Хазяїн біома: як бактерії всередині людини впливають на його життя та здоров'я

У тілі середньостатистичної людини вагою близько 70 кілограмів живе приблизно 40 трильйонів бактерій. Це за кількістю на чверть більше, ніж кліток нашого власного організму. Коли вони всі в ньому оселилися? Яка у цьому заслуга наших батьків? Чи правда, що бактерії правлять світом? На ці та інші питання відповів кандидат біологічних наук, старший науковий співробітник Лабораторії функціональної геноміки прокаріотів, вчений секретар Інституту біофізики клітини РАН – відокремленого підрозділу Федерального дослідницького центру «Пущинський науковий центр біологічних досліджень Російської академії наук» — Костянтин Шавкунов.

Сусіди з кам'яного віку

Групу мікроорганізмів, що мешкають у тому чи іншому середовищі – «екологічній ніші» – називають мікробіомом. Костянтин Шавкунов пояснив, що це і бактерії, і найпростіші одноклітинні еукаріоти та археї. Причому сумарна біомаса бактерій на планеті перевищує біомасу тварин. Вони живуть усюди, тому не дивно, що деякі з них оселилися і всередині нас.

«Цікаво, що для бактерій наше тіло неоднорідне за умовами проживання, і тому можна говорити окремо про мікробіоми шкіри, слизову оболонку рота, кишечника, кров та інші органи і тканини. При цьому навіть у різних відділах кишечника склад бактерій буде неоднаковим, що визначається відмінностями в кислотності, кількості води, а також іншими факторами», — зазначив експерт.

Він розповів, що сам термін «мікробіом людини» було запропоновано 2001 року вченими Олексою МакКрей та Джошуа Ледербергом, хоча інтерес до бактерій — «співмешканців» людини — з'явився набагато раніше.Наприклад, у 1880-х роках Теодор Ешеріх відкрив та описав таку бактерію як кишкова паличка. Людина розумна завжди співіснувала пліч-о-пліч з бактеріями, тому організм ще наших ранніх предків був колонізований ними — і з того часу мікроорганізми стали вірними симбіонтами.

Без терміну давності

Сьогодні слідами мікроорганізмів, що населяли тіла наших предків, антропологи з'ясовують, як древні люди мігрували і який спосіб життя вели.

«Аналіз зразків, виділених з мумій, що збереглися, вказує на перенесені інфекційні захворювання, часто дозволяючи точно встановити причину смерті людини, яка померла сотні і тисячі років тому», — поділився експерт. При цьому за складом ці спільноти відрізнялися від тих, що живуть в організмі. За словами Костянтина Шавкунова, це пов'язано з тим, що людські популяції були значно меншими, існували ізольовано один від одного. Крім того, сильно відрізнявся і раціон стародавньої людини — мисливця та збирача.

«Мікробіом людини пристосовувався, змінювався у міру того, як змінювалося життя нашого біологічного виду. Та й зараз умови існування окремо взятих людей значно варіюються», — наголосив експерт. Він навів приклад: мікробіом шкіри жителя Москви сильно відрізнятиметься від набору бактерій на шкірі людини з села у Вологодській чи Новгородській області. Адже мікроорганізми по-різному реагують на склад довкілля та клімат. Тому мікрофлора може змінюватись, наприклад, під час подорожей.

Увібрали з молоком матері

Бактерії потрапляють до нашого організму ще при народженні. Перші передаються дитині від матері, зокрема, з грудним молоком.А після цього їхня кількість активно зростає — поки мікробіом не поповнять усі «потрібні» симбіонти.

«Імунна система новонароджених ще не розвинена, вона міцнітиме в перші роки в міру дорослішання, і водночас нова людина, живучи у відкритому світі, набуває нових „мешканців“, її організм „знайомиться“ з ними. Після припинення грудного годування мікробіом малюка трансформується, щоб більш ефективно розщеплювати клітковину та синтезувати коротколанцюгові жирні кислоти, і досягає відносно стабільного стану до віку 2-3 років», - поділився дослідник. Як виявилося, на формування мікробіома може впливати навіть тип вигодовування — наприклад, мікрофлора кишечника новонароджених на грудному молоці складається з лактобацил, стафілококу та біфідобактерій, тоді як у дітей-«штучників» — з розебурій, клостридій та анаеростипесу.

