Сюзанна Тиле
Как микробы влияют на нашу жизнь. Новое и удивительное о многогранных соседях
Ловцы микробов: наш страх перед микроорганизмами
У нас, немцев, кажется, есть пунктик на уборке: мы драим, чистим и натираем до блеска, пока не придет доктор. Нас считают перфекционистами, это касается в том числе гигиены и чистоты жилищ. В Германии ежегодно продается около 1,3 миллиона тонн моющих и чистящих средств, как показывают данные Баварского земельного управления защиты окружающей среды.
Боязнь микробов сидит у нас глубоко внутри. Еще несколько лет назад даже врачи и биологи видели в этих крошках агрессивных врагов: микрометровые убийцы, которые могут отправить на тот свет двухметровых мужиков. Откуда взялись этот страх перед бактериями и вирусами и мания безупречной чистоты? Взгляд в прошлое способен многое объяснить: нашу фобию можно считать исторически оправданной.
Старая Европа была в XIX и XX веках Европой трущоб. Люди жили среди мусора и грязи в условиях, какие сегодня мы можем наблюдать только в Азии, Латинской Америке и Африке. Детская смертность была очень высокой: только трое из пяти детей доживали до школьного возраста[9]. Чаще всего люди и животные ютились вместе под одной крышей, а отходы просто выбрасывали на улицу. Выгребная яма и ночной горшок были единственными санитарными сооружениями, и вонючие сточные воды свободно текли по улицам.
Массовые кварталы рабочих и поденщиков в промышленных районах способствовали распространению болезней. Диарея и брюшной тиф были обычным явлением. Болезни вроде пневмонии и туберкулеза, а также эпидемии холеры прокатывались волной из Индии по всей Европе и Азии. Только те, у кого была хорошая иммунная система, выживали после визитов непрошеных гостей. На этом фоне очень медленно созревало понимание возникновения болезней.
Первыми исследователями, которые связали болезнь с возбудителями, были Луи Пастер, сам параноидально боявшийся микробов, и немец Роберт Кох[10]. Правда, этот прусский сельский врач больше интересовался своим микроскопом, чем пациентами. Тем не менее именно благодаря его увлечению микроскопией и фотографией была открыта бацилла сибирской язвы – заразы, уносившей жизни не только овец и коров, но и людей. Кох заложил краеугольный камень современной бактериологии, когда продемонстрировал, что микробы как патогены передают заболевания живым существам. Впервые наши маленькие соседи были официально признаны виновными! Таким образом, Кох стал суперзвездой немецкой науки, родилась «теория возбудителя» – одно из величайших открытий в области микробиологии.
Первопроходцам гигиены – Максу Петтенкоферу из Мюнхена и Рудольфу Вирхову из Берлина – мы обязаны масштабными гигиеническими мерами и инновациями, такими как центральные бойни, новая канализационная система и более организованная утилизация отходов. Благодаря Петтенкоферу Мюнхен утратил свою прежнюю репутацию «чумной столицы Европы». Вирхов, с другой стороны, был активным врачом-гигиенистом у микроскопа, он впервые провел параллель между условиями жизни людей и их болезнями.
Когда в 1882 году Роберт Кох выделил возбудителя туберкулеза, он неожиданно стал самым известным немецким исследователем. Его открытие оказалось достаточной причиной для того, чтобы высшие слои общества начали вести чистый образ жизни, дабы защитить себя от болезней. Гигиена вошла в моду! Уже тогда Вирхов, Петтенкофер и другие ранние гигиенисты скептически относились к предположению, что в здоровом организме совсем не содержится микробов. Не каждая туберкулезная бактерия вызывает туберкулез, потому что только небольшая доля инфицированных действительно заболевает.
И все же весь XX век прошел под влиянием травмы охотников за бактериями, таких как Кох и Пастер, которые считали, что опасные бациллы спят и видят, как бы напасть на нас и заразить. Они полагали, что мы должны вооружиться для контратаки. Так началась общая мобилизация в борьбе со злым врагом – микробами. Триумфальный марш гигиены продолжается и по сей день и постепенно значительно сократил наш контакт с микроорганизмами путем хлорирования питьевой воды и пастеризации молока. Чума и холера были остановлены благодаря внедрению канализации и водопровода. Туберкулез исчез из наших домов вместе с улучшением стандартов жилья.
