Охотники за микробами. Как антибиотики, санация и дезинфекция ослабляют иммунитет и приводят к развитию новых заболеваний

С. fetus, в частности, рассказала мне о маскировке – как микроорганизмы приобретают способность избегать защитной системы носителя. И 99,9 % всех бактерий, в том числе С. jejuni, умирают при контакте с веществами крови, но вот С. fetus попадает в кровеносную систему, надевая своеобразную «мантию-невидимку» [6, см. с. 16]. Тем не менее даже она может угодить в плен клетки здоровой печени. Но если ее не вычистить из крови человека с больной печенью (позже я узнал, что тот самый молодой пациент был хроническим алкоголиком), это может привести к менингиту.

Пока я в начале 80-х работал с С. fetus и С. jejuni, открыли их родственницу, как ни странно, в желудке. Тогда ее назвали «желудочным кампилобактер-подобным организмом» («ЖКПО»), а сейчас – Helicobacter pylori.

Как оказалось, она владеет немалым набором трюков и, словно Джекил и Хайд, может либо навредить нам, либо защитить. Я гоняюсь за этим организмом уже двадцать восемь лет с верой (и надеждой доказать) в то, что он может стать путеводной звездой в решении загадки «чумы современности».

Наша первая встреча произошла в октябре 1983 года на Второй международной конференции по кампилобактериальным инфекциям в Брюсселе. Там я познакомился с доктором Барри Маршаллом, молодым врачом из Австралии, который открыл ЖКПО и заявил, что тот вызывает гастрит и язву желудка. Ему никто не поверил. На тот момент «знали», что их вызывает стресс и избыток желудочного сока. Я тоже скептически отнесся к данной идее и, конечно, сразу понял, что ученый открыл новую бактерию. Но, как по мне, убедительных доказательств, что она вызывает язву, предоставлено не было.

Лишь через два года, когда другие ученые подтвердили связь микроба с гастритом и язвенной болезнью, я решил посмотреть, смогу ли внести вклад в исследование ЖКПО (в 1989 году бактерию переименовали в Helicobacter pylori, обнаружив, что это отдельный от Campylobacter вид). Они родственники примерно такой же дальности, как лев (Pantera leo) и домашняя кошка (Felis catus) [7, см. с. 16]: определенное сходство есть, но различия достаточно большие, благодаря которым их можно отнести к разным родам. Моя лаборатория разработала анализ крови на этот микроб и показала: если он живет в вашем организме, то у вас есть и естественная защита от него [8, см. с. 16].

Но врачи объявили войну Н. pylori не на жизнь, а на смерть, прописывая антибиотики при любом желудочном дискомфорте. Их девизом стала фраза «Хорошая Н. pylori – мертвая Н. pylori» [9, см. с. 16]. Я тоже принадлежал к этому лагерю почти десять лет.

Однако к середине девяностых изменил мнение. Начали накапливаться свидетельства, что Н. pylori – часть нормальной микрофлоры нашего кишечника [10, см. с. 16] и играет огромную роль в здоровье. Лишь отказавшись от догмы, провозглашавшей «гастрит – это плохо», удалось заново оценить биологию этой бактерии. Да, она портит жизнь некоторым взрослым, но позже мы узнали, что она очень полезна для детей. Ее уничтожение может принести больше вреда, чем пользы.

Большим достижением Маршалла и его партнера-исследователя Робина Уоррена стали клинические исследования, показавшие, что уничтожение Н. pylori с помощью антибиотиков лечит язву. Другие подтвердили и расширили наблюдения. За это открытие ученые получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 2005 году.

В 2000 году я перешел в Нью-Йоркский университет и оборудовал там лабораторию с целью узнать, чем эта древняя бактерия «занималась» в наших желудках и каковы были последствия. За четырнадцать лет набралось большое количество доказательств, что исчезновение этого почтенного микроба, возможно, стало одной из причин нынешних эпидемий. А потом Н. pylori привела меня к более широкому исследованию – человеческого микробиома в целом.

