Кишечные бактерии обеспечивают здоровую старость
От бактерий, которые живут в нашем кишечнике, мы получаем массу пользы – они не только помогают переваривать еду, но и вообще поддерживают здоровый обмен веществ, кроме того, кишечные микробы необходимы для правильной настройки иммунитета.
Проблемы с микрофлорой могут закончиться разными неприятностями, от диабета до аутоиммунных болезней. Но это все, если можно так сказать, косвенная польза. А вот исследователи из Университета Эмори пишут в своей статье в PNAS, что некоторые желудочно-кишечные бактерии напрямую дают нам вещество, которое в буквальном смысле обеспечивает здоровую старость, хотя и не увеличивает время жизни.
Речь идет об индоле. Он образуется при расщеплении аминокислоты триптофана, в больших концентрациях пахнет крайне неприятно (он и его производное скатол придают фекалиям характерный омерзительный запах), в небольших же концентрациях он пахнет жасмином и используется в парфюмерной промышленности.
Некоторое время назад сотрудники лаборатории Дэниэла Калмана (Daniel Kalman) обратили внимание на то, что индол и родственные ему молекулы, которые появляются в кишечнике в результате деятельности бактерий, делают мышей и круглых червей (или нематод) более устойчивыми к инфекциям и другим стрессовым воздействиям.
Тогда исследователи накормили круглых червей кишечной палочкой, производящей индол, чтобы оценить, как такие черви будут стареть. Когда земной путь нематоды подходит к концу, червь становится малоактивным, меньше двигается, плохо питается и сильнее реагирует на стрессовые раздражители.
Оказалось, что «индольные» бактерии ослабляют признаки старения: старые нематоды активно двигались, были довольно устойчивы к перегреву и хорошо глотали все, что могли проглотить. Более того, такие черви даже дольше размножались: если обычно нематоды прекращают половую деятельность на пятый день жизни, то с кишечной палочкой, обеспечивающей их индолом, они продолжали размножаться вплоть до двенадцатого дня.
Похожие результаты получились и с дрозофилами, и с мышами. Очень старые мыши, которым исполнилось 28 месяцев, оставались подвижными и активными, и они сохраняли здоровый вес, если в их кишечнике жила кишечная палочка, производящая индол. Более того, индол хорошо влиял и на молодых животных тоже, которые с его помощью, например, лучше переносили высокие дозы радиоактивного излучения.
Однако, как мы сказали в самом начале, несмотря на оздоровляющее действие, общее время жизни индол никак не увеличивал: животные погибали в свой обычный среднестатический срок, несмотря на подвижность и хороший аппетит. Как показал генетический анализ «индольных» червей, на молекулярном уровне индол стимулирует активность генов, но совсем не тех, которые могут увеличить продолжительность жизни.
Как именно действует индол, еще предстоит выяснить, но, очевидно, его оздоравливающий эффект связан с кишечником – возможно, здесь он подавляет воспаление и не дает проникать в организм каким-то ненужным веществам. Не исключено, что на основе индола удастся разработать лекарства, более эффективные, чем сам индол, которые позволят пожилым людям забыть, по крайней мере, о некоторых возрастных болезнях.
Как пользоваться межклеточной почтой
Наши клетки общаются по-разному, и если между ними, например, есть какое-то мало-мальски большое расстояние, то клетки либо просто выделяют сигнальные вещества наружу в расчете, что они доплывут до получателя, либо упаковывают сообщение в особые мембранные пузырьки. Они называются везикулами – добравшись до другой клетки, они садятся на ее внешнюю мембрану, и содержимое посылки оказывается в цитоплазме.
Сообщения в везикулах могут быть разные, однако известно, что клетка упаковывает в такие посылки вещества, которые сама же чаще всего и использует. Это значит, например, что стволовые клетки отправляют по везикулярной почте молекулы, которые стимулируют клеточное деление и некоторые другие процессы, свойственные стволовым клеткам.
