Исследователи из Ратгерского университета в Нью-Брансуике совместно с международными коллегами представили новый метод идентификации важнейшего набора кишечных микробов, обычно встречающихся у людей и необходимых для здоровья.
Исследователи, чье исследование было опубликовано в журнале Cell, заявили, что открытие открывает инновационные возможности для точного питания и персонализированной терапии, направленной на лечение хронических заболеваний, связанных с дисбалансом микробиома кишечника , включая диабет, воспалительные заболевания кишечника и рак.
Основной микробиом относится к набору микробов в пищеварительном тракте, которые играют важную роль в поддержании таких функций, как пищеварение, иммунная защита и психическое здоровье. Когда основной микробиом уменьшается или теряется, это может привести к состоянию, известному как дисбактериоз — дисбалансу между полезными и вредными микробами в кишечнике. Дисбактериоз связан с многочисленными хроническими заболеваниями, включая воспалительные заболевания кишечника, нарушения обмена веществ, неврологические состояния, хроническую болезнь почек и некоторые виды рака.
Многие исследования показали, что перенос полезной фекальной микробиоты из здоровой толстой кишки в больную может облегчить эти состояния, что убедительно свидетельствует о том, что основной микробиом имеет решающее значение для поддержания нашего здоровья.
Основная структура основного микробиома — две отдельные группы бактерий, называемые фундаментальной гильдией и гильдией патобионтов — участвует в динамических и стабильных взаимодействиях, которые имеют решающее значение для поддержания здоровья человека. Используя модели искусственного интеллекта, подход «двух конкурирующих гильдий» классифицирует случаи из контрольных групп в различных популяциях, независимо от этнической принадлежности, географии или типов заболеваний, и прогнозирует персонализированные ответы на иммунотерапию при четырех различных заболеваниях.
В этой области еще не достигнут консенсус относительно того, что именно составляет основу микробиома или как точно идентифицировать этих ключевых микробных игроков.
Традиционные методы анализа микробиома часто определяют ядро микробиома, используя общие таксономические единицы, такие как виды или роды, в пределах человеческой популяции. Однако эти таксоны могут иметь ограниченное разрешение. Например, в пределах одного вида могут быть как полезные, так и вредные штаммы. Известный вид кишечных бактерий E. coli включает в себя в основном доброкачественные штаммы, но E. coli O157 может вызывать серьезные пищевые заболевания.
Это новое исследование преодолевает эти ограничения, используя высококачественные геномы, напрямую собранные из наборов данных метагеномного секвенирования. Каждый геном помечен универсальным уникальным идентификатором для отслеживания его экологического поведения. Этот подход, специфичный для генома, не только обеспечивает высокое разрешение для анализа, избегая смешивания сигнала с шумом, но и включает геномы новых, неклассифицируемых бактерий, не ограниченных неполными базами данных.
«Наше исследование выявляет бактерии в кишечнике, которые остаются связанными, независимо от того, с какими проблемами сталкивается организм, такими как изменения в питании или болезни», — сказал Липин Чжао, заведующий кафедрой прикладной микробиологии Эвели-Фентона и профессор кафедры биохимии и микробиологии в Ратгерской школе экологических и биологических наук. «Сосредоточившись на этих устойчивых и взаимосвязанных бактериях, мы разработали новый метод определения микробов, которые наиболее важны для поддержания нашего здоровья».
Такой подход привел к выделению двух отдельных и противоположных групп основных кишечных бактерий: полезной базовой группы и необходимой, но потенциально вредной патобиональной группы.
Гильдия фундамента имеет решающее значение для структурирования и стабилизации всего микробиома кишечника. Эти бактерии расщепляют пищевые волокна и производят короткоцепочечные жирные кислоты (SCFA), такие как бутират, которые имеют решающее значение для здоровья кишечника, поддерживая кишечный барьер, уменьшая воспаление и выступая в качестве источника энергии для клеток толстой кишки. SCFA также имеют решающее значение для подавления вредных бактерий.
Напротив, гильдия патобионтов, хотя и необходима в небольших количествах для тренировки иммунитета и бдительности, может способствовать прогрессированию заболевания, когда она становится экологически доминирующей.
Баланс между этими двумя гильдиями, подобный качелям, имеет решающее значение. Когда доминирует фундаментальная гильдия, здоровье кишечника сохраняется. Однако, когда баланс склоняется в пользу гильдии патобионтов, возникает дисбактериоз, потенциально приводящий к воспалению, которое может усугубить различные хронические состояния.
«Наша модель не только помогает нам идентифицировать эти основные бактериальные гильдии, но и показывает, как их можно развивать, чтобы поддерживать их доминирование», — сказал Чжао. «Это открывает новые возможности для персонализированного питания и целенаправленной терапии, которые могут восстановить баланс в микробиоме кишечника».
Воздействуя на гены, отвечающие за деградацию волокон, можно разработать индивидуальные рекомендации по питанию, которые будут способствовать экологическому доминированию этих ключевых микробов.
Модель двух конкурирующих гильдий обеспечивает как новый метод, так и новый стандарт для идентификации членов основного микробиома. Требуя, чтобы члены основного микробиома не только были широко распространены в популяции, но и были стабильно связаны, несмотря на резкие изменения в их среде, модель устанавливает новый стандарт для исследования микробиома, по словам Чжао.
Чжао и его команда планируют провести ряд испытаний для дальнейшего совершенствования персонализированных методов лечения, направленных на восстановление и поддержание экологического доминирования фундаментальной гильдии у пациентов с тяжелым дисбактериозом. Применяя модель двух конкурирующих гильдий в клинических условиях, они стремятся перевести свои исследования в практические методы лечения, которые могут значительно улучшить результаты лечения пациентов в состояниях, ранее считавшихся необратимыми.