Начиная с четырнадцати лет я руководствуюсь тем, что велит мне мое нутро, и если откровенно, между нами, я прихожу к выводу, что мозгам оно оказывает весьма говенную службу[100].
Одна из концепций, штурмом овладевших научным миром за несколько последних лет, заключается в том, что наша микробиота (бактерии, населяющие кишечник, кожу и другие расщелины тела) управляет нашим здоровьем в большей степени, чем мы полагали до сих пор. Вероятно, бактерии составляют не просто “множество миров”, как говорил Уолт Уитмен: внутри нас живут почти 40 триллионов клеток бактерий, что на несколько порядков больше числа клеток нашего собственного тела[101]. Так кто же мы – больше люди или больше бактерии? (Я голосую за то, что мы люди, поскольку наши бактериальные обитатели сменяют друг друга довольно часто; но это только мое мнение.) Наибольший интерес представляют бактерии, населяющие кишечник, поскольку соотношение видов в микробиоте кишечника меняется при болезни, при диете и ожирении, а также в старости. Сложность интерпретации многих корреляций, основанных на различиях в составе микробиоты (какими бы интригующими они ни были), в том, чтобы отличить причину от следствия. Как писал Курт Воннегут, “несмотря на то что у нас громадный мозг и библиотеки ломятся от книг, есть вещи, которых нам, постоялым дворам для микробов, просто не понять”[102], но попытаться можно.
Обычно я с энтузиазмом отношусь к проведению параллелей между C. elegans и млекопитающими, однако червей трудно использовать как модель для изучения микробиоты. Дело в том, что в дикой природе бактерии служат им основной пищей (бактерии на гниющих фруктах), а не просто живут у них в кишечнике в качестве симбионтов (сосуществующих непатогенных спутников), как в микробиоте большинства других модельных систем, применяющихся для изучения старения. Кроме того, в лабораторных условиях C. elegans обычно выращивают на бактериях E. coli – совершенно посторонних для них энтеробактериях, а не на естественной природной смеси бактерий (главным образом состоящей из видов Pseudomonas). Не приходится удивляться, что продолжительность жизни червей разная при выращивании на разных бактериальных средах, поскольку E. coli не их обычная пища. Таким образом, результаты влияния бактерий на червей трудно интерпретировать в рамках прямой оценки состояния микробиоты – скорее это будет анализ влияния источника пищи, реакции на патогенные организмы, конкуренции и микробиоты, так что я бы не стала проводить слишком много параллелей между влиянием микробиоты червей и человека на продолжительность жизни этих организмов без соответствующих оговорок.
Однако следует отметить следующее: 1) с возрастом в кишечнике червей действительно накапливаются бактерии, которые в конечном итоге их убивают[103]; 2) черви, питающиеся разными (непатогенными) бактериями (такими как E. coli OP50, E. coli HT115 или Comamonas DA1877), имеют разную продолжительность жизни[104]; 3) некоторые бактерии (например, Bacillus subtilis) способствуют продлению жизни[105]; 4) некоторые бактериальные метаболиты, такие как колановая кислота, влияют на продолжительность жизни[106]; и 5) некоторые химические вещества, например метформин, влияют на метаболизм фолата у бактерий, что, в свою очередь, влияет на продолжительность жизни червей (как минимум червей с нарушением собственного метаболизма фолатов)[107]. Поэтому кишечная микробиота червей совершенно определенно играет какую-то роль в регуляции продолжительности их жизни. Однако в кишечнике C. elegans нет стволовых клеток, и у червей нет классического приобретенного иммунитета, с которым, по нашим представлениям, связан инфламмейджинг. Эти различия ограничивают возможность проведения параллелей между влиянием микробиоты на продолжительность жизни червя и человека. Микробиота червя удивительна сама по себе, но мы не можем экстраполировать влияние микробиоты червя на здоровье человека. Например, наличие одной симбиотической бактерии рода Pseudomonas, а именно – P. mendocina, может замедлять колонизацию кишечника червей и их гибель под влиянием патогенного вида P. aeruginosa[108], и черви расходуют много энергии на то, чтобы избегать бактериальных патогенов. Я с гораздо большей уверенностью готова интерпретировать данные о влиянии микробиоты на старение, если они получены на моделях позвоночных животных, таких как мыши или рыбы, и экстраполировать их на человека.
Идея о применении пробиотиков для поддержания роста полезных бактерий захватила все умы, и ускользнуть от ее влияния практически невозможно, достаточно один раз увидеть рекламу йогуртов. Также завоевывает популярность представление о том, что наша микробиота – не просто пассивный пассажир, но причина многих нарушений. Это стало мантрой современных блогеров, однако эту мысль еще более 100 лет назад впервые выразил “основатель исследований в области старения”, лауреат Нобелевской премии 1908 года Илья Мечников. Его часто называют новатором не только в области клеточной иммунологии (он открыл фагоциты), но и в области геронтологии – кстати, именно он предложил этот термин. Помните, я уже упоминала Мечникова как автора одной из эволюционных теорий старения – теории программированного старения? Он был одним из первых ученых, подробно изучавших процесс старения.
