Фекалотерапия – странный, но перспективный терапевтический подход
Трансплантация донорского кала выглядит наиболее странным из всех существующих в настоящее время методов терапии, почти окончательно признанных официальной медициной. Однако этот подход может оказаться не только эффективным методом лечения тяжелых кишечных инфекций и, возможно, многих неинфекционных болезней, но и решением стремительно усугубляющейся в глобальном масштабе проблемы антибиотикорезистентности патогенных бактерий.
Трансплантация фекальной микробиоты (ТФМ) является вариантом бактериотерапии – использования неопасных для человека бактерий для вытеснения патогенных микроорганизмов. Помимо лечения инфекций бактериотерапия, в отличие от традиционных антибактериальных препаратов, не должна нарушать естественную микрофлору организма.
Недавно в средствах массовой информации активно обсуждался случай женщины, у которой после трансплантации кала донора с избыточной массой тела развилось ожирение. Из этой истории многие люди впервые узнали о существовании такого необычного медицинского подхода.
Откуда пришла трансплантация фекальной микробиоты
Первое упоминание процедуры было зафиксировано на территории Китая в 4 веке нашей эры. В записях того времени указывается, что трансплантация кала применялась для лечения пищевых отравлений и диареи.
Позже, в 16 веке, известный в Китае врач по имени Ли Шичжэнь (Li Shizhen) использовал для лечения заболеваний брюшной полости снадобья под названием «желтый суп» или «золотой сироп» и содержащие в своем составе свежие, сушеные или ферментированные фекалии.
В ветеринарной медицине 16 столетия активно практиковался сохранившийся до сих пор метод трансфаунации, заключающийся в переносе микроорганизмов здоровых жвачных животных в пищеварительный тракт заболевших особей.
Во время второй мировой войны немецкие солдаты подтвердили эффективность практикуемого бедуинами метода лечения дизентерии – употребления верблюжьих фекалий.
Таким образом, применение фекалий в качестве лекарственного средства уходит корнями глубоко в историю и за период с 4 века до наших дней эффективность этого метода получила множество подтверждений. Однако за последнее время медицинская практика значительно продвинулась вперед, и процесс терапевтического использования фекалий также претерпел существенные изменения.
Механизм действия трансплантации фекальной микробиоты
В настоящее время процедура ТФМ проводится практически без промежуточных этапов. Она начинается с подбора здорового донора, предоставляющего образец своих фекалий. Полученный материал смешивается с раствором и процеживается для удаления твердых частиц.
Существует несколько методов введения подготовленного трансплантата в организм реципиента. Врачи могут использовать для этого обычные спринцовки или применять более сложные подходы, такие как эндоскопия, колоноскопия и сигмоидоскопия. На сегодняшний день не существует доказательств преимущества какого-либо подхода над другими и в каждом конкретном случае его выбор основывается на потребностях пациента.
Считается, что населяющие кишечник микроорганизмы играют важную роль в поддержании хорошего состояния здоровья человека, в том числе за счет «тренировки» иммунной системы и подавления активности патогенных микроорганизмов. Поэтому целью проведения ТФМ является создание многообразия микроорганизмов в кишечнике пациента для устранения инфекции и предотвращения еще рецидивов.
Проблема Clostridium difficile
На сегодняшнем этапе ТФМ используется преимущественно для лечения пациентов с инфекциями, вызванными C.difficile, популяция которых стремительно увеличивается при уменьшении количества нормальных кишечных микроорганизмов и поражает слизистую оболочку кишечника, вызывая т.н. псевдомембранозный колит. Инфекция может проявиться во всём диапазоне кишечных расстройств, от относительно безопасной диареи до перфорации кишки.
Как правило, болезнь развивается на фоне приема антибиотиков, которые могут быть эффективны в отношении бактериальных инфекций, но наносят значительный урон кишечной микрофлоре. Традиционно для лечения вызванных клостридиями кишечных инфекций также используют антибиотики, что во многих случаях приводило к быстрому развитию рецидивов, по тяжести превосходящих первичный эпизод заболевания. Причиной этого является то, что уничтожающая часть клостридий антибиотикотерапия не только не восстанавливает нормальную микрофлору кишечника, но и еще больше усугубляет ее состояние.
Однако уничтожение полезных микроорганизмов не является единственной проблемой, связанной с применением антибактериальных препаратов. Выживающие после такой терапии бактерии приобретают устойчивость к антибиотикам, что делает появляющиеся новые штаммы невосприимчивыми к ранее эффективным препаратам.
