Человек — это не просто человек, а целая экосистема. Наш организм населяет около тысячи видов бактерий, для них мы — окружающая среда, которую они под себя приспосабливают. В последнее десятилетие стало понятно, что микробиом влияет буквально на все: на физиологию, психику, поведение, здоровье. Сегодня это модная тема, но насколько влияние микробиома научно обосновано? Отвечает Валерий Даниленко, который одним их первых в нашей стране стал заниматься его изучением.

Валерий Николаевич, только что вышла статья в Nature Neuroscience с вашим соавторством — о взаимосвязи микробиома кишечника и аутизма. Давайте поговорим о том, как влияет микробиом на нашу жизнь и здоровье.

В этом году будет десять лет, как появилось определение: микробиом — это второй мозг человека. Формулировку предложили совместно ученые из Ирландии и США после обсуждения на авторитетных международных конгрессах. На основе наблюдений было показано, что многие качества человека — когнитивные свойства, психическое состояние, способность к обучению, практически все, что связано с поведением, находится под контролем микробиома кишечника, так что его можно назвать «вторым мозгом». И это стало предметом интереса разных специалистов — в области медицины, нейрофизиологии, генетики, биоинформатики. Хотя к этому прорыву ученые продвигались в течение предыдущих десяти лет.

Микробиота кишечника — это два-три килограмма бактерий, они представлены более чем 100 тысячами штаммов, представителей около тысячи видов.

 

В чем различие терминов «микробиота» и микробиом»?

Они часто употребляются как синонимы, но, строго говоря, микробиота — это совокупность бактерий, а микробиом — совокупность всех генов бактерий, в общей сложности он в 10–20 раз больше, чем весь геном человека. Мы будем говорить о микробиоме желудочно-кишечного тракта, хотя есть и микробиом полости рта, вагинальный микробиом и так далее, каждый имеет своих обитателей.

 

Как «второй мозг» влияет на первый

Что касается микробиома кишечника, в первую очередь всех заинтересовало, как осуществляется его связь с мозгом, как работает так называемая gut-brain axis. Выяснилось, что бактерии кишечника способны синтезировать практически все нейротрансмиттеры, которые синтезируют нейроны, и другие вещества, которые производят клетки различных тканей человека. Это и адреналин, и серотонин, и альфа-допа, и мелатонин, и гамма-аминомасляная кислота, и короткоцепочечные жирные кислоты. Если бактерии сами не могут делать эти вещества в достаточном количестве, то они посылают сигнальные молекулы, которые увеличивают их синтез в мозге.

 

Как эти сигнальные молекулы передаются в мозг?

Прежде всего, есть энтеральная нервная система, окружающая кишечник. Она очень плотно коммуницирует с микробиомом и воспринимает сигналы от него. Потом, сигнальные молекулы попадают в кровяное русло. Но возникает вопрос: есть же барьеры. Во-первых, есть кишечный барьер, и не все проникает через него. Во-вторых, есть гематоэнцефалический барьер, который отделяет мозг от кровяного русла. В 1990-х годах были представления, что он непроницаем, ничего крупного из крови в мозг попасть не может. Но оказалось, что для веществ, которые синтезируют бактерии, он вполне проницаем. Эти вещества через кровяное русло также могут попадать в мозг и вызывать там изменения. Относительно недавно выяснили, что есть еще один путь передачи — это блуждающий нерв, идущий от мозга в брюшную полость, и через него сигналы могут передаваться из кишечника прямо в мозг напрямую. Это как прямая линия связи президента с правительством. Кроме того, есть иммунная система, через которую бактерии могут подавать сигналы, синтезируя цитокины и другие вещества, действующие на клетки. И последнее — это везикулы бактерий, которые переносят вещества, продуцируемые бактериями, в кровяное русло и из него в мозг.

 

 

 

 

Как работает этот путь?

