Газета «Новости медицины и фармации» 11-12 (371-372) 2011

Микроорганизмы с момента своего возникновения не совершали предосудительных поступков. Бактерии размножаются делением, а вирусы реплицируются, используя ферментный аппарат клетки хозяина; скорость размножения микроорганизмов велика и составляет в среднем 15–30 минут. И важно то, что этот процесс не имеет ограничений во времени и пространстве, являясь, по сути, бесконечным, а микроорганизмы, следовательно, — бессмертными.

Эти факты не оставляют сомнения в том, что зарождение и поддержание жизни осуществляются не только совместной и слаженной работой генома человека, но и геномами всех микроорганизмов, населяющих человека, и в этом тандеме, по-видимому, человеческий геном не является определяющим.

Тем не менее, даже признавая тот факт, что плотского в человеке меньше, чем микробного, что без микроорганизмов человеческая жизнь невозможна, человек рассматривает микробный мир, населяющий и окружающий его, как мало что значащий или даже враждебный.

Вместе с тем сегодня очевидно, что возникновение жизни и последующая эволюция человека были бы невозможны без бактерий и вирусов. Но исходя из законов биологии, признавая этот факт, следует согласиться и с тем, что, раз возникнув, этот процесс не может остановиться, а значит, влияние вирусов и бактерий на человека происходит постоянно.

В существующей практике взаимодействие организма человека с микроорганизмами означает инфекционный процесс. Правда, в нашем контексте термин «инфекционный» означает обыденность и естественность бытия человеческого организма с микроорганизмами, которое не несет в себе угрозы для жизни человека до определенных пор, но это уже другая история.

Здесь же рассмотрим возможность «мирной» регуляции этого взаимодействия на различных уровнях — геномном, клеточном, организменном и других.

Геномный уровень регуляции

Под геномом понимают всю совокупность последовательностей ДНК, представленных в хромосомах ядер клеток человека. Основная его функция заключается в обеспечении жизнедеятельности клеток, тканей, органов и способности передавать информацию о наследственных свойствах организма (структурных и функциональных) следующему поколению. Помимо ядра, генетическая информация, необходимая для функционирования организма, присутствует также в органеллах клетки, образуя митохондриальный геном, в котором молекулы ДНК расположены в хромосомах [43, 68, 80–82].

В 1988 г. по инициативе ученых США (У. Гилберт, Дж. Уотсон и др.) была создана международная организация «Геном человека», ставящая целью координацию работ по определению полной нуклеотидной последовательности всей ДНК человека [76].

Огромная работа, проводимая одновременно в двух десятках стран мира, включая США, Россию, Англию, Францию, Германию, Японию, Китай, была осуществлена за срок чуть более 10 лет.

Полученные результаты удивили исследователей. Оказалось, что человеческий геном содержит значительно меньшее число генов, нежели ожидалось в начале проекта, и только для 1,5 % всего геномного материала удалось выяснить его функцию. Помимо расшифрованной части генома, существует большая, не расшифрованная часть генома, называемая теневой, или «мусорной» [43, 61, 80–82].

При ее изучении выявились самые большие неожиданности. Оказалось, что основную часть теневой части генома составляют ретроэлементы (ретротранспозируемые элементы генома), что не может быть ни случайностью, ни рудиментом генетических структур прошлого [41–43]. На заре становления жизни первой молекулой, способной к репликации, был полимер РНК. Выживаемость эндогенных ретроэлементов осуществлялась за счет способности постепенного наращивания генома вида-хозяина путем образования новых собственных копий, его усложнения путем образования новых экзонов (часть гена, образующая зрелую информационную РНК) из интронов (часть гена, которая не кодирует белок) и/или увеличения количества генов, подвергающихся альтернативному сплайсингу (соединение экзонов в разных комбинациях с образованием зрелых мРНК). Ретроэлементы придают виду способность к многовариантности эволюционных ответов на изменения окружающей среды. Кроме того, благодаря избыточности создаваемого эндогенными ретроэлементами генетического материала под давлением естественного отбора происходит усложнение вида (анагенез) и/или его расщепление на дочерние виды (кладогенез). Исходные виды, ставшие в изменившихся условиях среды неадаптивными, вымирают [41, 42].