ТФМ предлагает эффективное решение этих проблем и, согласно опубликованным данным, процесс проведения этой процедуры безопасен и не требует больших финансовых затрат. При этом его эффективность превышает 90%. Специалисты клиники Майо даже описали рандомизированное контролируемое клиническое исследование, решение о досрочном прекращении которого было принято на основании полученных неоспоримо положительных результатов.
Законодательное регулирование проведения процедуры в США
Существует целый ряд проблем, препятствующих широкому внедрению процедуры в клиническую практику. Одна из них заключается в особенностях официального статуса процедуры в США.
В интернете существует множество сайтов, содержащих рекомендации про проведению трансплантации фекальной микробиоты в домашних условиях с использованием имеющихся в распоряжении бытовых устройств.
ТФМ еще не получила окончательного одобрения Управления по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA). На сегодняшний день врачи имеют право проводить процедуру на свое усмотрение пациентам, не отвечающим на стандартные методы лечения, при условии получения от них письменного информированного согласия, в котором указывается, что процедура считается экспериментальной.
Согласно документации FDA фекальные трансплантаты классифицируются как лекарственное средство. Специалисты считают, что этот подход может быть источником проблем, так как подразумевает возможность монополизации официального проведения процедуры и, соответственно, появления множества незаконных подпольных вариантов ее проведения.
В 2012 году Марк Смит (Mark Smith) и его коллеги открыли первый банк человеческих фекалий OpenBiome. Целью этого было повышение безопасности ТФМ, а также удешевление процедуры и увеличение ее доступности для врачей и пациентов. Банк предоставляет клиникам замороженные образцы фекалий, готовые для применения.
Неизвестность и будущие перспективы
На сегодняшний день еще остаются факторы, которые предстоит изучить и понять. Специалистам неизвестно, каким образом донорские бактерии изменяют микрофлору пациента. Более того, неясно, какие именно из миллиардов содержащихся в фекалиях бактерий являются полезными, какие – опасными, а какие не оказывают никакого влияния.
Исследователям еще предстоит изучить возможность использования ТФМ для лечения других заболеваний, поражающих микрофлору кишечника. Потенциальными мишенями будущих исследовательских программ являются воспалительные заболевания кишечника, синдром раздраженной кишки, а также ожирение и сахарный диабет 2 типа.
Клиницистам предстоит разработать систему, гарантирующую безопасность проведения ТФМ. Несмотря на то, что с 4 века и до сегодняшнего дня не было зафиксировано ни одного серьезного побочного эффекта процедуры, описанный недавно случай развития у пациентки ожирения указывает на ассоциированной с ней элемент неопределенности.
Также существует необходимость в определении оптимальных подходов к отбору доноров и подготовке биологического материала, что необходимо для стандартизации методов трансплантации фекального материала.
Существует также мнение, что проблему вариабельности биологического материала можно решить путем разработки искусственных образцов, способных заменить человеческие фекалии. Исследователи уже работают над созданием препаратов, которые будут представлять собой удобные для перорального применения гелевые капсулы, наполненные смесью специально подобранных бактериальных культур.
Несмотря на то, что с первого взгляда ситуация выглядит достаточно туманной, ТФМ объединяет в себе прошлой и будущее медицины. А учитывая растущую в глобальном масштабе проблему антибиотикорезистентности патогенных микроорганизмов, в ближайшие годы усовершенствование этой процедуры будет важным направлением медицинских исследований.
Фекальная трансплантация (пересадка кала) – показания к терапевтической процедуре
Известно, что бактерии в толстой кишке ответственны за надлежащий иммунитет организма. Естественно, это относится не ко всем бактериям, а только к тем, которые входят в состав физиологической кишечной флоры и не вызывает различные виды заболеваний. При некоторых патологических состояниях или в результате длительной антибактериальной терапии, происходит стерилизация кишечника, что приводит к значительному увеличению восприимчивости органа пищеварения и выделения к инфекциям. Терапевтическим средством может стать пересадка кала. Фекальная трансплантация включает в себя взятие образца фекалий у здорового человека и введение его в организм пациента.
Трансплантация кала: полемика
Целители Древнего Китая – пионеры техники фекальной трансплантации, которая заключается в процедуре взятия образца кала у здорового человека и введения его в организм больного. Этот довольно противоречивый метод на сегодняшний день принят не всеми врачами. По сути, это не просто пересадка кишечной флоры. При проведении медицинской процедуры существует риск передачи опасных заболеваний в дополнении к трансплантации фекальной микробиоты (ТФМ). Поэтому пересадка кала в домашних условиях тем более недопустима.
