В журнале Nature опубликована статья старшего научного сотрудника исследовательского института Роуэтта Абердинского университета Алана Уокера и профессора системной биологии Университета Ноттингем (Великобритания) Трент Лейсли Хойлс, которые развенчивают самые распространенные заблуждения о кишечных бактериях человека, не имеющие под собой прочной доказательной базы, но буквально заполонившие не только обыденное, но даже научное сознание.
За последние два десятилетия интерес к исследованиям микробиома человека возрос в геометрической прогрессии, ежегодно публикуются десятки тысяч работ, посвященных этой тематике. Огромные средства направлены на изучение микробиома в качестве причины или потенциального терапевтического решения для широкого спектра заболеваний, включая воспалительные заболевания кишечника и кардиометаболические состояния.
Но, к сожалению, такая активность привела к появлению нездоровой шумихи и дезинформации, которые могут подорвать доверие общественности к исследованиям, считают эксперты. Многие неподтвержденные или недостаточно подтвержденные утверждения стали «фактами» просто в силу их постоянного повторения. Поэтому ученые поставили перед собой задачу пролить свет на укоренившиеся неточности — от не самых значительных, но весьма наглядных моментов до вопросов, имеющих, по мнению ученых, серьезный негативный потенциал.
Миф 1. Исследование микробиома — это новая область
За последние 15 лет темпы исследований микробиома человека значительно ускорились, однако эта область до этого момента вовсе не находилась в зачаточном состоянии. Не следует «списывать со счетов» результаты замечательных исследований, которые предшествовали появлению высокопроизводительных методов секвенирования ДНК.
А вообще история исследований микроорганизмов, ассоциированных с человеком, началась, по крайней мере, с конца 19-го века.
Кишечная палочка была впервые выделена в 1885 году, бифидобактерии описаны в 1899-м, и еще в начале 1900-х годов И. И. Мечников высказал предположение о важности полезных микроорганизмов в кишечнике. Аналогичным образом такие понятия, как ось «кишечник — мозг», изучаются уже несколько столетий, а о влиянии на здоровье ключевых метаболитов, связанных с микробиомом, таких как короткоцепочечные жирные кислоты, впервые было сообщено более 40 лет назад.
Миф 2. Микробиота в организме человека весит от 1 до 2 кг
Хотя это утверждение неоднократно упоминается в литературе, оно часто приводится без ссылок и нет возможности установить первоисточник. Тем не менее в большинстве случаев оно вряд ли соответствует действительности. Большая часть микробиоты человека обитает в толстой кишке, и на долю этих микроорганизмов обычно приходится менее половины веса твердых фекальных масс. Средний вес стула человека составляет менее 200 г (влажный вес), а общий вес содержимого толстой кишки в небольшом исследовании, проведенном среди жертв внезапной смерти, варьировал от 83 до 421 г.
Таким образом, за исключением, возможно, редких случаев тяжелых запоров у людей с чрезвычайно уплотненным фекальным веществом в толстой кишке, общий вес микробиоты человека, скорее всего, не превышает 500 г, а в некоторых случаях может быть даже значительно ниже этого значения.
Миф 3. Термин «микробиом» придумал Джошуа Ледерберг
Несмотря на то что нобелевский лауреат Джошуа Ледерберг добился многих значительных успехов в своей карьере, слово «микробиом» придумал не он. Это часто повторяемое и широко растиражированное утверждение было тщательно опровергнуто в работах, где приводились доказательства того, что в современном контексте это слово было использовано более чем за 10 лет до того, как Джошуа Ледерберг впервые употребил его в 2001 году. Этот миф служит отличным примером того, как легко ложные сведения укореняются даже в научной литературе.
Миф 4. В одном грамме фекалий человека 1012 бактериальных клеток
Эта цифра часто упоминается в литературе по микробиому, однако ее источник установить трудно. Возможно, она основана на подсчете фекальных клеток по сухому, а не по влажному весу. Как бы то ни было, это неверно, говорят ученые. Реальная цифра, полученная с помощью различных методов, таких как прямой подсчет клеток, флуоресцентная гибридизация in situ, проточная цитометрия и количественная ПЦР, обычно составляет от 1010 до 1011 микробных клеток на грамм фекалий во влажном состоянии.
Миф 5. Микробиота превосходит человеческие клетки в соотношении 10:1
Этот миф, пожалуй, один из самых распространенных в литературе о микробиоме. Однако в последних работах было показано, что это заблуждение, по-видимому, возникло на основе неверных расчетов еще в 1970-х годах. Более детальный анализ продемонстрировал, что истинная цифра хотя и впечатляющая, скорее всего, ближе к соотношению 1:1 (в организме «эталонного мужчины» весом 70 кг насчитывается 38 трлн бактериальных клеток и 30 трлн человеческих клеток).
