Смотри, что у тебя внутри. Как микробы, живущие в нашем теле, определяют наше здоровье и нашу личность Найт Роб

6. Антибиотики

Узнав, какую важную роль микроорганизмы играют во всех аспектах нашей жизни, мы должны спросить себя: стоит ли использовать антибиотики так часто, как мы это обычно делаем?

Мы с Амандой впервые принесли нашу дочь к врачу, когда ей было всего несколько дней. Педиатр сформулировала вопрос с дипломатичностью ветеринара, опасающегося, как бы льву, которому он собирается лечить зубы, не дали слишком маленькую дозу снотворного.

“Как вы знаете, – сказала она, – по поводу вакцинации существует большой разброс мнений. А как мы к этому относимся?”

Переглянувшись, мы ответили: “Мы хотим, чтобы наша дочь получила все полагающиеся прививки, большое спасибо”. Центры по контролю и профилактике заболеваний США издают рекомендованный график иммунизации детей.

Я не виню доктора. Она просто реагировала на (неадекватные) страхи общества, часть которого – пациенты педиатров. Меня поражает, как сильно люди беспокоятся из-за прививок и как мало – из-за антибиотиков.

Взять хотя бы обстоятельства рождения нашей дочери. Перед тем как сделать Аманде экстренное кесарево сечение, ей вкололи антибиотики. А через несколько минут после появления нашей дочери на свет доктор закапал малышке антибиотики в глаза. У нас никто ничего не спрашивал – они просто это сделали. Это стандартная процедура, направленная на защиту от передающегося половым путем заболевания – гонореи, которая может вызвать конъюнктивит у новорожденных[125].

Мы были абсолютно уверены, что у нас нет никакой гонореи. Но самое главное – об антибиотиках мы узнали уже постфактум. Сейчас применение антибиотиков стало настолько рутинным, что пациентов о нем даже не предупреждают. Люди с ума сходят из-за вакцинации, хотя почти все ужасы, которые о ней рассказывают, не имеют под собой научного основания или уже опровергнуты. Например, данные о том, что некоторые вакцины якобы вызывают аутизм, оказались полностью ложными, статья, в которой они были приведены, отозвана, а ее автору в его родной Англии запретили заниматься медициной[126]. Конечно, у прививок тоже есть риски, но эти риски хорошо изучены и относительно редки: серьезные реакции встречаются примерно в одном случае на миллион[127].

И при этом давно ли вам приходилось слышать об отказе от антибиотиков? А ведь они гораздо менее эффективны, чем вакцины. В то время как эффективность прививок против многих болезней составляет минимум 90 %, антибиотики становятся все менее эффективными (отчасти из-за их неправильного использования) и резистентность к этим препаратам встречается все чаще[128]. Все это очень красноречиво описал Марти Блейзер, врач-микробиолог из Университета Нью-Йорка, в своей книге[129] “Недостающие микробы: как чрезмерное использование антибиотиков провоцирует современные эпидемии”. (Печальный факт: более 70 % бактерий, вызывающих инфекции в больницах США, устойчивы по крайней мере к одному из антибиотиков, обычно используемых для их лечения[130].)

Блейзер утверждает – и многие с ним соглашаются – что антибиотики по действию можно сравнить с напалмом. Они действуют сразу на множество организмов внутри нас, уничтожая наше микробное наследие, и последствия этого для нашего личного и общественного здоровья мы еще только начинаем осознавать.

Антибиотики – это яды, просто они более токсичны для бактерий, чем для человека. Биохимически бактерии во многом отличаются от нас. Иногда эта разница проявляется в форме общих молекул, таких как рибосомы, которые вырабатывают белок. В других случаях это могут быть молекулярные механизмы, которые есть у них, но нет у нас: например, энзимы, синтезирующие клеточные стенки, не имеют аналогов в клетках млекопитающих. Антибиотики влияют на самые основы жизни бактерий: синтез белка; деление; синтез клеточной стенки; транспортировку питательных веществ в клетку и другие жизненно важные процессы. Иногда антибиотики проделывают дырку в клеточной стенке или мембране, из которой, как из прорванного пакета, вытекают необходимые клетке вещества[131].

Антибиотики относительно безопасны для нас, потому что они нацелены на процессы жизнедеятельности микробов и не затрагивают большую часть наших клеток. Но есть другие опасности: помимо нецелевого уничтожения как “плохих”, так и “хороших” бактерий, нам следует опасаться, что бактерии смогут перехитрить лекарства.

