Человеческое тело содержит огромное количество бактерий — примерно столько же, сколько и человеческих клеток. Большинство из них расположено в кишечнике, особенно в толстой кишке. Вместе разнообразные микроорганизмы, включая множество видов и штаммов бактерий, образуют микробиоту кишечника, которая, как считается, играет центральную роль в здоровье человека, влияя на иммунный ответ и развитие различных заболеваний.
Однако, несмотря на обширные исследования микробиоты, основанные на секвенировании генов и экспериментах с животными моделями, динамика микробных популяций в кишечнике человека остаётся плохо изученной.
Алинаги Салари из Университета Торонто и Джеймс Кремер из Стэнфордского университета предложили биофизическую модель среды кишечника, которая включает широкий набор характеристик толстой кишки человека. Используя модель, исследователи определили, как различные факторы — поступление питательных веществ и пищеварение, рост бактерий и колебания биомассы в течение дня — влияют на общую динамику популяции микробиоты кишечника.
Взаимодействие микробиоты кишечника с организмом человека
Микробиота кишечника сложным образом взаимодействует с организмом человека или другого животного. Помимо помощи хозяину в переваривании пищи, микробиота участвует в созревании иммунной системы хозяина и влияет на пролиферацию клеток хозяина, а также на неврологическую сигнализацию.
Состав микробиоты кишечника может оказывать существенное влияние на здоровье хозяина: некоторые аномалии состава связаны с такими заболеваниями, как ожирение и диабет 2 типа. Микробиота кишечника также связана с серьёзной проблемой общественного здравоохранения: развитием устойчивости к антибиотикам как у людей, так и у животных.
Кишечные бактерии потребляют пищу, растут, взаимодействуют и эволюционируют в своей естественной среде. Понимание этого взаимодействия имеет ключевое значение для определения того, что контролирует состав микробиоты кишечника, и может быть полезно при разработке вмешательств, которые изменяют этот состав для улучшения здоровья хозяина.
Физические особенности среды кишечника
Среда кишечника сложна с физической точки зрения. Она характеризуется общим направленным гидродинамическим потоком вдоль основной оси кишечника, поскольку содержимое кишечника постепенно перемещается вперёд, причём большинство бактерий переносятся этим потоком.
Другой характерной особенностью гидродинамики кишечника является перемешивание и рециркуляция, вызванные сокращениями мышц вокруг кишечника. Эти движения способствуют пищеварению. Концентрации пищи и бактерий также демонстрируют сильные градиенты вдоль основной оси кишечника.
После того как пища поступает в кишечник, простые питательные вещества сначала поглощаются организмом, а затем более сложные молекулы расщепляются бактериями, которые, в свою очередь, делятся и становятся более многочисленными. В конце концов, оставшаяся пища выводится из организма вместе со многими бактериями.
Кроме того, среда кишечника характеризуется значительной временной изменчивостью, поскольку пища потребляется во время приёма пищи, а дефекация также происходит в определённое время. Физические модели в настоящее время играют ключевую роль в понимании того, как эта сложная среда кишечника формирует численность, состав и динамику микробиоты.
Новая работа Салари и Кремера
Новая работа Салари и Кремера основана на новаторских моделях микробиоты кишечника, ранее разработанных Кремером и его коллегами. Такие модели учитывали взаимосвязь микробного роста и гидродинамики жидкости в кишечнике и давали представление о том, как в кишечнике устанавливаются градиенты концентрации пищи и питательных веществ.
Новая модель Салари и Кремера более полная. Она явно учитывает радиальное измерение кишечника — рассматривается как цилиндр — а также динамические изменения радиуса, вызванные сокращениями мышц, что делает кишечник расширяемым.
В рамках этой модели исследователи изучают влияние среды кишечника на популяцию кишечных бактерий, выполняя моделирование на основе методов конечных элементов. Они определяют различные факторы, которые вместе позволяют проксимальному отделу толстой кишки (первой и средней части толстой кишки) поддерживать высокую, но вариабельную микробную популяцию.
Такие факторы включают зависящее от времени потребление пищи (потребление трёх приёмов пищи в течение дня), расширяемый объём кишечника, периодические массовые движения содержимого кишечника и наличие мешочкообразной структуры, защищённой от основного потока (известной в анатомии как слепая кишка).
Интересно, что, если не учитывать все эти физические факторы вместе, моделирование предсказывало бы снижение популяции бактерий, что не соответствует наблюдениям. Учёт всех этих физических факторов одновременно имеет ключевое значение для восстановления особенностей, наблюдаемых в биологии.
Важные выводы
Понимание ключевых биофизических факторов, влияющих на динамику роста микробов, открывает окно в то, как физиология хозяина может контролировать этот микробный рост. Такие новые идеи открывают множество направлений для дальнейших фундаментальных и прикладных исследований, потенциально включая разработку медицинских вмешательств, нацеленных на микробиоту кишечника.
В частности, исследования могут иметь важные последствия для изучения экологии кишечных бактерий и их взаимодействий (между собой и с хозяином). Важный вывод касается бактерий, которые полагаются на перекрёстную подкормку (то есть они питаются продуктами метаболизма других видов бактерий, которые расщепляют сложные питательные вещества, продуцируемые в результате ферментации в толстой кишке).
Новая модель Салари и Кремера предполагает, что эти бактерии не могут эффективно накапливаться из-за их более медленного роста. Таким образом, большинство этих питательных веществ остаётся доступными для хозяина в качестве источника энергии.
Наконец, работа имеет важное значение для понимания дарвиновской эволюции микробиоты кишечника. Исследователи оценивают «эффективный» размер популяции (количество бактерий), который получается в результате их модели. Это число, представляющее размер эквивалентной, хорошо перемешанной популяции, которая не меняется во времени, является важным показателем того, как мутанты захватывают бактериальную популяцию в кишечнике.
Новые оценки соответствуют эффективному размеру популяции, который меньше ожидаемого — вывод, имеющий значение для нашего понимания бактериального разнообразия и оборота видов, а также для разработки более детальных моделей эволюции микробиоты кишечника.