Категорії
Природа

Знову про мікроби

Бактерії – одна із перших форм життя на Землі. Зустрічаються вони майже повсюди, в довжину досягають декількох мікрометрів, їхні клітини можуть мати різноманітну форму (кулясту, паличкоподібну, спіралеподібну). Людська мікрофлора представлена понад 39 трильйонами бактеріальних клітин (саме тіло людини, вагою 70 кг, складається з 30 трильйонів клітин). Найбільш численна кишкова мікрофлора і мікрофлора шкіри. Більшість бактерій, що мешкають в людському тілі, за рахунок стримувальної дії імунної системи нешкідливі, деякі приносять користь, ряд бактерій патогенні.

Безглуздо заперечувати, що ці одноклітинні організми – невід’ємна частина нас самих: існувати ізольовано від них ми поки що не навчилися. І кожен такий, навіть найменший організм, вносить свій вагомий внесок у функціонування загальної біосистеми людини. Наскільки ж важлива для нормальної життєдіяльності нашого організму така на перший погляд непримітна бактерія, як Akkermansia muciniphila?

Advertisements

Сьогодні вже не секрет, що в організмі дорослої людини в середньому міститься до 1,5 кг мікроорганізмів, а в кількісному розрахунку їх в рази більше, ніж людських клітин. В одному тільки кишечнику здорової дорослої людини до 1014 співмешканців, більшість з яких – бактерії. Якщо матінка-природа дала прокаріотам такий притулок, очевидно, зробила вона це не просто так.

Травна система людини стала домівкою для більше ніж 1000 видів бактерій, причому більшість з них відважно б’ються на полі битви за наш імунітет. «Разом ми – сила», – лунає з вуст кожної, і злагоджена робота наших бактерій перетворюється на могутню оборонну зброю під назвою колонізаційна резистентність.

Незважаючи на всю різноманітність мікроорганізмів, нехтувати жодним з них не варто. Дуже яскравим прикладом, про який не чув тільки ледачий, може служити Helicobacter pylori. Значимість цього нашого мікроскопічного сусіда недооцінювалася протягом багатьох десятиліть з моменту відкриття, але ж тепер його вважають головним етіологічним агентом деяких захворювань шлунково-кишкового тракту, в тому числі і пухлинних.

Ми можемо вчитися на своїх помилках і розглядати кожного мікроба як «щось потрібне», та цілком очевидно, що існують і інші види, про які ми знаємо дуже мало, але роль їхня в нашому житті чимала. Одним з таких видів може бути Akkermansia muciniphila, про яку і поговоримо.

Муцин-деградуючі бактерії, хто це і що вони їдять? Кишечник людини служить домівкою для величезної кількості різноманітних організмів, що об’єднуються поняттям кишковий мікробіом. Погодьтеся, було б дивним, якби будинок не мав стін, а бактерії, найпростіші та інші його мешканці жили б тільки в просвіті органу. Але більшість з цих співмешканців скупчується саме в пристіночному слизовому шарі.

Слиз або мукус – це своєрідний «суп» з високомолекулярних глікопротеїнів, в’язкий і приправлений молекулами самого різного призначення. Глікопротеїни слизу називають мукопротеїнами (або муцинами), чия білкова частина представлена ​​доменами, багатими треоніном і серином, простетична ж група (небілковий компонент) містить чотири різних цукри: N-ацетилглюкозамін, N-ацетилгалактозамін, галактозу, фукозу. Ці складні молекули формують гелеподібну середу, що захищає клітини шлунково-кишкового тракту від різнорідних агресорів.

Знову про мікроби
Малюнок 1. Ворсинка кишечника і її пристінковий муциновий шар. Видно, як волокна полімеру радіально спрямовуються в просвіт органа. Їхня розгалужена будова допомагає затримувати неперетравлені частинки їжі, забезпечуючи субстратом росту жителів кишечника.

Правда, зустрічаються і умовно-патогенні бактерії, які починають себе відмінно почуваються і шкодять кишечнику лише при збоях в роботі імунної системи господаря.

Але в шлунково-кишковому тракті є інші неоднозначні постояльці – муцин-деградуючі бактерії. З одного боку, і це зрозуміло з їхньої назви, ці бактерії потихеньку під’їдають стінки власного будинку і псують цим захисний бар’єр. З іншого ж боку, їхні недоїдки – оліго- і мономери – служать їжею для тих мікроорганізмів, які самі не можуть засвоювати великі молекули, зате формують необхідну нам колонізаційну резистентність. До того ж саме розкладання муцинового шару призводить до стимуляції синтезу його компонентів клітинами кишечника.

