Прогнозирование состояния здоровья на основе таксономических профилей микробиома кишечника (аннотация)Прогнозирование состояния здоровья на основе таксономических профилей микробиома кишечника
Недавние фундаментальные исследования выявили глубокие связи между микробиомом кишечника и различными сложными хроническими заболеваниями.
Несмотря на эти открытия, как определить, есть ли у человека дисбактериоз? Как мы можем эффективно использовать уникальные микробные профили для количественного отслеживания состояния нашего здоровья? Эти важнейшие вопросы стоят на переднем крае использования микробиома кишечника в качестве точного маркера здоровья.
Потенциал микробиома кишечника как маркера для расшифровки сложных хронических заболеваний привлек внимание научного сообщества и в ответ на это мы недавно разработали индекс здоровья микробиома кишечника (GMWI). GMWI - это первый в своем роде показатель, основанный на метагеноме кала, который позволяет оценить состояние здоровья, определяя вероятность наличия у человека клинически диагностированного заболевания исключительно по составу микробиома кишечника, независимо от конкретного типа заболевания.
Этот индекс диагностики заболеваний был получен в результате комплексного анализа объединенного набора данных, включающего 4347 метагеномов кала из 34 независимых исследований. GMWI представляет собой логарифмическое отношение коллективного обилия - термин, охватывающий относительное обилие на уровне видов и многочисленные метрики α-разнообразия для видов микроорганизмов кишечника, связанных со здоровьем и заболеваниями. Оценивая объединенный набор данных, GMWI продемонстрировал сбалансированную точность (т.е. среднее значение доли здоровых и нездоровых образцов, которые были правильно классифицированы) в 69,7% при прогнозировании наличия клинически диагностированного заболевания.
В частности, показатели правильной классификации для здоровых (без заболеваний) и нездоровых (с заболеваниями) людей составили 75,6 и 63,8% соответственно. Кроме того, GMWI достиг сбалансированной точности 73,7% в валидационной когорте из 679 метагеномов кала, при этом показатели правильной классификации для здоровых и нездоровых подмножеств составили 77,1% (91 из 118) и 70,2% (394 из 561), соответственно. С момента первоначальной публикации в 2020 году GMWI использовался в исследованиях, изучающих влияние экологических и генетических/социально-экономических факторов на микробиом кишечника человека, а также для определения набора видов, характерных для «долгоживущей микробиоты кишечника».
Несмотря на перспективность нашего прототипа GMWI, существуют ограничения, которые препятствуют его широкому применению. Во-первых, GMWI правильно классифицирует метагеномы здорового стула с большей вероятностью успеха, чем нездорового. Эта погрешность может быть обусловлена стратегией определения видов, связанных со здоровьем и заболеваниями, основанной на распространенности, которая была фундаментальным компонентом модели GMWI. Поскольку группа нездоровых включает пациентов с различными заболеваниями, эта группа по своей природе неоднородна; в свою очередь, стратегия, основанная на распространенности, может упустить тонкие таксономические признаки, которые представлены только в подмножествах нездоровых популяций (например, в когортах с определенным заболеванием).
Во-вторых, наша существующая модель присваивает равный вес каждому виду, не учитывая потенциальные различия в важности отдельных видов. Для повышения точности классификации и общей применимости необходима уточненная система оценки весов, учитывающая различную силу связи с фенотипом хозяина. Кроме того, включение информации о микроорганизмах кишечника из всех таксономических рангов может выявить больше характеристик, которые точно предсказывают фенотип хозяина. В данном исследовании мы представляем GMWI-2, усовершенствованную версию оригинального GMWI, которая учитывает вышеуказанные ограничения и значительно повышает точность классификации при различении здоровых и нездоровых фенотипов.
В целом, GMWI-2 не предназначен для подтверждения диагнозов конкретных заболеваний, а скорее служит системой раннего предупреждения, сродни «канарейке в угольной шахте». Он предназначен для выявления потенциально неблагоприятных сдвигов в общем состоянии кишечника до появления специфических, диагностируемых симптомов. Такое обнаружение может стать основой для изменения рациона питания или образа жизни, чтобы предотвратить перерастание легких проблем в тяжелые состояния здоровья, или послужить поводом для проведения дальнейших диагностических исследований.
В отличие от существующих индексов, ориентированных на конкретные заболевания, наш индекс охватывает множество заболеваний, тем самым подчеркивая характер микробиома кишечника для всех заболеваний (или, наоборот, для всех здоровых людей). Такая широкая применимость может быть особенно полезна в клинических сценариях, таких как отбор доноров для фекальной трансплантации, где здоровье кишечника может рассматриваться как отражение общего состояния здоровья. При таких заболеваниях, как ревматоидный артрит и другие аутоиммунные воспалительные расстройства, GMWI-2 может служить основой для принятия решений о сокращении или прекращении терапии, а также для оценки возможности вспышек заболевания. В этом смысле GMWI-2 может стать началом новой эры в аналитике здоровья, ориентированной на микробиом кишечника, позволяя проводить тонкую оценку состояния здоровья с учетом индивидуальных микробных сигнатур.
В перспективе интеграция GMWI-2 в более широкую сеть принятия решений наряду с другими биоизмерениями (например, мультиомическими) и моделями искусственного интеллекта может открыть захватывающие возможности для здорового старения и профилактических медицинских скринингов и оздоровительных программ, основанных на знаниях микробиома кишечника.
