есть ли достаточные основания полагать, что микробиом человека эволюционировал вместе с его хозяевами и окружающей средой. Лей создала метагеномы кишечника матерей и их детей в трех глобальных регионах: Европа (Германия и Великобритания), Габон и Вьетнам. Сопоставив генетическую филогению хозяина с филогенией различных штаммов бактерий, Лей выявила некоторые виды, которые демонстрировали явные признаки совместной диверсификации, и другие, которые казались более разнообразными. 7 таксонов продемонстрировали убедительные доказательства совместной филогении с их человеческими хозяевами. Применив эти результаты к общедоступным метагеномным базам данных, Лей воспроизвела фенотип совместной диверсификации. Полученные данные представляют собой интригующую историю микробного наследия человека и поднимают вопросы о вертикальном уровне передачи, а также о важности микробиома для адаптации к местной среде.
Конечно есть богатый материал для оспаривания некоторых предположений в области микробиома о том, как определять здоровье и болезнь. Исследователи испытывают глубокую потребность в более разнообразных выборках микробиома, в осмыслении местного контекста и в критическом отношении к неясным или туманным определениям в этой области. Кроме того, последние исследования предоставили уникальные и творческие инструменты для изучения микробов, некоторые из которых обещают стать потенциальной микробной терапией будущего.
