Глобальное исследование микробиома дает новый взгляд на общие риски для здоровья

Наши тела состоят примерно из 30 триллионов человеческих клеток, но в них также находится около 39 триллионов микробных клеток. Эти изобилующие сообщества бактерий, вирусов, простейших и грибков в нашем кишечнике, во рту, на коже и в других местах — все вместе называемые человеческим микробиомом — состоят не только из нахлебников и скрытых патогенов. Вместо этого, как все больше и больше признают ученые, эти микробы образуют экосистемы, необходимые для нашего здоровья. Растущее количество исследований направлено на то, чтобы понять, как сбои в этих деликатных системах могут лишить нас необходимых питательных веществ, помешать перевариванию пищи и, возможно, вызвать болезни нашего тела и разума.

Но мы все еще так мало знаем о нашем микробиоме, что только начинаем отвечать на гораздо более фундаментальный вопрос: откуда берутся эти микробы? Могут ли они передаваться от других людей, как вирус простуды или желудочный жук?

Теперь крупнейший и наиболее полный анализ передачи микробиома человека дал некоторые важные подсказки. Исследования, проведенные геномистами из Университета Тренто в Италии, обнаружили намеки на то, что микроорганизмы микробиома активно перемещаются между людьми, особенно среди тех, кто проводит много времени вместе. Находки, опубликованный в январе в природа, заполнить важные пробелы в нашем понимании того, как люди собирают свои микробиомы и переформулируют их на протяжении всей своей жизни.

Другие ученые приветствовали исследование. Хосе Клементе Литран, адъюнкт-профессор генетики и геномных наук в Медицинской школе Икана на горе Синай, назвал эту работу «выдающейся» и сказал, что она дает первое четкое представление о том, сколько можно ожидать от членов семьи или тех, кто живет вместе.

Исследование также подпитывает интригующие предположения о том, могут ли микробы повышать или снижать наши риски таких заболеваний, как диабет или рак, и тем самым привносить трансмиссивный аспект в болезни, которые обычно не считаются заразными. Для Бретт Финли, профессор микробиологии Университета Британской Колумбии, написавший комментарий для Наука в 2020 году о такой возможности результаты «забили последний гвоздь в крышку гроба того, что неинфекционные заболевания, возможно, не следует так называть».

Непостижимое разнообразие

Микробиомы подобны отпечаткам пальцев: они настолько разнообразны, что у двух людей не может быть одинаковых. Они также невероятно динамичны — растут, сжимаются и развиваются настолько сильно на протяжении всей жизни человека, что микробиом ребенка будет выглядеть совершенно иначе, когда он вырастет. Несколько микробных видов встречаются у более чем 90% людей в западных обществах, но большинство видов встречаются у 20-90% людей. (Даже Кишечная палочка, которая, вероятно, является единственной кишечной бактерией, которую большинство людей может назвать, не достигает 90% частоты.) Исследования показывают, что незападные общества имеют еще большее разнообразие микробов и более изменчивые микробиомы.

Внутри популяции любые два случайно выбранных человека обычно имеют менее половины общих видов микробиома — в среднем перекрытие в микробном составе кишечника составляет от 30% до 35%. Микробиологи спорят о том, существует ли «основной» набор микробных видов, который есть у всех здоровых людей, но если он и существует, то, вероятно, его процент от общего числа составляет однозначное число.

Однако определение того, как часто микробы передаются между людьми, является гораздо более серьезной проблемой, чем поиск видов. Один вид может состоять из множества различных штаммов или генетических вариантов. Поэтому исследователи должны иметь возможность идентифицировать отдельные штаммы, просматривая гены в образцах микробиома. А в микробиоме человека может присутствовать от 2 до 20 миллионов уникальных микробных генов, причем микробы постоянно перетасовывают свои гены, мутируя и эволюционируя.

