Sztuczna inteligencja i robotyka przyspieszają poszukiwania skuteczniejszych terapii mikrobiomu jelitowego

Połączenie uczenia maszynowego, optymalizacji bayesowskiej i zautomatyzowanych eksperymentów laboratoryjnych może ułatwić projektowanie bardziej przewidywalnych połączeń probiotyków i prebiotyków. Naukowcy z Duke University zidentyfikowali zestaw dwóch gatunków bakterii oraz inuliny, który w złożonych modelach mikrobiomu sprzyjał stabilnej produkcji maślanu – krótkołańcuchowego kwasu tłuszczowego ważnego dla prawidłowego funkcjonowania jelit.

W artykule:

• Dlaczego skuteczność probiotyków pozostaje trudna do przewidzenia
• Jak sztuczna inteligencja i robotyka wspierają badania mikrobiomu
• Na czym polegało badanie zespołu Duke University
• Jakie znaczenie ma maślan dla zdrowia jelit
• Które bakterie i włókna pokarmowe dały najbardziej stabilny efekt
• Jakie są ograniczenia i możliwe zastosowania nowej metody

Złożoność mikrobiomu utrudnia projektowanie terapii

Inżynierowie biomedyczni z Duke University zaprezentowali metodę systematycznego opracowywania nowych, złożonych połączeń probiotyków i prebiotyków, które w przyszłości mogłyby skuteczniej wspierać zdrowie jelit oraz leczenie różnych chorób przewodu pokarmowego.

Podejście opiera się na celowym projektowaniu eksperymentów, automatyzacji tysięcy równoległych analiz laboratoryjnych oraz wykorzystaniu modeli obliczeniowych do uzupełniania luk w wiedzy. Dzięki temu możliwe jest badanie skomplikowanych interakcji zachodzących pomiędzy wieloma gatunkami drobnoustrojów, źródłami substancji odżywczych i warunkami środowiska.

Jednym z głównych problemów związanych z opracowywaniem probiotyków i prebiotyków jest ogromna zmienność mikrobiomu jelitowego. Na jego skład i funkcjonowanie wpływają między innymi dieta, przyjmowane leki, styl życia, ekspozycje środowiskowe, fizjologia gospodarza oraz zestaw mikroorganizmów obecnych już w przewodzie pokarmowym.

W badaniu typu proof-of-concept naukowcy zastosowali nowe podejście do identyfikacji określonych połączeń bakterii i włókien pokarmowych, które miały sprzyjać prawidłowemu funkcjonowaniu jelit niezależnie od części różnic w składzie badanej społeczności mikroorganizmów.

Zdaniem autorów metoda może mieć istotne znaczenie dla szybko rozwijającego się rynku probiotyków i prebiotyków, który od lat zmaga się z problemem niejednorodnych, trudnych do odtworzenia i często nieprzewidywalnych efektów stosowania dostępnych produktów.

Probiotyk potrzebuje odpowiedniego środowiska

Ophelia Venturelli, associate professor of biomedical engineering at Duke University, porównała wprowadzanie bakterii do mikrobiomu jelitowego z sadzeniem nasion w glebie pozbawionej składników odżywczych i minerałów. Nawet wartościowy mikroorganizm może nie rozwinąć się prawidłowo, jeżeli środowisko nie zapewnia mu odpowiednich warunków do wzrostu i aktywności metabolicznej.

„Jeśli weźmiemy nasiono i posadzimy je w glebie pozbawionej składników odżywczych i minerałów, może ono nie rosnąć zbyt dobrze. Ta sama zasada dotyczy wprowadzania mikroorganizmów do mikrobiomu jelitowego człowieka. Celem tej pracy jest projektowanie zarówno środowiska, jak i samych bakterii w sposób, który może wspierać zdrowie człowieka” – wyjaśniła Ophelia Venturelli.

W praktyce oznacza to, że samo podanie określonego szczepu lub zestawu szczepów probiotycznych może być niewystarczające. Konieczne może być również zapewnienie im odpowiednich substratów odżywczych, czyli między innymi prebiotycznych włókien pokarmowych, które będą selektywnie wspierać wzrost lub aktywność metaboliczną pożądanych bakterii.

Mikrobiom jelitowy jest niezwykle zmiennym ekosystemem

Jelito człowieka stanowi wyjątkowo złożone środowisko zasiedlane przez bardzo liczne i zróżnicowane społeczności mikroorganizmów. Liczba komórek drobnoustrojów w przewodzie pokarmowym jest porównywalna z liczbą komórek ludzkiego organizmu, a łączna masa mikroorganizmów może sięgać kilkuset gramów.

Skład gatunkowy mikrobiomu oraz proporcje pomiędzy poszczególnymi drobnoustrojami różnią się pomiędzy regionami geograficznymi, populacjami, a także poszczególnymi osobami. Zmienność ta zależy między innymi od diety, stylu życia, przyjmowanych leków, środowiska i historii ekspozycji organizmu.