Так, в результате эволюции и «разрастания» ДНК-генома клеток за счет ретроэлементов появились ретровирусы. О том, что этот процесс носит эволюционный характер, растянутый во времени, свидетельствует и тот факт, что эндогенизация отдельных ретровирусов имела место и после формирования вида Homo sapiens, что, по мнению С. Оппенгеймера (2004), произошло приблизительно 179 тыс. лет назад.

Роль экзогенных ретровирусов в эволюции жизни заключается в следующем: 1) осуществлении генетического обмена между видами; 2) наращивании и усложнении генома той части инфицированного вида, у которой оказалась возможной их эндогенизация; 3) терминации существования неспособных к эволюции видов. К последним относится вид или какая-то его часть, у которой эндогенизация экзогенных ретровирусов не произошла [41, 42]. Экзогенные ретровирусы широко представлены в природе и пронизывают жизнь многих существующих на Земле видов — от дрожжей и дрозофил до приматов и человека. Это вирусы, которые, как и другие вирусы, для собственного размножения используют сложную молекулярную и надмолекулярную систему жизнеобеспечения клетки, заставляя ее подчиняться своим законам. Но в то же время это и необычные вирусы, поскольку они подстраивают свой жизненный цикл под жизненный цикл клетки-хозяина, превращая свою генетическую молекулу РНК в ДНК клетки хозяина, закономерно встраиваясь в хозяйскую ДНК.

Экзогенные и эндогенные ретровирусы постоянно взаимодействуют между собой, а эукариотические виды существуют, эволюционируют и исчезают в тесном ретровирусном окружении. По мнению М.В. Супотницкого (2007), пандемии ретровирусных инфекций можно сопоставить со слоеным пирогом, верхний слой которого составляют ретровирусы, активно размножающиеся в цитоплазме клеток хозяина (в настоящее время примером этого может быть семейство ВИЧ), а нижний слой представлен репликационно-активными формами эндогенных ретровирусов (семейство HERV-K-К113). «Слои» этого «пирога» «переложены» экзонами и интронами генов, ретротранспозируемыми и регуляторными элементами, псевдогенами и другими последовательностями генома хозяина. Объективно получается, что место человека в природе, особенно в сравнении с тем, которое занимают там ретровирусы, невелико.

Все эти данные свидетельствуют о том, что геномная регуляция с участием ретровирусов играет основную роль как в эволюции человека, так и, по-видимому, в повседневной жизни.

Все вышеизложенное касается ретровирусов. Однако их существование в природе (распространенность, пути передачи, механизмы поражения человека и т.д.) принципиально мало чем отличается от поведения других микроорганизмов с внутриклеточным механизмом существования в организме человека. А это значит, что и они могут оказывать регулирующее влияние на геном человека, но об этом на сегодняшний день науке почти ничего не известно.

Клеточный уровень регуляции

Известно, что во многих клетках человеческого организма (эпителиальных, нервных, форменных элементах крови и др.) локализуются некоторые микроорганизмы, попавшие туда в результате интранатального, антенатального или постнатального инфицирования плода. Эти микроорганизмы принадлежат к разным классам, имеют разный механизм проникновения в клетки, а при развитии заболевания, вызванного ими, клиническая картина значительно отличается. Сегодня нам известно относительно небольшое количество микроорганизмов, находящихся внутриклеточно, причем большинство из них, прежде всего вирусов, не идентифицировано [10, 18, 30, 48, 75].

Среди изученных внутриклеточных микроорганизмов выделяют вирусы герпеса, краснухи, ВИЧ, инфекционных гепатитов; бактерии сифилиса, листериоза, туберкулеза, ЗППП; простейшие — токсоплазмоз; грибы.

