Фармакология

Коллектив ученых из московского Физтеха, Федерального научно-клинического центра физико-химической медицины и Data Laboratory создал интерактивную мировую карту лекарственной устойчивости микробиоты кишечника человека — ResistoMap.

Интернет-ресурс дает возможность исследователям визуально оценивать уровень устойчивости у населения стран мира и сопоставлять его с социоэкономическими и клиническими факторами. Это позволит поднять контроль за нарастающей лекарственной устойчивостью на качественно новый уровень.

Еще один орган человека

Микрофлора (микробиота, или микробиом) человека — это совокупность всех микробов, населяющих тело человека. Больше всего бактерий в кишечнике — десять триллионов, что сопоставимо с числом клеток нашего тела (они меньше, поэтому компактно размещаются у нас в животе). Кишечная микробиота одна из самых важных для жизни человека, она помогает в пищеварении, защищает от болезнетворных бактерий, участвует в работе иммунной, эндокринной и даже нервной системы. По сути это еще один орган человека, только состоящий не из человеческих, а микробных клеток.

Прочтение генетической информации всех бактерий кишечника (их метагенома) показало, что у двух случайно выбранных людей могут диаметрально различаться составы кишечных сообществ, но их общая сумма будет обеспечивать схожий набор функций. Судя по анализу микробных генов, различных функций в микробиоте закодировано на два порядка больше, чем в геноме человека. Внутри себя каждый из нас носит настоящую биофабрику, способную к переработке и синтезу множества активных веществ.

Как мы селекционируем суперпатогены у себя в животе

При приеме антибиотиков человеком в его организме выживают те бактерии, которые несут гены, наделяющие их защитой от антибиотиков (гены лекарственной устойчивости). Весь набор генов лекарственной устойчивости в микробиоте называется резистомом. Получается, что, принимая антибиотики, человек проводит у себя в кишечнике искусственный отбор на повышение резистома кишечного сообщества микробов.

Казалось бы, в чем проблема? Ведь это всего лишь наша нормофлора, обычные бактерии, в большинстве полезные. Но если чувствительная к антибиотику "плохая" бактерия, возбудитель инфекции, встретится с нормальной, то может позаимствовать у последней эти гены устойчивости (за счет горизонтального переноса генов). И стать "очень плохой", потому что теперь от нее не вылечиться данным лекарством. Описанная встреча может произойти в кишечнике не того человека, который лечился антибиотиком, а другого или во внешней среде — бактериям свойственно передаваться от человека к человеку.

Антибиотики попадают к кишечным микробам не только в виде лекарств. Они применяются с 1950-х годов в сельском хозяйстве как стимулятор роста для скота. Вместе с мясом и молоком в наш организм попадают и малые дозы антибиотиков, которые тоже вносят вклад в расширение репертуара генов лекарственной устойчивости. Вегетарианство не спасет: как антибиотики, так и бактерии, устойчивые к ним, могут попадать к нам с овощами, которые удобряют навозом от скота, накормленного антибиотиками.

Похожая картина наблюдается и в других микробиомных популяциях в нашем организме: в дыхательных органах, мочеполовой системе и других. А в итоге получается, что, принимая антибиотики, каждый из нас и человечество в целом повышает вероятность появления superbugs — суперпатогенных микробов, коллекционеров генов устойчивости, против которых бессильны все известные виды антибиотиков. Сейчас по всему миру ведется множество исследований, направленных на то, чтобы побороть растущую лекарственную устойчивость.

Микроскоп для изучения устойчивости микробов

У каждого из нас свой состав кишечного сообщества микробов со своим набором генов устойчивости. При этом он варьирует у населения из разных социальных групп и стран. Выращивать в лаборатории отдельно каждый из тысяч видов микробов и выяснять, к каким антибиотикам он устойчив — невыполнимая на практике задача. Более того, один и тот же вид микробов у разных людей может обладать разным профилем устойчивости. С другой стороны, прочтение всей генетической информации микробиоты человека — метагеномное ДНК-секвенирование — дает общую картину того, какие гены устойчивости есть, и позволяет понять, как патогены снабжаются генами резистентности.

Наша исследовательская группа исходила из того, что чем больше у определенной группы населения уровень и разнообразие резистома, тем больше вероятность возникновения в этом сообществе новых устойчивых возбудителей заболеваний, подчерпнувших гены резистентности от кишечной микробиоты. Надо лишь собрать все имеющиеся на сегодня данные по кишечным метагеномам в единый реестр, доступный не только научному сообществу, но и практикующим врачам, максимально наглядный и удобный в работе с ним. Так появилась наша карта ResistoMap.

Большинство исследований в мире в этой области проводятся на государственные деньги, и обычно полученные на деньги налогоплательщиков результаты авторы обязаны выложить в открытый доступ. Поэтому всевозможные замеры процессов и генетической информации о живых организмах оказываются на специальных сайтах, откуда их может взять каждый желающий. Благодаря этому нам удалось собрать и объединить метагеномные данные, полученные в одинаковом формате в разных исследованиях микробиоты кишечника лабораториями со всего мира. Оставалось провести метаанализ — обработав их единообразно и совместив на общей карте, показав таким образом разнообразие генов устойчивости в кишечнике у сотен людей со всего мира.

"Большие данные" помогут правильно прописывать антибиотики

Карта ResistoMap размещена на общедоступном сайте. На карте мира отображается средний уровень устойчивости, а ниже — на клетчатом графике, диаграмме интенсивности (heatmap) — более детальная информация: резистом по группам антибиотиков. Пользователь может фильтровать и группировать данные по возрасту, странам, диагнозу. Это позволяет сформировать нужный исследователю срез большого мирового массива данных и проанализировать закономерности в выборке.

Код программного обеспечения прозрачен и общедоступен. После публикации научной статьи о ресурсе его уже начали использовать ученые из других стран. Сейчас на карту нанесены данные по населению из 15 стран мира, но ожидается пополнение: разработчики пригласили всех пользователей ресурса принять участие и добавить свои данные на карту, чтобы совместно сделать карту более информативной для понимания общей картины распространения устойчивости через микробиоту в мировом масштабе и полезной в практическом плане. Как говорит сотрудник нашего исследовательского коллектива Константин Ярыгин, "наш инструмент подскажет исследователям новые идеи, как оптимизировать схемы применения антибиотиков в медицине, а также в сельском хозяйстве".

Параллельно с разработкой карты биоинформатики создали алгоритмы анализа метагеномных данных, которые позволили отследить, как гены устойчивости кочуют между геномами разных кишечных микробов у одного и того же пациента в ходе антибиотикотерапии. А микробиологи выделили отдельные виды из микробиоты и показали, как микробный вид, чувствительный к антибиотику, сменяется своей устойчивой разновидностью после курса лечения. В перспективе анализ кишечного резистома отдельно взятого человека позволит персонализироовать курс приема антибиотиков.

Работа проведена в рамках проекта "Оценка вариабельности резистома микробиоты кишечника у жителей РФ для обнаружения путей передачи и распространения антибиотикорезистентности" при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект N15-14-00066).

Александр Тяхт, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории биоинформатики ФБГУ "Федеральный научно-клинический центр физико-химической медицины Федерального медико-биологического агентства";

Татьяна Небольсина, Московский физико-технический институт