«При цьому у новонароджених із штучним харчуванням мікробіом швидше наближається за складом до дорослого. І в ньому більше мікроорганізмів, що викликають запальні процеси, ніж у дітей, яких годували грудьми», — звернув увагу кандидат біологічних наук. Сильно може зашкодити дитячій флорі та прийом антибіотиків. Тому дуже важливо ставитися до цього питання серйозно. Адже в майбутньому все це може вплинути на життя малюка — завадити зміцненню здорового імунітету і навіть призвести до вад розвитку.

«Наслідками відхилень у формуванні збалансованого мікробного співтовариства можуть бути різні патології. Так, наприклад, встановлений зв'язок між наявністю певних бактерій у кишечнику дітей та розвитком розладів аутистичного спектру», — сказав експерт.

Відстежити бактеріальний слід

При цьому антибіотики впливають на мікробіом не тільки в дитинстві.Деякі бактерії мають гени стійкості до цих препаратів. Дослідник зазначив, що за ними можна зрозуміти, наскільки широко поширена антибіотикотерапія в популяції або в регіоні, і оцінити ризик спалахів «суперінфекцій», тобто інфекцій, що викликаються бактеріями, несприйнятливими до кількох антибіотиків одночасно.

По мікробіому можна дізнатися не тільки, чим ми лікуємося, але і чим хворіємо. Вивчення флори пацієнта може вказати лікарю на розвиток певних патологій: «Мікробіоми використовують як маркери при діагностиці не тільки інфекційних, але також онкологічних та інших захворювань. Знання про ці взаємозв'язки активно поповнюються, оскільки геномні дослідження на поточному рівні свого технічного розвитку мають дуже потужний інструментарій та методи для аналізу», — поділився Костянтин Шавкунов.

Він розповів, що для вивчення мікробіому вчені використовують секвенування. Так називають визначення послідовностей ДНК геномів мікроорганізмів. Такі технології з'явилися на початку століття і сьогодні стрімко розвиваються — і, за словами експерта, стають дедалі доступнішими.

«Сьогодні мікробіом людини вивчено на величезних вибірках індивідів — сотнях тисяч здорових та хворих із різними патологіями. Вже відомо, які мікроорганізми спричиняють запалення кишечника, різні типи раку, серцево-судинні патології та навіть нейродегенеративні розлади», — сказав кандидат біологічних наук.

Чи керують бактерії нами

Найбільше бактерій живуть у кишечнику людини — Костянтин Шавкунов зазначив, що їх там приблизно 40 трильйонів: «Бактерії допомагають вищим організмам (не тільки людині, зрозуміло) розщеплювати та засвоювати їжу, що споживається.Крім цього, бактерії самі є джерелом багатьох важливих для нашого тіла сполук», - розповів він.

Наприклад, бактерії виступають важливими джерелами вітамінів, необхідних для функціонування організму людини, тому щоб не порушувати їхню роботу, експерт радить дотримуватися збалансованого харчування і не зловживати антибіотикотерапією без необхідності.

Але найцікавіше — мікроорганізми можуть впливати навіть на нашу поведінку. Наприклад, за словами Костянтина Шавкунова, деякі з них здатні до продукції біогенних амінів з амінокислот, до яких, зокрема, належать гормони та нейромедіатори. І саме вони формують емоційне тло, відповідають за роботу мозку. Тому бактерії за певних умов справді впливають на когнітивні функції та емоції.

"Втім, достовірно встановити, що саме бактерії відповідальні за ту чи іншу реакцію людини буде вкрай непросто", - поділився вчений. Дослідження мікробіомів людини сьогодні проводяться дуже активно, і до теперішнього часу, на думку експерта, ці спільноти загалом досить докладно вивчені. Проте раніше невідомі патогенні мікроорганізми, що опинилися всередині нас, можуть стати неприємною несподіванкою.