Показания к фекальной трансплантации
Основным показателем к осуществлению процедуры пересадки кала является необходимость восстановления правильного состава кишечной бактериальной флоры, что, как ожидается, приведет к повышению иммунитета. Следовательно, пациент может быть рекомендован к трансплантации после интенсивной или длительной терапии антибиотиками, эффект которой, помимо борьбы с патогенами, также заключается в стерилизации кишечника от полезных бактерий. После лечения антибиотиками наиболее опасным эффектом является имплантация в кишечник устойчивых к антибиотикам бактерий, чаще всего из рода Clostridium difficile, которые вызывают развитие смертельно опасного заболевания – псевдомембранозного колита.
Кроме того, показанием к процедуре может быть онкологическое лечение. Химиотерапевтические препараты, направленные на уничтожение раковых клеток настолько сильны, что вызывают гибель кишечных бактерий. Медицинские исследования эффективности трансплантации фекалий при других заболеваниях все еще продолжаются. Отчеты показывают, что пересадка кала может быть полезной терапией при лечении ожирения и метаболического синдрома. Кроме того, некоторые исследования ученых указывают на эффективность фекальной трансплантации в случае рассеянного склероза и болезни Паркинсона, однако их результаты еще недостаточны для массового лечения этих неврологических расстройств.
Кто может стать донором по пересадке кала?
Процедура заключается не просто во взятии образца у случайного человека и его пересадке пациенту. Выбор донора по пересадки кала требует некоторой подготовки. Как правило, выбирается родственник, обладающий хорошим здоровьем, особенно в части отсутствия жалоб на пищеварительную систему – боли в животе, изжога, диарея и так далее. Кроме того, за шесть месяцев до трансплантации важно, чтобы донор не принимал антибиотики, как перорально, так и парентерально.
У потенциального донора исследуется образец кала на наличие вирусов и паразитов, чтобы предотвратить случайное заражение реципиента каким-либо заболеванием, а также проводится анализ крови. Если все условия выполнены, и они удовлетворяют потребности пациента, то образец кала может быть взят. Стерильность процедуры должна быть максимально высокой. После сбора фекалий образец смешивается с физиологическим раствором, фильтруется и замораживается.
Как проводится процедура пересадки кала?
Терапевтическая процедура пересадки является все более широко используемым методом лечения во всем мире. Существует несколько способов проведения фекальной трансплантации. Чаще всего процедура заключается во введении в организм пациента специально приготовленного раствора объемом 20-30 мл. В некоторых странах препараты производятся в капсулах, которые пациент проглатывает. Капсулы обладают особыми свойствами и не растворяются в кислой среде желудка. В неизменном виде они попадают в кишечник, в котором выделяются бактерии. Реципиенты должны быть хорошо промыты перед введением трансплантата. Фекальная трансплантация проводится во время колоноскопии, когда эндоскоп вводится непосредственно в прямую кишку. Берегите себя и будьте всегда здоровы!
Новое веяние в медицине: трансплантация кала
Многочисленные исследования уже показали, что трансплантация фекальной микробиоты (Fecal Microbiota Transplantation, FMT) эффективна в лечении и предупреждении рецидивов кишечных инфекций, вызываемых бактериями Clostridium difficile, например, псевдомембранозного энтероколита. Это заболевание прямой кишки, часто возникающее при нарушении микрофлоры кишечника из-за приема антибиотиков, при котором наиболее часто наблюдается тяжелая диарея, тошнота и рвота.
Только в Соединенных Штатах антибиотикоустойчивые штаммы Clostridium difficile являются причиной примерно 250 тысяч госпитализаций и 14 тысяч смертей. В настоящее время при терапии этого заболевания применяются антибиотики метронидазол и ванкомицин; в тяжелых случаях приходится удалять пораженную часть кишечника оперативным путем. Учитывая, что антибиотики уничтожают также нормальную микрофлору кишечника, лечение ими этой инфекции может лишь ухудшить положение пациентов. Согласно данным исследований на животных, пересадка фекальных бактерий способна восстановить нормальную микрофлору кишечника на 90 %.
Данный метод лечения диареи уже более полувека известен по всему миру, существует около 500 научных публикаций, доказывающих его эффективность, однако оформленные по всем правилам клинические испытания метода FMT начались лишь недавно.
Средство от диареи, болезни Паркинсона и лишнего веса
В последние годы активно ведутся клинические исследования по трансплантации фекальной микробиоты. Так, в 2012 году исследователи из больницы имени Генри Форда провели исследование с участием 49 пациентов, страдавших от тяжелой рецидивирующей диареи, вызванной Clostridium difficile. Для проведения процедуры был использован эндоскоп, через который в толстую кишку пациентов вводился гомогенизированный и отфильтрованный раствор, в состав которого входила теплая вода и от 30 до 50 граммов фекалий, взятых от здоровоых доноров. В некоторых случаях раствор вводился во время процедуры колоноскопии.
