Сны с бактериями
Наталья Резник,
кандидат биологических наук
«Химия и жизнь» №7, 2024
Несмотря на прогресс медицины, люди обременены всевозможными недугами. И в развитии почти любого из них — от астмы и болезней сердца до диабета и ожирения — не обошлось без живущих в человеческом организме бактерий, в первую очередь кишечной микробиоты. Ее изменения связывают даже с психическими заболеваниями: расстройствами аутического спектра, депрессией и шизофренией. Однако те же самые болезни возникают при нарушениях сна: недосыпании, частых пробуждениях, постоянном перемещении между часовыми поясами. Значит ли это, что кишечные бактерии связаны и со сном тоже? Да, значит.
Между мозгом и кишечником
Толстый кишечник человека, да и прочих млекопитающих тоже, плотно заселен, там обитают бактерии, простейшие, вирусы и даже археи (одноклеточные существа без мембранных органелл). Это многочисленное и разнообразное сообщество называется кишечной микробиотой. Сосуществование с ней не проходит для млекопитающих бесследно. В 1960-х годах специалисты Гарвардской медицинской школы под руководством профессора Джона Паппенгеймера (John R. Pappenheimr) искали снотворное вещество в мозге и спинномозговой жидкости животных, лишенных сна. Этим веществом оказались мурамиловые пептиды — компонент клеточной стенки многих видов бактерий. Так ученые обнаружили, что микробиота влияет на сон.
Сон в норме подчиняется циркадному (околосуточному) ритму, о котором мы уже неоднократно писали (см. «Химию и жизнь» 2024, №4). Ритм задают главные биологические часы, которые находятся в супрахиазматическом ядре гипоталамуса и координируют секрецию нейромедиаторов бодрствования — серотонина и норадреналина. Пик синтеза еще одного нейромедиатора, мелатонина, приходится на ночное (темное) время. За это его назвали гормоном сна, хотя он вырабатывается независимо от того, спит человек или животное или нет. Главные часы также координируют работу периферических часов — генов, работающих в различных органах и клетках иммунной системы. На главные часы преимущественно влияет цикл освещения и темноты окружающей среды, периферические реагируют на сигналы вегетативной нервной системы, температуру тела, гормоны и циклы питания/голодания.
Микробиота кишечника также подвержена суточным колебаниям, причем ритмичность этих колебаний зависит от различных внешних и внутренних факторов, в том числе от качества и количества пищи, а также чередования сна и бодрствования.
Израильские ученые под руководством иммунолога Эрана Элинава (Eran Elinav) из Научного института Вейцмана обследовали кишечную микрофлору двух здоровых людей, прибывших в Израиль из США самолетом. Спустя сутки после перелета у обоих возросла численность микробов Firmicutes, а количество Bacteroidetes уменьшилось. Нормальная микробиота у испытуемых восстановилась в течение двух недель после перелета.
Нормальные суточные колебания трех наиболее распространенных таксономических типов кишечной микробиоты (сверху) нарушаются при неблагоприятных условиях (внизу): недостаточной активности часовых генов, хроническом нарушении режима сна/бодрствования или избытке жирной пищи
Некоторые исследователи связывают высокое соотношение Firmicutes/ Bacteroidetes с лишним весом и ожирением. Есть такие специально выведенные мыши, гнотобиологические, не имеющие собственной микрофлоры. Когда ученые пересадили в их кишечник человеческие микробы, полученные после резкой смены часовых поясов, мыши располнели, и у них повысился уровень глюкозы в крови. Эти изменения соблюдением режима устранить не удалось.
Китайские исследователи под руководством профессора Пекинского университета Линя Лу (Lin Lu) обнаружили, что бессонница вызывает у людей дисбактериоз кишечника, воспаление и когнитивные нарушения. В этом эксперименте участвовали 25 здоровых добровольцев, из них 13 мужчин, соблюдавших режим сна и бодрствования в течение как минимум полугода до начала эксперимента. Ложились они в 23:00 ± 30 минут и вставали в 7:00 ± 30 минут. Испытуемые перебрались в Центр исследования сна при Пекинском университете, где неделю следовали привычному графику и спали по 8 часов в сутки. Затем они пережили 40 часов без сна и 8 часов восстановительного сна.