Бактерии, так же, как и другие клетки, способны образовывать везикулы — мембранные пузырьки, которые заключают в себе различные вещества: белки, низкомолекулярные соединения, РНК, малые РНК, фрагменты ДНК. Бактерии кишечника производят достаточно много везикул. В стрессовых условиях их продукция увеличивается, и они попадают в кровяное русло, а затем, как экспериментально показано, — через барьер в мозг и взаимодействуют с нейронами. Молекулы, которые там находятся, могут активировать экспрессию каких-то рецепторов или стимулировать рост нейронов, а могут влиять на эпигенетику. По-видимому, они принимают участие в тех эпигенетических изменениях, которые происходят у детей по мере их развития, и у взрослых тоже. Они запускают механизмы метилирования, ацетилирования — это тоже экспериментально показано. Они и сами несут ферменты ацетилтрасферазы или метилазы, но могут и активировать их синтез с помощью регуляторных малых РНК. Вот такие фантастические вещи изучают в последние годы.

 

«Им нужно, чтобы мы были здоровы и могли добывать себе еду»

 

Интересно, а зачем самим бактериям производить эти вещества?

Конечно, этот вопрос возник у нейрофизиологов. По-видимому, это такой сложившийся эволюционный баланс. Анаэробные бактерии поселились в полости тела многоклеточных животных еще на самых ранних этапах, когда в атмосфере не было кислорода, и стали вместе с ними эволюционировать. Это их экологическая ниша. И в ходе эволюции сложилось симбиотическое существование бактерий, в первую очередь Bifidobacterium, с животными, и в том числе с человеком. Это бактерии, которые живут в кишечнике и не только в нем — в 18 полостях тела обитают разные бактерии. Через них проходит все взаимодействие с внешней средой. К нам в кишечник попадают продукты питания, вода, лекарства и прочее, и во-первых, бактерии сами питаются за счет этого, а во-вторых, они переделывают это так, чтобы это было нужно организму человека. Им нужно, чтобы мы жили, чтобы мы были здоровы и могли добывать себе еду, чтобы мы не сильно реагировали на стрессы, потому что им от этого тоже бывает плохо. Так что наш организм и этот микробный социум вместе составляют так называемый суперорганизм.

Сегодня становится ясно, что развитие микробиома — его композиции, способности синтезировать те или иные нейротрансмиттеры, нейромодуляторы, иммуномодуляторы, антиоксиданты — коррелирует с тем, как развивается мозг от ребенка до взрослого человека. Это параллельное развитие — предмет будущих исследований, сегодня они только начинаются.

 

Вы пишете, что микробиом сейчас рассматривают как орган, обеспечивающий взаимодействие организма с окружающей средой.

Да. Как орган, который обеспечивает гомеостаз и отвечает на изменения внешней среды. Например, происходит стрессовое воздействие — физическое или социальное. Сразу же на это реагируют бактерии. Какая-то часть бактерий отторгается, уходит. Остаются те, и их число увеличивается, которые способны отвечать на стрессовые условия, способны продуцировать определенные комбинации метаболитов, белков и так далее. Даже на смену дня и ночи микробиом реагирует, так как у бактерий есть свои циркадные ритмы, которые регулируют синтез мелатонина. Определенная группа клостридий и бифидобактерии активируют синтез многих нейротрансмиттеров в эпителиальном слое кишечника и в энтеральной нервной системе. Например, серотонина. Его сами бактерии мало производят, но через короткоцепочечные жирные кислоты увеличивают его синтез в нервной системе в сотни раз, просто регулируя экспрессию соответствующих генов. Так происходит не только в мозге, но и в других органах и тканях. Почему, например, у одних людей возникают онкологические заболевания, а у других нет? Возможно, потому, что здоровый микробиом синтезирует такие вещества, которые приводят к гибели раковых клеток на раннем этапе. Это пример того, что обязательно надо исследовать. В определенной степени это только предположения, в том числе мои, — что некоторые типы везикул, образуемые бактериями, содержат вещества, способные индуцировать апоптоз или некроз, и могут убивать «плохие» клетки.

 

На какие еще заболевания влияет микробиом?

На воспалительные процессы, которыми сопровождается большинство заболеваний. Это увидели десять лет назад, когда начали секвенировать микробиом. Но и до этого догадывались, академик Александр Михайлович Уголев про это говорил. Прежде всего начали искать связь с кишечными заболеваниями — всякие воспалительные процессы, колиты и т.д. Выяснили, что болезнь Крона связана с нарушениями в композиции и состоянии микробиоты, с дисбактериозом. Установили, что есть четкая корреляция между микробиомом и ожирением — проблема ожирения врачей в США волнует с 1950-х годов, — что это связано с наличием каких-то групп бактерий, с наличием определенных продуктов, производимых бактериями. Затем заинтересовались неврологическими заболеваниями. Это наше основное направление, мы работает по проектам: микробиом и депрессия, микробиом и агрессия, микробиом и паркинсонизм, микробиом и аутизм. По последнему проекту сейчас как раз в Nature Neuroscience вышла заключительная работа (подробнее на PCR.NEWS).

