Метасообщество кишечника человека как концептуальная платформа для развития прецизионной медицины (аннотация)Метасообщество кишечника человека как концептуальная платформа для развития прецизионной медицины
Микробиота подробно изучается с 1970-х годов с использованием фекалий в качестве прокси для образцов толстой кишки, с особым акцентом на таксономический состав («кто это?») в течение последних 25 лет.
Это стало возможным благодаря доступности и развитию высокопроизводительного секвенирования ДНК, выделенной из фекалий, и последующего анализа последовательностей. В целом сообщество содержит около двадцати триллионов бактериальных клеток, в которых представители родов Bacillota (Firmicutes) и Bacteroidota (Bacteroidetes) составляют около 85% микробиома. Хорошо представлены три семейства бактерий - Lachnospiraceae, Ruminococcaceae и Bacteroidaceae. Большая часть исследовательского интереса к микробиому кишечника сосредоточена на определении таксономического состава «нормального» или «здорового» микробиома, но это невыполнимая задача из-за огромного различия в составе микробиома у отдельных людей на уровне родов, видов и штаммов. В данной статье предлагается рассматривать микробиом кишечника как метасообщество, обладающее функциональной согласованностью, что поможет разработать прецизионные (персонализированные; индивидуальные) медицинские вмешательства для восстановления здоровья.
Что такое метасообщество?
Сообщества - это интерактивные совокупности видов, характерные для определенной среды обитания или экосистемы. На формирование сообществ влияют четыре процесса: экологический отбор (детерминированные различия в приспособленности видов), экологический дрейф (стохастические изменения численности видов), локальная диверсификация (создание новых видов) и дисперсия (пространственное перемещение видов). Эти процессы уже изучались применительно к микробиому кишечника человека и ниже приводятся наблюдения, относящиеся к данной статье.
1. Среди членов микробиома кишечника наблюдается отбор видов бактерий, обладающих биохимическими детерминантами приспособленности к катаболизму пищевых компонентов и секретов хозяина. Ключевыми индикаторами отбора являются генетические признаки, такие как локусы утилизации полисахаридов (PULs), которые кодируют связывающие белки, гидролитические ферменты (углеводно-активные ферменты) и транспортные белки, связанные с поверхностью бактериальной клетки. Продукты PULs связывают и разлагают гликаны растительного происхождения, которые часто встречаются в пище человека, например резистентный крахмал, гемицеллюлозы, такие как сложные ксиланы, и пектины. По крайней мере, некоторые из этих специализированных бактерий являются ключевыми видами, инициирующими катаболизм сложных углеводов, которые впоследствии подпитывают метаболизм консорциумов.
2. Временной дрейф в сообществах отдельных индивидуумов был изучен и в целом обилие видов относительно постоянно с течением времени. Однако влияние аллохтонных факторов, таких как пищевые волокна, лекарственные препараты и окружающая среда, очевидно. Микробиомы новорожденных и детей следуют характерным паттернам колонизации, которые в основном зависят от трофических факторов и связаны с рассеиванием видов. Прямое и косвенное влияние эндогенных факторов, таких как хищничество бактериофагов, на численность видов было измерено в экспериментах с гнотобиотическими мышами и может оказывать модулирующее воздействие на некоторые бактериальные популяции. Экологическое воздействие бактериоцинов и других антимикробных веществ, кодируемых кластерами биосинтетических генов, неизвестно.
3. Видообразование можно лучше всего понять, рассмотрев широко распространенное присутствие бактериальных штаммов (подмножеств видов) в кишечнике. Мутации генов происходят часто; количество мутаций de novo оценивается в 2 × 109 - 6 × 1012 однонуклеотидных полиморфизмов на микробиоту в день. Потеря и приобретение генов (путем горизонтального переноса генов) в бактериальных видах выявляет генетически мутирующее сообщество в режиме реального времени. Следовательно, штаммы одного и того же вида различаются по генетическим характеристикам, где можно выделить «основные» гены, общие для всех штаммов, и «незаменимые» гены (с переменным присутствием), составляющие пангеном.
