С каждым вдохом микробы могут попасть в легкие. Но что происходит, когда они туда попадают? И почему у одних людей случаются опасные легочные инфекции, такие как пневмония, а у других – нет?
Исследователи из Медицинской школы Мичиганского университета начали отвечать на эти вопросы, изучая микробиом легких – сообщество микроскопических организмов находится в постоянном контакте с нашей дыхательной системой.
Изучая эти бактериальные сообщества и то, как они меняются в процессе болезни, они надеются проложить путь к новым способам профилактики и борьбы с легочными инфекциями у пациентов.
Говоря на одном языке
В новых результатах, опубликованных за последние недели, команда U-M показала, что неприятный "Обратная связь" может объяснить взрывное начало бактериальных инфекций легких: рост некоторых бактерий ускоряется теми же молекулами, которые клетки нашего тела вырабатывают как сигналы бедствия.
Исследование, опубликованное в Американском журнале респираторной медицины и реанимации, было первым, кто спросил, как уровни этих "сигналы бедствия" относятся к бактериальным сообществам в легких. Эти молекулы стресса, называемые катехоламинами (такими как адреналин), вместе составляют один из основных способов реакции организма на стресс или травму. Предыдущие лабораторные исследования показали, что некоторые бактерии растут быстрее при воздействии этих молекул, но ни одно исследование на людях или животных не установило, связаны ли они с изменениями в респираторном микробиоме.
Используя 40 образцов, взятых у пациентов с трансплантацией легких в различных состояниях здоровья, команда UM обнаружила, что сообщество бактерий в легких разрушилось у пациентов с респираторными инфекциями, и что этот коллапс тесно связан с уровнями катехоламинов в легких. Наиболее распространенные бактерии, обнаруженные в этих разрушенных сообществах, были теми, которые реагировали на катехоламины в лабораторных экспериментах.
"Наши результаты показывают, что человеческие и бактериальные клетки в наших легких говорят на одном языке," говорит Роберт Диксон, M.D., доцент кафедры внутренних болезней и ведущий автор нескольких новых статей. "Иммунные клетки наших легких реагируют на инфекцию, производя катехоламины. Наши результаты показывают, что эти катехоламины, в свою очередь, могут ускорить рост некоторых опасных бактерий, что вызывает усиление воспаления и передачу сигналов стресса. Это замкнутый круг."
Диксон отмечает, что понимание микробиома легких все еще находится в зачаточном состоянии, и эта область часто затмевается микробиомом пищеварительного тракта.
Фактически, многие медицинские учебники до сих пор учат, что в легких нет бактерий, а микроскопические организмы присутствуют только во время инфекций. Между тем, в последние годы расширились исследования огромного количества микробов, живущих в нашем кишечнике.
Но исследование, проведенное Диксоном и микробиологом Университета штата Мичиган Гэри Хаффнаглом, доктором философии.D., продолжает доказывать, что, хотя наши легкие не так наполнены микробами, как пищеварительный тракт, "экосистема" микробиома легких процветает и важен.
"У легких своя анатомия, своя физиология и своя экология," говорит Диксон. "Правила кишечного микробиома могут не применяться. Нам нужно задуматься о том, как пневмония и другие заболевания легких возникают из сложной экосистемы наших дыхательных путей."
В недавней статье в PLoS Pathogens команда U-M излагает ключевые принципы для понимания экологии микробиома легких и его роли в развитии заболеваний.
Антарктида или Мадагаскар?
В другой недавней статье, опубликованной в Annals of the American Thoracic Society, команда U-M спросила, насколько похожи бактериальные сообщества в различных областях легких у здоровых людей. Работа возникла в результате наблюдения за пациентами с запущенным заболеванием легких: бактериальные сообщества, обнаруженные в одной области легких пациента, могут выглядеть совершенно иначе, чем сообщества, обнаруженные в других частях легких того же пациента.
"Поскольку внутренняя часть наших легких имеет площадь поверхности, которая в 30 раз больше, чем наша кожа, неудивительно, что некоторые бактерии изменяются," говорит Диксон. "Но никто не смотрел, насколько разнообразны в пространстве эти бактериальные сообщества у здоровых людей."
Итак, команда под руководством Джеффри Кертиса, M.D., получили образцы бактериальных сообществ легких из нескольких участков легких 15 здоровых добровольцев-исследователей. Они подробно изучили их, используя передовое генетическое секвенирование, которое позволяет увидеть относительное количество различных микробов в популяции определенной области. Они обнаружили, что здоровые люди имеют относительно однородные бактериальные популяции в легких, а микробиом отличается от человека к человеку гораздо больше, чем в легких одного человека.
Эти данные подтверждают "адаптированная модель острова" что команда U-M разработала, чтобы объяснить, как микробиом легких заселяется у здоровых людей. В этой модели легкие постоянно засеваются бактериями из "исходное сообщество" устья, так же как острова засеяны иммиграцией видов с близлежащих континентов.
"Легкие не забиты бактериями, как пищеварительный тракт, но они тоже не свободны от них," говорит Диксон. Он сравнивает здоровый микробиом легких с населением Антарктиды. "Люди въезжают, люди уезжают, но воспроизводства не так много."
Но у людей с поврежденными легкими – например, с муковисцидозом или хронической обструктивной болезнью легких – экосистема гораздо более благоприятна для бактерий. Легкие и дыхательные пути становятся больше похожи на тропический лес, богатый пищей и питательными веществами, где некоторые бактерии могут процветать и размножаться – больше похоже на Мадагаскар, чем на Антарктиду.
Здоровые vs. больной
В прошлогодней статье в The Lancet Диксон и Хаффнэгл рассмотрели то, что известно об обострениях – вспышках таких заболеваний, как астма, МВ, ХОБЛ и фиброз легких. Они приходят к выводу, что во многих случаях эти события могут быть связаны с нарушением микробиома легких пациента – состоянием, известным как дисбактериоз.
"Старое объяснение многих обострений заключалось в том, что дыхательные пути остро инфицированы бактериями," говорит Диксон. "Но большое количество исследований микробиома показали, что это не так. Наше старое определение «инфекции» вообще не объясняет, что происходит."
Вместо этого, утверждают Диксон и Хаффнэгл, обострения возникают, когда сообщества бактерий в дыхательных путях пациента нарушаются, что вызывает воспаление, которое, в свою очередь, еще больше нарушает сообщества бактерий. Этот цикл дисбактериоза и воспаления характерен для ряда хронических воспалительных заболеваний легких.
Команда UM запускает исследование, в котором будут взяты образцы микробиома критически больных пациентов, таких как те, которые Диксон лечит в отделениях интенсивной терапии в UM Health System. Многие из этих пациентов подвержены риску сепсиса, острой дыхательной недостаточности или инфекций, вызываемых Clostridium difficile, которые приживаются после приема пациентом антибиотиков для лечения инфекции. Уход в отделении интенсивной терапии также часто включает лечение адреналином и норадреналином – два катехоламина, которые, как показала команда, связаны с коллапсом микробиома легких.