Вот почему изучение того, как распространяется множество клеток в микробиоме, «намного сложнее, чем изучение того, как отслеживать распространение одного патогена», — сказал он. Мирейя Валлес-Коломер, научный сотрудник Университета Тренто и первый автор нового исследования. До недавнего времени отследить штаммы в популяции было невозможно.

В 2010, когда Никола Сегата впервые начал анализировать массивные наборы генетических данных для проекта микробиома человека в качестве постдока в Гарвардском университете, доступные инструменты не имели разрешения, необходимого для точного определения того, какие виды были в микробиомах людей. Они могли определить общую таксономическую группу, к которой принадлежал микроорганизм, но это было похоже на сужение чьего-либо местонахождения до Среднего Запада США.

В течение следующих нескольких лет в различных лабораториях были обнаружены доказательства того, что социальное взаимодействие и жизнь в непосредственной близости повлияли на микробиомы приматов и мыши. Исследования человека, проведенные на относительно изолированные популяции в Папуа-Новой Гвинее и других местах также были обнаружены следы обмена микробами. Некоторые даже обнаружили следы возможного передача от домашних животных. Но из-за ограничений этих исследований было неясно, в какой степени происходит передача и происходит ли она везде в одинаковой степени.

Это изменилось после того, как Сегата основал свою лабораторию в Университете Тренто в 2013 году. Он и его команда начали создавать и совершенствовать инструменты метагеномики, которые могли бы различать штаммы одного и того же вида, что позволило более подробно изучить передачу микробиома.

Сегата начала исследовать этот вопрос в 2018 году, анализируя микробы матерей и их младенцев. Выводы его группы и несколько других исследований подтвердили более ранние подозрения о том, что существует массовая передача инфекции от матери к ребенку, так что мать «отпечатывает микробиом при рождении», сказал Сегата. Недавние исследования показали, что матери продолжают формировать микробиомы своих младенцев в течение нескольких лет.

Но разнообразие микробиома значительно меняется между детством и взрослой жизнью, поэтому это раннее наследование от матерей «не объясняет микробов, которые мы наблюдаем у взрослых», — сказал Сегата. В последующих экспериментах исследователи в значительной степени исключили возможность появления новых микробов из пищи, которую люди ели, потому что эти микробы не могли очень хорошо колонизировать кишечник.

Так что «это должна быть передача», — сказал Сегата. «Должно быть, то, что у нас внутри, исходит из кишечника других людей».

Поделиться с семьей и друзьями

Для нового глобального анализа микробиомов Сегата, Валлес-Коломер и их коллеги отточили свои инструменты настолько, чтобы распознавать ранее неизвестные виды и различные штаммы одного и того же вида. Используя эти инструменты, они исследовали более 9,700 образцов стула и слюны из 20 стран на пяти континентах, представляющих сообщества с очень разнообразным образом жизни и охватывающие весь спектр человеческой жизни и множество различных условий жизни. Они отследили более 800,000 XNUMX штаммов микробов между семьями, соседями по комнате, соседями и деревнями и подсчитали, какой процент общих видов приходится на один и тот же штамм.

Как они и ожидали, они обнаружили, что наибольшее распространение штаммов произошло между матерями и младенцами в первый год жизни — около 50% общих видов, обнаруженных в кишечнике младенцев, были штаммами, передавшимися от матери. Влияние матери со временем уменьшилось — с 27% в возрасте 3 лет до 14% к 30 годам, — но не исчезло. Было показано, что некоторые пожилые люди в Китае все еще разделяют штаммы со своими выжившими столетними матерями.

Что касается Вина Танежа, иммунолог из клиники Майо, не участвовавший в исследовании, одним из наиболее удивительных моментов в результатах было то, что, хотя младенцы, рожденные вагинально, имели больше общих штаммов со своими матерями, чем младенцы, рожденные с помощью кесарева сечения, эта разница исчезла через три года. возраст. «Люди придают большое значение тому, что дети, рожденные с помощью кесарева сечения, могут подвергаться большему риску определенных заболеваний», — сказала она. Но результаты показывают, что, возможно, это «не должно иметь большого значения».