С депрессией мы работаем четвертый год. Для исследования берем пациентов Психиатрической клинической больницы имени Алексеева и контрольную группу и сравниваем у них микробиомы с помощью определенных алгоритмов и подходов, которые мы сами разработали, одни из первых в мире. То же и на детях с аутизмом. А вообще сейчас активно исследуют микробиом при самых разных заболеваниях: аутоиммунных, кардиологических, онкологических. Получается, где-то в микробиоме есть триггер, запускающий заболевание, а где-то есть корреляция с болезнью.

 

 

 

«Подпись здоровья» в микробиоме

 

Вы проводите метагеномный анализ микробиоты?

Да. Когда активно начали развиваться технологии секвенирования, все перешли на полный метагеномный анализ. Лет семь-восемь назад у нас в институте стояли самые мощные секвенаторы Illumina, был такой период. Потом все начали делать на аутсорсинге, как во всем мире. Техническую работу выполняют специализированные центры, куда отдают материалы, а анализировать уже не их дело.

Мы ввели понятие «сигнатура» при метагеномном анализе. Это совокупность определенных генов, локализованных в геномах определенных бактерий. Если это набор генов, контролирующих продукты с нейромодулирующей активностью, то сигнатура характеризует нейромодулирующий потенциал микробиома. Если это гены и их продукты с антиоксидантной активностью, такая сигнатура характеризует противовоспалительный потенциал микробиома, и так далее. Коллеги из Бельгии параллельно с нами начали использовать такое понятие, и сейчас оно широко применяется. Когда микробиом стали рассматривать как орган, стало понятно, что нужно охарактеризовать его состояние нормы. Как и любой другой орган — сердце, легкие, — он должен иметь параметры, которые определяют норму. И вот понятие «сигнатура», условно говоря, шесть видов бактерий и семь-восемь генов, это была первая попытка характеристики нормы для микробиома. А при заболеваниях появляются отклонения от нее.

Конечно, здесь нужно учитывать, что микробиом у разных людей различается. Кроме того, он меняется с возрастом и в зависимости от образа жизни, питания. Но какая-то ко́ровая составляющая должная быть, если она нарушена, организм начинает разваливаться. Это, например, видно, когда люди попадают в Арктику, где много стрессовых факторов — холод, нарушение светового дня, магнитные поля, питание и прочее. Там из ста человек только четверть адаптируется сразу, а у остальных начинаются проблемы, некоторые вынуждены эвакуироваться, они не способны там жить. А начинается все с изменения микробиома, потом возникает депрессия, потом — кардиологические заболевания и другие нарушения. Арктика – это природная лаборатория для изучения устойчивости к стрессам у человека.

 

Как складывалось ваше сотрудничество с американскими учеными в исследовании микробиома при аутизме? У вас уже был задел по этой теме?

Было несколько групп ученых в мире, которые занимались проблемами аутизма: в США, в Италии, в Китае, в России мы этим занимались. И на каком-то этапе ученые из Центра вычислительной биологии Симонсовского фонда исследования аутизма (Center for Computational Biology, Flatiron Institute, The Simons Foundation Autism Research Initiative), которые нас уже знали, предложили: давайте попробуем вместе проанализировать результаты и посмотреть, какие можно сделать выводы.

 

Каков основной итог статьи в Nature Neuroscience?

Проведен биоинформатический анализ экспериментальных данных, разработана концепция и стратегия на будущее. Прорыв этой работы в том, что описана «функциональная архитектура» аутизма. Это совмещение сигнатуры, которая имеется в микробиоме человека, с множеством биомаркеров — иммунных, биохимических. Мы попытались все это объединить. Такой подход можно использовать и для характеристики других заболеваний.

