Журнал Compass #15

МИКРОБИОМ ЧЕЛОВЕКА Бактерии внутри человека могут дать толчок для следующей революции в медицине

У среднестатистического человека в пищеварительной системе содержится 20 000 различных видов бактерий общим весом 0,9-1,4 кг. Ученые начинают понемногу понимать, как именно эти бактерии, в совокупности получившие название микробиом человека, влияют на невероятное количество заболеваний и, вероятно, наих лечение.

У среднестатистического человека в пищеварительной системе содержится 20 000 различных видов бактерий, таковы данные ученых. Эти бактерии, в совокупности получив-шие название микробиом человека, напрямую связаны с разными заболе-ваниями, включая диабет, ожирение, астму и аутоиммунные болезни. С ними же связывают наступление депрессии и состояние душевного здоровья в целом.

Ученые могут определять бактерии путем расшифровки ДНК с помощью машин для определения последовательности генетического кода, предваряя наступление новой эпохи в понимании здоровья человека.

Исследователи из США, Европы и Китая со всем энтузиазмом взялись за обработку новых знаний. Сложность задачи просто зашкаливает. Ученым неизвестно, как именно разные популяции бактерий взаимодействуют друг с другом, и они не понимают конкретные механизмы, с помощью которых бактерии влияют на здоровье приютившего их тела. Что известно досконально, так это то, что у людей в разных концах света абсолютно отличающиеся наборы внутренних бактерий. Предпо-ложительно, определение точного бактериального набора поможет объяснить, почему некоторые нации склонны к некоторым заболеваниям, которые редко встречаются у других. Это заставляет многих ученых задуматься над тем, можно ли вообще предотвратить или излечить заболевания, корректируя смесь бактерий во внутренностях живого организма?

БЕЗГРАНИЧНОЕ НЕИЗВЕСТНОЕ

Роб Найт считается одним из ведущих мировых ученых, исследующих микро-биом человека, и по совместительству руководителем проекта American Gut project – самой масштабной в мире научной инициативы по изучению микробиологического разнообразия в пищеварительной системе человека.

«Сложность микробиома с большой вероятностью превышает по своей комплексности сложность рака, хотя бы из-за количества задействованных генов, различных конфигураций и сил притяжения между клетками», - говорит Найт. «У микробов намного больше генов, чем у нас, причем между ними на порядок больше связей». Если брать исключительно техническую точку зрения, одним из вариантов получения хотя бы каких-то данных могло бы стать уменьшение затрат на расшифровку гена, то есть продолжение эволюции машин для секвенирования ДНК. «Основная и главная проблема – определение последовательности ДНК», - говорит Найт. «На данный момент каждый цикл секвенирования ДНК стоит очень дорого, нужно набрать множество образцов и поместить их в секвенатор». Институт BGI, бывший Пекинский институт геномики, расположенный в Шэньчжэнь, Китай, является крупней-шим в мире производителем машин для секвенирования ДНК. В BGI изучается немало тем, связанных с геномикой, включая бактерии в пищеварительной системе младенцев.

РАСШИФРОВКА ДАННЫХ

Тем не менее, на фоне запутанности микробиома тщательно запротоколи-рованный процесс обработки больших данных выглядит детской игрой. Все перечисленные направления – большие данные, суперкомпьютеры и облачные вычисления, стремительно эволюционируют и играют огромную роль в понимании микробиома. «Это все равно, что спросить, в пироге важнее мука, яйца или сахар?», - говорит Найт. «На самом деле, без любого из компонентов результата не выйдет».

К настоящему моменту по проекту American Gut проведен анализ пищевар-ительных бактерий примерно 6 000 человек, однако сложность данных такова, что расшифровать их не сможет ни один специалист, будь он хоть трижды доктором медицинских наук.

НА СТЫКЕ НАУК

Если абстрагироваться от технологий, то ученым, которые нацелены на раскрытие тайны микробиома, предстоит коренным образом пересмотреть подход к исследованиям, отмечает Дэвид Эйгус, профессор медицины и технических наук, директор Центра прикладной молекулярной медицины при Университете Южной Калифорнии в Беверли-Хиллс, а также ведущий исследователь проблемы рака, заинтересованный, в том числе, в изучении микробиома.

«В моей группе трудятся физики, математики, специалисты по математиче-скому моделированию и биологи», - говорит Эйгус. «Мы делаем такие вещи, за которые еще 10 лет назад нас сочли бы еретиками, но мы обязаны продолжать, ведь только так можно добиться существенного прорыва в науке».

«МЫ ДЕЛАЕМ ТАКИЕ ВЕЩИ, ЗА КОТОРЫЕ ЕЩЕ 10 ЛЕТ НАЗАД НАС БЫ СОЧЛИ ЕРЕТИКАМИ. НО МЫ ОБЯЗАНЫ ПРОДОЛЖАТЬ, ВЕДЬ ТОЛЬКО ТАК МОЖНО ДОБИТЬСЯ СУЩЕСТВЕННОГО ПРОРЫВА В НАУКЕ».