4. Распространение означает перемещение (передачу) видов, которые создают или увеличивают сообщества в других местах. Если говорить о микробиоме кишечника человека, то кишечник каждого новорожденного младенца представляет собой девственную среду для колонизации бактериальными видами. Материнский микробиом является основным источником бактериальных штаммов в первые несколько месяцев жизни для формирования «нового» сообщества. Хотя вертикальная передача очень важна в этом распространении, происходит также горизонтальная передача из родительских, семейных и экологических источников. Вначале возникает сообщество с низким разнообразием, в котором, пока младенцы сосут грудь, доминируют виды, способные катаболизировать компоненты человеческого молока, включая олигосахариды человеческого молока. После отлучения от груди эта ярко выраженная трофическая колонизация сменяется более нейтральной (стохастической) моделью, которая, тем не менее, обусловлена дифференциацией ниш, при которой виды бактерий, катаболизирующие пищевые волокна и секреты хозяина, образуют ядро сообщества, которое, особенно по своим эмерджентным свойствам, в конечном итоге в целом напоминает таковое у взрослых.
В результате этих процессов микробиом кишечника каждого человека напоминает острова в архипелаге микробных сообществ, которые индивидуализированы в отношении таксономического состава. Эти персональные сообщества можно рассматривать как составляющие «метасообщества», которые связаны между собой потенциальным или фактическим рассеиванием взаимодействующих видов. Действительно, распространение членов человеческого микробиома не ограничивается ранней жизнью. В работе, включавшей 7 646 образцов фекалий из многонациональных источников, Valles-Colomer et al. (2023) представили метагеномные доказательства рассеивания микробиома на уровне штаммов между взрослыми людьми, живущими в одной среде (доля общих штаммов около 12%). В микробиоме полости рта было обнаружено большее количество общих штаммов, чем в микробиоме кишечника, но, тем не менее, эти данные подтверждают мнение о том, что микробиом кишечника человека представляет собой метасообщество, подмножества которого связаны между собой потенциальным распространением и приобретением на протяжении всей жизни.
Несмотря на различия в таксономическом составе, острова метасообщества имеют общие функциональные признаки, обусловленные симбиотическими отношениями между микробиомом и хозяином, сложившимися в ходе коэволюции. Это особенно очевидно при изучении взаимодействия видов в пищевых сетях. Пищевые сети в кишечнике представляют собой взаимосвязанные и взаимозависимые пищевые цепи, которые возникают при катаболизме сложных пищевых компонентов (растительных гликанов) и секретов хозяина (желчных кислот, муцинов) и развиваются за счет перекрестного питания простыми углеводами, аминокислотами, витаминами и органическими кислотами (например, формиатом, фумаратом, сукцинатом, лактатом, сукцинатом) между видами. Эти трофические взаимодействия согласуются с концепцией предоставления некоторыми видами «услуг общественного блага» для коллективной пользы сообщества.
Пищевые сети, как и пути в клеточных процессах, представляют собой нелинейные сети, которые контролируются петлями обратной связи. «Межвидовой перенос водорода» - хороший пример петли обратной связи в кишечнике. Водород образуется в процессе ферментации, но его концентрация в окружающей среде поддерживается на низком уровне в экосистеме кишечника за счет потребителей водорода, использующих ацетогенез, диссимиляционную сульфатредукцию, гидрогенотрофное дыхание или метаногенез. Ферментативные бактерии могут жить в толстой кишке на пределе термодинамически возможного, потому что окисление NADH может быть соединено с восстановлением протонов при таких низких концентрациях водорода.
Некоторые метаболические функции в сетях могут осуществляться различными биохимическими путями, поэтому разные виды могут выполнять одну и ту же функцию (метаболическая избыточность, как, например, при производстве бутирата). Неродственные люди разделяют 82% бактериальных метаболических путей, обнаруженных в фекальной ДНК, но только 43% бактериальных видов. Это помогает объяснить таксономический индивидуализм, но схожие метаболические показатели микробиомов кишечника людей.
