Проблеми з поняттям дисбіозу мікробіоти кишечника

Лабораторія генних технологій, Департамент біосистем, KU Левен, Лювен, Бельгія

Інформація про фінансування:

Інформація про фінансування не надана.

Резюме

Вступ

«Мікробіота людини є центром уваги однієї з найдинамічніших дослідницьких областей сучасності» - цим реченням починається нещодавній огляд клітин щодо мікробіома кишечника людини (Шмідт та ін., 2018). Якщо розглядати висвітлення досліджень мікробіомів у журналах Nature, Science, Cell та їхніх сестер, це судження аж ніяк не є перебільшенням. Іноді цілі випуски упаковані матеріалами з мікробіомів, наприклад, випуск Nature від 30 травня 2019 року, що представляє останні результати Проекту інтегративного людського мікробіома (HMP) (Proctor та Консорціум дослідницьких мереж Integrative HMP (iHMP), 2019 .

Один з трьох підпроектів ГМП стосується мікробіоти кишечника при запальних захворюваннях кишечника (ВЗК), де вражаючий спектр мультіомічних технологій був застосований до майже 3000 зразків калу, біопсії та крові, що повторно брались протягом одного року у 132 пацієнтів (Lloyd‐ Ціна та ін., 2019). Індивідуальні варіації становили більшість спостережуваних дисперсій, тоді як статус захворювання пояснював лише меншу частку. Під час подальшого спостереження у деяких пацієнтів відбувались «дисбіотичні» екскурсії мікробіому кишечника, але вони були лише слабо пов’язані з активністю захворювання. Таким чином, ці відхилення мікробіоти кишечника представляють потенційно стохастичні події. Таксономічні переходи до аеротолерантних, прозапальних бактеріальних шарів підтвердили спостереження з попередніх звітів. Новим є спостереження за більшою експресією генів клостридіями та зменшенням кількості некласифікованих Субдолігранулум види при ВЗК. Автори підкреслили, що незрозуміло, чи можуть дані мікробіомів мультиоміки передбачити події захворювання до їх виникнення. Причинно-наслідковий аналіз потребує інтервенційних досліджень. Дані надають каталог нових взаємозв’язків між мультиомічними характеристиками, які дозволяють проводити майбутні дослідження, проте дослідження мікробіомів, таким чином, залишаються в основному описовими.

Проблема визначень

Проблеми, з якими стикаються продукти, отримані з мікробіомів для промислового застосування, різноманітні. Може здивувати, що одна перешкода - це питання базового наукового визначення, питання, яке не слід відкидати як суто семантичне значення. Близько 2000 років тому батько-засновник медицини наголосив на важливості чітких наукових термінів, коли писав "По-перше, однак, ми повинні чітко розмежовувати та пояснювати різні терміни, які ми збираємось використовувати, і до чого ми їх застосовуємо; і це доведе не просто пояснення термінів, а водночас демонстрацію наслідків природи »(Гален, 191 р. н. е.). У галузі пробіотиків довгий час обговорювалось, що являє собою пробіотик, і для пошуку визначення були організовані консенсусні конференції. Наявність чіткого визначення не лише вирішує наукові питання. Насправді вчені суспільства рекомендували лише кілька пробіотиків для обмеженої кількості програм охорони здоров'я (Brüssow, 2019). Однак відсутність чіткого визначення термінів ризикує розмити дискусію.

Підходи до визначення дисбіозу

Фундаментальну критику щодо наївного використання терміна дисбіоз сформулював Леві та ін. (2017), який зауважив, що недостатньо порівнювати хворих особин із вільною від захворювань когортою контролю; вона особливо потребує порівняння різних проявів однієї і тієї ж хвороби. Цей запит забезпечить більш тісний рівень асоціації, однак, не вирішуючи повністю причини чи наслідки проблеми. Ці автори також закликали до функціональної, а не таксономічної інтерпретації дисбіотичної мікробіоти і підняли пункт про високу контекстну залежність спостережень, наприклад, з імунною системою хазяїна, яка діє на мікробіом, а мікробіом діє на імунну систему хазяїна. Ці автори пропонують радикальну пропозицію, згідно з якою визначення конфігурації дисбіотичної мікробіоти повинно відповідати критеріям постулатів Коха щодо визначення збудника мікробного агента, розширеного тут для мікробіома, що викликає хворобу.

