Мифы и заблуждения о микробиоме человека
#патобионты #дисбиоз #микробиом
За последние два десятилетия исследования микробиома человека пережили бурный рост, и в настоящее время ежегодно публикуются тысячи научных работ по этой тематике.
Огромные средства были потрачены на изучение микробиома человека в качестве причины или потенциального терапевтического решения для широкого спектра заболеваний, включая воспалительные заболевания кишечника и кардиометаболические состояния. Усиление внимания к исследованиям микробиома, несмотря на то, что они действительно интересны, к сожалению, также привело к шумихе и укоренило некоторые заблуждения. В результате многие неподтвержденные или недостаточно подтвержденные утверждения стали "фактами" в силу постоянного повторения. Некоторые из них более распространены, чем другие, а некоторые достаточно банальны, но в совокупности они свидетельствуют о том, что дезинформация широко распространена в литературе по микробиому человека.
Учитывая потенциальную важность микробиомов человека для здоровья, очень важно, чтобы утверждения основывались на доказательствах. В данной статье представлены существующие и возникающие мифы и заблуждения о микробиоме, а также фактические неточности. В начале обзора рассматриваются относительно незначительные, но наглядные моменты, а затем поднимаются вопросы, имеющие более серьезное потенциальное влияние. Мы намеренно стараемся избегать ненужных обвинений в адрес первоисточников ошибочной информации и надеемся, что наши выводы и критическая оценка окажутся полезными для данной области.
Исследования микробиома - это "новая область"
За последние 15 лет темпы исследований микробиома человека значительно ускорились, однако эта область не находится в зачаточном состоянии. Утверждая это, мы не учитываем результаты замечательных исследований, которые предшествовали появлению высокопроизводительных методов секвенирования ДНК. Действительно, богатая история исследований микроорганизмов, ассоциированных с человеком, началась, по крайней мере, с конца XIX века. Впервые Escherichia coli была выделена в 1885 году, бифидобактерии были описаны в 1899 году и о важности полезных микроорганизмов в кишечнике Мечников высказался еще в начале 1900-х годов. Аналогичным образом, такие понятия, как ось "кишечник-мозг", исследуются уже несколько столетий, а о влиянии на здоровье ключевых метаболитов, связанных с микробиомом, таких как короткоцепочечные жирные кислоты, впервые было сообщено более 40 лет назад.
Термин "микробиом" ввел Джошуа Ледерберг
Несмотря на то что нобелевский лауреат Джошуа Ледерберг добился многих значительных успехов в своей карьере, слово "микробиом" придумал не он. Это часто повторяемое утверждение было подробно опровергнуто в других работах, где приводились доказательства того, что в современном контексте это слово использовалось более чем за десять лет до того, как Джошуа Ледерберг впервые употребил его в 2016 году. Несмотря на относительную банальность, этот миф служит примером того, как легко ложные сведения укореняются в литературе по микробиому человека.
На грамм фекалий человека приходится 1012 бактериальных клеток
Эта цифра часто упоминается в литературе по микробиому, однако ее источник установить трудно. Однако, возможно, она была получена при подсчете фекальных клеток по сухому, а не по влажному весу. Как бы то ни было, это неверно. Реальная цифра, полученная с помощью различных методов, таких как прямой подсчет клеток, флуоресцентная гибридизация in situ, проточная цитометрия и количественная полимеразная цепная реакция (qPCR), обычно составляет от 1010 до 1011 микробных клеток на грамм фекалий во влажном состоянии.
Микробиота человека весит от 1 до 2 кг
Хотя это утверждение неоднократно упоминается в литературе, оно часто приводится без ссылок, и нам не удалось найти первоисточник для его обоснования. Большая часть микробиоты человека обитает в толстой кишке, и на долю этих микроорганизмов обычно приходится менее половины массы твердых фекальных масс. Средний вес стула человека составляет менее 200 г (влажный вес), а общее количество содержимого толстой кишки колеблется от 83 до 421 г в небольшом исследовании, проведенном среди жертв внезапной смерти. Поэтому, за исключением, возможно, редких случаев тяжелых запоров у людей с чрезвычайно уплотненным фекальным веществом в толстой кишке, общий вес микробиоты человека, скорее всего, не превышает 500 г, а в некоторых случаях может быть даже значительно ниже этого значения.
