Итак, антибиотик действует, диета с высоким содержанием жиров тоже, но вот сумма их эффектов оказалась больше, чем сумма отдельных частей: они образуют синергию. Для самок воздействие медикаментов стало триггером для превращения большего числа дополнительных калорий в жир, а вот у самцов росли и мышечная, и жировая масса. Мы еще не знаем, в чем причина такой разницы между полами. Тем не менее наблюдения согласуются с идеей, что современная высококалорийная диета сама по себе еще не объясняет эпидемию ожирения и что определенную роль в ней могут играть и антибиотики.
Мы задали еще один простой вопрос, предложенный нам диссертационным комитетом Лори. Достаточно ли давать курс антибиотиков всего лишь несколько недель, чтобы обеспечить прибавку в весе? Этот вопрос важен для будущего наших детей. Если набор веса обусловлен долгосрочным приемом антибиотиков, то, может быть, для детей это не так важно. Очень немногие принимают их всю жизнь. Но вот если проблему вызывает даже краткосрочное воздействие, то, возможно, мы найдем причину нынешней эпидемии. Большинство получают сравнительно краткосрочные курсы при лечении отита и простудных заболеваний, особенно в раннем детстве.
В марте 2011 года Лори начала эксперимент DuraSTAT; свое название он получил потому, что мы определяли, насколько прочным (durable) окажется эффект от краткого воздействия лекарств. Лори разделила мышей на четыре группы: без антибиотиков (контрольная группа); СТК в течение первых четырех недель; СТК в течение первых восьми недель; СТК в течение всего эксперимента. Всех в возрасте шести недель посадили на диету с высоким содержанием жира, чтобы выявить разницу. В первую очередь Лори сосредоточилась на самках, помня результаты эксперимента FatSTAT.
Грызуны, получавшие антибиотики в течение всего эксперимента (двадцать восемь недель), набрали вес по сравнению с контрольной группой, как и ожидалось. Но эффект от их приема в течение четырех или восьми недель оказался таким же. Мыши, получавшие пенициллин, набрали на 10–15 % больше веса и на 30–60 % жира по сравнению с контрольной группой. Иными словами, воздействия СТК в раннем детстве оказалось достаточно, чтобы изменить развитие организма на всю жизнь. Результаты DuraSTAT были не такими же, как у FatSTAT, но условия эксперимента были разными, так что напрямую их сравнивать нельзя. Главные показатели – внутри каждого эксперимента. Это важный научный вопрос; исследователи нередко заходят в тупик, сравнивая один эксперимент с другим, хотя условия разные, и эти различия не всегда отмечаются. Но для нас тенденции были одинаковыми: СТК в начале жизни необратимо менял развитие мышей.
После этого мы решили изучить сам микробиом. Лори добросовестно собирала фекальные шарики, иногда ежедневно, у каждой мыши. В распоряжении были тысячи маленьких пластиковых пробирок в больших белых ящиках – один шарик на пробирку, сто пробирок на ящик. Чтобы набрать хотя бы фунт, потребовалось бы восемнадцать тысяч шариков. Но они дорогого стоили из-за секретов, хранившихся в них.
Лори секвенировала сотни образцов, чтобы определить, какие ДНК в них содержатся, и узнать структуру микробных сообществ – в том числе, сколько там «рабочих, обслуживающих таксофоны», «таксистов» и «таксидермистов».
Сначала были рассмотрены образцы, взятые от только что отлученных трехнедельных мышей, которым давали пенициллин. Их сравнили с контрольной группой. Структуры микробных сообществ в определенной степени совпадали, но были явно разными. Это и ожидалось: антибиотики действительно изменяют структуру микробного сообщества в кишечнике.
Затем рассмотрели образцы, взятые на восьмой неделе. Групп, по сути, было уже три: контрольная, мыши, которые еще получали антибиотики, и мыши, которым перестали их давать после четвертой недели. Как и ожидалось, структуры микробного различались еще сильнее, чем в возрасте трех недель. Антибиотики работают. Но вот структура у мышей, которым перестали давать лекарства после четвертой недели, уже практически не отличалась от контрольной. Значит заметный эффект, оказываемый антибиотиками на структуру микробного сообщества, – временный. Это совершенно ясно. Но, как вы помните, грызуны растолстели точно так же, как и остальные. Кратковременное воздействие в младенчестве, вызывающее ранние пертурбации среди микробов-обитателей, приводит к необратимым изменениям на всю жизнь. Причем сама пертурбация вовсе не обязана быть необратимой.
