Мужчина, 27 лет, с миелодиспластическим синдромом, перенес аллогенную пересадку костного мозга от своей матери. Операция вызвала ряд осложнений, в течение периода лечения пациент находился в состоянии подавленного иммунитета. И вдруг, на 56 день от пересадки у него появились симптомы ботулизма! А именно затуманенность зрения, двусторонний птоз (опущение век), нарушения речи, глотания, и в итоге дыхания, что послужило основанием для перевода на искусственную вентиляцию легких. Что очень важно – вся пища, которую он употреблял в госпитале, проходила особую обработку, а другой пищи он не получал. На 78 день: в стуле пациента биопробой на мышах был подтверждено наличие нейротоксина А ботулизма, рост бактерии Clostridium botulinum на питательной среде, и методом ПЦР в образце стула пациента были обнаружены гены нейротоксинов А и В ботулизма. Назначили введение комбинированного ботулинического антитоксина. Перед этим был взят образец стула для определения состава микробиома кишечника (16S-секвенирование), и в нем впоследствии обнаружился не только дисбиоз (нарушение состава), но и возбудитель болезни Clostridium botulinum.

К сожалению, история закончилась драматически, но она же послужила основой для пересмотра взглядов на путь заражения ботулизмом. Особенно у «сложных» больных, с набором факторов, снижающих иммунитет, повреждением выстилки кишечника. То есть, по сути, миллионы микроорганизмов у нас в кишечнике защищают нас от отдельных опасных бактерий, которые, как «бомба с часовых механизмом», ждут подходящего времени проявить свой агрессивный характер.

Новые тропы открывает лишь тот, кто готов заблудиться.

Глава 1
О микробах

1.1. Микробы внутри нас, кто они?

Долгие годы, от возникновения первой микроскопии и опытов Антони ван Левенгука, когда он смог рассмотреть миниатюрные одноклеточные организмы (1676 год), человечество расценивало микробов, как то, что мы видим. Микробиологи засевали специальные питательные среды материалом из раны, наружной среды, кровью и ждали, когда появятся колонии бактерий. На этом строилась вся методология бактериологии, так открывались новые питательные среды, условия культивирования микроорганизмов. До конца XX века была эра именно «культуральной микробиологии».

Однако, что интересно: значительное, а часто и подавляющее количество микробов является сложно культивируемыми или вовсе не хотят расти на питательных средах вне организма человека. Это даже не считая строгих анаэробов, микробов, которые очень требовательны к отсутствию кислорода в зоне обитания. Но что же двигает биологические науки вперед? Новые методы определения, новые физико-химические технологии, новая аппаратура и прорывы в биоинформатике. Именно это позволило быстро выявлять микробы в образце, не ожидая их роста на чашке Петри с питательной средой.

Сначала это был метод полимеразной цепной реакции (ПЦР), который определял генетический материал конкретной бактерии в образце. А затем появилось секвенирование, а именно метод секвенирования нового поколения, с помощью которого мы можем быстро определить гены всей совокупности микробов в образце, и даже оценить их плотность в образце, то есть сказать, каких микробов больше, и выразить это в процентном соотношении.

Как только начали применять метод секвенирования для анализа микробных сообществ в теле человека, оказалось, что значительное количество микробов, например в кишечнике, никогда до этого не изучалось, их функция, свойства и название остаются неизвестными. Тот есть внутри нас – много неизведанных микроорганизмов, так называемая «темная материя^[1] микробиологии», изучить которую еще предстоит.

Рис. 2. Адаптировано из Grall N, et al. EMC Biologie, 2017

Если упростить, то около 40 % представителей микробиома обитает в желудочно-кишечном тракте, 20 % – в полости рта, 18–20 % – на кожных покровах, 15–16 % в ротоглотке и 2–4 % в урогенитальном тракте у мужчин; у женщин же на вагинальный биотоп приходится в районе 10 % представителей всех микробов организма.

Микробиом кишечника человека состоит из приблизительно 100 триллионов бактерий, принадлежащих нескольким сотням различных видов. Микробиом включает четыре основных типа бактерий, охватывающих более 90 % общей популяции микроорганизмов, а именно Firmicutes, Bacteroidetes, Actinobacteria, Proteobacteria, а также ряд более редких типов (Verrucomicrobia и Fusobacteria). Общая плотность бактерий больше в толстой кишке, чем в тонком кишечнике.

1.2. Зачем мы нужны микробам?

Наши тела являются планетами для жизни наших микробов. Очевидно, что им выгодно поддерживать в нас жизнь – взамен они получают стабильную среду обитания, с устойчивой температурой, влажностью, уровнем pH и прочим показателями, к которым они привыкли. Организм человека формирует комфортный климат для проживания микроорганизмов. Более того, пища, которую мы употребляем, является пищей не только для нас, но и для наших бактерий. Вплоть до того, что по составу микробиома кишечника можно с высокой долей вероятности предположить, какая диета преобладает у человека, любит ли он сладкое и так далее.

1.3. Зачем микробы нужны нам?

Функции, которые выполняют микробы, разнообразны. Современный человек не смог бы выжить в безмикробном мире.

В рамках проекта изучения микробиома человека в США был проведен одновременный анализ состава и биохимической активности микробиома у многих людей. То есть определяли функции бактерий в разных участках тела человека (верхние и нижние дыхательные пути, верхние и нижние отделы ЖКТ, половые органы). Что же выяснили? Несмотря на различный видовой состав микробиома человека в различных локализациях, метаболические пути бактерий остаются практически неизменными. Это в очередной раз подчеркивает значимость микробиома для биохимических и физиологических функций человека.

