מחקר פורץ דרך חושף כיצד ניתוח המיקרוביום על פני מספר אתרי גוף מסייע לזהות חיידקים חדשים וגנים של עמידות לאנטי-מיקרוביאלית, וסוללת את הדרך לאסטרטגיות אבחון וטיפוליות חדשות.
מחקר: פענוח הפוטנציאל האבחוני והטיפולי של מיקרוביוטה באמצעות מיקרוביומיקה של מחלות פאן-גוף. קרדיט תמונה: CI Photos / Shutterstock
במחקר שפורסם לאחרונה בכתב העת תקשורת טבעחוקרים בגרמניה ביצעו ניתוח מקיף של מיקרוביום על פני מחלות שונות כדי לחקור את תפקידו של המיקרוביום האנושי באבחון וניהול מחלות.
רֶקַע
המיקרוביום האנושי הוא מקור חיוני לאינדיקטורים אבחנתיים ולטיפולים שכן הוא משתנה בין אזורי הגוף ואינו מבודד. השונות הזו מדגישה את הצורך בגישה כלל-גוף המתחשבת במיקרוביוטה על פני מערכות איברים מרובות, ומבטיחה הבנה הוליסטית יותר של תהליכי מחלה. מחקרים עדכניים הדגישו את הקשר המסובך בין מחלות בלתי ניתנות להעברה וחיידקים ברקמות אנושיות, פותח אפשרויות חדשות לחקר סיבת מחלות, גילוי סמנים ביולוגיים ויצירת טיפולים חדשים.
מחקרים מצאו ששינויים במיקרוביום ספציפי לאתר קשורים להופעת מחלה ולהתקדמות. מחקרים מטאנומיים כמו פרויקט המיקרוביום האנושי (HMP), הקונסורציום הבינלאומי למיקרוביום אנושי (IHMC) ופרויקט המעיים האמריקאי ניתחו אלפי דגימות חיידקים. חוסר איזון מיקרוביאלי נקשר להפרעות דלקתיות, מה שמצביע על כך שהמיקרוביוטה חיונית להתפתחות מחלות ופתרון.
לגבי המחקר
במחקר הנוכחי, החוקרים אימצו גישה של כלל-גוף, פאן-מחלה, תוך בחינת אתרי גוף מרובים בו-זמנית כדי לחקור שינויים במיקרוביום במחלה של איבר בודד ובריבוי תחלואה. הם חקרו דפוסי אבחון, עמידות לאנטי-מיקרוביאלית (AMR), יכולות תפקודיות וקשרי מחלות פוטנציאליים והעריכו את היכולות התפקודיות שלהם.
משנת 2021 עד 2023, חוקרים אספו דגימות מאנשים הסובלים ממצבים דלקתיים כרוניים של הריאות, העיניים, חלל הפה, הלב, העור והמעי. הם השיגו רובד דנטלי, רוק, גרון, עור, צואה ודגימות עיניים. הדגימות עברו רצף מהדור הבא ומטאנומי (עומק רצף ממוצע, 5.3 ג'יגה-בסיסים).
החוקרים השיגו 1,931 דגימות באיכות גבוהה מ-515 חולים, תשואה של 3.7 מטאנומים לכל חולה. הם לא כללו דגימות עם כמות לא מספקת או באיכות ירודה של DNA. הם ניתחו מטגנומיקה הקשורה ל-AMR. לאחר מכן, חוקרים ביצעו חיזוי של אשכולות גנים ביוסינתטיים (BGC). הם פיתחו אסטרטגיית עדיפות חדשה לזיהוי BGCs עם הפוטנציאל הטיפולי הגבוה ביותר, על בסיס דפוסי העשרה או דלדול בתוך קבוצות מחלה ספציפיות. הם חקרו אם BGC הפגין העשרה או דלדול בתוך קבוצות מחלה ספציפיות. הם השוו אותם למסד הנתונים MIBiG כדי לזהות תרכובות המיוצרות על ידי BGCs.