Патогенные микроорганизмы способны приспосабливаться к антибиотикам. Бактериальные популяции могут размножаться с огромной скоростью, что позволяет им быстро и гибко реагировать на эволюционное давление. Антибиотики – один из видов этого давления. И что еще страшнее, часто бактерии в этой гонке имеют фору, потому что уже сталкивались с антибиотиками. Мы не изобретаем антибиотики с нуля; скорее, мы находим их аналоги в окружающей среде. Многие из соединений, которые становятся основой для антибиотиков, уже используются микробами, особенно почвенными, для коммуникации во внешней среде[132]. Поскольку бактерии раньше уже сталкивались с этими веществами, многие виды микроорганизмов обладают некоторой, пусть низкой, устойчивостью к ним. Но при частом воздействии антибиотиков происходит селекция, и у видов бактерий, в том числе наиболее опасных, вырабатывается более высокий уровень устойчивости, или резистентность.

Причем беспокоиться надо не только о бактериях, связанных с человеком. Устойчивые к антибиотикам гены очень легко передаются при половом размножении бактерий. А бактерии невероятно плодовиты, они, выражаясь нашим языком, ведут чрезвычайно беспорядочную половую жизнь, причем скрещиваются как с ближними, так и с очень дальними родственниками. В итоге, если применять антибиотики в животноводстве, это может привести к тому, что резистентные к ним микробы окажутся в нашем организме[133].

Одно дело, если бы антибиотики использовались только для лечения заболевших животных, как для лечения больных людей. Но еще в 1950-х годах фермеры заметили, что низкие – ниже терапевтических – дозы антибиотиков способствуют быстрому росту и набору веса у животных. Поэтому в США домашний скот получает низкие дозы антибиотиков исключительно в целях стимулирования роста, а следовательно, повышения коммерческой ценности животных.

С точки зрения устойчивости к антибиотикам – это наихудший сценарий. В то время как высокие дозы антибиотиков убивают (почти) все бактерии, низкие дозы делают микроорганизм немного более устойчивым, и когда какая-то бактерия начнет по-настоящему угрожать нашей жизни, окажется, что мы сами научили ее бороться с нашим главным оружием. Хуже того, резистентные микроорганизмы выживают, распространяются по всем отраслям сельского хозяйства, могут переходить от одного вида к другому и в конце концов заражают человека[134]. Вот почему в 2006 году Евросоюз наложил запрет на использование антибиотиков для стимулирования роста животных.

Вы можете подумать: если низкие дозы антибиотиков заставляют животных набирать вес, то не действуют ли они аналогичным образом и на нас? В конце концов, следы антибиотиков в окружающей среде обнаруживаются повсюду, в том числе в питьевой воде.

Чтобы это выяснить, Блейзер и его коллеги проверили, увеличивается ли вес мышей, получавших низкие дозы антибиотиков, по сравнению с обычными мышами. Оказалось, что это действительно так и антибиотики действуют на мышей так же, как и на домашний скот[135]. Ученые также проверили, вызывают ли повторяющиеся курсы высоких доз антибиотиков (такие применяются, скажем, для лечения ушных инфекций у детей) рост массы тела у мышей. И вновь получили положительный ответ[136]. Второй этап исследования Блейзер проводил вместе с эпидемиологами, изучающими тенденции в изменении здоровья популяции в целом. Их интересовало, не набирали ли избыточный вес в течение жизни люди, которых в раннем детстве лечили антибиотиками. И снова ответ был “да”: получение антибиотиков в первые шесть месяцев жизни четко коррелирует с избыточным весом[137]. Как мы уже говорили во второй главе, антибиотики очень сильно влияют на развитие микрофлоры ребенка, и здесь может корениться связь с последующим ожирением.

Меня особенно беспокоит действие антибиотиков на микробиоту новорожденных. Даже короткое лечение их антибиотиками вызывает значительные изменения в составе кишечных бактерий. Самая большая опасность здесь, возможно, заключается в том, что антибиотики нарушают нормальный порядок заселения организма (его колонизацию) полезными бактериями Bifidobacterium. Эта колонизация играет важную роль в развитии иммунной системы ребенка. Тем самым применение антибиотиков на ранних этапах жизни повышает риск развития аллергии и астмы из-за уменьшения благотворного воздействия микробного сообщества. Одно крупное многоцентровое исследование показало связь между использованием антибиотиков в первый год жизни и симптомами астмы, риноконъюнктивита (сенной лихорадки) и экземы у детей в возрасте шести-семи лет[138]. Раннее применение антибиотиков, возможно, играет также роль в стремительном росте аллергий на различные пищевые продукты у американских детей. Группа исследователей из Университета Чикаго недавно показала, что молодые мыши, получавшие антибиотики, более склонны к развитию аллергии на арахис. Но им помогает внесение определенных видов распространенных микроорганизмов рода клостридий, которые, по всей вероятности, блокируют попадание арахисовых белков в кровь животного[139].

