Желудочно-кишечный тракт человека заселен миллиардами бактерий и других микроорганизмов, принадлежащих к сотням видов, которые вместе называются «микробиотой». Нарушения в составе микробиоты и, как следствие, метаболиты, полученные из микробиоты, все больше коррелируют не только с заболеваниями желудочно-кишечного тракта, такими как воспалительное заболевание кишечника (ВЗК) и колит, но также с инсулинорезистентностью и диабетом 2 типа.«Появляется все больше свидетельств того, что метаболиты, полученные из микробиоты, играют важную роль в модуляции физиологических функций кишечника», — сказал профессор Кёнбум Ли, старший автор статьи и заведующий кафедрой химической и биологической инженерии в Tuft School of Engineering. «Возникающие связи между микробиотой желудочно-кишечного тракта и многими другими частями тела, включая мозг, предполагают заманчивую возможность влиять даже на познание и поведение с помощью относительно мягких вмешательств, включая диеты или пробиотики».Однако на сегодняшний день идентифицировано лишь несколько метаболитов, в основном продуцируемых микробиотой, а не самим организмом-хозяином.
Выявление метаболитов, полученных из микробиоты, и понимание их влияния на определенные функции хозяина может открыть новые возможности для фундаментальных и клинических исследований для разработки безопасных целевых методов лечения с использованием молекул, которые по определению составляют естественный химический состав хозяина.«Современные методы идентификации и количественного определения этих метаболитов не позволяют определить, производятся ли метаболиты хозяином или микробиотой», — сказал Ли.Недавно описанный подход моделирует микробиом как единую сложную сеть реакций. Используя вычислительные алгоритмы для сетевого анализа, можно построить виртуальные пути для определения возможных продуктов метаболизма.
Затем эти продукты могут быть разделены на метаболиты, полученные от хозяина или микробиоты.Исследовательская группа сосредоточилась на ароматических аминокислотах (ААА), потому что их метаболиты участвуют во многих из более чем 2400 различных реакций, выраженных в микробиоте в целом.
«Кроме того, мы изучили метаболиты, производные от AAA, потому что AAA могут давать начало различным биоактивным химическим веществам, таким как салициловая кислота, противовоспалительное соединение и серотонин, который является нейротрансмиттером, очевидно важным для правильного функционирования мозга», — сказал он. Ли.
Работа, ранее опубликованная в Proceedings of the National Academy of Sciences (doi: 10.1073 / pnas.0906112107) сотрудника Ли Арула Джаярамана, профессора факультета химической инженерии Арти Макферрина Техасского университета, имеющего степень магистра инженерной школы Тафтса. уже продемонстрировали, что индол, бактериальный метаболит, полученный из ароматической аминокислоты триптофана, вызывает противовоспалительную реакцию в кишечнике и повышает устойчивость к колонизации патогенными микроорганизмами, что может привести к инфекции.Алгоритмическая модель в исследовании, опубликованном сегодня, предсказывала, что 49 различных метаболитов будут исключительными для микробиоты.
Затем тесты in vivo на мышах подтвердили присутствие более половины предсказанных метаболитов, включая два новых метаболита, которые играют роль в путях, регулирующих метаболизм микробиоты, а также иммунную функцию хозяина.Следующие шаги команды включают определение метаболитов микробиоты, уровни которых либо значительно повышены, либо истощены во время таких заболеваний, как ВЗК или рак, чтобы найти специфические для болезни маркеры и изучить возможную роль этих метаболитов в прогрессировании заболевания.
«В конечном итоге цель состоит в том, чтобы применить наши модели, чтобы прийти к механистическому пониманию той роли, которую продукты микробиоты могут играть в физиологии человека и, в свою очередь, в диагностике и лечении заболеваний», — сказал Ли. «Я думаю, что потенциал воздействия огромен».