Это ключевое открытие. Мне кажется, нам удалось найти объяснение того, что происходит с нашими детьми. Воздействия антибиотиков на микробы в мышах во время ключевого раннего периода оказалось достаточно, чтобы изменить направление их развития. Именно этот эксперимент стал для меня доказательством, что медикаменты могут влиять на развитие. И, конечно же, многосторонне: не только обмен веществ (что мы изучали у мышей), но и иммунитет, и когнитивные способности. Когда младенцы растут, спят и видят сны, их организм вместе с нашими древними микробами задает контекст для последующего развития. Даже временные пертурбации в критический период могут изменить очень многое{150}.
Но мы ученые, и должны расширять историю, узнавать подробности, разбираться в механизмах. Нужно ответить на простой с виду вопрос: как это работает? Что такого важного в воздействии антибиотиков? Дело в воздействии на микробов, или же пенициллин что-то делает и с самим телом, непосредственно взаимодействуя с тканями, и это никак не связано с эффектом, производимым на микробов? Как и во многих других экспериментах, в том числе проведенных Джеффом Гордоном, мы попытались ответить, пересаживая микроорганизмы от одних мышей другим.
Вспомните один из наших предыдущих вопросов: набор веса – это непосредственный эффект лекарства или же результат воздействия на микробов-обитателей? Мы считали, что все дело в бактериях, но «мы считали» – это еще не доказательство. Чтобы узнать, в чем же дело, нужно перенести их из СТК-мышей или контрольной группы в нейтральную ситуацию, а затем посмотреть, как подействует на реципиентов. Было решено изучить воздействие на безмикробных мышей.
Мы купили пятнадцать мышей-самок; в конце августа 2011 года нам прислали три пластиковых шара. В каждом сидело по пять трехнедельных мышей, только что отлученных от матери. Компания предупредила, что держать их в шарах можно до 72 часов – времени как раз достаточно для эксперимента. Мы назвали его TransSTAT, потому что пересаживали мышам-реципиентам микробиоты СТК-мышей.
Лори выбрала шесть 18-недельных мышей из эксперимента DuraSTAT: трех из контрольной группы и трех, получавших антибиотики. Затем собрала у всех содержимое слепой кишки и разделила его на две группы: одна – от контрольных, другая – от СТК. Будучи опытным бактериологом, Лори приняла специальные меры, чтобы сохранить жизнь всем микробам; некоторые из них настолько чувствительны к кислороду, что даже краткое пребывание на воздухе их убивает. Затем ввела содержимое слепой кишки в желудки всех безмикробных мышей. Семь получили микробы от контрольной группы, восемь – от СТК. Вам, наверное, «введение содержимого слепой кишки в желудок» покажется совсем не аппетитной процедурой, но мыши – копрофаги, что означает, что они регулярно едят и свои фекалии, и фекалии других мышей, живущих с ними.
Итак, мыши уже не были безмикробными. Они стали «обычными», и следующая стадия их жизни должна была пройти во взаимодействии с микробами. Мы наблюдали за ними пять недель, постоянно отбирая образцы фекалий и проводя измерения, в том числе тест ДЭРА, по четыре раза для каждой мыши. Ни одна не получала антибиотиков. Всех выращивали абсолютно одинаково.
Как и ожидалось, все набрали вес, потому что росли. Но мыши, которым дали СТК-микробы, набрали больше. Причем эффект был довольно заметным. Реципиенты СТК-микробов набрали примерно на 10 % больше веса и на 40 % жира.
Этим экспериментом Лори доказала, что изменения в развитии, вызванные субтерапевтическими дозами антибиотиков, могут передаваться через микробы.
* * *
Эксперименты СТК показали, что происходит на фермах. Но меня больше интересуют наши дети. Когда они получают антибиотики, дозы в большинстве случаев непостоянные. Скорее, как мы уже обсуждали, краткие курсы, длящиеся пять-десять дней, в зависимости от болезни (отит, бронхит, больное горло) и решения врача.
Я решил узнать, могут ли и они влиять на набор веса и жира. Так появилась наша новая модель, ПЛА («пульсирующее лечение антибиотиками»). Вместо малых доз мыши получали антибиотики точно так же, как люди: полными терапевтическими дозами в «импульсах», длившихся по несколько дней.
Мы выбрали амоксициллин и тилозин – два самых популярных в США детских антибиотика{151}, которые выписывают в более чем 80 % случаев. Затем отобрали четыре группы мышей: контрольную; группу, получившую три курса амоксициллина; группу, получившую три курса тилозина; наконец, предположив, что эффект может накапливаться, четвертой дали курс тилозина, затем амоксициллина и снова тилозина.
