Микробиота ожирения

Обследование женщины с жалобами на непрерывный понос и острую боль в животе обнаружило острое воспаление толстой кишки, вызванное клостридиями. Учитывая устойчивость бактерии к антибиотикам, пациентке предложен экспериментальный, но эффективный метод терапии - трансплантация донорской микробиоты (кишечная микрофлора). После введения в кишечник пациентки 600 мл суспензии донорского кала рецидивов заболевания больше не наблюдалось - микробиота донора успешно вытеснила патоген и заняла его ниши. Однако через год женщина пожаловалась врачу на быстрый набор веса, в то время как всю жизнь до трансплантации она имела нормальную и стабильную массу тела. С момента проведения процедуры прибавка составила 15 кг, а общая масса тела достигла 77 кг при росте 155 см. Несмотря на фитнес и диету вес пациентки вскоре превысил 80 кг. Врач обратил внимание, что в целом здоровый донор также имеет избыточную массу тела и допустил возможность "заражения" ожирением через микробиоту. На первый взгляд столь смелое предположение имеет серьезную доказательную базу. В этой статье я расскажу о влиянии микробиоты на пищеварение, и почему ее видовое разнообразие снижает, а однообразие увеличивает риск ожирения.

Введение
Вероятность наследования ожирения достигает 80%, однако индивидуальные различия в ядерном геноме обуславливают менее 2% изменчивости массы тела в популяции. Кроме того, ядерный геном передается ребенку почти поровну от каждого родителя, но дети наследуют ожирение с заметно большей частотой от матерей. Этот феномен часто объясняется влиянием на метаболизм митохондрий, у которых своя ДНК и которые отсутствуют в головке сперматозоида, поэтому митохондриальный геном наследуется эмбрионом только из яйцеклетки матери. Однако результаты исследования митохондриального генома объясняют еще меньше случаев наследования ожирения. Таким образом, если наследование данного заболевания лишь частично опосредованно ядерным и митохондриальным геномами, то может быть ожирение передается детям в основном через третий геном человека - микробиом (совокупность генов микробиоты), который также наследуется от матери? 

Наследование и изменчивость микробиома
Внутриутробное развитие сопровождается абсолютной стерильностью плода, который впервые получает микробиоту, преодолевая родовые пути во время естественных родов. Поэтому дети, рожденные естественным путем, имеют более разнообразную микробиоту, чем извлеченные с помощью кесарева сечения. Тем не менее состав микробиоты у тех и других детей постепенно нормализуется при условии наличия грудного вскармливания, которое обеспечивает доминирование бифидобактерий и лактобацилл, подавляющих популяции условно-патогенных бактериоидов и клостридий. Рождение естественным путем и грудное вскармливание формирует видовой костяк микробиоты, который обычно сохраняется на всю жизнь. Дальнейшее обогащение микробиоты другими видами бактерий зависит от образа жизни.

Так, например, посещение детского сада является значимым и независимым фактором увеличивающем видовое разнообразие микробиоты. С другой стороны, широкое применение антибиотиков и антисептиков, а также строгие санитарные стандарты и нормы гигиены снижают интенсивность обмена микробиотой между людьми и ее разнообразие (подробно о роли данных факторов в развитии инфекций у детей и запаха изо рта писал здесь). Таким образом можно говорить о наследуемости и изменчивости микробиома.

Структура микробиоты
С возрастом численность бактериальных клеток в кишечнике постепенно достигает 100 триллионов, что превышает количество собственных клеток организма взрослого человека в 10 раз. При этом, благодаря малым размерам бактерий, вся микробиота весит до 2 кг и умещается в толстой кишке.

Около 60% содержимого прямой кишки - микроорганизмы, колонии которых разрастаются на волокнах растительной пищи (клетчатке), используя их в качестве пищи и каркаса, формируя тем самым комкообразную консистенцию фекалий. Несмотря на значительную численность бактерий, их взаимодействия с организмом человека долгое время рассматривалось учеными строго в рамках комменсализма, при котором микроорганизм извлекает пользу от взаимоотношения, а макроорганизм не получает ни пользы, ни вреда. Однако с развитием методов генотипирования представления о микробиоте значительно изменились.