Рис. 3

Если проще, то целый ряд функций, которые выполняют в теле человека микробы, мы самостоятельно выполнить не можем, а функции эти являются жизненно важными. Например, биосинтез витаминов и кофакторов, участие в метаболизме углеводов, транспорт олигосахаридов, многоатомных спиртов, фосфатов и аминокислот, синтез АТФ, метаболизм пуриновых и пиримидиновых оснований (необходимых для ДНК) и многое другое. А еще микробы по сути выступают тренерами нашей иммунной системы, о чем мы поговорим далее.

1.4. Как ученые изучают мир микробов?

В 1632 году в городе Делфт (Голландия) родился человек, любопытство которого дало начало микробиологии – Антони ван Левенгук. Его интерес к созданию и усовершенствованию увеличительных линз позволил впервые увидеть микроскопических существ – микробов. Из любопытства он, сделав соскоб налета со своих зубов, смешал его с чистой дождевой водой и рассмотрел под микроскопом. И увидел массу миниатюрных существ, которых он назвал «анималькулюс» («зверушка» по латыни)!

В течение столетий после Левенгука ученые научились разным методам окраски и фиксирования бактерий на предметных стеклах (чтобы они были лучше видны под микроскопом), описали внешний вид сотен микробов, и до сих пор микроскопия с окраской, например по Граму^[2], применяется как один из простых, доступных и быстрых методов диагностики инфекций у человека.

Но чтобы рассматривать бактерии в микроскоп, их нужно сначала получить. Это может быть нативный (естественный) материал, как зубной налет, который использовал Левенгук. Но чаще, особенно в медицине, количество бактерий в нативном материале не столь велико, чтобы сразу обнаружить их под микроскопом. И тогда на помощь приходят культуральные методы – выращивание колоний бактерий на питательных средах (культурах). Сначала были среды на основе агар-агара (экстракта водорослей), которые были предложены в 1882 году немецким бактериологом Вальтером Гессе. Но, как мы знаем, у каждой бактерии свои биохимические свойства и свои «вкусы» в отношении питательным сред. Кому-то нужно больше сахара, кому-то больше белка, некоторые предпочитают наличие крови в питательной среде. Со временем были разработаны и появились в продаже десятки разных питательных сред для выращивания разных бактерий. Кстати, даже ваш мобильный телефон может быть успешной питательной средой, например, для микроскопических грибов (Рис 4.).

Рис. 4. Смартфоны как питательная среда в микробиологии

Многие десятилетия всего этого хватало, чтобы изучать бактерии, описывать их свойства.

Позже произошла революция в молекулярной биологии, и появились новые методы исследования. Сначала – полимеразная цепная реакция, а затем секвенирование ДНК и РНК. Эти методы определяют генетические последовательности в образцах и могут выявить не только геном человека, но и гены бактерий, грибов, вирусов. Оказалось, что подавляющее большинство микробов нам не знакомо, мы лишь обнаружили их генетических материал, а до этого мы их не могли высевать на питательных средах. Почему так? Дело в том, что часть бактерий, особенно в кишечнике, не переносит наличие кислорода, часть настолько требовательна к условиям окружающей среды, что не хочет расти в условиях лабораторий. Некоторые бактерии для успешного роста требуют наличия рядом других бактерий, то есть проявляют характер коллективистов и не готовы жить и расти отдельно от друзей и близких. И именно, эта неизведанная часть микробиологии сейчас будоражит умы лучших ученых мира (Рис. 5). Ведь именно здесь может быть ключ к здоровью и долголетию, именно здесь могут быть скрыты новые лекарства, нужные людям!

Рис. 5. Обозримая нижняя часть картины – это пропорция микроорганизмов в кишечнике, которые мы можем выявить классическим культуральным методом (посевом)

Сегодня молекулярная генетика, а именно метод секвенирования нового поколения приоткрыл завесу тайны о неизвестных науке микробах. Более того, этот метод, согласно закону Гордона Мура, будет становиться все эффективнее и доступнее. Снижение стоимости секвенирования происходит уже сейчас, и очень скоро мы увидим, как этот метод станет рутинным в организациях здравоохранения. Как и все современные методы диагностики, он должен пройти этот путь: из научных лабораторий в клинические лаборатории больниц. А о законе Гордона Мура мы более подробно поговорим в одной из завершающих глав этой книги.

Рис. 6. Все многообразие микроорганизмов, проживающих в кишечнике у человека, определяемое с помощью молекулярно-генетических методов. Картина «Карнавал Арлекина», Жоан Миро, 1925 год.

1.5. Как рисуют «живые картины» (чашки Петри)

Тот, кто когда-нибудь видел, как выглядят колонии микробов на чашках Петри, обратил внимание, что нередко эти микробы при росте формируют узоры, подобные тому, как двигалась рука бактериолога при «засевании» чашки специальной петлей.

Ученые, как люди творческие, начали рисовать на чашках Петри узоры, а потом и «живые картины» из микробов. Это требует не только знания характеристик микробов, их условий культивирования и питательных сред, но и творческого подхода и даже точности движения кисти. Термин, которым стали называть это направление, – агаровое искусство или агар-арт.

Более того, ряд профессиональных сообществ учредили конкурсы среди ученых, как молодых, так и состоявшихся, в области этого оригинального направления, на стыке науки и искусства. Это конкурсы Американского общества микробиологов, конкурс «Красота микромира» (Россия) и другие. Лучшие работы российских микробиологов вы сможете увидеть, набрав в интернете название конкурса «Красота микромира», а мы представим то, что изобразили микробами на чашке Петри совсем не профессионалы, а всего лишь студенты второго курса Гомельского медицинского университета на занятиях по микробиологии (Рис. 7).

Рис. 7. Результаты посева микробов на чашку Петри студентом 2-ого курса (2025 год, Гомельский государственный медицинский университет)