Одним из величайших достижений медицины ХХ века была разработка антибиотиков. Это изменило нашу способность бороться с болезнями. Но медицина в 21 веке переосмысливает свои отношения с бактериями и приходит к выводу, что многие из этих организмов не только вредны для нас, но и необходимы для нашего здоровья.
Нигде это не проявляется так явно, как в кишечнике человека, где микробиом – совокупность бактерий, живущих в желудочно-кишечном тракте – играет сложную и важную роль в здоровье своего хозяина. Микробиом взаимодействует с системами органов по всему телу и влияет на них, включая, как показывают исследования, мозг. Это открытие привело к всплеску интереса к потенциальным средствам лечения нервно-психических расстройств на основе кишечника и к новому классу исследований, изучающих, как кишечник и его микробиом влияют как на здоровый, так и на больной мозг.
Микробиом состоит из поразительно большого количества организмов. Никто точно не знает, сколько или какого типа микробы могут находиться в нашем теле и на нем, но оценки показывают, что в кишечнике может быть от трех до 100 раз больше бактерий, чем клеток в организме человека. Проект «Микробиом человека», координируемый Национальными институтами здравоохранения США (NIH), направлен на создание всеобъемлющей базы данных о бактериях, обитающих в желудочно-кишечном тракте, и на каталогизацию их свойств.
Жизнь бактерий в нашем кишечнике тесно связана с нашей иммунной, эндокринной и нервной системами. Связь двусторонняя: микробиом влияет на функции этих систем, которые, в свою очередь, изменяют активность и состав бактериального сообщества. Мы начинаем разгадывать эту сложность и понимать, как кишечные бактерии взаимодействуют с остальными частями тела и, в частности, как они влияют на мозг.
Распутывая кишечник
Связь между микробиомом и иммунной системой устанавливается на ранней стадии. В течение первого года жизни бактерии заселяют кишечник, который при рождении в основном стерилен, и развивающаяся иммунная система учится, какие бактерии считать нормальными обитателями тела, а какие атаковать как захватчики. Это раннее обучение создает основу для более поздних иммунных реакций на колебания в составе микробиома.
Когда обычно дефицитный штамм становится слишком многочисленным или патогенный вид присоединяется к сообществу кишечных бактерий, результирующая реакция иммунной системы может иметь далеко идущие последствия. Депрессия связана с повышенным уровнем таких молекул у некоторых людей, что позволяет предположить, что лечение, изменяющее состав микробиома, может облегчить симптомы этого расстройства.
Такое вмешательство потенциально может быть достигнуто с использованием пребиотиков – веществ, способствующих росту полезных бактерий, – или пробиотиков – живых культур этих бактерий. Возможно даже, что на микробиом можно повлиять путем изменения диеты.
В одном эксперименте исследователи трансплантировали человеческий микробиом мышам, свободным от микробов (животным, у которых нет кишечных бактерий), чтобы изучать его в контролируемых условиях. Они обнаружили, что, просто изменив содержание углеводов и жиров в пище мышей, они могут изменить основные клеточные функции и экспрессию генов в микробиоме.
Беспокойные мыши
Депрессия – не единственное психическое расстройство, в котором микробиом может играть роль. Исследования на грызунах, а также несколько предварительных исследований на людях показывают, что состояние наших постоянных микробов связано с уровнем нашей тревожности.
Мыши без микробов, например, по поведенческим тестам на тревожность, по-видимому, менее тревожны, чем нормальные мыши, тогда как мыши, инфицированные патогенными бактериями, ведут себя более тревожно. Интересно, что во время развития, по-видимому, существует окно, когда присутствие микробиома приводит к нормальному уровню беспокойства во взрослом возрасте: стерильные мыши, подвергшиеся воздействию микробиомных бактерий в трехнедельном возрасте, впоследствии вели себя как нормальные мыши, тогда как те, которые подвергались воздействию в возрасте 3 недель. в возрасте десяти недель оставались менее тревожными, чем нормальные животные. Как и данные о микробиомно-иммунном взаимодействии, эти результаты подчеркивают критическую роль кишечных бактерий в раннем возрасте.
Это исследование также показывает сложность взаимосвязи между микробиомом и психологическим состоянием. Хотя общая тенденция заключается в том, что меньшее количество бактерий означает более низкий уровень тревожности, не только количество, но и идентичность видов бактерий определяют, как динамика кишечника взаимодействует с психическим состоянием.
Например, добавление полезных бактерий с помощью пробиотиков может снизить повышенный уровень беспокойства, вызванный воспалением и инфекцией. Ключевым фактором в этих отношениях является стресс и то, как организм на него реагирует.
Другой мозг
Исследователи показали, что наличие или отсутствие микробов у молодых мышей влияет на чувствительность оси гипоталамус-гипофиз-надпочечники (HPA) – ключевого звена в системе реакции организма на стресс. Таким образом, активность микробиома во время развития влияет на то, как мы реагируем на будущие стрессоры и сколько беспокойства они вызывают у нас.
Как бактерии в кишечнике оказывают такое влияние на наш мозг и тело?? Механизмы взаимодействий микробиом-хозяин, по-видимому, столь же многочисленны и разнообразны, как и сами взаимодействия.
Кишечные микробы помогают расщеплять пищу на составные части, поэтому молекулярные строительные блоки, доступные в организме, частично зависят от того, какие бактерии присутствуют для их извлечения. Это может влиять на функцию мозга, например, влияя на доступность молекул, необходимых для производства нейротрансмиттеров.
Некоторые кишечные бактерии могут даже напрямую изменять уровни нейротрансмиттеров, превращая глутамат – возбуждающий передатчик – в ГАМК – ингибирующее химическое вещество мозга. Микробы кишечника вместе с соседними клетками кишечника взаимодействуют с ветвью нервной системы, называемой кишечной нервной системой (ENS), нейроны которой окружают весь желудочно-кишечный тракт. Эта часть нервной системы настолько сложна, что многие называют ее вторым мозгом тела.
Изучение взаимодействия микробиома, кишечника и мозга все еще молодо, но уже стимулирует развитие новых областей медицинских исследований. Такими темпами он станет одной из самых увлекательных историй в области нейробиологии.