Микробиом: диагностические и терапевтические перспективы
Опубликовано: 2 месяца назадДобавить в избранное

Микробиом: диагностические и терапевтические перспективы

Осенью 2019 года в Москве прошла конференция BiotechClub 2019, на которой Елена Ильина, профессор РАН, заместитель генерального директора по научной работе ФГБУ ФНКЦ ФХМ ФМБА рассказала о микробиоме, населяющий человеческий организм, о последних исследованиях и перспективах диагностического и терапевтического потенциала микробиома.
064

Доклад Елены Ильиной

Конференция BiotechClub 2019


Осенью 2019 года в Москве прошла конференция BiotechClub 2019, на которой Елена Ильина, профессор РАН, заместитель генерального директора по научной работе ФГБУ ФНКЦ ФХМ ФМБА рассказала о микробиоме, населяющий человеческий организм, о последних исследованиях и перспективах диагностического и терапевтического потенциала микробиома.


С недавнего времени мы воспринимаем человека не просто как эукариотический организм, а также как микроорганизмы - симбионты, которые населяют различные экологические ниши человеческого организма: кожа, дыхательные пути, урогенитальный тракт. Самым густонаселенным микробиоценозом является микробиота кишечника, которая оказывает модулирующее влияние на все остальные микробиоценозы, то есть является системообразующим органом.



В состав любого микробиоценоза входят бактерии, вирусы, грибы, археи, паразиты – все это мы называем микроорганизмами, делая больший акцент в сторону бактерий, в силу максимального разнообразия этого царства.

Сноска: По уточненным данным количество бактериальных клеток в организме человека около 3.8*1013, при этом количество клеток в теле человека 3.0*1013 (Sender R., PLoS Biology 14.8 (2016): e1002533).


Сноска: Количество генов в метагеноме кишечника человека составляет около 530 000, тогда как в геноме человека их около 30 000 (Qin J. et al. Nature (2010) 464(7285), 59)


Микробиота кишечника человека крайне гетерогенна, состав микробиоты сильно варьирует в нормальной популяции и отличается между странами. При этом существуют отличия и урбанистического населения, и населения сельской местности по своему таксономическому составу и альфа разнообразию.



Отбор проб по всей стране подчеркивает отличительные черты кишечной микробиоты России


Несмотря на большую вариабельность микробиоты, они выполняют одинаковые функции: участвуют в процессах пищеварения, модуляции иммунной системы, выполняют функции, связанные с синтезом витаминов. Микробиота обменивается с организмом хозяина путем продукции или модификации метаболитов, которые накапливаются в кишечнике человека, всасываются в кровь и могут оказывать системный эффект на функционирование всех остальных органов и тканей. Именно поэтому сейчас микробиоту кишечника позиционируют как еще один орган человеческого организма.


Патогенетический потенциал микробиоты кишечника человека


Существуют доказанные примеры участия микробиоты в онкогенезе. Некоторые представители микробного сообщества способствуют развитию колоректального рака за счет продукции активных форм кислорода и иных продуктов метаболизма, увеличивающих воспаление, клеточную пролиферацию, провоцирующих повреждение ДНК. Также микробиота может способствовать возникновению заболеваний, не связанных с ЖКТ, например атеросклероза. Кишечные бактерии способны трансформировать L-карнитин и холин в триметиламин (ТМА), а затем в триметиламиноксид (ТМАО), уровень которого коррелирует с развитием атеросклероза.

 

Метагеномика


Основной метод, которому мы обязаны сегодняшним представлениям о микробиоте – это метагеномный анализ. До недавнего времени основную информацию мы черпали из микробиологических исследований. Но сейчас, когда мы говорим об исследованиях в области микробиоты, подразумевается, что исследования делаются с помощью метагеномики, которая дает максимально полную видовую и функциональную характеристику биотопа. Но стоит сказать, что метагеномика не стоит ничего без биоинформатики. Та информация, которую мы извлекаем из метагеномного анализа, извлекается инструментами биоинформатического анализа генетической информации. Такие методы позволяют провести таксономический и функциональный анализ.


Несмотря на вариабельность в таксономическом составе функциональный потенциал варьирует не так сильно. Любая микробиота здорового человека выполняет те функции, которые на нее возложены. Поэтому замещение таксономического разнообразия далеко не всегда отражается в функциональном разнообразии. А использование функционального анализа будет информативнее для диагностического и прогностического потенциала микробиоты.