Теперь представим, что в какой-то ткани возникли проблемы, что в каком-то органе нужно срочно заменить погибшие клетки новыми, а собственных ресурсов органа почему-то не на это не хватает. В таком случае, если мы заставим какие-нибудь другие клетки послать туда химическую посылку, то проблему удастся решить быстрее. Иными словами, мембранные везикулы, которые клетки выделяют из себя, могли бы сыграть большую роль в медицине.
Действительно, их терапевтический потенциал уже успели оценить в экспериментах, в которых моделировались повреждения почек, сердца, печени и даже нервной ткани. Было бы очень удобно, если бы такие «посылки» можно было нарабатывать в лаборатории, чтобы потом применять в нужное время в нужном месте.
Некоторые вещества побуждают клетки выделять везикулы – к таким веществам относится цитохалазин В. Это токсин из грибов, который легко проникает в клетку и парализует некоторые процессы, связанные со сборкой и разборкой цитоскелета, вследствие чего, как мы только что сказали, клетки производят много мембранных пузырьков-«посылок».
Такие пузырьки, возникшие из-за цитохалазина, так же, как и обычные везикулы, вполне способны взаимодействовать с другими клетками – они несут на себе все необходимые рецепторы и аппарат «стыковки». Их можно собрать, заправить каким-нибудь веществом – например, молекулами лекарства или наночастицами – и отправить в организм.
Но что насчет их собственных свойств – несут ли они собственные вещества клетки, или из-за такого способа получения мембранные посылки теряют биологическую активность? Сотрудники Казанского университета вместе с коллегами из нескольких зарубежных научных центров использовали цитохалазин В на клетках нейробластомы человека.
Нейробластомная опухоль формирует в себе много кровеносных сосудов, а это значит, что ее клетки содержат много соответствующих сигнальных веществ; известно, что стволовые клетки соединительной ткани, оказавшись рядом с клетками нейробластомы, начинают активно строить капилляры.
В статье в Oncotarget Альберт Ризванов и его коллеги пишут, что везикулы, которые клетки нейробластомы активно выделяли под действием цитохалазина, по биологической активности оказались ровно такими же, как и ожидалось – они побуждали стволовые клетки к строительству сосудистой сети. В сигнальных «посылках» было много фактора роста эндотелия сосудов (этот белок активирует формирование кровеносных сосудов), по размеру и по другим параметрам они также были схожи с обычными везикулами.
Конечно, в данном случае эксперименты ставили со злокачественными клетками, однако результаты позволяют с уверенностью предполагать, что и все прочие типы клеток можно также «доить» цитохалазином. И если мы знаем, что вещество из какого-то типа клеток может помочь другому типу клеток, то нам не нужно манипулировать целыми клетками, переносить их из одного места в другое, опасаясь при этом побочных эффектов – достаточно воспользоваться везикулярной почтой, ведь мембранные пузырьки для того и нужны, чтобы передавать сообщения.
Те же раковые клетки не только заставляют другие клетки формировать сосуды для опухоли – известно, что они также рассылают особые сообщения, которые либо превращают здоровую клетку в раковую, либо готовят здоровую ткань к прибытию опухолевых метастазов. Но и раковые клетки, в свою очередь, можно бомбардировать сигналами от других клеток, которые будут понуждать их к гибели, и вполне вероятно, что противоопухолевая «пузырьковая терапия» в скором времени появится и в клинике.
Миникишечник на чипе оказался похож на настоящий
Когда мы создаем какое-то лекарство, то рано или поздно приходится проверять его на живом объекте, и прежде всего это клеточные культуры. Но клетки, пусть и в «коллективе», все же сильно отличаются от полноценного организма, или органа, или даже ткани. Для более корректных результатов нужны испытания на животных и на людях. Но с животными и людьми невозможно в деталях проследить все процессы, которые происходят у них внутри, и о каких-то реакциях приходится догадываться по очень косвенным признакам.
Кроме того, организм – система очень сложная и взаимосвязанная, и с ним очень трудно бывает понять, из-за чего случились изменения – из-за непосредственного ли воздействия нашего вещества на изучаемый орган, либо же от косвенного влияния каких-то других факторов.
