znat_kak (znat_kak) wrote,
znat_kak
znat_kak

Categories:

А кто живет у вас во рту? Страдающим параноидальным синдромом - воздержаться от прочтения!

16 МАРТА 2018

ЧАСТЬ 1


О составе и роли кишечной микробиоты известно многое. А вот до других частей тела перо научного популяризатора доходит нечасто. Сегодня мы сломаем печать молчания и расскажем про микробов полости рта: какие археи там живут, кто вызывает кариес и можно ли переусердствовать с гигиеной?




Во рту может жить много интересного...
Tom and Jerry © WB cartoon





«В моем рту их живет, наверное, больше, чем людей во всём Соединенном королевстве», — писал Лондонскому королевскому научному обществу один странный человек из небольшого голландского городка Делфта. Хотя этот человек был выбившимся из низов успешным торговцем с высоким чином в городской администрации, у него была одна странность: он часами не выходил из подсобки магазина и постоянно твердил о какой-то невидимой жизни, о существах столь малых, что никакие глаза не могли разглядеть их, и столь вездесущих, что невозможно найти ни одного камня, ни одного листа дерева, ни одной жидкости, где они не обитали бы в превеликом множестве, кроме разве что дождевой воды, где он не мог их отыскать (сейчас мы знаем, что они есть и там [1]). Звали этого эксцентричного лавочника Антони ван Левенгук, а открыл он одноклеточные микроорганизмы с помощью прибора, называемого микроскопом  (рис. 1).

Микроскопии посвящена отдельная статья на «Биомолекуле»: «12 методов в картинках: микроскопия» [2].

Микроскоп Левенгука

Рисунок 1. Микроскоп Левенгука — простейшая конструкция, столь сильно отличающаяся от современных нам оптических микроскопов. Он не имел ни объектива, ни предметного стола. Линза была одна — по сути, микроскопический стеклянный шарик, застывшая капля, филигранно отшлифованная создателем. Объект тем или иным способом помещался перед наблюдателем, за ним — источник света. Наблюдатель прикладывал микроскоп дырочкой к глазу и сквозь линзу смотрел на объект.

Микроскопы были известны и до Левенгука, однако ранее их не очень активно применяли для биологических исследований. Физик Роберт Гук, занимавшийся оптикой, незадолго до этого открыл клетки, но особого значения этому открытию не придавал никто, включая самого исследователя. Левенгук же не только подтвердил и расширил данные Гука, но и открыл совершенно новый мир — одноклеточных организмов. Его первоначальные сообщения, в силу своей неожиданности и эксцентричности самого исследователя, вызвали недоверие в научном сообществе, однако несколько блестящих демонстраций привели к быстрому всеобщему признанию [3].

Он рассмотрел кровь — и открыл эритроциты, микроскопировал сперму — и подтвердил существование обнаруженных Гуком сперматозоидов. Но самую совершенную из своих непревзойденных линз, способную более чем к 300-кратному увеличению, он направил на смывы со своих зубов. И обнаружил, что там живут существа, в разы меньше сперматозоидов или эритроцитов, — спирали, палочки, шарики суетились в капле дождевой воды, которую он использовал для приготовления препарата (рис. 2). Так, начиная с ротовой полости, была открыта микробиота человеческого тела.

Зарисовка микробов Антони ван Левенгуком

Рисунок 2. Зарисовка микробов ротовой полости, обнаруженных Антони ван Левенгуком. Несмотря на использование лишь одной линзы и примитивную конструкцию микроскопа, исследователю удалось достигнуть предела разрешающей способности оптической линзы и обнаружить бактерий.

Довольно скоро стало ясно, что открытые Левенгуком существа не просто живут в окружающем мире, но и оказывают на него существенное влияние. Открытия сыпались одно за другим: именно эти миниатюрные живые капельки, а вовсе не химические реакции, как до того думало большинство ученых, сбраживают виноградный сок и делают из него вино. Они же ответственны за болезни человека и животных, причем самые заразные — чуму, холеру, тиф. Не все они опасны — в кишечнике они живут килограммами, но не наносят никакого вреда, за что первооткрыватели назвали их комменсалами, подчеркивая, что они безвредны для организма, но и пользы не приносят . А с опасными можно бороться их же собственным оружием — антибиотиками.

Теперь мы знаем, что это не так — от микробов в организме зависит множество важных процессов, от усвоения витаминов до развития иммунной системы. Но термин «комменсалы», пусть и не очень корректный, по старой памяти остался.

Во всем этом вихре новостей исследователи быстро забыли первые открытия. Куда интереснее разрабатывать способы борьбы с чумной палочкой, чем изучать многообразие «бесполезных» сожителей. Однако со временем мы поняли, как сильно зависим от всей этой разношерстной компании. Они защищают нас от болезней, но и являются их источником, помогают нам усваивать пищу или пытаются съесть нас.