Было установлено, что видовое разнообразие микробиоты достигает 300-700 видов микроорганизмов, а их суммарный геном состоит из 10 миллионов генов, что в 300 раз превышает геном человека. Такое суммирование генов микробиома и сравнение их количества с таковым показателем у человека здесь не для красного словца. Многие гены бактерий функционально дополняют ядерный геном человека, а межвидовое взаимодействие микроорганизмов настолько тесное, что некоторые виды буквально не могут жить друг без друга. Последние открытия в этом направлении позволили говорить о взаимовыгодных отношениях человека и микробиоты, а совокупность ее генов названа микробиомом или третьим геномом человека. Для иллюстрации приведу конкретный пример.

Физиология микробиоты
С растительной пищей мы потребляем полимеры фруктозы (фруктаны), для расщепления которых на простые сахара у нас нет собственных ферментов. Нерасщепленные фруктаны не всасываются, и их накопление в кишечнике вызывает тяжелые расстройства, а в ротовой полости они используются кариозными бактериями для прикрепления к зубной эмали. На помощь нам приходят бифидобактерии и лактобациллы, которые имеют гены ферментов для расщепления фруктанов до лактата и ацетата. Данные метаболиты создают более кислые условия, которые снижают размножение чувствительных к кислоте и вызывающих диарею условно-патогенных бактерий. Кроме того, лактат и ацетат в качестве источника энергии используют другие виды дружественной микрофлоры, которые производят бутират - основной источник энергии для клеток эпителия кишечника и ингибитор проникновения в них внутриклеточных патогенов, а также это соединение снижает риск развития язвенного колита и рака толстой кишки. Вот так, всего несколько видов бактерий из опасных для организма компонентов пищи синтезируют целебное вещество, и, защищая свою нишу от конкурентов, в качестве бонуса человеку, подавляют рост патогенов в его кишечнике! А теперь представьте, как десятки и сотни видов микроорганизмов объединены в более длинные и разветвленные метаболические цепи, продуцирующие незаменимые аминокислоты, витамины и прочие метаболиты, тем самым модулируя пищеварение, иммунитет и даже наше поведение, в том числе пищевое.

Микробиота и ожирение
Значительное влияние микробиоты на ожирение впервые было продемонстрировано на полностью лишенных микроорганизмов и выращенных в стерильных условиях мышах. Характерно, что стерильные мыши обычно имеют на 42% меньше жировой ткани, чем аналогичные мыши с микрофлорой. При этом более худые стерильные мыши потребляют на 29% больше пищи, чем их более полные собратья с микрофлорой. Исследователи переносили микрофлору от обычных мышей к стерильным и в течение двух недель наблюдали увеличение жировой ткани на 57%, несмотря на снижение потребления пищи на 27%!

Авторы пришли к выводу, что микрофлора помогает извлекать больше энергии из меньшего количества пищи. При этом энергоэффективность пищеварения с микрофлорой повышается настолько сильно, что полученный избыток калорий запасается в жировую ткань.

Полученные в данном исследовании результаты обусловлены низким разнообразием самостоятельно синтезируемых организмом человека гликозидаз - ферментов для расщепления связей в молекулах сложных углеводов, таких как растительная клетчатка. Для сравнения, если в нашем геноме всего 20 генов для синтеза гликозидаз, то один только вид бактериоидов синтезирует 261 разновидность гликозидаз, а весь микробиом содержит 250 000 генов для синтеза данных ферментов. Таким образом, в случае отсутствия микробиоты богатая энергией клетчатка покидает организм с испражнениями, не удовлетворяя потребности в калориях, поэтому стерильные мыши едят больше и весят меньше своих собратьев с нормальной микрофлорой. Результаты данных исследований невольно рождают идею о способе лечения ожирения тотальным уничтожением микробиоты антибиотиками. Однако коэволюция человека и микробиоты зашла так далеко, что реализация данной идеи невозможна, а с клинической точки зрения - очень опасна.