Сейчас в моей лаборатории постоянная суета. Мы работаем более чем над двадцатью проектами – наблюдаем, как антибиотики действуют на микробы и их носителей, проводя опыты как на мышах, так и на людях. В типичном эксперименте над животными мы даем им лекарства в питьевой воде и сравниваем с теми, кто их не получает. Начинаются исследования очень рано, иногда еще до рождения детеныша. Потом даем подрасти и следим за состояниями и изменениями: насколько толстыми становятся, как работает печень, как вырабатывается иммунитет в кишечнике, как растут кости, что происходит с гормонами и мозгом.

Это очень интересная работа, потому что в каждой из областей мы видим изменения, вызванные антибиотиками, причем на ранней стадии жизни. Стало понятно, что младенчество – ключевое «окно» уязвимости. Совсем в юном возрасте существуют критические периоды роста, и наши эксперименты показывают: потеря дружественных кишечных бактерий на этой стадии развития приводит к ожирению – по крайней мере, у мышей. Также проводим исследования по социальному развитию и целиакии. У нас много идей по поводу того, как применить полученные данные о мышах к людям. Главная цель – помочь восстановиться после перенесенного урона, в том числе разработать стратегии возвращения исчезнувших микробов. Ключевой шаг во всех этих стратегиях – уменьшить дозировку и частоту приема антибиотиков при лечении детей, причем чем быстрее это произойдет, тем лучше.

Моя одиссея, начавшаяся почти тридцать семь лет назад, после того самого больного менингитом, убедила меня, что сейчас – важнейший этап моей карьеры. Годы работы врачом-инфекционистом и научные эксперименты помогли оформить собственную точку зрения на «чуму современности». Я не ожидал, что все так сложится. Но, словно подталкивая, работа переносила меня через долины, горы и океаны научных медицинских исследований. Она же привела к новым идеям о меняющейся современной жизни, которыми я хочу поделиться с вами. Сегодняшняя «чума» – совсем не такая, которая унесла жизни сестер моего отца, но и не менее смертоносная.

Примечания

1. «…стали намного здоровее» (см. с. 6): В древние времена от трети до половины всех детей не доживали до пяти лет. (См. Т. Volk and J. Atkinson, "Is child death the crucible of human evolution?" Journal of Social, Evolutionary and Cultural Psychology 2 [2008]: 247-60.) Детская смертность сохранялась высокой и в XIX веке. Даже в 1900 году в некоторых городах США до 30 % младенцев не доживали до первого дня рождения. (См. R. A. Meckel, Save the Babies: American Public Health Reform and the Prevention of Infant Mortality, 1850–1929 [Baltimore: Johns Hopkins University Press, 1990].) В XX веке улучшение здравоохранения значительно изменило ситуацию: детская смертность уменьшилась с 100/1000 в 1915 году до 10/100 в 1995 (Morbidity and Mortality Weekly Report 48 [1999]: 849-58). В последние полвека детская смертность неуклонно падала (G. К. Singh and S. M. Yu, "U.S. childhood mortality, 1950 through 1993: trends and socioeconomic differentials," American Journal of Public Health 86 [1996]: 505-12).

2. «...распространения эпидемии ожирения» (см. с. 7): Хотя увеличение массы тела говорит в первую очередь о том, что в теле остается больше калорий, чем выходит, ожирение – это сложная проблема. Вопрос, все ли пищевые калории равны с точки зрения человеческого обмена веществ, противоречивый. Такие проблемы, как физический и психологический стресс и недостаток сна, могут повлиять (в сторону увеличения) на прием пищи. Отсутствие физических упражнений может играть непропорционально большую роль в увеличении веса по сравнению с непосредственным эффектом расходования калорий. Курение матери, обстановка до рождения, гормональные нарушения, добавки к подсоленной пище – все это тоже считается причинами ожирения; есть даже предположения, что роль играют и химические токсины (P. F. Baillie-Hamilton, "Chemical toxins: a hypothesis to explain the global obesity epidemic," Journal of Alternative and Complementary Medicine 8 [2002]: 185-92.).