Наприклад, біолог нагадав, що у 2011 році в Німеччині стався спалах зараження новим штамом ентерогеморагічної кишкової палички — EHEC O104:H4. Ця бактерія потрапила і до інших країн — тоді загинуло понад 40 людей. Причому вона виявилася спорідненою з добре вивченою кишковою паличкою Escherichia coli, яка є частиною нормальної мікрофлори людини, синтезує вітаміни і запобігає розвитку патогенних мікроорганізмів у кишечнику.

Тому значущість мікроорганізмів не варто недооцінювати.Якісь із них корисні, якісь небезпечні. І їх вивчення допоможе запобігти багатьом хворобам, вчасно обчислити патології та вилікувати мільйони людей. Тим більше, якщо бактерій на нашій планеті більше, ніж тварин і рослин, виникає філософське питання — може, саме вони керують світом? Поки ми не можемо дати однозначної відповіді, але знаємо точно — без них наш організм не зміг би працювати справно.

Вчені склали карту мікробів в організмі людини

"Коли я встаю зі стільця, зі мною встають у 10 разів більше бактеріальних клітин, ніж людських", - каже доктор Брюс Біррен. Він - один із сотень американських учених, які брали участь у створенні найдокладнішої карти мікробів, які живуть усередині та зовні нас.

Проект "Мікробіом людини"( Human Microbiome Project), запущений у США у 2007 році, визначив генетичну ідентичність багатьох бактерій, вірусів та інших мікроорганізмів, які живуть у тісному контакті з нами.

Дослідники попереджають, що йдеться не про шкідливі мікроби, яких необхідно знищувати, а про мікроорганізми, які є важливою частиною того, що робить нас людьми.

Тим не менш, донедавна мало що було відомо про трильйони мікроорганізмів, що населяють наше тіло.

Мікроби-помічники

Протягом століть ми могли досліджувати лише мікроорганізми, здатні вижити в лабораторіях, та вивчати їх окремо – часто одного мікроба за раз.

Але з появою все більш досконалих методів аналізу ДНК учасникам проекту "Мікробіом людини" вдалося виявити мікробів, яких ніколи раніше не бачили, та подивитися на їхню колективну поведінку.

У рамках проекту у більш ніж 200 здорових чоловіків та жінок у США було взято зразки мікробів, причому з різних частин тіла.

Дослідники виявили, що у здоровому людському мікробіомі мешкає понад 10 тисяч різних видів мікроорганізмів.

Більшість із цих мікробів виявилися абсолютно нешкідливими. З'являється навіть дедалі більше доказів того, що ці організми допомагають нам у багатьох відношеннях.

Деякі допомагають нам отримувати енергію з їжі, в той час, як інші допомагають нам засвоювати поживні речовини, такі як вітаміни.

Загальний мікробний коктейль

Ми все більше дізнаємося про їхню роль у формуванні нашої імунної системи, а не лише у нападі на неї, каже професор Барбара Мете з Інституту Крейга Вентера, яка також бере участь у проекті.

Одним із ключових питань, на яке намагалися отримати відповідь упорядники карти мікробів: чи існує базовий набір мікробів, однаковий для всіх людей?

Вчені виявили різноманітність найпростіших у різних людей та унікальні спільноти мікроорганізмів, що живуть у різних частинах тіла.

Але деяких мікробіологів по-справжньому вразило те, що в певних частинах тіла багато мікробів відповідають за аналогічні процеси.

"Нашими з вами мовами можуть жити різні найпростіші, але разом вони вносять ті ж гени в загальний коктейль і допомагають виконувати однакові функції - наприклад, руйнувати цукор", - пояснює Брюс Біррен.

Це відкриття може змусити вчених переглянути модель "один мікроб – одна хвороба", яка покладає відповідальність за виникнення захворювання на одного представника прокаріотів.

"Бактеріальна телефонна книга"

Можливо, що при виникненні деяких захворювань має значення не конкретний вид найпростіших, а те, що загальне функціонування групи мікроорганізмів пішло наперекосяк, вважає доктор Кертіс Хаттенхауер з Гарвардської школи охорони здоров'я.

Дослідники виявили, що здорові добровольці переносять невелику кількість мікробів, яких прийнято вважати хвороботворними.