Измерение «здоровья» метасообщества
Большинство членов микробиома кишечника человека - облигатные анаэробы, которые погибают в течение короткого времени в аэробных условиях, а многие из них - автотрофы, нуждающиеся в перекрестном поступлении питательных веществ от других членов сообщества. Логистические и технические трудности проведения крупномасштабного анализа на основе культур в таких условиях привели к внедрению метагеномных, филогенетических сравнений фекальных микробиомов. Некоторые исследования с использованием этой технологии показали, что относительная численность определенных групп бактерий в микробиоме кала свидетельствует о здоровье или заболеваниях.
Являются ли эти различия причиной заболевания или побочным эффектом, вызванным заболеванием, эти обсервационные исследования установить не смогли. В выборке участвовало относительно небольшое количество людей и существует множество сопутствующих факторов, которые затрудняют воспроизведение результатов одного исследования в другом. Более поздние исследования с применением процедур машинного обучения используют данные более крупных групп людей и фокусируются на различиях бактериальных штаммов. Однако воспроизводимость этих исследований также не проверена и иногда они выглядят как инвентаризация микробного разнообразия, а не критическая проверка гипотез.
Недавно была опубликована альтернативная концепция определения здорового микробиома, а также общая концепция будущих исследований. Вкратце, согласно этой идее, для измерения функционирования микробиома должны быть разработаны биоанализы. Это будет аналогично использованию «лабораторных тестов» периферической крови, широко применяемых в медицинской диагностике. Сначала будет установлен диапазон «нормальных значений» метасообщества, с которым будут сравниваться показатели отдельных микробиомов.
Потенциальные биоанализы для оценки здоровья симбиоза микробиома кишечника и человека-хозяина включают измерение содержания неразложившихся растительных гликанов в образцах кала, профили коротко-цепочечных жирных кислот (КЦЖК) в кале, профили желчных кислот в кале (например, доля вторичных желчных кислот), профили муцинов в кале, агонисты рецепторов, связанных с G-белками, в кале (например, метаболомы плазмы/сыворотки), qPCR-количественное определение генетических локусов бактерий, которые, как известно, лежат в основе катаболических особенностей симбиоза (например, гены, кодирующие углеводно-активные ферменты [CAZymes]), и иммунные факторы, присутствующие в фекалиях (например, количество секреторного IgA и кальпротектина). Предполагается, что подобные анализы, основанные на знании функций сообщества, будут более полезны, чем таксономические сравнения, для дифференциации здоровых микробиомов от нездоровых, поскольку функциональные показатели микробиомов схожи в метасообществе здоровых людей.
Текущие пробелы в исследованиях в понимании метасообщества кишечника
Как уже упоминалось ранее, изменения в экологии кишечного сообщества могут способствовать увеличению распространенности метаболических заболеваний (например, ожирения, сердечно-сосудистых заболеваний, диабета 2 типа) у людей, живущих в условиях индустриального образа жизни или перешедших на него. В этом может быть замешано изменение функционирования микробиома и, следовательно, изменение равновесия между хозяином и микробами («дисбиоз»). Если это так, то возможно принятие мер по исправлению ситуации.
Предлагалось восстановить у западных людей «недостающие микробы», полученные от людей, ведущих неиндустриальный образ жизни, но, скорее всего, это не удастся, поскольку диета реципиентов не похожа на диету доноров, поэтому ниши для них в кишечнике отсутствуют. Потребуются веские аргументы, чтобы убедить людей в промышленно развитых странах перейти к диете и образу жизни предков. Модуляция функций микробиома кишечника человека с помощью менее драматичного диетического вмешательства вполне реальна, но необходимо гораздо лучше оценивать привычный рацион людей, участвующих в микробиомных испытаниях. Необходимо также регистрировать этническую принадлежность участников, поскольку на нее могут влиять диетические предпочтения и образ жизни. Контрольные человеческие когорты в исследованиях микробиоты кишечника часто описываются как «здоровые», но для подтверждения состояния здоровья следует использовать антропометрические тесты, которые подтверждают это, а не полагаться на личное восприятие.