3. «…c 1950 года заболеваемость диабетом возросла на 550 %» (см. с. 7): В развитых странах заболеваемость ювенильным (1-го типа) диабетом стабильно растет. (V. Harjutsalo et al., "Time trends in the incidence of type 1 diabetes in Finnish children: a cohort study," Lancet 371 [2008]: 1777-82.) Хотя после почти пятидесяти лет стабильного роста и недавнего периода ускоренного роста заболеваемость выходит на более ровный уровень, возможно, благодаря достижениям здравоохранения. (V. Harjutsalo et al., "Incidence of type 1 diabetes in Finland," Journal of the American Medical Association, 310 [2013]: 427-28.) В мировых масштабах ежегодный рост заболеваемостью диабетом 1-го типа сейчас составляет около 3 % (P. Onkamo et al., "Worldwide increase in incidence of Type I diabetes- the analysis of the data on published incidence trends," Diabetologia 42 [1999]: 1395-103.).

4. «…почти не отличается от взрослой» (см. с. 10): T. Yatsunenko et al., "Human gut microbiome viewed across age and geography," Nature 486 (2012): 222- 27. В этом исследовании, сравнив кишечную микробиоту жителей США, Малави и Венесуэлы (индейцев), ученые обнаружили, что состав микробов у младенцев и взрослых заметно отличается. Но чем старше становились дети, тем больше их микробиомы стали напоминать «взрослые». Что важно, этот процесс завершается в три года. Переход от отсутствия микробиоты ко взрослой микробиоте полностью происходит в раннем детстве, с развитием функций ребенка-носителя.

5. «исчезающей микробиотой» (см. с. 10): Гипотеза «исчезающей микробиоты» развивалась в течение многих лет. Несколько моих ключевых работ, посвященных этой теме: "An endangered species in the stomach," Scientifi с American 292 (February 2005): 38–45; "Who are we? Indigenous microbes and the ecology of human disease," EMBO Reports 7 (2006): 956-60; вместе с моим очень уважаемым коллегой Стэнли Фэлкоу, "What are the consequences of the disappearing microbiota?" Nature Reviews Microbiology 7 (2009): 887-94; "Stop killing our beneficial bacteria," Nature 476 (2011): 393-94.

6. «мантию-невидимку» (см. с. 12): Открыть механизмы невидимости Campylobacter fetus удалось благодаря серии экспериментов, продолжавшихся почти двадцать лет. Несколько ключевых работ: M. J. Blaser et al., "Susceptibility of Campylobacter isolates to the bactericidal activity in human serum," Journal of Infectious Diseases 151 (1985): 227-35; M. J. Blaser et al, "Pathogenesis of Campylobacter fetus infections. Failure to bind C3b explains serum and phagocytosis resistance," Journal of Clinical Investigation 81 (1988): 1434-44; J. Dworkin and M. J. Blaser, "Generation of Campylobacter fetus S-layer protein diversity utilizes a single promoter on an invertible DNA segment," Molecular Microbiology 19 (1996): 1241-53; J. Dworkin and M. J. Blaser, "Nested DNA inversion as a paradigm of programmed gene rearrangement," Proceedings of the National Academy of Sciences 94 (1997): 985-90; Z. С. Tu et al, "Structure and genotypic plasticity of the Campylobacter fetus sap locus," Molecular Microbiology 48 (2003): 685-98.

7. «…и домашняя кошка (Felis catus)» (см. с. 13): К сожалению, таксономия часто бывает сложной, потому что наши домашние кошки также относят к виду Felis silvestris, диких лесных кошек, а то и вовсе называют F. silvestris f. catus. Впрочем, как кошку ни назови, она будет мяукать.

8. «…есть естественная защита» от него…» (см. с. 13): Основываясь на нашем изучении разновидностей кампилобактерий и реакций на них организмов-носителей, мы начали изучать то же самое и для желудочного кампилобактер-подобного организма (ЖКПО), который какое-то время называли Campylobacter pyloridis, потом – Campylobacter pylori, а затем наконец у него появилось нынешнее имя, Helicobacter pylori. Вот наши первые статьи об этом: G. I. Pеrez-Pеrez, and M. J. Blaser, "Conservation and diversity of Campylobacter pyloridis major antigens," Infection and Immunity 55 (1987): 1256-63; and G. I. Pеrez-Pеrez, В. M. Dworkin, J. E. Chodos, and M. J. Blaser, "Campylobacter pylori antibodies in humans," Annals of Internal Medicine 109 (1988): 11–17. Эти исследования помогли нам разработать анализ крови (на котором основано большинство современных подобных анализов в США), чтобы определить, есть ли в желудке пациента Н. pylori.