חוקרים יצרו פחי גנום של מינים (SGBs) ובדקו את הקשרים הפוטנציאליים שלהם למחלות. כדי להעריך את החדשנות של ה-SGBs, הם השתמשו בהפניות כמו GTDB r214, אוסף הגנום האנושי של העיכול המאוחד, ופרויקט סינגפור פלטינום מטאנומים, כולל 99,376 גנומים. SGBs היו ידועים במקרה של התאמה למקור ידוע ולרומן אם לא היו התאמות. החוקרים חישבו את הרכבי המיקרוביום היחסיים ברמת הסוג וביצעו ניתוח שפע דיפרנציאלי ברמת המין. הם חישבו הטבעה המבוססת על מרחקי MinHash עבור גיוון בטא כדי להפריד את המטאנומים לפי סוג דגימה. מגוון שאנון הצביע על עושר מינים של מגוון אלפא. החוקרים השתמשו בקירוב והשלכת סעפת אחיד (UMAP) לניתוח. Center-log ratios (CLR) ציינו שפע מנורמל עבור שילובי מינים-עוקבה-דגימה. הגישה הפאן-גוף הזו אפשרה ניתוח ניואנסים יותר של מגוון המיקרוביום על פני אתרי גוף שונים. הם בדקו נתונים תזונתיים הקשורים להקשר של המחלה כדי להעריך פוטנציאל לבלבול.
א זרימת עבודה סכמטית המתארת את המדגם (חץ עליון) ואת זרימת הנתונים (חץ תחתון) בין רופאים, מיקרוביולוגיה ומדעי הנתונים. הנתונים הקליניים נשמרו מופרדים ממדידת המיקרוביום ושולבו רק לאחר המדידה בניתוח החישובי. ב הדגימה הקלינית התמקדה בשבע דגימות ביולוגיות (חלק כחול שמאלי). כללנו מטופלים ממגוון רחב של מחלות קליניות, מה שאפשר לנו לנתח את הפוטנציאל האבחוני של סוגי דגימות שונות על פני מחלות. נוצר עם BioRender.com, שוחרר תחת רישיון Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs 4.0 בינלאומי. ג Sankey מגרש עבור מספר הדגימות שנכללו במחקר במרווחים שונים של תהליך יצירת הנתונים ביחס לאסטרטגיית בקרת האיכות שלנו. סוגי דגימות מסודרים בצורה אנכית בכל שלב בצינור לפי תדירות הדגימה המתאימה. ד מספר קריאות עבור כל דגימה בצבע לפי דגימה. הקו האופקי מייצג את סף 5 גיגה-בסיס באורך קריאה זוגי של 150 bp. ה חלקת עצבים גזומה המציגה את ההתרחשות הנפוצה ביותר של מחלות במערך הנתונים. השילובים מסודרים בתדירות הולכת ופוחתת, מסמנים את השילוב של יתר לחץ דם והשמנה כתחלואה הנלווית השכיחה ביותר במחקר שלנו. ו אונטולוגיה שימשה לאורך כל המחקר כדי לקבץ מחלות לפי מערכות ביולוגיות ולהפריד בין שליטה בריאה לחולים חולים. השטחים הם פרופורציונליים למספר החולים הנכללים בכל קטגוריה. חולים עשויים להיות מיוצגים מספר פעמים אם מאובחנים מספר מחלות.
תוצאות
המחקר הראה שינויים משמעותיים בשפע החיידקים בין סוגי דגימות ומחלות. הצוות זיהה 583 SGBs שלא נחקרו, 189 מהם היו קשורים באופן מובהק למחלה. SGBs שלא תוארו והובאו בעבר הכיל 28,315 BGCs סבירים, עם 1,050 קשרים משמעותיים עם מחלות. דגימות מיקרוביום אוראליות (רוק ורובד) הציגו יותר גנומים לא מתוארים, והיוו 72% מהחידוש ב-SGBs. ממצאים אלה מדגישים את הערך של חקירת סוגי דגימות מרובות בו-זמנית, שכן אתרי גוף מסוימים, כמו חלל הפה, הוכיחו חידוש משמעותי יותר בגנום המיקרוביאלי. חולים עם מחלות נלוות מציגים שינויים גבוהים יותר במיקרוביום האנושי, ללא קשר לאתר הגוף.