Во-первых, в отличие от мышей мы не можем позволить себе жить в стерильных условиях. Окружающая среда содержит множество патогенных микроорганизмов, которые будут рады занять ниши, освобожденные от естественной микрофлоры. Например, женщина, клинический случай которой приведен вначале статьи, получила инфекцию клостридиями как раз после лечения бактериального вагиноза высокими дозами антибиотиков. Во-вторых, я уже упоминал, что без микробиоты мы не способны самостоятельно расщеплять фруктаны, накопление которых чревато тяжелыми расстройствами пищеварения. И наконец, в-третьих, применение антибиотиков на практике показывает противоположный эффект - ожирение усугубляется, а более разнообразная и богатая по составу микробиота - защищает от ожирения.

Антибиотики и ожирение
Еще с середины прошлого века антибиотики широко применяются в сельском хозяйстве для ускорения набора веса скота. С этой целью прапараты добавляются в корм на постоянной основе, в результате чего 70% произведенных антибиотиков расходуется на животноводство.

Положительное влияние антибиотиков на массу тела долгое время объясняли профилактикой инфекций, ведь здоровое животное быстрее набирает вес. Но позже было доказано, что данная зависимость опосредованна изменениями в составе микробиоты. Аналогичное влияние антибиотиков на массу тела у человека считалось маловероятным, так как антибиотикотерапия применяется кратковременно и эпизодически. Между тем 10 лет назад в исследованиях было установлено, что даже однократный курс антибиотиков ведет к снижению разнообразия микробиоты человека в течение 4-х лет. Проведенный в 2017 году мета-анализ исследований на почти 500 000 человек констатировал значительное влияние применения антибиотиков во младенчестве на увеличение риска развития ожирения в более старшем возрасте, при этом доза антибиотика положительно коррелировала со степенью ожирения. Таким образом, ожидаемого снижения массы тела в результате подавления микробиоты не происходит, а в перспективе, напротив, наблюдается развитие ожирения. Предположительно, антибиотики, избирательно уничтожая чувствительных к ним представителей нормальной микрофлоры, формируют своего рода "микробиоту ожирения".

Концепция непрерывной метаболической цепи и "микробиота ожирения"
Полноценная микробиота представляет собой непрерывную метаболическую цепь реакций расщепления богатой энергией клетчатки до бедных энергией соединений. При этом каждый промежуточный еще содержащий энергию метаболит усваивается очередной в метаболической цепи бактерией, способной синтезировать ферменты для его расщепления, поглощая свою порцию энергии. Конечными метаболитами функционирования непрерывной метаболической цепи являются короткоцепочечные жирные кислоты, которые в основном катаболизируются клетками кишечника и не сублимируются в жировой ткани, а некоторые из них даже ингибируют липогенез и подавляют аппетит. Таким образом полноценная микробиота практически полностью утилизирует энергию клетчатки и защищает хозяина от ожирения, даже если тот злоупотребляет быстрыми углеводами.

В отличие от нормальной микрофлоры, "микробиота ожирения" однообразна из-за отсутствующих видов, родов или целых семейств бактерий, поэтому не способна образовать непрерывную метаболическую цепь. Так как разные виды клетчатки расщепляются многими представителями микробиоты, то отсутствие некоторых из них не блокирует начало метаболической цепи и пищевые волокна благополучно расщепляются до промежуточных метаболитов. В свою очередь отсутствие видов бактерий, специфически расщепляющих промежуточные метаболиты, ведет к накоплению последних в просвете кишки. В отличие от клетчатки, промежуточные метаболиты способны усваиваться организмом, в том числе увеличивая запасы жировой ткани. Таким образом "микробиота ожирения" содержит своего рода бреши, через которые энергия "утекает" в организм человека.

