Силата на бактериите NZZ

Безброй бактерии колонизират тялото ни. Техните изследвания носят нови прозрения в сложните биологично-медицински взаимоотношения и показват медицината в нови насоки.

Бактериите Enterococcus faecalis обитават червата на човека, тук художествено изобразена колония. (Изображение: Keystone/SPL/Pasieka)

Така нареченият чревен микробиом, сумата от всички микроскопични обитатели, които населяват храносмилателния ни тракт от уста до анус, е собствен свят. Безбройните бактерии от повече от 1000 вида определят колко добре действат отделните лекарства и колко тежки са страничните ефекти. Вие помагате да решите дали ще наднормено тегло и след това да развием диабет или нарушения на метаболизма на липидите. Ако фино балансираното равновесие е в дисбаланс, съществува риск от възпаление на червата и евентуално рак.

Бактериите Enterococcus faecalis обитават червата на човека, тук художествено изобразена колония. (Изображение: Keystone/SPL/Pasieka)

Знания от автоексперимент

За Жао Липинг от Центъра за системна биомедицина към Университета Джао Тонг в Шанхай, навлизането в изследванията на микробиомите започна със следдипломна стипендия в САЩ. Пристигнал като слаб млад академик, той напусна университета Корнел в Ню Йорк няколко години по-късно, с 30 килограма наднормено тегло. Обратно в родината си той си спомни традиционните рецепти за затлъстяване и се подложи на диета с китайски сладкиш и горчив пъпеш. В рамките на две години той отслабна с 20 килограма, нивата на липидите в кръвта му се нормализираха и той се чувстваше в състояние, както когато беше студент.

Като микробиолог и любопитен учен, Джао анализира състава на чревния си микробиом на равни интервали по време на диетата и е изумен от промените: Едновременно с изчезването на излишните мазнини бактерията Faecalibacterium prausnitzii внезапно се появява в чревната флора. Отначало само като следа от характерни фрагменти на ДНК, след това в бактериологично откриваеми количества. В края на самоексперимента зародишът представляваше около 15 процента от общия брой микробни обитатели на червата.

За микробиолога беше ясно, че това не доказва причинно-следствена връзка между наличието на Faecalibacterium prausnitzii, намаляване на теглото и нормализиране на липидите в кръвта. Възможно е фекалният зародиш да е просто бактериален „свободен ездач“, който е намерил подходяща екологична ниша за него в чревната флора, модифицирана чрез промяна на хранителните навици. За да стигне до дъното на връзките, китайският учен реши да проведе систематични изследвания. Първо с мишки, след това с прасенца без микроби (чиито черва много приличат на тези на хората) и накрая със сънародниците му, които все повече страдат от затлъстяване, диабет и сърдечно-съдови заболявания поради променен начин на живот. Всички тези експерименти показват причинно-следствена връзка.

Например, той позволява на лабораторни мишки да ядат нормална, нискокалорична или много мазна храна на всеки две седмици. В същото време се анализира съставът на чревната флора с помощта на молекулярно-биологични методи и се определя делът на отделните видове в бактериалната популация. Ако мишките са получили гранули с високо съдържание на мазнини, 80 нови бактериални вида се появяват в екскрементите си или се размножават силно. Ако стандартният фураж беше променен, съставът на микробиома бързо се върна в първоначалното си състояние.

В друга поредица от експерименти на гризачите е даден екстракт от китайска златна нишка или берберис с висококалоричната храна - две лечебни растения, които се считат за добри за храносмилането в традиционната китайска медицина и се твърди, че активират способността на тялото да се самолекува. Ако на храната се дават екстракти от един от двата растителни вида, мишките дори не се напълняват. Ако тези компоненти липсваха, те влачеха своите „кореми за просперитет“ върху уморени крака през постелята. И в този експеримент чревната флора се е променила едновременно с увеличаването на теглото.

Каскада от събития

Изследователи от Католическия университет в Льовен в Белгия се опитват да разберат как връзките между чревните бактерии и липидния метаболизъм могат да бъдат обяснени на молекулярно ниво. Въз основа на своите проучвания Патрис Кани и колегите му постулират поредица от молекулярни събития: Ако съставът на чревната флора се промени поради прекомерна консумация на мазнини, чревната лигавица (молекулярна бариера, съставена от няколко слоя различни клетки) става по-пропусклива за определени вещества. Токсичните молекули, които обикновено не могат да преминат бариерите, влизат в кръвта и причиняват фини възпалителни реакции във вътрешните органи. Те от своя страна влияят на метаболизма в множество телесни клетки. В резултат на това излишните калории не се изгарят, а се отлагат в мастните клетки под формата на липиди.

Причина за автоимунни заболявания?