Медицине (а уж они-то должны были знать!) потребовалось больше всего времени, чтобы остановить распространение микробов. До первой половины XIX века в больницах царили отвратительные условия. Хирурги в грязных халатах работали с кровавыми тампонами и губками, которые не менялись. Мытье рук не было обычным ритуалом, их мыли разве что перед обедом.
Перелом произвел только венгерский врач Игнац Земмельвейс, в 1840-х годах бывший помощником врача в родильной клинике в Вене[11]. Он заметил, что больше смертей от послеродовой лихорадки случается в отделениях, где работали студенты-медики, которые еще и препарировали трупы, чем в отделении студенток-акушерок. Микробы передавались через нечистые скальпели, которые вызывали заражение крови и послеродовую лихорадку. Земмельвейс смог значительно снизить уровень смертности, введя правило дезинфекции рук после вскрытия трупов.
По сравнению с XIX веком мы сейчас живем в практически стерильном мире. Прививки, правила гигиены и большое количество лекарств защищают нас от вирусов и бактериальных заболеваний. Открытие антибиотиков, казалось, стало началом победного шествия против инфекционных болезней. Наконец появилось чудодейственное оружие, которое разрушает микробы в организме, не отравляя его при этом. Но ведь антибиотики убивают не только опасных бактерий, но и полезных. Так что успехи медицины и гигиены имеют и свою теневую сторону.
Обучающиеся иммунные клетки
Нас постоянно окружают миллиарды микробов. Почему эти бактерии, грибки и вирусы не делают нас больными и не убивают сразу? Каким-то образом наш организм нашел способ сосуществовать с тысячами различных видов крошечных сожителей. Секрет кроется в настоящем чуде природы – нашей иммунологической резистентности. За последние 200 тысяч лет между микробиомом и иммунными клетками сложился точно скоординированный баланс.
Что бы произошло, если бы мы жили без работающей иммунной системы? Такова была судьба Дэвида Веттера, родившегося в Техасе в 1971 году именно с этим редким генетическим нарушением[12]. У его матери был измененный ген на одной из Х-хромосом, она уже потеряла одного ребенка. Любой контакт с нормальным миром, полным микроорганизмов, привел бы к смерти Дэвида. Поэтому он появился на свет путем кесарева сечения и был немедленно перемещен в стерильную пластиковую палатку. В этом искусственном пузыре он вырос в больнице, получив из-за этого имя Bubble Boy – «мальчик в пузыре». Дэвида часто лечили антибиотиками, чтобы предотвратить любые инфекции. Поскольку у него не было кишечных бактерий с их полезным действием, его держали на специальной диете с жизненно необходимыми витаминами К и В, которые обычно производятся кишечными бактериями.
Умер мальчик в возрасте двенадцати лет, через несколько месяцев после того, как врачи и родители решили провести трансплантацию костного мозга его сестры. К сожалению, вместе с этим органом он также получил и вирус гепатита, который оказался для него смертельным. Трагическая история Дэвида показывает, что невозможно жить в мире, полном микробов, без защиты иммунной системы; одновременно это свидетельство нашей зависимости от веществ, которые производят для нас микроорганизмы.
Решение о том, будут ли микробы приняты или отклонены в нашей среде, принимает хорошо обученная иммунная система. Когда появляется чужеродная бактерия, вирус, грибок или другие виды наших маленьких соседей, иммунная система быстро оценивает, друг это, враг или безобидный зритель. Если решено, что пришелец несет угрозу, в тот же миг поднимается защитная гвардия, чтобы перехватить и уничтожить противника сразу же за первой преградой. В случае обнаружения безвредного комменсала или друга иммунные клетки позволяют дальнейший проход. Это похоже на защиту государства. Только поле боя, человеческое тело, намного меньше и в разы менее обозримое, оно сложнее и непонятнее, чем любое поле военного сражения.
