Хотя роль “хороших” вирусов в человеческом здоровье все еще относительно неизвестна, мы постепенно разгадываем их важность. Исследователи далеки от ответа на многие вопросы, но теперь твердо установлено, что без “дружественных” микроорганизмов — нашего микробиома — мы бы болели.
Что такое виром?
Когда мы слышим слово “микробиом”, мы сразу же думаем о бактериях, но микробиом – это сумма всех микроорганизмов в определенной среде. Некоторые ученые используют этот термин для обозначения суммы генетического материала микроорганизмов. Таким образом, помимо бактерий, микробиом также включает вирусы (виромы) и грибки (микобиомы). До настоящего времени ученые уделяли им сравнительно мало внимания.
Вирусы прочно обосновались в различных экологических нишах человеческого организма, особенно на слизистых оболочках, таких как нос, рот и слизистая оболочка кишечника. Вирусы наиболее известны тем, что вызывают такие болезни, как оспа, гепатит, ВИЧ и бешенство. Однако многие вирусы не проявляют ни малейшего интереса к клеткам человека.
Что такое бактериофаги?
Ученые считают виром “самой большой, самой разнообразной и самой динамичной частью микробиома”, а большинство вирусов в нашем кишечнике – бактериофаги. Везде, где есть бактерии, есть в изобилии бактериофаги.
Как объясняют исследователи: «Фаги – самая распространенная форма жизни на Земле, они практически вездесущи. Некоторые источники пресной воды могут содержать до 10 миллиардов на миллилитр».
Бактериофаги заражают бактерии, захватывают их клеточные механизмы и используют их для репликации своего генетического материала. Теперь совершенно ясно, что кишечные бактерии влияют на здоровье и болезни, поэтому неудивительно, что вирусы, которые заражают кишечные бактерии, также могут оказывать значительное влияние.
С 1920-х по 1950-е годы ученые исследовали, можно ли использовать бактериофаги для лечения бактериальных инфекций. В конце концов, эти вирусы могут уничтожать патогены человека. Ученые обнаружили, что фаготерапия была эффективной и, что немаловажно, не имела побочных эффектов. Когда были открыты антибиотики, фаготерапия отошла на второй план. Антибиотики можно было производить с относительной легкостью, и они убивали широкий спектр видов бактерий. Однако, учитывая современные высокотехнологичные возможности и устрашающий фон антибиотикорезистентности, интерес к фаготерапии может вновь возродиться.
Одним из факторов, делающих фаготерапию привлекательной, является ее специфичность. Зачастую антибиотики уничтожают широкий спектр видов бактерий, мы знаем, что в кишечнике живут и “хорошие” бактерии.
Бактериофаги, между тем, нацелены только на узкий диапазон штаммов в пределах одного и того же бактериального вида. Кроме того, они размножаются только в том случае, если их целевые бактерии находятся в локальной области. В совокупности это означает, что они атакуют только нужную бактерию и продолжают размножаться до тех пор, пока не уничтожат инфекцию.
Бактериофаги попадают к человеку на ранней стадии. В одном исследовании был изучен меконий (первый кал новорожденного) и не было обнаружено никаких признаков вирусов. Однако через 1 неделю после рождения каждый грамм кала ребенка содержал около 100 миллионов вирусных частиц, большинство из которых были бактериофагами. Наш виром действительно является спутником на протяжении всей жизни. У каждого человека есть свой особый набор бактериофагов, который в совокупности называют фагом. Люди, придерживающиеся примерно одинаковой диеты, имеют много общего, но в целом микробиом каждого индивидуума сильно различается.
От симбиоза к дисбиозу
Бактериофаги, как уже говорилось, уничтожают бактерии. Однако в некоторых ситуациях бактериофаги могут приносить пользу популяциям бактерий. В кишечнике бактериофаги преимущественно существуют с младенчества. На этой стадии их генетический код включается в геном бактерии, готовый в случае активации произвести бактериофаги. В этот момент своей жизни бактериофаг не вреден для бактерии — они существуют в симбиозе.
