באמצעות למידת מכונה, חוקרים פיתחו דרך לחזות את המספר הכולל של חיידקים במעיים שלנו מרצף נתונים, וגילו שצפיפות חיידקים, המושפעת מגורמים כמו גיל ותזונה, תורמת עיקרית לשונות המיקרוביום של המעיים ויכולה לעצב מחדש את האופן שבו אנו חוקרים. קשרי מחלות.
במחקר שפורסם לאחרונה ב תָאצוות חוקרים חקר את הקשר בין עומס חיידקים בדגימות צואה לבין שינויים במיקרוביום המעי.
באמצעות גישה של למידת מכונה, הם הצליחו לחזות עומסי חיידקים בדגימות צואה באמצעות נתוני השפע בלבד. המחקר מצא שעומס חיידקים השפיע באופן משמעותי על מגוון המיקרוביום והיה גורם מבלבל עיקרי במחקרים שבדקו קשרים בין מיקרוביום למחלות.
רֶקַע
למיקרוביום המעי השפעה רבה על בריאות האדם, שכן הרכבו קשור לתהליכים פיזיולוגיים ומחלות שונות. חוקרים השתמשו רבות במטאנומיה כדי לחקור קהילות מיקרוביאליות על ידי בחינת השפע היחסי של מינים בתוך המיקרוביום. עם זאת, הנתונים היחסיים הללו חסרים מידע על עומס חיידקים או על ספירת החיידקים הכוללת, מה שיכול להשפיע על מגוון ותפקוד המיקרוביום.
גישות מסורתיות, כגון ספירת תאים ותגובת שרשרת פולימראז כמותית (qPCR), יכולות לכמת עומס מיקרוביאלי, אך לרוב הן צריכות עבודה ואינן ניתנות לביצוע עבור מחקרים גדולים. ללא נתוני עומס חיידקים, מחקרים מטגנומיים מסתכנים בשימוש בפירושים מוטים או לא שלמים, מכיוון שהעומס המיקרוביאלי יכול להשפיע על יחסי המינים שנצפו ולהשפיע על המתאמים עם מחלות או מצבים בריאותיים אחרים.
יתר על כן, למרות שמחקרים קודמים זיהו שינויים מיקרוביאליים במחלות כמו מחלות מעי דלקתיות והשמנת יתר, ההשפעה המבלבלת של עומס מיקרוביאלי נחשבת לעתים רחוקות ועלולה להטות את הקשרים הללו.
לגבי המחקר
במחקר הנוכחי, החוקרים השתמשו בגישה של למידת מכונה כדי לחזות עומס חיידקים מנתוני מיקרוביום במעיים, תוך שימוש במערכי נתונים מטאנומיים גדולים משתי קבוצות ראשוניות – האחת מורכבת מאוכלוסיית מחקר הטרוגנית שכללה אנשים בריאים, כמו גם חולים עם שלב סופי מחלת כבד, והאחרת כוללת אנשים בריאים וחולים עם מחלות קרדיומטבוליות.
דגימות צואה משתי העוקות הללו נותחו באמצעות ציטומטריית זרימה כדי לקבל נתוני עומס חיידקים. כדי לפתח מודל חיזוי, השפע היחסי של מינים מיקרוביאליים שונו, והמינים הקטנים סוננו החוצה. החוקרים ביצעו גם כוונון היפרפרמטרים באמצעות חיפוש רשת כדי למזער שגיאות ממוצע הריבוע של השורש, והבטחת ביצועי מודל חזקים.
כדי לאמת את המודל, החוקרים יישמו אותו על פני שני מערכי הנתונים ובחנו את המתאמים בין עומסי החיידקים החזויים והממשיים. אימות נוסף כלל בדיקת המודל על מערכי נתונים חיצוניים עם נתוני רצף גנים של חומצה ריבונוקלאית 16S ריבוזומלית (rRNA) כדי לוודא שהתחזיות נשארו עקביות בטכניקות שונות של פרופיל מיקרוביום.
במקביל, המחקר גם חקר את ההשפעה הטכנית של מיצוי ושיטות רצף של חומצה דאוקסיריבונוקלאית (DNA) על חיזוי עומס מיקרוביאלי על ידי השוואה של דגימות זוגיות שעובדו באמצעות פרוטוקולים שונים. ניתוח סטטיסטי העריך את ההשפעה של עומס מיקרוביאלי חזוי על קשרי מחלות ומגוון מיקרוביאלי, תוך התאמה לגורמים מבלבלים כמו שימוש באנטיביוטיקה ומשתנים דמוגרפיים.
תוצאות
המחקר מצא כי עומס מיקרוביאלי ממלא תפקיד משמעותי בעיצוב המיקרוביום של המעי ומשפיע באופן משמעותי על קשרי מחלות. הוכח שהעומסים המיקרוביאליים החזויים משתנים במידה ניכרת בין אנשים, והם הונעו על ידי גורמים כמו גיל, תזונה ומצבים בריאותיים. יתר על כן, עומסים מיקרוביאליים גבוהים יותר היו קשורים לזמני מעבר איטיים יותר במעיים, אשר השפיעו גם על המגוון וההרכב המיקרוביאליים.
המחקר מצא כי מודל למידת המכונה חזה במדויק את העומס המיקרוביאלי על פני מערכי נתונים והוכיח חוסן בניתוח מערכי הנתונים הן מהקבוצות והן מערכי אימות חיצוניים.
בנוסף, הניתוחים גילו שמספר מחלות קשורות לדפוסי עומס מיקרוביאליים שונים. לדוגמה, מצבים כמו מחלת קרוהן ושחמת כבד הראו עומסים מיקרוביאליים נמוכים יותר, בעוד שמחלות כמו טרשת נפוצה וסרטן המעי הגס הראו עומסים גבוהים יותר. הבדלים אלה מרמזים שעומס מיקרוביאלי עשוי להיות גם הגורם הבסיסי לחלק מהשינויים בקהילה המיקרוביאלית שנצפו במחלות אלו, ללא תלות באסוציאציות של מינים מיקרוביאליים ספציפיים.
יתרה מזאת, על ידי התאמה לעומס המיקרוביאלי, המחקר חשף כי אסוציאציות רבות של מחלה-מיקרוביה שדווחו בעבר מאבדות משמעות, מה שמצביע על כך שעומס מיקרוביאלי פועל כגורם מבלבל במחקרי מחלות מיקרוביום.
החוקרים זיהו גם קשר בין עומסי חיידקים גבוהים או נמוכים לבין המינים המיקרוביאליים הקשורים באופן עקבי למחלות. זה הצביע על כך שהתאמת עומס מיקרוביאלי חיונית לפיתוח סמן ביולוגי של מחלה מדויקת, והתעלמות מהשפעות הקשורות לעומס עלולה להוביל למסקנות מטעות לגבי שינויים במיקרוביום ספציפי למחלה.
מסקנות
לסיכום, המחקר הדגיש את תפקידו של עומס חיידקים כגורם קריטי למבנה המיקרוביום ומבלבל במחקרי קשרי מחלות. יתר על כן, הממצאים העלו כי התחשבות בעומס חיידקים עשויה לשפר את דיוק המחקר, לספק תובנות מגוונות יותר לגבי קשרי מיקרוביום-מחלות ולעזור לפתח טיפולים טובים יותר לבריאות המעיים.
