Влияние почвы на иммунную систему

Люди, живущие вдоль границы между Финляндией и Россией, могут предоставить ученым ценные данные, которые прольют свет на взаимоотношения человека и природы, в частности на связи между постоянными контактами с окружающей средой и здоровьем иммунной системы. Во время Второй мировой войны эта скандинавская страна уступила довольно значительный кусок своих территорий Советскому Союзу. Во второй половине 20 века финская сторона пережила модернизацию, тогда как люди, жившие на советской стороне, сохранили традиционный уклад жизни. К началу 21 века, согласно результатам исследования, проведенного учеными Хельсинкского университета, уровень распространенности аллергических заболеваний на финской стороне приграничного региона, называемого Карелией, была существенно выше, чем уровень их распространенности среди людей, живущих на российской стороне.

Иммунолог Нанна Фирквист (Nanna Fyhrquist), которая присоединилась к команде Хельсинкского университета в 2011 году и помогла провести это исследование, решила выяснить, почему так происходит. Эта группа ученых выдвинула гипотезу о том, что разница в распространенности аллергических заболеваний между финской и российской сторонами от границы, возможно, каким-то образом связана со степенью непосредственного воздействия микробов, живущих в окружающей среде. Ныне покойный эколог Илькка Хански (Ilkka Hanski) из Хельсинкского университета вместе с исследователями Тари Хаатела (Tari Haahtela) и Линой фон Герцен (Leena von Hertzen) из центральной больницы Хельсинского университета недавно официально сформулировали гипотезу о биологическом разнообразии, которая гласит, что общее биоразнообразие — и, соответственно, микробное разнообразие — среды проживания людей оказывает воздействие на здоровье людей посредством изменений в составе микробиома. Ученые предполагают, что глобальная потеря биоразнообразия является причиной нарушений в регуляции иммунной системы и, соответственно, роста числа аллергических и других воспалительных заболеваний, который наблюдается в развитых странах по всему миру.

Эта гипотеза стала продолжением гигиенической гипотезы, которая была разработана в конце 1980-х и в 1990-х годах, когда исследователи пришли к осознанию того, что жизнь в современном мире, где контакты человека с бактериями ограничены, сопряжена распространением поллиноза и других заболеваний, связанных с дисфункцией иммунной системы. Позже микробиолог и иммунолог Университетского колледжа Лондона Грэхэм Рук (Graham Rook) продолжил развивать эту идею, предложив свою гипотезу «старых друзей», которая гласит, что люди — в частности их иммунные системы — стали зависимыми от тех микробов, с которыми они вместе эволюционировали на протяжении десятков тысяч лет. «Иммунная система — это обучающаяся система, — сказал Рук в своем интервью изданию The Scientist. — Если вы не введете все необходимые данные, она не сможет правильно работать».

Команда финских ученых решила изучить механизмы, посредством которых находящиеся в окружающей среде микробы могут влиять на состояние иммунной системы человека. Один из механизмов предполагает воздействие на резидентную микробиоту человека, которая непосредственным образом связана с развитием аллергических реакций. Эту гипотезу уже отчасти подтвердили данные, полученные в ходе карельского исследования. Как рассказала Фирквист, изучив образцы мазков кожи жителей финской стороны, «мы выяснили, что у детей, живущих в сельских районах в окружении лесов и зеленых насаждений, гораздо реже встречаются аллергические заболевания [по сравнению с финскими детьми, живущими в городах] и что их кожная микробиота гораздо богаче».
На коже детей, живущих в сельских районах, было больше разнообразных бактерий с особенно высоким содержанием ацинетобактерий — род микробактерий класса протеобактерий, которые обычно встречаются на растениях. Ученые выяснили, что у детей, на коже которых было больше ацинетобактерий, наблюдалось более высокое содержание лейкоцитов в крови и что эти белые клетки гораздо активнее продуцировали противовоспалительный цитокин ИЛ-10 по сравнению с лейкоцитами городских детей. «Это натолкнуло нас на мысль, что эта конкретная группа микробов, полученных из окружающей среды, возможно, каким-то образом способна тренировать или обучать иммунную систему», — сказала Фирквист. Образцы, взятые на менее развитой российской стороне границы, подтвердили эту гипотезу: ученые обнаружили более высокую концентрацию ацинетобактерий, нежели в образцах финских детей, независимо от конкретных условий проживания. «Поскольку уклад жизни в России сильно отличается от финского уклада, он, по всей видимости, объясняет отсутствие существенных различий между теми, кто живет и городе и в сельских районах на российской стороне», — добавила она.

