Search
Study: Early life microbial succession in the gut follows common patterns in humans across the globe. Image Credit: Corona Borealis Studio / Shutterstock

מדענים חושפים דפוסים גלובליים באבולוציה של חיידקי מעיים בתחילת החיים

תוך שימוש בנתונים מלמעלה מ-3,000 דגימות של תינוקות ברחבי העולם, מחקר פורץ דרך זה חושף את סודות הפיתוח של מיקרוביום במעיים, ומציב את הבמה לאבחון משופר של בריאות הילד ברחבי העולם.

מחקר: רצף מיקרוביאלי מוקדם בחיים במעיים עוקב אחר דפוסים נפוצים בבני אדם ברחבי העולם. קרדיט תמונה: Corona Borealis Studio / Shutterstock

במחקר שפורסם לאחרונה בכתב העת תקשורת טבעחוקרים אפיינו דפוסי קולוניזציה של חיידקים במעיים הניתנים להכללה בגיל מוקדם.

המיקרוביום של המעי האנושי הוא מערכת אקולוגית של חיידקים מגוונים המקיימים אינטראקציה זה עם זה ויוצרים שותפויות עם המארח. מערכת העיכול של תינוק מושבתת לראשונה בלידה, ורצף חיידקים מתרחש בשנים הראשונות לחייו. חשיפה סביבתית והיסטוריה טבעית מעצבות היבטים תלויי גיל של רצף זה.

המתיישבים הראשוניים כוללים חיידקים העוסקים בחילוף החומרים של אוליגוסכרידים בחלב אדם ושולפים מולקולות פשוטות. מאוחר יותר, הכנסת תזונה מוצקה ומגוונת סיפקה הזדמנות לקהילה מיקרוביאלית מגוונת יותר. דפוסי קולוניזציה ודפוסי רצף חוזרים על פני שלבי חיים חשפו קשרים עקביים בין התפתחות מיקרוביום לכרונולוגיה.

אסוציאציות בריאותיות משמעותיות עלולות להיווצר כאשר קהילת חיידקי המעי אינה תואמת את השלב הצפוי לגיל הילד. כדי למדוד חוסר התאמה זמני זה, יש צורך במסלול התפתחותי של מיקרוביום המעי בשלב מוקדם של החיים ושיטה למדידת סטייה ממסלול כזה. פתרון אחד הוא לפתח מודלים להערכת גיל באמצעות רצפי חיידקים במעיים. מודלים כאלה יכולים גם לעזור להבהיר התפתחות מעיים נורמטיבית ובריאה.

המחקר והממצאים

במחקר הנוכחי, חוקרים העריכו את גיל הילד באמצעות שפע יחסי של חיידקים במעיים ממטאנומים. ראשית, הם בחנו מסלולי התפתחות של מיקרוביום מעיים של תינוקות באמצעות מערך נתונים מצטבר של למעלה מ-3,000 דגימות צואה שצורפו ברצף מטאגנומי של רובה ציד מ-1,827 תינוקות בריאים ב-12 מחקרים. המדגמים כללו ייצוג רחב של מדינות בעלות הכנסה גבוהה ונמוכה כאחד כדי לשפר את חוסנו של המודל. מטאנומים השתרעו על פני 12 מדינות על פני ארבע יבשות. נכללו דגימות שנאספו במהלך גיל 2-18 חודשים.

החוקרים הכשירו מודל יער אקראי עם אימות צולב פי חמישה על תכונות שנגזרו מהרכב הקהילה המיקרוביאלית; התשומות היו α-גיוון (מדד שאנון) והשפע היחסי של מינים הקיימים ב-≥5% מהדגימות. ניתוח זה כלל 3,153 דגימות ו-149 מינים. המודל יצר תחזיות שהגיעו למתאם פירסון של 0.8 ושגיאת שורש מרובעת (RMSE) של 2.56 חודשים עם ערכי אמת קרקע. חוסנו של המודל אומת עוד יותר באמצעות אימות צולב של השאר-אחד-dataset-out ומערך נתונים חיצוני, שהניב ציוני RMSE עקביים.