Мечников изложил некоторые свои идеи относительно пробиотиков и здоровой кишечной микрофлоры более 100 лет назад в книге “Продление жизни: этюды оптимизма”[109], вышедшей в 1907 году (кому может не понравиться такое название?). Он был убежден: все, что мы едим и пьем, влияет на продолжительность нашей жизни, причем при посредничестве бактерий нашего кишечника. Мечников предположил, что в йогурте и кислом молоке содержатся полезные микробы. Более того, он продвинулся дальше и объявил изменения кишечной микрофлоры и “гниение в кишечнике” (как вам такое?) причиной старческой немощи. Он довольно много написал о пищеварительной системе и ее роли в процессе старения и даже предлагал для борьбы с заболеваниями использовать трансплантацию фекалий (да, вы правильно прочли, и этот метод тогда же был опробован в клинической практике). Если вам нравится читать о запорах, фекальных массах, клизмах, трансплантации фекалий и других копрологических вопросах, книга Мечникова как раз для вас. Но предупреждаю: несмотря на милое название, книга начинается с описания того, как на протяжении истории в разных цивилизациях устраняли стариков (Мечников употреблял слово “убивали”). В те времена, когда мы не знали о биологии ничего из того, что теперь нам кажется очевидным (об антибиотиках, ДНК, репликации, РНК, структуре белков, клеточных сигналах и т. д. и т. п.), Мечников предложил методы лечения, к которым мы заново начинаем приглядываться в наши дни. Он сам применял на практике то, во что верил, и, судя по рассказам, пил кислое молоко, чтобы получить пользу от молочнокислого брожения Bacillus, которое, как он считал, оказывает благотворное действие.
Идеи Мечникова утратили привлекательность с ростом популярности “микробной теории” и появлением противомикробных препаратов, когда интерес врачей и общественности сместился в сторону применения сверхстерильных небиотических методов лечения. И для этого были достаточные основания: важнейший вклад в увеличение продолжительности жизни в XX веке внесли методы устранения бактериальных инфекций с использованием стерильных технологий и чудотворных антибиотиков, поскольку мы научились предотвращать инфекции, являвшиеся одной из главных причин смертности. Однако сравнительно недавно возникла проблема распространения устойчивости к некоторым антибиотикам, связанная с их чрезмерным употреблением, повсеместным применением в животноводстве и наличием лишь ограниченного круга препаратов. Выяснилось, что применение антибиотиков для устранения всех бактерий на самом деле пользы не приносит. Это стало понятно, когда обнаружилась связь между применением антибиотиков и распространением инфекций, вызванных Clostridium difficile, и другими проблемами, и мы пришли к заключению, что есть бактерии, способные предотвращать избыточное распространение “плохих” бактерий. В целом вновь возродилась идея о возможной пользе нашей микробиоты.
Честно говоря, на этом направлении произошел перекос, поскольку иногда с микробиотой связывают все проблемы со здоровьем и болезнями. Например, высказывалось мнение, что микробиота кишечника вносит вклад в развитие расстройств аутистического спектра (РАС), но позднее было однозначно доказано, что причина снижения разнообразия микробиоты пациентов с РАС заключается в пищевых предпочтениях этих людей (в частности, в нежелании разнообразить питание)[2]. Аналогичная ситуация с прогерией Хатчинсона – Гилфорда: анализ микробиоты пациентов показывает, что внешние факторы влияют на ее состав сильнее, чем болезнь[3]. Таким образом, в ходе исследований микробиоты следует разобраться, где причина, а где следствие, и с известной долей скептицизма оценить влияние микробиоты на различные нарушения, в том числе старческие. Вероятно, верный компромисс находится где-то посредине между “все или ничего”. В этой главе мы поговорим о том, что нам известно о микробиоте и старении: когда микробиота может быть признаком старения, а когда она является его причиной.
Учитывая, что наша микробиота играет более важную роль, чем мы считали до сих пор, вполне резонно задать вопрос, меняется ли она с возрастом. Может ли микробиота (или какие-то производимые ею элементы) влиять на скорость старения? И нельзя ли использовать эту информацию для омоложения нас самих или хотя бы нашего кишечника?
Прежде чем приступить к обсуждению влияния микробиоты на продолжительность жизни, давайте разберемся, что нам известно о микробиоте. Благодаря гигантскому прогрессу методов секвенирования к настоящему моменту исследованы и сравнены между собой в разных условиях образцы микробиоты людей, мышей, рыб, дрозофил и даже C. elegans. Волна новых методов геномики – от простого секвенирования 16S рибосомной РНК (которое позволяет составить каталог присутствующих бактерий, “операционных таксономических единиц”, ОТЕ) до более сложного и полного секвенирования геномов как хозяйских клеток, так и бактериальных геномов – позволила лучше идентифицировать виды микробов, обитающих в организме разных хозяев в разных условиях, хотя в лабораториях многие кишечные бактерии культивировать не удается.