9. «Хорошая Н. pylori – мертвая Н. pylori» (см. с. 13): В ответ на мою статью в Lancet (M. J. Blaser, "Not all Helicobacter pylori strains are created equal: should all be eliminated?" Lancet 349 [1997]: 1020-22) Дэвид Грэхэм написал письмо в редакцию: «Хорошая Helicobacter pylori – мертвая Helicobacter pylori» (Lancet 350 [1997]: 70–71). Это стало доминирующей идеей нынешней эпохи.

10. «…нормальной микрофлоры нашего кишечника» (см. с. 13): Флора – это старое название бесчисленной совокупности микроорганизмов, живущих в людях. Когда-то мы называли их «нормальной флорой». Но бактерии – не растения, и микроорганизмы, живущие в нас, очень малы и разнообразны. Теперь мы называем эти микроорганизмы нашей микробиотой. А все отношения между микробиотой и нами, а также членов микробиоты между собой называются микробиомом.

Глава 2. Наша микробная планета

Первоначально, 4,5 миллиарда лет назад, наша планета была безжизненной сферой из расплавленного металла. Но через миллиард лет океаны уже кишели свободно живущими клетками. Каким-то образом, еще не совсем ясным для науки, в этих первобытных морях зародилась жизнь. Одни говорят, что первые «кирпичики» жизни прилетели пылью из открытого космоса – это так называемая гипотеза панспермии. Другие считают, что самовоспроизводящиеся молекулы возникли в залежах глины на дне океана, в горячих гидротермальных источниках, или в пенных пузырях, появлявшихся, когда волны разбивались о скалы. У нас по-прежнему нет точного объяснения, как же все началось.

И все же мы более-менее понимаем, как благодаря простым правилам появилась богатая и разнообразная жизнь нашей планеты и продолжают появляться сложные организмы. Вся биология основывается на незыблемых принципах эволюции, конкуренции и сотрудничества, возникших в первобытных океанах.

Мы живем на микробной планете, где полностью доминируют формы жизни, не видные невооруженному глазу. Около 3 миллиардов лет бактерии были единственными живыми обитателями Земли. Они жили повсюду – на земле, в воде и воздухе, запуская химические реакции, создавая биосферу и условия для эволюции многоклеточной жизни. Они же создали кислород, которым мы дышим, почвы, которые возделываем, пищевые сети для наших океанов. Медленно, неумолимо, с помощью проб и ошибок в бездне времени они построили сложные и прочные системы обратной связи, и по сей день поддерживающие всю жизнь на Земле.

Человеку очень трудно представить себе эту бездну времени, миллиарды лет деятельности микробов, которые превращали неорганическую материю в живую. Эта идея произошла из геологии – из нашего понимания, как континенты формировались, дрейфовали, расходились, врезались друг в друга, создавая горные цепи, которые затем подвергались миллионам лет эрозии ветром и дождем. Тем не менее бактерии жили на Земле задолго до появления гигантских суперконтинентов Лавразии и Гондваны, образовавшихся полмиллиарда лет назад; именно они – родоначальники нынешних континентов.

Джон Макфи в одной из своих классических книг привел замечательную аналогию с местом человечества в этой огромной хронологии: «Давайте представим, что вся история человечества – это один старый английский ярд, равнявшийся расстоянию от носа короля до кончика его вытянутой руки. Стоит один единственный раз провести по ногтю среднего пальца пилочкой, и вы сотрете всю человеческую историю» [1, см. с. 25].

Или вот другое. Если 3,7 миллиарда лет жизни на Земле представить в виде 24-часовых суток, то наши предки-гоминиды появились бы за 47–96 секунд до полуночи. Наш собственный вид, Homo sapiens, – за 2 секунды до полуночи.

