Древний договор остается в силе

А теперь задумаемся о чудесных свойствах кишечной микробиоты. Эта совокупность примерно тысячи видов микроорганизмов насчитывает в 1000 раз больше клеток, чем наш головной и спинной мозг вместе взятые, и в 10 раз больше, чем имеется собственно человеческих клеток во всем теле. Кишечная микробиота весит примерно столько же, сколько печень, и больше, чем головной мозг или сердце. Это заставило некоторых специалистов считать микробиоту кишечника новым, недавно обнаруженным органом, по сложности не уступающим головному мозгу.

Подавляющее большинство кишечных микроорганизмов не только безвредны, но и полезны для здоровья и самочувствия. Ученые называют такие микроорганизмы симбионтами или комменсалами. Симбионты получают питательные вещества от своих хозяев, а в обмен помогают поддерживать сбалансированный биохимический фон пищеварительного тракта и защищать от нарушителей, пытающихся в него проникнуть.

Есть в нашем пищеварительном тракте и небольшое количество потенциально вредных микроорганизмов, называемых патобионтами. При определенных условиях эти микроорганизмы могут повернуть свое оружие против нас, им нельзя доверять. У патобионтов имеются молекулярные инструменты, которыми они пользуются, как артиллерией, для атаки на оболочку пищеварительного тракта, вызывая ее воспаление или появление язв. Такое предательское поведение может быть вызвано изменениями в рационе питания, приемом антибиотиков или сильным стрессом, в результате чего происходит аномальное накопление некоторых популяций бактерий или их повышенная вирулентность, из-за чего бывшие симбионты превращаются в патобионтов.

Однако микроорганизмы пищеварительного тракта человека редко прибегают к такой агрессивной тактике. Как правило, они живут в гармонии с нами и решают собственные задачи, к которым относятся пищеварение, рост и размножение. Иммунная система человека также не направляет свое грозное оружие против микробиоты кишечника. Объясняется это просто: расходы на ведение военных действий для обеих сторон значительно перевешивают выгоды от них. Вместо этого стороны предоставляют друг другу услуги. Этот древний договор, имеющий обязательную силу, одновременно становится пактом о ненападении и торговым соглашением, обеспечивая существенные выгоды для участников.

Симбиоз микроорганизмов и их хозяев, сформировавшийся в простейшей форме миллионы лет назад, продолжает осуществляться в организме человека и сегодня. Микроорганизмы оказываются в выигрыше благодаря возможности наслаждаться выгодами жизни в пищеварительном тракте, где они всегда получают пищу, обитают в условиях умеренной температуры и имеют возможность неограниченного передвижения. Они также выигрывают и от бесплатного подключения к трафику нашего «внутреннего интернета» – постоянному потоку информации, передаваемой с помощью гормонов, гастроинтестинальных пептидов, нервных импульсов и других химических сигналов. Эта информация позволяет им следить за эмоциональными состояниями, уровнями стресса, знать, спит человек или бодрствует, а также о том, какие условия окружающей среды воздействуют на него в каждый момент времени. Доступ к этой информации помогает микроорганизмам наладить производство метаболитов не только для обеспечения оптимальных условий жизни для себя, но и для продолжения гармонического сосуществования в пищеварительном тракте.

За эти блага микроорганизмы обеспечивают нас витаминами, участвуют в метаболических процессах обмена сложными перевариваемыми веществами – желчными кислотами, которые вырабатывает печень, и в детоксикации так называемых ксенобиотиков – чужих химических веществ, с которыми организм никогда не сталкивался. Но самое главное – микроорганизмы переваривают пищевые волокна и сложные молекулы сахара, которые пищеварительная система не может сама расщепить или абсорбировать, и тем самым обеспечивают нас дополнительными калориями, которые в противном случае были бы выведены с калом. В доисторические времена люди больше времени уделяли охоте и вообще поиску пищи, они не занимались фитнесом для того, чтобы влезать в узкие джинсы, и дополнительные калории, которые кишечная микробиота извлекала из пищи, помогали людям выжить. Сегодня, когда пищи у нас в избытке, а многие страны захлестывает настоящая эпидемия ожирения, дополнительные калории, которыми обеспечивают нас кишечные микроорганизмы, стали настоящим бременем.

Соблюдение основных условий древнего договора, имеющего обязательную силу, привело к удивительно мирному и взаимовыгодному сосуществованию микроорганизмов с их хозяевами. Оно сохраняется на протяжении миллионов лет, и это удивительное достижение, ведь сами люди в отношениях между собой очень далеки от достижения такой гармонии.

Разговор микроорганизмов и внутренний интернет

Кишечные микроорганизмы находятся в постоянном общении с желудочно-кишечным трактом, иммунной и энтеральной нервной системами и головным мозгом. Как при любом сотрудничестве, большое значение в этом случае имеют надежные коммуникации. Недавние исследования показали, что сбои в этих разговорах на уровне микроорганизмов могут привести к желудочно-кишечным заболеваниям, в том числе к воспалительному заболеванию кишечника, диарее, вызванной антибиотиками, и ожирению со всеми возможными пагубными последствиями. Эти нарушения коммуникации могут стать причиной развития серьезных заболеваний головного мозга, в том числе депрессии, болезни Альцгеймера и аутизма.