ДЭВИД ЭЙГУС ИССЛЕДОВАТЕЛЬ РАКА, УНИВЕРСИТЕТ ЮЖНОЙ КАЛИФОРНИИ

Группа Эйгуса активно использует принцип параллельных компьютерных вычислений – один из видов обработки на суперкомпьютере, при котором огромное количество процессоров или отдельных компьютеров однов-ременно выполняют комплекс координируемых расчетов.

В его представлении, безнадежно пытаться выявить единичные результаты, например, каким образом одна популяция бактерий взаимодействует с другой, поскольку это лежит за пределами возможностей даже самых мощных суперкомпьютеров в ближайшей перспективе.

Гораздо правильнее разработать «грубые» теории, основанные на аппроксимации. Одна из таких теорий гласит, что, несмотря на отсутствие понимания прямой взаимосвязи, курение табака почти повсеместно признается фактором увеличения риска раковых заболеваний. Эйгус рекомендует придерживаться схожего подхода с позиции здравого смысла и в новой области исследований, коей является микробиом. «В настолько сложной и неизведанной системе, - говорит он, - рассматривать ситуацию нужно с точки зрения моделирования, а не редукционизма, и не пытаться осознать все отдельно взятые экспери-ментальные точки».

РЕАКЦИЯ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Хотя работа только началась, уже сейчас можно определить будущую реакцию в ряде отраслей промыш-ленности. Например, одним из вариантов медицинского воздействия на устойчивую к антибиотикам «супербактерию» Clostridium difficile (или C. diff), от которой в год умирают тысячи людей, считается пересадка фекальной микробиоты. Действительно, пациенту, в ходе колоноскопической инфузии вводят фекальную микробиоту от здорового донора, пытаясь вычистить бактерию C. diff.

Даже с учетом того, что этот метод положительно зарекомендовал себя при борьбе с C. diff в США, Управление по контролю за продуктами и лекарст-вами США не разрешило использовать его в других случаях бактериального дисбаланса. После этого некоторые производители стали выпускать прогла-тываемые капсулы, содержащие обработанный фекальный материал. Цель все та же – изменение бактериального баланса в ЖКТ.

Еще одна стремительно развивающаяся область – пробиотики. Пробиотики принимаются перорально для взращивания большого количества «хороших» бактерий. Одно из открытий, сделанное Карлом Седдоном, выпускником Оксфорда (Великобритания), магистра биоинженерии, позволяет пробиотикам безопасно пройти через пищеварительный тракт и оказаться в толстой кишке. После попадания туда каждая доза, а теперь это основной продукт британской компании Elixa Probiotic Limited, по имеющейся информации, приносит в 50 раз больше полезных бактерий, в сравнении с обычными пробиотическими добавками. После шестидневного курса, сообщает Elixa, лечение позволяет вырастить 3 триллиона «правильных» бактерий в микробиоме пациента, тогда как средним по пробиотической отрасли является показатель в 10 миллиардов. Поскольку препарат считается пищевой добавкой, капсулы Elixa продаются во многих регионах без рецепта.

ИЗМЕНЕНИЕ ЭКОСИСТЕМЫ

И все же перечисленные технологии – не более чем простейшие инструменты, если взять за точку отсчета глубокое понимание того, что же именно проис-ходит во время взаимодействия различных бактерий и человека-носителя. В дальней перспективе долгожданной наградой станет момент, когда фармацев-тические или продовольственные компании научатся добавлять такие компоненты в продукты или разработают такую новую продукцию, которая будет влиять на микробиом целевым образом, принося желанный результат в виде выздоровления. Пока что у продовольственной индустрии имеется некоторое преимущество, ведь фарма-цевты, чаще всего, стараются выделить конкретную молекулу, запатентовать ее и провести клинические испытания для получения разрешения от правительственных регулирующих органов.

В уме сразу вырисовываются шикарные перспективы . Если та же компания Nestlé сможет скорректировать состав своей детской молочной продукции, а это лишь одна из многочисленных продуктовых линеек, для разных типов детей в разных географических регионах, результатом может оказаться впечатляющая польза для здоровья, ну и огромные продажи.

«Nestlé и другие продовольственные компании инвестируют немалые средства в изучение микробиома, стараясь привязать исследования к разработке новой продукции», - говорит аркинсон. «Возможно, появятся продукты, в которых учтены наши знания и жирах, углеводах и белках, и они целевым образом влияют на микробиом сразу в нескольких плоскостях, обеспечивая создание той самой экологии, о которой мы мечтаем при виде конкретных категорий пациентов. Тогда мы сможем расширить сферу применения и выпускать пециализированную продукцию для разных групп потребителей или пациентов».

Как и Эйгус, Паркинсон скептически относится к перспективе мгновенного раскрытия учеными секретов микробиома в обозримые сроки. По крайней мере, на текущий момент придется полагаться на старый добрый научный подход и формулировать гипотезы о механизмах воздействия, после чего проверять выс-казанные теории на практике. Допустим, реакция отдельного человека на конкретное лекарство может служить ориентиром для поиска ключей к его микробиому.

Исследование и впрямь обретает обще-мировой характер и активно набирает темп. Многие люди, страдающие от неизлечимых болезней, следят за развитием событий в надежде, что ответы на серьезнейшие вопросы будут найдены как можно скорее. ◆

автор статьи Уильям Дж. Холстейн Вернуться к началу страницы