Следует отметить, что это соотношение может быть различным у разных людей и зависит от таких факторов, как размер/масса тела хозяина и количество фекалий, которые он переносит в толстой кишке. Кроме того, текущие оценки в основном базируются на наблюдениях за взрослыми, проживающими в урбанизированных странах с высоким уровнем дохода.
Миф 6. Микробиота наследуется от матери внутриутробно и при рождении
Варианты этого утверждения чаще встречаются в научно-популярных статьях, чем в научной литературе, но оно является примером того, как важны нюансы при описании микробиома человека. Хотя некоторые микроорганизмы непосредственно передаются от матери ребенку во время рождения, пропорционально мало видов микробиоты являются действительно «наследуемыми» и сохраняются в потомстве от рождения до взрослого возраста. Действительно, наибольшее расширение разнообразия микробиоты кишечника происходит после рождения, в течение первых нескольких лет жизни, и значительно увеличивается после отлучения от груди (см. рисунок).
Каждый взрослый человек в итоге имеет уникальную конфигурацию микробиоты, даже однояйцевые близнецы, выросшие в одной семье. Таким образом, хотя формирование микробиоты еще не до конца изучено, микробные сообщества взрослого человека, по-видимому, складываются преимущественно под влиянием предшествующих случайных воздействий окружающей среды, а также множества других факторов, таких как диета, антибиотикотерапия и генетика хозяина, ну и прямое «наследование» от матери при рождении играет столь же незначительную роль.
Рисунок. Разнообразие кишечной микробиоты (оцениваемое по количеству наблюдаемых оперативных таксономических единиц) резко возрастает в первые несколько лет жизни, особенно после отлучения от груди, а затем начинает плавно снижаться еще в детском возрасте. Такая картина наблюдается у живущих в разных географических точках: Малави (красный), Венесуэла (зеленый) и США (синий).
Миф 7. Большинство болезней характеризуется наличием патобиома
В последнее время в литературе все чаще можно встретить утверждения о том, что причиной большинства заболеваний является патобиом. Под этим термином понимается негативное взаимодействие между микробными сообществами и их хозяевами, приводящее к заболеванию. К сожалению, этот термин является слишком упрощенным и по сути даже ошибочным.
Микроорганизмы и их метаболиты не являются ни «хорошими», ни «плохими», они просто существуют. Их воздействие на людей как на хозяев в значительной степени зависит от контекста. Микроорганизмы или метаболиты, которые являются вредными в одних условиях, могут не причинять вреда в других.
Например, Clostridioides difficile может протекать бессимптомно в течение всей жизни и вызывать проблемы только в пожилом возрасте, когда у носителя ослаблен иммунитет и он получает лечение антибиотиками. Аналогичным образом штамм E.coli может быть относительно безвреден в толстой кишке, но при попадании в уретру вызывает инфекцию мочевыводящих путей. В результате термин «патобиом» остается расплывчатым и не обладает достаточной точностью, чтобы быть действительно полезным в клинической практике.
Однако верно и то, что многочисленные заболевания человека коррелируют с изменениями в составе микробиоты. Иногда это называют дисбиозом, что также является расплывчатым термином, имеющим ограниченную клиническую применимость. Вполне вероятно, что такие изменения могут способствовать прогрессированию заболеваний, в том числе воспалительных заболеваний кишечника, однако они редко бывают постоянными, а микробиота очень сильно варьирует у разных людей, как пребывающих в здоровом состоянии, так и в болезни. Это делает крайне сложным определение конфигураций микробиоты кишечника с требуемой для клинической практики специфичностью и воспроизводимостью.
Кроме того, корреляция изменений микробиома кишечника с системными маркерами или данными сопряжена с определенными трудностями. При этом часто не учитываются такие факторы, как возраст, ИМТ, пол, прием лекарств, а также взаимодействие микробных сообществ или изменения, которые происходят в результате иммунологических, метаболических или иных функциональных процессов в организме хозяина, а не являются непосредственно причинно-следственными.
Попытки определить «критические точки», когда изменения в составе микробиома точно влияют на развитие заболевания, до сих пор не привели к четкому консенсусу из-за отсутствия согласованности между различными исследованиями. Поэтому делать вывод о том, что характерный патобиом играет роль в «большинстве» заболеваний, — это пока еще полет мысли, который не имеет под собой достаточной доказательной базы.
Миф 8. Секвенирование беспристрастно
Несмотря на то что методы, основанные на секвенировании, стали революционными для исследований микробиома, они не являются совершенными. Предвзятость может проявляться на каждом этапе — от сбора и хранения образцов, лабораторных процессов, таких как выделение ДНК, до выбора биоинформационных конвейеров и референсных баз данных, используемых для анализа. Сравнение исследований микробиоты на основе последовательностей с культуральными исследованиями показало, что при использовании последовательностей не удается обнаружить некоторые виды, которые получается выделить только с помощью традиционных методов культивирования. Современные подходы на основе последовательностей обладают огромным потенциалом, но, как и все другие методы, не являются беспристрастными.