Соотношение микробиоты с человеческими клетками более 10:1
Этот миф, пожалуй, один из самых распространенных в литературе о микробиоме человека, и мы также некритично повторяли его в прошлом (мы, к сожалению, не застрахованы от мифологии). Однако в одной из замечательных работ было показано, что этот миф, по-видимому, возник на основе расчетов "на скорую руку" в 1970-х годах. Более детальный анализ показывает, что истинная цифра, хотя и впечатляющая, скорее всего, ближе к соотношению 1:1. Следует отметить, что это соотношение может быть различным у разных людей и зависит от таких факторов, как размер тела хозяина и количество фекалий, которые он несет в своей толстой кишке. Современные оценки также в значительной степени основаны на наблюдениях за взрослыми людьми, проживающими в урбанизированных странах с высоким уровнем дохода. Более полные оценки потребуют изучения людей с более низким уровнем дохода или из сельской местности, а также на протяжении всей жизни.
Микробиота наследуется от матери при рождении.
Хотя варианты этого утверждения чаще встречаются в научно-популярных статьях, чем в научной литературе, оно является примером того, что при описании микробиоты человека очень важны нюансы. Хотя некоторые микроорганизмы непосредственно передаются от матери к ребенку во время рождения, пропорционально мало видов микробиоты являются действительно "наследуемыми" и сохраняются в потомстве от рождения до взрослого возраста.
Действительно, большая часть диверсификации микробиоты кишечника происходит после рождения, в течение первых нескольких лет жизни, и наиболее резко увеличивается после отлучения от груди. Каждый взрослый человек в итоге имеет уникальную конфигурацию микробиоты, даже однояйцевые близнецы, выросшие в одной семье. Поэтому, несмотря на то, что формирование микробиоты еще не до конца изучено, микробные сообщества взрослого человека, по-видимому, формируются преимущественно под влиянием предшествующих стохастических воздействий окружающей среды, а также множества других факторов, таких как диета, антибиотикотерапия и генетика хозяина, а прямое "наследование" от матери при рождении играет не столь значительную роль.
Причиной большинства заболеваний является "патобиом"
В последнее время в литературе все чаще можно встретить это утверждение. Под этим термином в широком смысле понимается пагубное взаимодействие между микробными сообществами и их хозяевами, приводящее к заболеванию. К сожалению, этот термин является слишком упрощенным и по своей сути ошибочным. Микроорганизмы и их метаболиты не являются ни "хорошими", ни "плохими", они просто существуют. Их воздействие на нас как на хозяев в значительной степени зависит от контекста. Микроорганизмы или метаболиты, которые являются вредными в одном контексте, могут не причинять вреда в другом. Например, Clostridioides difficile может существовать бессимптомно в течение всей жизни и вызывать проблемы только в пожилом возрасте, когда у носителя ослаблен иммунитет и он получает лечение антибиотиками. Аналогичным образом, штамм E. coli может быть относительно безвреден в толстой кишке, но при попадании в уретру вызвать инфекцию мочевыводящих путей.
В результате термин "патобиом" остается расплывчатым и не обладает достаточной точностью, чтобы быть действительно полезным в клинической практике. Однако верно, что многочисленные заболевания человека коррелируют с изменениями в составе микробиоты. Иногда это называют "дисбиозом", что также является расплывчатым термином с ограниченной применимостью в клинической практике. Вполне вероятно, что это может способствовать в прогрессирование заболевания при некоторых состояниях, включая воспалительные заболевания кишечника, однако такие изменения редко бывают постоянными, а микробиота очень сильно варьирует у разных людей, как в состоянии здоровья, так и в болезни. Это делает крайне сложным определение конфигураций микробиоты кишечника с требуемой для клинической практики специфичностью и воспроизводимостью.