 

Что может машина и как ее научить

 

Вы только что вернулись из Казахстана, где участвовали в проведении международной конференции по искусственному интеллекту в биомедицине. Почему именно в изучении микробиома искусственному интеллекту отводят такую большую роль? Потому что нужно анализировать очень большой объем данных?

Да, это первое: искусственный интеллект работает с большими базами данных, которые невозможно проанализировать другим способом. Второе: микробиом — это многоуровневая система, и нужно выявить взаимодействия между ее элементами на каждом уровне. И третий момент — взаимодействие с организмом хозяина, включающее множество факторов. Такую интеграцию способна сделать только машина, чтобы, например, выявить связь с болезнью. Но машину нужно научить, а для этого необходима информация о норме. Одна из наших стратегических задач — создание цифровых контуров, характеризующих микробиом в норме для различных этнорегиональных групп населения. Потому что по показателям микробиома эти группы различаются.

Мы задаем машине исходные данные, которые получили в контрольных группах и от пациентов с каким-то заболеванием, и закладываем в нее алгоритмы. И даем задание, чтобы она расширила эту базу данных — к примеру, от 40 до 4000, есть программы, которые могут это делать. А потом, уже на большем объеме данных, машина находит корреляцию, которая подтверждается с какой-то вероятностью. Затем, уже обучившись, с использованием других алгоритмов она находит новые биомаркеры, новые сигнатуры, важные для этого заболевания. Мы их еще не придумали, а она подсказывает — проверяй. И если эти новые биомаркеры подтверждаются, то по ним можно будет проводить первичную диагностику заболевания.

 

Это должно стать частью персонализированной медицины?

Да. Это подход для выявления индивидуальной предрасположенности к заболеванию, или степени заболевания, или тенденции к его развитию. Сейчас есть уже несколько десятков публикаций с такими работами по разным направлениям: диабет, ожирение, онкология, неврология. Но это может быть использовано и глобально, например, по показателям микробиома можно оценить эффективность вакцинирования в популяции.

 

Но микробиом всей популяции секвенировать невозможно. И как определить связь с вакцинированием?

Конечно, используют определенную выборку. Есть популяция, например, Москва. Выбирают сотню человек, смотрят их иммунный статус по тем показателям, которые сегодня используют, и машина определяет с высокой вероятностью, насколько эффективно работает данная вакцина.

 

А иммунный статус определяют по микробиому или по крови?

Сегодня его определяют по спектру и уровню цитокинов в крови. В перспективе для характеристики иммунного статуса будут также использоваться показатели микробиома.

Другая проблема, которую поможет решить искусственный интеллект, — это установление минимального и оптимального рациона питания для определенных групп людей. Если речь об оптимальном, то, например, приезжают студенты из Африки, Латинской Америки, их характер питания меняется, и микробиом меняется, в итоге проблемы с обучаемостью, стрессы. С помощью искусственного интеллекта можно предсказать, какие элементы питания им нужны, ввести добавки, которые позволят сохранить микробиом и адаптироваться к новым условиям. А если о минимальном, то это позволит поддержать жизнь людей, которые страдают от голода, где-нибудь в Африке, в Индии. Определить, какая еда и в каком минимальном количестве поможет им продержаться, пока урожай вырастет. Речь идет не о калориях, не о белках-углеводах, а о том, чтобы было достаточное количество иммуномодулирующих, нейромодулирующих, противовоспалительных веществ, которые сохранили бы им микробиоту и гомеостаз.

 

Пробиотики, постбиотики и антибиотики

 

На основе ваших исследований уже созданы какие-то лекарства?

Результатом наших многолетних исследований, кроме публикаций, стал большой биобанк бактерий, который мы создали. Это лакто- и бифидобактерии, которые содержат нужные комбинации генов и продуцируют определенные вещества. Их геномы секвенировали, провели транскриптомный и протеомный анализ. Сейчас мы по проекту РНФ «Метагеномный анализ кишечной микробиоты людей с депрессивными расстройствами для выявления маркерных композиций генов» работаем в нашей лаборатории над созданием психобиотиков с комбинацией трех штаммов — одного лакто- и двух бифидобактерий. Препарат будет снимать стрессовое состояние, что очень актуально при постковидной реабилитации, при посттравматическом синдроме по возвращении из горячих точек. Пока что он успешно испытан в экспериментах на животных.