В результате у 90 % пациентов уже через два часа после процедуры появился аппетит, в течение суток они почувствовали значительное улучшение состояния, а через неделю они чувствовали себя полностью здоровыми. При этом в течение трех месяцев после терапии у них не развилось никаких осложнений или побочных эффектов такого метода лечения.
Также в феврале этого года в США появился первый в мире банк фекальных образцов для лечения пациентов, страдающих от тяжелой формы рецидивирующей диареи, вызванной антибиотикоустойчивым штаммом бактерии Clostridium difficile.
Помимо лечения кишечных инфекций, пересадка фекальных бактерий от доноров способна помочь снизить лишний вес, сообщается в статье, опубликованной в журнале Science Translational Medicine. Исследователи надеются в ходе дальнейших экспериментов определить механизм влияния бактерий на процесс похудения и, возможно, предложить новый, безоперационный способ снижения веса.
Несколько лет назад австралийские ученые предложили лечить пациентов, страдающих одновременно болезнью Паркинсона и запорами, с помощью пересадки кала. Как показали результаты исследования, благодаря экспериментальной терапии у пациентов уменьшилась выраженность симптомов основного заболевания, в том числе паркинсонизма, рассеянного склероза, ревматоидного артрита и синдрома хронической усталости.
Согласно гипотезе ученых, при нарушении состава микрофлоры в кровоток попадают различные антигены. Они вызывают избыточную реакцию иммунитета, что оказывает влияние на развитие паркинсонизма и аутоиммунных заболеваний. Эти предположения подтверждают и другие исследования. В частности, по данным голландских специалистов, пересадка кала повышает чувствительность к инсулину у больных с метаболическим синдромом.
Научный прогресс: фекалии в капсулах
Существующие методы трансплантации фекальной микробиоты – пересадка фекалий, взятых от здоровых доноров, через колоноскоп, назогастральный зонд или клизму – имеют потенциальный риск повреждения желудочно-кишечного тракта и несут пациентам определенный дискомфорт.
Поэтому американские ученые предложили пероральный способ трансплантации кала (через рот) при лечении кишечных инфекций. Результаты исследования, опубликованные в журнале JAMA, показали, что прием замороженных фекалий в капсулах столь же эффективен и безопасен в борьбе с вызываемой бактерией Clostridium difficile диареей, как и инфузии фекалий через колоноскоп или назогастральный зонд.
Новый подход заключается в следующем: фекалии здоровых доноров замораживают, затем полученную из них смесь кишечных бактерий и фасуют в кислотоустойчивые капсулы, предназначенные для перорального приема. Предварительно проводится лабораторный анализ образцов фекалий на различные инфекции и аллергены.
В пилотном исследовании приняли участие 20 человек в возрасте от 11 до 84 лет с кишечной инфекцией, вызванной C. difficile. В течение двух дней каждый испытуемый принимал по 15 капсул с фекальным содержимым. У 14 человек экспериментальная терапия привела к полному исчезновению симптомов заболевания после единичного двухдневного курса. Остальным шести участникам исследования провели повторный курс лечения, после которого состояние пациентов также нормализовалось. В ходе испытания никаких побочных эффектов препарата отмечено не было.
Как отмечают авторы исследования, у пациентов, которым понадобился повторный курс терапии, исходное состояние здоровья было хуже, чем у остальных больных. «Полученные предварительные данные указывают на безопасность и эффективность нового подхода», – отметили исследователи. – Теперь мы можем провести более крупные и масштабные исследования для подтверждения этих данных и выявления наиболее эффективно действующих бактериальных смесей для перорального введения».
Что такое фекальная трансплантация
Трансплантация фекальной микробиоты — это новый метод, с помощью которого лечится дисбаланс кишечной микрофлоры: в просвет толстой кишки реципиента вводится разбавленная микробиота (суспензия стула) донора.
Фекальная бактериотерапия — по сути, буквально пересадка бактерий и бактериофагов от здорового человека пациенту с патологией. Насколько эффективен такой метод восстановления бактериального баланса кишечника?
Зачем нужна фекальная трансплантация
Псевдомембранозный, язвенный колит и болезнь Крона, сахарный диабет и ожирение, болезнь Паркинсона и Альцгеймера, синдром раздраженного кишечника и хронический запор — вот неполный перечень заболеваний, при которых фекальная трансплантация используется как инновационный метод лечения. Необходимость такого альтернативного лечения во многом связана с неэффективностью терапии антибиотиками.