Теперь не обязательно пристально разглядывать каплю дождевой воды для изучения состава и роли микробиоты в нормальном функционировании организма и при заболеваниях — со времен Левенгука нам стало доступно множество новых методов. Благодаря им мы каждый день узнаем много нового о составе, жизни и функциях микробиологических сообществ различных областей тела. В этой статье мы вернемся к основам и рассмотрим микробиоту ротовой полости во всех доступных деталях.

Уникальное сообщество

Первая черта микробного сообщества рта, которая сразу обращает на себя внимание, — потенциальная патогенность, требующая постоянного активного контроля. Речь в данном случае идет о гигиене. В норме микробы кишечника, кожи, легких, поверхности глаз и так далее не оказывают на наш организм никакого повреждающего воздействия (и про некоторых из них можно почитать на «Биомолекуле» [4]). Гипотетически мы можем сосуществовать с ними неопределенно долго (хотя мыться всё же приходится, чтобы смыть с кожи попавших туда патогенных микроорганизмов, пока они не закрепились и не нарушили баланс уже сложившейся микробиоты).

А во рту всё совершенно не так. Абсолютно нормальные, присутствующие практически у каждого в ротовой полости микроорганизмы вызывают постепенное разрушение зубов (кариес) или воспаление десен (пародонтит и гингивит, о которых мы писали в статье «Дареному коню в десны не смотрят» [5]), если их не контролировать регулярной чисткой зубов.

Ученые пока бьются над загадкой, как же так вышло. Одна из самых правдоподобных гипотез — избыток высокоуглеводной и размягченной пищи, появившийся в нашем рационе с развитием сельского хозяйства. Углеводы являются субстратом многих видов брожения, в результате которого выделяются различные органические кислоты, расщепляющие эмаль зубов [6]. А отсутствие в рационе жесткой волокнистой пищи не позволяет в рутинном режиме разрушать микробные биопленки по мере их созревания, о чем еще пойдет речь дальше. Современная пища кажется нам намного вкуснее пищи предков — необработанной, собранной буквально под ногами. Сегодняшняя еда содержит больше питательных веществ, ее легче и дешевле получить в больших количествах, но, похоже, именно она вредит состоянию ротовой полости. Так что, вполне возможно, что целью всего прогресса человечества является создание и финансирование стоматологической отрасли.

Вторая важнейшая черта флоры ротовой полости — ее разнообразие. По видовому составу микробиоты ротовая полость человека уступает только толстой кишке [7]. Тут представлены все царства микроорганизмов: бактерии, грибы, протисты, археи, а также вирусы всех видов, — есть, где развернуться микробиологу. Такое разнообразие обусловлено большим выбором «мест обитания» во рту. Тут есть и мягкие ткани, вроде десен, языка, щек или нёба. Есть твердая ткань зубов. Есть области, недоступные атмосферному кислороду, вроде протоков слюнных желез. Наконец, есть собственно жидкая фаза — слюна, в которой могут жить неприкрепляющиеся планктонные микроорганизмы.

Кроме разнообразия условий в ротовой полости, стоит еще учесть то многообразие, которое вносят сами микроорганизмы. Если поверхность чистых зубов постоянно подвергается действию кислорода, то после 2–3 дней без зубной щетки она покроется бактериальной биопленкой, в недрах которой спокойно будут жить даже строгие кислородоненавистники — например, Porphyromonas gingivalis. Такие «старые» пленки ассоциированы с основными заболеваниями ротовой полости: кариесом или гингивитом. На формирование зрелой пленки уходит от 24 до 48 часов, так что чистка зубов чаще двух раз в день, как порой советуют недобросовестные врачи или производители паст, будет лишней [8].

Люди совпадают по составу микробиома ротовой полости всего на 40–50% — это пересечение гораздо меньше, чем во всех других частях тела. Зато такая небольшая фракция довольно стабильна географически: ее микробы более-менее одинаковы у австралийского аборигена и британского лорда. Остальные микроорганизмы уникальны для каждого человека, причем их состав постоянно меняется [9]. Когда люди долго живут вместе, то и микробиомы у них «выравниваются», особенно у супругов [10], [11].

Последней выдающейся чертой микробиоты полости рта является ее переменчивость во времени. Если упомянутые ранее 40–50% — более-менее постоянные жители ротовой полости, — то оставшиеся 50–60% меняются в зависимости от пищи, времени суток, здоровья организма и так далее. Для ротовой полости — и только для нее — применяют термин «псевдокомменсалы». Так называют бактерии и другие микроорганизмы, которые попадают в тело человека с пищей, водой, воздухом и так далее. Как правило, это обычные сапрофиты , которые не могут выжить в новой среде и быстро погибают. Их число огромно: по некоторым оценкам, каждый человек потребляет до 3–5 граммов микробов в день. Так что их влиянием на иммунную и другие системы организма просто невозможно пренебречь [12].

