До персоніфікованого контролю за бактеріальними спільнотами людини

АНОТАЦІЯ

Ключовою проблемою в мікробіології буде розробка інструментів для маніпулювання бактеріальними спільнотами кишечника людини. Наша здатність прогнозувати та контролювати динаміку розвитку цих спільнот зараз перебуває у зародковому стані. Для управління мікробіотою кишечника людини я розробляю методи в трьох сферах досліджень. По-перше, я вдосконалюю інструменти in vitro для експериментального вивчення мікробів кишечника з високою пропускною здатністю та в контрольованих умовах. По-друге, я адаптую методики “великих даних” для подолання статистичних проблем, що стоять перед моделюванням мікробіоти. По-третє, я тестую проекти досліджень, які можуть впорядкувати тестування людей на мікробіоти. Збір цих методів створює нові виклики, включаючи підготовку вчених, які можуть працювати в таких галузях, як інженерія, екологія та медицина. Тим не менше, я передбачаю, що подолання цих перешкод дозволить моїй групі створити платформи, які можуть персоналізувати лікування мікробіоти, особливо на основі дієти. Більш широко, я передбачаю, що такі платформи матимуть застосування в таких галузях, як сільське господарство, біотехнології та управління навколишнім середовищем.

mSystems® об. 3, № 2, є спеціальним випуском, спонсором якого є Інститут мікробіомів людини (JHMI).

ПЕРСПЕКТИВНИЙ

Спільноти бактерій кишечника відіграють велику роль у здоров’ї та захворюваннях людини. На сьогоднішній день перехресні дослідження когортних людей пов’язують конкретні кишкові мікроби з метаболічними, імунологічними та неврологічними захворюваннями, а інтервенційні дослідження на тваринах визначають причинну роль окремих кишкових бактерій при різних захворюваннях. Поточна робота зосереджена на встановленні того, які бактерії викликають захворювання у людей. Більш довгостроковою метою дослідження є запобігання або полегшення хвороби шляхом зміни рівня бактерій, причинно спричинених до здоров'я людини (1).

В даний час підходи до маніпуляцій мікробіотою кишечника людини є неточними. Антибіотики можуть впливати на широкий спектр коменсальних мікробів і ненавмисно сприяти росту умовно-патогенних мікроорганізмів (2). Фекальні трансплантати доставляють безліч бактерій до реципієнтів (3), більшість з яких ризики, переваги та стійкість досі незрозумілі. В даний час численні фактори обмежують прогрес у розробці конкретних методів маніпулювання мікробіоти. Виділення кишкових бактерій нудно, і мікробні спільноти кишок важко відібрати на місці. Моделювання динаміки мікробіоти кишечника представляє складні, дуже багатоваріантні статистичні завдання. Переклад знахідок про мікробіоти тварин у клініку вимагає подолання логістичних бар’єрів, пов’язаних з дослідженнями на людях. Подолання цих та інших перешкод буде необхідним для розробки способів контрольованого переформування мікробіоти кишечника людини.

Моя стратегія вирішення цих проблем спирається на розробку методів. «Нові інструменти створюють нові науки», - зауважив фізик Фрімен Дайсон (4). Я зосереджуюсь на інструментах, витоки яких лежать за межами мікробіологічних досліджень; технічний прорив в одній галузі часто призводить до прогресу в інших. Дійсно, сама наука про мікробіоми людини слугує конкретним дослідженням того, як запозичені методи можуть стимулювати наукові революції: сучасні дослідження мікробно різноманітних популяцій кишечника вибухнули внаслідок прогресу в послідовності ДНК, стимульованому Проектом геному людини. Зараз я розробляю наступні три набори методів для полегшення контролю мікробіоти людини в кишечнику.

