Понимание связи между кишечными бактериями и заболеваниями с помощью машинного обучения

Новое исследование, опубликованное в “˜Cell” 13 ноября 2024 года, показывает, что многие из ранее установленных связей между определенными кишечными бактериями и заболеваниями могут быть преувеличены. Исследование, проведенное Пиром Борком из Европейской лаборатории молекулярной биологии (EMBL) в Гейдельберге, предполагает, что различия в микробной нагрузке пациента, а не конкретное присутствие определенных видов бактерий, могут быть ключевым фактором микробных сигнатур в образцах кала, даже у людей, страдающих от заболеваний. В течение многих лет исследователи выдвигали гипотезу, что определенные виды микроорганизмов в кишечнике могут служить маркерами таких заболеваний, как синдром раздраженного кишечника (СРК), воспалительное заболевание кишечника (ВЗК) и даже такие состояния, как диабет или сердечно-сосудистые заболевания. Однако это исследование оспаривает это предположение, показывая, что изменения в микробной нагрузке, например, общее количество присутствующих бактерий, сильнее связаны с желудочно-кишечными симптомами, такими как диарея и запор, чем с самими заболеваниями. По словам Борка, «мы были удивлены, обнаружив, что многие виды микробов, которые ранее считались связанными с заболеваниями, были сильнее объяснены изменениями в микробной нагрузке». Это открытие предполагает, что микробная нагрузка, на которую влияют такие факторы, как возраст, пол, диета, использование антибиотиков и страна происхождения, может играть более значительную роль, чем считалось ранее, в проявлении симптомов, связанных с кишечником. Исследование также представляет инновационный подход машинного обучения к изучению микробиома. В то время как крупномасштабный анализ микробиома традиционно был затруднен высокими затратами и трудоемкими методами, эта новая методика позволяет прогнозировать микробную нагрузку в образцах фекалий на основе состава микробиома. Модель, обученная на данных нескольких крупномасштабных исследований, может значительно оптимизировать исследования микробиома и улучшить наше понимание здоровья кишечника. Майкл Кун, другой старший автор исследования, объясняет, что с новой моделью «микробную нагрузку можно предсказать для всех исследований микробиома кишечника взрослого человека». Это может сделать микробную нагрузку более доступным и надежным маркером для исследователей, изучающих роль кишечных бактерий в здоровье и болезнях. Наборы данных, использованные для исследования, были получены из нескольких крупных исследовательских инициатив, включая финансируемый ЕС проект GALAXY, проект MicrobLiver фонда Novo Nordisk и исследование MetaCardis. Однако, хотя исследование предлагает многообещающие идеи, исследователи предупреждают, что анализ был основан только на корреляциях, а не на причинно-следственных связях. Другими словами, они не смогли окончательно установить, вызывают ли изменения микробной нагрузки непосредственно желудочно-кишечные симптомы или они являются просто следствием других факторов. Кроме того, модель, разработанная в этом исследовании, специфична для микробиома кишечника человека, что означает, что потребуются другие модели для прогнозирования микробной нагрузки в других средах, таких как почва или океаны. Будущие исследования будут направлены на уточнение этих результатов путем выявления видов микробов, более непосредственно связанных с заболеваниями, независимо от микробной нагрузки, и изучения их потенциального использования в качестве биомаркеров. Также есть надежда, что подход машинного обучения может быть адаптирован для использования в более широких исследованиях микробиома окружающей среды, что предоставит ценную информацию о микробных экосистемах во всем мире.

Комментарий обозревателя SuppBase Элис Уинтерс

Это исследование представляет собой убедительный сдвиг в нашем понимании связи между микробиомом кишечника и болезнями. В течение многих лет повествование, окружающее бактерии кишечника и здоровье, было в основном сосредоточено на определении «плохих» или «хороших» бактерий, с предположением, что определенный микробный состав напрямую коррелирует с болезнями. Однако это исследование предлагает нам пересмотреть эту связь. Концепция «микробной нагрузки» — огромного количества бактерий в кишечнике — может быть более значимым фактором, определяющим состояние здоровья, чем конкретные виды бактерий. Здесь есть два основных вывода. Во-первых, это исследование подчеркивает сложность микробиома. Здоровье кишечника явно зависит от огромного количества факторов, таких как диета, генетика, окружающая среда и образ жизни. Представление о том, что простое изменение присутствия определенных микробов может привести к терапевтическим результатам, кажется чрезмерно упрощенным в свете этих результатов. Акцент на микробной нагрузке вместо этого предполагает, что, возможно, вмешательства, направленные на оптимизацию общего баланса и разнообразия кишечных бактерий, а не нацеливание на конкретные виды, могли бы дать более многообещающие результаты. Во-вторых, использование машинного обучения в исследовании микробиома является крупным прорывом. Исторически исследования микробиома были крайне трудно масштабируемы, а высокие затраты, связанные с экспериментальными измерениями микробной нагрузки, ограничивали возможность проведения крупномасштабных исследований на основе популяции. Эта новая прогностическая модель может произвести революцию в этой области, сделав измерение микробной нагрузки более осуществимым, что позволит исследователям собирать больше данных из более крупных и разнообразных когорт. Это, в свою очередь, может привести к более точным и обобщенным результатам, которые могут принести пользу не только медицинским исследованиям, но и клинической практике. Тем не менее, исследование также подчеркивает некоторые ограничения. Как отмечают авторы, они еще не установили причинно-следственную связь. Мы все еще не знаем, способствует ли повышенная микробная нагрузка напрямую желудочно-кишечным заболеваниям или это отражение других основных факторов, таких как воспаление или инфекция. Пока эти связи не будут лучше поняты, модель следует рассматривать как инструмент для генерации гипотез, а не как окончательное объяснение взаимодействий микробиома и болезни. Это поднимает важный вопрос для индустрии пищевых добавок и товаров для здоровья: в свете этих результатов может потребоваться переоценка продолжающегося использования продуктов, нацеленных на кишечные бактерии, от пробиотиков до пребиотиков и постбиотиков. Хотя эти продукты рекламируются как способы прямого воздействия на микробиом кишечника для улучшения результатов в отношении здоровья, фактическая роль конкретных видов микроорганизмов в заболевании может быть менее прямой, чем предполагалось ранее. Потребителям, возможно, придется скорректировать свои ожидания от этих продуктов и больше сосредоточиться на целостных подходах к здоровью кишечника, таких как диета, изменение образа жизни и сбалансированное добавление, а не полагаться исключительно на лечение, нацеленное на бактерии. Поскольку наука продолжает развиваться, компаниям необходимо будет оставаться в курсе последних исследований и соответствующим образом корректировать свои формулы и маркетинговые стратегии.