Бактерии живут в нашем теле во многих местах, но мы в основном сосредоточимся на группе бактерий кишечника – на кишечной микробиоте. В кишечнике большинства животных обитает множество видов бактерий, и состав микробиоты меняется от рождения к взрослению и старости. В микробиоте человека и мыши преобладают фирмикуты и бактероиды, а у рыбки данио и киллифиш – протеобактерии и актинобактерии. Черви в этом смысле представляют собой некое исключение, поскольку их микробиота состоит главным образом из различных протеобактерий, но также содержит несколько видов бактероидов, фирмикутов и актинобактерий. Состав их микробиоты коррелирует с периодами роста и остановкой развития[4], однако, повторяю, бактерии для них пища, а не просто обитатели кишечника (см. текст в рамке). Микробиота дрозофил напоминает микробиоту червей, хотя их основная пища – дрожжи, и у них есть настоящие симбиотические бактерии, как у млекопитающих. У дрозофил к тому же есть кишечные стволовые клетки, так что их можно использовать для изучения и проверки механизмов старения, связанных с влиянием микробиоты, таких как нарушение пролиферации кишечной флоры и нарушение целостности кишечного барьера (для этого применяют анализ с синим красителем, остроумно названный Смурф-тестом)[5]. Микробиота дрозофил изменяется с возрастом в сторону повышения содержания гаммапротеобактерий и сокращения численности фирмикутов, и этот сдвиг предшествует нарушению целостности кишечного барьера и другим возрастным отклонениям[6]. У рабочей пчелы и пчелиной матки микробиоты разные, поэтому изучение этих различий и их влияния на продолжительность жизни (которая у матки в 10 раз больше) позволит получить важную информацию, в частности понять, объясняются ли эти различия влиянием маточного молочка или способностью зимовать[7].
В организме большинства всеядных животных проживают разнообразные симбиотические бактерии, которые как производят метаболиты, так и сами перерабатывают питательные вещества. Функционирование микробиоты приносит пользу хозяйскому организму, в частности, отвечает за синтез аминокислот и витаминов (например, биотина, витамина В12), метаболизм пищевых волокон и обезвреживание ксенобиотиков[8]. Кроме того, симбиотические микроорганизмы в какой-то степени защищают хозяина от оппортунистических патогенов, таких как C. difficile. Не приходится удивляться, что микробиота кишечника сложным образом связана с иммунной системой хозяина. Некоторые животные с однообразной диетой для переваривания пищи сильно нуждаются в микробиоте – вспомните о коале, питающейся листьями эвкалипта, и панде, употребляющей в пищу бамбук: выживание обоих видов животных зависит от расщепления целлюлозы под действием ферментов их кишечной микробиоты[9].
Отчасти состав микробиоты зависит от генетики, но не стоит удивляться, что окружающая среда и образ жизни оказывают гораздо более сильное влияние на то, какие организмы выживают у нас в кишечнике, – по наследству, судя по всему, передается лишь несколько таксономических групп бактерий[10]. Кроме того, многие параметры здоровья, судя по всему, коррелируют с конкретным набором бактерий, однако причинно-следственные связи между микробиотой и здоровьем остаются неизвестными. Хочется думать, что изменение состава микробиоты может принести пользу, однако не исключено, что состав микробиоты просто отражает состояние здоровья человека. Микробиота изменяется в ответ на изменение различных параметров – типа питания (который, в свою очередь, зависит от этнических или социальных факторов, окружающей среды, наличия заболеваний и социально-экономического статуса), уровня доступных углеводов (пищевых волокон), наличия заболеваний, генетического склада хозяина, перенесенных хирургических вмешательств, медикаментозного лечения; даже искусственный подсластитель аспартам в пище мышей может менять состав микробиоты[11]. Теперь главный вопрос для исследователей, являются эти различия причиной функциональных изменений в процессе старения или просто отражают возрастные изменения. Поскольку состав микробиоты изменяется в ответ на столь многочисленные сигналы, он может быть хорошим маркером состояния здоровья, даже если не является непосредственной причиной старения. Легко представить себе, что изменения состава микробиоты в конечном итоге сказываются на жизненно важных метаболических и иммунных функциях. Если “нездоровая” микробиота оказывает неблагоприятное влияние на хозяина, вполне возможно, что это запускает порочный круг дальнейших нарушений и дисфункций. Хорошая новость: все эти результаты указывают на возможность изменения нашей микробиоты путем внешнего воздействия и преодоления генетической предрасположенности.
Были проведены исследования микробиоты стареющих организмов многих видов, включая людей, мышей, мармозеток, летучих мышей и беспозвоночных животных. И для всех видов характерный признак стареющей микробиоты – сокращение разнообразия микробов. Например, у старых мышей и мармозеток наблюдается сокращение разнообразия микробов, увеличение численности протеобактерий и снижение численности фирмикутов[12]. Микробиота прогероидных (быстро стареющих) мышей и людей отличается от микробиоты контроля, что связано с дисбактериозом кишечника у мышей и наличием прогерии Хатчинсона – Гилфорда у людей[13], и это указывает на связь между ускоренным старением и состоянием микробиоты. Как и у других животных, в кишечнике человека с возрастом увеличивается содержание бактероидов и фирмикутов, а также облигатных и факультативных анаэробов, но обычно наблюдается снижение микробного разнообразия[14]. Напротив, анализ анальной микробиоты летучих мышей с чрезвычайно большой продолжительностью жизни (никогда не думала, что буду об этом писать) не выявил почти никаких различий между старыми и молодыми особями, что, возможно, коррелирует с их продолжительной молодостью и отсутствием значительных физиологических изменений с возрастом[15]. Микробиота беспозвоночных животных тоже меняется в зависимости от возраста и условий. В отличие от рабочих пчел, в кишечнике которых с возрастом накапливаются протеобактерии, у гораздо более долго живущей пчелиной матки снижается количество протеобактерий, однако накапливаются Lactobacillus и Bifidobacterium, что коррелирует с ее устойчивостью к окислительному стрессу – возможно, благодаря употреблению маточного молочка в качестве основного источника питания[16].
