Между здоровьем и болезнью — скрытая роль микробной нагрузки

Новое исследование показывает, как микробная нагрузка влияет на здоровье и болезни кишечника

В нашем кишечнике миллиарды микроорганизмов живут вместе с нами на протяжении всей жизни. В последние годы эта экосистема, называемая микробиомом, привлекает огромное внимание исследователей здоровья и болезней человека. Однако до сих пор основной акцент делался на видовом разнообразии микроорганизмов, тогда как микробная нагрузка — их общее количество в кишечнике — часто оставалась без внимания. Новое исследование группы Bork из Европейской молекулярно-биологической лаборатории (EMBL — European Molecular Biology Laboratory) в Гейдельберге, опубликованное в Cell 14 ноября 2024 года, призвано восполнить этот пробел, выявив влияние микробной нагрузки на здоровье кишечника.

Графическое резюме исследования:

На этой схеме показано, как микробная нагрузка кала (fecal microbial load) влияет на вариации кишечного микробиома и как это связано с другими факторами. Разработанная модель машинного обучения предсказывает нагрузку по данным о составе микробного сообщества. Применение к обширному международному набору данных показало, что микробная нагрузка — важный фактор кишечного микробиома. Также подчёркивается, что наблюдаемые при многих заболеваниях изменения микробиома могут быть вызваны изменением нагрузки, а не непосредственно самой болезнью.

Разделы схемы:

1. Верхняя часть: оценка микробной нагрузки

   • Модель машинного обучения использует относительный профиль микробиома (relative microbiome profile) для оценки нагрузки — количества микробных клеток на грамм.
   • Модель основана на данных консорциумов GALAXY/MicrobLiver (n=1894) и MetaCardis (n=1812).

2. Нижняя часть: связь микробной нагрузки с факторами организма-хозяина

   • Низкая микробная нагрузка: Связана с болезнью Крона, язвенным колитом, циррозом печени и другими заболеваниями. В этих случаях разнообразие микробиома уменьшалось, а численность некоторых видов микроорганизмов снижалась сходным образом.
   • Высокая микробная нагрузка: Связана с колоректальным раком, рассеянным склерозом, запором и другими состояниями. Разнообразие микробиома увеличивалось, особенно выделялись Akkermansia muciniphila и виды Alistipes.

3. Демографические и внешние факторы:

   • Микробная нагрузка меняется в зависимости от возраста, пола, питания, применения антибиотиков, страны и других факторов.

От анализа состава к анализу нагрузки микробиома

Исследования микробиома обычно изучают доли разных видов микроорганизмов в кишечнике, то есть микробный состав. Например, определённая бактерия может составлять 2 процента у здорового человека и 4 процента при болезни. Из этого можно заключить, что она связана с заболеванием. Однако такой анализ не учитывает изменение общего количества бактерий.

Именно здесь важна микробная нагрузка — плотность микроорганизмов в кишечнике, обычно измеряемая их числом на грамм кала. Например, у здорового человека общее количество бактерий может составлять 1000, а при болезни снижаться до 500. Тогда относительная доля определённого вида может казаться увеличенной, хотя его фактическое количество не изменилось. Для предотвращения таких ошибочных выводов необходимо оценивать и нагрузку.

Искусственный интеллект и оценка микробной нагрузки

Измерение микробной нагрузки обычно требует длительных и дорогих экспериментов. В новом исследовании группа Bork разработала инновационный подход к её оценке с помощью машинного обучения. Первый автор, доктор Suguru Nishijima, объясняет главную цель: «Мы хотели создать модель, не требующую дополнительных экспериментальных методов».

Используя данные более 3700 человек из консорциумов GALAXY/MicrobLiver и Metacardis, группа разработала модель оценки микробной нагрузки по составу сообщества. Она успешно сработала и на новом, ранее не встречавшемся наборе данных. Затем исследователи применили её к данным более 27000 человек и проанализировали 159 исследований из 45 стран.

Факторы, влияющие на микробную нагрузку

Анализ выявил множество влияющих факторов. Например, диарея уменьшает нагрузку, а запор может её увеличивать. У женщин она обычно выше, чем у мужчин, а у молодых людей — ниже, чем у пожилых. Многие заболевания и применяемые при них лекарства также способны существенно менять микробную нагрузку.

Переоценка связей заболеваний и микробиома

Исследование показало, что многие виды микроорганизмов, ранее связанные с болезнями, в действительности лучше объясняются изменениями микробной нагрузки. Поэтому связи между заболеваниями и микробиомом требуют переоценки. Однако некоторые связи болезни с конкретными микробами сохранились, подтвердив их действительную связь с заболеванием.

Перспективы: новые горизонты исследований микробиома

Работа подчёркивает, что микробной нагрузкой нельзя пренебрегать при исследовании микробиома. Созданная модель машинного обучения предоставлена исследователям во всём мире бесплатно. Метод обладает большим потенциалом не только для изучения кишечника, но и других микробных экосистем — океана, почвы и рек.

Вывод

Исследование группы Bork показывает, что учёт микробной нагрузки крайне важен для предотвращения ложноположительных и ложноотрицательных результатов. Этот инновационный подход может открыть новую эпоху и в понимании здоровья человека, и в изучении микробиомов окружающей среды.