Муцин-деградуючих бактерій в нашому шлунково-кишкового тракті не так вже й багато: в найбільш густонаселеній товстій кишці налічують всього декілька відсотків бактерій, здатних своїми ферментами здолати олігосахариди муцинів. В експериментах in vitro щодо повної деградації (більше 90%) муцинових молекул представники родів Ruminococcus, Bacteroides, Bifidobacterium і Clostridium здійснювали тільки в змішаному колективі. Чисті культури справлялися з подібним завданням менш ефективно, тому, ймовірно, in vivo деградація муцина є результатом корпоративної праці представників декількох видів. До цієї ж групи мешканців кишечника відносяться й бактерії Akkermansia muciniphila, які завдяки багатому набору муколітичних ферментів «повний цикл» переробки муцинів долають навіть поодинці.

Відкриття Akkermansia muciniphila і відокремлення її в окрему філогенетичну групу відбулося в 2004 році завдяки старанням групи мікробіологів з Вагенінгенського університету (Нідерланди). Вивчення муцин-деградуючих бактерій почалося в кінці 90-х років минулого століття. Тоді на допомогу дослідникам прийшли молекулярні методи, що дозволили нарешті заглянути в мікробні екосистеми, де більшість представників належить до розряду поки що некультивованих. До таких непізнаних світів відносився і кишковий мікробіом. Але нові техніки, засновані на аналізі 16S рРНК, помітно змінили ситуацію.

Згадана група голландських мікробіологів, очолювана Виллемом де Восом, вивчала різноманітність бактерій в людських фекаліях за допомогою гель-електрофореза з денатурованим градієнтом (ДГГЕ) і гель-електрофореза з температурним градієнтом (ТГГЕ) фрагментів генів 16S рРНК. Одного разу колектив зосередив свою увагу на конкретній групі кишкових бактерій – муцин-деградуючій. За допомогою особливих технік культивування і ДГГЕ-профілювання 16S РДНК вдалося виділити чисту культуру бактерії, яка чисельно перевершувала інших муцинових деструкторів в фекаліях і швидше за всіх росла в муциновому середовищі.

Далі потрібно було дізнатися, що являє собою цей штам-чемпіон, попередньо названий MucT: чи знайомий він вже біологам або це темна конячка? Якщо останнє, то кому він доводиться родичем? Секвенування 16S РДНК MucT показало, що з усіх описаних бактерій йому найбільш близька Verrucomicrobium spinosum. На побудованому за послідовностями 16S РДНК філогенетичному дереві штам-чемпіон MucT утворив власну гілку в типі Verrucomicrobia (рис. 2). Стало ясно, що новий штам слід виділити не тільки в окремий вид, а й в окремий новий рід в межах порядку Verrucomicrobiales. Для цього, як годиться, описали всі його морфологічні, фізіологічні та культуральні характеристики, ну і звичайно, дали ім’я. Родову назву – Akkermansia – бактерія отримала в честь голландського мікробіолога Антона Аккерманса (ориг. Antoon Akkermans). Ну а видову – muciniphila – згідно з живильними пристрастями.

Знову про мікроби
Малюнок 2. Філогенетичне дерево, що ілюструє положення муцинового деструктора Akkermansia muciniphila (штам MucT) в типі Verrucomicrobia. Цифрами 1-5 позначені основні філогенетичні лінії в межах типу. Найближчі родичі MucT – некультивованих кишкові клони HuCA18, HuCC13 і L10-6 (99% ідентичності), далекі – представники родів Verrucomicrobium (92% подібності з Verrucomicrobium spinosum) і Prosthecobacter.

Муцин може служити для цієї бактерії єдиним джерелом вуглецю, азоту та енергії, додаткових вітамінів вона теж не потребує. До речі, продукти переробки муцинів – коротколанцюгових жирних кислот (SCFA) – відомі позитивним впливом на клітини кишечника і імунітет. В муциновому середовищі клітини Akkermansia muciniphila, мабуть, схильні групуватися і утворювати капсули. Як і споріднені Verrucomicrobium і Prosthecobacter, Akkermansia грамнегативна і нерухома, але має овальну, а не веретеноподібну форму клітини (рис. 3), і терпить кисень тільки в наномолярних концентраціях.

Знову про мікроби
Малюнок 3. Сканувальна електронна мікроскопія Akkermansia muciniphila.

Пізніше з’ясувалося, що крім Akkermansia muciniphila в кишечнику людини живе ще як мінімум вісім видів роду Akkermansia. Більш того, аккермансії і близькоспоріднені з ними бактерії зустрічаються не тільки у людини, але і у багатьох інших представників тваринного світу.

Аккермансія виявилася першопрохідцем: це перша бактерія з відділу Verrucomicrobia, яку виявили в кишечнику, і перша бактерія, яку визнали ефективним деструктором муцина в монокультурі. При цьому мало хто уявляв, навіщо комусь в кишечнику переробляти муцин. Однак через шість років після відкриття цієї бактерії інтерес до неї зріс з неймовірною силою.

Визначити, що бактерії Akkermansia muciniphila найбільше до душі товста кишка, виявилося не проблемою (рис. 4). Зате виникла інша. Данці, фіни, китайці – всі наввипередки досліджували аккермансію, причому всім чомусь хотілося встановити кореляцію її кількості в шлунково-кишковому тракті з віком людини. Правда, результати отримували дивні: хтось казав, що Akkermansia muciniphila переважає у дітей, хтось стверджував, що її кількість збільшується з віком, а хтось – що її найбільше у молодих людей.