В идеале, конечно, нужен метод, который позволял бы обращаться с отдельными органами так, как с лабораторными животными. Именно таких методов пока что нет, но зато есть кое-что другое. В последнее время исследователи все чаще используют либо органоиды – очень маленькие подобия тех или иных органов, выращенные из стволовых клеток, либо так называемые органы на чипах.
Органоиды воспроизводят не весь орган целиком, но какой-то элемент его структуры – для примера можно вспомнить микрожелудок, созданный в прямом смысле слова в пробирке. Такие микроорганы довольно сильно похожи на настоящие, разумеется, с поправкой на размеры и ограниченную функциональность.
Органы на чипе делают иначе: клетки высаживают на какой-то сложноустроенный чип, который сделан так, чтобы вместе с клетками имитировать некий биологический процесс. Например, есть так называемые «легкие на чипе»: несколько слоев клеток контактируют, с одной стороны, с кровью, с другой – с воздухом, при этом клеточные слои то растягивают, то сжимают, как в настоящих дышащих легких. А не так давно мы рассказывали о том, как исследователи из Северо-Западного университета сумели посадить на чип женскую половую систему, и наблюдали на таком чипе все стадии менструального цикла.
Сотрудники Лейденского университета вместе с коллегами из биотехнологической компании Mimetas и фармацевтической компании Roche описывают в своей статье в Nature Communications еще один пример органа на чипе – на сей раз это кишечник. Нельзя сказать, что раньше таких кишечных чипов не появлялось, однако, по словам авторов работы, другие чипы не учитывают несколько важных особенностей кишечного эпителия.
Кишечник, по сути, трубка со всасывающими стенками, и кишечный чип – это очень много микротрубочек-микроканальцев, выстланных эпителиальными клетками кишки. По трубкам идут разные растворы с разными веществами, и мы наблюдаем, как клетки на них реагируют. Они, как известно, должны не только переправлять нужные вещества в кровь и лимфу, но еще и служить барьером против ненужных веществ. Если эпителиальный барьер дает течь, то можно ожидать проблем со здоровьем, и как раз такие микропробои на клеточном уровне было бы очень удобно наблюдать на чипах.
В настоящем кишечнике клетки контактируют не только друг с другом – позади них находится еще внеклеточный матрикс – особая субстанция, состоящая из белков, гликопротеинов, протеогликанов и других биомолекул. Матрикс служит клеткам для опоры, через него они обмениваются разными химическими сигналами. В кишечнике внеклеточный матрикс помогает эпителиальным клеткам «держать строй», от него же во многом зависит их способность правильно реагировать на химические сигнальные молекулы.
Новая модель кишечного чипа отличается от прежних как раз тем, что в ней клетки в каналах чипа сидят на особой гелеобразной массе, имитирующей внеклеточный матрикс. Кроме того, слой клеток формируется в потоке питательной среды, под действием гидродинамических сил, подобно тому, как это происходит в самом кишечнике.
На одном таком чипе расположены целых 357 кишечных микротрубок, так что тут можно проверить на совместимость с кишечником довольно много различных соединений одновременно. Но когда мы испытываем какие-то потенциальные лекарства, нам важно знать не только то, оказывают ли они положительный эффект, но и возможные негативные побочные последствия. Можно ли такие побочные последствия увидеть на чипе?
Чтобы узнать это, исследователи добавили в кишечные микротрубки обычный аспирин, который, как известно, повреждает эпителий – из-за аспирина в нем появляются те самые микропробои, перфорации в клеточном слое. Оказалось, что аспирин вредит и кишечнику на чипе тоже, и что с таким устройством можно точно рассчитать диапазон концентраций и время, за которое в эпителии появятся дыры.
Авторы работы утверждают, что эпителиальные клетки в чипе были похожи по молекулярным характеристикам на те клетки, что выстилают настоящий кишечник – в целом новый чип довольно сильно похож на настоящий орган (что подтверждается и его реакцией на аспирин). То, что на нем можно выполнять большое количество измерений, делает его удобным для разнообразных биомедицинских тестов. Так что в будущем, возможно, подобные устройства смогут заменить подопытных животных в лабораториях – тем более, что на такой чип можно посадить и другие типы клеток.