Chociaż u wielu ludzi występują podobne grupy funkcjonalne bakterii, konkretne gatunki tworzące te grupy mogą być odmienne. Oznacza to, że ta sama interwencja mikrobiologiczna lub żywieniowa może wywoływać różne efekty u różnych osób.

Zaburzenia funkcjonowania mikrobiomu mogą mieć znaczenie kliniczne. Bakterie jelitowe ograniczają kolonizację przewodu pokarmowego przez niepożądane patogeny, uczestniczą w rozkładzie włókien pokarmowych i węglowodanów złożonych, których człowiek nie jest w stanie samodzielnie strawić, a także wytwarzają metabolity wpływające na komórki nabłonka jelitowego.

Produkty metabolizmu bakteryjnego mogą ponadto oddziaływać na rozwój i funkcjonowanie układu odpornościowego, bilans energetyczny, zdrowie kardiometaboliczne oraz procesy neurologiczne. Zależności te są jednak wielokierunkowe i złożone, dlatego nie można sprowadzać działania mikrobiomu do wpływu pojedynczego gatunku bakterii lub jednego metabolitu.

Dlaczego dotychczasowe probiotyki nie zawsze działają przewidywalnie

Wprowadzanie korzystnych społeczności mikroorganizmów oraz dostarczanie im składników odżywczych stało się podstawą rozwoju rynku produktów wspierających mikrobiom. Według informacji przytoczonych przez autorów komunikatu światowy rynek probiotyków jest wyceniany na około 130 miliardów dolarów, natomiast nagłówek materiału odnosi się szerzej do szybko rozwijającego się rynku probiotyków i prebiotyków o wartości około 150 miliardów dolarów.

Mimo dużego zainteresowania konsumentów i przemysłu wykazanie powtarzalnych korzyści pozostaje poważnym wyzwaniem. Jednym z powodów jest trudność trwałego zasiedlenia jelita przez podawane bakterie. Mikroorganizmy probiotyczne muszą konkurować z rozbudowaną społecznością drobnoustrojów, które już zajmują dostępne nisze ekologiczne i wykorzystują obecne w jelicie zasoby.

„Same probiotyki mogą nie być zdolne do kolonizacji jelita na tyle długo, aby przynieść korzyść, ponieważ żyje tam już bardzo wiele mikroorganizmów. Nadal istnieje duża niepewność dotycząca tego, czy obecnie stosowane metody odbudowy zdrowia mikrobiomu jelitowego są skuteczne, ponieważ wyniki pozostają w znacznym stopniu nieprzewidywalne” – zaznaczyła Ophelia Venturelli.

Nowa metoda ma zwiększyć przewidywalność projektowania takich interwencji poprzez jednoczesne uwzględnianie składu społeczności mikroorganizmów, rodzaju dostępnych składników odżywczych oraz celu metabolicznego, który ma zostać osiągnięty.

Eksperymenty z 15 gatunkami bakterii i sześcioma rodzajami włókien

W opublikowanej pracy zespół Venturelli przedstawił metodę systematycznego badania dużej przestrzeni możliwych kombinacji biologicznych. Proces polegał na zamknięciu pętli pomiędzy eksperymentami laboratoryjnymi a modelami obliczeniowymi. Wyniki kolejnych doświadczeń aktualizowały model, a model wskazywał, które następne eksperymenty mogą dostarczyć najbardziej wartościowych informacji.

W doświadczeniach laboratoryjnych badacze analizowali różne kombinacje 15 gatunków drobnoustrojów jelitowych. Mikroorganizmy hodowano wspólnie, a jako źródła substancji odżywczych zastosowano sześć rodzajów włókien pokarmowych, o których wiadomo, że mogą wpływać na wytwarzanie maślanu.

Maślan jest krótkołańcuchowym kwasem tłuszczowym powstającym podczas bakteryjnej fermentacji składników pokarmowych. Pełni ważną funkcję między innymi jako źródło energii dla kolonocytów, czyli komórek nabłonka jelita grubego. Może również uczestniczyć w regulacji integralności bariery jelitowej, odpowiedzi immunologicznej i lokalnego metabolizmu.

Nawet przy ograniczeniu eksperymentu do 21 zmiennych liczba możliwych kombinacji drobnoustrojów i rodzajów włókien przekraczała biliony. Pełne laboratoryjne przetestowanie wszystkich wariantów byłoby niewykonalne.

Uczenie aktywne wybierało najbardziej informacyjne eksperymenty

Aby rozwiązać ten problem, naukowcy wykorzystali uczenie maszynowe, modelowanie komputerowe, zautomatyzowane eksperymenty oraz uczenie aktywne, określane w tym przypadku jako optymalizacja bayesowska.

Optymalizacja bayesowska umożliwia wybieranie kolejnych doświadczeń w taki sposób, aby jednocześnie uzupełniać najważniejsze luki w modelu i zbliżać się do określonego celu, na przykład zwiększenia produkcji pożądanego metabolitu.

Zamiast losowo testować dużą liczbę kombinacji system wskazywał warunki, których zbadanie mogło najbardziej poprawić dokładność modelu lub ujawnić obiecujące rozwiązania. Po przeprowadzeniu doświadczenia uzyskane dane wracały do modelu, który na ich podstawie wybierał następną serię eksperymentów.