Я працюю над вдосконаленням методів in vitro для виділення та культивування мікробів кишечника людини. Обсяги цих методів культури охоплюють 10 порядків. У мікроскопічному масштабі я вивчаю бактерії за допомогою мікрорідких інструментів, розроблених інженерами за останні 3 десятиліття. Microfluidics дозволяє виділити окремі мікроби в лунки або краплі, діаметр яких становить лише десятки мікрон. Мікрофлюїдна технологія забезпечує можливість виявлення генів (5) та вимірювання ознак у мільйонах окремих клітин в одному експерименті (6) - потужність, яка в тисячі разів перевищує традиційні мікробіологічні методи. У макроскопічному масштабі я аналізую взаємодію на рівні громади, використовуючи ті самі біореактори безперервного потоку, що і в галузях промислового бродіння та очищення стічних вод. Ці моделі штучних кишок дозволяють мені уникнути проблем, що виникають при вивченні мікробіоти кишечника in vivo, які включають обмеження, що обмежують можливість відбору проб, а також обмежують вимірювання та маніпулювання мікробним середовищем (7). Разом мої методи in vitro також дозволяють мені досліджувати біологію мікробів кишечника незалежно від процесів господаря, таких як імунна відповідь або циркадні ритми.

Я також працюю над створенням in silico інструментів для моделювання мікробіоти кишечника людини. Мої зусилля скористались аналітичними методами "великих даних", які дозріли за останні 20 років. Зараз я застосовую техніки машинного навчання та зменшення розмірів для спрощення наборів даних про мікробіоти та прогнозування сприйнятливості до інфекцій у когортах людини. Я також включаю математичні інструменти геонаук для усунення статистичних перешкод, що виникають із відносної природи більшості наборів даних про мікробіоти. Ми з колегами об'єднали ці методи з філогенетичними моделями для розробки перетворення даних, що зберігає цілісність статистичних методів, які зазвичай використовуються на даних мікробіоти (8, 9). Нарешті, я зараз розробляю динамічні моделі, коріння яких комерційні системи прогнозування та інженерного контролю з 1960-х років (10). Пристосувавши ці моделі до наборів даних про мікробіоти, ми можемо зробити висновок про ефективність терапії мікробіоти та передбачити нові результати лікування.

Нарешті, я працюю над впорядкуванням експериментальних підходів до вивчення та перевірки наслідків терапії мікробіоти кишечника у людей. Перекладу відкриттів фундаментальних наук у клініку може заважати вартість, тривалість та складність досліджень на людях. Протягом останніх років ми з колегами досліджували альтернативні проекти досліджень на людях, які покладаються на такі методи, як самостійне відстеження здорових суб'єктів, щільна поздовжня вибірка та запис даних про спосіб життя на пристроях iOS. Ці підходи були частково натхненні методами дослідження мікробіоти людини, які були опубліковані в Журналі Американської медичної асоціації (нині JAMA) майже століття тому (11). Отримані мої дані показали, що можна визначити зміни в дієті, які формують мікробіоти кишечника у людей, використовуючи когорти розміром від 2 до 10 добровольців та лікування, яке тривало лише кілька днів (12, 13). Ці результати показують, що дослідницькі групи навіть незначного розміру можуть проводити інтервенційні людські когортні дослідження.

Звичайно, моя стратегія розробки інструментів у різних сферах досліджень представляє проблеми. Синергія є основною. В принципі, я інтегрую методи у своїй дослідницькій групі, використовуючи комбіновані проекти: динамічні моделі застосовуються до часових рядів, зібраних із нашої штучної кишки; мікрофлюїдні аналізи перевіряються як діагностика в дослідженнях на людях. Але на практиці досягнення цієї інтеграції вимагає, щоб члени моїх лабораторій одночасно працювали за такими дисциплінами, як інженерія, екологія, медицина, мікробіологія, харчування, ймовірність та статистика. Учасники міждисциплінарної роботи стикаються з проблемами перетравлення різних літературних джерел, методів налагодження без відповідних фонових курсових робіт та інтерпретації даних, при цьому потенційно не знаючи про загальні джерела помилок. Тим не менше, чекає багата наукова виплата. Розміщення вчених з додатковими навичками одночасно і в одному і тому ж місці надає можливість для безпосередніх та унікальних інтелектуальних зв’язків, що, в свою чергу, повинно призвести до нового розуміння того, як ми контролюємо мікробіоти кишечника людини.

СНОПКИ

Отримано 1 листопада 2017 року.
Прийнято 12 січня 2018 року.

Це стаття з відкритим доступом, що поширюється на умовах ліцензії Creative Commons Attribution 4.0 International.