Но отличается ли микробиота людей-долгожителей от микробиоты остальных людей? Изучение столетних жителей Сардинии показало, что их кишечная микробиота более разнообразна, чем у других пожилых людей[17]. В их микробиоте больше организмов, ответственных за метаболизм глюкозы, что коррелирует с клиническими параметрами здоровья (автономностью), и больше бактерий, характерных для микробиоты молодых людей. В исследовании не показано, как можно добиться такого состояния микробиоты или различить причину и следствие, однако интересно, что эти заметные отличия нельзя напрямую связать с типом питания или местом жительства, поскольку сравнение производилось между жителями Сардинии. Кроме того, существует несколько видов бактерий, включая Akkermansia, Bifidobacterium и бактерий семейства Christensenellaceae, которых можно связать с хорошим здоровьем в старости, а у столетних людей наблюдается повышение численности Ruminococcus bromii[18].
В мрачном двадцатимесячном исследовании с участием столетних жителей трех регионов китайской провинции Хайнань было установлено, что изменение микробиоты позволяет отличить здоровых стариков от умирающих стариков. Анализируя увеличение или сокращение численности бактерий определенных видов, исследователи обнаружили расхождение в разнообразии микробного состава за 17 месяцев до смерти человека[19]. Остается неизвестным, предвосхищает ли это изменение ухудшение здоровья или отражает изменение характера питания в результате болезни (например, ограничение питания в результате потери подвижности или нарушений пищеварения).
Влияние микробиоты добавляет новую грань к нашему пониманию клеточных сигнальных путей и долгожительства. В предыдущих главах я рассказывала, что нам известно о клеточных сигнальных путях, таких как путь инсулина, TOR и AMPK, а также о различных фармакологических средствах, в том числе о метформине и рапамицине, и их роли в регуляции старения. Судить о влиянии микробиоты на продолжительность жизни сложно, потому что многие эффекты косвенные и реализуются через дополнительные стадии сигнальных путей. С учетом влияния микробиоты наше уравнение еще больше усложняется. К примеру, влияют ли пищевые ограничения на продолжительность жизни из-за того, что отражаются на бактериях, которые, в свою очередь, воздействуют на клетки хозяйского организма, или они напрямую связаны с метаболизмом хозяина? Воздействуют ли такие соединения, как метформин и рапамицин, на хозяйские клетки или на микробиоту, или и на то и на другое? Посылают ли бактерии сигналы хозяйским клеткам, изменяя их метаболизм и сигнальные пути? Как такие механизмы, которые мы считаем митохондриальными по природе, связаны с кишечными бактериями, если учесть, что митохондрии – древние эндосимбиотические родственники бактерий? Но, что важнее всего, можем ли мы изменить скорость старения или вероятность развития заболевания путем изменения микробиоты? Если это возможно, то каковы механизмы этого влияния и как вызвать такие изменения? Далее я постараюсь суммировать все, что нам известно, но, за исключением нескольких важных исследований, многое из того, что мы знаем о роли микробиоты и ее влиянии на старение, продолжительность жизни и возрастные заболевания, – это только корреляции. Прояснение сложной загадки причинно-следственных связей – одна из основных задач в исследованиях микробиоты и старения; на сегодняшний день кое-что начинает вырисовываться, но до окончательного ответа еще далеко. Однако несколько новых исследований позволяют предположить, что микробиота влияет на общую продолжительность жизни и продолжительность здоровой жизни.
Есть много гипотез о том, как возрастные изменения микробиоты могут влиять на здоровье хозяйских клеток и старение. К числу этих гипотез относятся предположения об изменении метаболизма хозяина за счет изменения синтеза короткоцепочечных жирных кислот (КЦЖК, к которым относятся бутират, пропионат и ацетат); о взаимодействии бактериальных метаболитов с элементами инсулинового сигнального пути; об ослаблении выработки витаминов и аминокислот; о нарушении механизмов репарации ДНК, усилении дисфункции кишечного барьера, нарушении функции стволовых клеток кишечника и хроническом воспалении; о влиянии на нервную систему желудочно-кишечного тракта; а также об изменении динамики и функции митохондрий. Ядро многих гипотез об изменении микробиоты при старении составляет идея о воспалении, вызванном действием микробов, поскольку инфламмейджинг – один из основных двигателей и маркеров старения.