Кроме того, корреляция изменений микробиома кишечника с системными маркерами или данными сопряжена с определенными трудностями. При этом часто не учитываются такие факторы, как возраст, индекс массы тела, пол и прием лекарств, такие факторы, как взаимодействие микробных сообществ, или изменения, которые происходят в результате иммунологических, метаболических или других функциональных изменений в организме хозяина, но не являются непосредственно причинно-следственными. Попытки определить "критические точки", когда изменения в составе микробиома однозначно влияют на прогрессирование заболевания, до сих пор не привели к единому консенсусу из-за отсутствия согласованности между различными исследованиями. Поэтому делать вывод о том, что характерный "патобиом" играет роль в большинстве заболеваний, - это поспешный и пока не обоснованный вывод.
Соотношение Firmicutes\Bacteroidetes изменяется при ожирении
Как и в предыдущем разделе, это широко распространенное, но ошибочное утверждение основано главным образом на исследованиях на грызунах, а также на результатах единичных или недостаточно полных исследований на людях. Однако, как и во многих других исследованиях, в которых сообщается о связи между специфическими профилями микробиоты и заболеваниями, воспроизводимость результатов невелика. Действительно, в настоящее время проведено по меньшей мере три мета-анализа, в которых сообщается, что эти результаты не согласуются между исследованиями на людях и что на самом деле не существует воспроизводимых микробных таксономических признаков ожирения у человека.
Это заблуждение также отражает нежелательную тенденцию рассматривать профили микробиоты на основе сиквенсов на очень широких таксономических уровнях, таких как филы. Хотя это и привлекательно с точки зрения упрощения данных, но не позволяет учесть огромную и присущую отдельным филам изменчивость. Если провести грубую аналогию, то человек, птица, рыба, рептилия и даже морская капуста относятся к филу Chordata, но при этом имеют совершенно разную физиологию, образ жизни и влияние на окружающую среду.
Более того, это утверждение также основывалось на данных о последовательностях ДНК, основанных на относительной численности. Композиционные данные по-прежнему полезны и могут хорошо коррелировать с абсолютными количественными показателями, полученными с помощью таких методов, как qPCR. Однако в некоторых исследованиях высказывается мнение, что корреляции, основанные на относительной численности, могут потерять свою значимость, если в анализ включается и абсолютная численность микроорганизмов. В дальнейшем более широкое включение данных абсолютного количественного анализа может помочь сделать выводы, основанные на композиционном анализе, более надежными.
Микробиом кишечника функционально избыточен
Это утверждение основывается на результатах исследований, показавших, что, хотя таксономический состав метагенома человека может сильно различаться, профили предсказания функциональных генов остаются удивительно согласованными. Мы считаем, что это, по крайней мере, отчасти артефакт, поскольку такие функциональные сравнения обычно проводятся после отбрасывания значительной части метагеномных данных, которые не соответствуют референсным базам данных. Значительная часть тех данных, которые попадают в эти базы, скорее всего, происходит от общих генов "домашнего хозяйства" и/или хорошо охарактеризованных генов, которые встречаются у многих различных бактерий и также относительно хорошо представлены в референсных базах данных.
Таким образом, сравнительный анализ не позволяет точно уловить специализированные или менее хорошо изученные функции. Поэтому истинное положение вещей более нюансировано. Хотя есть важные функции, которые сохраняются у многих видов микробиоты человека, например, производство короткоцепочечных жирных кислот, существует множество ключевых функций, которые выполняются только относительно небольшим числом видов микробиоты. В качестве примера можно привести деградацию оксалатов и резистентного крахмала. В отсутствие ключевых видов такие функции не всегда могут быть полностью замещены другими членами микробиоты.
Секвенирование всегда беспристрастно
Несмотря на то что методы, основанные на секвенировании, стали революционными для исследования микробиома, они не являются совершенными. Погрешности могут возникать на каждом этапе исследований, основанных на секвенировании, - от сбора и хранения образцов, лабораторных этапов, таких как выделение ДНК, до выбора биоинформационных конвейеров и эталонных баз данных, используемых для анализа данные. Сравнение исследований микробиоты с использованием сиквенсов и культур показало, что при использовании сиквенсов полностью не удается обнаружить некоторые виды, которые удается обнаружить только при использовании традиционных методов культивирования. Современные подходы на основе последовательностей обладают огромным потенциалом, но, как и все другие методы, они не являются беспристрастными. Для оптимальной интерпретации результатов важно знать об ограничениях, присущих тому или иному методу.