(Эта точка зрения была подтверждена нового исследования опубликовано в этом месяце в Клеточный хозяин и микроб. Было обнаружено, что дети, рожденные с помощью кесарева сечения, получили меньше микробиомов своей матери, чем дети, рожденные вагинально, но они не упустили этого, потому что получили больше микробов с грудным молоком.)

По мере того, как мы становимся старше, значительная часть наших микробиомов продолжает поступать от людей, с которыми мы живем или рядом с ними. Неудивительно, что исследование, проведенное Сегатой и его коллегами, показало, что супруги и другие физически близкие партнеры имеют много общих микробов: 13% кишечных микробов, которые у них общие, были одного и того же штамма, как и 38% их общих оральных видов.

Но люди, которые жили вместе платонически, не сильно отставали: 12% для видов с общим кишечником и 32% для видов с общим ротом. Это потому, что, как обнаружили Сегата, Валлес-Коломер и их команда, самым важным фактором, определяющим передачу инфекции, было время, проведенное вместе. У людей, живущих под одной крышей, больше всего общих штаммов, но даже у людей, живущих в одной деревне, как правило, больше общих штаммов, чем у людей, разделенных большими расстояниями. Частота совместного использования штаммов была одинаковой в разных обществах, но команда подтвердила предыдущие выводы о том, что люди в незападных странах, как правило, имеют более разнообразные микробиомы.

Исследователи также обнаружили, что общие штаммы могут со временем исчезать. Близнецы, растущие вместе, имели около 30% общего уровня нагрузки, который снизился примерно до 10% после 30 лет раздельной жизни.

Сегата считает вполне вероятным, что большинство других штаммов общих видов также происходят от других людей — в первую очередь от близких контактов, таких как друзья или коллеги, но, возможно, также от людей, с которыми мы встречаемся гораздо более кратко и случайно. (Домашние животные, однако, вероятно, не вносят большой вклад: Сегата сказал, что животные в основном питают микробные виды, которые обычно не колонизируются и не сохраняются в нас.)

Полученные данные являются на сегодняшний день убедительным доказательством того, что мы разделяем части нашего микробиома с людьми, с которыми мы проводим больше всего времени. Тот факт, что авторы смогли увидеть эту схему передачи по всему миру, а не только в одной популяции, был «поразительным», сказал он. Илана Брито, адъюнкт-профессор биомедицинской инженерии Корнельского университета. Она добавила, что эти наборы данных чрезвычайно зашумлены, поскольку в этих разных организмах происходит множество мутаций. Но команда успешно обнаружила «сигнал сквозь шум».

Неясно, как организмы микробиома распространяются между людьми. Поцелуи и секс отчасти объясняют это, но микробы также могут передаваться через капли, выделяемые при кашле и чихании, или их можно подхватить с загрязненных поверхностей. Также еще многое предстоит узнать о том, какие микробы распространяются легче, чем другие. Ответ на этот вопрос имеет решающее значение для понимания последствий идеи о том, что микроорганизмы могут распространяться.

Распространение здоровья или болезни

Теперь, когда степень обмена выявила закономерности распространения уникальных микробов, мы можем исследовать, что происходит при болезни. «В этом смысле я думаю, что эта работа действительно фундаментальна», — сказал Клементе.

Некоторые заболевания, которые обычно не считаются заразными, могут иметь заразный аспект. Исследования нашел что многие люди с заболеваниями, которые не передаются от человека к человеку, имеют микробиомы, которые кажутся «испорченными», — сказал Финлей.

Некоторые E. палочки штаммы, например, могут выделять токсины, повышающие риск развития рака. Люди с некоторыми видами колоректального рака, микробиомы которых содержат больше веретенообразные бактерии виды, как правило, имеют худший прогноз и худшие результаты лечения. Кишечные микробы, влияющие на уровень глюкозы и инсулина в организме, связаны с ожирением и такими состояниями, как метаболический синдром и даже диабет 2 типа. Несбалансированный кишечный микробиом был связан с нейродегенерацией, и предполагается, что он может играть роль в таких состояниях мозга, как Болезнь Альцгеймера.