Разберем на примере:
Псевдомембранозный энтероколит — заболевание толстого кишечника, спровоцированное спорообразующей анаэробной бактерией Clostridium difficile. Болезнь сопровождается хроническим воспалением кишечника, появлением белых бляшек на его стенках. Симптомы заболевания вариативны, но чаще всего выделяют следующие:
Несмотря на то, что в большинстве случаев пациенты с инфекцией Clostridium difficile реагируют на противомикробные препараты и их самочувствие улучшается, в 30% случаев наблюдается рецидив. Выбор прост: нужно либо повторить курс лекарств, либо попробовать более эффективный метод терапии.
15 поразительных фактов о вашем здоровье — в нашей галерее:
Итак, первая причина — предотвращение повторений.
Болезни ЖКТ, сопровождающиеся хроническим воспалением стенок кишечника, вызывают сильные боли и значительно снижают качество жизни пациентов. Более того, эффективность классических методов лечения невысока и снижается от раза к разу: чем выше число рецидивов, тем ниже эффективность нового курса антибактериальной терапии.
Ученые выяснили, что пересадка микробиоты кишечника в 92% случаев ведет к полному излечению болезни. Систематический обзор включил данные о 317 пациентах. Эффективность процедуры варьировалась в зависимости от способа инстилляции, отношения к донору стула, объема введенной фекальной суспензии и предшествующего лечения.
Кто может быть донором
Фекальная микробиомная трансплантация подразумевает введение микрофлоры здорового донора и вытеснение патогенной микрофлоры, вызывающей различные заболевания ЖКТ.
На примере лемуров: лечение дисбактериоза фекальной трансфаунацией
Как только приходят зимние морозы, многие люди начинают страдать от насморка, кашля, боли в горле и прочих симптомов того или иного простудного заболевания. Учитывая ситуацию с пандемией, малейший чих порождает мысли о вероятном инфицировании злосчастным вирусом. Однако далеко не все простудные (и не только) болезни имеют вирусное происхождение, ведь есть еще грибковые и бактериальные. В случае последних чаще всего назначаются антибиотики, способные бороться либо с определенной бактерией, либо широкого спектра действия. Эти лекарства могут вылечить больного довольно быстро и эффективно, но, как и многие другие препараты, обладают рядом побочных эффектов и последствий. Одним из таких нежелательных аспектов является нарушение микрофлоры внутри организма, т.е. дисбактериоз. Дело в том, что антибиотики могут, уничтожая вредоносную бактерию, «задеть» и тех, что в нашем теле заняты благим делом (например, помогают пищеварению). И вот ученые из университета Дьюка (США) провели исследования методики лечения дисбактериоза, которую лемуры применяют буквально с рождения. Основная суть этой методики — трансплантация фекальных бактерий. Как работает такое лечение, какие бактерии используются, и насколько данная методика эффективна? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.
Основа исследования
В природе существует немало примеров симбиоза между представителями разного вида. Такого рода сотрудничество, в отличие от паразитизма, несет пользу обеим сторонам. Посему нет ничего удивительного, что позвоночные, населяющие Землю миллионы лет, сформировали симбиотические отношения с организмами, которых и увидеть то нельзя без микроскопа. Куда логичнее сказать, что именно микробиота является инициатором взаимовыгодных отношений.
За долгие годы коэволюции многие микроорганизмы, поселившиеся в организмах животных, в том числе и в людях, выработали определенные системы взаимодействия, основанные на выполнении тех или иных функций внутри организма носителя. Нарушение работы микробиоты может иметь как краткосрочные, так и долгосрочные негативные последствия для организма носителя.
К примеру, антибиотики борются с вредоносными бактериями, но могут косвенно влиять и на полезные, уменьшая их численность, повышая восприимчивость организма к вредным патогенам и ухудшая функции микробиоты в целом. Куда опаснее то, что такие препараты могут изменять микробный геном, вызывая у определенных бактерий устойчивость к антибиотикам (сокращенно ABR от antibiotic resistance).
Гены, отвечающие за ABR, существуют уже очень давно. Их основная задача заключается в выживании микроба в условиях повышенной конкуренции в густонаселенных сообществах внутри или вне хозяина. Способность бактерий быстро мутировать и делиться полезными генами посредством латерального переноса генов привела к появлению множества встречающихся в природе ABR генов.