Это вовсе не означает, что антибиотики вообще не нужно принимать. Они спасли и спасают множество жизней и во многих случаях представляют собой единственное эффективное лечение. По иронии судьбы, одна из самых больших проблем с антибиотиками заключается в их быстродействии – во многих случаях вы почти сразу испытываете облегчение. Отчасти этим объясняется, почему люди относятся к антибиотикам гораздо лучше, чем к вакцинам. Прививки делают, когда человек здоров, и они уменьшают риск заболеть в отдаленном будущем – у них отложенный и неявный эффект. Другое дело – антибиотики: вы больны уже сейчас, вам плохо, вы принимаете лекарство, и очень скоро вам становится лучше. Но здесь-то и кроется опасность – вы начинаете чувствовать себя лучше, но в вас еще множество бактерий, которые смогли пережить первые дозы препарата. Если вы, как только вам станет чуть полегче, прекращаете принимать антибиотик, то тем самым вы даете оставшимся бактериям шанс не только выжить, но и выработать полную устойчивость к нему. То есть в следующий раз этот антибиотик может уже не сработать, и вы будете продолжать болеть и при этом заражать окружающих. Поэтому не прекращайте прием антибиотиков раньше, чем предписано врачом: если вы начали, то должны пройти полный курс.

Ко всему прочему, мы усугубляем проблему неправильным выбором препарата. Я столкнулся с этим, когда моей дочке было около года. У нее была повторяющаяся стафилококковая инфекция – сыпь в области паха. Очередное обострение случилось под Новый год, и мы повезли ее в больницу, где выяснилось, что ее педиатр в отпуске. Новый доктор, осмотрев девочку, сказал, что это похоже на стафилококк. Я сказал, что, видимо, он прав, потому что в предыдущих двух случаях это действительно был стафилококк – и вот опять. С другой стороны, предположил доктор, возможен и стрептококк. В любом случае первая помощь будет одна и та же: принять амоксициллин. Доктор сказал, что они возьмут пробу и посеют культуру, и через три дня мы узнаем точный ответ. Мы получили рецепт, дали дочери лекарство, и раздражение прошло. Антибиотики – потрясающая штука, когда они работают.

Третьего января в восемь утра нас разбудил телефонный звонок доктора. Вернувшись на работу после праздников и просмотрев результаты лабораторных анализов, он обнаружил, что стафилококк нашей дочери устойчив к пенициллину. Поскольку в этом случае амоксициллин должен был быть неэффективен, доктор беспокоился, не ухудшилось ли состояние нашей девочки. Но амоксициллин тем не менее сработал, а годовалые дети слишком простодушны для того, чтобы на них действовал “эффект плацебо”.

Узнав, что сыпь все же прошла, доктор объяснил это тем, что лаборатория проводила тест на пенициллин, а амоксициллин все-таки от него отличается, хотя эти антибиотики относятся к одной группе. Возможно также, что устойчивый к антибиотику стафилококк находился только на поверхности, но не в глубине пузырьков сыпи.

Вся эта история показывает, насколько примитивны сегодняшние диагностические методы по сравнению с теми потрясающими вещами, которые мы умеем делать в лаборатории. Аппарат секвенирования ДНК, который стоит в том же здании, где находится моя лаборатория, мог бы выполнить те же самые анализы гораздо быстрее и выдать гораздо более детальные результаты. Больница не виновата: приборы и методы, которые мы используем в лаборатории, еще не получили одобрения Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США.

Поскольку бактериальные инфекции могут угрожать жизни и не могут быть быстро диагностированы, антибиотики часто прописывают даже в тех случаях, когда вероятность, что болезнь вызвали именно те бактерии, против которых направлен антибиотик, достаточно низка. Если добавить к этому требования обеспокоенных пациентов или их родителей, а также “эффект плацебо”, то понятно, что антибиотики выписывают гораздо чаще, чем это действительно нужно. В какой-то мере это объяснимо: если считать, что антибиотики относительно безопасны, потому что они не наносят нашим организмам немедленного и очевидного вреда, то почему бы не выписывать их просто на всякий случай?

Однако лечение антибиотиками может иметь коварные долгосрочные последствия: с каждым приемом они становятся все менее эффективными и при этом способствуют появлению штаммов устойчивых резистентных бактерий, которые угрожают населению в целом. Кроме того, антибиотики широкого спектра действия, такие как амоксициллин и ципрофлоксацин, нацеленные на обширный спектр видов, уничтожают весь наш микробиом, а не только патогенные микроорганизмы, от которых мы пытаемся избавиться.

Вырваться из этого круга поможет только более качественная и быстрая диагностика. Уже разработана технология так называемой полимеразной цепной реакции (ПЦР), которая позволяет относительно быстро и с высокой достоверностью выявлять ряд патогенных микроорганизмов. Она особенно полезна в тех случаях, когда нужно отличить бактериальную инфекцию от вирусной, против которой антибиотики бессильны (вирусы имеют другую природу, чем бактерии, так что, если вы подхватили вирус, вам нужны соответствующие противовирусные препараты). Будем надеяться, что в ближайшем будущем эта технология перекочует из научно-исследовательских лабораторий в больницы.

