Для исследователей Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Эрика Джонса, Зипенга Ванга и Джошуа Мюллера микробиом кишечника – замечательная машина, полная взаимодействий и соревнований, которые напрямую влияют на наше здоровье. Они говорят, что настройка этой машины в благоприятном направлении может улучшить нашу сопротивляемость болезням.
"Могут ли медицинские методы лечения улучшить здоровье хозяина за счет изменения состава микробиома?
Мы до сих пор точно не знаем, так что это огромная область исследований ", – сказал Джонс. "Этот вопрос – отличный мотиватор."
В повседневной жизни многие из нас надеются улучшить микробиом кишечника, принимая пробиотики и употребляя ферментированные продукты. В клинических ситуациях было показано, что трансплантаты фекалий успешно лечат рецидивирующие инфекции кишечных бактерий Clostridium difficile, которые часто рецидивируют после того, как антибиотики, используемые для лечения инфекций, также уничтожают «полезные» кишечные бактерии.
Но за исключением масштабных и героических мер по добавлению популяций полезных бактерий в желудочно-кишечный тракт, мало что известно о том, как незаметно указать системе в правильном направлении.
«Речь идет не только о том, чтобы просто посеять нужные микробы», – сказал Джонс. «Вы должны понимать среду, в которой находятся микробы, и понимать, что способствует стабильному составу микробиома кишечника."
Чтобы решить эту проблему, исследователи под руководством профессора физики Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Джина Карлсона предлагают методику управления математической моделью кишечного микробиома в направлении целевого состава микробиома путем манипулирования определенными параметрами модели.
Этот подход, получивший название SPARC (изменение параметров под контролем SSR), снижает сложность системы, не жертвуя ею. И, согласно исследованию, опубликованному в журнале Physical Review E, оно также «предлагает систематическое понимание того, как можно манипулировать факторами окружающей среды и взаимодействиями между видами для контроля экологических результатов."
Старое уравнение, новое использование
«По сути, цель состоит в том, чтобы найти изменение параметра, которое соответствует изменению среды микробиома», – сказал ведущий автор Зипенг Ван.
Это помогает представить микробиом кишечника как шар, расположенный на вершине холма, готовый катиться вниз в том или ином направлении. В этой идеализации среда кишечника определяет форму холма.
Здоровый состав микробиома находится у подножия одной стороны холма, а композиция, связанная с болезнью, – на другой. В то время как фекальные трансплантаты напрямую подталкивают мяч к здоровой стороне холма, SPARC, по словам исследователей, контролирует форму холма, эффективно скатывая мяч с одной или другой стороны.
Чтобы описать эту экосистему кишечника (данные были собраны в экспериментах на мышах в Мемориальном центре Слоуна-Кеттеринга в Нью-Йорке), исследователи использовали обобщенные уравнения Лотки-Вольтерры (gLV). Известные также как уравнения хищник-жертва, уравнения gLV происходят из векового метода, используемого в традиционной экологии для описания взаимодействий между видами на Земле, таких как конкуренция и хищничество, а также эффектов косвенных взаимодействий.
«Но одна из трудностей заключается в том, что микробиом кишечника имеет все эти разные виды бактерий, – сказал Ван. – Таким образом, уравнения Лотки-Вольтерра становятся очень многомерными, а это означает, что существует множество параметров и множество параметров. различные способы взаимодействия бактерий друг с другом. Нам было бы очень сложно найти правильные параметры для достижения желаемого состава микробиома."
Чтобы избежать манипулирования огромным количеством различных параметров методом проб и ошибок, команда решила вместо этого исследовать сжатое, но надежное двухмерное представление экологической модели, созданной с помощью метода уменьшения размерности, называемого «уменьшение устойчивого состояния» (SSR). По словам исследователей, это позволило им уменьшить масштаб и определить ключевые параметры, которые определяют форму холма.
«Что нам нравится в нашей модели, так это то, что она дает нам систематическую стратегию для выявления этих низкоразмерных функций, которые действительно чувствительны, которые являются наиболее важными», – объяснил Джонс. «Я был очень удивлен и доволен тем, что мы смогли, например, найти один параметр и изменить его на 10% от его значения, и это изменило бы форму холма."
Что это за параметр?
Что ж, учитывая разнообразие кишечных микробиомов, диет, сопутствующих условий и влияний окружающей среды, не обязательно есть одно универсальное изменение параметра, например, кислотность или содержание клетчатки, которое подходит всем. Исследователи говорят, что метод SPARC помогает понять, как определить важные параметры на основе данных.
Кроме того, в настоящее время SPARC – это в первую очередь математическое упражнение, хотя исследователи стремятся опробовать его в экспериментальных условиях.
«Есть люди, работающие над тем, что они называют системами« кишечник на чипе », которые похожи на миниатюрные чашки Петри, которые воспроизводят некоторые из условий микробиома кишечника человека», – сказал Джошуа Мюллер. «Было бы очень интересно проверить SPARC в этих строго контролируемых экспериментальных условиях."
В более отдаленном будущем, сказал Джонс, этот метод также может помочь проложить путь к персонализированному управлению микробиомом, при котором считывание состояния наших микробиомов в режиме реального времени – скажем, из умного туалета – может подсказать нам, что нужно изменить наши диетические привычки, чтобы избежать болезней и улучшить общее самочувствие.
«Чтобы добраться до этой точки, нам нужны механистические модели микробиома», – сказал он. "Нам нужно понять, как это контролировать. Нам нужно понять, как обратная связь со средой влияет на микробную динамику."