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Nueva herramienta para descifrar el microbioma intestinal

Los millones de bacterias que residen en el intestino juegan un papel muy importante en la salud y en la enfermedad. Sin embargo, un problema constante ha sido la falta de comprensión de la composición real del microbioma intestinal humano sano.

Ahora, un grupo de científicos ha ideado un nuevo método para un análisis rápido y a gran escala de cada tipo de bacteria en el intestino, así como una lista de especies que se encuentran en el intestino humano sano por tipo y número (GutFeelingKB), y una nueva plantilla de informes llamada Informe de población de bioma fecal (FecalBiome) que facilitará la comprensión exacta de lo que está sucediendo en el intestino.

Estructura cristalina de la beta-galactosidasa putativa de Bacteroides fragilis. Crédito de la imagen:Institutos Nacionales de Salud

Microorganismos, o microbios, han existido durante mucho tiempo, y dar forma tanto al entorno externo como interno de los seres humanos. La palabra "microbioma" fue acuñada por Joshua Lederberg en 2001, como una forma de centrar la atención de los científicos en las múltiples interacciones entre los microbios que habitan en nuestros cuerpos y dentro de ellos, y su interacción con nuestra fisiología humana. El término se ha definido ahora como “una comunidad de microorganismos de múltiples especies en cualquier entorno:hospedante, habitat, o ecosistema ". Lejos de ser simples invasores empeñados en nuestra destrucción, el microbioma humano comprende todo un mundo vivo en sí mismo, trayendo un conjunto completo y muy diverso de genes que interactúan y cambian, y también tienen un impacto en la salud humana. Esta mezcla genética microbiana se llama metagenoma. El Proyecto del Microbioma Humano (HMP) despegó en 2008 y ha ayudado a catalizar una mayor caracterización y comprensión de cómo funcionan estas comunidades.

La investigación del microbioma intestinal requiere una recopilación y análisis de datos precisos de alto rendimiento, así como instalaciones para integrar los datos procesados ​​de manera organizada para su almacenamiento, compartir y acceder entre grupos de investigación. La mayoría de los estudios anteriores se centraron en genes o grupos de organismos específicos, dejando fuera grandes segmentos de los genomas microbianos. También, diferentes estándares de referencia han dado lugar a una variedad de afirmaciones sobre la composición intestinal.

Bacterias Bacteroides fragilis, uno de los componentes principales del microbioma normal del intestino humano, Crédito de la ilustración 3D:Kateryna Kon / Shutterstock

De hecho, la mayoría de los estudios sobre el metagenoma utilizan sólo un pequeño conjunto de referencia de secuencias de ácido nucleico de microbios o genes microbianos ya seleccionados. Esto se debe a la dificultad de emparejar los datos experimentales con la base de datos completa de nucleótidos disponible con el NCBI (NCBI-nt). Sin embargo, Los nuevos algoritmos ahora pueden hacer uso de este último para permitir un análisis más preciso de los datos experimentales para producir un perfil de abundancia microbiana.

El presente trabajo se basa en esta base para formar una base de conocimientos sobre el sentimiento intestinal, GutFeelingKB, con muestras de un grupo saludable de participantes. Estas muestras de microbiota intestinal se secuenciaron para tener una idea de cómo se ve un metagenoma intestinal saludable. El número de muestra se completó utilizando 50 secuencias más seleccionadas al azar del HMP.

Los investigadores también recolectaron secuencias contiguas ensambladas, o contigs, que no corresponden a ninguna secuencia NCBI-nt pero que pueden detectarse en muestras fecales sanas. Los contigs son, pues, materia oscura, no reconocible por ninguna secuencia de ácido nucleico conocida, pero que se puede construir en secuencias de 10, 000 nucleótidos o más. Esta longitud se eligió para reducir el número de contigs de materia oscura extraños (artefactos) sin dejar de incluir materia oscura microbiana. El GutFeelingKB es, por tanto, una base de conocimientos exhaustiva sobre el microbioma intestinal sano del ser humano.

Esto luego se usó como referencia para construir una plantilla de informes estándar donde se pueden informar los microbiomas individuales, para permitir la comparación directa de resultados entre estudios y muestras.

Los científicos también diseñaron un nuevo flujo de trabajo utilizando varios programas informáticos y una base de datos de secuencias microbianas intestinales filtrada llamada Filtered-nt. que contiene casi 35, 000, 000 secuencias que permiten la interpretación biológicamente relevante de secuencias de muestras, al tiempo que ofrece la seguridad de que se ha incluido todo el espacio de secuencia conocido.