Наприклад, бактерія метицилін - резистентний золотистий стафілокок, - яка може спричинити сепсис та двосторонню пневмонію, була знайдена в носі близько 30% учасників експерименту.

"Тепер у нас є "телефонна книга" з більш ніж 100 подібних мікроорганізмів, які при певному збігу обставин можуть повестися погано. Ми знаємо, де вони живуть у здорових людей і які організми їх оточують. Тому, можливо, ми можемо почати розуміти, що їх стримує і де вони розмножуються", – каже доктор Хаттенхауер.

І мікроби несуть у собі багато генів. Ці гени мають таку ж здатність впливати на наше здоров'я і хвороби, як і наші власні, запевняє Кертіс Хаттенхауер.

"Терра інкогніту"

Програмний директор проекту Літа Проктор та її колеги схиляються до висновку, що ми обираємо наші мікробіоми на самому початку життя.

"Геном людини передається у спадок, але мікробіом людьми купується - це означає, що він сильно схильний до змін і мутацій. Над цим ми і працюємо в клінічних умовах. Якщо ви можете керувати мікробіомом, ви зможете зберегти його здоровим або змінити нездоровий баланс", - пояснює Проктор.

За словами професора Девіда Релмана зі Стенфордського університету, ці дослідження - лише половина справи, оскільки ми маємо набагато більше дізнатися про "діалог" мікробіомів з клітинами людини.

"Досі це "терра інкогніту". Навіть у звичних умовах ми, як і раніше, відкриваємо нові форми життя", - каже Релман.

Мікробіота людини: роль бактерій, грибків, архей та вірусів у нашому тілі

Мікробіом, або мікробіота, або мікрофлора людини, складається з усього набору мікроорганізмів, які живуть в організмі і на тілі. Насправді всередині нашого організму в 10 разів більше бактерій, ніж на шкірі. Вивчення мікробіома людини охоплює сукупність всіх мікробів та геноми мікробних угруповань організму людини.

Ці мікроби знаходяться у різних місцях екосистеми людського тіла та виконують важливі функції, необхідні для нашого здоров'я. Наприклад, кишкові бактерії дозволяють нам правильно перетравлювати та поглинати поживні речовини з продуктів, які ми вживаємо в їжу.

Генна активність корисних мікробів, що колонізують організм, впливає на фізіологію людини та захищає від патогенних бактерій. Порушення належної активності мікробіома пов'язане з розвитком низки аутоімунних захворювань, включаючи діабет та фіброміалгію.

Мікробіом людини

Мікроскопічні організми, що мешкають в організмі, включають археї, бактерії, гриби, протисти та віруси. Мікроби починають колонізувати наш організм із моменту народження. Мікробіота людини змінюється за кількістю і типом мікроорганізмів протягом усього життя, причому кількість видів збільшується від народження до дорослого віку і зменшується в літньому віці. Ці мікроби є унікальними від людини до людини і можуть бути порушені певними видами діяльності, такими як миття рук або прийняття антибіотиків. Бактерії є численними мікроорганізмами в мікробіомі людини.

• Археї - одноклітинні екстремофільні прокаріоти, здатні жити в найекстремальніших умовах.Вони колись вважалися бактеріями, але виявили, що археї відрізняються від бактерій структурою клітинної стінки і типом рРНК. Археї, такі як метаногени, які потребують вільних від кисню умовах, щоб вижити можна знайти в кишечнику людини.
• Бактерії - одноклітинні прокаріоти, що різняться за видами та формами. Ці різноманітні мікроорганізми здатні мешкати в різних умовах і можуть бути виявлені в різних областях тіла, у тому числі на шкірі, всередині травного тракту та всередині жіночого репродуктивного тракту.
• Гриби - одноклітинні (дріжджі та плісняви) і багатоклітинні (гриби), що містять спороутворюючі плодові тіла для розмноження. Грибкові угруповання тіла також називають мікобіомом. Одноклітинні дріжджі колонізують різні області тіла, такі як шкіра, піхва та шлунково-кишковий тракт.
• Протисти - різноманітна група одноклітинних та багатоклітинних еукаріотів. Багато протист немає загальних характеристик, але групуються разом, оскільки є тваринами, рослинами чи грибами. Прикладами протистів є амеби та парамеції. У той час як багато протистів паразитують на своїх господарях, інші існують у коменсальних (один вид отримує вигоду без шкоди іншому) або взаємовигідних відносинах (обидва види корисні один одному). Протисти, які зазвичай перебувають у кишечнику людини, включають Бластоцисти (Blastocystis) та Ентеромонади (Enteromonas hominis).
• Віруси - частинки, що складаються з генетичного матеріалу (ДНК або РНК), укладеного в шар білка, що називається капсидом.Ряд вірусів є частиною людського мікробіома і включають віруси, що заражають різні типи клітин організму, наприклад, бактеріофаги - віруси, які інфікують бактерій, та сегменти вірусного гена, вбудовані в хромосоми людини. Віріони (неактивні вірусні частинки) можуть зустрічатися в кількох областях тіла, включаючи шлунково-кишковий тракт, рот, дихальні шляхи та шкіру.

