Nowy wskaźnik równowagi mikrobiomu jelitowego pozwala śledzić rozwój chorób

Naukowcy opracowali nową metodę odróżniania zdrowego mikrobiomu jelitowego od mikrobiomu związanego z chorobą oraz monitorowania progresji niektórych schorzeń poprzez analizę wzajemnych interakcji między bakteriami jelitowymi.

Zgodnie z badaniem opublikowanym w czasopiśmie Science, zespół badaczy z Rutgers University, Universidad de Granada oraz Princeton University wykazał, że zdrowy i chorobowo zmieniony mikrobiom jelitowy funkcjonują jako dwa odmienne stany ekologiczne. Kluczowe znaczenie ma nie tyle obecność określonych drobnoustrojów, ile sposób, w jaki całe społeczności bakteryjne konkurują ze sobą i współpracują.

– Zamiast pytać, jakie bakterie są obecne, zaczęliśmy analizować, w jaki sposób są one powiązane z innymi bakteriami – wyjaśnił Juan Bonachela z Department of Ecology, Evolution and Natural Resources w Rutgers School of Environmental and Biological Sciences, jeden z głównych autorów pracy. – Ta zmiana perspektywy pozwoliła nam postrzegać zdrowie i chorobę jako dwa fundamentalnie różne stany mikrobiomu jelitowego.

Ekologiczny wskaźnik równowagi sieciowej – ENBI

Aby ilościowo ocenić przejścia między stanem zdrowia a chorobą, badacze opracowali nową miarę – Ecological Network Balance Index (ENBI). Wskaźnik ten określa, czy w danej społeczności drobnoustrojów dominują interakcje konkurencyjne, czy kooperacyjne.

Zastosowanie ENBI do istniejących zbiorów danych wykazało, że wskaźnik ten konsekwentnie odróżnia osoby zdrowe od pacjentów z różnymi jednostkami chorobowymi. W przypadku raka jelita grubego wartość indeksu rosła wraz z postępem choroby.

Jak podkreśliła Maria Gloria Dominguez-Bello z Department of Biochemistry and Microbiology w Rutgers School of Environmental and Biological Sciences, wyniki te wskazują, że choroba pojawia się w momencie reorganizacji całych społeczności drobnoustrojowych.

– Zdrowie jelit nie zależy wyłącznie od obecności określonych bakterii, lecz od tego, w jaki sposób oddziałują one między sobą – zaznaczyła badaczka. – W chorobach takich jak nieswoiste zapalenia jelit, zakażenie Clostridioides difficile, zespół jelita drażliwego czy rak jelita grubego bakterie tworzą bardziej kooperacyjne, silnie powiązane grupy, które mogą dominować i zaburzać prawidłowe funkcjonowanie jelit.

Choroba jako przesunięcie całego systemu

Martin Blaser, dyrektor Center for Advanced Biotechnology and Medicine w Rutgers Health, wskazał, że nowe ustalenia pomagają wyjaśnić, dlaczego wiele chorób przewodu pokarmowego pozostaje trudnych do przewidzenia i leczenia.

Zamiast koncentrować się na pojedynczych drobnoustrojach, badanie pokazuje, że choroba pojawia się, gdy dochodzi do przesunięcia równowagi całego systemu mikrobiologicznego. Taka perspektywa może otworzyć drogę do wcześniejszej diagnostyki oraz bardziej ukierunkowanych interwencji terapeutycznych.

Modelowanie komputerowe i potwierdzenie w danych klinicznych

Badania rozpoczęto od budowy modeli komputerowych symulujących konkurencję bakterii jelitowych o składniki odżywcze oraz wymianę produktów metabolicznych.

Początkowo zespół chciał jedynie sprawdzić, czy model odtworzy podstawowe cechy rzeczywistych mikrobiomów. Jednak już na wczesnym etapie symulacje ujawniły dwa wyraźnie odmienne wzorce organizacji społeczności bakteryjnych.

Skłoniło to badaczy do porównania wyników symulacji z danymi uzyskanymi z analiz DNA próbek pochodzących od pacjentów. W danych klinicznych zaobserwowano identyczny schemat: mikrobiom jelitowy stabilizował się w jednym z dwóch stanów – zróżnicowanym, konkurencyjnym stanie związanym ze zdrowiem lub w stanie zdominowanym przez niewielkie, silnie powiązane grupy współpracujących bakterii, charakterystycznym dla choroby.

Potencjał diagnostyczny i terapeutyczny

Zgodnie z założeniami autorów, ENBI mógłby być w przyszłości oznaczany na podstawie próbek kału, co stanowiłoby mało inwazyjną metodę monitorowania stanu mikrobiomu jelitowego.

Nowe podejście może również tłumaczyć zmienną skuteczność terapii mikrobiomowych, takich jak probiotyki czy przeszczep mikrobioty kałowej. Dotychczasowe strategie terapeutyczne koncentrowały się na wprowadzaniu określonych szczepów bakteryjnych. Tymczasem, jeśli problemem jest zaburzona sieć zależności między drobnoustrojami, samo dodanie pojedynczej bakterii może nie przynieść efektu terapeutycznego.

W przypadku przeszczepów mikrobioty kałowej korzyść może wynikać nie z obecności konkretnych gatunków, lecz z przywrócenia całej, prawidłowo funkcjonującej społeczności mikroorganizmów wraz z jej siecią interakcji.

Autorzy sugerują, że w przyszłości dobór dawców do przeszczepów mikrobioty mógłby opierać się nie tylko na kryteriach ogólnego stanu zdrowia, lecz także na analizie zgodności sieci interakcji mikrobiologicznych z mikrobiomem biorcy. Takie podejście mogłoby umożliwić projektowanie terapii dostosowanych do indywidualnej architektury mikrobiomu pacjenta, ograniczając element losowości w leczeniu.

Badanie stanowi istotny krok w kierunku systemowego rozumienia mikrobiomu jelitowego jako dynamicznej sieci ekologicznej, w której równowaga między konkurencją a współpracą drobnoustrojów może stanowić kluczowy marker zdrowia i choroby.

Źródło: Science, Imbalance in gut microbial interactions as a marker of health and disease
DOI: http://dx.doi.org/10.1126/science.ady1729