 

Расскажите о результатах этих испытаний.

Эта работа была проведена совместно со специалистами Института фармакологии имени Закусова. Мы нашли, что некоторые виды лактобактерий и бифидобактерий продуцируют ГАМК — гамма-аминомасляную кислоту, важнейший нейтротрансмиттер, который оказывает ингибирующее, тормозное действие на нейроны. Бактерии Lactobacillus plantarum и Bifidobacterium adolescentis, изначально выделенные из кишечной микробиоты здоровых добровольцев, хранились в нашей коллекции. С помощью селекции мы получили штаммы, наиболее эффективно продуцирующие ГАМК. В экспериментах, которые проводили фармакологи, нужно было оценить психобиотические свойства этих штаммов по антидепрессивному эффекту на мышах. Подопытным мышам генетически инбредной линии в течение 14 дней давали суспензию лакто- и бифидобактерий, группа сравнения получала антидепрессант флуоксетин, контрольная группа — обычную воду. Затем проводили тест, в котором мышам приходилось плавать в стеклянном цилиндре без возможности выбраться. Мыши активно двигались, но через какое-то время у них наступало депрессивное состояние, и они неподвижно зависали в воде. Оказалось, что мыши, которые получали бактериальный психобиотик, на треть меньше зависали в воде, чем контрольные мыши. Этот текст используется как стандарт при оценке антидепрессивного эффекта вещества в доклинических исследованиях на животных. И бактериальный психобиотик показал в нем практически такой же эффект, как флуоксетин, это очень хороший результат.

Сейчас мы проводим углубленные исследования этого препарата в рамках проекта РНФ совместно с Институтом Сербского и клиникой имени Алексеева. В следующем году планируем начать его клинические исследования на пациентах больницы.

Второй кандидат в лекарственные препараты — против паркинсонизма — мы разработали совместно с Институтом мозга, с командой академика Сергея Николаевича Иллариошкина. Получены хорошие результаты на моделях паркинсонизма, на мышах и крысах. Его мы тоже планируем зарегистрировать в ближайшее время и начать клинические испытания. Это тоже препарат из живых бактерий. Кроме паркинсонизма, он может быть использован и для постковидной реабилитации определенных типов больных с неврологическими осложнениями.

Помимо этого, сейчас в мире есть тенденция использовать не сами живые бактерии — пробиотики, а постбиотики — метаболиты бактерий, в том числе и в составе везикул. Мы тоже работаем в этом направлении. Стратегия такая: есть коллекция из нескольких сот штаммов, мы проводим их скрининг на моделях, имитирующих конкретные заболевания. Модели могут быть культурами клеток или животными. Потом те штаммы, которые показали эффективность, секвенируем и проводим протеомный, метаболомный и транскриптомный анализы. Получаем из них постбиотики и выясняем, какие компоненты в их составе могут оказаться перспективными. Особый акцент мы делаем на получение постбиотиков в форме везикул. Это новая тенденция в мире, в которой мы точно не отстаем.

 

Вы раньше много занимались антибиотиками и механизмами лекарственной устойчивости. Есть ли сейчас смысл создавать новые антибиотики, которые через какое-то время станут неэффективными?

Пять-семь лет назад, в России, как и в мире, была разработана стратегия борьбы с лекарственной устойчивостью. Правильно сформулировали, что надо искать новые возможности и технологии борьбы с патогенами, которые выработали лекарственную устойчивость. В итоге «получилось как всегда», к сожалению. Создали комплексный проект научных исследований, выделили деньги, раздали их, но у меня нет уверенности, что из этого что-то получится. Потому что все это нужно было делать двадцать лет назад. Как человек, который с юности в Институте антибиотиков занимался созданием новых антибиотиков, синтетических и природных, знаю, как это происходит, сам участвовал в модернизации заводов по производству. Создание нового антибиотика — очень длительный и дорогостоящий процесс. Должна работать большая команда понимающих медиков, генетиков, химиков, технологов. Сейчас создали молодежные лаборатории в рамках КПНИ, комплексного плана научных исследований. Молодежь — это хорошо, и у меня в лаборатории много молодежи. Но это по-другому должно строиться, нужны новые подходы. Скорее всего, существующий КПНИ не даст нужных результатов.

