במחלה או בבריאות, מיליארדי המיקרואורגניזמים המאכלסים את המעיים שלנו הם בני לווינו הקבועים לאורך החיים. בעשורים האחרונים, מדענים הראו כיצד טבעו של 'מיקרוביום' זה יכול לספק רמזים חשובים למחלות אנושיות ולטיפול בהן.
מחקר חדש מקבוצת בורק ב-EMBL Heidelberg, שפורסם לאחרונה בכתב העת תָא, מדווח כי מספר תנאים, כגון אורח חיים ומחלות, משפיעים על המספר הכולל של חיידקים במעיים, מה שהופך את המדד המוזנח לעתים קרובות לזה שנושא הערכה נוספת במחקר המיקרוביום של המעיים.
מקומפוזיציה ועד המון
כאשר חוקרים מיקרוביומים, חוקרים נוטים להתמקד ביתר שאת בהרכב החיידקים – השיעור היחסי של מינים שונים של חיידקים (בדרך כלל חיידקים וארכיאה, אך גם פרוטיסטים, וירוסים ומיקרואורגניזמים אחרים). זה אומר לנו, למשל, האם רמתו של זן אחד של חיידקים עולה או יורדת בהשוואה למינים אחרים במעיים של חולי מחלה מסוימים.
כדי להמחיש זאת, דמיינו שרק 1,000 חיידקים חיים במעיים שלכם. אצל אנשים בריאים, זה עשוי לכלול 10 חיידקים ממינים 'אדומים' ו-20 חיידקים ממינים 'כחולים', כך שניתן לומר שחיידקים אדומים מהווים 2% מהמיקרוביום ואילו חיידקים כחולים מהווים 5%. עם זאת, אצל אנשים שיש להם מחלה מסוימת, אנו עשויים להבחין בחיידקים אדומים מהווים 4% מהמיקרוביום – עלייה יחסית, בעוד שהחיידקים הכחולים נשארים ב-5%. אז נוכל לשער שהחיידקים האדומים קשורים למחלה זו.
מצד שני, העומס המיקרוביאלי מתייחס לצפיפות החיידקים בתוך המעיים שלנו. באופן ניסיוני, הוא נקבע כמספר התאים המיקרוביאליים לגרם צואה. בניגוד להרכב החיידקים, מדובר בכמות מוחלטת. בדוגמה למעלה, דמיינו את המספר הכולל של חיידקים יורד ל-500 כתוצאה ממחלה. בהסתכלות על המספרים האבסולוטיים, ייתכן שמספר החיידקים האדומים למעשה נשאר זהה בעוד שמספר החיידקים הכחולים ירד.
מדענים בדרך כלל לוקחים בחשבון רק את הרכב החיידקים בעת ביצוע מחקרי מיקרוביום, מכיוון ששיטות הניסוי הנוכחיות למדידת עומסי חיידקים הן עתירות זמן והן עלות.
שימוש בלמידת מכונה כדי להפוך את מחקרי המיקרוביום לחזקים יותר
"רצינו לפתח שיטה חדשה שלא דרשה שיטות ניסוי נוספות כדי לכמת עומס מיקרוביאלי", אמר Suguru Nishijima, המחבר הראשון של המחקר ופוסט דוקטורט בקבוצת Bork. "הייתה לנו גישה למערכי נתונים גדולים גם עם הרכב מיקרוביאלי וגם נתוני עומס מיקרוביאליים שנמדדו בניסוי. רצינו לראות אם נוכל להשתמש בהם כדי לאמן מודל למידת מכונה להערכת עומס מיקרוביאלי בהינתן הרכב מיקרוביאלי בלבד".
מערכי הנתונים ששימשו לתרגיל זה הגיעו מ-GALAXY/MicrobLiver וקונסורציית Metacardis – פרויקטים בקנה מידה גדול במימון האיחוד האירופי שקבוצת Bork תרמה להם בעבר. נתונים אלה, שנלקחו מלמעלה מ-3,700 אנשים, סיפקו דרך אידיאלית לבדוק האם ניתן לאמן מודל למידת מכונה להעריך את המספר הכולל של חיידקים במדגם.
ואכן, המודל שנוצר על ידי Nishijima ועמיתיו יכול לחזות בצורה חזקה עומסים מיקרוביאליים, שאותם הם אימתו באמצעות מערך נתונים חדש שהמודל לא נתקל בו קודם לכן. בידיעה שהמודל עובד, החוקרים יישמו אותו על מדגם ענק של למעלה מ-27,000 אנשים – שנאספו מ-159 מחקרים קודמים שנערכו ב-45 מדינות.
הם מצאו שגורמים רבים יכולים להשפיע על עומס חיידקים. לדוגמה, שלשול יכול להפחית את מספר החיידקים במעיים, בעוד עצירות יכולה להגדיל אותם. לנשים יש, בממוצע, עומס מיקרוביאלי גבוה יותר מגברים (אולי קשור לתצפית שלעתים קרובות נשים חוות עצירות בתדירות גבוהה יותר מגברים), בעוד שלצעירים יש עומס מיקרוביאלי ממוצע קטן יותר מאשר קשישים. מחלות רבות, כמו גם התרופות המשמשות לטיפול בהן, משנים באופן משמעותי את העומס החיידקי.
"חשוב לציין, מינים רבים של חיידקים שנחשבו בעבר כקשורים למחלה הוסברו בצורה חזקה יותר על ידי שינויים בעומס המיקרוביאלי. ממצאים אלה מראים ששינויים בעומס המיקרוביאלי, ולא המחלה עצמה, עשויים להיות המניע לשינויים במיקרוביום בחולים". אמר נישיג'ימה. "עם זאת, נותרו אסוציאציות מסוימות בין מחלה למיקרוב, וזה מראה שהן באמת חזקות. זה מאשש עוד יותר את החשיבות של הכללת עומס חיידקים במחקרי אסוציאציות של מיקרוביום כדי להימנע מתוצאות חיוביות שגויות או תוצאות שליליות שגויות".
הודות למודל למידת המכונה החדש שפיתחו מדענים אלה – הראשון שחזה עומסים מיקרוביאליים מנתוני הרכב – מדענים יכולים כעת לכלול את הגורם החשוב הזה במחקרי מיקרוביום מעיים עתידיים. המודל זמין באופן חופשי וגלוי לחוקרים ברחבי העולם לבדיקה ושימוש חוזר.
עשויות להיות לכך גם השלכות הרבה מעבר למיקרוביום המעי.
האוקיינוסים, הקרקעות, הנהרות שלנו – כולם שופעים חיידקים, והבנת המיקרוביומים הללו יכולה להניב תובנות חשובות שיסייעו בשמירה על בריאותנו הפלנטרית. מחקר זה מראה לנו שעומס חיידקים הוא מדד חשוב שיש לקחת בחשבון במחקרים כאלה. לפיכך, נפעל לתרגום הידע על מיקרוביום המעי לבתי גידול אחרים".
פאר בורק, ראש קבוצה ומנהל ב-EMBL היידלברג והמחבר הבכיר של המחקר