Досліджуючи зв’язок між дитячим дисбіозом та захворюваннями, Вангай та ін. (2015) згадали важливі незрозумілі фактори, які необхідно враховувати при таких аналізах мікробіоти-хвороби, таких як тимчасове дозрівання мікробіоти кишечника та залежність складу мікробіоти від типу пологів (кесаріанський проти вагінального) (Чу та ін., 2017), на дієті (грудне вигодовування та годування з пляшечки) та попередньому застосуванні антибіотиків. Детальний опис мікробіоти кишечника у немовлят з урахуванням цих факторів наведено для здорових немовлят зі Швеції (Bäckhed та ін., 2015) та США (Baumann ‐ Dudenhoeffer та ін., 2018). В одному дослідженні «випадок-контроль» було зафіксовано асоціацію мікробіоти та хвороби, а саме недоїдання у дітей з Бангладеш із розвитком віку мікробіоти за допомогою машинного навчання на даних послідовності 16S РНК, що призвело до «відносного показника зрілості мікробіоти». Автори виявили відносну незрілість мікробіоти для дітей, які недоїдають (Субраманіан та ін., 2014). Хоча це спостереження представляє науковий інтерес, воно має обмежене практичне значення, оскільки цей стан можна легко оцінити за допомогою антропометрії та візуальної діагностики.

Питання різноманітності

Дані Хадза підкреслюють ще один аспект, а саме важливість сезонної мінливості мікробіоти кишечника в первісних суспільствах (Смітс та ін., 2017), який компрометує надії пов’язати сузір’я мікробіоти кишечника зі здоров’ям, якщо також не передбачаються сезонні зміни здоров’я або два різні здорові сузір’я мікробіоти кишок в різних екологічних умовах. Існують навіть дані, хоча вони розроблені з дуже невеликою кількістю людей, що демонструють добові зміни у складі мікробіоти кишечника та описані більш детально у мишей (Thaiss та ін., 2014). У разі підтвердження така мінливість сузір’я мікробіоти кишечника потребуватиме протоколів зі стандартизованим часом відбору проб стільця (сезони, години доби) для підтримки порівнянь у всіх дослідженнях і дозволять проводити узагальнення.

Крім того, Shade (2017) закликає до стриманості у використанні вимірювання різноманітності для оцінки стану здоров'я: саме різноманітність має обмежену цінність, оскільки для його інтерпретації потрібно багато контексту. Невідповідність між різними показниками різноманітності спільнот давно визнано в галузі екології, що ускладнює порівняння між дослідженнями. Таким чином, різноманітність мікробіоти не є ні хорошим, ні поганим. Суть цього легко продемонструвати вагінальна мікробіота людини, де підвищена мікробна різноманітність явно пов’язана зі шкідливими наслідками (бактеріальний вагіноз у афроамериканських жінок, навіть пов’язаний із скомпрометованими наслідками пологів; Фетвейс та ін., 2019). Залежність генетичного фону хазяїна для асоціацій мікробіота – здоров’я добре продемонстрована у вагінальних дослідженнях мікробіоти афроамериканських та білих американських жінок (Каллахан та ін., 2017). У разі вагінальної мікробіоти аргумент про коеволюцію мікробіоти з лінією гомінідів не застосовується, оскільки ЛактобактеріїДомінаційна вагінальна мікробіота зустрічається лише у людини, а не у мавп (Miller та ін., 2016).

Недостатні дослідження та метааналіз

Багато досліджень мікробіоти, що діагностують дисбіоз у випадках контрольних досліджень, статистично недостатні, враховуючи лише невеликі розміри зразків людини: 2018) аргументують метааналізи в області дисбіозу. Мета-аналіз може збільшити статистичну потужність багатьох невеликих досліджень шляхом виявлення справжніх сигналів на тлі помилково спрацьованих результатів. Основним активом метааналізу є виявлення послідовних спостережень у незалежних дослідженнях або спростування помилкових асоціацій. Запропоновано тест для виявлення мікробіоти кишечника з ожирінням.