Если у вас бактериальная инфекция, то для ответа на вопрос, насколько опасен данный штамм и устойчив ли он к антибиотикам, потребуется культивирование, антитела и анализ ДНК. Это займет несколько дней, а к тому времени может быть слишком поздно. Новые, более быстрые технологии, такие как лазерная масс-спектрометрия (использующая выгорание образца и очень точное взвешивание на молекулярном уровне) и усовершенствованное секвенирование ДНК, могут ускорить этот процесс и спасти многие жизни. Эти технологии уже на горизонте: пока что они имеются только в научно-исследовательских лабораториях, но уже через несколько лет можно будет провести клинические испытания и получить одобрение FDA. Пусть эти технологии не были доступны для моей дочери в начале ее жизни, но я настроен оптимистично: к тому времени, когда она вырастет, медицина станет гораздо умнее. Если мы сумеем использовать антибиотики только при необходимости и очень селективно, мы не только пролонгируем полезное действие антибиотиков, но и нанесем меньший ущерб своим микробиомам.

7. Будущее

К тому времени, когда вы будете читать эти строки, мы будем знать о микробиоме уже гораздо больше, чем сейчас, когда пишется эта книга. Скорость, с которой развивается наука о микробах, столь же удивительна, как и те открытия, которые она совершает: открытия, которые обещают переосмыслить и углубить понимание того, как работают наши тела – и даже наш разум.

За какие-то несколько лет мы прошли путь от простой констатации того факта, что в нашем теле больше микробных клеток, чем человеческих, до открытия, что количество их генов во много раз превышает количество наших. И сейчас мы двигаемся еще дальше – к осознанию того, что скоро при помощи микробов мы сможем объяснить почти все неразгаданные до сих пор загадки нашего здоровья и наших болезней. Лишь в последние пару лет благодаря резкому удешевлению технологий каждый человек получил возможность при желании определить свое место на микробной карте и узнать, как он связан с другими людьми. Сегодняшний день – это необычайно интересное время для изучения микробов, и все, что нужно, чтобы начать это изучение, – взять у себя мазок ватной палочкой.

Новый передний край науки изучения микробов находится за пределами нашего организма. Мы начинаем исследовать всемирную связь микробов. Те же технологии, которые позволяют нам расшифровать микробиом человека, можно приложить к изучению домашних животных, скота, диких животных и планеты в целом. Вооруженные этими новыми знаниями, мы можем рассматривать микробов как сеть, соединяющую здоровье людей и животных и окружающую среду, – и, возможно, в конце концов мы сможем понять, как улучшить микроскопические экосистемы, в которых живем мы и которые живут в нас.

Нас ждет много интереснейших потенциальных прорывов. Вот чего можно ожидать:

• будут разработаны основанные на вашем микробиоме тесты, которые предскажут, как вы будете реагировать на те или иные обезболивающие и сердечные препараты и искусственные подсластители;

• мы будем лучше понимать, как наше тело, в том числе его микробы, реагирует на диеты и физические упражнения и что лично вы должны сделать, чтобы стать более здоровым;

• мы будем лучше понимать, как работает фекальная трансплантация: можно ли использовать кал любого человека, или нужно тщательно подбирать донора для каждого пациента? И можно ли использовать фекальную вытяжку в виде пилюль? (Хорошо-хорошо, я понимаю, что такая перспектива может вдохновить только микробиолога.)

А на горизонте уже маячат еще более провокационные вопросы:

• Можем ли мы создать микробные сообщества, которые будут предотвращать ожирение у людей, подобно тому, как мы уже умеем предотвращать его у мышей?

• Можем ли мы создать микробные сообщества, которые будут жить у нас на коже и отпугивать комаров? (У Аманды к этой проблеме свой, поистине шкурный, интерес.)

• Можно ли использовать микроорганизмы не только для диагностики, но и для лечения широкого круга заболеваний, к которым, как мы теперь знаем, они имеют самое прямое отношение?

Нам предстоит еще долгий путь в мир микробов, и на этом пути нас ожидает множество открытий. Мы уже очень хорошо умеем определять, какие микроорганизмы присутствуют в конкретной экосистеме, но мы еще очень мало знаем о том, чем именно они занимаются, как общаются между собой или с нами. Мы также не знаем, какими могут быть непредвиденные последствия нашего вмешательства, будь то использование антибиотиков с целью избавиться от вредных бактерий или введение в организм новых видов микробов (при изменении диеты, контактах с новыми людьми или животными, окружающей средой в целом). Сегодня проблема во многом состоит в том, что мы изменяем свой микробиом каждый день, однако делаем это произвольно и нецеленаправленно. Огромные возможности науки о микробах по-настоящему откроются, когда мы поймем, что нужно делать, чтобы достичь желаемого эффекта в существующей внутри нас экосистеме.

