В наших глазах

Не так давно биологи обнаружили, что собственным сообществом бактерий — микробиомом — обладает даже такой человеческий орган, как глаз. Оказалось, что состав микробиома способен влиять на состояние глаз и даже на остроту зрения человека, а неправильное использование контактных линз грозит тяжелым инфекционным заболеванием. Чего, однако, ученые не могут решить до сих пор, так это есть ли в микробиоме глаза собственно «глазные» бактерии, присущие именно этому месту обитания.

Сообщества в глазу

Может ли бактериальная инфекция поразить глазное яблоко, да так, что это приведет к частичной утрате зрения? Еще как может, утверждают окулисты. Например, в середине 2010-х годов в Тамбовскую офтальмологическую больницу обратился пациент со следующими симптомами: сильное слезотчение, боли в правом глазу, гной на глазном яблоке. Врачи обнаружили у него гнойную язву роговицы, вызванную бактерией Pseudomonas aeruginosa.

Оказалось, что мужчина в течение долгого времени носил линзы и не слишком внимательно следил за их чистотой, иногда даже спал в них, не снимая на ночь. Ношение линз само по себе связано с риском бактериальных инфекций, а халатный уход за ними значительно его повышает. В итоге мужчина больше недели провел в больнице, принимая антибиотики. Язву в конце концов вылечили, но общая острота зрения у него понизилась.

P. aeruginosa не единственная бактерия, способная выжить на поверхности человеческого глаза. Заболевания роговицы были известны довольно давно, но лишь недавние исследования показали, что даже на поверхности здорового глаза живет сообщество бактерий.

Стартовавший в 2008 году Human Microbiome Project дал начало массовым исследованиям микробов, населяющих человеческие тело. Открытие огромного количества бактерий и, что важно, их сильного воздействия на человека заставило исследователей искать их (и находить) практически везде, в том числе и в глазах.

По сравнению с другими слизистыми, вроде поверхности рта или носа, это местообитание долго оставалось в тени, но сейчас набралось достаточно фактов, позволяющих утверждать, что и там живут бактерии и их дисбаланс может привести к различным заболеваниям.

Бедный микробиом

До начала метагеномной эры ученым мало что было известно о составе глазного микробиома: далеко не все бактерии, входящие в его состав, согласны жить на лабораторных питательных средах, так что множество их видов попросту оставалось «за кадром».

Считалось, что сама поверхность глазного яблока у здоровых людей чистая, а все, что туда попадает с кожи или из воздуха, смывается в кармашки под веками (коньюктивальные мешочки). Тем не менее при посеве на среды пробы, взятые оттуда, оставались стерильными или давали колонии нескольких видов обычных кожных бактерий, вроде нескольких видов стафилококков и Propionibacterium acnes — основного возбудителя акне.

Развитие метагеномики изменило эту картину и существенно расширило список обитателей глаза. Уже в 2011 году авторы одной из первых работ, основанных на определении микроорганизмов по 16S РНК, сообщили о находке в пробах из коньюктивальных мешочков сразу 221 таксономической группы бактерий (OTU), а более поздние работы с расширенным составом пациентов увеличили эту цифру примерно вдвое.

При этом центральная поверхность глаза у здоровых людей оказывалась по-прежнему слабо заселена.

Несмотря на такое разнообразие, костяк здорового микробиома составляют всего девять родов бактерий: исследование Юйсэнь Хуана (Yusen Huang) и его коллег продемонстрировало, что подавляющая часть 16S РНК в образцах принадлежит именно им.

Среди этих родов не оказалось уникальных глазных симбионтов, которые встречались бы только там и больше нигде. Все они находятся и на коже, но их соотношение оказалось другим. Это косвенно говорит о том, что глаз не просто собирает на себе все, что попало туда из воздуха и с кожи, а обладает собственным устойчивым микробиомом.