Мікробіом людини також включає мікроскопічні тварини, такі як кліщі. Ці крихітні членистоногі зазвичай колонізують шкіру.

Мікробіом шкіри

Шкіра людини заселена рядом різних мікроорганізмів, які мешкають на поверхні шкіри, а також у залозах та волоссі. Наша шкіра знаходиться в постійному контакті із зовнішнім середовищем і є першою лінією захисту організму від потенційних патогенів. Мікробіота шкіри допомагає запобігти колонізації шкіри патогенами. Вона також допомагає тренувати нашу імунну систему, попереджаючи імунні клітини про наявність патогенів та ініціюючи імунну відповідь.

Екосистема шкіри людини дуже різноманітна, з різними шарами шкіри, рівнями кислотності, температурою, товщиною та впливом сонячного світла. Таким чином, мікроби, які мешкають у певному місці на шкірі чи всередині неї, відрізняються від мікробів в інших частинах тіла. Наприклад, мікроорганізми, що населяють вологі та гарячі частини тіла (під пахви), відрізняються від тих, які колонізують сухі, холодніші поверхні шкіри на руках і ногах. Коментальні мікроорганізми, які зазвичай населяють нашу шкіру, включають бактерій, віруси, гриби та мікроскопічних тварин, таких як кліщі.

Бактерії, що колонізують шкіру, процвітають в одному з трьох типів шкіри: жирної, вологої та сухої.Три основних види бактерій, що населяють ці типи шкіри, включають: пропіоновокислі бактерії (Propionibacterium) - Виявлені переважно на жирних ділянках; коринебактерії (Corynebacterium) - Виявлені у вологих областях; стафілококи (Staphylococcus) - Населяючі сухі ділянки.

Хоча більшість цих видів бактерій не є небезпечними, вони можуть стати шкідливими для людини за певних умов. Наприклад, пропіонібактерії акне (Propionibacterium acnes) живуть на жирних поверхнях шкіри, таких як обличчя, шия та спина. Коли організм виробляє надмірну кількість жиру, ці бактерії розмножуються з високою швидкістю, що може призвести до розвитку акне. Інші види бактерій, наприклад, золотистий стафілокок (Staphylococcus aureus) і стрептокок піогенес (Streptococcus pyogenes), можуть викликати більш серйозні проблеми, такі як септицемія та ангіна.

Не так багато відомо про коменсальні віруси шкіри, оскільки дослідження в цій галузі поки що нечисленні. Виявили, що віруси знаходяться на поверхнях шкіри, сальних залозах і всередині бактерій шкіри.

Види грибків, що колонізують шкіру людини, включають кандидоз (Candida), маласезія (Malassezia), криптокок (Cryptocoocus), дебаріоміцес (Debaryomyces) та мікроспорія (Microsporum). Як і у випадку з бактеріями, грибки розмножуються з надзвичайно високою швидкістю і можуть викликати проблемні стани та захворювання. Грибки маласезія здатні викликати лупу та атопічну екзему.