Время кишечного транзита должно измеряться в каждом исследовании микробиома кишечника, поскольку оно варьируется между людьми и зависит от количества потребляемых пищевых волокон. Время транзита влияет на функционирование сообщества, поскольку более медленное прохождение пищеварительного тракта через толстую кишку дает время для катаболизма большинства пищевых углеводов в проксимальном отделе толстой кишки. Затем метаболизм бактерий в дистальном отделе толстой кишки переходит на использование аминокислот в качестве субстратов с образованием разветвленных КЦЖК (изобутирата, изовалерата). Таким образом, метаболический профиль сообщества может меняться в зависимости от временной нагрузки питательных веществ на отделы толстой кишки.
Метасообщество кишечника человека продолжает развиваться. Об этом свидетельствует сравнение фекальных микробиомов в образцах, собранных у людей, которые являются кочевыми охотниками-собирателями в Африке, аграрным населением, живущим в странах с минимальной индустриализацией, в развитых странах с высоким уровнем индустриализации, а также у людей, которые находятся в переходном периоде (мигранты) между неиндустриальными и индустриальными регионами или странами. В целом, индустриализация приводит к формированию сообществ кишечника с меньшим разнообразием из-за потребления рациона, содержащего больше рафинированных зерновых и меньше грубых пищевых волокон. Необходимы дополнительные исследования микробиомов незападных обществ, поскольку они могут выявить дальнейшую молекулярную специализацию кишечных бактерий, критически важных для катаболизма растительных гликанов. Эти исследования также позволят определить «нормальные значения» экосистемных функций для азиатских и других обществ.
Лечение дисбактериоза означает, что необходимо восстановить экосистему кишечника. Для этого нам необходимо знать, какой была экосистема, в частности, как она функционировала, когда была здоровой. Например, мы можем получить представление о функционировании экосистемы, сосредоточившись на особенностях питания, таких как перекрестное кормление, которые необходимы для поддержания разнообразия сообщества. Необходимо продолжать изучать экологическое значение пространственной неоднородности в толстой кишке, особенно возможность существования нескольких мест обитания, связанных со сложными молекулами растительных гликанов.
Использование экспериментов на основе культур с «синтетическими» микробными сообществами может быть выгодно в будущих исследованиях, поскольку они могут моделировать специфические функции, происходящие в экосистеме кишечника, которые, в свою очередь, могут быть модулированы вмешательствами. Эти модельные сообщества in vitro могут иметь упрощенное бактериальное разнообразие, но при этом выполнять сложные функции, наблюдаемые in vivo, и могут быть исследованы с помощью транскрипции генов и биохимии для получения регуляторной информации («как это работает?»), особенно в отношении временного переключения питательных веществ, что может быть важной особенностью обитания бактерий в толстой кишке.
Обогащение культур, на основе которых можно получить модели, используя среду, содержащую специфический растительный гликан, и инокулят фекалий, может быть полезным, потому что метаболически сплоченные бактериальные консорциумы, о которых мы мало знаем, будут обогащены и будут выявлены правила, управляющие их формированием. Работа с совместными культурами, предпочтительно проводимая в лоцированных условиях, например в хемостатах (устойчивые условия), предоставляет возможности для повторения экспериментов и, следовательно, повышения воспроизводимости и статистической достоверности, а также потенциал для математического моделирования. Мутации специфических генов позволяют проверить экологическую пригодность бактерий, показывая важность специфических бактериальных признаков для поддержания жизни симбионтов в кишечнике. В целом, изучение молекулярных деталей метасообщества должно открыть интригующие подробности того, как оно стало таким, каким является сегодня, как можно лучше измерить его «здоровье» и как его можно исправить в медицинских целях.
Потенциальные будущие разработки для восстановления функций микробиома
Экологические функции схожи во всем метасообществе благодаря отбору метаболических избытков, поэтому функциональность является «готовой» независимо от таксономического состава. Это означает, что восстановительные меры по достижению здоровья могут избежать трудностей, связанных с изменением таксономического состава микробиома (который значительно отличается у отдельных людей), и вместо этого могут быть направлены на коррекцию специфических функциональных различий. Однако для разработки практических решений необходимо понимание того, как «работает» метасообщество.