Но есть еще кое-какие потрясающие данные, которые по-настоящему позволяют оценить, насколько огромен мир микробов. Они не видны невооруженным глазом, за несколькими исключениями, лишь подтверждающими правило [2, см. с. 25]. Миллионы могут одновременно пройти через ушко одной иголки. Но если собрать всех вместе, их будет не только больше, чем всех мышей, китов, людей, птиц, насекомых, червей и деревьев, вообще всех видимых форм жизни на Земле, вместе взятых: они окажутся еще и тяжелее. Задумайтесь об этом. Невидимые микробы составляют большую часть биомассы Земли: млекопитающие, пресмыкающиеся, морская живность и т. д.

Без микробов мы не могли бы есть и дышать, а вот без нас почти все они жили бы отлично.

Термин «микроб» относится к нескольким типам организмов. В этой книге говорится в основном о домене бактерий, также называемых «прокариотами», – об одноклеточных безъядерных организмах. Но это вовсе не означает, что они примитивны. Бактериальные клетки – полностью самодостаточные существа: они могут дышать, двигаться, есть, избавляться от выделений, защищаться от врагов и, что важнее всего, размножаться. Они бывают самых разных форм и размеров. Есть похожие на мяч, морковь, бумеранг, запятую, змею, кирпич, даже треножник. Все великолепно адаптированы к жизни в этом мире, в том числе и те, кто живет в телах и на них.

Когда они нас покидают, начинаются большие проблемы.

Еще один микробный домен, археи, с первого взгляда напоминает бактерии, но, как говорит само название, это очень старая, глубокая ветвь древа жизни с иной генетикой, биохимией и независимой эволюционной историей. Их обнаружили в экстремальных средах, в частности горячих источниках и соленых озерах, но на самом деле археи можно найти во многих нишах, в том числе в человеческом кишечнике и пупке.

Третья ветвь микробной жизни – эукариоты, одноклеточные организмы с ядром и другими органеллами, которые являются «кирпичиками» для строительства более сложных, многоклеточных форм жизни. За последние 600 миллионов лет от эукариот произошли насекомые, рыбы, растения, земноводные, пресмыкающиеся, птицы, млекопитающие – вся «большая» жизнь, от муравьев до секвойи. Впрочем, некоторые примитивные относят к микробам, в том числе грибы, водоросли, некоторые амебы и слизистую плесень.

Вот еще один пример, который поможет оценить масштабы. Все знают, что такое семейное древо. Вы расставляете на нем своих предков – родителей, бабушек и дедушек, прабабушек и прадедушек и т. д., причем их количество растет с каждым поколением. Теперь представьте семейное древо всей жизни на Земле – тут столько разных форм жизни, что оно больше похоже на куст с ветками, торчащими во все стороны. Представьте на секунду, что это круглый куст, в котором первое поколение – самый первый живой организм – находится в центре, а ветки торчат наружу. Затем поместим куда-нибудь нас, людей, допустим, на восемь часов, если смотреть по циферблату.

Теперь вопрос. Где находится форма жизни, которую мы называем «кукуруза» и которая растет на наших полях? Вы, наверное, посчитаете, что она вряд ли находится слишком близко к нам, в конце концов это же зеленое растение. Наверное, где-то на противоположной стороне куста. А вот и нет, кукуруза находится примерно в точке 8:01. Если люди и кукуруза настолько близкие, как оказалось, родственники, кто же занимает остальные ветки? Ответ: по большей части бактерии. Например, расстояние между Е. coli и Clostridium – двумя часто встречающимися – намного больше, чем между нами и кукурузой [3, см. с. 25]. Человечество – всего лишь песчинка в мире, населенном микроорганизмами. Нужно привыкать к этой идее.

А еще есть и вирусы, которые, строго говоря, неживые; они распространяются, вторгаясь в живые клетки и пользуясь их ресурсами. Вспомним грипп, простуду, герпес и ВИЧ, которые считаются проблемой человечества. Но большинство в этом мире вообще нами не интересуются: они заражают клетки бактериальные, а не животные типа наших. Их количество в океанских водах не поддается никакому исчислению: больше, чем звезд во Вселенной. За миллиарды лет сражений между вирусами и микробами и те и другие разработали оружие для убийства друг друга. На самом деле один из возможных способов лечения бактериальных инфекций – использование фагов, вирусов, убивающих бактерии. Эту идею я затрону ближе к концу книги.