Реакция микробного сообщества на природные антибиотики в значительной степени определяется взаимодействиями между микробными таксонами, которые меняются со временем и в разных средах. Эффективность и повсеместное распространение искусственных антибиотиков серьезно нарушили микробные сообщества за счет целевого (например, узкого спектра) или неизбирательного (например, широкого спектра) уничтожения бактериальных групп, тем самым изменяя состав и, в конечном итоге, функциональный потенциал микробиомов. Кроме того, эти антибиотики усиливают селективное давление на бактериальные сообщества, делая ABR гены еще полезнее и стимулируя их пролиферацию, тем самым изменяя геномный состав микробиоты.
В микробиомах внутри носителя распространение ABR может привести к появлению вирулентных, устойчивых патогенов, которые уменьшают разнообразие природных или полезных микробов и снижают иммунную способность организма носителя.
Проблема в том, что несмотря на широкое применение антибиотиков, нам крайне мало известно о том, как именно они влияют на полезную микробиоту. Исследования и опыты, связанные с этим вопросом, часто ограничиваются определенной группой позвоночных (чаще всего, человекоподобные приматы). Однако, лемуры, к примеру, прошли уникальный эволюционный путь, делающий их крайне интересными моделями для изучения динамики взаимодействия между носителем и его микробиотой.
Семейство кошачьих лемуров.
Кошачий лемур (Lemur catta) является эндемиком Мадагаскара, т.е. обитает исключительно на этом острове. Они очень социальные животные, формирующие группы от 20 до 30 особей, где главенствуют чаще всего самки. Питаются они по большей части растительностью, но не брезгуют и насекомыми. Любопытной анатомической особенностью лемуров является наличие у самцов специальных желез на лапах. С помощью острых когтей они царапают кору деревьев, оставляя на нем свой запах, тем самым помечая территорию. Несмотря на свой миловидный внешний вид, лемуры очень ревностно защищают свою территорию, особенно от особей из других групп.
Для данного исследования важным является то, что у лемуров специфическая микробиота, и они очень устойчивы к различным заболеваниям (особенно болезням ЖКТ). Еще один любопытный факт — детеныши лемуров едят фекалии своих матерей. Ученые предполагают, что это напрямую связано с передачей полезных микроорганизмов.
Учитывая вышесказанное, ученые решили провести опыты на лемурах, дабы установить истинность (или наоборот) двух гипотез, касающихся восстановления микробиома внутри носителя.
Первая гипотеза о восстановлении заключается в том, что разнообразие видов микроорганизмов улучшает стабильность всего микробного сообщества, поскольку увеличивает функциональную избыточность. Согласно этой гипотезе, восстановление альфа-разнообразия (общий состав микробиомы), независимо от микробной идентичности, должно быть жизненно важным для достижения стабильного микробиома.
Соответственно, после лечения антибиотиками можно ожидать увеличения микробного разнообразия (например, альфа-разнообразия), независимо от трансфаунации (трансплантации) фекалий. Таким образом, полученные стабильные сообщества двух экспериментальных групп могут иметь одинаковую степень разнообразия, но разный состав.
Вторая гипотеза состоит в том, что определенные члены сообщества (т.е. ключевые виды микроорганизмов) являются основой функционирования сообщества. Посему восстановление стабильного микробиома требует определенного состава сообщества (т.е. бета-разнообразия).
В соответствии с этой гипотезой ученые предполагают, что после нарушения, вызванного антибиотиками, должно произойти восстановление того же состава сообщества, при этом трансфаунация фекалий будет способствовать или ускорять скорость восстановления. Соответственно, полученные стабильные сообщества обеих терапевтических групп в конечном итоге будут иметь аналогичный состав.
Эти гипотезы могут работать сообща либо быть альтернативами друг другу. К примеру, разнообразие микроорганизмов может восстанавливаться быстро, а композиция сообщества медленно.
Результаты опытов
Лемуры, участвующие в экспериментах, были разделены на три группы:
Изображение №1: средняя относительная численность бактериальных родов с течением времени в микробиомах кишечника трех экспериментальных групп самцов Lemur catta.
Изображения №2 и №3: альфа-разнообразие с течением времени в трех экспериментальных группах (слева); бета-разнообразие с течением времени в трех экспериментальных группах (справа).
Объединяя данные по фазе до обработки двух групп (исходные образцы; n = 43) с контрольной группой, в бактериальной микробиоте кишечника здоровых особей преобладали таксоны Bacteroidetes и Firmicutes, а также в меньшей степени присутствовали Proteobacteria, Spirochaetes и Tenericutes.
