۳۰۷ گونه میکروبی مرتبط با اکولوژیک روده شناسایی شد

در مطالعه‌ای که اخیراً منتشر شده است، گروهی از محققان الگوهای جهانی و تعاملات میکروبی مؤثر بر کلونیزاسیون انتروباکتریاسه‌ها در روده را فاش کردند که می‌تواند در استراتژی‌های مقاومت در برابر عفونت و درمان‌های مرتبط مفید باشد.

به گزارش رسانه اخبار پزشکی مدنا، میکروبیوتای روده انسان یک جامعه متنوع است که برای سلامت بدن حیاتی است و از فرآیندهای گوارشی، تنظیم ایمنی و محافظت در برابر پاتوژن‌ها پشتیبانی می‌کند. اما برخی از میکروب‌های روده، به ویژه گونه‌های انتروباکتریاسه مانند Escherichia coli (E. coli) و Klebsiella pneumoniae (K. pneumoniae)، می‌توانند باعث عفونت‌های شدید شوند و با بیماری‌هایی مانند بیماری کرون و نرخ بالای مرگ و میر در ارتباط هستند.

افزایش تعداد این میکروب‌ها، همراه با مقاومت روزافزون به چندین دارو، یک چالش بزرگ جهانی برای سلامت به شمار می‌آید. در حالی که درمان‌های مبتنی بر میکروبیوم امیدوارکننده به نظر می‌رسند، بیشتر تحقیقات در مورد انتروباکتریاسه‌ها بر روی ایزوله‌های بالینی متمرکز بوده است که منجر به محدودیت‌هایی در درک تعاملات اکولوژیکی می‌شود. محققان معتقدند که مطالعات بیشتر برای درک بهتر تحرکات این میکروب‌ها در میکروبیوم روده ضروری است تا بتوان مسیرهایی نوآورانه برای مداخلات غیرآنتی‌بیوتیکی پیدا کرد.

داده‌های متاژنومیک روده انسان از ۱۲,۲۳۸ نمونه در ۴۵ کشور و ۶۵ مطالعه مختلف جمع‌آوری شد که همگی از European Nucleotide Archive (ENA) استخراج شدند. نمونه‌ها بر اساس معیارهایی شامل حداقل ۵۰۰,۰۰۰ خواند متاژنومیک جفتی، در دسترس بودن متادیتا در مورد وضعیت سلامت، گروه سنی، و کشور مبدا، عدم وجود عفونت‌های حاد و عدم مصرف آنتی‌بیوتیک در یک ماه قبل از جمع‌آوری نمونه انتخاب شدند. داده‌های متاژنومیک برای فیلتر کردن کیفیت با استفاده از TrimGalore پردازش شدند و برای حذف آلودگی‌های انسانی با استفاده از Burrows-Wheeler Aligner MEM (BWA MEM) بر اساس ژنوم انسان GRCh38 هم‌راستا شدند.

داده‌های فیلتر شده بر اساس یک پایگاه داده منتخب از ۴,۶۱۲ گونه از فهرست Unified Human Gastrointestinal Genome (UHGG) نقشه‌برداری شدند. فرآیند دقیق گردآوری باعث حذف ژنوم‌های با کیفیت پایین شد که با استفاده از معیارهایی نظیر امتیازهای کامل بودن پایین و طبقه‌بندی‌های شبه‌چندگانه شناسایی شدند. تفاوت‌های ایجاد شده توسط روش‌های مختلف تحقیقاتی با استفاده از الگوریتم نرمال‌سازی کمی شرطی اصلاح شد که به مقایسه‌های معتبر بین داده‌ها کمک کرد.

تفاوت‌های میکروبیوم جامعه با استفاده از شاخص تنوع آلفا (شاخص شانن) و بتا (فاصله آیتیشن) تجزیه و تحلیل شد. مدل‌های یادگیری ماشین نظارت‌شده، از جمله رگرسیون ریدج، جنگل تصادفی، و تقویت گرادیان، برای طبقه‌بندی وضعیت کلونیزاسیون انتروباکتریاسه‌ها با استفاده از فراوانی گونه‌ها به عنوان ویژگی‌ها به کار گرفته شدند.

داده‌ها شامل نواحی جغرافیایی متنوعی بودند که بیشترین نمونه‌ها از اروپا (۳۵%) و آمریکای شمالی (۲۷.۵%) جمع‌آوری شده بودند، سپس آسیا (۲۳.۲%) و آفریقا (۸.۴%) قرار داشتند. بیشتر نمونه‌ها از بزرگسالان (۶۷.۶%) و افراد سالم (۶۲.۲%) جمع‌آوری شده بودند که پایه‌ای عالی برای تحلیل تحرکات میکروبیوم فراهم کرد. با استفاده از فهرست UHGG، ۴,۶۱۲ گونه میکروبی روده، از جمله ۱۱۳ گونه از خانواده انتروباکتریاسه، شناسایی و با کنترل‌های کیفیت دقیق کمی شدند.