Коммуникации с головным мозгом проходят по нескольким параллельным каналам, в которых используются различные способы передачи информации. К их числу относятся молекулы, которые могут взаимодействовать с головным мозгом, передавая сигналы воспаления, переносить с потоком крови гормоны или попадать в головной мозг в виде нервных импульсов. Коммуникации через эти каналы не изолированы друг от друга, как будет показано далее, между ними происходит большое число перекрестных общений. Микроорганизмы, обитающие в пищеварительном тракте, могут слушать разговоры головного мозга и наоборот. Поток же информации, передаваемой по биологическим каналам, которые микробиота ЖКТ использует для общения с головным мозгом, является очень динамичным.

Количество информации, которой разрешено проходить через эту систему, в значительной степени зависит от толщины и целостности тонкого слоя слизи, выстилающей поверхность пищеварительного тракта, от проницаемости (проходимости) его стенок и от уровня гематоэнцефалического барьера. Как правило, эти барьеры достаточно надежны, и поэтому поток информации от микроорганизмов ЖКТ в головной мозг остается ограниченным. Однако стресс, воспаление, продукты с высоким содержанием жиров и некоторые пищевые добавки могут сделать эти естественные барьеры более проницаемыми.

Чтобы в полной мере понять, чем именно занимаются микроорганизмы внутри нашего тела, на какое-то – очень короткое – время будем условно считать различные каналы коммуникаций микроорганизмов единым проводником информации, похожим на оптиковолоконную линию или кабель, через которую население получает дома услуги интернета. Количество информации, проходящей через этот проводник, может быть разным. Иногда микроорганизмы загружают в него относительно небольшие текстовые документы, и в этом случае объем передаваемой информации будет небольшим, но бывают ситуации, когда они загружают столько данных, сколько содержится в плотно «набитых» информацией видеоклипах.

Однако эта коммуникационная система не всегда работает, как домашний широкополосный интернет. В договоре, который вы заключаете с интернет-провайдером, ограничивается объем информации, которую пользователь может загрузить или скачать за секунду. Ширина полосы пропуска сигнала зависит от того, какой план предоставления услуг вы выбрали – экономичный или более дорогой. Между микроорганизмами ЖКТ и мозгом устанавливается интернет-соединение принципиально другого рода – оно гибкое и не фиксированное, поэтому в стрессовой для организма ситуации скорость передачи данных может резко возрасти, как если бы вы резко переключились с экономичного плана на более дорогой.

Итак, мы добрались до каналов коммуникации между микроорганизмами. Начнем с анализа роли иммунной системы в передаче сигналов между микроорганизмами ЖКТ и головным мозгом. Есть несколько способов, с помощью которых может происходить общение между микроорганизмами, иммунной системой и головным мозгом. В последнее время последствия нарушения взаимодействия между кишечной микробиотой и иммунной системой привлекли к себе внимание специалистов, так как возникающие при этом сбои коммуникации приводят к появлению многих заболеваний головного мозга.

В состав одного средства коммуникации входят специализированные иммунные клетки, известные как дендритные: они располагаются во внутренней оболочке пищеварительного тракта. Дендритные клетки имеют щупальца, направленные вглубь ЖКТ, где они могут контактировать с группой кишечных микроорганизмов, обитающих вблизи стенки пищеварительного тракта. сенсоры иммунных клеток – это первая линия слежения. В нормальных условиях рецепторы на этих частях клеток (рецепторы распознавания паттернов, они же толл-подобные) различают сигналы, поступающие от безопасных микроорганизмов, сообщая иммунной системе, что все в порядке и от нее не требуется защитной реакции. Иммунные клетки научены правильно интерпретировать эти мирные сигналы, получаемые от взаимодействий с кишечными микроорганизмами. И наоборот, когда иммунные клетки обнаруживают вредные или потенциально опасные бактерии, они обращаются к иммунной системе, которая отвечает каскадом воспалительных реакций в стенках ЖКТ, чтобы держать под контролем патогенные микроорганизмы.

Недавние исследования показали, что слизь, которая вырабатывается специальными клетками стенок ЖКТ и защищает их поверхность, имеет два слоя: тонкий внутренний, который прочно прилипает к клеткам стенки, и внешний толстый свободный слой. Эти два прозрачных слоя почти невидимы невооруженным глазом, их толщина всего 150 микрон, в полтора раза толще человеческого волоса. Внутренний плотный слой слизи не позволяет бактериям проникать в стенки ЖКТ, сохраняя поверхность эпителиальных клеток свободной. Наружный слой – место обитания большинства микроорганизмов ЖКТ и сложных молекул, содержащих сахара. Эти молекулы называются муцинами, они служат важным источником питательных веществ для микроорганизмов, особенно когда человек голодает или в его рационе не хватает клетчатки. Когда микроорганизмы проникают в защитный слой слизи, которую формирует слизистая оболочка ЖКТ, молекулы стенок их клеток активизируют иммунные клетки, находящиеся под оболочкой, и те выбирают вариант иммунного ответа в зависимости от опасности вторгшегося чужака. В этом диалоге между микроорганизмами и иммунной системой особое значение имеют липополисахариды. Эти молекулы, компоненты клеточной стенки микроорганизмов, называемых грамотрицательными бактериями, могут повышать проницаемость стенок ЖКТ, облегчая проникновение микроорганизмов в иммунную систему.

