Микробиота против инфаркта

В XX веке благодаря бурному развитию науки, в частности созданию антибиотиков, человек вырвался из естественной природной среды, где решающим фактором был естественный отбор. Тысячи и миллионы жизней, спасенных с помощью антибиотиков, обернулись появлением в человеческой популяции грозных недугов — метаболического синдрома, ожирения, диабета, резким ростом числа инфарктов и инсультов, уносящих, как свидетельствует мировая статистика, самое большое число человеческих жизней. Еще в середине прошлого века ученые увидели причину такого развития событий в том ударе, который с помощью антибиотиков был нанесен микромиру, и стали искать выход.

Следуя этим курсом, в Институте экспериментальной медицины (ИЭМ) Национального медицинского исследовательского центра (НМИЦ) им. В. А. Алмазова начали изучать влияние микробиома человека на формирование или избавление от метаболического синдрома, в котором коренятся самые опасные болезни сердца и сосудов. И пришли к выводу, что в управлении процессами в организме человека принимают участие не только собственные, генерируемые самим организмом, белки, но и белки, генерируемые микробиотой — бактериями, обитающими в кишечнике. Более того, оказалось, что их влияние на организм может превосходить влияние собственных белков, ведь геном человека состоит из 22 тысяч генов, кодирующих белки для обслуживания нашего метаболизма, тогда как микробиом привносит, по разным оценкам, в 150–360 раз большее количество уникальных кодирующих генов, чем собственно человеческих.

В связи с этим ученым представляется обоснованным, что иммунологический и метаболический потенциал микробиоты кишечника может иметь непосредственное отношение в том числе и к модулированию резистентности миокарда к ишемическому реперфузионному повреждению. Исследователи предполагают, что симбиотические (сосуществующие в организме человека с его собственными органами и тканями) микроорганизмы, на основе которых разрабатываются пробиотические препараты, существенно влияют на течение нормальных физиологических процессов и играют важную роль при патологических состояниях, в особенности воспалительной природы.

Доктор медицинских наук, член-корреспондент РАН, директор ИЭМ НМИЦ им. В. А. Алмазова Михаил Галагудза

НМИЦ им. В. А. Алмазова

Уменьшение зоны некроза

Под руководством доктора медицинских наук, члена-корреспондента РАН, директора ИЭМ НМИЦ им. В. А. Алмазова Михаила Галагудзы ученые института установили возможность уменьшения размеров зоны некроза миокарда при моделировании инфаркта в остром эксперименте у крыс на фоне синдрома системного воспалительного ответа за счет лечебно-профилактического введения в рацион смеси бифидо- и лактобактерий. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журналах Microorganisms, «Медицинская иммунология», «Бюллетень экспериментальной биологии и медицины», в «Российском физиологическом журнале им. И. М. Сеченова».

«Эволюционно адаптированные пробиотические микробы жизненно заинтересованы в сохранении взаимовыгодных отношений с хозяином. Мы предполагаем, что бактерии защищают клетки сердца от токсического повреждения и последствий кислородного голодания через тонкую регуляцию про- и противовоспалительных сигнальных молекул», — пояснил Михаил Галагудза.

Для определения кардиопротективных возможностей пробиотических микроорганизмов ученые разработали оригинальную экспериментальную модель полиморбидности (полиморбидность — это наличие нескольких хронических заболеваний у одного индивида) на мелких грызунах, включающая первичное висцеральное (речь идет не о подкожной жировой прослойке, а о жире, который накапливается в органах и тканях) ожирение, воспалительное заболевание толстой кишки и антибиотико-индуцированный дисбиоз. Этот букет патологий, широко распространенный в клинике, у экспериментальных животных характеризовался существенным увеличением показателей ряда провоспалительных цитокинов. А затем у подопытных животных смоделировали инфаркт миокарда. За несколько дней до моделирования инфаркта миокарда и антибиотико-индуцированного дисбиоза в остром эксперименте и далее в течение восьми дней разным группам крыс с первичным висцеральным ожирением внутрижелудочно вводили различные пробиотические штаммы и смеси штаммов.

Наблюдения показали, что введение смеси Lactobacillus acidophilus и Bifidobacterium animalis, в отличие от других пробиотиков, на 10% уменьшило размеры повреждений сердечной мышцы, вызванных инфарктом. Это улучшение в состоянии здоровья сердца животных сопровождалось снижением концентрации провоспалительных цитокинов и улучшением общего состояния организма, в том числе пищеварительной системы.

