ABSTRACT

O provocare cheie în microbiologie va fi dezvoltarea instrumentelor pentru manipularea comunităților bacteriene ale intestinului uman. Abilitatea noastră de a prezice și controla dinamica acestor comunități este acum la început. Pentru a gestiona microbiota intestinului uman, dezvolt metode în trei domenii de cercetare. În primul rând, rafin instrumentele in vitro pentru a studia experimental microbii intestinali cu un randament ridicat și în condiții controlate. În al doilea rând, adaptez tehnicile „big data” pentru a depăși provocările statistice cu care se confruntă modelarea microbiotei. În al treilea rând, testez concepte de studii care pot eficientiza testarea manipulării microbiotei la om. Asamblarea acestor metode creează noi provocări, inclusiv formarea oamenilor de știință care pot lucra în diferite discipline, cum ar fi ingineria, ecologia și medicina. Cu toate acestea, prevăd că depășirea acestor obstacole va permite grupului meu să construiască platforme care pot personaliza tratamentele cu microbiota, în special cele bazate pe dietă. Mai general, anticipez că astfel de platforme vor avea aplicații în domenii precum agricultura, biotehnologia și managementul mediului.

controlul

mSystems® vol. 3, nr. 2, este un număr special sponsorizat de Janssen Human Microbiome Institute (JHMI).

PERSPECTIVĂ

Comunitățile bacteriene intestinale joacă roluri excesive în sănătatea și bolile umane. Până în prezent, studiile transversale de cohortă umană au asociat microbii enterici specifici cu boli metabolice, imunologice și neurologice, iar studiile intervenționale pe animale au identificat rolurile cauzale ale bacteriilor intestinale individuale într-o varietate de boli. Activitatea continuă se concentrează pe stabilirea bacteriilor care cauzează boli la om. Un obiectiv de cercetare pe termen mai lung este de a preveni sau ameliora bolile prin schimbarea nivelurilor de bacterii implicate cauzal în sănătatea umană (1).

În prezent, abordările pentru manipularea microbiotei intestinului uman sunt imprecise. Antibioticele pot avea impact asupra unei game largi de microbi comensali și pot facilita, din greșeală, creșterea agenților patogeni oportunisti (2). Transplanturile fecale livrează o panoplie de bacterii destinatarilor (3), majoritatea cărora riscurile, beneficiile și persistența sunt încă incomplet înțelese. În prezent, mai mulți factori limitează progresul în proiectarea tehnicilor specifice de manipulare a microbiotei. Izolarea bacteriilor intestinale este plictisitoare, iar comunitățile microbiene intestinale sunt greu de probat in situ. Modelarea dinamicii microbiotei intestinale prezintă provocări statistice complexe, extrem de multivariabile. Traducerea descoperirilor microbiotei animale în cadrul clinicii necesită depășirea barierelor logistice asociate cu cercetarea studiilor la om. Depășirea acestor obstacole și a altor va fi necesară pentru dezvoltarea de modalități de remodelare a microbiotei intestinului uman într-un mod controlat.

Strategia mea de abordare a acestor provocări se bazează pe dezvoltarea metodelor. „Instrumentele noi creează științe noi”, a observat fizicianul Freeman Dyson (4). Mă concentrez pe instrumentele ale căror origini se află în afara cercetării microbiologice; o descoperire tehnică într-un domeniu duce adesea la progrese în altele. Într-adevăr, știința microbiomului uman în sine servește ca un studiu de caz în modul în care metodele împrumutate pot stimula revoluțiile științifice: studiile moderne asupra populațiilor intestinale microbiene diverse au explodat din progresele înregistrate în secvența ADN stimulată de Proiectul genomului uman. Acum dezvolt următoarele trei seturi de metode pentru a facilita controlul microbiotei intestinului uman.