Чтобы приблизиться к ответу на эти вопросы, сотни ученых участвуют в проектах “Микробиом человека”, “Микробиом Земли” и “Нутро Америки” (American Gut) вместе с тысячами добровольцев, которые поддерживают эти исследования и денежными пожертвованиями, и предоставлением своих биологических материалов.

Проект “Микробиом человека” (так же, как и известный проект “Геном человека”) направлен на составление генетического реестра здорового микробиома и отклонений, которые характерны для определенных заболеваний. Проект “Нутро Америки” (American Gut) стремится расширить этот реестр, повышая разнообразие путем привлечения огромного количества участников, больных и здоровых. Проект “Микробиом Земли” надеется выйти за пределы человеческого организма и изучить микробные сообщества в экосистемах нашей планеты.

Все три проекта – это не только новаторские концепции, но и практические предприятия: они нацелены на то, чтобы мы поскорее смогли перейти от описания к предписанию, от научных статей к рецептам. Предстоящие исследования создадут не просто подробную карту микрофлоры человека, но также нечто вроде микробного GPS – руководства, которое подскажет, где мы находимся, куда хотим попасть и как туда добраться.

Приложения

“Нутро Америки” (American Gut)

Вы хотите узнать больше подробностей о собственном микробиоме? Определить свое место на подробной карте микрофлоры? Тогда у меня для вас есть предложение.

В 2012 году, вскоре после Дня благодарения (когда очень многие по необходимости вспоминают о том, что у них есть кишечник), мы с микробиологом Джеффом Личем основали проект, который назвали “Нутро Америки” – American Gut[140]. Он открывает для широкой публики возможности тех технологий, которые мы уже прежде использовали в проекте “Микробиом человека”.

Прорыв, который произошел в последние годы в технологии ДНК-секвенирования, во много раз удешевил этот метод. Проект осуществляется в рамках “гражданской науки”, то есть с привлечением широкого круга добровольцев, которые необязательно должны иметь специальную подготовку. И сегодня мы можем предложить вам, заинтересованному гражданину и любознательному естествоиспытателю, возможность за весьма скромную плату принять участие в захватывающем исследовании. Пожертвовав проекту 99 долларов или более, вы можете проанализировать образец вашего микробиома. Если вы пожертвуете большую сумму, то вам будет доступна услуга, которую мы назвали “Неделя фекалий”. Цель проекта – разобраться, какие микробиомы существуют в каждом человеке.

Насколько нам известно, American Gut – наиболее крупный из краудфандинговых проектов “гражданской науки”. На момент написания этих строк в нем участвуют уже тысячи людей. Все данные становятся известны широкой публике – разумеется, на условиях анонимности каждого участника и максимально возможной защиты неприкосновенности частной жизни, – так что заинтересованные исследователи, преподаватели и просто любознательные люди могут воспользоваться этими данными. В отличие от обычных исследований, результаты которых очень долго, иногда годами, лежат под спудом в ожидании публикации, в нашем проекте все данные публикуются немедленно, что позволяет нам обнаруживать все новые виды различных взаимосвязей, и все они становятся предметом следующего, углубленного и тщательно контролируемого, исследования.

Масштабы проекта постоянно расширяются по мере того, как к нему присоединяется все больше и больше людей, желающих внести свои данные в картирование микробиома.

Так что не стесняйтесь, присылайте нам свои доллары (а также евро, йены или рубли – проект открыт для международных участников), мы вышлем вам набор для взятия образцов, и вы сможете отправить нам свои фекалии. Или просто подарите набор любимому человеку или коллеге – в конце концов, когда еще представится шанс узнать, из какого именно дерьма мы все состоим?

Если то, что вы слышали или читали о микробиоме, кажется вам слишком специальным или слишком противоречивым, то это потому, что микробиом и в самом деле не бином Ньютона. Он гораздо сложнее.

Причем одна из самых сложных задач – понять, а с чем, собственно говоря, мы имеем дело.

С точки зрения ДНК все люди, в сущности, одинаковы[141]. Но на микробном уровне наши сходства быстро превращаются в различия. В одном и том же органе или части тела двух человек часто содержатся совершенно разные микробные сообщества (и даже если общие виды имеются, то их количество и соотношение существенно разнятся). Возьмите любых двух человек и исследуйте по одной микробной клетке из стула каждого из них. Только в одном случае из десяти окажется, что обе клетки относятся к одному и тому же виду[142]. В то же время если вы сопоставите геномы этих же двух человек, то они совпадут на 99,9 %. Геном наших микробов не только гораздо разнообразнее, чем наш собственный, но и типы микроорганизмов у разных людей очень различаются.