Как предполагают ученые, в основе механизма кардиопротекции лежит способность симбиотических микроорганизмов синтезировать блокаторы некоторых провоспалительных цитокинов, рецепторов к ним либо модулировать экспрессию их генов.

Заведующий научно-исследовательским отделом токсикологии ИЭМ НМИЦ им. В. А. Алмазова Юрий Борщев

НМИЦ им. В. А. Алмазова

Избавить человечество от ожирения

О том, как сформировалось это направление научного поиска, о дальнейшем развитии исследований и возможных прикладных результатах в интервью «Стимулу» рассказал инициатор исследования Юрий Борщев, заведующий научно-исследовательским отделом токсикологии ИЭМ НМИЦ им. В. А. Алмазова.

— Юрий Юрьевич, если микробиом может дать кодирующих белки генов в 150‒360 раз больше, чем собственный геном человека, это значит, что мы можем получить дополнительные рычаги для управления организмом, причем очень и очень много?

— Да. Потенциальные возможности микробиоты (микробиом — генетический набор микробиоты, а микробиота — это видовой состав микробиома) человека в плане продукции белков огромны! А белки — это основа и защита организма, его питания, строительства компонентов тела — основной строительный компонент организма. Возможности микробиоты в сотни раз выше по разнообразию, по скорости, по возможностям, чем у самого организма. Поэтому микробиота может управлять процессами организма, от строительства клеток и защиты до обеспечения его ресурсами.

— Как сопоставить собственные возможности организма с возможностями населяющих его бактерий?

— Есть различные методы оценки, но абсолютно точно, что возможности микробиоты значительно превышают возможности организма человека в вопросах синтеза новых соединений как основы иммунного ответа, как основы регуляторных механизмов. Поэтому не оценивать вклад микробиоты просто недопустимо.

— Почему именно сейчас наступило время изучения симбиоза и совместного влияния генома и микробиома на те или иные процессы в организме?

— До тех пор пока животные и человек не были ограничены условиями урбанизации, экологии, на это мало обращали внимание. Система взаимодействия человека с окружающей средой была практически открыта. В наше время глобализации и универсализации в производстве продуктов питания, лекарственных препаратов широкого применения и разнообразие микробиоты и сам генетический набор микробиома стали сокращаться. И это становится глобальной проблемой.

— А когда наступил этот поворотный момент?

— Со времен, наверное, Флеминга (Александр Флеминг — британский микробиолог, выделил пенициллин из плесневых грибов Penicillium notatum, создав первый антибиотик. — «Стимул»), с 1930‒1940-х годов, когда были изобретены и начали применяться антибиотики, человечество перешло в наступление на микробиоту. И если сейчас люди по показаниям или по собственному желанию принимают антибиотики сравнительно умеренно, то в сельскохозяйственном производстве, в животноводстве антибиотики используются в промышленных масштабах. Они циркулируют в воздухе, в воде, попадают в почву и дальше по всем пищевым цепям. С момента изобретения антибиотиков и введения их в нашу повседневную жизнь микробиота подвергается явственной угрозе исчезновения.

— Почему заняться этой угрозой удалось только сейчас?

— В 1950‒1960-е годы пошли первые сигналы, ученые стали обращать внимание на развитие метаболического синдрома, на ожирение. В 1960-е годы отечественный ученый академик Александр Михайлович Уголев (трижды номинировался на Нобелевскую премию за открытие мембранного пищеварения. — «Стимул») разработал теорию адекватного питания. До этого во всем мире главенствовала теория сбалансированного питания, предполагающая, что надо обеспечить организм сбалансированным набором белков, жиров и углеводов. А обратили внимание на то, что необходимо учитывать балластные компоненты, еще во времена Мечникова, в начале двадцатого века, но научное теоретическое обоснование теории адекватного питания дал Уголев.

— Это были пионерские работы?

— Это были теоретические предположения. Собственно, работы с микробиотой начались в 1980-е годы, их вел Борис Аркадьевич Шендеров. Его работы были исторически первыми, а потом пошла взрывная волна этого направления.