Оказалось, что бессонница повлияла на умственные способности испытуемых: они провалили тесты на внимание, у них замедлилась реакция и ухудшилась память. Участники эксперимента испытывали стресс (у них увеличился уровень кортизола в слюне), возросло и количество факторов воспаления. А еще бессонница резко сократила видовое разнообразие кишечной микробиоты и изменила ее состав.
Исследователи не ограничились этими наблюдениями и пересадили человеческую микробиоту, взятую до и после бессонницы, гнотобиологическим мышам. Спустя две недели у мышей, получивших «бессонную» микрофлору, усилился синтез факторов воспаления, в том числе фактора некроза опухоли TNF и интерлейкина-6, а противовоспалительных факторов стало меньше. У мышей также увеличилась проницаемость кишечных стенок — так называемый феномен «дырявого кишечника». При повышенной проницаемости микробы и липополисахариды микробной клеточной стенки просачиваются между клетками эпителия и проникают в кровоток, что, конечно, усиливает воспалительные реакции.
Эксперименты Яосин Чэня и его коллег. Изменения в микробиоте, вызванные бессонницей, влияют на когнитивные способности и память и передают эти изменения нормально спавшим животным особям. Мелатонин и бутираты купируют последствия бессонницы
Разные исследователи наблюдали аналогичные симптомы у обычных мышей, которым не давали спать, а у гнотобиологических грызунов бессонница не имела таких последствий. Их когнитивные способности не пострадали, равно как и проницаемость кишечника. Следовательно, участие кишечных бактерий в последствиях бессонницы несомненно.
В том, как это происходит, ученые, в общем, разобрались. Кишечные бактерии связаны с центральной нервной системой. Эту связь обеспечивает ось «кишечник — кишечная микробиота — мозг», про которую мы тоже писали (см. «Химию и жизнь», 2012, №6). Бактерии толстого кишечника, расщепляя питательные вещества, образуют короткоцепочечные жирные кислоты: уксусную, пропионовую и масляную. Бутираты и ацетаты влияют на работу часовых генов. Так, введение ацетата и бутирата натрия в кровоток мышей влияет на экспрессию часовых генов Bmal1 и Per2 в клетках печени. При этом продолжительность сна с медленным движением глаз у грызунов возрастает на 70%. Подкожные и внутрибрюшинные инъекции бутирата на мышиный сон не влияют — масляная кислота непременно должна попасть в кровь и оттуда в печень.
Количественные и качественные изменения нормальной кишечной микрофлоры (дисбактериоз) и, следовательно, дефицит микробных метаболитов приводят к нарушению работы генов центральных и периферийных циркадных часов и расстройствам сна. Из-за нарушения работы часовых генов Bmal1 и Cry1 в эпителиальных клетках кишечника увеличивается проницаемость кишечных стенок — образуется тот самый «дырявый кишечник».
Мурамиловые пептиды и липополисахариды клеточной стенки бактерий, попав в кровоток, вызывают у хозяина утомляемость и сонливость, в частности усиление медленного сна. Они же стимулируют синтез медиаторов воспаления в макрофагах. Бутират же с воспалением борется, поддерживая барьерную функцию кишечника и подавляя синтез молекул воспаления.
Периферическим действием эффект бактерий не ограничивается. И липополисахариды, и бутираты из крови проникают в мозг, где связываются с толл-подобными рецепторами (TLR4). Липополисахариды при этом провоцируют воспаление в нервной ткани гиппокампа и микроглии. Микроглия — это макрофаги центральной нервной системы. Но, поскольку мозг обычно стерилен, микроглия не с инфекцией борется, а помогает формировать и поддерживать контакты между нервными клетками. Бутираты, взаимодействуя с TLR4, воспалению препятствуют.