Однако, чтобы выяснить, действительно ли постоянный контакт с микробами в почве является причиной различий в составе микробиома, объясняющих относительно низкий уровень распространенности аллергических заболеваний среди россиян, команде нужно было провести эксперимент. В прошлом году Фирквист и ее коллеги использовали мышиную вариацию астмы — заболевания, вызываемого тем же иммунным ответом Т-клеток-помощников второго типа, который лежит в основе аллергических реакций. Ученые содержали часть самок мышей на совершенно чистых подстилках, а в клетках второй группы мышей подстилки были посыпаны почвенной смесью, и эти клетки стояли в загонах, где содержались и другие животные, такие как овцы.

Спустя шесть месяцев мыши, которых содержали на чистых подстилках, продемонстрировали более высокую подверженность воспалительным процессам в легких в ответ на воздействие вызывающего астму аллергена по сравнению с теми мышами, которые постоянно контактировали с почвой. Ученые также выяснили, что — в полном соответствии с более ранними исследованиями — в кишечнике мышей, контактировавших с землей, содержалось больше бактерий группы Bacteroidetes, нежели бактерий группы Firmicutes, — это противоположность микробной сигнатуры, которая обычно ассоциируется с астмой и воспалительными процессами в целом как у мышей, так и у людей. У мышей, контактировавших с почвой, также был зафиксирован более высокий уровень противовоспалительных белков, которые контролируют иммунную систему, включая фермент А20, который защищает мышей от астмы. «Было удивительно наблюдать такие разные уровни изменений и формирования устойчивости у мышей», — сказала Фирквист.

Мыши, на которых финские ученые проводили свой эксперимент, имели длительный физический контакт с наполненной микробами почвой, однако другие исследования показывают, что даже незначительное количество переносимых по воздуху частичек почвы — сравнимое с тем количеством, с которым человек контактирует, проводя время на природе, — тоже может оказывать влияние на здоровье мышей. В рамках исследования, результаты которого были опубликованы в январе, эколог Мартин Брид (Martin Breed) из университета Флиндерса в Аделаиде, Австралия, и его коллеги помешали немного земли, характеризующейся различными уровнями биоразнообразия, в лоток рядом с клетками мышей и включали вентилятор на два часа в день, чтобы создавать «очень легкое дуновение» в сторону животных. По словам Брида, доза воздействия почвы была в 100-1000 раз ниже той дозы, которая использовалась в других исследованиях.

Тем не менее, спустя семь недель такого рода контакта с почвой, характеризовавшейся высоким микробным разнообразием, у мышей были обнаружены изменения в их микробиомах, и они демонстрировали более низкие показатели в стандартных стресс-тестах. «К концу эксперимента фекалии мышей, подвергавшихся воздействию почвы с высоким уровнем биоразнообразия, по своему составу были в большей степени схожи с составом почв с высоким уровнем биоразнообразия, чем в начале эксперимента, — рассказал Брид. — Произошло непосредственное заселение кишечника микробами из почвы. Я был поражен, обнаружив, что мы смогли зафиксировать изменения в составе мышиных фекалий в результате такого незначительного воздействия».

Ученые уже начинают использовать результаты подобных экспериментов, чтобы обосновывать гипотезу о том, что контакт с разнообразными бактериями в окружающей среде — это один из механизмов, объясняющих положительное влияние на здоровье человека привычки проводить время на природе. «Я считаю, что появляется все больше обоснований этой гипотезы и что почва вносит непосредственный вклад в здоровье людей», — сказала Софи Зехмайстер-Болтенштерн (Sophie Zechmeister-Boltenstern), глава Института исследований почвы при Университете природных ресурсов и биологических наук в Вене. «Чем больше биоразнообразие, — добавил она, — тем выше уровень сопротивляемости и устойчивости при контактах с патогенами».

Однако этот вывод связан с одной серьезной проблемой: по словам Зехмайстер-Болтенштерн, биоразнообразие почв в мире уменьшается, а это значит, что даже те люди, которые проводят много времени на природе, сегодня контактируют с меньшим количеством бактерий, чем в прошлом. Недавно она вместе со своими коллегами сообщила, что разнообразие микробиома человеческого кишечника уменьшается на фоне уменьшения биоразнообразия в окружающей среде.

«Люди не слишком хорошо осведомлены об огромном биоразнообразии, скрытом в почве, — сказала она, — но на самом деле почва является самой разнообразной средой обитания на Земле».