לאחר מכן, הצוות ניתח את החשיבות של משתנים כדי לזהות את תכונות הניבוי המובילות. 35 המנבאים בעלי הדירוג הגבוה ביותר, כלומר 23% מהתשומות, היוו 70% מחשיבות המשתנה המצטבר. מתוכם, 25 נמצאו בקורלציה חיובית עם הגיל, בעוד ש-10 נמצאו בקורלציה שלילית. מדד שאנון, מדד למגוון מיקרוביאלי, הופיע כמנבא השלישי בחשיבותו, המשקף את המורכבות ההולכת וגוברת של מיקרוביום המעי עם הגיל. יתרה מכך, כל הטקסיות החזויות המובילות למעט אחת היו נוכחות בכל העוקות העיקריות.

בנוסף, Anaerostipes Hadrus ו Faecalibacterium prausnitzii היו הטקסונים עם ציוני הניבוי הגבוהים ביותר בכל העוקות. בנפרד, מינים אלה היו בקורלציה חיובית עם הגיל. לעומת זאת, קבוצת מנבאים חשובה נוספת, כולל Bifidobacterium breve ו Bifidobacterium longumהראה מתאם שלילי עם הגיל. באופן דומה, ספציפי Lachnospiraceae מינים גם היוו קבוצת מנבאים חשובה נוספת, המתאם שלילי עם הגיל.

לאחר מכן, בוצע אימות צולב של השאר-אחד-אאוט כדי להעריך את יכולת ההכללה של המודל על פני מקורות נתונים. ככזה, הוכשרו גרסאות חדשות של המודל המקורי, למעט כל מקור נתונים. זה הניב RMSE ממוצע של 3.03 חודשים. בנוסף, תיקוף על מערך נתונים עצמאי הכולל 66 מטאנומים של תינוקות יצר RMSE של 1.55 חודשים, מה שמדגים את יכולתו של המודל להכליל מעבר לנתוני האימון שלו.

הצוות קיבץ תת-קבוצה של דגימות לפי מיקום וחילץ אותן לפי גיל כדי להעריך שכיחות חודשית של 34 מנבאים טקסונומיים מובילים של כרונולוגיה של המעיים. זה חשף דפוסי רצף דומים להפליא בין כל המיקומים, מה שמצביע על כך שדפוסי רצף רבים היו ככל הנראה אוניברסליים.

לבסוף, הצוות מדד את העקביות של כיוון מעברי השפע של מספרי עמלת אנזים (ECs) בין דגימות מוקדמות ומאוחר יותר מאותו אדם. ככזה, ציון מעבר נוצר על ידי שילוב הבולטות והכיוון של שינוי השפע הזה. טרנסאלדולאז היה ה-EC בעל הניקוד הנמוך ביותר, ואחריו קואנזים A ligase succinate ו-pyridoxal kinase.

ריבוד של ECs יורד בשפע עם הגיל הראה שכיחות של פונקציות הקשורות B. breve, ב. לונגום, Escherichia coliו Ruminococcus gnavus. לעומת זאת, חלבון ריבוזומלי S12 methylthiotransferase היה ה-EC בעל הניקוד הגבוה ביותר, ואחריו coproporphyrinogen dehydrogenase.

ריבוד של ECs שגדל בשפע עם הגיל הראה מגוון יותר של אנאירובים קפדניים, כגון F. prausnitzii, Blautia wexlerae, א' הדרוס, בלוטיה אובאום, Prevotella copriו Dorea longicatena. בהשוואה למחקרים קודמים, רשימת ה-1.5% המובילים של ה-ECs כללה גם מעברים חדשים, כמו העלייה ב-malate dehydrogenase והירידה ב-pyridoxal kinase, מה שמדגיש את האבולוציה התזונתית והתפקודית.

מסקנות

הממצאים מצביעים על כך שרצף מיקרוביאלי במיקרוביום המעי בתחילת החיים עבור טקסיות מפתח עוקב אחר דפוסים נפוצים על פני הגדרות סוציו-אקונומיות וגיאוגרפיות. דפוסים אלה היו עקביים וחסונים מספיק כדי ללמוד על ידי מודל גיל מיקרוביום, מה שאיפשר הכללה מעבר לגבולות הקוהורט. ניתוחים פונקציונליים אישרו מגמות בגנים מיקרוביאליים המעורבים בחשיפה תזונתית ובמעברי האכלה.

למרות החוזקות הללו, המחקר ציין מגבלות, כולל אי ​​הכללה של מטא נתונים על שיטות האכלה וגורמים סוציו-אקונומיים, שהיו יכולים לשפר עוד יותר את דיוק המודל. בסך הכל, המודל סיפק מדד "גיל מיקרוביום" נורמטיבי להערכת התבגרות מוקדמת של המעיים.

דילוג לתוכן