Связь кишечника с мозгом двунаправленная. Мозг регулирует синтез сигнальных молекул, которые выделяют в просвет кишечника нейроны и клетки иммунной системы, а также контролирует перистальтику и секреторную деятельность кишечника, что, в свою очередь, действует на бактерии. Нарушения сна могут изменить состав микрофлоры, изменения микрофлоры вызывают бессонницу.
Добавляем мелатонин
Воспаление, сон и микробиом кишечника тесно связаны. Недостаток сна усиливает воспаление, которое в некоторых случаях может быть вызвано кишечным микробиомом; воспаление и инфекция вызывают сон, а потеря сна увеличивает восприимчивость к инфекционным заболеваниям.
Детали этой сложной взаимосвязи активно изучают китайские исследователи под руководством Яосин Чэня (Yaoxing Chen), профессора Китайского сельскохозяйственного университета.
Ученых интересовали не только эффекты кишечной микробиоты, но и их взаимодействие с мелатонином. Мелатонин помогает людям заснуть и наладить нарушенный циркадный ритм; восстанавливает когнитивные способности мышей, нарушенные бессонницей. Он также способствует увеличению численности кишечных бактерий, которые образуют короткоцепочечные жирные кислоты, в том числе масляную. В общем, не зря же мелатонин называют гормоном сна?
Исследователи разделили взрослых самцов мышей на доноров и реципиентов, а доноров, в свою очередь, на спящий контроль — мышей, которым не давали спать (это называется депривацией сна), и мышей с депривацией сна, принимавших мелатонин. Чтобы мыши не могли нормально отдохнуть, их поместили в резервуар с водой и несколькими маленькими платформами. На 12 мышей приходилось 18 платформ. Мыши могли прыгать с одной платформы на другую и даже на них спать, но когда они достигали фазы быстрого, или парадоксального, сна, при которой большинство скелетных мышц расслабляется, то часто падали в воду, отчего просыпались и забирались на платформу. Утонуть они не могли — в резервуаре было достаточно мелко.
Мелатонин мышам вводили внутрибрюшинно, контрольные группы кололи растворителем без гормона.
Спустя трое суток такой жизни у доноров всех трех групп собирали фекальную микробиоту и вводили реципиентам. Гнотобиологических мышей у исследователей не было, поэтому реципиентам предварительно давали антибиотики в лошадиных дозах, чтобы убить их собственных бактерий.
Оказалось, что лишение сна влияет на микробное сообщество: в нем возрастает доля патогенов, которые вызывают воспаление кишечника и увеличивают его проницаемость. В то же время уменьшается доля бактерий, производящих бутираты. В мышином мозге погибают клетки микроглии и нейроны гиппокампа, в гиппокампе повышается содержание факторов воспаления и снижаются когнитивные способности. Для проверки когнитивных способностей использовали водный лабиринт Морриса. Это круглая емкость, 120 см в диаметре и 50 см высотой, заполненная теплой водой. Вода подкрашена черными чернилами, и потому непрозрачна. Под водой скрывается круглая платформа, на которой можно передохнуть. Мыши запоминают, где она располагается, и время, за которое они ее потом находят, свидетельствует об их пространственной памяти. После депривации сна у мышей с памятью плохо.
У реципиентов, получивших микробиоту от этих доноров, развились те же симптомы. Затем этим же мышам пересадили микробиоту от неспавших доноров, принимавших мелатонин, и негативные симптомы исчезли. Микробиота, восстановленная мелатонином, близка микробиоте контрольных животных.
Последствия бессонницы смягчал и бутират натрия — введенный лишенным сна мышам, он восстановил их память и уменьшил воспаление. Он также подавляет синтез факторов воспаления, который вызывает добавка липополисахаридов к культуре клеток микроглии. Бутират — ключевой медиатор противовоспалительной активности. Недавнее исследование, проведенное в Китайском фармацевтическом университете, показало, что при введении бутирата натрия через рот у мышей с болезнью Альцгеймера смягчаются нейровоспаление и когнитивные нарушения. Яосин Чэнь и его коллеги выяснили, что бутират — сигнальная молекула оси «мозг — кишечник» — может способствовать влиянию мелатонина на улучшения памяти при бессоннице.