Вопреки распространенному мнению, для того чтобы вызвать такую реакцию иммунной системы, совсем не обязательно, чтобы ужасные бактерии или вирусы проникли в ЖКТ извне – у людей, которые едят пищу с высоким содержанием животных жиров, повышенное содержание грамотрицательных бактерий (Firmicutes и протеобактерий) в ЖКТ. Весьма вероятно, что в организме таких людей иммунный механизм активизации запускается регулярно. Когда воспаление, стресс или избыток жира в пище ослабляют защитные свойства двух естественных барьеров, которые отделяют человека от триллионов микроорганизмов, обитающих внутри пищеварительного тракта, микроорганизмы или их сигнальные молекулы могут в большем количестве проникать через стенку ЖКТ. В результате часть иммунной системы, находящаяся в пищеварительном тракте, еще больше активизируется, и воспалительный процесс может распространиться по организму. Процесс проникновения этих микроорганизмов и их молекул называется метаболическим токсикозом.

Но каким бы образом иммунная система ЖКТ ни обнаруживала микроорганизмы, она всегда отвечает на их появление, производя ряд молекул, называемых цитокинами. При определенных условиях цитокины могут вызвать локальное воспаление (воспалительные заболевания кишечника, острый гастроэнтерит). Сигналы об образовании в ЖКТ цитокинов также могут быть направлены в головной мозг. Цитокины могут связываться с рецепторами на сенсорных окончаниях блуждающего нерва, воспаляя эту информационную трассу, соединяющую головной мозг и ЖКТ, и отправлять сообщения в жизненно важные участки мозга. Это может привести к упадку сил, нарастанию чувства усталости, снижению порога болевой чувствительности и даже к возникновению навязанного чувства подавленности. При менее остром воспалении блуждающего нерва снижается чувствительность его нервных окончаний к сигналам насыщения. Это мешает работе механизма, который побуждает нас прекращать прием пищи после достижения состояния сытости. У пациентов, потребляющих большое количество жиров, вмешательство в работу этого механизма часто создает проблемы со здоровьем.

Есть и другой способ действий цитокинов: они могут оказаться в кровотоке, достичь головного мозга, преодолеть гематоэнцефалический барьер и активизировать так называемые микроглиальные иммунные клетки в мозге. Большинство клеток в головном мозге являются микроглиальными, они реагируют на цитокины, делая наш мозг восприимчивым к сигналам, проходящим между пищеварительным трактом, микроорганизмами и иммунной системой. Отправляемые из ЖКТ в головной мозг иммунологические сигналы замешаны в развитии таких нейродегенеративных заболеваний, как болезнь Альцгеймера.

Все это сложные способы общения микробиоты ЖКТ с иммунной системой человека. Кроме того, для общения с головным мозгом микроорганизмы используют свои метаболиты. Микроорганизмы ЖКТ разнообразны и многочисленны (на каждый ген человека приходится 360 генов микроорганизмов), они могут переваривать вещества, с которыми человек справиться не в состоянии. Попутно производится несколько сотен тысяч различных метаболитов, многие из которых пищеварительная система человека сама не производит. Большое количество произведенных микроорганизмами метаболитов попадают в кровь, где они составляют почти 40 % всех циркулирующих молекул. Многие из них считаются нейроактивными, то есть могут взаимодействовать с нервной системой. Толстая кишка поглощает некоторые метаболиты, перенося их в кровь, еще большее их число попадает в кровь, если у человека повышенная проницаемость стенок кишечника. С кровотоком метаболиты могут добираться до многих важных органов, в том числе и до головного мозга, как это делают гормоны.

Другой важный путь, по которому эти метаболиты подают сигналы головному мозгу, – через содержащие серотонин энтерохромаффинные клетки в стенке пищеварительного тракта. Эти клетки усеяны рецепторами, которые обнаруживают созданные микроорганизмами метаболиты, в том числе метаболиты желчных кислот, и такие короткие цепочки жирных кислот, как бутират, которые поступают из цельного зерна, спаржи или других овощей. Некоторые метаболиты могут увеличить выработку серотонина в энтерохромаффинных клетках, благодаря чему появляется больше молекул для передачи сигналов в головной мозг через блуждающий нерв. Кроме того, они могут влиять на характер сна, порог болевой чувствительности и общее самочувствие. Эксперименты на животных показали, что эти метаболиты влияют на развитие тревожности и на социальное поведение. Они могут отчасти влиять и на то, что мы хорошо себя чувствуем после здоровой пищи, богатой фруктами, цельными зернами и овощами и, наоборот, плохо – после горки жирных картофельных чипсов и порции сильно прожаренной курицы.