Некоторые из этих гипотез, в частности о роли различных бактериальных метаболитов, производимых молодой микробиотой, были проверены опытным путем в поисках способов исправления некоторых аспектов старения. Такие КЦЖК, как бутират, выделяются молодой микробиотой и “полезными” бактериями в составе пробиотиков и в какой-то степени оказывают защитное действие, что отчасти подкрепляет данную гипотезу. Из всех проверенных на сегодняшний день соединений положительные результаты чаще всего воспроизводятся в отношении бутирата, так что наилучшая стратегия, возможно, не только выделять из микробиоты полезных бактерий, но и идентифицировать продукты их метаболизма, способные оказывать терапевтическое действие.
Бутират – не единственный продукт жизнедеятельности молодых бактерий, который может оказаться полезным: добавки полиамина спермидина увеличивают продолжительность жизни мышей; колановая кислота удлиняет жизнь червей и дрозофил; эллаготанины, превращающиеся в уролитин А, улучшают функцию митохондрий; а барберин, вероятно действующий через сигнальный путь TLR4 с участием Толл-подобного рецептора LPS, ослабляет устойчивость к инсулину у мышей, в пище которых содержится большое количество жиров. Таким образом, полезные свойства специфических бактерий могут быть связаны с теми соединениями, которые они производят.
Для идентификации функциональных компонентов микробиоты необходимо отделить причину от следствия. Ключевой момент: нужно проверить, вызывают ли меняющиеся условия изменения микробиоты или микробиота просто отражает различия в условиях. В большинстве исследований этот вопрос не анализируют напрямую, скорее предполагают, что микробиота молодого организма производит “полезные” продукты, а старого организма – “вредные” продукты. Но есть возможность проверить эту гипотезу. Нужно поместить микробиоту животного, находящегося в одних условиях, в организм животного, находящегося в других условиях (например, с разрушенной микробиотой или выросшего в стерильной обстановке), путем трансплантации фекальной микробиоты (ТФМ). Ранее такую процедуру уже выполняли в изохронических условиях (между особями одного возраста) для проверки роли микробиоты в развитии заболеваний. Например, перенос фекальных микробов от мыши с генетически вызванным диабетом или генетически вызванным ожирением приводил к появлению признаков заболевания (включая ожирение) у ранее здоровой мыши, и это говорит о том, что микробы хотя бы отчасти отвечают за данный фенотип[20]. Вкупе эти результаты позволяют предположить, что различные положительные факторы (продукты жизнедеятельности микробиоты молодого животного) при отсутствии отрицательных факторов из микробиоты старого животного способствуют поддержанию здоровья хозяина.
До последнего времени у нас не было экспериментальных подтверждений, что состояние микробиоты определяется возрастом или что оно является причиной старения. (Я не встречала в статьях термин “гетерохроническая трансплантация микробиоты”, но использую его в книге.) Понятно, что проверка влияния стареющей микробиоты на здоровье человека – дело сложное, а то и вовсе невозможное, хотя трансплантацию фекальной микробиоты использовали в попытках снизить вероятность рецидивов инфекции C. difficile, которая бывает смертельно опасной и активно распространяется в больничных условиях. Чтобы найти однозначный ответ, придется вновь обратиться к модельным системам. Судя по всему, для мышей уже получен ответ на вопрос, вредит ли молодым животным микробиота старых животных: да, вредит. Она влияет даже на состояние мозга. Фекальные трансплантаты от пожилых мышей ухудшали способность молодых мышей решать задачи на пространственное ориентирование и память[21], что говорит о негативном воздействии на гиппокамп. Интересно, что авторы работы не выявили влияния на локомоторную активность или состояние тревожности, а также на проницаемость кишечного барьера или выработку воспалительных цитокинов – значит, влияние на гиппокамп может не совпадать по времени с возрастными изменениями и предшествовать им. Анализ экспрессии генов в гиппокампе мыши после ТФМ выявил изменения генов нейромедиаторов и белков, связанных с обучением, что коррелирует со снижением способности обучаться и запоминать. Но не совсем понятно, как эта информация передается между кишечником и мозгом. Однако анализ протеома показал снижение выработки белков, ответственных за транспорт глюкозы через гематоэнцефалический барьер, и это позволяет предложить один возможный механизм, объясняющий нарушение метаболизма в мозге. Трансплантация приводит к изменению клеток микроглии – иммунных клеток центральной нервной системы, что может указывать на еще один участок повреждения.