К сожалению, у большинства метагеномных исследований глаза есть три существенных недостатка. Во-первых, они охватывают сравнительно небольшое количество людей, во-вторых, образцы обычно берутся однократно и, в третьих, в исследованиях зачастую отсутствует хороший контроль, позволяющий аккуратно исключить загрязнения. Это не позволяет определить, какие из бактерий живут в глазу на протяжении длительного времени, а какие попали туда ненадолго.

Джером Озкан (Jerome Ozkan) и его австралийские коллеги решили исправить эти недочеты и провели анализ микробиомов 45 здоровых человек, для каждого из которых образцы были собраны три раза с разницей в месяц. Для предсказания того, какие бактерии в тестовых данных оказались случайно, они рассчитали частоты встречаемости таксонов в отрицательном контроле и на основании этого выкинули из образцов все подозрительное.

Применив и культуральный, и метагеномный подход, ученые пришли к выводу, что глазной микробиом очень беден и нестабилен. В обоих случаях они не нашли видов, которые бы стабильно находились у всех испытуемых. Более того, даже таких видов, которые нашлись бы у всех испытуемых хотя бы один раз за три месяца, тоже не оказалось.

Тем не менее, ученые из группы Озкана обнаружили, что некоторые таксоны стабильно встречаются у отдельных людей. Всего они смогли идентифицировать 183 OTU, а самыми распространенными среди бактерий оказались представители родов Corynebacterium и Streptococcus.

В целом, можно утверждать, что микробиом глаза гораздо беднее других хорошо изученных микробиомов вроде сообществ бактерий кишечника или ротовой полости. Более того, существование специфического устойчивого сообщества микроорганизмов в глазу подвергается сомнению: да, существуют распространенные роды, такие как Corynebacterium, Streptococcus и Propionibacterium, но и они могут жить не у каждого человека.

Слишком контактные линзы

В норме глазные бактерии не вызывают болезней и в целом нейтральны по отношению к человеку. Тем не менее, при отклонении условий от нормальных отдельные виды могут сильно размножиться и причинить вред. Кроме того, нарушение стабильности может помочь колонизировать глаз организмам извне.

Внешним признаком микробиомного «перекоса» как раз и является воспаление роговицы, или кератит. Глаз краснеет, болит, роговица мутнеет, и без соответствующего лечения это может кончиться образованием бельма и слепотой.

Основной бактериальный возбудитель кератита — синегнойная палочка Pseudomonas aeruginosa — встречается по данным ряда исследований и на поверхности глаза здоровых людей, но при ослаблении иммунитета, механическом повреждении роговицы или после приема антибиотиков он может начать активно колонизировать глазную поверхность. 

Эти бактерии выделяют наружу несколько сортов ферментов, которые в буквальном смысле переваривают белки поверхности глаза, так что в итоге острый кератит может привести к слепоте. Те же факторы способны запустить размножение и других бактерий, грибов, протистов и вирусов, которые попали в глаз случайно или жили там в минимальных количествах.

В первую очередь в группе риска оказываются люди, регулярно использующие контактные линзы. Так, в 2016 году вышло исследование, сравнивающее глазные микробиомы тех, кто регулярно носит линзы, и тех, кто обходится без них. С помощью все той же техники определения бактерий по 16S РНК, ученые выяснили, что соотношение бактерий на поверхности глаза носителей линз несколько иное: оно оказалось ближе к микробиому кожи, а вот типично глазные бактерии в нем оказались недопредставлены.

Кроме этого, оказалось, что с ношением линз связано подавляющее большинство случаев бактериального кератита. По видимому, линзы создают условия для активного размножения бактерий вроде P. aeruginosa на роговице.

Другие организмы вроде Acanthamoeba — обычно свободноживущих амеб — тоже чаще ведут себя агрессивно по отношению к носителям линз. То же самое касается и грибов. В норме такие виды и роды, как Candida albicans, Aspergillus и Fusarium встречаются там в минимальных количествах, по-видимому, попадая на поверхность глазного яблока из внешней среды, но ослабление иммунитета или ношение линз могут помочь им колонизировать роговицу.