חשוב לציין, המחקר מדגיש שמחלות נלוות מעצימות שיבושים במיקרוביום, מה שמוביל לשינויים בולטים יותר במגוון החיידקים. לחולים עם מספר מצבים כרוניים היו שינויים במיקרוביום גבוהים יותר בעקביות בכל אתרי הגוף שנחקרו, מה שמעיד על כך שמולטי-תחלואה היא גורם מפתח בשונות המיקרוביום.
Corynebacterium pseudogenitalium ו Staphylococcus epidermidis הראה שפע גבוה משמעותית בעור של חולי מחלת לב כלילית. הצוות זיהה העשרה של Capnocytophaga gingivalis בדגימות רוק שהתקבלו מאנשים עם אנירידיה, Lachnoanaerobaculum saburreum מינים בדגימות פלאק מאלו עם אנירידיה, ו Porphyromonas endodontalis בדגימות רובד בין שיניים שסופקו על ידי אנשים שמנים. Bacteroides cellulosilyticus השפע היה נמוך משמעותית בדגימות צואה של אנשים עם מחלות עיכול. סטרפטוקוקוס וסטיבולריס היה הרבה פחות בשפע בדגימות רוק של אנשים עם אנירידיה ויותר באלה של אנשים עם מחלת פרקינסון.
על פני כל הדגימות, ה mef(A) הגן המקודד עמידות נגד תרופות אנטי-מיקרוביאליות מקרולידים היה הנפוץ ביותר. הגנים הנצפים ביותר המקנים עמידות כנגד קרבפנם היו ניו דלהי מטאלו בטא-לקטמאז (NDM) והידרוליזה של אוקסצילין (OXA) קרבפנמסות. הממצאים הצביעו על כך שחולים עם גנים עמידות על העור נשאו את אותם גנים עמידות במעי.
חוקרים מצאו 11 ירידה בשפע החיידקים בצואה צמחונית, עם מינים כמו אליסטיפס אינופס, Phascolarctobacterium faeciumו Bifidobacterium שופע יותר בקרב משתתפים אוכלי כל. דיאליסטר זן CAG 357, הקשור לדלקת, הראה רמות גבוהות יותר בקרב אוכלי כל. רק פגיעה אחת הקשורה לתזונה, סכרימונס sp013333645, שנגזר מרובד שיניים, נשאר. הממצאים מצביעים על כך שגורמים מבלבלים משפיעים על דפוסים מטגנומיים, אך אותות המחלה נמשכים.
הגישה החדשה של הצוות לתעדוף BGC, הכוללת הערכת דפוסי העשרה או דלדול BGC, חשפה מספר BGCs עם פוטנציאל טיפולי משמעותי. באופן ספציפי, המחקר זיהה BGCs המייצרים תרכובות בעלות דמיון גבוה לאנטיביוטיקה ידועה, והדגיש את הרלוונטיות שלהן להמשך חקירה חוץ גופית ופיתוח תרופות.
המחקר מדגיש את השימוש במיקרוביומיקה של מחלות מכל הגוף כדי לאבחן ולנהל מחלות. הממצאים קוראים למחקר עתידי על הפונקציונליות של BGCs שזוהו, תוך התחשבות בגורמים כמו דמיון, התאמה ביוטכנולוגית ומדדי איכות. מחקר נוסף במבחנה עלול להוביל לתגליות רפואיות, כולל תרכובות אנטיביוטיות.
ספורטאים יכולים לתרום תובנות חשובות בפתולוגיות על ידי שימוש כ"בקרות על טבעיות". גאה על תרומה קטנה למאמץ המשותף הזה להבנת תפקידה של המיקרוביוטה. https://t.co/bZzFK5rn5n pic.twitter.com/dh8qyyxkxL
– אן ה. (@sportaerztin) 30 בספטמבר 2024
