Naukowcy opracowali nowy sposób przewidywania liczby mikroorganizmów w ludzkich jelitach, wykorzystując dane z sekwencjonowania genetycznego. Dzięki zastosowaniu uczenia maszynowego udało im się oszacować gęstość mikroorganizmów, co okazało się istotnym czynnikiem wpływającym na zróżnicowanie mikrobiomu jelitowego. Badania te mają potencjał, aby zrewolucjonizować nasze zrozumienie związków między mikrobiomem a zdrowiem, w tym powiązań z różnymi schorzeniami.
Znaczenie mikrobiomu jelitowego
Mikrobiom jelitowy odgrywa kluczową rolę w zdrowiu człowieka, ponieważ jego skład wpływa na wiele procesów fizjologicznych, a także może być związany z rozwojem różnych chorób. Do tej pory badania nad mikrobiomem opierały się głównie na analizie względnej obfitości różnych gatunków mikroorganizmów, co nie dostarcza informacji na temat całkowitej liczby mikroorganizmów w jelitach. Ta brakująca zmienna, czyli gęstość mikrobiologiczna, może znacząco wpływać na zrozumienie różnorodności mikrobiomu i jego funkcji.
Tradycyjne metody ilościowego określania liczby mikroorganizmów, takie jak liczenie komórek czy reakcja łańcuchowa polimerazy (PCR), są czasochłonne i niepraktyczne do zastosowania w dużych badaniach. Brak danych na temat gęstości mikroorganizmów może prowadzić do błędnych wniosków, zwłaszcza jeśli chodzi o badania dotyczące związków między mikrobiomem a chorobami.
Metoda badawcza
W opisywanym badaniu, opublikowanym w czasopiśmie Cell, naukowcy zastosowali technikę uczenia maszynowego, aby przewidzieć gęstość mikrobiologiczną na podstawie danych z mikrobiomu jelitowego. Badanie obejmowało analizy próbek kału z dwóch głównych grup badanych: osób zdrowych i pacjentów cierpiących na różne choroby, w tym choroby wątroby oraz schorzenia kardiometaboliczne.
Aby zbudować model predykcyjny, naukowcy przekształcili dane o względnej liczbie gatunków mikroorganizmów, eliminując te o najmniejszej liczebności. Wykorzystano optymalizację hiperparametrów, aby minimalizować błędy i zapewnić, że model będzie działał z dużą dokładnością.
Model ten został następnie przetestowany na różnych zestawach danych, w tym na danych z sekwencjonowania genów rRNA 16S, aby sprawdzić, czy przewidywania będą spójne przy różnych technikach profilowania mikrobiomu.
Wyniki badań
Analiza wykazała, że gęstość mikroorganizmów w jelitach odgrywa kluczową rolę w kształtowaniu różnorodności mikrobiomu i znacząco wpływa na powiązania między mikrobiomem a chorobami. Wyniki przewidywań gęstości mikroorganizmów różniły się w zależności od badanych osób, a czynniki takie jak wiek, dieta i stan zdrowia miały wpływ na te wyniki.
Badanie wykazało również, że wyższe wartości gęstości mikroorganizmów były związane z wolniejszym czasem tranzytu pokarmu przez jelita, co z kolei wpływało na różnorodność gatunkową i skład mikrobiologiczny. Co ważne, różne choroby były związane z różnymi wzorcami gęstości mikroorganizmów. Na przykład choroba Leśniowskiego-Crohna oraz marskość wątroby były związane z niższą gęstością mikrobiologiczną, natomiast stwardnienie rozsiane oraz rak jelita grubego charakteryzowały się wyższą gęstością mikroorganizmów.
Kolejnym istotnym odkryciem było to, że po uwzględnieniu gęstości mikroorganizmów wiele wcześniej wykazywanych związków między chorobami a mikroorganizmami traciło na znaczeniu. Sugeruje to, że gęstość mikrobiologiczna może działać jako czynnik zakłócający w badaniach nad mikrobiomem i chorobami.
Znaczenie dla przyszłych badań
Odkrycia te mają istotne implikacje dla przyszłych badań nad mikrobiomem. Dostarczają dowodów na to, że gęstość mikrobiologiczna powinna być uwzględniana we wszystkich badaniach mikrobiomu, aby uniknąć błędnych interpretacji danych. Tego typu analizy mogą przyczynić się do lepszego zrozumienia związków między mikrobiomem a chorobami, co z kolei może pomóc w opracowaniu bardziej precyzyjnych terapii związanych z zdrowiem jelit.
Gęstość mikrobiologiczna może stać się także kluczowym wskaźnikiem w rozwoju biomarkerów chorobowych. Jej uwzględnienie w badaniach może prowadzić do bardziej dokładnych i trafnych wniosków dotyczących specyficznych zmian mikrobiomu związanych z różnorodnymi schorzeniami.
Wnioski
Podsumowując, badanie to podkreśla znaczenie gęstości mikroorganizmów jako kluczowego czynnika determinującego strukturę mikrobiomu jelitowego i jako potencjalnego zakłócacza w badaniach nad związkami mikrobiomu z chorobami. Uwzględnienie tego parametru może prowadzić do znacznie dokładniejszych wyników, lepszego zrozumienia mechanizmów działania mikrobiomu oraz potencjalnie skuteczniejszych terapii w kontekście zdrowia jelitowego.
Źródło: Nishijima, S., Stankevic, E., Aasmets, O. i inni. (2024). Fecal microbial load is a major determinant of gut microbiome variation and a confounder for disease associations. Cell. DOI: 10.1016/j.cell.2024.10.022.