Микроорганизмы, свободно живущие в окружающей природе и не нуждающиеся в заселении в чей-то организм.

[РАЗВЕРНУТЬ]

Как изучить невидимое

Собственно, микробиота — это микроорганизмы, существующие в некоторой экологической нише. Такой нишей может быть щель трухлявого пня, каверна в рудном пласте, окрестности черного курильщика на дне океана или поверхность языка человека. Микробы разнообразны и вездесущи, и изучать их стоит без отрыва от этого многообразия.

Но как же это сделать? Классическим методом является культивирование (рис. 3). Оно подразумевает получение смывов с поверхности и образцов жидкости из данной ниши и последующее высевание полученной суспензии микроорганизмов на питательную среду, чаще всего твердую. На среде вырастают колонии, как правило, происходящие каждая из одного микроорганизма-предшественника, содержавшегося в суспензии. Таким образом, все микроорганизмы в колонии являются клонами своего предка. Когда они выросли, их можно изучать: красить, рассматривать в микроскоп, ставить биохимические тесты. В последнее время исследователи научились даже расщеплять их лазером и отправлять фрагменты в полет в масс-спектрометре [13], получая базу данных масс-спектрометрических «отпечатков пальцев».

Культура бактериальных клеток на чашке Петри

Рисунок 3. Культура бактериальных клеток на чашке Петри. На этой чашке выросла синегнойная палочка Pseudomonas aeruginosa — частый гость ожоговых отделений больниц. Здоровому человеку она не страшна, но при ожоге может заразить рану и вызвать осложнения. Отличается зеленым цветом колоний и запахом, сходным с запахом цветков жасмина. К болезням ротовой полости не имеет никакого отношения, но позволяет наглядно показать метод культивирования благодаря своему окрасу.

сайт kohjin-bio.jp

Однако этот метод имеет свои ограничения — подавляющее большинство микроорганизмов категорически отказывается расти на чашках Петри. Возможно, им требуется какая-то особая пища, которую нам еще предстоит определить. Возможно, причина в том, что они не могут жить отдельно от соседей по экологической нише, а кому-то нужна хитрая подложка или отсутствие кислорода. В результате, бóльшая часть микробных сообществ проходит мимо внимания исследователей: всё же выросшие на чашках микроорганизмы в отсутствие природных соседей ведут себя совершенно иначе, чем в своей родной нише. Однако, в последнее время ученые разработали методики, позволяющие выращивать ранее некультивируемые микроорганизмы в среде, максимально приближенной к естественной, например, iChip [14], [15]. Так что мы ждем новых микробиологических открытий.

С наступлением геномной эры у микробиологов появился новый способ изучать такие сообщества: метагеномика. Упрощенно, это тотальное прочтение всех нуклеиновых кислот, найденных в какой-либо экологической нише. Данные, собранные таким образом, обычно нужно долго и мучительно обрабатывать (чем занимаются специалисты по «большим данным» и их суперкомпьютеры), но в результате мы можем довольно точно определить, кто населяет данную территорию — например, поверхность зуба. Многие организмы обнаружили именно таким способом. Про многие мы больше ничего и не знаем, кроме последовательности генома или какой-то его части. Скорее всего, благодаря новым технологиям, вроде той же iChip, мы вскоре сможем преодолеть это ограничение и таки начать культивировать некультивируемое. Ну а пока приходится довольствоваться геномом.

Метагеномика — удивительно производительный и информативный метод. Однако он тоже имеет свои ограничения. При высевании на чашку Петри можно быть уверенным: в родной среде микроорганизма он был жив. Помимо этого, просто из состава среды, на которой он вырос (а тестируются разные среды), мы можем многое понять о его биохимии. Геномика всего этого не предоставляет. ДНК, найденная в образце, может принадлежать давно погибшей бактерии или вирусу — мы об этом не узнаем. О том, чем живет этот организм, мы можем узнать лишь косвенно, сравнивая его гены с генами других микроорганизмов, чьи продукты вовлечены в те или иные биохимические пути или отвечают за какие-то особенности строения.


Кто живет у меня во рту?

Так кто же живет в этом странном, постоянно меняющемся мире ротовой полости? Очень много кто. Тут есть представители всех доменов жизни — археи, бактерии, эукариоты. Есть и большое разнообразие вирусов, причем отнюдь не только вредных. Разберемся по порядку со всеми действующими лицами.

