میان بیماری و سلامت؛ نقش پنهان بار میکروبی

مطالعهٔ تازه نشان می‌دهد بار میکروبی چگونه بر سلامت و بیماری‌های روده اثر می‌گذارد

میلیاردها میکروارگانیسمی که در رودهٔ ما زندگی می‌کنند در سراسر زندگی با ما همراه‌اند. این زیست‌بوم که میکروبیوم نام دارد، در سال‌های اخیر در شناخت سلامت و بیماری‌های انسان توجه فراوانی جلب کرده است. اما پژوهش‌های میکروبیوم تاکنون بیشتر بر تنوع گونه‌های میکروارگانیسم‌ها متمرکز بوده‌اند و بار میکروبی ، یعنی تعداد کل میکروارگانیسم‌های روده، اغلب نادیده گرفته شده است. مطالعه‌ای تازه از گروه بورک در آزمایشگاه زیست‌شناسی مولکولی اروپا (EMBL= European Molecular Biology Laboratory) در هایدلبرگ، که در مجلهٔ Cell در 14 نوامبر 2024 منتشر شد، می‌کوشد با نشان دادن اثر بار میکروبی بر سلامت روده این کمبود را برطرف کند.

خلاصهٔ تصویری مطالعه:

این نمودار نشان می‌دهد بار میکروبی مدفوع (fecal microbial load) چگونه بر تغییرات میکروبیوم روده اثر می‌گذارد و چه ارتباطی با عوامل مختلف دارد. مدل یادگیری ماشینی ساخته‌شده در این مطالعه، بار میکروبی را با استفاده از داده‌های ترکیب میکروبی تخمین می‌زند. این مدل بر مجموعه‌داده‌ای گسترده از سراسر جهان اعمال شده و نشان داده است که بار میکروبی تعیین‌کننده‌ای مهم در میکروبیوم روده است. همچنین تأکید می‌شود تغییرات میکروبیوم مشاهده‌شده در بسیاری از بیماری‌ها، ناشی از تغییر بار میکروبی‌اند و ممکن است ارتباط مستقیمی با خود بیماری نداشته باشند.

بخش‌های نمودار:

1. بخش بالا: تخمین بار میکروبی

   • مدل یادگیری ماشینی با استفاده از نمایهٔ نسبی میکروبیوم (relative microbiome profile)، بار میکروبی در هر گرم، یعنی تعداد سلول‌های میکروبی، را تخمین می‌زند.
   • مدل پیش‌بینی بر داده‌های کنسرسیوم‌های GALAXY/MicrobLiver (n=1894) و MetaCardis (n=1812) استوار است.

2. بخش پایین: ارتباط بار میکروبی با عوامل میزبان

   • بار میکروبی پایین: با بیماری‌هایی مانند کرون، کولیت اولسراتیو و سیروز کبدی مرتبط بوده است. در این شرایط، تنوع میکروبیوم کاهش یافته و بعضی گونه‌های میکروارگانیسم به‌طور مشترک از بین رفته‌اند.
   • بار میکروبی بالا: با شرایطی مانند سرطان کولورکتال، مولتیپل اسکلروزیس و یبوست مرتبط بوده است. در این شرایط، تنوع میکروبیوم افزایش یافته و به‌ویژه Akkermansia muciniphila و گونه‌های Alistipes برجسته بوده‌اند.

3. اثرات جمعیت‌شناختی و محیطی:

   • بار میکروبی با عواملی مانند سن، جنسیت، رژیم غذایی، مصرف آنتی‌بیوتیک و کشور تغییر می‌کند.

گذار از بررسی ترکیب میکروبیوم به تحلیل بار میکروبی

پژوهش‌های میکروبیوم معمولاً نسبت گونه‌های مختلف میکروارگانیسم موجود در روده، یعنی ترکیب میکروبی، را بررسی می‌کنند. برای مثال ممکن است مشاهده شود یک گونهٔ مشخص باکتری در افراد سالم سهمی برابر با 2 درصد دارد، اما هنگام بیماری این سهم به 4 درصد می‌رسد. این وضعیت می‌تواند به این نتیجه منجر شود که آن باکتری با بیماری مرتبط است. اما این تحلیل، تغییر تعداد کل باکتری‌ها را نادیده می‌گیرد.

