Новый лексикон в эпоху исследований микробиома
За последние 20 лет науки о жизни пришли к пониманию того, что все живые существа - от простейших животных и растительных организмов до человека - живут в тесной связи с большим количеством микроорганизмов.
Вместе с многоклеточным организмом-хозяином эти симбиотические бактерии, вирусы и грибы образуют микробиом, составляя преимущественно полезное сообщество в виде метаорганизма.
Многие жизненные процессы, включая здоровье и заболевания, можно понять только в контексте этого функционального взаимодействия между хозяином и микроорганизмами. В Кильском университете (Германия) эти взаимодействия между хозяином и микроорганизмами подробно изучаются в рамках совместного исследовательского проекта "Происхождение и функционирование метаорганизмов".
Новому взгляду на жизнь как на функциональный симбиоз микроорганизмов и многоклеточных организмов-хозяев приходится преодолевать мощное сопротивление. Это во многом связано с тем, что микроорганизмы долгое время считались преимущественно вредными, рассматривались почти исключительно как патогены, с которыми медицина и общество должны были бороться на благо здоровья людей. Эта точка зрения повлияла и на исследования в области наук о жизни, которые, например, определяли иммунную систему в первую очередь как защитный механизм против патогенов. Хотя принцип метаорганизма в значительной степени получил научное признание в наши дни, многие биологические термины и термины науки о жизни все еще характеризуются этим "патогенным" взглядом, а не реальной функцией микробов как жизненно важных партнеров функционирующего организма.
Группа ученых Кильского университета предлагает новую терминологию и их целью является изменение парадигмы восприятия микроорганизмов как преимущественно нейтральных или полезных путем создания модифицированного биологического и медицинского языка. Их статья "Новый лексикон в эпоху исследований микробиома" была опубликован на днях в журнале Philosophical Transactions of the Royal Society.
Взаимодействие микробиома и организма стало во многом более очевидным благодаря новой технологии высокопроизводительного секвенирования генома. В последние годы она позволила детально определить и проанализировать состав и баланс микробной колонизации организмов-хозяев. Впоследствии все более глубокое понимание взаимодействия хозяев с этим множеством микроорганизмов позволило признать нарушенный микробиом причиной некоторых экологических заболеваний. "Это позволило понять, что настоящих микробных патогенов очень мало. Напротив, существует подавляющее большинство микроорганизмов, которые ведут себя нейтрально или благоприятно, чья функция зависит от общего контекста "нормального" микробиома и которые лишь в исключительных случаях могут стать оппортунистическими патогенами", - отмечает руководитель исследования Томас Бош.
"Эти современные знания о решающем значении нормального, здорового микробиома для функций и здоровья организма хозяина должны в будущем также выражаться на адаптированном языке и таким образом постепенно способствовать более позитивному восприятию микроорганизмов", - говорит Бош. Соответствующее переопределение научного языка потребует, таким образом, раз и навсегда отказаться от "метафор войны", характеризующих постоянную борьбу с микробами, и соответствующего языка, сводящегося к их вредоносности.
"Если мы начнем использовать и развивать этот новый лексикон, мы сможем лучше описывать сложные взаимодействия между хозяевами и их микробами так, как они есть на самом деле: как важнейшую основу жизни",
- считает Бош. Несколько примеров показывают, как исторически сложившийся взгляд на микроорганизмы, ориентированный на заболевания, все еще преобладает сегодня и как обновленные термины, предложенные авторами, могут заменить его в будущем.
Сегодня слово "инфекция" по-прежнему обычно обозначает вторжение и процветание микроорганизма и его воздействие на ткани организма-хозяина. Вместо этого термин "колонизация" нейтрально описывает тот факт, что микроорганизмы колонизируют ткани хозяина и развивают полезный, нейтральный или вредный эффект, в зависимости от контекста.
Термин "антимикробный пептид" ранее использовался для описания белка организма-хозяина, который может убивать или подавлять патогены. С современной точки зрения более подходящим является термин "микробиота-регулирующий пептид", т.е. белок организма-хозяина, который может способствовать или препятствовать колонизации полезных, нейтральных или вредных микроорганизмов в зависимости от обстоятельств.
Общепринятый термин "патоген" означает вызывающий заболевание микроорганизм, который вторгается в нормальную микробную колонизацию извне и вызывает заболевание. Слово "патоген" - это триггерное слово, нагруженное понятиями, относящимися к опасным инфекциям. В тоже время, термин "амфибионт" более нейтрален - это микроорганизм, чьи отношения с организмом-хозяином могут меняться от полезных до вредных и наоборот в зависимости от условий окружающей среды.