Миф 9. Нужны стандартизированные методики
Это мнение широко распространено и обосновано стремлением упростить и сделать более надежным сравнение результатов различных исследований. Однако идеальных методик не существует, и все они в той или иной мере необъективны. Если все в мире используют одну и ту же методику, то все одинаково слепы к ограничениям этого конкретного подхода.
Существует также проблема выбора протокола, который должен использоваться всеми. Например, сравнение результатов проекта «Микробиом человека» и проекта MetaHIT показало разительные различия в профилях микробиома и то, например, что протокол проекта «Микробиом человека» был менее эффективен при выделении ДНК эукариот и грамположительных бактерий.
На самом деле выбор «лучшего» метода зависит от структуры микробного сообщества в конкретном образце, а она может сильно различаться у разных людей и в разных участках тела. Оптимизация и верификация результатов, основанных на последовательности, с помощью дополнительных подходов предпочтительнее, утверждают авторы статьи, чем попытки требовать от всех использования одного и того же метода.
Дополнительным преимуществом многоплановых исследований с использованием различных методов и исследовательских платформ является то, что они позволяют более глубоко понять механику ассоциаций между микроорганизмами и фенотипами хозяина, а повышение прозрачности при представлении информации о выборе методологии было бы полезно для сравнения результатов различных исследований.
Миф 10. Соотношение типов Firmicutes/Bacteroidetes изменяется при ожирении
Это популярное, но ошибочное утверждение основано главным образом на исследованиях на грызунах, а также на результатах единичных или недостаточно масштабных исследований на людях. Однако, как и во многих других исследованиях, в которых указывается на связь между специфическими профилями микробиоты и заболеваниями, воспроизводимость результатов невелика.
Действительно, в настоящее время проведено не менее трех масштабных метаанализов, в которых сообщается, что эти результаты не согласуются между исследованиями на людях и что на самом деле не существует воспроизводимых микробных таксономических признаков ожирения у человека.
Это заблуждение также отражает нежелательную тенденцию рассматривать профили микробиоты на основе последовательностей на очень широких таксономических уровнях, таких как филы. Хотя это и удобно с точки зрения упрощения данных, но не позволяет учесть присущую отдельным филам немалую изменчивость. Грубая аналогия: человек, птица, рыба, рептилия относятся к филу Chordata (хордовых), но при этом имеют совершенно разные физиологию, образ жизни и взаимодействие с окружающей средой.
Миф 11. Микробиом кишечника функционально избыточен
Это утверждение основывается на результатах исследований, показавших, что хотя таксономический состав метагеномов человека может сильно различаться, профили функциональных предсказаний генов остаются удивительно согласованными. По крайней мере отчасти это артефакт, утверждают авторы статьи, поскольку такие функциональные сравнения обычно проводятся после отбрасывания значительной части метагеномных данных, которые не сопоставляются с референсными базами. Значительная часть того, что попадает в эти базы, скорее всего, происходит от общих генов и/или хорошо охарактеризованных генов, которые встречаются у многих различных бактерий и также относительно неплохо представлены в референсных базах данных.
Сравнительный анализ не позволяет точно отразить специализированные или менее изученные функции. Хотя есть важные функции, которые сохраняются у многих видов микробиоты человека, например, производство короткоцепочечных жирных кислот, существует множество ключевых функций, которые выполняются относительно небольшим числом видов микробиоты. В качестве примера можно привести деградацию оксалатов и резистентного крахмала. В отсутствие ключевых видов такие функции не всегда могут быть полностью замещены другими членами микробиоты.
Миф 12. Большая часть микробиоты человека «некультивируема»
Внедрение высокопроизводительных технологий, основанных на изучении последовательностей, сопровождалось заявлениями некоторых специалистов о необходимости использования этих методов, поскольку большинство микроорганизмов, ассоциированных с человеком, невозможно культивировать в лабораторных условиях.
На самом деле достаточно большая часть бактериальной и архейной составляющей человеческой микробиоты уже культивируется (вирусы и грибы по-прежнему представлены не очень хорошо), а в пионерских работах, выполненных еще в 1970-х годах, была установлена возможность культивирования широкого разнообразия видов микробиоты кишечника.
По мере увеличения производительности лабораторных исследований продолжают культивироваться многие другие виды. Это означает, что существующие пробелы в коллекциях культур по крайней мере частично объясняются отсутствием предыдущих усилий, а не некой изначально присущей «некультивируемостью».
Также авторы обращают внимание на использование термина «микрофлора» в отношении микробиоты, что некорректно, поскольку это понятие относится к растениям. При этом человеческий организм населяют бактерии, археи, грибы, вирусы, протисты.