Поскольку бактерии могут обмениваться генетическим материалом друг с другом, генетический код также может передаваться между отдельными бактериями. Они могут обмениваться генами, связанными с устойчивостью к антибиотикам, вирулентностью или метаболическими путями между различными видами бактерий. Это может принести пользу некоторым видам бактерий, потенциально позволяя им расширить свою нишу. Однако рост может происходить и за счет других колоний бактерий в кишечнике. Таким образом, фаги могут косвенно принести пользу многоклеточному организму.
Во время стресса или если человек находится в опасности, – они могут вызвать широкомасштабные изменения в микробном сообществе кишечника.
Переход от безвредного профага к так называемому литическому фагу может уничтожить сообщества бактерий, потенциально предоставляя “плохим” бактериям некоторое пространство и позволяя им заполнить пустоту.
Эта перетасовка сообществ и может привести к дисбактериозу — микробному дисбалансу.
Дисбактериоз связан с целым рядом заболеваний, включая воспалительные заболевания кишечника, синдром хронической усталости, ожирение, инфекцию Clostridium difficile (C. diff) и колит. Однако исследователи до сих пор не уверены в роли бактериофагов при этих состояниях. В этих случаях дисбактериоз может возникать и по другим механизмам. С другой стороны, это может быть симптомом заболеваний, а не причиной. Исследователи наблюдали изменения в кишечных бактериях при разнообразном спектре заболеваний, включая диабет 2-го типа, шизофрению, депрессию, тревогу, болезнь Паркинсона и многие другие. Поскольку бактериофаги превосходят числом бактерии в нашем кишечнике и полагаются на них, чтобы размножаться, они должны быть либо затронуты, либо вовлечены в любые колебания.
Бактериофаги не могут влиять на изменения в кишечнике, а изменения не могут быть движущей силой болезни. Вместо этого популяции бактериофагов могут просто пассивно влиять на изменения в кишечных бактериях.
В качестве примера можно привести возможность использования вирома в качестве диагностического маркера. Например, ученые выявили специфические изменения в кишечном вироме у людей с воспалительными заболеваниями кишечника, которые, как известно, трудно диагностировать.
Изучать бактерии далеко не просто, ведь они невероятно малы. Бактерии обычно имеют диаметр 0,4-10 микрометров. Чтобы обеспечить некоторый контекст: 10 микрометров – это всего лишь одна сотая миллиметра. Вирусы, однако, еще меньше, всего 0,02–0,4 микрометра в поперечнике. Помимо трудностей, присущих работе в таких крошечных масштабах, вирусы создают и другие проблемы. Если ученые хотят понять, какие виды бактерий присутствуют в той или иной популяции, они извлекают генетическую информацию. Исходя из этого, они выделяют определенные участки кода и сопоставляют их с существующими базами данных; чаще всего они используют ген 16S рРНК. Этот конкретный ген можно обнаружить почти у всех видов бактерий, и с течением эволюционного времени он оставался относительно неизменным.
Однако некоторые области 16S РНК считаются гипервариабельными. Различия между этими регионами позволяют исследователям идентифицировать виды.
Вирусы, с другой стороны, не имеют общих эквивалентных генов между видами. Это делало изучение вирома практически невозможным, но прогресс в секвенировании следующего поколения медленно разрушает барьеры. На данном этапе роль вирусов в здоровье человека далеко не так ясна, как их роль в болезнях. Весьма вероятно, что вирусы действительно играют существенную роль в поддержании здорового организма.
Учитывая насущные проблемы устойчивости к антибиотикам, возможно, возобновление интереса к бактериофагу позволит уделять больше времени этому таинственному элементу медицинской науки. Это наверняка будет долгая битва.
Научная статья по теме: Ученые обнаружили, что бактериофаги могут изменять кишечный микробиом.