В ходе сравнительного анализа трех групп лемуров было обнаружено значительное влияние фекальной трансплантации на альфа-разнообразие: по сравнению с животными CON группы, животные из ABX и ABXFT имели значительно более низкие баллы (изображение №2).
Во время фазы лечения антибиотиками особи из группы ABX и ABXFT в отличие от особей из группы CON показали ожидаемое и быстрое снижение альфа-разнообразия. Учитывая, что амоксициллин является антибиотиком широкого спектра действия, у здоровых лемуров он вызвал значительное сокращение численности многих таксонов бактерий (Firmicutes, Ruminococcaceae, Lachnospiraceae и т.д.). Однако на некоторых бактерий антибиотик не повлиял или же привел ок обратному эффекту (например, бактерий из семейства Parabacteroides стало в разы больше).
Во врем фазы восстановления было обнаружено, что у особей, получивших антибиотик, альфа-разнообразие разительно отличалось от контрольной группы в течение 4 месяцев после обработки. Это свидетельствует о том, что антибиотик вызвал долговременный дисбаланс микрофлоры. Отличия в альфа-разнообразии между группами ABX и ABXFT были незначительны.
Куда важнее, что группа ABXFT показала устойчивое увеличение альфа-разнообразия после приема антибиотиков, что согласуется с первой гипотезой, называемой учеными «разнообразие рождает стабильность».
На фазе восстановления группа ABXFT показала схожие с CON уровни бета-разнообразия. Это свидетельствует о том, что фекальная трансплантация имела положительный эффект, а вторая гипотеза («ключевые виды») подтверждается.
На протяжении всего эксперимента бактериальный состав особей из группы ABX продолжал колебаться, тогда как у особей ABXFT группы бактериальный состав становился относительно стабильным примерно через 2 недели после фазы лечения, т.е. после фекальной трансплантации. К концу эксперимента уровни бета-разнообразия особей из групп ABXFT и CON стали практически идентичными, что говорит о полном (или почти полном) восстановлении микробиомного разнообразия.
Чтобы охарактеризовать бактериальные ковариации в кишечнике лемуров, был использован анализ парных ковариаций, который выявил несколько сильных ковариаций между парами микробных таксонов в микробиомах кишечника лемуров.
Первая ковариация была между родом Cerasicoccus и отрядом WCHB1-41, которая проявлялась на всех этапах исследования. Вторая — между родом Cerasicoccus и отрядом Rhodospirillales (проявлялась на этапе восстановления). Эти две взаимосвязи отражают мелкомасштабную, но общую микробную динамику, которая происходит в здоровых, необработанных антибиотиком микробиомах.
Изображение №4: бактериальные ассоциации здоровых особей, которых лечили либо антибиотиками, либо антибиотиками + фекальной трансфаунацией. Цвета линий представляют направление корреляции (зеленый = положительная, красный = отрицательная), ширина линии соответствует величине корреляции.
Внутри более изменчивой кишечной микробиоты лемуров ABX и ABXFT было выявлено 35 и 31 сильная ассоциация, соответственно (4a и 4b). У животных ABX эти ассоциации были преимущественно положительными, только с шестью отрицательными, тогда как у лемуров ABXFT положительные и отрицательные ассоциации были представлены в равной степени (15 и 16 соответственно). Общими для ABX и ABXFT было 10 ассоциаций (8 положительных и 2 отрицательных). В рамках этих общих ассоциаций девятеро были представлены либо Parabacteroides, либо Bacteroides (12 и 39 на изображении выше). Положительная связь между этими двумя таксонами была самой сильной ассоциацией для ABX и ABXFT. Более того, у животных ABX и ABXFT логарифмические отношения численности Parabacteroides и Bacteroides показали увеличение во время фазы обработки.
Поскольку анализ логарифмических соотношений представляет отношения между численностью конкретных таксонов относительно средней численности всех других таксонов, закономерности увеличения логарифмов могут отражать три возможности: численность Parabacteroides и Bacteroides действительно увеличивается; остается стабильной, пока среднее значение уменьшается; или уменьшается менее резко, чем среднее значение.
Независимо от варианта, можно предположить, что эти два таксона не пострадали от обработки антибиотиком (изображение №5).
Изображение №5: графики корреляции для связи между централизованным логарифмическим соотношением (CLR; черные точки) численности Bacteroides и Parabacteroides у особей, получавших либо только антибиотики, либо антибиотики и трансфаунацию фекалий.
Большинство сильных парных ассоциаций с Parabacteroides или Bacteroides были положительными. Это указывает на то, что ассоциированные таксоны также противостоят антибиотикам, возможно, благодаря общим ABR-генам.
