Химические вещества, выделяемые микробами кишечника, попадают в выдыхаемый воздух и эти сигналы можно использовать для выявления микробных сообществ, ассоциированных с заболеваниями.
Каждый выдох несет в себе смесь химических веществ, формирующихся в результате метаболизма организма. Новое исследование показывает, что некоторые из этих молекул могут поступать из неожиданного источника: микробов, живущих в кишечнике. Проанализировав воздух, выдыхаемый детьми и мышами, исследователи обнаружили, что химические сигналы, вырабатываемые бактериями кишечника, обнаруживаются в образцах дыхания. Эти сигналы отражают состав микробиома кишечника и в некоторых случаях указывают на бактерии, ассоциируемые с астмой, от которой страдают миллионы детей во всем мире.
Результаты исследования, опубликованные в журнале Cell Metabolism, появились на фоне растущего числа доказательств того, что нарушения в микробиоме кишечника связаны с целым рядом заболеваний, от метаболических до иммунных. Однако для отслеживания этих микробных изменений обычно требуются образцы кала и генетическое секвенирование, что делает рутинный или быстрый мониторинг сложным вне исследовательских учреждений. По мнению авторов, обнаружение продуктов метаболизма микроорганизмов в выдыхаемом воздухе может стать более быстрым и менее инвазивным способом оценки микробной активности. «Быстрая оценка состояния микробиома кишечника может значительно улучшить клиническую помощь, особенно для маленьких детей», - отмечает Эндрю Л. Кау, старший автор исследования.
Микробы кишечника живут за счет расщепления компонентов пищи, которые человеческий организм не может переварить самостоятельно. При этом они выделяют небольшие молекулы, известные как летучие органические соединения, некоторые из которых попадают в кровь и в конечном итоге выводятся через легкие во время обычного дыхания, где их можно уловить и проанализировать. Исследовательская группа задалась целью проверить, могут ли эти побочные продукты жизнедеятельности микроорганизмов служить химическим отпечатком микробиома кишечника.
В исследовании приняли участие 27 детей в возрасте от 6 до 12 лет. Каждый участник предоставил образцы дыхания и стула. Исследователи проанализировали кал, чтобы определить, какие микробы присутствуют в кишечнике, а затем сравнили полученные результаты с химическими соединениями, обнаруженными в выдыхаемом воздухе. Они обнаружили, что соединения, выявленные в выдыхаемом воздухе, полностью совпадают с теми, которые вырабатываются микробами, обнаруженными в стуле. Другими словами, образцы дыхания отражали состав микробиома кишечника. Ученые подтвердили этот вывод на мышах, трансплантировав определенные бактерии животным, выращенным без собственных микробов в кишечнике. Пересаженные микробы можно было идентифицировать по соединениям, обнаруженным в дыхании, что подтверждает связь между химическим составом дыхания и микробной активностью кишечника.
Затем исследователи задались вопросом, можно ли с помощью анализа дыхания отличить здоровые микробные сообщества от тех, которые связаны с заболеваниями. Они сравнили образцы дыхания и стула здоровых детей с образцами детей с диагнозом «астма». Детская астма ранее ассоциировалась с повышенным уровнем кишечной бактерии под названием Eubacterium siraeum. Используя только образцы воздуха, исследователи смогли предсказать численность этой бактерии у детей с астмой. Такой уровень чувствительности говорит о том, что анализ дыхания может помочь выявить изменения микробиома, ассоциированные с заболеваниями, даже если эти изменения не видны внешне.
Одной из самых больших проблем при внедрении исследований микробиома в клиническую практику является скорость. Секвенирование и анализ микробной ДНК могут занимать дни или недели, что ограничивает их полезность для рутинного мониторинга или раннего вмешательства. «Одним из ключевых препятствий на пути внедрения наших знаний о микробиоме в клиническую практику является время, необходимое для анализа данных о микробиоме», - отмечает Кау. «Анализ же дыхания предлагает многообещающий, неинвазивный способ исследования микробиома кишечника и может изменить методы диагностики заболеваний в медицине».
