شناسایی یک میکروبیوم اصلی انسان

در اخیر مواد مغذی مطالعه مجله، محققان یک بررسی انتقادی از مفهوم “میکروبیوم اصلی انسان” ارائه می کنند. در اینجا، محققان در مورد مسائل فنی، تحلیلی و مفهومی که باید برای دستیابی به درک جامعی از میکروبیوم اصلی انسان حل شوند، بحث می کنند.

مطالعه: میکروبیوم اصلی انسان: آیا وجود دارد و چگونه می توانیم آن را پیدا کنیم؟ بررسی انتقادی مفهوم. اعتبار تصویر: Juliasuena / Shutterstock.com

زمینه

میکروبیوم اصلی به دلیل دخالت حیاتی میکروبیوم در جذب مواد مغذی، دفاع ایمنی و متابولیسم روده از اهمیت علمی قابل توجهی برخوردار است. به غیر از بیماری هایی مانند بیماری التهابی روده (IBD) که مستقیماً با تغییر ترکیب میکروبیوم روده مرتبط است، چندین بیماری پزشکی دیگر مانند افسردگی و اوتیسم نیز به دلیل فعل و انفعالات تغییر یافته بین میکروبیوم روده و مغز فرض شده است.

در طول چند دهه گذشته، میکروبیوم انسان کانون تحقیقات قابل توجهی در سراسر جهان بوده است. چندین ابتکار بزرگ ملی و بین المللی، از جمله پروژه میکروبیوم انسانی (HMP) و MetaHIT، به عنوان مثال، برای درک بهتر پیچیدگی میکروبیوم انجام شده است.

چه چیزی باعث تفاوت در میکروبیوم اصلی می شود؟

در مناطق جغرافیایی و جمعیت های مختلف، میکروبیوم اصلی انسان بسیار متفاوت است. این تفاوت ها را می توان به شرایط مختلف محیطی و فردی مانند رژیم غذایی، ژنتیک میزبان و عوامل مختلف دیگر نسبت داد.

تفاوت‌های اضافی در میکروبیوم اصلی را می‌توان در یک فرد شناسایی کرد، زیرا میکروبیوم روده در مقایسه با میکروبیوم‌های واژن و دهان ترکیبی متمایز دارد.

علاوه بر این، بخش‌های مختلف روده ممکن است دارای ریزمحیط‌های متفاوتی باشند که از یک میکروبیوم اصلی مجزا پشتیبانی می‌کنند. برای مثال، میکروارگانیسم‌های مرتبط با مخاط تأثیرات عمیق‌تری بر شاخص‌های ایمنی و سلامتی نسبت به میکروب‌های مجرا و مدفوع دارند.

در مقایسه با موش‌ها، گوریل‌ها و جوجه‌ها، میکروبیوم هسته انسان دارای فراوانی گونه‌های خاص است. علاوه بر این، در مقایسه با جوندگان و پرندگان، میکروبیوم‌های انسانی شبیه‌ترین میکروبیوم‌های گوریل‌ها هستند.

همچنین بین جمعیت های غربی و غیرغربی تفاوت های متمایزی وجود دارد. در واقع، مطالعات نشان داده اند که چندین گونه میکروبی که به وفور در یک جمعیت انسانی وجود دارد ممکن است در سایر گروه های انسانی در همه جا وجود نداشته باشد. با این حال، Faecalibacterium prausnitzii اغلب در بیش از 90 درصد از نمونه ها در شش گروه انسانی شناسایی شده است.

رویکردهایی برای درک میکروبیوم اصلی

بدن انسان انواع مختلفی از میکروارگانیسم‌ها از جمله عوامل بیماری‌زا و مرکب را در خود جای داده است. اصطلاح “میکروبیوم هسته انسانی” اجزای میکروبیومی را توصیف می کند که در طول زمان و در بین افراد نسبتاً ثابت می مانند.

اساساً چهار رویکرد مختلف برای تعیین میکروبیوم اصلی انسان وجود دارد که دو روش رایج آن شامل ترکیب جامعه و رویکردهای نمایه عملکردی است. رویکرد ترکیب جامعه، میکروبیوم اصلی را از نظر گونه‌های رایج توصیف می‌کند، در حالی که شرح مشخصات عملکردی بر اساس گروهی از توابع مشترک است.