Интересный инструмент появился сейчас благодаря увеличению глубины секвенирования и накоплению информации по метагеномным сиквенсам – это возможность сборки геномов из метагеномных данных. Такой биоинформатический подход предполагает то, что геном микроорганизма можно собрать практически целиком исходя из данных метагеномного анализа, охарактеризовать этот геном, оценить его функциональный потенциал и подобрать методы культивирования предполагаемого микроорганизма на искусственных питательных средах.


Сноска: Таким ярким примером является открытие CrAssPhage – бактериофаг, который был обнаружен в 2014 году путем компьютерного анализа общедоступных научных данных о метагеномах фекалий человека. Оказалось, что это достаточно распространенный фаг в человеческой популяции. Обнаружилась корреляция с представленностью Bacteroidetes. В 2019 году появилась статья об эпидемиологии этого фага (Robert A. Edwards, Nature Microbiology volume 4, pages1727–1736(2019)).


Диагностический потенциал микробиоты: MGWAS

Если мы говорим о диагностическом потенциале микробиоты, учитывая инструмент исследования – метагеномный анализ, то сейчас фокус исследований был обращен на так называемый MGWAS (метагеномные ассоциативные исследования).


Проведено очень много исследований, которые описывают паттерн микробиоты кишечника человека при различных физиологических и патологических состояниях. Микробиота меняется при различных заболеваниях: ЖКТ, ВЗК (язвенном колите и болезни Крона), циррозе печени, сахарном диабете 2-го типа, алкогольном гепатите, атеросклерозе, ожирении, аутизме и других заболеваниях. Но до сих пор не совсем понятна причинно-следственная связь. Известно, что складывается достаточно стабильная ассоциация микроорганизмов, которая характерная для той или иной патологии и нозологии. Однако вызвала ли ассоциация этих организмов нозологию, либо некоторые другие факторы повлияли на развитие той или иной болезни – мы ответить не можем. Возможно, некоторые процессы, вызванные другими причинами, моделируют под себя микрофлору кишечника.


Сейчас под прицелом внимания оказалось Akkermansia muciniphila, которая широко представлена в кишечнике человека и некоторых животных. Бактерия разлагает муцин и обладает противовоспалительными свойствами. Это одна из тех бактерий, присутствие которой уменьшается при снижении в диете пищевых волокон. Высокая представленность A. Muciniphila ассоциирована с улучшением гомеостаза глюкозы, липидов крови и нормализацией ИМТ. Присутствие этой бактерии может служить диагностическим и/или прогностическим признаком успеха в ответ на коррекцию диеты и противоопухолевую терапию.



Модель того, как микробиота кишечника, лишенная волокон, опосредует деградацию слизистой оболочки толстой кишки и повышенную восприимчивость к патогенам.


Пожалуй, на данный момент в большей степени мы должны говорить о том, что метагеномика – это один из инструментов комплексного подхода. Публикация 2019 года описывает изменение разных показателей снятых с помощью omics технологий: данные метагеномного анализа, данные метаболического профилирования, данные метатранскриптомного анализа, которые свидетельствуют об изменении этих профилей у больных с заболеваниями кишечника. Ученым удалось достичь разделения по объективным признакам язвенного колита и болезни Крона, что является сложной диагностической процедурой.


Микробы метаболизируют все. В том числе и лекарственные препараты.


Микробиота действительно способна превращать краситель в лекарства, а лекарства – в яд.

История развития антибактериальных препаратов началась с использованием красного стрептоцида, который является красителем, и который под действием ферментов, продуцируемых бактериальной флорой, превращается в антибактериальный препарат сульфаниламид. При этом точно также микробиота способна продуцировать токсический продукт из противоопухолевого препарата. Бета-глюкоронидазы бактерий могут активировать SN-38G – неактивный метаболит иринотекана (химиотерапевтический препарат), который вызывает диарею, как осложнение противоопухолевой терапии.


Еще одна публикация, описывающая, что почти любая бактерия метаболизирует ряд лекарственных препаратов и почти любой препарат метаболизируется какой-либо бактерией.


В исследовании 76 бактериальных штаммов 68 видов из кишечника человека тестировались на способность матеболизировать 271 лекарственное средство. 65% лекарственных средств были выявлены как изменяющиеся под воздействием тестируемых микробов. Для 176 метаболизируемых лекарств наблюдалось в сумме 868 различных производных. Каждый из протестируемых микробов метаболизировал от 11 до 95 различных веществ.