Своей защитой люди обязаны врожденному и адаптивному, обучающемуся иммунитету. Мы рождаемся с физическими барьерами, такими как кожа и слизистые оболочки легких. В носу, легких или кишечнике клетки-фагоциты поджидают чужаков. В крови содержатся белки плазмы, которые активируют защитные клетки и отправляют их в место инфекции, а также сами могут атаковать чужеродные клетки.
Наш первый филигранный защитный барьер из антител присутствует уже при рождении, но все еще пропускает агрессоров. Эти антитела еще в плаценте передаются ребенку из системы материнского кровообращения. Когда ребенок появляется на свет, еще больше антител поступает в его организм через грудное молоко.
И только после рождения образуются клетки адаптивной, самообучающейся иммунной системы – во взаимодействии с окружающим миром. Так что бактерии – важные спарринг-партнеры нашей иммунной защиты. Иммунные клетки, B- и T-лимфоциты, сначала должны как следует присмотреться к возбудителям и обменяться между собой информацией. Так называемые клетки памяти при повторном инфицировании быстро создают антитела или активируют клетки-киллеры. Полноценную защиту от инфекционных болезней эта система обороны формирует к периоду позднего детства и раннего взрослого возраста. Со временем иммунитет ослабевает, реакции на нападения постепенно становятся более вялыми, соответственно тело более уязвимо для инфекций.
Здоровая гвардия обороны нашего организма всегда готова к бою. Его состояние постоянно патрулируют иммунные клетки через кровеносные сосуды и лимфу. Они обладают уникальным свойством: могут перемещаться из сосудов в ткани и обратно. Через один-единственный лимфоузел за секунду в поисках вредителей пролетает примерно 14 тысяч клеток. Если нейромедиаторы сообщают об имеющихся ранах или инфекциях, то на месте атаки тут же сосредоточиваются иммунные клетки. Если мы чувствуем себя хорошо, иммунная система мирно работает себе в нашем организме. Как только появляется сигнал тревоги, она фокусируется на оказании помощи и делает все для сохранения здоровья.
Важную роль играет в этом сотрудничество Т-лимфоцитов: они распознают и устраняют вредных микробов. Потом они становятся причиной типичного отека, покраснения или повышения температуры, которые сопутствуют воспалительной реакции на возбудителя болезни. Но, как только организм поднял по тревоге Т-лимфоциты, запустившие воспалительный процесс, он тут же подключает для регулирования другие Т-клетки, которые противодействуют первым. Это особенно важная функция.
Однако опасность для здоровья может возникнуть и при отсутствии вредных возбудителей. Наша иммунная система и без того не всегда полностью заслуживает доверия, а иногда она и вовсе отправляет свою армию на неконтролируемую агрессию против предполагаемых врагов или даже против клеток собственного организма, в худшем случае это может повредить жизненно важные органы, такие как печень или поджелудочная железа.
К счастью, регуляторные Т-лимфоциты образуют белок, который несколько сдерживает усердие готовых к борьбе Т-лимфоцитов. Этот белок гасит воспалительную реакцию и предотвращает атаку иммунной системы на собственные ткани. Регуляторные клетки успокаивают оборонительную борьбу и затем ищут новый очаг конфликта в организме. Пока отношения между агрессивными Т-лимфоцитами и миротворцами сбалансированы, организм остается здоровым.
Для регуляторных клеток особенно важна их функция памяти. Если они кого-то признали другом, эта информация сохраняется на всю нашу жизнь, в течение которой количество одобряемых иммунной системой микробов, естественно, прибывает. Иммунные клетки просто привыкают к этим соседям. Но это не значит, что так будет всегда и что ситуация не может измениться. Чтобы сдать экзамен, эти микроорганизмы должны быть узнаваемы. Но микробы преображаются – могут изменить как внешний вид, так и свою деятельность. Тогда мы теряем толерантность к ним и проверяем своих друзей или комменсалов заново, а может быть, даже уничтожаем их.