Нам нужны стандартизированные методики
Это мнение широко распространено в области микробиома и вполне обосновано стремлением упростить и сделать более надежным сравнение результатов различных исследований. Однако, как уже говорилось выше, идеальных методик не существует, и все они в той или иной мере необъективны. Если все в мире используют одну и ту же методику, то все одинаково слепы к ограничениям этого конкретного подхода.
Существует также проблема выбора протокола, который должен использоваться всеми. Например, сравнение результатов проекта "Микробиом человека" и проекта MetaHIT показало разительные различия в профилях микробиома и показало, что протокол проекта "Микробиом человека" был менее эффективен при выделении ДНК эукариот и грамположительных бактерий. На самом деле выбор "лучшего" метода зависит от структуры микробного сообщества в конкретном образце, а она может сильно различаться у разных людей и в разных участках тела. По этим причинам мы, как и другие, утверждаем, что оптимизация и верификация результатов, основанных на сиквенсах, с помощью дополнительных подходов предпочтительнее, чем требование, чтобы все пользовались одним и тем же методом.
Дополнительным преимуществом многоплановых исследований с использованием различных методов и исследовательских платформ является то, что они позволяют более полно понять механику ассоциаций между микроорганизмами и фенотипами хозяина. Повышение прозрачности при представлении информации о методологии выборе вариантов было бы полезно для сравнения результатов различных исследований. Например, недавно опубликованные рекомендации STORMS (Strengthening the Organization and Reporting of Microbiome Studies) могли бы существенно помочь в этом процессе, если бы были приняты повсеместно.
Большая часть микробиоты человека "некультивируема"
Внедрение высокопроизводительных технологий, основанных на изучении последовательностей, также сопровождалось заявлениями некоторых специалистов о необходимости использования этих методов, поскольку большинство микроорганизмов, ассоциированных с человеком, не могут быть культивированы в лабораторных условиях. На самом деле достаточно большая часть бактериальной и архейной составляющей нашей микробиоты уже культивируется (вирусы и грибы по-прежнему представлены недостаточно), а в пионерских работах, выполненных еще в 1970-х годах, была установлена возможность культивирования широкого разнообразия видов микробиоты кишечника человека.
По мере увеличения производительности лабораторных исследований продолжают культивироваться многие другие виды. Это означает, что существующие пробелы в коллекциях культур, по крайней мере, частично объясняются отсутствием предыдущих усилий, а не врожденной "некультивируемостью". Несмотря на то, что культивирование, безусловно, трудоемко, имеет свои особенности и часто требует дорогостоящего специализированного оборудования и сред, у культивирования микроорганизмов есть очевидные преимущества. К ним относятся проведение механистических экспериментов, проверка геномных предсказаний и разработка новых терапевтических средств. Учитывая важность продолжения работы с культивированием для развития исследований микробиома, отрадно, что этот миф стал менее распространенным в последние годы после публикации вышеупомянутых высокоэффективных исследований, доказывающих его ложность. Однако он служит прекрасным примером того, что ранее широко принятые догмы иногда просто не соответствуют действительности.
Выводы
Область микробиома обширна, и существует множество других спорных тем, которые также можно было бы включить в этот раздел. Однако знания по многим из них продолжают развиваться, поэтому мы сосредоточились на концепциях, по которым, на наш взгляд, существует прочная доказательная база для опровержения мифов и заблуждений. Хотя некоторые из приведенных выше положений могут показаться тривиальными, мы утверждаем, что точность таких сведений имеет значение. Если мы постоянно повторяем ложные сведения о незначительных деталях, можно ли полагаться на нашу точность при освещении более важных вопросов?
Мы надеемся, что, проиллюстрировав лишь несколько примеров мифов и заблуждений о микробиоме, мы сможем привлечь внимание к потенциальным проблемам чрезмерного упрощения и недостаточной критической оценки в литературе о микробиоме. Учитывая многочисленные потенциальные последствия для здоровья, огромный объем финансирования и повышенный интерес общественности к микробиому, отказ от необоснованных утверждений крайне важен, если мы хотим избежать траты ограниченных ресурсов на непродуктивные исследования и подрыв общественного доверия к нашим выводам.
