Развитие науки о микробиоме во всем мире может спасти миллионы детских жизнейРазвитие науки о микробиоме во всем мире может спасти миллионы детских жизней
Исследования микробов, живущих на нашем теле и в нем, проводятся в основном в нескольких богатых странах, что не позволяет использовать возможности для улучшения здоровья людей во всем мире.
В Европе и Северной Америке проживает менее 15% населения планеты. Тем не менее более 70% опубликованных данных о микробиоме человека - коллекции бактерий, грибов и вирусов, которые живут на нашем теле и в нем - получены от жителей Европы и Северной Америки. Около 85% из 25 000 метагеномов с высоким разрешением кишечника детей до четырех лет, которые находятся в открытом доступе, получены от людей, живущих в этих благополучных регионах. В данном контексте метагеномы - это коллекции всех геномов, содержащихся в фекалиях, коже или других образцах человека.
Аналогичным образом исследователи начинают изучать микробиоту в качестве терапевтической мишени для различных заболеваний, распространенных в странах с высоким уровнем дохода, таких как нарушения обмена веществ, рак и воспалительные заболевания кишечника. Гораздо меньше внимания уделяется тому, как микробиота влияет на такие состояния, как недоедание и инфекционные заболевания, от которых в непропорционально большой степени страдают жители стран с низким и средним уровнем дохода. Это необходимо изменить. Сейчас уже ясно, что микробиота кишечника - наиболее изученное микробное сообщество человека - у детей и взрослых может значительно отличаться в зависимости от места проживания. Поэтому разработка безопасной и эффективной терапии на основе микробиома для людей, живущих в более бедных регионах мира, зависит от сбора данных о микробиоме в этих регионах.
Мы рождаемся без микробиоты, но наш организм быстро колонизируется разнообразными микробами - от матери, местной окружающей среды и других людей из наших социальных контактов. Исследования с помощью секвенирования показывают, что у здоровых людей микробиота кишечника развивается определенным образом, причем появление одного вида влияет на то, какой вид колонизирует кишечник следующим и так далее.
Эта "экологическая последовательность" начинается с момента рождения, когда бактерии передаются от матери к младенцу во время родов, а затем при контакте кожа к коже и при грудном вскармливании. Некоторые виды Bifidobacterium, например, очень приспособлены для колонизации кишечника новорожденных, поскольку они используют углеводы, содержащиеся в слизи и грудном молоке. Когда младенца перестают кормить грудью, некоторые из этих видов Bifidobacterium, по сути исчезают, что позволяет другим бактериям, например спорообразующим из семейства Lachnospiraceae, закрепиться в организме.
Расщепляя углеводы в кишечнике, виды Bifidobacterium производят различные метаболиты, полезные для грудных детей, такие как органические кислоты, витамины группы В, нейротрансмиттеры и белки, которые влияют на иммунную систему. Таким образом, здоровое совместное развитие человека и его кишечной микробиоты является ключом к здоровому росту. Более того, появляется все больше доказательств того, что нарушение формирования микробного сообщества кишечника после рождения - будь то в результате патогенной инфекции или недоедания - связано с истощением (когда вес ребенка мал по отношению к его росту) и задержкой роста (когда рост ребенка мал по сравнению с его возрастом), а также с другими физиологическими состояниями.
Терапия на основе микробиома, которая в настоящее время разрабатывается и тестируется в странах Европы и Северной Америки, включает пробиотические препараты "нового поколения". При этом исследователи определяют, что характерно для конкретного человека, а затем выясняют, является ли отклонение в его микробиоте причиной или следствием того или иного заболевания. Затем они определяют терапевтические мишени и разрабатывают микробиом-направленные терапевтические кандидатов для тестирования на людях.
Но все усложняется тем, что состав микробов в кишечнике и функции отдельных видов и подвидов меняются на протяжении всей жизни человека. Более того, то, какие именно виды (или подвиды) бактерий присутствуют в тот или иной момент времени, зависит от места проживания человека. Например, Bifidobacterium longum подвида infantis (B. infantis), которые обычно встречаются у маленьких детей в Африке, практически отсутствует в кишечнике детей, живущих в Соединенных Штатах.
Когда речь заходит о странах с низким уровнем дохода, появляются доказательства того, что микробиом кишечника может стать основой для разработки терапевтических средств против некоторых из самых серьезных угроз общественному здоровью в этих странах. Возьмем, к примеру, недоедание, с которым связана почти половина всех смертей детей в возрасте до пяти лет - 3,1 миллиона в год.
