Микробиом регулирует многие процессы, лежащие в основе здоровья, от пищеварения до иммунных реакций.
Однако тесная связь между человеком и его микроорганизмами важна не только в жизни, но и в смерти. Смерть вызывает физиологические изменения, которые формируют микробный консорциум, присутствующий в теле, на теле и вокруг него. Каждая фаза разложения характеризуется своим уникальным микробным отпечатком. На это также влияют такие характеристики, как возраст, пол и обстоятельства, сопутствующие смерти.
Межиндивидуальная изменчивость посмертного микробиома послужила толчком к исследованиям того, может ли анализ микробиома быть полезным для криминалистов, которые применяют научные методы для сбора и изучения доказательств при расследовании уголовных дел. Могут ли следователи идентифицировать подозреваемых и определить, когда, где и как умер человек, основываясь на посмертном микробиоме? Многие исследования склоняются в пользу (весьма условного) положительного ответа. Тем не менее, существуют ограничения, которые необходимо преодолеть, прежде чем посмертный анализ микробиома станет общепринятой и рутинной частью судебно-медицинской экспертизы.
Смерть и разложение: роль микроорганизмов в процессе разложения
Сразу после смерти иммунная система отключается. Без постоянного контроля иммунного ответа хозяина микробы в кишечнике начинают размножаться и распространяться на другие органы. Этот процесс миграции микробов происходит относительно быстро - одно исследование на мышах показало, что кишечные бактерии (например, Lactobacillus spp., Enterococcus spp. и Escherichia coli) были обнаружены в периферических органах, включая селезенку, печень и почки, уже через 5 минут после смерти.
Со временем уровень кислорода в клетках снижается, что способствует истощению аэробных микробов и распространению анаэробных разновидностей, таких как Clostridium spp., которые, как считается, расщепляют липиды и сложные углеводы, входящие в состав тканей человека. Недостаток кислорода также вызывает лизис тканей и высвобождение разнообразных питательных веществ, которые способствуют дальнейшему росту анаэробных бактерий. В процессе пиршества эти организмы выделяют газы, которые вызывают разбухание тканей и, в конечном итоге, их разрыв. Атмосферный кислород наполняет труп, и в нем снова воцаряются аэробные микробы.
В конце концов мягкие ткани полностью разрушаются, и остаются только кости. Однако и кости не свободны от микроорганизмов - они несут свою собственную микробную сигнатуру. В недавнем исследовании ученые сравнили популяции бактерий на скелетных останках с популяциями бактерий в окружающей почве и кишечнике человека. Они обнаружили, что микробы, обитающие в костях, отличаются от микробов в почве и кишечнике, хотя и имеют сходство с каждым источником. Степень сходства зависела от того, лежали ли кости над или под землей. Бактериальные сообщества на поверхности кости, например, больше походили на почвенные сообщества и имели более высокую численность видов, принадлежащих к филам Chloroflexi, Chlamydiae и Deinococcus-Thermus. Погребенные кости имели схожий микробный профиль с образцами из кишечника (например, больше анаэробных организмов), возможно, из-за более низкой концентрации кислорода под землей. Эти результаты позволяют предположить, что бактерии, ассоциированные с человеком и почвой, объединяются и создают уникальный микробный профиль костей после смерти. Более того, эти данные свидетельствуют о том, что условия окружающей среды, например, то, как глубоко под землей находятся останки, влияют на состав посмертного микробиома.
В связи с этим многочисленные факторы влияют на каждую фазу разложения и на микробы, которые их регулируют. Возраст, болезни, температура и влажность - все это формирует структуру посмертного микробиома. Таким образом, микробиомы людей после смерти, как и при жизни, могут значительно отличаться друг от друга.
Посмертный микробный "отпечаток пальца" и судебная медицина
Использование микроорганизмов в криминалистике не является чем-то новым. Основанная после атаки сибирской язвы в Вашингтоне в 2001 году, микробная криминалистика стала важной дисциплиной в области судебной медицины. В ее центре - "применение научных методов для анализа доказательств биотеррористической атаки, биопреступлений, мистификации или непреднамеренного высвобождения биологического агента или токсина", а "конечной целью" является атрибуция (т.е. определение того, откуда исходила биоугроза и кто несет ответственность за ее распространение). Микробная криминалистика, среди прочего, также применялась при расследовании сексуальных преступлений и умышленного распространения патогенов.
Исторически микробная криминалистика фокусировалась на отдельных микробных таксонах, выделенных из чистых или однородных образцов. Благодаря развитию технологий секвенирования ДНК, таких как метагеномика, ученые теперь могут анализировать сложные микробные сообщества во всей их полноте, включая те, которые связаны с умершими людьми и/или местами смерти. Это расширило список потенциальных применений микроорганизмов в криминалистике.
Одно из применений, которое привлекло особое внимание, - использование посмертного микробиома для оценки времени, прошедшего с момента смерти человека, известного как посмертный интервал (ПИ). Судебно-медицинские эксперты оценивают ПИ на основе патологических и физиологических показателей, таких как состояние повреждений, температура тела, наличие и распространение беспозвоночных. Использование сукцессионных изменений в структуре посмертного микробиома (т.е. динамика аэробных и анаэробных бактерий в процессе разложения) может дополнить традиционные методы оценки ПИ.