Несмотря на популярное использование общего термина "микробы", ученые сегодня широко признают, что неверно рассматривать микробы, связанные с человеком, как в первую очередь вызывающие заболевания; подавляющее большинство взаимодействий между хозяином и микробом либо полезны, либо безвредны. На самом деле у большинства животных и растений есть лишь несколько видов микробов, которые являются "откровенными патогенами", а также другие, которые обычно являются частью нормальной микробиоты, но при определенных обстоятельствах могут стать вредными: так называемые "оппортунистические патогены".
На филогенетических деревьях многие патогены принадлежат к родам, виды которых в основном являются членами нормальной микробиоты (например, Neisseria, Clostridium, Bacteroides, Campylobacter). Тем не менее, из-за нашего исторического интереса к человеческим заболеваниям, для нескольких известных родов первым описанным видом был тот, который вызывал человеческое заболевание (например, Neisseria meningitidis). Только позднее, и часто благодаря последующим молекулярным исследованиям, были описаны другие, близкородственные виды, ассоциированные с хозяином, которые были непатогенными или даже полезными. Таким образом, биологические предки многих, если не большинства этих видов, по-видимому, не были патогенами, особенно в случае видов, ассоциированных с человеческими болезнями, то есть патогенез является производным признаком. Наконец, важно признать, что для появления вирулентности у бактерий, ассоциированных с хозяином, могут быть необходимы специфические условия окружающей среды; то есть их патогенность почти всегда зависит от контекста. Например, даже среди близкородственных животных (например, мышей и людей) смертельно опасный патоген в одном случае может быть доброкачественным симбионтом в другом.
В 1960-х годах Теодор Роузбери, микробный эколог, ввел понятие "амфибиоз", обозначающее биологические взаимоотношения между двумя организмами, которые могут принести вред или пользу, в зависимости от контекста. Классическим амфибионтом человека является Helicobactor pylori, который приводит к повышению риска таких заболеваний, как язвенная болезнь и аденокарцинома дистального отдела желудка, но снижает риск более проксимальных аденокарцином желудка и пищевода, а также заболеваний других органов, таких как детская астма. Чем тщательнее мы изучаем биологию "патогенов", которые обычно являются частью микробиоты, таких как C.difficile и S.viridens, тем больше мы обнаруживаем их другие, полезные свойства. В этом контексте стоит вспомнить, что C. difficile впервые была выделена из кала здорового новорожденного и практически повсеместно встречается у здоровых детей первого года жизни.
Авторы полагают, что при изучении взаимодействия хозяина и микробов необходимо также переосмыслить и уточнить понятие иммунитета. С открытием инфекционных заболеваний иммунитет первоначально рассматривался как реакция хозяина на вторжение патогенов. Однако, как уже говорилось выше, практически весь микробиом животных или растений не является патогенным, а состоит из множества полезных и необходимых симбионтов, способствующих выполнению различных функций, которые хозяин "передал им на аутсорсинг", включая повышение сопротивляемости патогенам.
Таким образом, традиционное представление о "защитной" роли иммунной системы неадекватно учитывает ее значение для нормальной физиологии хозяина. Иммунная система не только борется с патогенами; например, врожденная иммунная система эволюционировала для управления и использования полезных микроорганизмов. Иммунная система, основанная на памяти (т. е. адаптивная), могла развиться у позвоночных из-за необходимости распознавать и управлять сложными сообществами полезных микробов, которые, по сути, являются отличительной чертой жизни позвоночных. Эти роли в формировании и поддержании экологии сообщества микробиоты смещают представление о первичной деятельности адаптивной иммунной системы с защиты от случайных патогенов на постоянный мониторинг и поощрение множества полезных взаимоотношений. Последствия такой пересмотренной концепции иммунитета имеют широкое значение как для ученых-биологов, так и для философов, рассматривающих иммунологию, экологию и когнитивные науки.
В целом, изменение нашего понимания взаимодействия хозяина и микроба, произошедшее в последние десятилетия, требует переосмысления нашего лексикона. Чтобы соответствовать результатам новых исследований, пришло время раз и навсегда отказаться от "метафоры войны" и сопутствующего ей языка, используемого для описания взаимодействия хозяина и микробов. Когда мы начнем использовать и развивать этот новый лексикон, мы будем иметь больше возможностей для точного описания сложных взаимодействий между хозяевами и их микробами, которыми они действительно являются: это важнейшая основа жизни.