«Если эти заболевания хотя бы частично зависят от микробиома, а затем микробиом хотя бы частично заразен, тогда эти заболевания становятся хотя бы частично заразными», — сказал Сегата.

Но «понимание того, насколько определенный микробиом способствует риску [заболевания], — это сложный вопрос», — сказал Клементе. Даже большинство исследований, которые находят такие связи, не могут понять, вызывают ли микробы заболевание или им просто легче колонизировать человека, подверженного риску заболевания.

Если между людьми могут передаваться «плохие» микробы, повышающие риск неинфекционных проблем со здоровьем, то теоретически могут передаваться и «хорошие» микробы, снижающие эти риски. Некоторые исследования показывают, что микробы могут защищать, особенно в раннем возрасте, от таких состояний, как астма и аллергия. Преднамеренное распространение кусочков здорового микробиома, например, через фекальные трансплантаты, оказался удивительно успешным в лечении некоторых заболеваний и инфекций, таких как бактерии Clostridium несговорчивый.

Мы эволюционировали, чтобы поддерживать наши микробные популяции, потому что мы получаем от них большую пользу, сказал Йенс Уолтер, профессор экологии, продуктов питания и микробиома в Университетском колледже Корка и APC Microbiome Ireland. Вот почему Уолтера не убеждает гипотеза о том, что наши общие микробы могут вызывать болезни, и его больше привлекает противоположная идея, которую иногда называют «старые друзья» или гигиеническая гипотеза. Предполагается, что на протяжении всей эволюции наши микробиомы, возможно, помогали тренировать реакции нашей иммунной системы. Таким образом, современный рост использования антибиотиков и антисептиков и наша большая общая чистота могут изменить состав микробиома и создать для нас больше уязвимых мест для здоровья.

По сравнению с тем, что было столетие назад, «в современном мире мы определенно не распространяем микробы с большей готовностью», — сказал Уолтер. Воспалительные заболевания кишечника, рассеянный склероз, ревматоидный артрит и диабет 1 типа — все они считаются иммунологическими нарушениями, а не инфекционными заболеваниями — более распространены в европеизированных обществах, которые склонны широко использовать антибиотики и антисептики.

Благоприятные или вредные последствия совместного использования могут зависеть от того, какие виды и штаммы являются общими, что по-прежнему является чем-то вроде черного ящика. Мы также должны учитывать, сказал Брито, что на наше здоровье могут влиять не отдельные организмы в нашем микробиоме, а скорее их сообщества, которые передаются вместе. Некоторые организмы могут иметь большее значение в одном контексте сообщества, чем в другом.

Сегата, Валлес-Коломер и их команда проанализировали в своем исследовании только здоровых людей, но в своих текущих исследованиях они применяют свои метагеномные инструменты к наборам данных от людей с заболеваниями, чтобы увидеть, освещают ли эти результаты связи между здоровьем и микробиомами.

В настоящее время они также собирают данные из трех детских садов — от младенцев и их родителей, братьев и сестер, домашних животных и учителей. Исследователи надеются выяснить, как микробы передаются и сколько времени требуется определенным кишечным и ротовым микробам, чтобы прыгать между людьми.

Отслеживание распространения микробиомных организмов долгое время игнорировалось, потому что «мы не думали, что это окажет такое большое влияние на наше здоровье», — сказал Валлес-Коломер. Теперь, когда у нас есть методы исследования микробиома, «мы видим, что он связан практически с любым заболеванием».

Примечание редактора: исследование Сегаты и его группы финансировалось Фонд Симонс, который также финансирует это Редакционно независимый журнал. Решения Фонда Саймонса о финансировании не влияют на наше покрытие.