Итак, изменения в микробиоте, вызванные бессонницей, не только влияют на когнитивные способности и память, но и передаются вместе с микробиотой другим особям. Мелатонин купирует эти симптомы, снижая численность патогенов и повышая количество нормальной микрофлоры и бутирата в толстой кишке. Эти изменения уменьшают воспалительную реакцию и апоптоз нейронов в гиппокампе.
Уж не рулят ли нами микробы?
Мы говорили о «хорошей» и «плохой» микробиоте. На самом деле это довольно расплывчатые понятия. Firmicutes и Bacteroidetes — очень крупные таксономические единицы, объединяющие множество разных бактерий. Иногда удается выделить отдельные виды полезных бактерий. Например, в экспериментах Яосин Чэня к бактериям, образующим масляную кислоту, относится Lachnospiraceae_NK4A136, Lachnospiraceae_A2, Eubacterium xylanophilum и Ruminococcus_1, а роль «злодея» досталась бактериям рода Aeromonas. После бессонницы их в кишечнике много, после введения мелатонина или бутирата — мало, в микробиоте нормально спящих мышей — тоже мало.
Aeromonas — патоген, вызывающий кишечные и некишечные инфекции, может передаваться через кровь. Его считают главным виновником эффектов «бессонной» микробиоты
Содержание Aeromonas в кишечнике коррелирует с количеством полисахаридов в гиппокампе. Липополисахариды Aeromonas вызывают воспаление нервной ткани. Их считают главными виновниками эффектов «бессонной» микробиоты. Колонизация Aeromonas или введение молекул его клеточной стенки приводят к воспалению гиппокампа и нарушению пространственной памяти, и эти изменения также излечиваются приемом мелатонина — уровень Aeromonas и липополисахаридов снижается. Но в других экспериментах могут найтись другие виновники.
Еще на сон могут повлиять некоторые бациллы и клостридии, которые усиливают синтез серотонина в особых энтерохромаффинных клетках толстой кишки. Именно эти клетки в кишечнике производят и запасают серотонин, а серотонин — один из предшественников мелатонина.
Потеря сна, как мы помним, вызывает и метаболические нарушения: ожирение или инсулиновую резистентность. Эти нарушения могут вызвать чрезмерный рост специфических кишечных бактерий и также передаются вместе с микробиотой. Например, у здоровых мужчин с нормальным весом после двух ночей короткого сна (они спали чуть больше четырех часов вместо обычных восьми) снижалась чувствительность к инсулину натощак и после приема пищи. При этом частичное лишение сна привело к изменениям кишечной микробиоты, в том числе увеличилось соотношение Firmicutes/Bacteroidetes в микробиоте кишечника. В некоторых случаях проблему удается решить, избавившись от вредных бактерий с помощью лечения антибиотиками.
Исследований, посвященных эффективности воздействия на микробиоту для улучшения сна, немного, но они есть. Например, исследование с участием 32 студентов-медиков показало, что введение пробиотика Lactobacillus gasseri CP2305 значительно улучшает качество сна. Для определения качества сна используют Питтсбургский индекс качества сна (PSQI), который учитывает субъективную оценку качества сна, время засыпания, продолжительность сна, привычную эффективность сна, то есть долю времени сна по отношению ко времени, проведенному в постели, нарушения сна, использование снотворных препаратов и дневную дисфункцию. Оценка получается довольно точная.
Возможно, некоторые люди, прочитав всё это, запаникуют. Получается, что вся наша жизнь под контролем микробов и не зря микробное сообщество называют вторым мозгом? Это преувеличение, конечно. Наш первый мозг главнее, и мы, к счастью, можем им пользоваться: соблюдать режим сна и питания, избегать жирной пищи, при нарушении сна принимать мелатонин, бутират или пробиотики.
Иллюстрация Александра Кука