Идея о том, что медицинское обслуживание может быть подобрано в соответствии с генотипом, окружающей средой и образом жизни пациента, а не с ожидаемыми реакциями «среднего пациента», лежит в основе концепции «точной» («персонализированной», «индивидуальной») медицины. В применении к микробиому кишечника целью будет устранение дисбиоза, выявленного в результате биоанализа функций микробиома, с помощью персонализированных методов лечения, а не традиционных пробиотических и/или пребиотических подходов, основанных на продаже «здорового образа жизни». Подходы точной медицины возможны, поскольку реакция на диетические добавки с растительными гликанами (например, реакция на дозы арабиноксилана или резистентного крахмала) у людей различна, что открывает возможности для персонализированного питания. В последнее время сфера применения подобных работ расширилась благодаря улучшению аналитических методов определения и модификации химического состава гликанов, в сочетании с постоянно расширяющимися знаниями о биохимическом разнообразии сортов растений, а также интересом к использованию переработанных растительных отходов для приготовления новых продуктов питания для потребления человеком.
Следует признать, что в дисбиотическом сообществе кишечника могут отсутствовать микробные механизмы, обеспечивающие нормальное функционирование (например, катаболизм резистентного крахмала). Поэтому может возникнуть необходимость в создании коммерческих многокомпонентных бактериальных консорциумов с заданными функциональными характеристиками и переносе искусственного сообщества в организм конкретного человека. Это может быть достигнуто путем введения дозы «консорциума с определенными функциями» перорально или с помощью клизмы. Это аналогично восстановлению нарушенного сообщества толстой кишки с помощью «трансплантации фекальной микробиоты» (ТФМ), которая полезна при лечении некоторых случаев инфекции Clostridioides difficile, а также может быть полезна для исправления нарушенной передачи кишечных бактерий детям, рожденным путем кесарева сечения. Однако биология ТФМ плохо изучена и не лишена медицинских рисков, поэтому разумным шагом будет инокуляция собранных в лаборатории консорциумов. Предстоит проделать большую работу не только по созданию соответствующих консорциумов для достижения этой цели, но и по приготовлению препаратов, сохраняющих жизнеспособность для использования в качестве инокулянтов, а также по определению дозы и графика дозирования. Хотя микробиом может быть более податливым во временном отношении, чем считалось ранее, устойчивость к колонизации может быть ограничивающим фактором.
Рассмотрение вопроса о восстановлении дисбиотических микробиомов на основе знаний о метасообществе кишечника человека имеет значение и для другой области прецизионной медицины - реакции на терапию рака. Взаимодействие рецептор-лиганд (например, PD-1, PD-L1) связано со способностью Т-клеток отличать здоровые клетки человека от потенциальных патогенов. К сожалению, раковые клетки могут кооптировать эту систему «иммунных контрольных точек», чтобы избежать разрушительного внимания Т-клеток. Введение иммуноглобулинов используется для усиления терапии некоторых типов рака путем вмешательства в эту блокаду иммунных контрольных точек (ICB). Уничтожение раковых клеток Т-клетками усиливается, хотя здоровые клетки тоже страдают. Любопытно, что не все пациенты одинаково реагируют на лечение ICB. Предварительное лечение антибиотиками снижает эффективность, что указывает на влияние микробиома кишечника. Результаты исследований с использованием безмикробных и гнотобиотических мышей свидетельствуют о том, что некоторые члены микробиома способствуют ответу на ICB, однако эту работу трудно соотнести с пациентами, поскольку в микробиоме мышиного кишечника преобладают различные таксоны и он по-разному распределен в кишечнике по сравнению с человеком. Тем не менее, прецизионная модуляция микробиома кишечника раковых больных для улучшения ICB может стать полезной побочной технологией при разработке функциональных корректировок для восстановления здорового микробиома.
Очевидно, что отправной точкой для будущих исследований является разработка биоанализов (таких, как описанные выше) и других тестов (например, на катаболизм резистентного крахмала и гемицеллюлозы), с помощью которых можно будет установить стандарты здоровья в отношении метасообщества кишечника человека. Функциональный дисбиоз можно будет распознать в личных микробиомах пациентов и разработать восстановительные процедуры. « Прецизионное функциональное восстановление» станет целью этого захватывающего исследования, посвященного симбиозу человека и микробиома.