В нашем мире обитает (и формирует его) множество разных микробов, но сосредоточимся в основном на бактериях и на том, что происходит, когда мы без разбора убиваем их мощными лекарствами. Есть, конечно, немало эукариот (например, Plasmodium falciparum, один из главных возбудителей малярии), вызывающих сильнейшие страдания, но проблемы, которые они доставляют, другого рода. Вирусов, которые приносят большой вред, тоже хватает – вспомните хотя бы ВИЧ, они не лечатся антибиотиками. Но это отдельная тема и отдельная книга.

* * *

Микробы живут везде, куда ни посмотри. В океане их столько, что и представить невозможно, хотя некоторые оценки дают определенное понимание. Не менее 20 миллионов (а возможно, и миллиарда) типов микробов составляют 50–90 % океанской биомассы. Количество таких клеток в столбе воды (от поверхности моря до дна) превышает 10

, или нониллион (тысячу миллиардов миллиардов миллиардов). Весят они столько же, сколько 240 миллиардов африканских слонов [4, см. с. 25].

Международная перепись океанских микроорганизмов, проект длиною в десять лет, собравший образцы морских микробов из 1200 разных мест, утверждает, что различных родов микроорганизмов на самом деле в сто раз больше, чем считалось ранее. В каждом изученном месте некоторые обязательно доминировали и количественно, и по активности. Но, к удивлению, обнаружилось немало таких, кто представлен популяциями менее десяти тысяч особей (для бактерий это мизерное число), в том числе одиночными экземплярами. Ученые сделали вывод, что многие редкие бактерии вошли в режим ожидания, готовясь к расцвету и доминированию, как только условия окружающей среды окажутся подходящими. То же верно и для микробов, обитающих в наших телах. Способность «прятаться» немногочисленными колониями в течение длительных периодов, а затем спонтанно «расцветать» – это важный аспект их жизни.

Многие морские микробы – так называемые экстремофилы. Они живут в гидротермальных источниках, где кипящая вода, богатая серой, метаном и водородом, поднимается из мантии и встречается с ледяной водой, формируя конусообразные расщелины. Это адская смесь кислот и тяжелых химикатов, но даже в таких условиях, без кислорода и солнечного света, процветают богатые сообщества. То же самое видим в горячих прудах и гейзерах Йеллоустонского национального парка в Вайоминге и в пузырящемся битумном озере на острове Тринидад в Карибском море. Бактерии живут и в огромных ледниках Антарктики, и в ледяных глубинах Северного Ледовитого океана.

Океанское дно, состоящее из темных вулканических пород и составляющее 60 % земной поверхности, служит домом, пожалуй, самой большой популяции микроорганизмов на планете. Они живут за счет энергии, получаемой от реакции горных пород с водой.

Недавно были обнаружены бактерии, которые едят частицы пластика, плавающие в Мировом океане. Это медленный процесс, и все же не менее тысячи различных видов участвуют в превращении «пластисферы» в более здоровую биосферу. Мы не делали ничего, чтобы стимулировать их, разве что кидали пластиковый мусор в океан. Некоторые добрались до него, и тем, кому такая еда пришлась по вкусу, стали быстрее размножаться – вот вам естественный (пластиковый) отбор в действии [5, см. с. 25].

В самом глубоком месте на Земле, в Марианской впадине, недавно обнаружили активное сообщество микроорганизмов, причем там в десять раз больше бактерий, чем в осадочных породах окружающей впадину абиссальной равнины. Гигантские «ковры» размером с Грецию живут на дне океана у западного побережья Южной Америки, питаясь сероводородом.

Ветры, в том числе ураганные, поднимают немало микроорганизмов в воздух; некоторые выживают и даже остаются там. Вокруг формируются частички льда, снежинки, и возникают перистые облака. Они оказывают влияние на погоду и климат, перерабатывают питательные вещества и разлагают загрязняющие.

На поверхности Земли микробы заведуют почвой – одним из самых драгоценных ресурсов. Запущены проекты по сбору почвенных бактерий в разных уголках мира, некоторые эксперты называют это «поисками темной материи Земли» по аналогии с изучением природы неизведанных просторов космоса.