Категоризації досліджень дисбіозу

Еубіоз

Порівняно невловимий характер терміна „дисбіоз” є дзеркальним відображенням настільки ж погано охарактеризованого протилежного терміна „еубіоз”. Не було дано точного визначення еубіозу, крім „збалансованої” мікробіоти або мікробіоти, виявленої у здорових суб’єктів. Чітке визначення еубіотичної мікробіоти є особливо важливим для досліджень, що проводяться з урахуванням випадків. Якщо здорову еубіотичну мікробіоти чітко визначити як семантично, так і за складом мікробіоти, будуть потрібні лише дані мікробіоти від невеликої кількості суб’єктів контролю. Цей ефект пропонується "принципом Анни Кареніної", який стверджує, що особи, що страждають дисбіотиками, за складом мікробної спільноти відрізняються більше, ніж здорові особи (Заневельд та ін., 2017). Своєрідною назвою цього принципу є каламбур книги Лева Толстого, який починається реченням: «Усі щасливі сім’ї схожі, кожна нещасна сім’я нещасна по-своєму». Підтримка цього принципу була знайдена в океанських коралах, де дисбіотичні корали, тобто стреси, мають більш мінливий і нестабільний мікробіом, ніж здорові (Ахмед та ін., 2019). Хоча вагінальна мікробіота людини, схоже, збігається з цим принципом, далеко не ясно, чи застосовується цей принцип до здорової мікробіоти кишечника людини (Brüssow, 2016).

Смутні фактори

Кілька підходів до оміки ...

... та їх обмеження

Підходи, що створюють мікробний GPS, захоплюють, але все ще далекі від перекладу в клінічну практику. Чутливість та специфічність тестів на мікробіоти для діагностики захворювань досі відносно незрозумілі. Також невідомо, чи зміни мікробіоти є достатньо дрібними, щоб дозволити діагностично значущу диференціацію захворювання. Більш принципово, більшість досліджень мікробіоти кишечника були проведені з логістичних міркувань із зразками стільця. Склад мікробіоти в зразках фекалій відрізняється від складу зразків слизової (Екбург та ін., 2005). Очевидно, що мікробіота слизової оболонки, завдяки тіснішому зв’язку з ураженими тканинами кишечника, частіше впливає на результат захворювання, якщо мікробіота є рушієм досліджуваного захворювання. Мікробіота фекалій, на відміну від них, являє собою суміш пролитих слизових бактерій та окремої неприклеєної просвітньої мікробіоти, яка рідше відображає процес захворювання. Таким чином, мікробіота фекалій є потенційно лише далеким дзеркалом патологічних подій, і тому ми не повинні очікувати тісних кореляцій із захворюваннями кишечника, навіть якщо вони існували для мікробіоти слизової.

Комплексне, складне втручання

Модифікований постулат Коха щодо асоціацій мікробіом – здоров’я

Застосовуючи постулати типу Коха до коменсалу – здоров’я, а також до зв’язку дисбіоз – хвороба, ми усвідомлюємо, наскільки далеко ми ще від чіткого визначення поля, крім можливого винятку комменсалів та C. difficile інфекція. Однак у цій області явної клінічної вигоди від трансплантації фекалій ми є, за винятком підходу, що передує ері мікробіомів (Tvede and Rask-Madsen, 1989; Tvede та ін., 2015), ще не на рівні втручання з мікробними елементами, визначеними на рівні штаму.

Про домисли та спростування

Досвід діареї

Гостра діарея є цікавим тестом для дослідження мікробіомів, оскільки хвороба короткочасна і самообмежена. Це являє собою природне збурення фізіологічної рівноваги мікробіоти кишечника та її порушення патологічним процесом, а відновлення нової рівноваги дає обіцянки зрозуміти механізми взаємодії мікробів-мікробів у кишечнику.

Outlook

Медичні втручання, такі як лікування антибіотиками або очищення кишечника під час підготовки до колоноскопії, представляють цікаві можливості для дослідження мікробіомних аналізів, оскільки всі включені суб'єкти є інформативними, і біологічні зразки можна легко отримати до, під час та після втручань (Фукуяма та ін., 2017). Ці дані можуть доповнити уявлення про дослідження гострої діареї.

Випробування клінічного втручання, нарешті, є критичним випробуванням для практичної цінності досліджень мікробіомів. Успіх трансплантації фекалій в Росії C. difficile інфекція є ознакою надії (Tariq та ін., 2019), але нам потрібно розшифрувати, як це працює механічно, як для досягнення промислового продукту, так і для того, щоб зрозуміти, чому трансплантація фекалій працює менш ефективно при інших гастроентерологічних захворюваннях (Імдад та ін., 2018).

Подяка

Я дякую доктору Шона Маккалліну за критичне прочитання рукопису.