Мікроскопічні тварини, що населяють шкіру, включають кліщів. Наприклад, кліщі демодекс (Demodex) колонізують обличчя та живуть усередині волосяних фолікулів. Вони харчуються шкірним жиром, мертвими клітинами та навіть деякими бактеріями.

Мікробіом кишечника

Мікробіом кишечника людини відрізняється різноманітністю та чисельністю. Він включає трильйони бактерій із тисячами різних видів. Ці мікроби процвітають у суворих умовах кишечника і беруть активну участь у підтримці травлення, нормального метаболізму та належної імунної функції. Вони допомагають у перетравленні неперетравлюваних вуглеводів, метаболізмі жовчних кислот та ліків, а також у синтезі амінокислот та багатьох вітамінів.

Декілька кишкових мікроорганізмів продукують протимікробні речовини, які захищають нас від патогенних бактерій. Склад кишкової мікробіоти є унікальним для кожної людини і постійно змінюється. Він змінюється з такими факторами, як вік, зміна раціону, вплив токсичних речовин (антибіотики) та зміни у стані здоров'я. Відхилення у складі комменсальних мікроорганізмів кишечника пов'язують із розвитком шлунково-кишкових захворювань, таких як запальні захворювання кишечника, целіакія та синдром подразненої товстої кишки.

Переважна більшість бактерій (близько 99%), які мешкають у кишечнику, в основному складаються з двох типів: бактероїди (Bacteroidetes) та фірмікути (Firmicutes). Приклади інших типів бактерій, виявлених у кишечнику, включають протеобактерії (наприклад, ешерихії (Escherichia), сальмонели (Salmonella) та вібріони (Vibrio)), актинобактерії (Actinobacteria) та мелаїну бактерії (Melainabacteria).

Мікробіом кишечника також містить археї, гриби та віруси. Найпоширенішими археями в кишечнику є метаногени Methanobrevibacter smithii і Methanosphaera stadtmanae. Види грибків, що мешкають у кишечнику людини, включають кандидоз (Candida), цукроміцети (Saccharomyces) та скарбнички (Cladosporium).Зміни у нормальному складі кишкових грибків були пов'язані з розвитком таких захворювань, як хвороба Крона та виразковий коліт. Найбільш поширені віруси в мікробіомі кишківника - це бактеріофаги, які інфікують кишкові бактерії.

Мікробіом ротової порожнини

Мікробіом ротової порожнини налічує мільйони мікроорганізмів, що існують, як правило, у взаємовигідних відносинах із господарем. У той час як більшість мікробів є корисними, запобігаючи ротовій порожнині від колонізації шкідливими мікроорганізмами, деякі з них можуть стати патогенними за певних умов.

Бактерії є найбільш численними з мікроорганізмів ротової порожнини і включають стрептококи (Streptococcus), актиноміцети (Actinomyces), лактобактерії (Lactobacterium), стафілококи (Staphylococcus) та пропіонібактерії (Propionibacterium). Бактерії захищають себе від стресових умов у роті, виробляючи липку речовину, яка називається біоплівкою. Біоплівка захищає бактерії від антибіотиків, інших мікроорганізмів, хімічних речовин, чищення зубів чи речовин, небезпечних мікробів. Біоплівки різних видів бактерій утворюють зубну бляшку, яка прилипає до поверхонь зубів і може спричинити їх руйнування.

Ротові мікроби часто взаємодіють на користь одне одного. Наприклад, бактерії та грибки іноді співіснують у відносинах, які можуть завдати шкоди господареві. Бактерія стрептокок мутанс (Streptococcus mutans) та грибок кандида альбіканс (Candida albicans), що працюють у зв'язці, викликають серйозні проблеми із зубами, що найчастіше зустрічаються у дошкільнят.

Археї в ротовій порожнині, включають метаногени Methanobrevibacter oralis і Methanobrevibacter smithii. Протисти, що мешкають у порожнині рота, включають ротову амебу (Entamoeba gingivalis) та ротова трихомонада (Trichomonas lenax). Ці комэнсальні мікроорганізми харчуються бактеріями або харчовими частинками і зустрічаються в набагато більшій кількості у людей із захворюванням ясен. Ротові віруси переважно складаються з бактеріофагів.