روش اکولوژی، میکروبیوم اصلی را بر اساس فراوانی تاکسون، تعاملات، همزمانی و سایر الگوهای سطح جامعه تعریف می‌کند. رویکرد ثبات ویژگی هایی را در نظر می گیرد که از ثبات و تاب آوری جامعه حمایت می کند.

پروفایل جامعه نه گروه: فاز HMP 1 (n = 138)، 2 (n = 91)، و 3 (n = 42). افراد سالم از دانمارک (n = 64)؛ افراد مبتلا به IBD از اسپانیا (تعداد = 16)؛ شکارچیان و کشاورزان سنتی (تعداد = 19)؛ گوریل (n = 15)؛ موش (n = 141)؛ و جوجه (121=n). (الف) بخشی از نمونه‌هایی که حاوی هر گونه است برای گونه‌های شناسایی شده در حداقل 70 درصد نمونه‌ها در حداقل یک گروه (مجموعاً 107 گونه). برای لیست کامل همه گونه های شناسایی شده در همه گروه ها به جدول تکمیلی S3 مراجعه کنید. (ب) دو جزء اول تجزیه و تحلیل MDS مبتنی بر UniFrac بدون وزن با در نظر گرفتن همه نمونه ها. ج) تعداد گونه های شناسایی شده در حداقل 90 درصد نمونه های هر گروه. تنها یک گونه (F. prausnitzii) در 90٪ یا بیشتر از نمونه ها در تمام مجموعه داده های غربی انسان سالم (4 نفر) و همه انسان ها (6 نفر) شناسایی شد. (د) تعداد مسیرهای شناسایی شده در بیش از 90٪ نمونه ها در تمام مجموعه داده های انسان سالم غربی (n = 4). همه مجموعه داده های انسانی (n = 6)؛ مجموعه داده های انسان و گوریل (n = 7)؛ مجموعه داده های انسان، گوریل و موش (n = 8)؛ و تمام مجموعه داده ها، از جمله جوجه ها (n = 9).

امیدهای میکروبیوم هسته

در حال حاضر، بیشتر تحقیقات در مورد میکروبیوم بنیادی انسان به فناوری‌های مبتنی بر توالی‌یابی نسل بعدی (NGS) متکی است که وقتی با روش‌های بیوانفورماتیک مناسب همراه شود، حجم عظیمی از داده‌ها را ایجاد می‌کند. در همین حال، تفکیک تاکسونومیکی و عملکردی در سطح گونه‌ها تنها با متاژنومیکس قابل دستیابی است، بنابراین آن را در مقایسه با بررسی‌های آمپلیکونی به روش ارجح تبدیل می‌کند.

بخش قابل‌توجهی از داده‌های موجود با بررسی‌های جامعه مبتنی بر آمپلیکون جمع‌آوری شده است، که به دنبال منطقه‌ای حفاظت‌شده از ژنوم جمعیت هدف با استفاده از روش واکنش زنجیره‌ای پلیمراز (PCR) و آغازگرهای خاص است.

در سال‌های اخیر، تحقیقات میکروبیوم تمرکز خود را به بررسی‌های جامعه مبتنی بر آمپلیکون و متاژنومیکس معطوف کرده است، که مورد آخر روشی برای مطالعه جوامع میکروبی بدون کشت است. متاژنومیکس بر توالی یابی «تفنگ ساچمه ای» بالقوه همه ژنوم های میکروبی موجود در یک نمونه متکی است.

آرشیو نوکلئوتید اروپا (ENA) دارای بیش از 610000 نمونه از میکروبیوم انسان است که 85 درصد آنها آمپلیکون های اسید ریبونوکلئیک ریبوزومی 16S (rRNA) هستند. قابل ذکر است، در بررسی‌های میکروبیوم، مکان‌های مختلف ژن 16S rRNA معمولاً برای شناسایی پروکاریوت‌ها استفاده می‌شود. در ارتباط با نمونه‌های اضافی که از طریق پلتفرم‌های دیگر قابل دسترسی هستند، نمونه‌های ENA مقدار کافی داده را برای ارزیابی میکروبیوم اصلی انسان فراهم می‌کنند.