Эти возбудители во многом различаются между собой, но вместе с тем имеют и много общих черт, к которым относятся:

— сходство эпидемиологических особенностей. В большинстве случаев источником внутриклеточной инфекции является мать, хотя могут быть и ятрогенные причины инфицирования — проведение медицинских манипуляций, переливание крови, трансплантация органов [13, 76, 77];

— единые пути проникновения. Основным путем попадания инфекции является трансплацентарный (гематогенный), которым чаще передаются вирусные ВУИ и токсоплазмоз. Возможен и восходящий путь — когда инфекция из половых путей попадает в полость матки или когда возбудитель из маточных труб проникает в полость матки с последующим инфицированием плода. Им преимущественно передаются такие возбудители, как ЗППП, хламидии, грибы, микоплазмы, энтерококки. При контактном (интранатальном) пути заражение происходит во время прохождения плода через родовые пути. Этим путем передаются вирусные гепатиты В, С, D, ВИЧ и др.;

— сходство клинической симптоматики. К общим клиническим признакам, присущим ВУИ, относятся следующие: задержка внутриутробного развития, гепатоспленомегалия, малые аномалии развития (стигмы диз­эмбриогенеза), ранняя или пролонгированная интенсивная желтуха, сыпи различного характера, синдром дыхательных расстройств, сердечно-сосудистые расстройства, тяжелые неврологические нарушения, лихорадочные состояния, возникшие в первые сутки жизни [14];

— невозможность для организма самостоятельно элиминировать возбудителя, что определяет его пожизненное носительство;

— развитие персистирующего течения;

— возрастная слабость иммунитета, из-за чего инфекция развивается медленно. В результате внутриутробного действия микроорганизмов и их токсинов на плод происходит нарушение процессов плацентации и обмена [14, 38];

— зависимость проявления инфекции от сроков инфицирования плода. Так, при заражении в первые 2 недели после зачатия развивается бластопатия, которая чаще заканчивается спонтанным абортом на очень раннем сроке беременности; если плод инфицировался в сроки со 2-й по 10-ю неделю беременности, это приводит к развитию истинных пороков развития, возникающих вследствие поражений на клеточном уровне; если заражение произошло с 10-й по 28-ю неделю беременности, это ведет к возникновению ранних фетопатий. На внедрение инфекции плод может ответить и развитием генерализованной воспалительной реакции, при которой наиболее ярко выражены 1-я и 3-я фаза воспаления, характеризующиеся альтерацией, пролиферацией и фиброзом, вследствие чего у плода формируются множественные пороки развития, например фиброэластоз; и наконец, если инфицирование произошло в сроки с 28-й по 40-ю неделю беременности, это ведет к развитию поздних фетопатий, когда в ответ на внедрение возбудителя плод уже может ответить развитием полноценной воспалительной реакции, чаще всего со стороны нескольких органов, тогда как при инфицировании плода во время родов чаще возникает воспаление одного органа (пневмония, гепатит).

Следовательно, внутриутробное инфицирование плода нередко сопровождается развитием тератогенного эффекта, генерализацией процесса, персистентным, длительным течением, высокой частотой смешанной, сочетанной патологии, малой специфичностью клиники;

— единые факторы риска развития инфекции. К ним относят отягощенный акушерско-гинекологический анамнез, патологическое течение беременности, заболевания мочеполовой системы или инфекционные заболевания любых других органов и систем, которые возникают во время беременности, иммунодефициты, в том числе СПИД, повторные гемотрансфузии, состояние после трансплантации.

Эти данные убедительно свидетельствуют, что микроорганизмы с внутриклеточным характером существования обладают всеми чертами, присущими возбудителям инфекционных болезней. Они имеют тропность, пути передачи, инкубационный период, вызывают развитие общеинтоксикационного синдрома, местного воспалительного процесса и образование антител, могут не только вызывать заболевание, но и приводить к гибели, что, к сожалению, имеет место. Принципиальное отличие их от внеклеточных микроорганизмов заключается в том, что они обладают уникальной способностью ускользать от действия иммунной системы, в результате чего эрадикация их невозможна. То есть они относятся к таким представителям микроорганизмов, которые вызывают нециклический инфекционный процесс, заканчивающийся только клиническим выздоровлением, а биологическое выздоровление не наступает, так как организм не в состоянии освободиться от возбудителя.

Организменный уровень регуляции

Огромное количество населяющих организм человека микробов распределено неравномерно. Выделяют несколько биотопов (мест жизни и наибольшего скопления бактерий).

Наиболее заселенным биотопом является желудочно-кишечный тракт, особенно толстая кишка, на долю которой приходится до 60 % всей микрофлоры, 15–16 % находится в верхних дыхательных путях, 15–20 % микробов заселяют кожные покровы, в вагинальном биотопе у женщин содержится 9–10 % микроорганизмов [5, 50, 55, 56].