Изследователите на микробиома подозират, че автоимунните заболявания се развиват на подобен принцип. Следователно промените в имунната система, свързани с чревната лигавица, задействат каскада от реакции, които в крайна сметка водят до това, че имунната система на човек реагира неадекватно, когато влезе в контакт с вещества, които имат алергенен потенциал. Според Феликс Гьозер от Университетската клиника в Бон, отделните етапи на каскадата все още трябва да бъдат проверени. Изследователят на микробиомите обаче е сигурен, че нарушените регулации в имунната система, причинени от промени в микробиома, рано или късно могат да доведат до първите симптоми и след това до автоимунно заболяване. Не е ясно при какви условия се случва такова тежко дерайлиране на чревния микробиом с такъв важен резултат. В допълнение към генетичното предразположение, факторите на околната среда като диетата със сигурност играят роля.

Бактерии и лекарства

Микробиомът влияе и върху напълно различни процеси в тялото ни. Откакто фармацевтите започнаха да разработват перорални лекарства, те са озадачени защо ефикасността и страничните ефекти често се различават значително при пациентите. Класически пример е антикоагулантният варфарин - едно от най-продаваните лекарства в света, което е фармакологично изследвано до последния детайл. Към днешна дата дори половината от вариабилността в ефективността на варфарин не може да се обясни с генетични разлики в ензимите, които обработват лекарството.

Откакто изследователите на микробиомите се обърнаха към този фармакологичен проблем, светлината навлезе в тъмното. Тяхната хипотеза е, че съставът и функцията на чревния микробиом определят бионаличността и страничните ефекти на лекарството. Това се основава на наблюдението, че незабележимият гостоприемник на бактерии може да повлияе на ефективността на лекарството чрез различни механизми, като директна биотрансформация на погълнатото вещество. Той може или да активира лекарството, или, напротив, да накара лекарството да загуби своята ефективност. Друга възможност за влияние е непряка и включва модифициране на производството на протеин в клетките на чревната стена. Ако например се произвеждат по-молекулярни режещи инструменти, те могат да модифицират лекарството, преди да попадне в кръвта.

Например, сърдечното лекарство дигоксин се инактивира от бактерии, наречени Eggerthella lenta, които живеят в червата. Малка химическа промяна го прави безполезен за сърцето. В резултат на това лекарството остава до голяма степен неефективно при пациенти, които съдържат голям брой от тези бактерии в микробиома си.

Ситуацията е по-сложна с раковото лекарство иринотекан. Високоефективното и изключително токсично вещество се създава само чрез ензимното активиране на предварително лекарствено вещество в кръвта на пациента. В черния дроб клетъчната отрова се превръща в нетоксична молекула, която се екскретира в червата чрез жлъчката. Въпреки това, ензимите от някои бактериални видове, присъстващи в червата, превръщат нетоксичното вещество обратно в токсичното вещество, което след това се натрупва в червата. Резултатът е дълготрайна, тежка диария, която принуждава онколога да прекъсне или да спре лечението изобщо.

Елизабет Костело от Станфордския университет вярва, че е дошъл моментът да се възползват от прозренията на изследванията на микробиомите за промяна на парадигмите в медицината. За американския учен принципите, разработени от еколозите за изследване на макрокосмоса на земята, могат да бъдат пренесени в микрокосмоса на чревния микробиом. За тях човешкото тяло се контролира от сложна екосистема от микроорганизми. Здравето е продукт на екосистемните услуги, предоставяни от трилионите взаимодействащи едноклетъчни организми.

Понятието за екосистемата

Тази перспектива се различава коренно от перспективата, получена от инфекциозната медицина, в която червата се разглежда като бойно поле за патогени и нашественици, причиняващи заболявания, се елиминират с фармацевтични клубове. С практикуваната досега процедура не могат да бъдат избегнати екологични странични щети. Например, агресивната антибиотична терапия понякога води до инфекция с Clostridium difficile, силно патогенен патоген, който може да причини животозастрашаващи диарийни заболявания.

Според концепцията на Костело, подход, който отдавна се използва при управлението на природните резервати, особено резерватите на дивата природа, би имал смисъл. Медицинското „управление на парка“ ще се опита да повиши ефективността на доставчиците на услуги за микробна екосистема и по този начин да предотврати развитието на болести. Това може да стане например чрез диета с така наречените пребиотични храни, които предлагат на особено полезните участници в микробиома по-добри възможности за размножаване от техните вредни конкуренти.

Въпреки това, предпоставката за системно прилагане на този вид еколого-медицинска терапия е микробиомът на човек да се записва количествено и качествено и че неговата функция се проверява редовно. Колкото и тази завладяваща визия да бъде отличен пример за индивидуализирана терапия на чревни заболявания, свързани със здравето, тя не може да бъде приложена на практика в обозримо бъдеще: диагностичните процедури, необходими за „управление на парка“, все още не са разработени, нито е предвидимо как разходите, произтичащи от сложните прегледи, могат да бъдат платени.