 

Какие подходы, например?

На мой взгляд, сегодня искать классические антибиотики в почве или в воде, среди микроорганизмов, или синтезировать химически, абсолютно неэффективно — подход ХХ века себя изжил. За последнее время никто пока новых антибиотиков таким образом не создал и, похоже, не создаст. Вот появился новый противотуберкулезный препарат «Бетаквилин», и к нему уже есть устойчивость. Нужны принципиально другие концепции.

Возвращаясь к микробиому, у существующих антибиотиков можно значительно увеличить эффективность в комбинации с определенными препаратами на основе лакто- и бифидобактерий, и других полезных бактерий. В мире это уже потихоньку делается. У нас это пока не вышло, хотя планировалось в стратегии.

Я не противник антибиотиков, без них невозможно. Но применение антибиотиков коренным образом меняет наш микробиом и приводит к его разрушению. Принять вместе с антибиотиком просто какой-то пробиотик из аптеки — это мало что дает. Нужно создавать препараты, которые или будут быстро восстанавливать микробиом, или способствовать тому, чтобы гибло минимальное количество бактерий микробиома.

Второй путь, концепция, которую мы продвигаем, — микробиом как источник ингредиентов для лечения различных заболеваний, в том числе инфекционных. Мы ищем комбинации веществ, синтезируемых различными лакто- и бифидобактериями, и не только, которые могли бы заменить антибиотик при лечении инфекционных заболеваний. Из нашего здорового микробиома производить постбиотики. Искать эти комбинации веществ не в почве, не в море, а у наших собственных бактерий, например, кишечника.

 

В последние годы вызывает большой интерес такой нестандартный метод терапии как фекальная трансплантация. Каково ваше отношение к нему?

Это очень сложный вопрос. Возможно много негативных последствий. По моему мнению, этот метод можно использовать только в чрезвычайных случаях и у очень грамотных специалистов.

 

И о перспективах

 

Есть ли рекомендации, как жить в содружестве со своим микробиомом?

Конечно, нужно знать состояние своей микробиоты, а для этого обращаться к специалистам — врачам, диетологам. Нужно готовить хороших специалистов в этой области. Одно из ключевых направлений — создание функциональных продуктов питания, как их называют. Это продукты нового поколения — для лечения, для спорта, для поддержания здоровья. Но их нужно разрабатывать с учетом микробиома, в первую очередь такие продукты, которые бы использовали полезные свойства различных бактерий. В странах Европы, в США этим занимаются, но у нас не сформирован рынок функциональных продуктов питания, не появились крупные компании, которые бы за это взялись. Хотя есть научные организации и бизнес-структуры, которые достаточно компетентны в этой области и готовы объединиться. Мы еще перед ковидом организовали консорциум «Нутригеномика-микробиом», в него входит около десяти институтов и организаций. Сейчас идут переговоры с крупной госкомпанией, которая могла бы взять на себя продвижение такого проекта.

 

Исследование микробиома — очень модная тема в последнее время, она и деньги привлекает. Наверное, тут есть элемент «хайпа»? Хорошо или плохо для науки, что микробиом стал популярен?

Вообще обычно жизнь какой-то идеи в науке — лет семь-восемь. Идея микробиома как «второго мозга» уже разменяла десятилетие. И по уровню публикаций, и по уровню научных конференций, которые проходят с участием бизнеса и государства, и полученных результатов, можно судить, что это действительно перспективное направление.

 

Как вы оцениваете перспективы российской науки в исследовании микробиома? Есть ли шанс удержаться на мировом уровне?

Я думаю, что шансы есть. Я отслеживаю все, что происходит в мире, и оцениваю возможности для прорыва в практической области. Перспективы видны. Кадры есть. Конечно, сейчас сложнее стало с реактивами и материалами, но при желании все можно делать. Я вижу — как и с кем, в какой команде это нужно делать. Нужна национальная программа по микробиому, лечебным и функциональным продуктам питания. И поскольку медико-биологические проблемы — это поле деятельности ФМБА России, я видел бы Веронику Игоревну Скворцову лидером этого направления. Здесь можно довольно быстро, за три-пять лет, создать новое перспективное направление в науке, адекватные технологии и новую отрасль промышленности.