Przy użyciu autonomicznych systemów robotycznych zespół przeprowadził pięć serii wysokoprzepustowych eksperymentów. W jednej serii można było analizować do 390 warunków jednocześnie.

Badacze stwierdzili wiele nieoczekiwanych efektów wynikających z interakcji pomiędzy poszczególnymi gatunkami bakterii i włóknami pokarmowymi. Zależności te były na tyle złożone, że – według autorów – nie można było ich wiarygodnie przewidzieć przed przeprowadzeniem doświadczeń.

Inulina i trzy gatunki bakterii sprzyjały produkcji maślanu

Analiza wyników wykazała, że szczególnie obiecującym układem było połączenie inuliny z dwoma gatunkami bakterii wykorzystujących ten rodzaj włókna: Bacteroides uniformis oraz Anaerostipes caccae.

W obecności trzeciego gatunku, Prevotella copri, układ ten prowadził do powtarzalnego wytwarzania pożądanego maślanu. Co istotne, efekt utrzymywał się również po wprowadzeniu innych badanych gatunków i czynników, co wskazywało na względną odporność tej interakcji na zmiany składu społeczności mikroorganizmów.

Uzyskany wynik nie oznacza jeszcze, że taka sama kombinacja będzie skuteczna jako terapia u ludzi. Badanie przeprowadzono w kontrolowanych modelach laboratoryjnych, a rzeczywisty mikrobiom człowieka jest znacznie bardziej złożony i podlega wpływowi wielu dodatkowych czynników biologicznych.

Naukowcy badają obecnie, czy zidentyfikowane połączenie może być skuteczne w mysim modelu nieswoistego zapalenia jelit. Według autorów wstępne rezultaty są obiecujące, jednak w komunikacie nie przedstawiono szczegółowych danych dotyczących skuteczności, bezpieczeństwa ani wielkości efektu w tym modelu.

Możliwe zastosowania w chorobach przewodu pokarmowego

Autorzy uważają, że przedstawione podejście może zostać wykorzystane nie tylko do dalszego badania konkretnej kombinacji inuliny i trzech gatunków bakterii. Ten sam proces może służyć do identyfikowania innych zestawów mikroorganizmów, włókien i warunków środowiskowych odpowiednich dla różnych zaburzeń przewodu pokarmowego.

Obecnie część firm łączy bakterie i włókna pokarmowe w synbiotycznych produktach wspierających zdrowie jelit. Zdaniem Venturelli zazwyczaj nie prowadzi się jednak na dużą skalę systematycznych poszukiwań, które pozwalałyby dopasować konkretną synergię bakterii i substratów odżywczych do określonego problemu biologicznego lub klinicznego.

„Istnieją już firmy łączące bakterie i włókna pokarmowe w produktach wspierających zdrowie jelit, ale nie próbują one jeszcze identyfikować i dopasowywać właściwych synergii do właściwego problemu. Uważam, że wykorzystanie tego procesu mogłoby pomóc w opracowywaniu bardziej spersonalizowanych i skuteczniejszych rozwiązań dla wielu problemów dotyczących przewodu pokarmowego” – powiedziała Venturelli.

Znaczenie badania i najważniejsze ograniczenia

Najważniejszym osiągnięciem badania nie jest samo wskazanie pojedynczej kombinacji bakterii i inuliny, lecz opracowanie strategii, która umożliwia bardziej racjonalne przeszukiwanie ogromnej liczby możliwych interakcji w mikrobiomie.

Połączenie modeli obliczeniowych, uczenia aktywnego i automatyki laboratoryjnej może znacząco ograniczyć liczbę eksperymentów potrzebnych do znalezienia obiecujących układów. Pozwala także wykrywać zależności wieloczynnikowe, które mogłyby pozostać niewidoczne w prostszych badaniach analizujących pojedynczy szczep lub pojedynczy składnik diety.

Jednocześnie wyniki należy interpretować ostrożnie. Było to badanie eksperymentalne prowadzone w warunkach laboratoryjnych. Nie oceniano w nim skuteczności klinicznej produktu probiotycznego lub synbiotycznego u pacjentów, nie analizowano długoterminowego bezpieczeństwa i nie ustalono, czy zidentyfikowane połączenie bakterii może trwale kolonizować jelito człowieka.

Nie wiadomo również, czy zwiększenie produkcji maślanu w zaprojektowanym układzie laboratoryjnym przełoży się na wymierne korzyści kliniczne w określonej chorobie. Konieczne będą dalsze badania przedkliniczne, a następnie odpowiednio zaprojektowane badania z udziałem ludzi.

Badanie zostało sfinansowane przez National Institutes of Health w ramach grantów R35GM124774, R01EB030340 i R01DK13346 oraz przez Army Research Office w ramach grantu W911NF-19-1-0269.

Źródło: Nature Chemical Biology, „Designing fiber–gut microbiome interactions with active learning”.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41589-026-02272-4