В данной публикации акцент делается на Bacteroides thetaiotaomicron – бактерия являющееся метаболизирующей фабрикой микробиоты, она расщепляет сложные полисахариды и пектин, метаболизирует огромное количество лекарственных средств, продуцирует индол и снижает вирулентность энтерогеморрагической Escherichia coli (EHEC) и Citrobacter, деградирует муцин в отсутствие фиброновых волокон.


Изучая эти данные, можно прийти к выводу, что препарат, который мы даем пациенту не совсем тот препарат, который попадает в кровь. Анализ данных, который поможет понять как метаболизируются лекарственные препараты, является наиболее перспективным с точки зрения таргетирования противоопухолевой терапии.

Предсказание модификаций веществ — это вычислительно сложная задача. Предсказать метаболизм вещества de-novo практически невозможно. Поэтому применяется интерполяция экспериментальных данных на сходные вещества, исходя из предположения, что при сходстве структур веществ, будут сходны и результаты взаимодействия с микробными ферментами, и уровень токсичности.


В 2019 году анонсирована база ферментативных веществ (MicrobeFDT), которые могут присутствовать в микробиоте кишечника исходя из таксономического состава. MicrobeFDT содержит 10 000 соединений, встречающихся в ЖКТ, продуктах питания, лекарственных средствах. Вещества сгруппированы по структурному сходству, к ним привязаны микробные ферменты, вероятно, изменяющие их, а также информация по предсказанной токсичности.

Несмотря на имеющиеся успехи, мы еще очень плохо предсказываем, скорее идет экспериментальная оценка. Если говорить о диагностическом потенциале, то это переход на индивидуализированную противоопухолевую терапию с анализом метаболического потенциала микробиоты.


Попытки выявить таксономические классы, которые отвечают, например, за эффективность anti-pd-1 иммунотерапии, разноречивы. Первое исследование, проведенное в 2017 году, показало, что есть некие таксоны, которые чаще встречаются у пациентов, которые отвечают на эту противоопухолевую терапию, тогда как последующие исследования не подтвердили эти находки.


Тем не менее существуют некоторые закономерности, которые связываются с тем, что пациенты, отвечающие на иммунотерапию, имеют большее разнообразие микробиома кишечника. Есть данные о том, что прием антибиотиков снижает эффективность иммунотерапии. У «ответчиков» и «не ответчиков» в микробиоме преобладают различные виды бактерий.


Если микробиота так сильно влияет на эффективность лекарственной терапии то, что с этим можно делать? Пытаться моделировать микробиоту.


Терапевтический потенциал микробиоты


До недавнего времени существовало большое разнообразие подходов к моделированию микробиоты – это пробиотики, пребиотики, сембиотики, метабиотики. Но с 2013 года появился такой термин, как трансплантация фекальной микробиоты (Fecal Microbiota Transplantation - FMT). Когда показали, что трансплантация «здоровой» микробиоты донора способна вылечить пациентов с кластеридийной инфекцией.


Сейчас фекальную трансплантацию используют во многих центрах в том числе и в ФГБУ ФНКЦ ФХМ ФМБА для терапии пациентов с воспалительными заболеваниями кишечника.


Наибольший клинический опыт применения FMT получен при лечении инфекции, вызываемой Clostridium diffieile и при воспалительных заболеваниях кишечника (болезнь Крона, язвенный колит).


Спектр показаний к применению FMT:

  • Синдром нарушенного кишечного всасывания
  • Синдром раздраженного кишечника
  • Целиакия (тяжелая форма)
  • Метаболический синдром, в том числе сахарный диабет 2 типа
  • Атопический дерматит с поражением слизистой оболочки толстой кишки
  • Гепатиты различной этиологии
  • Панкреатиты различной этиологии


По данным метагеномных исследований видно, что донорские бактерии приживаются, однако приживается определенный пул донорских бактерий, то есть не вся микробиота, которую подсаживают, а определенные таксоны. Есть публикации о том, что действительно трансплантация фекальной микробиоты применима для снижения негативных последствий от химеотерапии, но пока эти работы выполнены на модельных животных.


Накопленные на данный момент знания о микробиоте представляют собой перспективный базис для дальнейшего развития средств лекарственной терапии и персонализированной терапии.

Обсуждение статьи и ответы экспертов.

Оставьте свой комментарий.