І лише улюблені миші змогли привідкрити завісу таємниці. В ході «мишачих» експериментів динаміку чисельності аккермансії зв’язали з цілим рядом важливих метаболічних і запальних показників. Наприклад, кількість цієї бактерії негативно корелює у жирних мишей з рівнем лептину: коли багато Akkermansia muciniphila в кишечнику, тоді менше лептину в крові (при ожирінні його занадто багато) і нижче ризик розвитку лептинорезистентності (коли неможливо насититися навіть при надлишку калорій). Більш того, вдалося встановити зв’язок представленості цієї бактерії в кишковому мікробіомі з декількома серйозними патологіями. Зокрема, знижена кількість аккермансій в просвіті шлунково-кишкового тракту асоціювали з розвитком запальних захворювань кишечника, цукрового діабету II типу і раку товстої кишки.

Знову про мікроби
Малюнок 4. Розподіл бактерій Verrucomicrobia / Akkermansia в шлунково-кишковому тракті людини. Печінка, на відміну від жовчних проток і каменів в них, позбавлена ​​мікробіоти. ДНК аккермансії і її родичів не знаходять в стравоході і шлунку; в інших відділах шлунково-кишкового тракту вона зустрічається в різних кількостях: чим насиченіше колір на малюнку, тим більше бактерій. У підшлункову залозу Verrucomicrobia потрапляють лише в патологічних умовах. Зате в нормі часто зустрічаються в грудному молоці.

Akkermansia muciniphila вперше була пов’язана з запальними захворюваннями кишечника в 2010 році, коли вчені з Університету Квінсленда (Австралія) представили в Nature результати аналізу муколітичних бактерій у пацієнтів з запальними процесами кишечника – хворобою Крона і виразковим колітом. Вчені за допомогою полімеразної ланцюгової реакції в реальному часі досліджували динаміку чисельності п’яти видів муколітичних бактерій, серед яких була і аккермансія: Ruminococcus gnavus, Ruminococcus torques, Bacteroides vulgatus, Bifidobacterium bifidum, Akkermansia muciniphila. На незапалених ділянках кишки у пацієнтів з запальними процесами кишечника чисельність муколітичних бактерій була набагато вище, ніж у здорових учасників експерименту. Особливо сильно при запаленні кишечника зростала кількість румінококків. І тільки чисельність Akkermansia muciniphila, навпаки, в рази знижувалася – це при тому, що в контрольній групі аккермансія переважала як муколітик. Дослідження оголило складні взаємини в муколітичному співтоваристві кишечника і можливу регуляторну роль в них аккермансії. До того ж з’явився привід оцінити можливі захисні і протизапальні властивості цієї бактерії.

У 2016 році було показано, що чисельність аккермансій знижується навіть на тлі слабкого, не визначеного характерними симптомами запалення в кишечнику. Цю кореляцію можна використовувати в діагностиці запального захворювання кишечника і навіть цукрового діабету II типу на доклінічному етапі. Подібну негативну кореляцію чисельності аккермансії пов’язують і з інтенсивністю апендициту.

Чи призводить відсутність бактерій Akkermansia muciniphila до ожиріння? У 2012 році відсутність бактерій Akkermansia muciniphila в кишковому мікробіомі зв’язали з розвитком ожиріння у дітей, а згодом і у дорослих. Відкриття ознаменувалося появою статті під промовистою назвою «Ожиріння». Через два роки досліджень європейські вчені поставили остаточну крапку в цьому питанні: Akkermansia muciniphila – бактерія здоров’я. Іншими словами, чим її в кишечнику більше, тим краще для здоров’я. У страждаючих ожирінням її пов’язують з кращими метаболічним статусом і клінічним прогнозом при переході на низькокалорійне харчування: більш низькими рівнями глюкози і тригліцеридів в крові, меншим діаметром адипоцитів, швидким відновленням чутливості до інсуліну.

Akkermansia muciniphila вважається протизапальним агентом і асоціюється з протизапальним цитокиновим профілем. Її недолік пов’язаний з гіпертрофією адипоцитів, а такі клітини схильні виділяти більше прозапальних цитокинів. В подальшому адипоцити, як і інші клітини, набувають інсулінорезитентність – так розвивається цукровий діабет II типу.

І остання річ, яку варто тут відзначити: в організмі спортсменів набагато більше Akkermansia muciniphila, ніж у людей, що не тренуються. Тобто, чим більше бактерій, тим стрункіша фігура.

А що ж далі? Сьогодні особливу увагу приділяють вивченню ролі бактерії Akkermansia muciniphila в запобіганні онкологічних захворювань і модуляції ефективності терапії пухлин, а також на основі речовин, які виробляють аккермансії, вчені намагаються розробляти пребіотики.

Advertisements