در اینجا بار میکروبی اهمیت می‌یابد. بار میکروبی به تراکم میکروارگانیسم‌های روده اشاره دارد و معمولاً با تعداد میکروارگانیسم در هر گرم مدفوع اندازه‌گیری می‌شود. برای مثال، در فرد سالم ممکن است در مجموع 1000 باکتری وجود داشته باشد، اما هنگام بیماری این تعداد به 500 کاهش یابد. در این صورت، حتی اگر نسبت یک گونهٔ مشخص باکتری افزایش‌یافته به نظر برسد، تعداد واقعی آن ممکن است تغییر نکرده باشد. برای جلوگیری از چنین برداشت‌های نادرستی، ارزیابی بار میکروبی نیز لازم است.

هوش مصنوعی و تخمین بار میکروبی

اندازه‌گیری بار میکروبی معمولاً به روش‌های آزمایشی زمان‌بر و پرهزینه نیاز دارد. اما گروه بورک در این مطالعهٔ تازه، با استفاده از فناوری یادگیری ماشینی رویکردی نوآورانه برای تخمین بار میکروبی ساخت. دکتر سوگورو نیشیجیما، نویسندهٔ نخست مطالعه، هدف اصلی کار را چنین بیان می‌کند: «می‌خواستیم مدلی بسازیم که به روش‌های آزمایشی اضافی نیاز نداشته باشد.»

گروه با استفاده از مجموعه‌داده‌های بیش از 3700 نفر از کنسرسیوم‌های GALAXY/MicrobLiver و Metacardis، مدلی ساخت که از روی داده‌های ترکیب میکروبی می‌تواند بار میکروبی را تخمین بزند. مدل در مجموعه‌دادهٔ تازه‌ای که پیش‌تر با آن روبه‌رو نشده بود نیز موفق بود. پس از این موفقیت، پژوهشگران مدل را بر داده‌های بیش از 27000 نفر اعمال کردند و 159 مطالعهٔ گردآوری‌شده از 45 کشور را تحلیل کردند.

عوامل مؤثر بر بار میکروبی

تحلیل‌ها نشان دادند عوامل زیادی بر بار میکروبی اثر دارند. برای مثال، اسهال بار میکروبی را کاهش می‌دهد و یبوست ممکن است آن را افزایش دهد. زنان معمولاً بار میکروبی بیشتری از مردان دارند. همچنین بار میکروبی جوانان کمتر از سالمندان است. افزون بر این، بسیاری از بیماری‌ها و داروهای مصرفی در درمان آنها می‌توانند تغییرات مهمی در بار میکروبی ایجاد کنند.

ارزیابی دوبارهٔ ارتباط بیماری و میکروبیوم

مطالعه نشان داد بسیاری از گونه‌های میکروبی که پیش‌تر با بیماری‌ها مرتبط دانسته می‌شدند، در واقع با تغییرات بار میکروبی بهتر توضیح داده می‌شوند. این وضعیت نشان می‌دهد ارتباط بیماری و میکروبیوم باید دوباره ارزیابی شود. با این حال، بعضی ارتباط‌های بیماری و میکروب ثابت ماندند و ارتباط واقعی آنها با بیماری تأیید شد.

چشم‌انداز آینده: افق‌های تازه در پژوهش میکروبیوم

این مطالعه تأکید می‌کند بار میکروبی معیاری است که در پژوهش‌های میکروبیوم نباید نادیده گرفته شود. مدل یادگیری ماشینی ساخته‌شده به‌طور رایگان در دسترس پژوهشگران سراسر جهان قرار گرفته است. این روش نه‌تنها برای بررسی میکروبیوم روده، بلکه برای پژوهش زیست‌بوم‌های میکروبی دیگر مانند اقیانوس، خاک و رودخانه نیز ظرفیت فراوانی دارد.

نتیجه‌گیری

این مطالعهٔ گروه بورک نشان می‌دهد در نظر گرفتن بار میکروبی برای جلوگیری از نتایج مثبت و منفی کاذب اهمیتی حیاتی دارد. این رویکرد نوآورانه می‌تواند دورانی تازه در شناخت سلامت انسان و پژوهش میکروبیوم‌های محیطی آغاز کند.