Внутренняя империя: главное о микробиоме

Немного истории

Интерес ученых к микроорганизмам начал зарождаться во времена Луи Пастера — химика, изобретателя вакцин и основателя микробиологии. Он выявил причину процесса брожения (оказалось, что оно вызвано жизнедеятельностью микроорганизмов), а также заметил, что кипячение напитков и еды убивает бактерии, а следовательно, помогает снизить количество заболеваний. Потом при помощи чашек Петри научились выращивать колонии бактерий. Сейчас это не просто новое направление, а целая отрасль, привлекательная для инвесторов, а потому развивающаяся очень стремительно, но не всегда понятно для обывателя.

Сегодня исследуются возможности геномики, метаболомики (область науки, изучающая конечные и промежуточные продукты обмена веществ в клетке) и биоразнообразия самого микробиома. Команды работают над технологиями экспресс-диагностики, сочетая методы проведения расчетов и лабораторные эксперименты.

Израильский стартап DayTwo получил инвестиции в размере $37 млн: пользователь покупает набор для тестирования микробиома, а после его прохождения получает персональные рекомендации по питанию в приложении и индивидуальную консультацию с диетологом. Слоган гласит: «Ваша биология уникальна. Теперь ваша забота о себе тоже может быть уникальна» — и с этим сложно не согласиться.

Индийский стартап Xome Life Sciences получил грант в размере £10 тыс. на изготовление опытного образца и создание первого изделия — тест-системы для диагностики целиакии и непереносимости глютена. Знания о микробиоме становятся все более доступными. Так, эксперты и биохакеры не ограничиваются культурой питания и стараются исследовать организм глубже, на уровне микробиома.

Что же это такое? Если кратко, то микробиом — это сообщество микроорганизмов или совокупность генов микроорганизмов, населяющих все слизистые организма и кожу. Термин «микробиом» появился всего лишь в 2001 году для обозначения коллективных геномов микробиоты.

Что нового

Если попытаться охватить рынок, посвященный этой теме, хочется выделить следующие блоки, перешедшие из разряда открытий в нашу повседневность:

• Пробиотики, пребиотики, метабиотики, аутопробиотики, постбиотики

Количество разновидностей биотиков увеличивается — это либо добавки, содержащие живые микроорганизмы, которые могут помочь улучшить здоровье кишечника и общее самочувствие, либо культивированные и размноженные микроорганизмы, идеально подходящие нам и не вызывающие побочных эффектов.

• Терапия на основе микробиома

Исследователи изучают возможность использования терапии на основе микробиома. Например, с применением бактериофагов (вирусы, нацеленные точечно на определенные бактерии), лизатов бактерий (своего рода бактериальная вакцина и иммуномодуляция) и микробных метаболитов (соединения, продуцируемые микроорганизмами) для лечения ряда заболеваний.

• Наборы для ДНК-тестирования микробиома

Эти наборы позволяют людям выявлять биоразнообразие микробиома, анализировать его и получать персональные рекомендации по улучшению своего здоровья на основе результатов. А кроме того, создавать индивидуальные биотики — аутопробиотики.

• Трансплантация фекальной микробиоты (ТФМ)

Процедура, при которой здоровые фекалии от донора пересаживаются в кишечник пациента с не здоровым микробиомом. Она показала себя много обещающей в лечении инфекций, вызванных Clostridium difficile, и других воспалений кишечника.

• Продукты, благоприятные для микробиома

Компании разрабатывают средства по уходу за кожей, полостью рта и бытовые чистящие средства, которые предназначены для поддержания здорового микробиома за счет отсутствия агрессивных химических веществ, способных нарушить баланс микроорганизмов на коже или в окружающей среде.

Что такое постбиотики

Постбиотики — это соединения, вырабатываемые бактериями в кишечнике. В отличие от пробиотиков, которые представляют собой живые бактерии, постбиотики неживые и могут быть легко очищены и стандартизированы для использования в качестве лекарств. Одним из примеров постбиотика является уролитин А — соединение, вырабатываемое некоторыми бактериями в кишечнике. Было показано, что уролитин А обладает противовоспалительными и антиоксидантными свойствами и может иметь потенциал для лечения таких состояний, как воспалительное заболевание кишечника и нейродегенеративные заболевания (например, болезнь Альцгеймера). Получить это вещество можно из граната — в нем содержатся эллагитанины, которые в организме превращаются в уролитин А. Другим потенциальным постбиотиком является индол-3-пропионовая кислота (IPA) — соединение, вырабатываемое бактериями в кишечнике. Было показано, что IPA обладает противовоспалительным и нейропротекторным действием и имеет тесную взаимосвязь с такими состояниями, как язвенный колит и целиакия.