— Как удалось доказать, что метаболический синдром и ожирение — это результат наступления на микробиоту?

— Метаболический синдром и ожирение связаны с сокращением разнообразия микробиоты. В настоящее время, если не углубляться в механизмы, сокращение разнообразия микробиоты практически всегда приводит к ожирению, появлению метаболического синдрома и дальнейших заболеваний — сахарного диабета, кардиологических угроз. Это звенья одной цепи! Научившись спасать людей от инфекций с помощью антибиотиков, мы устранили быструю угрозу, заменив ее медленной, начался рост нарушений и заболеваний, связанных с нарушением обмена веществ.

— Как возникла идея эксперимента с крысами для проверки кардиопротективного действия пробиотиков?

— Идея лежала на поверхности. Инфаркт миокарда впервые был описан в конце девятнадцатого века как случайная находка при вскрытии, а уже в конце двадцатого и в начале двадцать первого века это первая причина смертности в мире, самая грозная, к ней приближается онкология.

Я начинал научную деятельность в лаборатории физиологии питания. Это лаборатория академика Уголева в Институте физиологии имени Павлова. Наш междисциплинарный проект возник после знакомства с Михаилом Михайловичем Галагудзой, членом-корреспондентом РАН, одним из крупнейших специалистов в области исследований по защите миокарда от ишемического и перфузионного повреждения миокарда. Мы вместе взялись за экспериментальное изучение повышения резервных возможностей и сопротивляемости миокарда к повреждениям и к инфаркту. У меня была гипотеза, а Михаил Михайлович предложил готовые наработки для ее проверки. Это было в 2014 году.

— Как изначально формулировалась гипотеза и как она видоизменилась в процессе ее доведения до экспериментальной фазы?

— Первоначально мы хотели проверить влияние антибиотиков, широко применяемых в клинической практике, в частности в онкологии при химиотерапевтических исследованиях, и определить их патогенетический потенциал при повреждении миокарда. Дальше возникло желание проверить возможность восстановления микробиоты, поврежденной в результате антибиотико-обусловленного дисбиоза, и влияние пробиотиков на улучшение сниженной резистентности миокарда. К этому подтолкнула работа под руководством члена-корреспондента РАН Александра Николаевича Суворова, лидера по разработке пробиотических штаммов.

— На свой первый вопрос вы нашли ответы? Удалось выяснить, какой вред миокарду приносит применение антибиотиков?

— Да. На первом этапе мы провели скрининговое исследование влияния различных препаратов на устойчивость миокарда. Действительно, ряд антибиотиков значительно ухудшают возможности миокарда, а другие оказались безвредны. Но некоторые из исследованных препаратов при нормальных условиях даже способствовали улучшению его функциональных параметров. Вероятно, это происходило за счет уничтожения патогенных микроорганизмов и снижения токсического воздействия на организм в целом.

— Можете привести пример? О каких рядах антибиотиков речь?

— Об антибиотиках тетрациклинового ряда, которые широко применяются в животноводстве, в сельском хозяйстве. Они в здоровом организме вызывали даже повышение резервных возможностей миокарда, но при моделировании воспалительного синдрома, а это и есть суть нашего исследования, к сожалению, мы наблюдали отмену кардиотропного позитивного влияния антибиотиков тетрациклинового ряда.

— Что вы исследовали дальше?

— Следующим этапом было изучение гармонизирующего воздействия пробиотических препаратов на модели системного воспалительного ответа. Мы индуцировали у подопытных животных воспалительное заболевание кишечника и его, в соответствие с клиническими подходами, лечили антимикробными препаратами. И получилось, что именно при моделировании и глобальной ишемии, и локальной ишемии инфаркт у пролеченных пробиотическими препаратами животных был значительно меньше, чем у нелеченных, чем мы и показали терапевтический потенциал пробиотических препаратов при возникновении таких кардиологических катастроф.

— Сначала крысам давали пробиотики, а потом моделировали инфаркт?

— Да. Мы моделировали общий системный воспалительный ответ через заболевания кишечника, в дальнейшем применяли разработанные Михаилом Михайловичем Галагудзой методики. Это моделирование на животных либо глобальной ишемии, когда лишалось доступа питательных веществ и кислорода все сердце, либо региональной ишемии, когда перевязывалась левая коронарная артерия и происходило восстановление кровотока. После окрашивания срезов миокарда было показано, что у животных, пролеченных пробиотиками, размер инфаркта был существенно меньше чем у нелеченых. Разница составила десять процентов. Это значимое достоверное улучшение. И может дать улучшение прогнозов, а при применении на людях — снижение инвалидизации.