На этом месте вы можете спросить: а откуда вы знаете, что наши микробы такие разные? Микроб – он и есть микроб. Lactobacillus – всегда Lactobacillus. Оказывается, не всегда.

Количество разновидностей микробов, которые удается обнаружить, зависит от способа исследования. Для определения разнообразия недостаточно простого подсчета отдельных видов. Дело в том, что количество видов, которые мы можем найти, тоже зависит от того, насколько старательно и тщательно мы ищем. Представьте себе, что вам нужно посчитать, сколько и каких именно рыб плавает в пруду. Если вам удалось выловить трех рыбок, это еще не дает вам оснований предполагать, что это и есть все население пруда. Если эти три рыбы – две форели и окунь, это еще не означает, что в пруду водятся только форели и окуни и что их соотношение непременно составляет два к одному. Ваш улов зависит от того, когда и как вы ловите и сколько раз вы забрасываете удочку или сеть.

Дело еще больше усложняется, когда мы пытаемся дать определение, что именно считать уникальным видом микроорганизмов. Когда речь идет о животных, это сравнительно легко: если два животных могут скрещиваться и давать способное к размножению потомство, то они по определению принадлежат к одному виду. Но микроорганизмы редко размножаются половым путем.

А когда это случается, то они могут обмениваться генетическим материалом не только между видами, но и еще гораздо шире: например, бактерии умеют скрещиваться и с другими бактериями, и с археями – и даже с эукариотами и вирусами. Это как если бы рыба могла скрещиваться с водорослями или с водомерками – насекомыми, живущими на поверхности воды! Тем не менее у бактерий нечто подобное происходит.

Есть еще одна проблема: очень немногие микроорганизмы готовы расти в лаборатории. Однако именно это требуется, чтобы вид получил официальное название и описание. Возвращаясь к рыбной аналогии: это все равно что выудить редкостную глубоководную рыбину, которая раздувается и лопается, прежде чем вы успеваете доплыть до берега и идентифицировать ее вид.

Правда, есть обходной путь. Пусть мы не можем вырастить многих микробов в лаборатории, но мы все равно можем выделить и проанализировать их ДНК и на основании этого решить, содержит ли их геном достаточно отличий, чтобы считаться отдельным видом. Мы также можем полностью отказаться от концепции вида и оценивать разнообразие по филогенетическому дереву – аналогу древа жизни, придуманному Дарвином и усовершенствованному Вёзе и Фоксом (см. стр. 8–9); микробное сообщество, которое занимает большую часть дерева, считается более разнообразным. Это полезный подход, потому что он позволяет назвать пруд, в котором обнаружено три вида форели, менее разнообразным, чем тот, в котором водятся форель, окунь и пескарь.

Наконец, вы должны решить, интересует ли вас только общее число видов, или вы хотите узнать, сколько особей каждого вида имеется в наличии в данной системе, и таким образом оценить количественное соотношение популяций. Почему это важно? Потому что если вы будете учитывать только количество видов, то пруд, в котором плавают одна форель, один окунь и тысяча пескарей, будет считаться таким же разнообразным, как тот, где насчитывается только по одному представителю каждого вида. В зависимости от того, какой аспект существования экосистемы вы рассматриваете, этого может быть и достаточно. Но в некоторых случаях – нет. Определяя, что считать разнообразием в конкретной экосистеме, приходится принимать множество решений.

Далее, вы можете захотеть сравнить между собой две экосистемы – два разных микробных сообщества. Для этого микробиологи используют метод уникального (индивидуального) фракционирования, или UniFrac[143], который позволяет изучить историю эволюционных изменений, разделивших эти два сообщества.

Кэти Лозьюпоун, одна из моих первых студенток, а ныне профессор медицинской школы Аншуц при Университете Колорадо, разработала этот метод и очень элегантно изложила его в своей докторской диссертации. Вначале мы наносим микробное сообщество на филогенетическое древо. Затем, используя статистический метод анализа главных компонент, вычисляем количество возможных вариантов отличия одних микробных сообществ от других.

Если вам это кажется китайской грамотой – или вы слишком давно изучали линейную алгебру (если вообще изучали), – не пугайтесь. Существуют компьютерные алгоритмы, которые делают эти вычисления за нас. Главное, что этот метод позволяет получить точную карту связей между микробными сообществами и выявить похожие сообщества, соседствующие на древе жизни.