Крепкая иммунологическая толерантность и хорошо обученный иммунитет формируются тогда, когда мы регулярно контактируем с большим разнообразием микробов. Только так возможно подготовить иммунную систему ко всевозможным ситуациям. Если же нам не хватает этих спарринг-партнеров – микробов, то иммунитет начинает нападать на все без разбора и атакует безобидные вещества или собственный организм. Этот баланс очень точно отрегулирован, он сформировался в ходе эволюции человека.
Утрата друзей: как беднеет наш микробиом
Микробы на нас и внутри нас развивались вместе с нами как ближайшие партнеры. Будучи охотниками и собирателями, наши предки кочевали с места на место со всеми своими пожитками. Первые люди ели любую сезонную пищу в регионе: мясо, корни, клубни и фрукты. Этот образ жизни сохранялся в течение более 2,5 миллиона лет где-то до конца последнего ледникового периода[13].
Безопасная жизнь наступила только тогда, когда мы научились контролировать огонь и готовить пищу. Нагревание над огнем убивало возбудителей, которые обитают на разлагающейся плоти. К тому же эту еду было легче переваривать, она давала много энергии. Такие изменения в образе жизни и рационе питания не обошлись без последствий: кишечник у людей сократился, а мозг увеличился. Сегодня, зная о тесной связи между микробами и развитием мозга, мы предполагаем, что и тогда внезапный рост мозга не обошелся без микроорганизмов. Это улучшило нашу способность охотиться и общаться друг с другом. Иными словами, приготовление пищи и микробы сделали нас умнее и человечнее. «Мировая революция в истории человечества» произошла около 11 тысяч лет назад: люди стали вести оседлый образ жизни и научились выращивать зерно. Только благодаря этому из маленьких племен образовались деревни, много позже – города и такие приметы цивилизации, как торговля, письменность или математика. Cельское хозяйство оказалось успешной моделью: вскоре на смену собирателям и охотникам пришли крестьяне, вместе с этим постепенно изменилось питание, а следовательно, и население кишечника. Благодаря регулярным урожаям зерновых пища стала менее разнообразной, что повлекло за собой уменьшение разнообразия населяющих нас микроорганизмов.
Фастфуд, чистые туалеты и посуда, частое мытье рук… повседневность сегодняшнего американца или европейца разительно отличается от жизни древних людей. Наш стиль жизни уже очевидно изменил состав человеческого микробиома. Теперь в общежитии в кишечнике живет намного меньше микробов, чем было у наших предков, если взглянуть на микробиом индейцев, привыкших жить изолированно на протяжении тысячелетий. Согласно исследованию, опубликованному в журнале Science Advances, ученые из США и Венесуэлы нашли самое богатое разнообразие бактерий, когда-либо задокументированное у человека, в микробиоме индейцев яномама, живущих изолированно[14]. Это поселение открыли только в 2008 году. Прежде у этих людей в изоляции тропического леса в Венесуэле не было контакта с внешним миром. Яномама тысячелетиями вели полукочевую жизнь собирателей и охотников.
Данное исследование показало, что американцы в настоящее время имеют на 40 процентов меньше бактерий. И для нас, немцев, картина будет похожей. В отличие от индейцев, у которых не было выявлено доминирующей группы бактерий, у американцев непропорционально много кожных бактерий – стафилококков и пропионий.
Итак, мы постепенно теряем своих важных «старых друзей», и с утратой бактерий их потенциальная польза для здоровья также уменьшается. С одной стороны, очевидно, существует связь между более низким биологическим разнообразием микробов, промышленным питанием и современными антибиотиками. С другой стороны, именно эти факторы западного образа жизни связаны с ростом иммунологических заболеваний и болезней обмена веществ, таких как ожирение, аллергия и диабет, как объяснила автор Домингес-Белло в своем исследовании[15]. Ведь что-то благоприятствовало этим болезням в последние годы. Очевидно, измененный микробиом, как полагают исследователи.
До сегодняшнего дня не выяснено, каким образом сообщество микробов изменилось под воздействием западного стерильного стиля жизни и способа питания, а прежде всего – какие это имеет последствия. Какую роль играло богатое разнообразие видов в микробиоме наших предков для здоровья человека?