انتروباکتریاسه‌ها در ۶۶% از نمونه‌ها شناسایی شدند، به طوری که E. coli، K. pneumoniae، و Enterobacter hormaechei از جمله گونه‌های رایج بودند. توزیع این میکروب‌ها در مکان‌های جغرافیایی مختلف، گروه‌های سنی، و وضعیت‌های سلامتی متفاوت بود و شیوع چشمگیری در نمونه‌های آفریقایی (۸۸%) و افراد مبتلا به آرتریت روماتوئید (۹۶%) مشاهده شد.

الگوهای کلونیزاسیون پلی‌میکروبی نشان‌دهنده هم‌زیستی قابل توجه E. coli با سایر گونه‌ها، مانند K. pneumoniae، به ویژه در آسیا و آفریقا بود. این یافته‌ها نشان می‌دهند که عوامل محیطی، غذایی و مراقبت‌های بهداشتی می‌توانند بر کلونیزاسیون انتروباکتریاسه‌ها در سطح جهانی تأثیرگذار باشند.

تحلیل دقیق‌تر تنوع سویه‌های E. coli با استفاده از multilocus sequence typing (MLST) ۵۸۵ نوع توالی (ST) شناسایی کرد که اکثریت آنها جدید بودند و بیش از اندازه در نمونه‌های آفریقایی نمایان شدند. این امر نشان‌دهنده تنوع ناآشکار E. coli و نمایندگی محدود ایزوله‌های غیر بالینی در پایگاه‌های داده مرجع است. مدل‌های یادگیری ماشین نشان دادند که ترکیب میکروبیوم روده می‌تواند با دقت بالا کلونیزاسیون انتروباکتریاسه‌ها را پیش‌بینی کند و ارتباطات ثابت را در بین نواحی جغرافیایی و وضعیت‌های سلامتی آشکار ساخت.

تحلیل‌های تفاوت فراوانی ۳۰۷ گونه میکروبی را شناسایی کردند که به طور قابل توجهی با کلونیزاسیون انتروباکتریاسه‌ها در ارتباط بودند و به عنوان هم‌کلونیزان یا هم‌مستثنی‌ها طبقه‌بندی شدند. هم‌مستثنی‌ها، مانند گونه‌های Faecalibacterium، با تولید اسیدهای چرب زنجیره کوتاه (SCFA) و متابولیسم آهن مرتبط بودند که ممکن است رشد انتروباکتریاسه‌ها را مهار کنند. در مقابل، هم‌کلونیزان‌ها تنوع متابولیک بیشتری نشان دادند، که حاکی از مزیت رقابتی در کلونیزاسیون تحت شرایط خاص روده است.

تحلیل‌های عملکردی نشان دادند که هم‌مستثنی‌ها در ژن‌هایی که در شناسایی گروهی و تولید SCFA نقش دارند غنی شده‌اند، در حالی که هم‌کلونیزان‌ها با مقاومت به دارو و متابولیسم مواد مغذی مرتبط بودند. این تفاوت‌ها نقش تعاملات بین‌گونه‌ای و رقابت متابولیک در شکل‌دهی به تحرکات کلونیزاسیون روده را برجسته می‌کنند.

این مطالعه جهانی و در مقیاس وسیع، امضاهای میکروبیوم روده مرتبط با کلونیزاسیون انتروباکتریاسه‌ها را بررسی کرد و تغییرات تاکسونومیکی و عملکردی مرتبط با هم‌کلونیزاسیون و هم‌مستثنی‌شدن را آشکار ساخت. یافته‌های کلیدی شامل شناسایی تنوع زیرگونه‌ای مهمی از E. coli در آفریقا بود که نقش گونه‌هایی مانند Faecalibacterium را در مقاومت به کلونیزاسیون برجسته می‌کند.

الگوهای هم‌کلونیزاسیون شامل تاکسون‌هایی مانند Intestinibacter و Faecalimonas phoceensis نیز شناسایی شدند. علاوه بر این، هم‌مستثنی‌ها ژن‌های بیوسنتزی ناشناخته‌ای را در خود داشتند که به شناسایی گروهی مرتبط هستند و احتمالاً فراوانی انتروباکتریاسه‌ها را تنظیم می‌کنند.