В ходе исследований с использованием гнотобиотических мышей (которые имеют определенную микробиоту и выращиваются в стерильных условиях) ученые в последние годы выявили различные пищевые ингредиенты, способствующие росту определенных штаммов бактерий, которые были недостаточно представлены у детей с недоеданием. В последующих клинических испытаниях, проведенных в Бангладеш, кормление недоедающих детей в возрасте 12-18 месяцев пищевым составом с микробиотой кишечника, содержащим эти ингредиенты, способствовало увеличению роста детей. Кроме того, он изменил их микробиомы таким образом, что они стали более похожи на микробиомы здоровых бангладешских детей. Обычная готовая дополнительная пища, которую давали детям в том же клиническом исследовании, не дала такого же эффекта для здоровья, несмотря на то, что содержала больше калорий, чем микробиото-направленные пищевые ингредиенты.
Из-за генетического и фенотипического разнообразия микробиомов людей выводы, сделанные в Европе и Северной Америке, не обязательно будут применимы в других регионах, а методы лечения, разработанные в богатых странах, могут не помочь людям в бедных странах, которые могли бы извлечь из них наибольшую пользу. Например, в исследовании 2022 года ученые давали бангладешским младенцам в возрасте 2-6 месяцев с острым недоеданием пробиотический штамм, выращенный на доноре из США. У младенцев, участвовавших в исследовании, уровень B. infantis в кишечнике был ниже, чем у здоровых младенцев из Бангладеш. Пробиотик улучшил показатели роста недоедающих младенцев и уменьшил воспаление в их кишечнике. Однако уровень колонизации, достигнутый в ходе исследования, был в 10-100 раз ниже, чем у здоровых детей.
Основываясь на результатах последующих исследований на гнотобиотических мышах, исследователи предположили, что это объясняется тем, что в полученном из США штамме B. infantis отсутствуют определенные гены, которые присутствуют в штаммах, культивированных у бангладешских новорожденных. Дети в Бангладеш обычно потребляют определенные растения, и штаммы, культивированные из их кишечника, содержат гены, участвующие в метаболизме растительных углеводов. Такие различия между странами, вероятно, важны и в других контекстах.
Микробиота кишечника не только помогает людям получать определенные питательные вещества, но и защищает их от инфекций, конкурируя с патогенами за питательные вещества или вырабатывая антимикробные молекулы, которые их уничтожают. Различные исследования показали, что в разных условиях полезные микробы кишечника сталкиваются с различными видами и штаммами патогенов. Поэтому микробы, обитающие в сообществах, живущих в одном месте, могли не выработать эффективных способов конкуренции с патогенами, которые эндемичны в других регионах.
Аналогичным образом, резистентность кишечных патогенов к антибиотикам зависит от географии, в том числе от местных медицинских мер и правил использования антибиотиков. А вакцины, разработанные для защиты людей от патогенов в одной местности, могут не так хорошо работать в других районах. Возьмем, к примеру, ротавирусы - одну из самых распространенных причин диарейных заболеваний среди новорожденных и детей младшего возраста. Вакцина против ротавируса на 90% эффективна для профилактики заболевания в странах с высоким уровнем дохода, но лишь на 50-60% - в странах Африки и Южной Азии. Это может быть связано с различным иммунным ответом на вакцину из-за разного состава микробиоты у детей. Одним словом, исследователи, пытающиеся разработать терапию для борьбы с недоеданием или инфекционными заболеваниями, должны проводить исследования там, где будет применяться это вмешательство.
Как же можно ускорить исследования микробиома в странах с низким уровнем дохода? В настоящее время прогресс сдерживают многочисленные препятствия. Исследователи в странах с низким уровнем дохода часто не имеют транспортных услуг, морозильных камер для хранения образцов. Замораживание образцов обеспечивает целостность ДНК и РНК для секвенирования, а также жизнеспособность бактерий для культивирования. В странах с низким уровнем дохода часто отсутствуют вычислительные ресурсы, необходимые для анализа и хранения огромных массивов данных. У них также нет доступа к герметичным анаэробным шкафам, необходимым для культивирования анаэробных бактерий, архивирования культивированных организмов, секвенирования их геномов и определения их потребностей в росте и метаболических результатов. В этих странах также часто отсутствует оборудование, необходимое для проведения исследований на гнотобиотических мышах.
К этому следует добавить относительно высокую стоимость реагентов и длительное время ожидания их получения от производителей из-за проблем с таможней и логистическими цепочками. Возможно, самое важное то, что во многих странах с низким уровнем дохода люди не имеют достаточной подготовки и опыта, необходимых для формирования многопрофильной кадровой базы, способной проводить исследования микробиома.
Однако три шага могут устранить многие из этих барьеров.