Позже другая исследовательская группа, аналогичным образом используя пересадку кишечной микробиоты от старых мышей молодым мышам без кишечной флоры, неожиданно обнаружила, что вместо исключительно негативных эффектов это вызвало как минимум один положительный: у мышей, получивших микробиоту от старых мышей, через восемь и шестнадцать недель после пересадки наблюдалась активация нейрогенеза[22]. Также исследователи обнаружили увеличение размера тонкой и толстой кишки без признаков дисфункции или нарушения проницаемости. Анализ экспрессии генов в печени мышей-реципиентов указывал на усиление ответа развернутых белков (наличие гормезисного эффекта?) и изменение метаболизма печени, а метагеномный анализ показал увеличение роста бактерий, производящих бутират (фирмикуты, Lachnospiraceae). Повышение уровня бутирата может отвечать за повышение активности мозгового нейротрофического фактора (BDNF), связанного с нейрогенезом. Добавление бутирата натрия в пищу увеличивает содержание циркулирующего гормона FGF21, который действует через β-Klotho и, возможно, поддерживает молодость организма путем активации AMPK (см. главу 7). Хотя это несколько противоречит результатам предыдущей работы, простейшее объяснение заключается в том, что бутират стимулирует положительные эффекты у сравнительно молодых мышей, которые все еще способны воспринимать сигналы и на них реагировать. Мышам-реципиентам во втором исследовании было всего от пяти до шести недель от роду, тогда как в первом участвовали трехмесячные мыши. Хотя они тоже не были старыми, если верить всем этим результатам, какие-то перемены в организме реципиента в период от шести недель до трех месяцев приводят к смене ответа от положительного (усиление нейрогенеза через активацию FGF21) до отрицательного. Может быть, сдвигается окно активации FGF21 под действием бутирата. Для согласования этих результатов необходимо получить дополнительные данные еще и в другие, в том числе более ранние, моменты жизни реципиентов в рамках единого исследования.
Микробиота производит химические соединения, и их состав меняется с изменением состава микробиоты. Некоторые из этих малых молекул оказывают положительное действие, например стимулируют нейрогенез или налаживают регуляцию инсулинового сигнального пути, тогда как другие могут быть вредны. Некоторые химические соединения, секретируемые человеческой микробиотой, напоминают фармацевтические препараты и взаимодействуют с лекарствами, и это отчасти объясняет, почему изменение микробиоты влияет на наше здоровье[23]. ТФМ может быть полезна и в отдельных случаях прогерии. Трансплантация микробиоты мышей дикого типа модельным мышам с прогерией (LmnaC609G) значительно увеличивала продолжительность жизни (p = 0,0029, увеличение средней продолжительности жизни на 13 %) и другие показатели здоровья[24], и это хороший результат, если рассматривать возможность применения ТФМ в качестве терапевтического метода как минимум при некоторых видах прогерии.
Может ли молодая микробиота замедлить старение?
Я проанализировала множество статей, в которых исследователи описывали пагубный эффект от пересадки микробиоты старых животных молодым животным, но они не задавали главный вопрос: удлиняет ли микробиота молодых мышей жизнь старых мышей? И поэтому я с радостью прочла работу, выполненную в лаборатории Дарио Валенцано из Института биологии старения Макса Планка в Кельне на модели короткоживущих бирюзовых нотобранхов (киллифиш). Исследователей интересовало не только меняется ли с возрастом состав микробиоты рыбок и сохраняют ли лабораторные рыбки разнообразие микробиоты дикого вида, но также возможность влияния специфических для каждого возраста популяций микробов на продолжительность жизни хозяина[25]. Исследователи уничтожили микробиоту рыбок среднего возраста с помощью антибиотиков и обнаружили, что рыбки, получившие микробиоту молодых рыбок, действительно живут дольше, чем контрольные экземпляры. Причем рыбки, получившие молодую микробиоту, не только жили значительно дольше, но даже в старости сохраняли двигательную функцию и разнообразие кишечных микробов. И это чрезвычайно важно, поскольку во всех остальных работах, о которых я вам рассказывала, говорилось о пересадке микробиоты от старых животных и обсуждались ее негативные последствия, и даже описанный выше эффект нейрогенеза воспринимался как странный сюрприз. Транскрипционный анализ рыбок позволяет сделать несколько предположений относительно возможных механизмов замедления старения, включая воздействие на пролиферацию клеток, активность рибосом, метаболизм гиалуроновой кислоты и иммунитет, хотя никто не анализировал влияние этих специфических функций. И все же эти первые результаты позволяют предположить, что микробиота молодых животных не только отражает возраст индивидуума, но действительно замедляет возрастные изменения.
Насколько мне известно, никто пока не пытался провести аналогичный эксперимент, пересаживая мышам среднего возраста микробиоту молодых мышей, однако в лаборатории Джона Крайана в Университетском колледже Корка в Ирландии старым мышам пересаживали микробиоту молодых мышей и следили за изменениями возрастных поведенческих нарушений[26]. Выяснилось, что ТФМ от молодых мышей (3–4 месяца) старым (19–20 месяцев) позволяет устранить многие когнитивные признаки старения: хотя локомоторная функция у старых мышей не изменилась, у них улучшилась долгосрочная память (оценивали в опытах с водным лабиринтом Морриса), а также показатели взаимодействия с внешней средой (отношение к новым предметам) и показатели тревожности. Было установлено, что после трансплантации у старых животных происходят изменения микробиоты и периферического иммунитета и иммунитета, связанного с гиппокампом, однако не был проведен анализ молекулярных механизмов и клеточных процессов в основе этого эффекта. Так что мы пока не знаем, есть ли какие-то специфические метаболиты, помогающие старым мышам замедлять некоторые возрастные когнитивные изменения, и какие сигналы передаются между микробиотой кишечника и мозгом, однако полученные результаты вселяют надежду.