Все эти микроорганизмы (огромная масса!) существуют не сами по себе, а находятся в тесной взаимосвязи как между собой, так и с макроорганизмом. Эти взаимосвязи включают в себя, по сути, все реакции, обеспечивающие жизнедеятельность человека.

Наиболее значимыми из установленных на сегодняшний день локальных и системных функций микробиоты в организме человека являются трофические и энергетические функции для теплового обеспечения организма, энергообеспечение эпителия, регулирование перистальтики кишечника, участие в регуляции, дифференцировке и регенерации тканей, в первую очередь эпителиальных, поддержание ионного гомеостаза организма, детоксикация и выведение эндо- и экзогенных ядовитых соединений, разрушение мутагенов, активация лекарственных соединений, образование сигнальных молекул, в том числе нейротрансмиттеров, стимуляция гуморального, клеточного иммунитета с образованием иммуноглобулинов, обеспечение цитопротекции, повышение резистентности эпителиальных клеток к канцерогенам, ингибирование роста патогенов и их адгезии к эпителию, захват и выведение вирусов, поддержание физико-химических параметров гомеостаза приэпителиальной зоны, поставка субстратов глюконеогенеза и липогенеза, метаболизм белков, участие в рециркуляции желчных кислот, стероидов и других макромолекул, хранилище микробных, плазмидных и хромосомных генов, регуляция газового состава полостей, синтез и поставка организму витаминов группы В, пантотеновой кислоты и др. [6–8, 28, 50, 51, 55, 56].

Подтверждением этих данных явились результаты исследований гнобиотических животных, которые оказались нежизнеспособными [5, 49].

Да и человек не может жить без индигенной микрофлоры, тогда как микроорганизмы существовали миллиарды лет до появления человека и могут легко обходиться без него за счет способности быстро осваивать новые экологические ниши [56].

Однако микробы существуют не сами по себе, а вместе с эпителиоцитами кишечной стенки составляют единый микробно-тканевый комплекс, в который входят микроколонии бактерий и их метаболиты, слизь (муцин), эпителиальные клетки слизистой оболочки и гликокаликс, клетки стромы слизистой оболочки (фибробласты, лейкоциты, нейроэндокринные клетки и др.). Этот комплекс представляет собой своеобразную биопленку [6, 25, 28, 31, 37, 56].

Приведенные данные свидетельствуют о том, что микрофлора организма человека является еще одним, но невидимым органом, покрывающим в виде футляра кишечную стенку, другие слизистые оболочки и кожу человека.

Поэтому, несмотря на то, что микробы представляют собой одноклеточные организмы, при объединении их в многоклеточные ассоциации они приобретают свойства многоклеточного органа, способного оказывать влияние на весь организм.

Информационный уровень регуляции

Важным моментом в понимании функционирования микробных колоний было обнаружение факторов межклеточной коммуникации. Еще в 1994 году для характеристики многоклеточной организации микробов было предложено такое понятие, как «ощущение кворума» (Quorum Sensing). Под ним понимают прежде всего способность клеток при достижении определенной пороговой численности не только воспринимать изменения среды, но и реагировать на эти изменения [12, 22, 26, 29, 74, 75].

То есть с помощью этих сигналов, которые передаются от клетки к клетке, у микроорганизмов появилась возможность координировать свои действия, превращая сообщества, кажущиеся стихийными и разобщенными, в многоклеточный, многомиллионный организм [8, 25, 28]. Причем механизмы реализации реакции кворум-сенсинга у грамположительных и грам­отрицательных бактерий оказались различными [12].

Кроме того, реализация этих реакций невозможна без передачи информации внутри биопленок. На сегодняшний день наиболее значимыми каналами передачи информации являются три, самые эволюционно-консервативные [62, 68]: первый предназначен для осуществления непосредственного (физического) контакта между организмами; второй — для выработки диффундирующих в среде химических элементов; третий — для генерации тех или иных физических полей.

Физический контакт между клетками при передаче информации происходит несколькими путями. Прежде всего за счет недиффундирующих химических факторов, расположенных на мембране клетки, а также посредством межклеточного контакта через восприимчивые рецепторы другой клетки [12, 57, 64, 65].