Имея эту информацию, мы можем связать микробиом с конкретными заболеваниями. Чаще всего мы используем для этого кросс-секционный анализ: отбираем группу больных и группу здоровых людей и затем сравниваем их микробиомы. Кросс-секционные исследования позволили установить связь между кишечными микробами у людей и ожирением[144][145] диабетом первого[146][147][148] и второго[149][150][151][152] типов, воспалительными заболеваниями кишечника[153][154][155][156], синдромом раздраженного кишечника[157], раком толстого кишечника[158][159][160][161][162], заболеваниями сердца[163][164], ревматоидным артритом[165] и целым рядом других расстройств. Кросс-секционные исследования очень информативны, потому что когда мы выявляем значительные отличия между больной и здоровой группами, то понимаем, что за этим что-то кроется. Чтобы выяснить, действительно ли различные микроорганизмы вызывают определенные заболевания, необходимы дополнительные исследования.

“Золотой стандарт” кросс-секционных исследований – построение прогностической модели. Используя такую модель, можно взять данные некоторой выборки людей – больных или здоровых – и предсказать, больна или здорова остальная часть группы. Что и было успешно проделано для диабета[166][167], ожирения[168], воспалительных заболеваний кишечника[169]. Интересно, что конкретные биомаркеры (виды микроорганизмов или гены, связанные с болезнью) в разных популяциях отличаются, например шведские от китайских при диабете второго типа. Таким образом, было бы преждевременно связывать определенные организмы с определенными болезнями на основании того, что мы узнали из кросс-секционных исследований, потому что то, что мы считаем патогеном, в разных популяциях может варьироваться.

Уникальность проекта “Микробиом человека” состоит в том, что он направлен в большей степени на здоровых, чем на больных. Проект позволил выявить, что на удивление большое количество тщательно проверенных здоровых добровольцев – до 30 процентов – являлись носителями микробов, которые считаются опасными патогенами, в том числе Staphylococcus aureus – золотистого стафилококка. Эти люди были, без сомнения, здоровы, что заставляет предположить, что многие из нас являются носителями организмов, которые вызывают болезнь только при определенных условиях. Вспомните о сорняках: они представляют проблему, только если растут там, где не должны расти. И это подсказывает нам, что, может быть, стоит переключиться с вопроса “Какие микробы “плохие”, как избежать контакта с ними или избавиться от них?” на вопрос “Почему одни и те же микробы безвредны для одних людей, но смертельно опасны для других?”.

Получив некоторое представление о том, какие микробы могут быть связаны с теми или иными заболеваниями, мы можем планировать длительное (его еще называют динамическим или продольным – в отличие от кросс-секционного, то есть поперечного) исследование. В ходе подобного исследования мы наблюдаем за одними и теми же людьми в течение долгого времени. Исследователи используют длительные исследования, когда хотят изучить слабые влияния, которые вызывают изменения микробиома у одних людей и в то же время совершенно не влияют на других. На сегодняшний день существует на удивление мало динамических исследований микробиома. Тем не менее мы рассчитываем, что их количество будет возрастать по мере дальнейшего снижения стоимости секвенирования ДНК.

“Золотой стандарт” динамического исследования – это перспективный когортный метод. Он состоит в том, что для участия привлекаются люди либо здоровые, либо еще не начавшие лечиться (в противном случае исследование называется интервенционным). Вы спросите: разве можно предсказать, кто из них заболеет и на кого подействует лечение? На момент написания этих строк ни одно из этих исследований не было достаточно обширным, чтобы получить окончательные выводы, хотя проект TEDDY (изучающий факторы окружающей среды, которые определяют диабет первого типа у молодых) в настоящее время обрабатывает данные о тысячах детей с риском развития диабета[170].

Перспективные когортные исследования, особенно долговременные, помогают выяснить, создает ли определенный микробиом угрозу развития болезни и подействует ли лечение на конкретного больного.

Существует еще один вид исследований – изучение механизмов. Подобные исследования обычно проводятся на мышах (по причинам, которые сейчас станут понятны) и позволяют нам выяснить, как именно работает конкретный биохимический механизм. Обычная методика такова: мы изменяем гены мышей; вводим им препарат, который, как мы считаем, будет иметь определенный эффект; добавляем или удаляем бактерии; проверяем и анализируем последствия. К сожалению, необходимое условие этого метода – умерщвление мышей с последующим исследованием их внутренних органов.

Одна из наиболее успешных и информативных методик изучения механизма состоит в том, что мышей выращивают в стерильном боксе, где нет никаких микробов. Затем им можно ввести определенные микробы и проследить за изменениями. Благодаря этим так называемым гнотобиологическим мышам (от греческого слова “гносео” – “знать”, потому что мы точно знаем, какие микроорганизмы с ними взаимодействовали) мы узнали, какие микроорганизмы влияют на ожирение, демиелинизацию нейронов (эродирование защитной оболочки нервов) при рассеянном склерозе[171][172], а также вызывают поведенческие расстройства, напоминающие аутизм[173]. Правда, никогда не нужно забывать, что то, что действует на мышей, необязательно действует на людей. Тем не менее эксперименты на мышах все равно дают нам бесценную информацию.

