Mapowanie bakterii jelitowych powiązanych z rakiem jelita grubego
Rak jelita grubego pozostaje jedną z najczęstszych przyczyn zgonów na świecie, jednak stosowane obecnie metody wczesnego wykrywania często są niewystarczająco czułe, by skutecznie rozpoznawać zmiany przedrakowe. W przełomowym badaniu(odnośnik otworzy się w nowym oknie), opublikowanym w czasopiśmie „Cell Host & Microbe”, badacze zidentyfikowali wiarygodną i uniwersalną sygnaturę mikrobiologiczną związaną z tą chorobą. W ramach metaanalizy zespół projektu CartoHostBug, wspieranego ze środków UE, ponownie przeanalizował prawie 6800 profili mikrobiomu jelitowego, uzyskując bezprecedensowy wgląd w związek między bakteriami jelitowymi a rakiem. Najmocniejszą stroną badania jest jego skala oraz innowacyjna metodologia. Dzięki agregacji danych z 27 niezależnych badań przeprowadzonych w Niemczech, Holandii i Szwajcarii zespół badaczy przezwyciężył ograniczenia wynikające z niewielkich i niespójnych zbiorów danych, które dotychczas utrudniały prowadzenie badań. Opracowali oni zaawansowane metody obliczeniowe oraz klasyfikator oparty na uczeniu maszynowym, zdolny do integracji danych dotyczących mikrobiomu uzyskanych za pomocą różnych metod sekwencjonowania. „Kluczowym narzędziem jest algorytm uczenia maszynowego, który jest trenowany do celów odróżniania mikrobiomów nowotworowych od mikrobiomów nienowotworowych”, wyjaśnia Georg Zeller, kierownik zespołu badawczego goszczący w Europejskim Laboratorium Biologii Molekularnej (EMBL) w Heidelbergu w Niemczech, partnerze projektu CartoHostBug, w opublikowanym niedawno komunikacie prasowym(odnośnik otworzy się w nowym oknie). „Algorytm określa, w jakim stopniu profil danego mikrobiomu przypomina profil mikrobiomu nowotworowego”. Zastosowanie tej oceny do dowolnej próbki mikrobiomu jelitowego pozwala zidentyfikować spójną sygnaturę mikrobiologiczną, która utrzymuje się w różnych populacjach, regionach geograficznych i grupach wiekowych, zarówno w przypadkach choroby o wczesnym, jak i późnym początku. „Możemy zastosować ją do dowolnego istniejącego zbioru danych dotyczących mikrobiomu jelitowego człowieka, w tym do danych pochodzących z badań nad terapiami dietetycznymi”, dodaje Zeller, który jest również głównym autorem prac i profesorem w partnerskiej instytucji projektu, Centrum Medycznym Uniwersytetu w Leiden w Holandii.
Od kału do tkanki
Kluczowym odkryciem było stwierdzenie związku między sygnaturami zidentyfikowanymi w próbkach kału a mikroorganizmami wykrywanymi bezpośrednio w tkance nowotworowej jelita grubego. Badacze przeanalizowali 906 próbek tkanki jelitowej i odkryli, że mikroorganizmy występujące w większej liczbie w tkance nowotworowej odzwierciedlały te wykryte w próbkach kału. Co istotne, mikroorganizmy związane z rakiem były obecne nawet w nowotworach we wczesnym stadium, co sugeruje, że zmiany w mikrobiomie zachodzą już na wczesnym etapie rozwoju choroby. Badacze natknęli się jednak na nowe ograniczenie. Chociaż sygnatura jest wiarygodna w przypadku już rozwiniętego nowotworu, wykrywanie przedrakowych gruczolaków na podstawie próbek kału pozostaje trudne ze względu na słabsze sygnały mikrobiologiczne w tych wczesnych zmianach. „To ograniczenie ma istotne znaczenie dla przyszłego zastosowania klinicznego”, komentuje współautor badania Michael Zimmermann, kierownik grupy badawczej w EMBL. „Pokazuje ono, że zanim narzędzia oparte na analizie mikrobiomu staną się wystarczająco niezawodne, by wykrywać wczesne zmiany przedrakowe, konieczne może być opracowanie bardziej czułych metod, wykorzystanie większych zbiorów danych lub połączenie analizy mikrobiomu z innymi metodami pomiarowymi”.
Błonnik pokarmowy i spostrzeżenia dotyczące bakterii
Dieta okazała się kluczowym czynnikiem modulującym sygnaturę mikrobiologiczną. Analiza ujawniła wyraźną odwrotną zależność między spożyciem błonnika pokarmowego a wynikiem oceny mikrobiomu w raku jelita grubego. U osób spożywających mniej błonnika obserwowano wyraźniejsze wzorce mikrobiologiczne związane z nowotworami, natomiast badania interwencyjne wykazały, że zwiększenie spożycia błonnika może prowadzić do ich osłabienia. Badania dostarczyły również cennych informacji na temat Fusobacterium – grupy bakterii często powiązanej z rakiem jelita grubego. Dzięki analizie setek genomów bakterii z tej grupy zespół odkrył, że nie wszystkie podgatunki zachowują się tak samo. Bakteria Fusobacterium nucleatum, podgatunek animalis, była konsekwentnie częściej wykrywana w próbkach pochodzących od pacjentów z nowotworem na całym świecie, podczas gdy w przypadku innych podgatunków obserwowano wzorce występowania zależne od regionu geograficznego. Chociaż obecnego klasyfikatora nie można jeszcze uznać za test diagnostyczny, stał się on istotnym punktem odniesienia dla przyszłych narzędzi klinicznych. Misja projektu CartoHostBug (Functional cartography of intestinal host-microbiome interactions), polegająca na mapowaniu interakcji między gospodarzem a mikrobiomem na poziomie komórkowym i molekularnym, okazała się kluczowa dla identyfikacji wiarygodnych biomarkerów choroby. Więcej informacji: projekt CartoHostBug