چالش های تکنولوژیکی

رویکردهای آینده حل و فصل نمونه‌های ناکافی از جمعیت‌های غیرغربی و همچنین فقدان پایگاه‌های اطلاعاتی مرجع کامل و داده‌های فراوانی یوکاریوت‌ها، ویروس‌های یوکاریوتی و فاژها را تضمین می‌کند. سایر موانع تکنولوژیکی مانند نمونه برداری مستقیم از بخش های مختلف روده نیز باید در آینده ساده شوند.

بنابراین، ظرفیت ارزیابی دقیق میکروبیوم اصلی نواحی مجزا در دستگاه گوارش به دلیل کمبود مداوم داده‌های بسیار موضعی، احتمالاً برای آینده قابل پیش‌بینی به تعویق خواهد افتاد.

از نظر متابولومیک، تشدید مغناطیسی هسته ای پروتون (1H NMR)، یکی از روش های تحلیلی اولیه مورد استفاده در این تحقیقات، حساسیت پایینی دارد و ممکن است متابولیت های کم فراوانی را تشخیص ندهد.

علاوه بر NMR، هر دو تکنیک کروماتوگرافی با کارایی بالا گاز و مایع همراه با طیف‌سنجی جرمی چهار قطبی-TOF (زمان پرواز) با موفقیت برای توصیف تعداد زیادی متابولیت از نمونه‌های میکروبی استفاده شده‌اند. در مقابل، تشخیص مبتنی بر TOF نیاز به پیش تیمار نمونه دقیق و تکنیک‌های شکنش کروماتوگرافی قبل از ایجاد وضوح مناسب در متابولومیک مبتنی بر اکتشاف دارد.

برای غلبه بر این محدودیت‌ها، ابزارهای تحلیلی جرم دقیق با وضوح بالا (HRAM) برای مطالعه متابولومیک جامعه میکروبی پیچیده استفاده شده‌اند. کشف غیر هدفمند متابولیت‌های احتمالی جدید توسط کروماتوگرافی مایع با عملکرد فوق‌العاده بالا (UHPLC) همراه با طیف‌سنج جرمی چهارقطبی-اوربیتراپ ممکن شده است.

یک پلتفرم پیشرفته که در پروتئومیکس و متابولومیک مبتنی بر اکتشاف استفاده می‌شود، به‌عنوان تحلیل‌گر جرم مداری، ابزارهای ضروری را برای مقابله با نواحی خاکستری در متابولومیک میکروبیوم میزبان فراهم می‌کند، علی‌رغم اینکه ابزاری گران‌قیمت است که به توانایی‌های تحلیل داده‌های پیچیده نیاز دارد.

یادگیری ماشین و محاسبات ابری

در زمینه میکروبیوم هسته، تصویر کامل گریزان باقی می ماند زیرا فقدان روشی با توان عملیاتی بالا که قادر به ارائه اطلاعات ضروری باشد، وجود ندارد. روش‌های محاسباتی و آماری برای ادغام لایه‌های داده و کشف الگوهای پیچیده با جمع‌آوری داده‌های غیر ژنومی بیشتر و بیشتر مورد نیاز است.

برای روشن کردن چنین الگوهایی، یادگیری ماشین و محاسبات ابری حوزه‌های پژوهشی امیدوارکننده‌ای هستند. رایانش ابری و سایر فناوری‌های محاسباتی با توان عملیاتی بالا، بررسی مقادیر زیادی از داده‌ها، احتمالاً شامل تمام داده‌های نگهداری شده در پایگاه‌های داده عمومی را ممکن می‌سازد.

نتیجه گیری

از آنجایی که ارزیابی‌های ژن 16S rRNA همچنان نقش مهمی در این زمینه ایفا می‌کند، محققان می‌توانند با استفاده از متاژنومیکس و با کمک بیوانفورماتیک و داده‌های بهبودیافته، ارزیابی‌های دقیق‌تری از میکروبیوم هسته انسان انجام دهند.

در مجموع، متخصصان تغذیه، ایمونولوژی، ژنتیک انسانی، میکروبیوم، بیوانفورماتیک و یادگیری ماشینی می‌توانند برای توسعه مطالعات جامع برای آشکار کردن الگوها و فرآیندهایی که به میکروبیوم اصلی انسان کمک می‌کنند، همکاری کنند.