Знову про мікроби

Знову про мікроби
Пробіотики містять потенційно корисні бактерії або дріжджі, але найчастіше це молочнокислі бактерії.

Людська мікрофлора представлена понад 39 трильйонами бактеріальних клітин (тіло людини, вагою 70 кг, складається з 30 трильйонів клітин).

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). 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?

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.