Lucrez la perfecționarea metodelor in vitro pentru izolarea și cultivarea microbilor intestinali umani. Volumul acestor metode de cultură se întinde pe 10 ordine de mărime. La scară microscopică, studiez bacteriile folosind instrumente microfluidice dezvoltate de ingineri în ultimele 3 decenii. Microfluidica permite izolarea microbilor individuali în puțuri sau picături cu diametrul de doar zeci de microni. Tehnologia microfluidică oferă abilitatea de a detecta gene (5) și de a măsura trăsături de la milioane de celule individuale într-un singur experiment (6) - rezultat care depășește de o mie de ori tehnicile microbiologice tradiționale. La scară macroscopică, analizez interacțiunile la nivel de comunitate folosind aceleași bioreactoare cu flux continuu ca și cele găsite în domeniile fermentației industriale și epurării apelor uzate. Aceste modele intestinale artificiale îmi permit să ocolesc provocările întâmpinate în studiul microbiotei intestinale in vivo, care includ constrângeri care limitează capacitatea de eșantionare, precum și cele care limitează măsurarea și manipularea mediului microbian (7). Împreună, metodele mele in vitro mi-au permis, de asemenea, să investighez biologia microbiană intestinală independent de procesele gazdei, cum ar fi răspunsul imun sau ritmurile circadiene.

De asemenea, lucrez la crearea de instrumente in silico pentru modelarea microbiotei intestinului uman. Eforturile mele au beneficiat de metodele analitice „big data” care s-au maturizat în ultimii 20 de ani. Acum aplic tehnici de învățare automată și reducere a dimensiunii pentru a simplifica seturile de date de microbiote și pentru a prezice susceptibilitatea la infecție în cohorte umane. De asemenea, încorporez instrumente matematice din geoștiințe pentru a aborda obstacolele statistice ridicate de natura relativă a majorității seturilor de date de microbiote. Colegii și eu am combinat aceste metode cu modele filogenetice pentru a proiecta o transformare a datelor care păstrează integritatea metodelor statistice utilizate în mod obișnuit pe datele microbiotei (8, 9). În cele din urmă, dezvolt acum modele dinamice care își au rădăcinile în prognozele comerciale și sistemele de control ingineresc din anii 1960 (10). Prin adaptarea acestor modele la seturile de date privind microbiota, putem deduce efectele terapiei cu microbiota și putem prezice rezultatele noi ale tratamentului.

În cele din urmă, lucrez la eficientizarea abordărilor experimentale pentru învățarea și validarea efectelor terapiilor cu microbiote intestinale la oameni. Traducerea descoperirilor științifice de bază în cadrul clinicii poate fi împiedicată de costul, durata și complexitatea cercetării studiilor umane. În ultimii ani, eu și colegii mei am explorat modele alternative de studii umane care se bazează pe tehnici precum auto-urmărirea subiecților sănătoși, eșantionarea densă longitudinală și înregistrarea cu date de stil de viață pe dispozitivul iOS. Aceste abordări au fost inspirate în parte de metodele de cercetare a microbiotei umane care au fost publicate în Jurnalul Asociației Medicale Americane (acum JAMA) în urmă cu aproape un secol (11). Datele mele rezultate au arătat că este fezabil să identificăm schimbările de dietă care modelează microbiota intestinală la oameni, folosind cohorte de dimensiuni cuprinse între 2 și 10 voluntari și tratamente care au durat doar câteva zile (12, 13). Aceste descoperiri arată că grupurile de cercetare de dimensiuni chiar modeste pot efectua studii de cohortă umană intervenționale.

Desigur, strategia mea de a dezvolta instrumente în toate domeniile de cercetare prezintă provocări. Sinergia este una primară. În principiu, integrez metode în grupul meu de cercetare folosind proiecte combinate: modelele dinamice sunt aplicate seriilor de timp recoltate din intestinul nostru artificial; testele microfluidice sunt testate ca diagnostic în studiile la om. Dar, în practică, realizarea acestei integrări necesită ca membrii laboratorului meu să lucreze simultan la diferite discipline, cum ar fi ingineria, ecologia, medicina, microbiologia, nutriția, probabilitatea și statisticile. Cursanții care fac o muncă interdisciplinară se confruntă cu provocările de a digera corpuri disparate de literatură, de depanare a metodelor fără cursuri relevante și de interpretare a datelor, în timp ce sunt potențial inconștienți de sursele comune de eroare. Cu toate acestea, așteaptă o plată științifică bogată. Localizarea oamenilor de știință cu abilități complementare în același timp și în același loc oferă o oportunitate pentru conexiuni intelectuale imediate și unice, care la rândul lor ar trebui să ducă la noi perspective asupra modului în care controlăm microbiota intestinului uman.

NOTĂ DE PICIOASĂ

    • Primit la 1 noiembrie 2017.
    • Acceptat pe 12 ianuarie 2018.

Acesta este un articol cu ​​acces liber distribuit în condițiile licenței Creative Commons Attribution 4.0 International.