Что такое аутопробиотики

При употреблении пробиотиков показатели часто улучшаются. Но «внешние» бактерии не дают гарантий, что они приживутся в непривычных и, возможно, недостаточно комфортных для них условиях. Что делать? Ученые разработали аутопробиотик: в лабораторных условиях научились получать персональный пробиотик, который на 100 % подходит именно вам и гарантированно приживется. Идея аутопробиотиков заключается в том, что микробиом каждого человека индивидуален и поэтому универсальный подход к добавкам пробиотиков не может быть эффективным для всех. Анализируя микробиом человека, ученые могут определить, какие штаммы бактерий отсутствуют или находятся в малом количестве, и создать персонализированную пробиотическую добавку.

К примеру, исследование, опубликованное в журнале Nature, показало, что персонализированные пробиотики способны улучшить микробиом кишечника у людей с диабетом II типа. Они увеличили количество полезных бактерий в кишечнике и уменьшили количество вредных, что привело к улучшению контроля уровня сахара в крови и чувствительности к инсулину. Хотя аутопробиотики кажутся многообещающими в качестве индивидуального подхода к пробиотическим добавкам, у этого подхода все же есть некоторые ограничения: эти средства дорогостоящие, а процесс их получения трудоемкий.

Что такое бактериофаги

Бактериофаги — это вирусы, которые могут помочь в борьбе с устойчивостью к антибиотикам. Другими словами, бактериофаги или просто фаги — это вирусы, поражающие бактерии. Впервые они были обнаружены в начале XX века, но их потенциал в качестве терапевтического средства против бактериальных инфекций привлек внимание лишь недавно. С появлением устойчивых к антибиотикам бактерий фаги стали перспективной альтернативой традиционным антибиотикам.

Они были изучены как потенциальный инструмент для сохранения продуктов питания путем воздействия на вредные бактерии. Этот подход известен как фаготерапия или биоконтроль. Используя определенные фаги, можно уменьшить потребность в химических консервантах и продлить срок годности пищевых продуктов. Фаги очень специфичны в своем нацеливании, то есть они заражают только определенные типы бактерий, оставляя другие невредимыми. Эта специфичность делает их привлекательной альтернативой антибиотикам широкого спектра действия, помогая убивать как вредные, так и полезные бактерии в организме. Одним из наиболее значительных преимуществ фаговой терапии является их способность развиваться вместе с бактериями. По мере того как бактерии развивают устойчивость к антибиотикам, фаги могут эволюционировать, чтобы преодолеть эту устойчивость.

Тем не менее существуют некоторые проблемы, которые необходимо преодолеть, прежде чем фаговая терапия станет широко доступным вариантом лечения. Одним из самых серьезных препятствий является нормативный процесс утверждения фаготерапии. Поскольку фаги являются живыми организмами, на них распространяются не такие правила, как в случае с традиционными лекарствами, что может сделать процесс утверждения более сложным и трудоемким. Еще одной проблемой является необходимость разработки фагов, которые могут воздействовать на определенные бактерии. В отличие от антибиотиков, которые можно производить в больших количествах и использовать для лечения широкого спектра бактериальных инфекций, фаги должны быть адаптированы к каждому отдельному пациенту и инфекции.

Ферментируемая паста и конкуренция за кариес

Многие думают, что термин «микробиом» применяется только к кишечнику, но на самом деле это не так. Есть микробиом кожи, а полость рта — один из самых обжитых микроорганизмами локусов. Во рту самые благоприятные условия для развития бактерий: равномерная влажность и температура, изобилие питательных веществ, наличие складок слизистой оболочки, межзубных промежутков и десневых карманов, слабощелочная среда. Недостаточный уход за полостью рта приводит к усилению процессов ферментации, когда бактерии превращают углеводы пищевых остатков в органические кислоты. Под их агрессивным воздействием эмаль зуба начинает разрушаться. В процесс с течением времени вовлекаются все более глубокие слои тканей зуба — и образуется кариозная полость.