Остро назрела необходимость исследовать эти сложные взаимосвязи и роль бактерий в нашем микробиоме. Наглядный пример – желудочная бактерия helicobacter. Она одна из тех редких бактерий, что вообще выживают в кислой среде желудка. В 1980-х годах австралийские врачи Барри Маршалл и Робин Уоррен определили ее как причину язвы желудка. После этого они начали лечение обычными антибиотиками, что, к счастью, наполовину снизило заболеваемость язвой желудка, которую вызывает хеликобактер пилори.
Однако в то время ученые не знали, какие сложные задачи выполняет хеликобактер в нашем микробиоме. Открыть это удалось Мартину Блейзеру, профессору внутренней медицины и микробиологии в Нью-Йоркском университете[16]. После 25 лет исследований он сделал вывод, что хеликобактер – это не патоген, а совсем безопасная бактерия-комменсал. Помогает людям регулировать уровень кислотности в желудке и самостоятельно создает среду, которая идет на пользу и ей самой, и организму хозяина. Если кислоты образуется слишком много, бактерии образуют белок cagA, так что желудок прекращает выработку кислоты. Однако у восприимчивых людей этот белок может иметь неприятный побочный эффект и способствовать язве желудка. Спустя десятилетия Блейзер установил еще одну важную функцию этой бактерии – контроль над аппетитом.
Если хеликобактер работает, то после еды в пищеварительном тракте сокращается количество гормона грелина, сигнализирующего о голоде, и мы просто перестаем есть, поскольку теряем аппетит. Но если бактерия убита антибиотиками, то этот регулирующий эффект пропадает. В результате появляется лишний вес, потому что люди дольше голодны и едят слишком много.
Два-три поколения назад более 80 процентов граждан США имели эту бактерию. Сегодня тест дает положительный результат менее чем у шести процентов американских детей. Целое поколение вырастает без хеликобактера, но с риском избыточного веса. Согласно исследованию, проведенному нью-йоркскими учеными в 1992 году среди 11 детей, у тех из них, кто получал антибиотики в течение первых шести месяцев жизни, было на 20 процентов больше шансов к трехлетнему возрасту получить избыточный вес[17]. В Германии маленьких детей тоже часто лечат антибиотиками. Согласно исследованию Фонда Бертельсманна, в 2009 году каждый второй ребенок в возрасте от трех до шести лет получал такие лекарства[18]. Это значит, что быстрое исчезновение хеликобактера пилори и других видов бактерий из микробиома человека вместе с доступными калорийными продуктами и низкой физической активностью может вызвать всемирную эпидемию ожирения. Блейзер говорит: «Мы до сих пор не знаем, в какой степени ожирение можно объяснить изменением микробного сообщества. Но я убежден, что ролью микробов нельзя пренебрегать»[19].
Лечение антибиотиками – это не единственная причина беспрецедентного переворота в нашем микробиоме, который происходит в настоящее время. Подумайте только о тенденции рожать с помощью кесарева сечения. Такие роды препятствуют прохождению через родовые каналы важных бактерий-комменсалов, например лактобактерий из влагалища матери, которые помогают ребенку переваривать грудное молоко. В Соединенных Штатах и Германии в настоящее время 30 процентов детей рождаются в результате кесарева сечения. В отличие от естественной колонизации материнскими бактериями во время родов, эти новорожденные получают случайный набор микробов из воздуха в родильном зале. Даже спустя годы микрофлора детей, появившихся на свет посредством кесарева сечения, имеет отклонения, что влечет за собой последствия: они чаще страдают ожирением в детском и подростковом возрасте[20].
К тому же много где в мире детей тоже становится меньше. Если у ребенка мало или вовсе нет братьев или сестер, то он лишается важных источников обмена микроорганизмами. Даже наша чистая вода, спасая ежегодно от инфекций миллионы жителей планеты, уменьшает в то же время разнообразие полезных бактерий, которые призваны с нами взаимодействовать. Таким образом, людей, которые живут в бедной микробной среде, становится все больше. И мы за это расплачиваемся.