Археи

Представители домена Archaea — нечастые гости в организмах многоклеточных животных, предпочитающие жить в окружающей среде. Однако в ротовой полости сумели обнаружить несколько резидентных видов, относящихся к группе метаногенов. Все они относятся к роду Methanobrevibacter — архей, захватывающих из окружающей среды углекислый газ и превращающих его в метан [16]. Они являются анаэробами, то есть живут только в местах без доступа кислорода, например, в бактериальных биопленках между десной и зубом.

Об их роли в микробиоте ротовой полости известно мало. Отмечено, что количество метаногенов возрастает в области воспаления десен, однако что тут является причиной, а что следствием, установить сложно [17]. С учетом того, что причины гингивита нам более-менее известны, можно предположить, что эти археи в данном случае являются лишь удачливыми бенефициарами сложившихся обстоятельств.

Грибы

Как и археи, грибы нечасто встречаются в составе нормальной микробиоты, хотя это и не исключено. У человека их присутствие оценивали считанные группы исследователей, однако они обнаружили, что в ротовой полости каждого здорового индивида проживают представители 70 родов данного таксона. Наиболее представлены роды Candida, Cladosporium и Saccharomycetales.

Интересно, что многие из обнаруженных видов являются частой причиной микозов — грибковых поражений организма, — хотя обследованные добровольцы от микозов не страдали. Этому есть два возможных объяснения. Первое заключается в том, что эти заболевания являются следствием не оппортунистического заражения, как считалось ранее, а выхода грибковой микрофлоры из-под контроля вследствие иммунодефицита либо хронического стресса. При этом потенциальный источник болезни мы носим с собой постоянно. Второе возможное объяснение, которое признают и сами исследователи, — это то, что использованные методы не исключают детектирования спор грибов, которые распространяются по воздуху. В любом случае, согласно этим данным, от повышенной вероятности болезни до самой болезни — один шаг [18]. Все мы постоянно сталкиваемся с грибами или их спорами, но заболевание они вызывают лишь у людей с ослабленным здоровьем.

Вирусы

В ротовой полости можно обнаружить и впечатляющую коллекцию вирусов. Бóльшая часть из них имеет отношение к той или иной болезни. К примеру, во рту можно найти вирус бешенства (Rabies lyssavirus) или эпидемического паротита (Mumps rubulavirus), если человек ими инфицирован. Одна из их мишеней — слюнные железы, благодаря заражению которых вирус выделяется в слюну. Также часто тут можно обнаружить вирусы, не способные проникнуть в клетки ротовой полости, но попадающие сюда благодаря обильному кровоснабжению — ВИЧ или вирусы гепатита, опять-таки если человек ими заражен [19].

Специфическими для ротовой полости являются такие вирусы человека, как грипп или обширная группа, вызывающая острые респираторные вирусные инфекции (ОРВИ). Они тоже не нацелены непосредственно на ротовую полость, но постоянно поступают в нее при кашле и распространяются дальше воздушно-капельным путем.

Среди тех, кто всё же проникает в клетки ротовой полости, стоит отметить вирус простого герпеса (Herpes simplex virus). При определенных обстоятельствах он может вызвать характерное высыпание на губах, которое довольно быстро проходит и легко лечится. Этим вирусом заражены, по разным данным, от 6 до 9 человек из десяти, так что его можно считать чуть ли не компонентом нормальной микрофлоры. Обычно бóльшую часть времени он проводит в «спящем режиме», никак себя не проявляя. Однако в случае глобального (как при СПИДе) или локального (например, при сужении сосудов губ на холоде) снижения иммунной защиты, он может реактивироваться и вызвать характерные высыпания [20], [21].

Если последствия активации вируса герпеса неприятны, но не опасны, то совсем другая ситуация у папилломавирусов. Они также часто встречаются в тканях ротовой полости и могут не только вызвать кандиломы, но и повысить риск возникновения рака шеи и головы [22], [23].

Но все эти эукариотические вирусы количественно меркнут рядом с другой группой, широко представленной во рту, — фагами (рис. 4). Эти вирусы бактерий находят в ротовой полости благоприятную почву для жизни и размножения. В слюне обнаружены сотни фаговых геномов. Состав этой части микрофлоры очень сильно определяется внешними условиями: если два никак не связанных между собой человека проживают в одном помещении, больше всего у них будет пересекаться именно фаговый метагеном. Это довольно важно в свете того, что фаги способны переносить между бактериями разных видов гены [24], ответственные за выживание и кодирующие различные белки и другие вещества, позволяющие им избежать иммунного надзора, уничтожения антибиотиками и так далее [25].

Бактериофаги на поверхности бактерии

Рисунок 4. Бактериофаги на поверхности бактерии. Электронная микрофотография.

ПРОДОЛЖЕНИЕ

Tags: МИКРОБИОЛОГИЯ, НАУКА, ЧЕЛОВЕК
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 0 comments