Новая математическая модель взаимодействия бактерий в кишечнике может помочь в разработке новых пробиотиков и специально разработанных диет для предотвращения заболеваний. Исследование, проведенное Технологическим университетом Чалмерса в Швеции, недавно было опубликовано в журнале PNAS.
«Кишечные бактерии играют важную роль в поддержании здоровья и развитии заболеваний, и наша новая математическая модель может оказаться чрезвычайно полезной в этих областях», - говорит Йенс Нильсен, профессор системной биологии в Чалмерсе, возглавлявший исследование. исследования.
В новой статье описывается, как математическая модель работала при прогнозировании двух более ранних клинических исследований, в одном из которых участвовали младенцы в Швеции, а в другом - взрослые с ожирением в Финляндии.
Исследования включали регулярные измерения показателей здоровья, которые исследователи сравнивали с прогнозами, сделанными на основе их математической модели. Шведские дети повлияли на бактериальный состав кишечника.
Они также измерили, как кишечные бактерии взрослых с ожирением изменились после перехода на более ограниченную диету. Опять же, предсказания модели оказались надежно точными.
Это очень обнадеживающие результаты, которые могут позволить компьютерное проектирование очень сложной системы. Таким образом, наша модель может быть использована для создания персонализированных здоровых диет с возможностью прогнозирования того, как добавление определенных бактерий в качестве новых пробиотиков может повлиять на здоровье пациента», - говорит Йенс Нильсен.
Влияет множество факторов
Есть много разных факторов, влияющих на рост и функционирование различных бактерий в кишечной системе. Например, какие другие бактерии уже присутствуют и как они взаимодействуют друг с другом, а также как они взаимодействуют с хозяином, то есть с нами. На бактерии также влияют факторы окружающей среды, такие как диета, которую мы едим.
Все эти переменные позволяют предсказать эффект, который будет иметь добавление бактерий или изменение диеты. Сначала нужно понять, как эти бактерии могут действовать, когда они попадают в кишечник, или как изменение диеты повлияет на состав кишечника. Смогут ли они там расти или нет? Как они будут взаимодействовать и, возможно, влиять на бактерии, которые уже присутствуют в кишечнике? Как разные диеты влияют на микробиом кишечника?
Разработанная нами модель уникальна, поскольку учитывает все эти переменные. Он объединяет данные об отдельных бактериях, а также о том, как они взаимодействуют. Он также включает в свои расчеты данные о том, как пища проходит через желудочно-кишечный тракт и влияет на бактерии по пути. Последнее можно измерить, исследуя образцы крови и анализируя метаболиты - конечные продукты, образующиеся при расщеплении бактериями различных видов пищи», - говорит Йенс Нильсен.
Данные для построения модели были собраны в ходе многолетних ранее существовавших клинических исследований. По мере того, как в будущем будет получено больше данных, модель может быть дополнена новыми функциями, такими как описание гормональной реакции на прием пищи.
Потенциально огромный актив для будущего здравоохранения
Исследования диеты и микробиома человека или состава кишечных бактерий - это область исследований, которая вызывает большой интерес как у исследователей, так и у широкой общественности. Йенс Нильсен объясняет, почему:
"Изменения в бактериальном составе могут быть связаны или означать большое количество заболеваний, таких как ожирение, диабет или сердечно-сосудистые заболевания. Это также может повлиять на то, как организм реагирует на определенные виды лечения рака или специально разработанные диеты."
Работа с бактериальной композицией позволяет влиять на течение заболеваний и общее состояние здоровья. Этого можно добиться путем лечения пробиотиками - тщательно отобранными бактериями, которые, как считается, способствуют улучшению здоровья.
В будущей работе Йенс Нильсен и его исследовательская группа будут использовать модель непосредственно в клинических исследованиях. Они уже участвуют в исследовании совместно с Университетской больницей Сальгренска в Швеции, где пожилых женщин лечат от остеопороза бактериями Lactobacillus reuteri. Было замечено, что некоторые пациенты лучше реагируют на лечение, чем другие, и новую модель можно использовать как часть анализа, чтобы понять, почему это так.
Лечение рака антителами - еще одна область, в которой модель может быть использована для анализа микробиома, помогая понять его роль в том, почему одни пациенты хорошо реагируют на иммунотерапию, а другие хуже.
«Было бы невероятным преимуществом, если бы наша модель могла начать идентифицировать бактерии, которые могли бы улучшить лечение больных раком. Мы считаем, что это действительно может иметь большое значение здесь», - говорит Йенс Нильсен.