Принято считать, что нейродегенеративные заболевания связаны только с функцией нервной системы, однако возможно, что связь между кишечником, микробиотой и головным мозгом является одним из факторов в возникновении неврологических и нейродегенеративных заболеваний – от таких нарушений, как тревожность и депрессия, до заболеваний, связанных с агрегацией белков, как при болезнях Паркинсона и Альцгеймера. В последнем случае, судя по всему, реализуется двунаправленная сигнальная коммуникация между кишечником и мозгом при участии нервной системы желудочно-кишечного тракта, блуждающего нерва, метаболитов (гамма-аминомасляной кислоты), гормонов, нейропептидов (например, серотонина), нейромедиаторов и сигнальных молекул иммунной системы, которые образуются в кишечнике для коммуникаций с мозгом. Сейчас активно изучается влияние микробиоты на нервную систему желудочно-кишечного тракта. Блуждающий нерв воспринимает метаболиты кишечной микробиоты и передает эту информацию центральной нервной системе – это так называемая ось “кишечник – мозг”[27]. Мы пока не знаем, каким образом эта ось изменяется с возрастом и под влиянием сопутствующих возрастных изменений микробиоты. Кроме того, было высказано предположение, что некоторые агрегирующие белки, связанные с нейродегенеративными расстройствами, образуются в кишечнике и перемещаются в головной мозг, где их агрегация вызывает повреждение и дисфункцию нейронов или вносит вклад в эти процессы. Эта концепция, названная гипотезой Браака, соответствует представлениям Мечникова о связи между микробиотой и старостью.
Выяснилось, что микробиота пациентов с болезнями Альцгеймера и Паркинсона отличается от микробиоты здоровых людей. Кроме того, были обнаружены изменения в составе микробиоты у пациентов с деменцией, причем у них также наблюдается изменение микробиоты ротовой полости и состояния десен[28]. У носителей генотипа с пониженным риском развития БА (APOE3/E3 и APOE2/E3) в микробиоте содержится больше некоторых специфических видов бактерий (из семейств Prevotellaceae и Ruminococcaceae), чем у людей с более высоким риском (у носителей аллели APOE4). Эти бактерии связаны с производством КЦЖК, тиамина и фолата. С учетом сказанного вполне вероятно, что изменения микробиоты при старении и болезни могут играть отрицательную роль и ускорять болезнь, однако опять-таки причинно-следственная связь в этом процессе не установлена, мы знаем только о корреляции между наличием аллелей риска БА и видами бактерий. Рассуждая логически, легко представить, что нейродегенеративные расстройства влияют на питание и гигиену пациентов, что приводит к разнице в состоянии микробиоты, которая не вызывает болезнь, но косвенным образом возникает из-за болезни. Но как точнее отделить причину от следствия?
Недавно была выдвинута гипотеза, что нарушение функции кишечника и кишечные симптомы (запоры, нарушение кишечного барьера), предшествующие очевидным проявлениям нейродегенеративных заболеваний, могут быть связаны с изменениями кишечной микробиоты, ее сигналов и метаболитов и, в свою очередь, вызывают или вносят вклад в развитие нейродегенеративного заболевания. В частности, дисфункция кишечной микробиоты и проблемы желудочно-кишечного тракта связаны с болезнью Паркинсона. В 2003 году Браак с коллегами предположили, что склонный к агрегации белок α-синуклеин, связанный с болезнью Паркинсона (но не являющийся ее единственной причиной), образуется в кишечнике и по блуждающему нерву переносится в мозг[29], но эта гипотеза вызывала сомнения. В 2016 году группа Саркиса Мазманяна в Калифорнийском технологическом институте проверила это смелое заявление несколькими способами[30]. Прежде всего, уничтожение микробиоты мыши с повышенной экспрессией α-синуклеина оказывало благотворное действие, отодвигая начало двигательной дисфункции и патологии α-синуклеина, из чего можно заключить, что сама микробиота как минимум вносит вклад в развитие болезни Паркинсона у мышей. Исследователи также обнаружили, что у этих животных клетки микроглии зависят от состояния микробиоты, а КЦЖК (ацетат, пропионат и бутират) активируют микроглию в затронутых участках мозга. Они предположили, что производимые бактериями КЦЖК вызывают воспаление, активацию микроглии и агрегацию α-синуклеина. Но самый интересный эксперимент был выполнен с образцами больных людей и мышей. Исследователи пересадили образцы фекалий шести пациентов с болезнью Паркинсона, не принимающих лекарственных препаратов, и фекалии здоровых людей трансгенным мышам с повышенной экспрессией α-синуклеина и обнаружили, что образцы пациентов с болезнью Паркинсона усиливали нарушение двигательной функции у мышей. Это было совсем небольшое исследование, однако связь между микробиотой пациентов с болезнью Паркинсона и усилением нарушений двигательной функции, опосредованным α-синуклеином, кажется убедительной, и, вероятно, на сегодняшний день этот эксперимент наиболее очевидно подтверждает модель Браака. Конечно, это противоречит описанной мною ранее гипотезе об аутизме, предполагавшей, что пищевые предпочтения пациентов вызваны изменениями кишечной микробиоты в связи с болезнью, а не наоборот[31]. Судя по всему, микробиота может отражать болезненное состояние (например, расстройство аутистического спектра или прогерию Хатчинсона – Гилфорда), но также может влиять на развитие болезни и ее стимулировать (болезнь Паркинсона), и такие эксперименты, как пересадка фекальной микробиоты, играют ключевую роль в установлении подобных причинно-следственных связей.