  • El algoritmo CensuScope primero identifica los organismos para proporcionar un perfil microbiano de la muestra. Si alguno de los organismos identificados aún no está en GutFeelingKB, se agrega.
  • En segundo lugar, HIVE-hexagon se utiliza para crear un mapa de lectura para todas las lecturas en cada muestra alineando lecturas cortas de forma rápida y precisa con secuencias conocidas. Esto da los perfiles de abundancia.
  • Finalmente, IDBA-UD se utiliza para ensamblar las lecturas. Si tienen 10000 nucleótidos de longitud o más, están incluidos en la materia oscura del metagenoma. Al agregar esto al análisis anterior, se obtiene la suma de los organismos conocidos y desconocidos en el microbioma.
  • MaAsLin también se utilizó para asociar factores dietéticos con el perfil de abundancia bacteriana, teniendo en cuenta las variaciones en la dieta de cada individuo de un día a otro, así como entre diferentes individuos.

Por lo tanto, GutFeelingKB representa una colección cuidadosamente seleccionada de secuencias de nucleótidos con metadatos de 157 organismos en 60 géneros.

Por tanto, el microbioma humano sano contiene miembros de 8 filos, 18 familias, 60 géneros y 109 especies, principalmente de los filos Firmicutes (40%) y Bacteroidetes (20%). Otro 20% proviene de Actinobacteria. Entre Firmicutes, más de la mitad son clostridios, seguido de cerca por Bacteroides, Bifidobacterias, Enterobacterias y Lactobacilli.

Todas las muestras fueron positivas para 84 de los 109 organismos, que quizás representa la lista de especies principales.

Sin embargo, es importante tener en cuenta que en todo el mundo, Se han mapeado organismos específicos que no están en el GutFeelingKB, como Fusobacteria, ciertas especies de Actinobacter y Bacteroides. La función de esta plataforma será la de actuar como plataforma de lanzamiento para comparar los resultados del análisis de muestras de individuos sanos, y brindar más información sobre las variaciones observadas bajo la influencia de factores dietéticos, enfermedades y medicamentos.

Organismos en el intestino

Bacteroides es el género más abundante en muchos países, en salud. Estos son generalmente beneficiosos dentro del intestino, pero si escapan, aprovechan la oportunidad de causar infecciones que a menudo son resistentes a los medicamentos y pueden conducir a una tasa de mortalidad del 20%. Sin embargo, en el intestino protegen contra otros patógenos y ayudan a descomponer los carbohidratos en la dieta.

Similar, Las bifidobacterias se encuentran entre los primeros pobladores del intestino, se encuentran a menudo en los probióticos, y producen el importante acetato de ácidos grasos de cadena corta (AGCC) que refuerza la barrera epitelial intestinal contra la infección. Una cepa de Bifidobacterium longum se ha encontrado en un individuo de un grupo de personas particularmente longevo en China.

Dieta y nutrientes:¿cómo se relacionan con las bacterias intestinales?

El número de bifidobacterias aumenta con una mayor ingesta de proteínas, y especialmente con proteína vegetal. La fibra dietética soluble también promueve su crecimiento. Akkermansia está relacionada con grasas saturadas y ácido linoleico, pero asociado negativamente con ácidos grasos poliinsaturados (PUFA). Bacteroides ovatus crece en número con una mayor ingesta de alimentos, obesidad y circunferencia de la cintura. Estos ejemplos nos ayudan a comprender cómo se pueden usar estos números para tomar medidas de salud para corregir los desequilibrios del microbioma en el futuro.

Plantilla FecalBiome

La plantilla de informes publicada en el estudio actual está destinada a reemplazar los formatos no estandarizados utilizados por diferentes grupos comerciales y de investigación. lo que dificulta su interpretación y comparación. Convierte los datos de la investigación en un informe clínico, ayudando a que sea inmediatamente procesable.

FecalBiome tiene tres dominios, Muestra, Paciente y resultado, parecido a un informe del panel metabólico. También permite a los colaboradores compartir mucha información rápidamente, cuando la investigación se realiza en una amplia gama de ubicaciones. El umbral para la presentación de informes se puede establecer individualmente según el propósito del estudio. Informa la abundancia, la abundancia media y la información sobre los microbios presentes.

Resumen

Por lo tanto, el presente informe permite conectar la investigación sobre bacterias intestinales con información de salud comprensible, haciéndolo relevante para la práctica médica y el paciente. También permite una comparación sencilla entre estudios. Ayudará a que los productos de reemplazo intestinal se revisen más rápidamente, y ayudar al progreso de la medicina basada en la evidencia.

El estudio fue publicado el 11 de septiembre de 2019, en MÁS UNO .