Конечно, если чуть забежать вперед и говорить о людях, реакции организма всегда сугубо индивидуальны. Если у организма потенциал регенерации тканей высокий, прогноз вполне благоприятный, а у людей с низким потенциалом регенерации при меньшем повреждении может быть негативный исход. Но сама цифра в десять процентов уже однозначно показывает эффективность этого подхода. Десять процентов резервных возможностей сердца — это достаточно много. Необходимы доклинические и клинические испытания метода.

— Часто бывает, что люди переносят микроинфаркты и могут этого не заметить.

— Здесь пробиотики из профилактических превращаются в лечебно-профилактические средства, что однозначно встраивается в положения о здоровом образе жизни, о здоровом питании. Регулярное обогащение внутренней среды эффективными пробиотическими симбиотическими препаратами способствует самовосстановлению, регенерации за счет сокращения последствий возможных повреждений.

— Как вы планируете продолжать исследования?

— В рамках эксперимента мы моделировали системное воспаление, что включало в себя не только химически индуцированное воспаление толстой кишки, но еще и ожирение. За месяц до основного эксперимента по моделированию инфаркта мы переводили животных на высокожировую высокоуглеводную диету, что уже через месяц приводило к висцеральному ожирению — к повышению запасов жира в тканях в органах организма. А это уже само по себе является источником подострого воспаления. Мы все при высококалорийной диете находимся в состоянии подострого стресса, и при наслоении на этот подострый стресс еще и острого стресса возникает разрегулирование выброса провоспалительных цитокинов. В результате наших исследований мы получили ответ, что уровень ряда провоспалительных цитокинов, таких как фактор некроза опухоли интерлейкин первый, а также второй, шестой, за счет введения в пищеварительный тракт пробиотиков снизился. И наша научная гипотеза, которая дальше разрабатывается, преследует цель выяснить молекулярные механизмы воздействия микробиоты на организм. Мы хотим найти те соединения, которые блокируют провоспалительные цитокины, снижают масштабы повреждения организма и повышают скорость регенерации тканей.

Сейчас наша очередная заявка получила одобрение в виде гранта РНФ на следующие три года. Мы хотим определить основные молекулярные механизмы взаимодействия между микробиотой и, в конечном счете, потенциалом миокарда. Это фундаментальные исследования.

— Надеетесь ли вы научиться управлять метаболическим синдромом и избавить человечество от ожирения?

— Да. Через регуляцию противовоспаления можно влиять на обмен веществ в целом. И одним из направлений в развитии терапевтических возможностей пробиотиков является управление метаболизмом, метаболическим синдромом.

Очень важно понять, что организм и его микробиота — это единое целое. Комплекс микробиоты и макроорганизма называется суперорганизм. Нельзя рассматривать в реальных условиях функции микробиоты и макроорганизма как две раздельные составляющие. Это неразрывный комплекс метаболических возможностей, реакций и взаимодействий.

— После завершения фундаментального этапа исследований займетесь прикладными разработками?

— Да. Фундаментальные исследования необходимы, чтобы исключить какой-то случайный выбор пробиотических препаратов. Четкое понимание механизмов действия пробиотиков в организме человека облегчит дальнейший путь для практиков, для бизнеса, для фармакологии.

Сейчас у йогуртов и других продуктов с пробиотическими штаммами из торговой сети не доказаны профилактические свойства. Поэтому зачастую в сетях продаются не полезные продукты, а коммерчески удобные, продаваемые, с длительным сроком годности, с удобными товарными свойствами. Еще одна проблема — у нас достаточно слабо развито производство стартерных заквасок, которые используются в конечном производстве пищевой промышленности. Как правило, закваски используются импортные, рассчитанные на массового потребителя, и в их основе  лежат органолептические характеристики, но не лечебно-профилактические.

Поняв молекулярные механизмы действия пробиотиков, можно будет проверять продукты по значимости их лечебно-профилактического эффекта и создавать продукты функционального питания с доказанными лечебно-профилактическими свойствами.