Никто (пока!) не собирается пересаживать фекальную микробиоту от молодых людей старым, чтобы замедлить старение или улучшить когнитивную функцию. Но возможно, например, слегка изменить характер питания. Можем ли мы питаться так, чтобы оздоровить микробиоту или имитировать эффект молодой микробиоты? Например, неплохо было бы повысить уровень полезных бактерий, производящих КЦЖК и бутират, таких как Lachnospiraceae, Clostridiaceae, Bifidobacteriaceae и Bacteroidaceae, и понизить содержание провоспалительных и болезнетворных бактерий (Erysipelotrichaceae, Actinomyces), производящих вредные вещества вроде р-крезола, вторичных желчных кислот и триметиламина. Скажем, можно выбрать такой подход: употреблять в пищу не только пробиотики, но и пребиотики – олигосахариды и устойчивые крахмалы, способствующие повышению содержания “хороших” бактерий (Bifidobacterium, Lactobacillus и т. д.), которые, в свою очередь, производят КЦЖК (бутират, пропионат), поддерживающие здоровье и молодость[32]. Пример улучшения состояния микробиоты с помощью диеты был недавно продемонстрирован в исследовании влияния кефира в модели аутизма. Хотя мы не можем утверждать, что состояние микробиоты является причиной расстройств аутистического спектра, у некоторых модельных мышей с РАС при употреблении кефира наблюдалось небольшое (p = 0,051) улучшение в отношении симптомов повторяющегося поведения[33]. Так что, даже если микробиота кишечника не вызывает напрямую расстройства аутистического спектра, возможно, невредно последовать совету Мечникова и пить немного сброженного молока.
Другая стратегия – применять средиземноморскую диету с акцентом на употребление растительной пищи и оливкового масла, ведь это один из факторов долгожительства у обитателей “голубых зон”[34]. Такой тип питания полезен для здоровья во многих отношениях (увеличение продолжительности жизни, замедление потери когнитивной функции и физических сил), и как минимум отчасти эффекты объясняются влиянием кишечных бактерий, процветающих при этом типе питания[35]. Для проверки данной концепции группа европейских исследователей предприняла рандомизированное годичное испытание в пяти европейских странах (NU-AGE)[36]. Анализируя профиль кишечной микробиоты более чем 600 пожилых людей до их перевода на средиземноморскую диету и через 12 месяцев, исследователи обнаружили, что микробиота действительно перестроилась и стала содержать больше видов бактерий, ассоциирующихся с хорошим здоровьем, более активной выработкой КЦЖК и противовоспалительными свойствами (например, Faecalibacterium prausnitzii, Roseburia, Eubacterium), и меньше бактерий, связанных со старением, атеросклерозом, диабетом, раком толстой и прямой кишки и слабостью (например, Ruminococcus, Collinsella, Coprococcus и др.). Следовательно, переход на средиземноморскую диету может оказывать благотворное действие напрямую (то есть на наши собственные клетки), а также косвенно – через влияние на микробиоту, которую этот тип питания поддерживает у нас в кишечнике.
Более сложный путь перестройки микробиоты – диета, имитирующая голодание. Исследователи из группы Вальтера Лонго (Университет Южной Калифорнии) применили эту диету в эксперименте на мышах с моделью воспалительного заболевания кишечника и установили, что диета ослабляла воспаление, приводила к увеличению размеров кишечника за счет активизации стволовых клеток и способствовала росту полезных кишечных бактерий, сглаживая симптомы болезни[37]. Отчасти фенотип болезни связан с воспалением кишечника, которое ослабевало под влиянием диеты. В кишечнике вновь появлялись полезные лактобактерии и бифидобактерии, что доказывало, что диета способствует перестройке микробиоты. Кроме того, трансплантация фекалий от “голодавших” мышей мышам с модельным воспалением кишечника также приводила к улучшению состояния последних, и это дополнительно подтверждает предположение, что как минимум отчасти эффект диеты связан с перестройкой микробиоты. Хотя исследование изначально было проведено на мышах, группа Лонго проанализировала и состояние пациентов после нескольких циклов диеты, имитирующей голодание, и тоже заметила некоторые положительные изменения. Однако чтобы показать, что эта диета оказывает положительное влияние на пациентов с воспалительным заболеванием кишечника, необходимо провести клинические испытания.
Судя по всему, существует возможность перестроить кишечную микробиоту, чтобы способствовать оздоровлению – либо с помощью переноса фекальной микробиоты, либо с помощью диеты, имитирующей голодание, либо более мягким путем смены образа жизни и характера питания, как при средиземноморской диете. В будущих исследованиях выяснится, могут ли отдельные специфические соединения, такие как бутират, имитировать применение подобных диет. А что касается наших попыток связать микробиоту с продлением жизни, я думаю, Мечников согласился бы: попробуем кефир!