Nowy sposób identyfikacji kluczowych bakterii jelitowych otwiera drzwi do spersonalizowanych terapii
Naukowcy z Uniwersytetu Rutgers we współpracy z międzynarodowymi badaczami opracowali nowatorską metodę identyfikacji kluczowego zestawu mikroorganizmów jelitowych, które są niezbędne do utrzymania zdrowia. Odkrycie to może przekształcić podejście do żywienia precyzyjnego i spersonalizowanych terapii, zwłaszcza w leczeniu przewlekłych chorób związanych z zaburzeniami mikrobiomu, takich jak cukrzyca, choroba zapalna jelit czy nowotwory.
Kluczowa rola mikrobiomu jelitowego
Mikrobiom jelitowy odnosi się do złożonej społeczności mikroorganizmów zamieszkujących nasz układ trawienny, które odgrywają kluczową rolę w utrzymaniu zdrowia. Odpowiadają one za procesy trawienne, obronę immunologiczną oraz wpływają na zdrowie psychiczne. Kiedy dochodzi do zaburzeń równowagi mikrobiomu, czyli do tzw. dysbiozy, mogą pojawić się różne przewlekłe schorzenia, takie jak choroba zapalna jelit, schorzenia metaboliczne, choroby neurologiczne, przewlekła choroba nerek, a nawet rak.
Badania wykazują, że przeszczepienie zdrowych mikroorganizmów jelitowych od zdrowego dawcy może pomóc złagodzić niektóre z tych schorzeń, co podkreśla znaczenie zdrowego mikrobiomu dla naszego ogólnego dobrostanu.
Nowatorski model „Dwóch Gildii”
W nowym podejściu badawczym, zespół wykorzystał modele sztucznej inteligencji, aby zidentyfikować dwie kluczowe grupy bakterii jelitowych, nazywane Fundacyjną Gildią oraz Patobiontyczną Gildią. Model ten, zwany „Dwoma Gildiami Walczącymi”, pozwala na klasyfikację stanów zdrowotnych niezależnie od etniczności, geografii czy rodzaju choroby, a także przewiduje reakcje na immunoterapię w czterech różnych chorobach.
Do tej pory nie było jednoznacznej definicji mikrobiomu rdzeniowego ani jednoznacznych sposobów na jego identyfikację. Dotychczasowe badania często skupiały się na powszechnie dzielonych jednostkach taksonomicznych, takich jak gatunki lub rodzaje mikroorganizmów. Niemniej jednak, każda z tych jednostek może obejmować zarówno szczepy korzystne, jak i szkodliwe – jak w przypadku bakterii E. coli, która obejmuje zarówno nieszkodliwe, jak i potencjalnie niebezpieczne szczepy, takie jak E. coli O157.
Precyzyjne podejście do analizy mikrobiomu
Badanie to przełamuje te ograniczenia, stosując wysokiej jakości genomy pozyskane bezpośrednio z zestawów danych metagenomicznych. Każdy genom jest oznaczony unikalnym identyfikatorem, co ułatwia śledzenie jego zachowania ekologicznego. To podejście umożliwia precyzyjną analizę, eliminując „szum” w danych oraz identyfikując nowe, nieklasyfikowalne bakterie, które wcześniej nie były uwzględniane w bazach danych.
Profesor Liping Zhao, jeden z autorów badania, zauważa: „Nasze badanie identyfikuje bakterie jelitowe, które pozostają połączone, niezależnie od wyzwań, z jakimi zmaga się organizm, takich jak zmiany diety czy choroby. Skupiając się na tych odpornych i zintegrowanych bakteriach, opracowaliśmy nową metodę identyfikacji mikroorganizmów kluczowych dla utrzymania zdrowia.”
Równowaga między Gildią Fundacyjną a Gildią Patobiontyczną
Zidentyfikowane dwie grupy bakterii mają odmienne, ale komplementarne role w organizmie człowieka. Fundacyjna Gildia odgrywa kluczową rolę w stabilizacji i organizacji mikrobiomu jelitowego. Te bakterie rozkładają błonnik pokarmowy i produkują krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe (SCFA), takie jak maślan, który wspiera zdrowie jelit poprzez utrzymanie bariery jelitowej, redukcję zapaleń i dostarczanie energii komórkom jelita grubego. SCFA są również kluczowe w hamowaniu wzrostu szkodliwych bakterii.
Z drugiej strony, Gildia Patobiontyczna, choć w małych ilościach jest niezbędna do edukacji układu odpornościowego i czujności immunologicznej, może stać się szkodliwa, gdy zyska przewagę w ekosystemie jelitowym. Kiedy dochodzi do przewagi Gildii Patobiontycznej, może to prowadzić do dysbiozy i nasilenia stanów zapalnych, co w konsekwencji sprzyja rozwojowi przewlekłych chorób.
Zrównoważenie tych dwóch grup jest kluczowe. Kiedy dominacja należy do Gildii Fundacyjnej, zdrowie jelit pozostaje nienaruszone. Jednak gdy równowaga przechyla się na korzyść Gildii Patobiontycznej, mogą rozwijać się stany zapalne, pogarszając przebieg różnych chorób.
Nowe możliwości terapii personalizowanej
Jak podkreśla profesor Zhao, nowy model nie tylko pomaga identyfikować kluczowe grupy bakterii, ale również pokazuje, jak można je wspierać, aby utrzymać ich dominację. Dzięki temu otwierają się nowe możliwości w zakresie personalizowanego żywienia oraz terapii ukierunkowanych na przywrócenie równowagi w mikrobiomie jelitowym.
Skupiając się na genach odpowiedzialnych za degradację błonnika w Gildii Fundacyjnej, można opracować spersonalizowane zalecenia dietetyczne, które wspierają ekologiczne przewodzenie tych kluczowych mikroorganizmów.
Przyszłość badań i terapii
Model „Dwóch Gildii Walczących” to nie tylko nowa metoda, ale również nowy standard w badaniach nad mikrobiomem. Członkowie mikrobiomu rdzeniowego muszą być nie tylko powszechnie spotykani w populacji, ale także stabilnie połączeni, mimo dramatycznych zmian w środowisku. To podejście stawia nowe wymagania przed badaczami, dążąc do precyzyjniejszego zrozumienia mikrobiomu ludzkiego.
Zespół profesora Zhao planuje przeprowadzenie serii badań klinicznych w celu dalszego dopracowania terapii personalizowanych, które mają na celu przywrócenie i utrzymanie dominacji Gildii Fundacyjnej u pacjentów z ciężką dysbiozą. Dzięki zastosowaniu modelu „Dwóch Gildii” w warunkach klinicznych, badacze mają nadzieję przełożyć swoje odkrycia na praktyczne terapie, które znacząco poprawią wyniki leczenia pacjentów z chorobami dotąd uważanymi za nieodwracalne.
Badania te były wspólnym wysiłkiem ekspertów z Uniwersytetu Rutgers, Uniwersytetu Jiao Tong w Szanghaju, Tufts University Medical School oraz innych instytucji. Projekt został sfinansowany m.in. przez New Jersey Institute for Food, Nutrition, and Health, Canadian Institute for Advanced Research (CIFAR) oraz Notitia Biotechnologies Company.
—
Źródła:
Rutgers University,
Wu, G., et al. (2024). A core microbiome signature as an indicator of health. Cell. doi.org/10.1016/j.cell.2024.09.019.