Во время фазы восстановления микробиота кишечника животных ABX сохранила только 20 (18 положительных и 2 отрицательных) из исходных 35 ассоциаций (4c). Это отражает сокращение бактериальных таксонов, которые выжили после применения антибиотика. Но вот микробиота особей из группы ABXFT (4d) сохранила то же число ассоциации — 31 (23 положительных и 8 отрицательных).
Анализ методом дробовика* 30 образцов фекалий выявил 3.2 миллиона последовательностей, которые были отнесены к 83 известным ABR-генам.
Метод дробовика* — метод секвенирования длинных участков ДНК, суть которого состоит в получении случайной массированной выборки клонированных фрагментов ДНК данного организма, на основе которых может быть восстановлена исходная последовательность ДНК.
В среднем большинство обнаруженных ABR-генов принадлежало к четырем семействам генов устойчивости: тетрациклин (51.4 ± 3.44%); бета-лактам (29.5 ± 3.17%); аминогликозид (7.9 ± 2.25%) и макролид (1.2 ± 0.24%). Также присутствовал небольшой процент (менее 1%) генов семейства ванкомицина, устойчивого к сульфонамидам.
Любопытно то, что у двух особей, которых никогда не лечили антибиотиками, все же были найдены ABR-гены. Еще любопытнее то, что уровень этих генов соответствовал таковому у особей, которых ранее неоднократно лечили антибиотиками (изображение №6).
Изображение №6: относительное количество генов устойчивости к антибиотикам (ABR) у шести особей, которые в течение своей жизни прошли разное количество курсов лечения антибиотиками.
Кроме того, одна особь, получившая наибольшее количество курсов лечения антибиотиками (n = 27 курсов), занимала второе место по численности ABR-генов, как животные, которые ранее не получали лечения.
Изображение №7: доля генов устойчивости к антибиотикам (ABR), выявленная у особей из групп CON, ABX и ABXFT. Цветами отмечена резистентность по отношению к определенному типу антибиотиков, MDR (Multi-Drug Resistant) — мультирезистентность.
Важно отметить, что относительная численность ABR-генов варьировалась среди разных особей (изображения №7 и №8). У особей из группы CON численность ABR-генов показала небольшие вариации. А вот у особей из ABX и ABXFT численность ABR увеличивалась между фазами предварительной обработки и обработки. Однако во время фазы восстановления численность ABR-генов уменьшалась.
Изображение №8: паттерны устойчивости к антибиотикам у особей из групп CON, ABX и ABXFT.
Аналогичным образом, по сравнению с группой CON, группы ABX и ABXFT показали увеличение доли генов устойчивости к бета-лактамам во время фазы обработки антибиотиков, что отражает влияние лечения бета-лактамным антибиотиком (т.е. амоксициллином).
Доля генов устойчивости к бета-лактамам во время ранней постобработки была выше у животных из группы ABX по сравнению с ABXFT (изображение №8). Это может указывать на потенциальное смягчающее влияние фекальной трансфаунации на устойчивость ABR в микробиомах кишечника лемура.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.
Эпилог
В рассмотренном нами сегодня труде ученые уделили особое внимание микробиоме кишечника кошачьих лемуров, отличающихся крепким здоровьем, особенно в рамках ЖКТ. Основная задача труда заключалась в пояснении эффекта, который фекальная трансплантация может иметь на микробиому животного, подвергшегося лечению антибиотиками.
Антибиотики, несмотря на свою пользу, имеют ряд негативных эффектов, среди которых самым явным является нарушение баланса микробиома внутри организма. Убивая вредоносные бактерии, антибиотик затрагивает и тех, что приносят носителю пользу. В результате в организме образуется недостача, которая может породить развитие других бактерий, польза от которых может быть сомнительна.
Метод трансплантации фекалий основан на передаче микробиома от здоровой особи к той, что была обработана антибиотиками. Результаты сравнительного анализа трех групп испытуемых (контрольная, после антибиотиков и после антибиотиков и фекальной трансплантации) показали значительное снижение численности и разнообразия микробиоты в кишечнике лемуров, которых лечили препаратами. Однако, после применения трансплантации уровни разнообразия микробных сообществ и их численность начали восстанавливаться, достигая со временем исходных (до антибиотика) уровней.
Ученые считают, что их труд позволяет лучше понять динамику отношений между организмом-носителем и микрофлорой, которая в нем обитает. Поскольку антибиотики являются неотъемлемой часть современной медицины, понимание того, как они могут нарушать этот хрупкий симбиотический баланс, позволяет лучше бороться с его нежелательными побочными эффектами, такими как дисбактериоз.
Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! 🙂