Многое из того, что вы слышите о микробиоме и болезнях, может показаться вам запутанным, противоречивым, а иногда и преувеличенным. Чему верить? Стараясь разобраться, действительно ли микробы могут вылечить ту или иную болезнь, ищите положительные результаты, сопоставляя многие исследования, особенно такие, где проблема рассматривалась под разными углами. Результаты таких исследований с большей вероятностью окажутся правдивыми, так же как и результаты исследований с большим числом участников. В целом можно сказать, что пока у нас есть скорее корреляция между определенными микробами и определенными болезнями, подкрепленная пониманием предполагаемых механизмов (чаще всего эти результаты получены на мышах), а не четкая причинно-следственная связь.

Кроме того, результаты исследования в огромной степени зависят от методики его проведения. Например, если мы изучаем синдром раздраженного кишечника, в достаточной ли мере мы сузили круг участников? Мы ищем только больных СРК, страдающих от газов? Или от боли? Или тех, кто болезненно реагирует на определенные продукты? В случае изучения ожирения мы должны поинтересоваться резистентностью наблюдаемых к инсулину, тем, как именно жир распределяется на теле, и так далее.

Другие факторы, которые нужно принимать во внимание при сравнении результатов разных исследований: методы хранения проб; методы экстракции ДНК из образцов кала; какие именно фрагменты генома рассматриваются для идентификации; какой именно аппарат используется для секвенирования ДНК; какое программное обеспечение используется для анализа данных, и даже точные установки этих программ[174][175][176][177]. Чтобы не упустить возможные слабые влияния, необходимы высокие стандарты методов.

Если все это звучит сложно, то это потому, что микробиом – сложная штука. И поэтому его исследование требует вдумчивого и взвешенного подхода. Об этой сложности стоит вспоминать всякий раз, когда вы слышите головокружительные заявления по поводу микробиома или вам предлагают простые решения по его улучшению и исправлению. В таких случаях не забывайте спрашивать: а кто это утверждает и откуда он или она это знает?

В конце концов, вы же не станете доверять ученому-ракетчику, обещавшему доставить вас на Марс, если он даже не сможет сказать вам, на каком расстоянии находится Красная планета!

Благодарности

Я хотел бы выразить признательность многим сотрудникам моей лаборатории, среди которых Дэниел Макдональд, Джастин Дебелиус, Джессика Меткалф, Эмбриетт Хайд, Люк Урселла, Амнон Амир, Уилл Ван Треурен и Дана Уиллнер; своим коллегам по микробиомным проектам, в том числе Джайрам Ванамала, Марти Блейзеру, Марии Глории Домингес-Белло, Эду Йонгу, Рут Лей, Саркизу Мазманьяну, Дэну Найту, Греуг Капорасо, Джеку Гилберту, Оуэну Уайту, Питеру Дорештейну, Николаусу Корреллу, Аджай Шатрия, Андреа Эдвардсу и Дон Филд.

Мои родители Эллисон и Джон Найт, моя подруга Аманда Бирмингем также внесли ценный вклад в эту книгу и особенно в события, участниками которых они стали, и я отдельно хотел бы поблагодарить Аманду и нашу дочь Элис за их терпение и поддержку. Мои коучи из программы TED Майкл Вайц и Абигейл Тененбаум очень помогли мне при подготовке лекции и этой книги. Их взгляд со стороны оказался очень полезен. Они, а также Крис Андерсон, Джун Коэн и остальные участники команды TED действительно научили меня по-новому общаться с публикой.

Мишель Квинт, Майкл Бехар и Грейс Рубинштейн помогли книге преодолеть финишную черту. Меня вдохновляли мои примерно 800 коллег (если верить моему списку “Возможные конфликты интересов” в Национальном научном фонде), особенно Джеффри Гордон, студенты и сотрудники лаборатории, коллеги по BioFrontiers в Боулдере, которые создавали мне щадящие условия в работе по другим проектам, пока я писал эту книгу.

В финансировании наших работ участвовали такие организации, как Медицинский институт Говарда Хьюза, Национальные институты здравоохранения (включая проект “Микробиом человека”), Национальный научный фонд, Министерство энергетики США, Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА), Национальный институт юстиции (НИЮ), американо-израильский Межнациональный научный фонд, фонды В. М. Кека, Альфреда П. Слоуна, Джона Темплтона, Джейн и Чарли Батчер, Колорадский центр биотоплива и биоресурсов, Американский фонд борьбы с болезнью Крона и колитом, фонды Билла и Мелинды Гейтс, Гордона и Бетти Мур, а также тысячи представителей общественности.

Все ошибки и неточности, конечно, на моей совести, хотя в написании книги активное участие принимал Брендон.