Предполагаемая "микробиота ожирения" нашла подтверждение в экспериментах по трансплантации фекалий от людей с разным телосложением к стерильным мышам. Чтобы исключить прочие факторы микробиоту для трансплантации набирали у 8 близнецов, пары которых различались по наличию и отсутствию ожирения, а мыши, получившие микробиоту от людей с разным телосложением, проживали раздельно. Микробиота, полученная от близнецов с ожирением, имела скудный видовой состав, по сравнению с более разнообразной микробиотой близнецов с нормальным телосложением.

В результате эксперимента мыши, получившие "микробиоту ожирения", демонстрировали значительный набор жировой массы тела уже на 8 сутки после трансплантации. В тоже время, масса жира у мышей, получивших микробиоту от близнецов с нормальной массой тела, оставалась без значимых изменений на протяжении всего эксперимента.

Кроме того, авторы данного исследования решили проверить заразность ожирения. Для этого полученных в результате трансплантации разной микробиоты мышей через 5 дней разместили в общей клетке. Контроль массы и состава тела на 10 сутки совместного проживания показал, что мыши, получившие "микробиоту ожирения", набрали меньше жира, чем аналогичные мыши в первой части эксперимента (проживающие изолированно), и практически не отличались от мышей-сожителей, получивших микробиоту от близнецов с нормальным телосложением. Анализ микробиомов демонстрировал увеличение разнообразия микробиоты у мышей, изначально получивших однообразную "микробиоту ожирения". Важно, что исходно получившие разнообразную микробиоту худые мыши не заразились ожирением от сожителей.

Анализ метаболитов в кишке показал, что после совместного проживания у мышей, исходно получивших "микробиоту ожирения", наблюдалось снижение дисахаридов и увеличение короткоцепочечных жирных кислот. Таким образом, было установлено, что разнообразная микробиота защищает от развития ожирения, а трансплантация или естественная передача такой микробиоты к мышам с ожирением ведет к нормализации массы тела.

Заключение
Следует учесть, что мыши являются копрофагами, что значительно облегчает естественный обмен микробиотой между сожителями. Тем не менее, результаты исследований микробиоты и эпидемиологии ожирения у людей также могут быть объяснены обменом микрофлорой через социальные взаимодействия. Выше я уже рассказывал о том, как посещение детского сада увеличивает разнообразие микробиоты, но обмен микрофлорой может происходить и через другие социальные связи и потенциально влиять на риск развития ожирения. Так, например, анализ медицинских карт 1519 семей американских военнослужащих позволил установить, что индекс массы тела членов семьи после назначения на новое место службы в течение 24 месяцев изменялся в соответствии с показателями у населения данного района. Авторы этого и еще 45 аналогичных исследований предполагают, что отличия нашего телосложения от такового у ближайшего окружения могут увеличивать психологический дискомфорт, а это в свою очередь влияет на пищевое поведение и физическую активность. Однако попытки доказать данную причинно-следственную связь до сих пор не увенчались успехом. Между тем обмен микробиотой через окружающую среду и непосредственные контакты может объяснить данный феномен.

В этом контексте может быть интересен и мой жизненный опыт. Сам я - тот еще дрищ и поговорка "не в коня корм" - это про меня! А с тех пор как я познакомился со своей супругой, она год от года стала терять вес. Правда, ожирения у нее никогда не было, но с начала наших отношений похудела заметно. Еще в студенчестве она шутила, что я ее своими глистами заразил, но как только устроился на работу в лабораторию, то все проверил и ничего такого не обнаружил. Тогда я впервые и предположил, что дело может быть в особенностях моей микробиоты, которую постепенно переняла жена. К сожалению, в нашей лаборатории исследовать данные особенности невозможно, поэтому образец своего "внутреннего мира" я отправил на анализ в компанию Атлас. О результатах анализа напишу в следующей статье, в которой подробно расскажу о методах коррекции микробиоты с целью снижения массы тела. Чтобы не пропустить - подписывайтесь на самый интересный блог о медицине!