Создание региональных центров передового опыта. В настоящее время проекты по изучению микробиома, как правило, берут образцы у доноров максимум в течение года или двух. Создание региональных центров передового опыта по изучению микробиома позволило бы исследователям в странах с низким уровнем доходов проводить долгосрочный отбор образцов микробной экологии в популяции (в течение десятилетий), а также картировать и сохранять микробное разнообразие на уровне штаммов. Эти центры также могут стать центром обмена данными, опытом и процедурами, как это делает Африканский центр передового опыта в области геномики инфекционных заболеваний, расположенный в Университете Редимера в Эде (Нигерия), в области инфекционных заболеваний.
На начальном этапе такие центры могут быть созданы при университетах или исследовательских институтах, уже имеющих определенную инфраструктуру, таких как Кенийский институт медицинских исследований в Найроби, Международный центр исследований диарейных заболеваний в Дакке или Университет Ага Хана в Карачи (Пакистан). Однако решения о том, где создавать такие центры, должны приниматься с учетом многих других факторов, в том числе влияния недоедания или инфекционных заболеваний, таких как холера или брюшной тиф, на конкретный район, а также политики местных властей, регулирующей отбор проб.
Создание коллекций микробных культур. После получения информированного согласия от лиц у которых берутся образцы, в том числе на долгосрочное использование образцов, исследователям в странах с низким уровнем дохода необходимо создать курируемые коллекции микробных культур, особенно микробиомов детей. Несколько примеров дают рекомендации о том, как исследователи могут привлекать заинтересованные стороны, включая участников исследования. Например, в 2015 году исследователи из США и Перу, которые хотели охарактеризовать микробиомы кишечника коренных жителей Перу, тесно сотрудничали с местными общинами. За это время они ознакомили лидеров общин с процедурами исследования, провели общественные собрания для консультаций, предоставили членам общины возможность наблюдать за тем, как ученые обрабатывают образцы, и объяснили первые результаты.
Культивируя отдельные штаммы из образцов и определяя, какие гены несет каждый изолят, исследователи могут создать эталонные геномы микроорганизмов, характерные для местного населения. Сравнивая эти геномы с геномами, полученными из других популяций, ученые могут выявить специфические для каждой популяции микробные модификации, например, связанные с рационом питания или особенностями грудного вскармливания. А связав геномы с культивированными изолятами и проведя над ними эксперименты, специалисты смогут выявить механизмы, лежащие в основе той или иной модификации. Высококачественные эталонные геномы могут даже использоваться для улучшения таксономического разрешения метагеномного профилирования, при котором исследователи последовательно исследуют миллионы коротких участков ДНК из образца, чтобы определить, какие виды и подвиды микроорганизмов там присутствуют.
Такие курируемые коллекции культур, связанные с высококачественными эталонными геномами и метагеномами, станут ценным ресурсом для исследований микробиома и, в конечном счете, проложат путь к разработке терапевтических средств на основе микробиома.
Содействие сотрудничеству. Прочные связи между академическими лабораториями Европы и Северной Америки с лучшими ресурсами и исследователями в странах с низким уровнем доходов будут иметь решающее значение. Такое сотрудничество должно охватывать не несколько лет, а десятилетия - особенно потому, что набор участников для многолетних исследований, сбор и анализ данных о микробиоме и связанных с ними метаданных, а затем подтверждение полученных результатов на животных моделях и в клинических испытаниях могут занять более десяти лет.
В последние несколько лет активизировались усилия по обеспечению равноправного обмена геномными данными и инструментами анализа между всеми участниками сотрудничества. Тем не менее, международное законодательство, такое как Нагойский протокол 2010 года, который стремится обеспечить справедливый доступ к генетическим ресурсам, может затруднить участие ученых, работающих в странах с низким уровнем дохода, в международных коллаборациях.
Некоторые страны, подписавшие Нагойский протокол, не предоставляют исследователям инструкций о том, какие шаги необходимо предпринять на практике. Кроме того, работа с юристами по составлению соглашений о передаче материалов из одной страны в другую может занимать месяцы и стоить тысячи долларов. В будущем необходимы более прозрачные, стандартизированные и эффективные, но этически обоснованные процедуры.
До тех пор пока терапевтические препараты на основе микробиома будут разрабатываться, производиться и поставляться организациями за пределами стран с низким уровнем дохода, многие экономические и социальные выгоды от таких методов лечения, вероятно, не достигнут тех сообществ, которые больше всего в них нуждаются. И наоборот, более глубокое понимание состава, функций и эволюционных сил, действующих в кишечнике и других микробиотах людей из различных регионов, может улучшить долгосрочные показатели здоровья для всех.