В 2005 году врачи зафиксировали в Гонконге массовый всплеск кератитов из-за поражения грибом из рода Fusarium. Оказалось, что инфицировать глаз ему помог состав жидкости для линз — многие пострадавшие использовали одну и ту же марку. Жидкость срочно изъяли из продаж, и количество пострадавших снизилось.

По-видимому, для развития кератита необходимо совпадение сразу нескольких факторов, и точный вклад линз в изменение состава микробиома глаза не очень хорошо изучен. Как минимум линзы создают на поверхности глаза дополнительную пленку; это несколько затрудняет доступ кислорода под нее и дает преимущества организмам, способным это переносить.

Сам материал линзы, видимо, тоже важен — он может становиться пищей или, наоборот, лишать бактерий питательных веществ, а заодно помогать им зафиксироваться на роговице, в норме постоянно омываемой слезами. Так, было показано, что P. aeruginosa и Staphylococcus aureus лучше держатся на линзах на основе силиконового гидрогеля, чем на обычных.

Кроме того, линзы вмешиваются в работу слезной пленки. В норме она смазывает поверхность глаза и бережет ее не только от пересыхания, но и от инфекций. В ней плавают ферменты, способные продырявить клеточную стенку бактерий, антимикробные пептиды, иммуноглобулин А и комплемент.

Правда, свидетельства того, как именно линзы влияют на состав слез, достаточно противоречивы: в разных работах приводятся доказательства того, как линзы увеличивают, снижают или никак не влияют на концентрации отдельных противомикробных компонентов слез.

Микробиом здорового глаза

Кроме потенциальных патогенов, в микробиоме глаза обнаружились и полезные обитатели, помогающие бороться с инфекциями. Пока лучше всего изучена Corynebacterium mastitidis — одна из первых по численности бактерий здорового микробиома. В 2017 году в экспериментах на мышах выяснилось, что она помогает сдерживать численность синегнойной палочки.

Это выяснилось следующим образом. Энтони Леджер (Anthony St. Leger) и его коллеги обнаружили, что по сравнению с мышами от других поставшиков у их институтских мышей на поверхности глаз больше интерлейкина-17А и Т-клеток, способных его выделять. Последние занимают высокие посты в иммунной системе и управляют активностью других типов иммунных клеток.

Оказалось, что интерлейкин-17А привлекает нейтрофилов, способных фагоцитировать (то есть попросту съесть) патогена. Это удалось подтвердить опытным путем: в случае сломанного гена интерлейкина-17А количество бактериальных кератитов у мышей возрастало, а количество нейтрофилов на поверхности глаза было втрое меньше.

Подобные случаи уже были описаны в литературе, посвященной кишечному микробиому, и по аналогии с ними исследователи решили, что количество интерлейкина напрямую связано с разным составом бактерий.

Сравнив между собой микробиомы глаз "институтских" мышей и мышей той же породы из других лабораторий, авторы обнаружили, что у первых в обилии представлена бактерия Corynebacterium mastitidis, а у вторых ее нет. Оказалось, что пересадка C. mastitidis увеличивает количество нейтрофилов и помогает при инфекциях P. aeruginosa и C. albicans.

Установив наличие микробиома глаза, а также его зависимость от ношения контактных линз, резкого изменения внешних условий и тому подобного, исследователи попытались разобраться и в более тонких механизмах, способных им управлять.

Пол и возраст оказались одними из первых критериев для проверки. Как известно, состав слез с их противомикробными веществами и иммунными клетками, формирующими сообщество глазных бактерий, подвержен возрастным изменениям. Кроме того, с возрастом риск глазных болезней для мужчин и для женщин растет по-разному. Исследователи предположили, что эти изменения должны отражаться и на составе микробиома.

Насколько справедливо это предположение, пока непонятно. По-видимому, если отличия и есть, то они невелики: в одном исследовании никакой разницы замечено не было, а в другом обнаружились возрастные отличия — у пожилых людей разнообразие микробиома глаза было немного меньше, чем у молодых.

Однако последняя работа страдает от основного недостатка всех микробиомных исследований глаза — недостаточного числа пациентов и использования всего одной временной точки.

Вера Мухина