Микробиота кишечника – популяция микробов, которые живут в нашем кишечнике – может использоваться для прогнозирования возникновения колоректального рака, второго наиболее распространенного типа рака у женщин и третьего у мужчин.

Исследования, проведенные международной группой ученых, включая бразильцев, обнаружили связь между колоректальным раком и изменениями структуры микробиоты кишечника, которые не зависят от привычек питания исследуемых групп населения. Открытие открывает путь к разработке неинвазивных тестов, способных прогнозировать возникновение заболевания.

Исследование опубликовано в понедельник, 1 апреля, в журнале Nature Medicine. Его первый автор – Эндрю Мальтез Томас, доктор философии по биоинформатике в Университете Сан-Паулу (Бразилия). Томас был поддержан Исследовательским фондом Сан-Паулу – FAPESP через стипендию для исследовательской практики в Университете Тренто в Италии.

В одном из крупнейших и самых разнообразных опросов, когда-либо проводившихся по этой теме, исследователи объединили метагеномику, биоинформатику и машинное обучение (с использованием искусственного интеллекта), чтобы сопоставить возникновение колоректального рака с данными кишечной микробиоты для 969 человек в Канада, Китай, Франция, Германия, Япония и США.

Полученные данные позволили выявить группы микроорганизмов, связанных с колоректальным раком, во всех изученных популяциях, а также признаки микробного метаболизма (структуры метаболитов, продуцируемых микроорганизмами), которые можно использовать для прогнозирования возникновения заболевания. Исследование имело два других важных результата. Одним из них является обнаружение в кишечнике пациентов с колоректальным раком определенного вида бактерий, который обычно находится во рту и дыхательных путях. Другой является корреляция между колоректальным раком и наличием гена для микробного фермента, который расщепляет холин, важнейшее питательное вещество группы витамина В.

Исследование показало более высокий уровень бактериальных видов Fusobacterium nucleatum у пациентов с колоректальным раком, чем у здоровых людей. Эта бактерия обычно обитает в областях рта, и считается, что кислотность других частей желудочно-кишечного тракта является фатальной для нее.

«Большее количество бактерий полости рта, как правило, перемещается в кишечник у пациентов с колоректальным раком. Эта миграция может вызывать воспаление в кишечнике, вызывая опухоль», – сказал Томас. «Однако мы не знаем фактическую причину миграции, только то, что существует связь между присутствием этих бактерий в кишечнике и колоректальным раком и что эта связь заслуживает дальнейшего изучения».

Другое открытие, значительное присутствие гена для микробного фермента холинтриметиламин-лиазы (cutC) в образцах фекалий от пациентов с колоректальным раком, усиливает возможность канцерогенной связи между микробиотой кишечника и жировой диетой, на что указывало предыдущее исследование. «Когда фермент расщепляет холин, который широко распространен в рационах, содержащих большое количество красного мяса и других жирных продуктов, он выделяет ацетальдегид, известный канцероген», – сказал Томас.

В исследовании ученые использовали данные о составе и численности всех бактерий, обнаруженных в 969 образцах фекалий. Чтобы разработать простой метод анализа, который может широко использоваться в клиниках и больницах, они отобрали статистически значимые бактерии.

«Наши результаты по 16 видам бактерий были сопоставимы с результатами анализа с использованием всех видов. Это важный шаг в разработке простого диагностического инструмента, который обходится без необходимости упорядочения всей микробиоты, но при этом обладает необходимой точностью, "Томас сказал.

Ассоциация не является причинно-следственной связью

Исследования в области связи между микробиотой кишечника и здоровьем человека за последние десять лет расширились, но новое исследование вводит новшества, рассматривая бактерии как маркеры развития заболевания.

«Маркеры обычно ищут непосредственно в связи с опухолевыми клетками. Мы используем другую концепцию. Наш анализ основан на изменениях в относительно небольшом наборе бактерий в спектре сотен бактерий, которые живут в кишечнике и могут указывать на наличие болезни ", – сказал Эммануэль Диас-Нето, научный сотрудник Международного исследовательского центра ACCmargo Cancer Center (CIPE) и соавтор статьи.

Секвенирование ДНК, полученной из кишечной микробиоты, позволило исследователям идентифицировать бактерии, присутствующие в каждом образце кала, измерить количество каждой бактерии и идентифицировать варианты в их геномах, которые могут быть связаны с различными исходами, такими как повышенный уровень риск развития колоректального рака.

Однако следует подчеркнуть, что исследование не показало, что изменения в микробиоте кишечника вызывают колоректальный рак.

«Мы обнаружили ассоциацию, но это не обязательно подразумевает причинно-следственную связь. Вопрос в том, могут ли конкретные бактерии вызывать рак или рак создает другую среду в колоректальном протоке и, таким образом, предпочитает одни бактерии другим. У меня пока нет ответа, который будет иметь основополагающее значение для результатов исследования, описанного в статье, чтобы помочь разработать методы лечения для лечения колоректального рака », – сказал Жоао Карлос Сетубал, полный профессор кафедры биохимии Университета Сан-Паулу, координатор того же Университетская межвузовская аспирантура по биоинформатике, а также соавтор статьи. Сетубал и Диас-Нето курировали докторскую диссертацию Томаса.

Вычислительный анализ

По мнению исследователей, это может быть крупнейшее в истории исследование колоректального рака, основанное на данных из фекальных образцов и таких разнообразных популяций. Группа проанализировала данные пяти общественных исследований и двух других исследований, проведенных исследователями из Университета Тренто.

С помощью этих семи исследований они смогли идентифицировать ферменты и бактерии и выяснить, как кишечная микробиота может предсказать развитие колоректального рака. Они использовали данные двух других исследований с 200 образцами для подтверждения своих результатов.

«Секвенирование ДНК образцов, которое требовало различения ДНК микробиоты и ДНК человека, было средством идентификации и количественной оценки видов микроорганизмов и их генов, присутствующих в образцах», – сказал Томас. «Мы извлекли ДНК из образцов фекалий и упорядочили ее. Затем мы использовали вычислительные методы для анализа данных. В результате мы смогли идентифицировать и количественно определить виды и численность генов».

Поскольку данные поступили из разных исследований, исследователи использовали сложные статистические методы для анализа их в виде ансамбля.

«Мы использовали метааналитические статистические методы и методы машинного обучения, чтобы выяснить, насколько прогнозирующими были результаты», – сказал Томас.

Результаты были подтверждены Николой Сегатой, вычислительным биологом из Университета Тренто и научным руководителем за рубежом, и подкреплены другим исследованием, проведенным в Европейской лаборатории молекулярной биологии (EMBL) в Германии, по поводу связи между кишечным микробиомом и рак. Статья об исследовании EMBL опубликована в том же номере журнала Nature Medicine.

«При подготовке статей мы обменивались данными и информацией с другой группой в партнерстве, которое оказалось крайне важным для подкрепления наших выводов. Хотя мы использовали методы машинного обучения и различные статистические методы, мы пришли к тому же выводу, что интуиция "Микробиом может предсказать наличие колоректального рака в разных популяциях и исследованиях", – сказал Томас.