Физический контакт необходим в тех случаях, когда передача информации осуществляется посредством поверхностных органелл. Эти клеточные структуры синтезируются с помощью так называемых генов S (social), ответственных как за коллективные и координированные перемещения клеток, так и за формирование структур надклеточного уровня [12, 34, 63].

Химические коммуникации в настоящее время представлены следующими классами соединений:

1) ацилированными лактонами гомосерина;

2) различными пептидами;

3) аминокислотами и сходными с ними аминными соединениями, регулирующими агрегацию бактериальных клеток.

Несмотря на то, что возможность дистантной коммуникации микробных клеток находится в стадии накопления эмпирических данных, тем не менее уже имеются интересные результаты. Так, например, гибнущая под воздействием хлорамфеникола культура Vibrio costicola посылает сигнал, стимулирующий рост другой культуры, отделенной от нее слоем стекла [22]. Имеются и другие результаты, которые свидетельствуют как о наличии, так и о сложности этого вида коммуникативной связи.

Следовательно, микрофлора организма человека, рассматриваемая как невидимый орган человеческого организма, имеет не только свою тонкую структурную организацию, но и свои каналы передачи информации.

Дистантный уровень регуляции

Известно, что основные обменные процессы по обеспечению организма питательными веществами происходят в мукозном слое биопленки кишечника, где осуществляется переработка поступающего химуса, расщепление белков, жиров и углеводов до молекул с последующим всасыванием. Здесь же происходит синтез микроорганизмами витаминов, незаменимых аминокислот, ферментов, метаболитов. Помимо этого, в биопленке зарождается и реализуется один из существенных механизмов регуляции жизнедеятельности человека. Речь идет об эндогенной физиологической эндотоксинемии кишечного происхождения, источником которой является грамотрицательная микрофлора кишечника [44, 53].

Биологическая целесообразность эндотоксинемии заключается в способности эндотоксина вызывать неспе­цифическую пролиферацию (митогенный эффект) и дифференцировку (поликлональный эффект) В-клеток, повышать естественную резистентность к различным инфекциям, стимулировать почти все функции нейтрофила и макрофага: хемотаксис, респираторный взрыв, фагоцитоз, бактерицидность, мобилизовать резервные силы костного мозга на всех уровнях дифференцировки клеток миелоцитарного ростка [1, 3, 16, 21, 53], что позволяет рассматривать физиологические концентрации эндотоксина кишечного происхождения в системном кровотоке как облигатный фактор иммунного гомеостаза, который активирует естественный (врожденный) иммунитет (за счет способности ЛПС взаимодействовать с TLR) и поддерживает в состоянии физиологического тонуса противовирусный, антибактериальный и противоопухолевый иммунитет [1, 16, 53].

Однако при нарушении механизмов эндотоксиновой регуляции происходит избыточное поступление эндотоксина в кровь и из физиологического этот процесс трансформируется в патологический, а эндогенная физиологическая эндотоксинемия кишечного происхождения становится патогенетическим фактором [11, 20, 35, 36, 45, 52, 54].

Регулирующая роль эндотоксина кишечного происхождения в организме усиливается за счет наличия в кишечной биопленке другого механизма влияния на внутреннюю среду организма — феномена транслокации бактерий. Так, доказана возможность проникновения и самих микроорганизмов через слизистую оболочку кишечника в мезентериальные лимфатические узлы, кровяное русло или различные органы. Этот процесс назван бактериальной транслокацией, которую считают обычным физиологическим механизмом нормального антиген-презентирующего процесса кишечно-ассоциированной лимфоидной ткани [16].

Таким образом, кишечная микробиота биопленки и липополисахариды бактерий обладают способностью оказывать не только местное, но и общее воздействие на организм, регулируя жизненно важные процессы.

Регулирующая роль микробиоты

Рассмотрение микробной колонии даже с позиции многоклеточного организма (примитивный органицизм) не может объяснить всего многообразия и особенностей проявления микробной жизни. В определенной степени этому помогает представление о микробных колониях как о биосоциальной системе, что предлагал еще И.Д. Иерусалимский, 1952.

В пользу такого подхода свидетельствуют установление факта синхронизации поведения отдельных клеток вопреки возмущающим факторам, координация поведения клеток в масштабе каждой группы, способность более старых колоний заставлять молодые колонии подстраивать свой возраст под них [70].