Основная роль в развитии кариеса принадлежит бактериям Streptococcus Mutans, которые составляют большую часть зубного налета благодаря их биологическому свойству прикрепляться к зубной эмали, приводя к формированию зубных бляшек и деминерализации эмали, что и вызывает кариес. Возраст, в котором произошло инфицирование, очень важен. Чем раньше Streptococcus Mutans поразили ротовую полость, тем раньше и с большей скоростью начнет образовываться кариес на еще не окрепшей зубной эмали. Причем это происходит в бороздках языка еще до появления даже молочных зубов. Более того, эти микроорганизмы способны конкурировать с другими за выполнение этой функции. Поэтому с заболеваниями зубов и ротовой полости в целом (например, тонзиллитом) можно и нужно начинать бороться при помощи нормализации ее микробного состава.

Микробиом и когнитивные функции

Микробиом относится к сообществу микроорганизмов, которые живут в организме человека и на нем. Хотя микробиом часто ассоциируется со здоровьем пищеварительной системы, недавние исследования показали, что он также играет важную роль в когнитивном здоровье. Микробиом может влиять на проницаемость слизистой оболочки кишечника, а это, в свою очередь, может влиять на уровень воспаления в организме и потенциально способствовать снижению когнитивных функций. Кроме того, исследования показали, что определенные штаммы бактерий могут оказывать положительное воздействие на когнитивное здоровье. Так, было показано, что Lactobacillus и Bifidobacterium улучшают память и снижают тревожность.

Частым нарушением нервной системы сейчас является расстройство аутистического спектра (РАС) — оно влияет на общение, социальное взаимодействие и поведение. Хотя точные причины РАС до сих пор неизвестны, недавние исследования показали, что микро биом может играть определенную роль в развитии этого расстройства. Согласно исследованиям, люди с РАС имеют более низкий уровень полезных бактерий, таких как бифидобактерии и лактобациллы, и более высокий уровень вредных бактерий, таких как клостридии. Исследование, опубликованное в журнале Microbiome, показало, что дети с РАС имеют более низкие уровни короткоцепочечных жирных кислот в стуле, которые вырабатываются кишечными бактериями и обладают противовоспалительным действием. Исследование, опубликованное в журнале Cell, показало, что мыши, которые были колонизированы кишечными бактериями от людей с РАС, демонстрировали социальные дефициты и повторяющееся поведение, подобное наблюдаемому у людей с расстройством.

Микробиом и настроение

Исследования показывают, что микробиом производит нейротрансмиттеры, такие как серотонин, дофамин и ГАМК, которые важны для регуляции настроения. Если слизистая повреждена или деградировала из-за неправильного питания и образа жизни, то возникает серьезный риск дисбаланса нейромедиаторов. Именно с качественным микробным составом связан тот факт, что потребление широкого спектра ферментированных продуктов и пребиотиков является крайне эффективным «природным» средством от депрессии. Главным связующим звеном между мозгом и кишечником является блуждающий нерв, который отправляет сигналы в обоих направлениях. К примеру, он может «скомандовать» повысить выделение серотонина на концах нейронов. А как мы знаем, большая доля нейромедиаторов сконцентрирована именно в мозге. И если эта связь со стороны кишечника нарушена, нейромедиаторный обмен может быть затруднен.

В будущее возьмут

Знания о микробиме еще не являются массовыми, но эксперты уже утверждают, что в этой сфере мы наконец переходим от реактивной медицины к проактивной, работаем на опережение болезней. Уже в ближайшем будущем появятся изобретения для домашнего использования, в том числе для анализа микробиома. Заметным толчком к переходу будут устройства, которые могут функционировать внутри организма, измерять важные показатели в режиме онлайн. И возможно, даже регулировать их. Это либо капсулы, попадающие в организм вместе с едой, либо микроустройства, запускаемые в кровоток. Они смогут контролировать жизненные показатели, такие как пульс, давление, температура тела, анализ продуктов выделительной системы, состав выдыхаемого воздуха (так, например, сегодня определяют хеликобактер пилори). И прежде чем какой-либо штамм потенциально опасных микроорганизмов получит возможность освоиться и размножиться в организме, мы уже подберем способы борьбы с ним.

Улучшение микробиома как часть биохакинга направлено на повышение жизненной энергии, обеспечение долголетия и социальной активности. И инструментов, способных привести к положительному долгосрочному результату, со временем будет еще больше. Главное — разобраться в том, что нам действительно необходимо!