Несколько исследований на животных моделях и на людях дали интригующие результаты. Например, исследователи использовали компьютерное моделирование для успешной оценки ПИ мышей в течение 3,3 дней на основе бактерий на их теле и коже головы. В другом исследовании ученые брали образцы из ротовой полости мышей через 24, 144 и 244 часа после смерти. Они выявили сильную корреляцию между ПИ и обилием Gammaproteobacteria и Proteus spp., что, возможно, указывает на эти бактерии как на полезные индикаторы ПИ.
В контексте человеческих останков, анализ бактериальных консорциумов на реберных костях человека предсказал ПИ с точностью +/- 34 дня в течение 1-9 месяцев после смерти. Исследователи отметили, что антропологи дают оценки ПИ с ошибками от нескольких месяцев до нескольких лет, подчеркнув, что их методы сокращают этот промежуток. Как полученные результаты соотносятся с исследованиями, которые требуют более коротких временных рамок, менее ясно. Тем не менее, другая группа исследовала содержимое кишечника умерших людей в течение 20 дней и показала, что относительная численность двух распространенных родов кишечника, Lactobacillus и Bacteroides, значительно уменьшается с течением времени. Эти результаты позволяют предположить, что данные роды могут служить микробными маркерами для оценки ПИ.
Помимо оценки ПИ, посмертный микробиом имеет и другие потенциальные применения. Например, по микроорганизмам в трупе, на трупе или вокруг него можно определить, где и как умер человек. Несколько исследований показали, например, что поиск бактерий, связанных с водной средой, может быть индикатором смерти от утопления. Следователи также могут использовать посмертный микробиом для идентификации жертвы и/или подозреваемого. Это касается как сообществ на теле умершего, так и сообществ, населяющих улики на месте смерти.
Действительно, когда исследователи использовали секвенирование ампликонов 16S рРНК для изучения популяций бактерий на предметах, отобранных с 16 мест смерти, предмет можно было отследить по посмертному микробиому кожи умершего человека в среднем в 75% случаев. Некоторые предметы лучше подходили для микробного "дактилоскопирования", чем другие (например, медицинские приборы и курительные трубки по сравнению с ключами от автомобиля), что говорит о том, что полезность этих методов может варьировать в каждом конкретном случае.
Трудности и дальнейшие шаги
Несмотря на перспективность, существует несколько факторов, препятствующих рутинному внедрению посмертного анализа микробиома в судебно-медицинскую экспертизу. Во-первых, большинство исследований были небольшими и отличались экспериментальными методами (например, протокол выделения ДНК, платформы секвенирования и эталонные базы данных). Отсутствие стандартизации затрудняет интерпретацию данных между исследованиями. Это также не позволяет аналитике микробиома стать надежным, заслуживающим доверия инструментом в рамках правовой системы.
Временные изменения в посмертном микробиоме также могут осложнить расследования. Состав нашего микробиома регулярно меняется - циркадные колебания в структуре бактериального сообщества были продемонстрированы в кишечнике и слюне. Поэтому образцы с места смерти дают "моментальный снимок" микробиома человека в определенное время, но они могут не совпадать с эталонными образцами. Аналогичным образом, образцы могут содержать мешанину микробов из различных источников (т.е. от жертвы, подозреваемого и/или окружающей среды). Определение того, какие микробы кому принадлежат и что может быть контаминацией, требует профилирования микробов, связанных с конкретным источником, в течение определенного времени и при различных условиях - а это не простая задача. В настоящее время многие криминалистические лаборатории не располагают ресурсами и опытом для проведения подобных анализов.
Как и в целом в области микробиома, большинство исследований посмертного микробиома изучают, какие микроорганизмы присутствуют, но не функциональный потенциал сообщества. Это очень важно для понимания сукцессии микробных видов в процессе разложения и того, как они регулируют этот процесс. Например, используя секвенирование 16S рРНК в сочетании с метаболомикой, исследователи определили, что Psuedomonas spp. и микробная солюбилизация фосфатов, вероятно, играют роль в деградации человеческих костей. Объединив методы секвенирования с методами, которые исследуют механизмы деградации, судебно-медицинские эксперты смогут лучше понять, почему определенные микробы присутствуют в конкретных обстоятельствах смерти.
Кроме того, большинство исследований до сих пор были сосредоточены на бактериальных членах микробиома - небольшой выборке микробов, присутствующих в сообществе. Изучение популяций других организмов, например, грибов, позволило бы составить более полную картину посмертных микробных популяций.
История взаимоотношений между судебно-медицинской экспертизой и посмертным микробиомом еще молода; ее развитие зависит от зрелости и инновационности технологий, используемых для исследования сложных микробных сообществ. Тем не менее, со временем анализ микробиома может стать ценным, дополнительным инструментом к уже существующим методам расследования.