Убедительным примером «социального» в жизни колонии является бактериальный альтруизм, при котором происходит апоптоз (программированная гибель) отдельных клеток в интересах всей популяции. Это явление наблюдалось у колоний E.coli, когда в условиях недостатка питательных веществ часть голодающих E.coli лизировались, давая возможность остальным микробам за счет использования продуктов аутолиза этих клеток питаться, размножаться и вновь пополнять колонию [2]. Правда, от человеческого альтруизма этот процесс отличается тем, что не предполагает осознанную жертву, а отражает механизм естественного отбора генов [39].

Примером «родственного альтруизма» является также способность некоторых штаммов E.coli гибнуть после внедрения в нее бактериофага Т4 [32], что прекращало синтез бактериофагов и останавливало их агрессию против E.coli. Однако оказалось, что гены, которые отвечают за гибель E.coli, в ответ на внедрение бактериофага нестабильно встраиваются в хромосому. Поэтому так называемые альтруистические гены, будучи подвижными и легко теряемыми, функционируют только у части бактериальной популяции. То есть имеются клетки, которые способны пожертвовать собой, а есть клетки, которые этого сделать не могут. А может быть, не хотят? Как это похоже на поведение людей!

Эти примеры дают основание рассматривать бактериальную колонию как сообщество, в котором есть как «альтруисты», так и «эгоисты». Доказано, что такой смешанный состав микробного сообщества характерен только для высших животных и человека [12, 15, 26].

Таким образом, уникальной структурной организации микробов в организме человека соответствует не менее сложная ее многоуровневая социальная организация, в которой четко прослеживаются коллективные, обязательные для всей колонии, формы поведения. При этом воля индивида — отдельной микробной клетки (как в случае с возрастом) подчиняется воле коллектива (всей популяции). И это позволяет рассматривать поведение одноклеточных микробов как социальных существ [60].

Но всякое «социальное» требует, по определению, наличия организующего фактора, какого-нибудь центра, лидера. В человеческом обществе таких примеров много и они общеизвестны, а в человеческом организме эту функцию выполняет мозг.

Принимая во внимание количество структурных единиц (микробных клеток), объем имеющейся информации (носителем которой являются гены), скорость обновления популяции, возникает важный вопрос: а кто этим управляет?

Если органами и клетками человеческого организма управляет мозг, то кто же управляет микробиотой? Есть ли такой центр, или микробиота осуществляет это в содружестве с мозгом, или сама настолько самодостаточна, что не нуждается в таком центре?

Имеющиеся научные данные позволяют рассматривать микробиоту как аналог нервной системы по следующим критериям:

1. Структурное сходство микробных колоний (биопленок) с нервной системой [4, 5, 23, 27, 28, 47, 56, 72].

2. Количественное соответствие.

3. Наличие гомологичных рецепторов [46].

4. Наличие общих малых молекул [6, 7, 9, 27, 66].

5. Стимуляция роста бактерий под влиянием нейромедиаторов человеческого происхождения [27, 40, 58].

6. Влияние биологических факторов на социальное поведение человека [17, 26, 29, 67].

Приведенные данные свидетельствуют о том, что микробиота в соответствии со своей структурной организацией, выполняемыми функциями, способностью самой синтезировать нейромедиаторы и активно реагировать на них может рассматриваться как аналог нервной системы. В пользу этого свидетельствует и факт наличия причинно-следственных связей между сигнальными молекулами бактерий и мозгом. И чье влияние оказывает на организм более весомое действие, сказать трудно. Кроме того, малые молекулы, аминокислоты, нейромедиаторы могут выступать как факторы социальности, формируя Homo sapiens как личность. При этом источником этих веществ в организме могут быть как клетки и ткани организма, так и микробы.

Последующие работы позволят ответить на вопрос о том, можно ли рассматривать микробиоту в качестве второго мозга. Не исключено, что с учетом потенциального запаса, заложенного в микробиоте, ответом (как предположение) будет: «А почему второго?»

Таким образом, человеческий организм, его органы и клетки не просто находятся в объятии микроорганизмов, а живут, реагируют и выполняют свои функции под их непосредственным влиянием.