Мы знаем, что вы съели: подробные карты активности белка оценивают здоровье кишечника
Если бы органы в наших телах могли говорить, кишечник мог бы раскрыть самые скрытые истины о нашем образе жизни и здоровье. По ходу дела их «признания» могли бы предоставить важную информацию для биомедицинских и клинических исследований. Исследователи Института науки Вейцмана теперь дали именно такой «голос» кишечнику.
В исследовании, опубликованном в Cell , ученые представляют метод, который может одновременно идентифицировать, посредством тестирования образца кала, все белки в кишечнике, включая белки из пищи, из собственного тела человека и из кишечного микробиома. Таким образом, метод позволяет расшифровывать взаимодействия между этими белками с беспрецедентной точностью и разрешением.
Микробиом стал отправной точкой исследования, проведенного под руководством докторов Рафаэля Вальдес-Маса, Авнера Лешема и Данпин Чжэна из лаборатории профессора Эрана Элинава в сотрудничестве с доктором Алоном Савидором из Национального центра персонализированной медицины имени Нэнси и Стивена Гранда в Израиле.
«Мы хотели выйти за рамки секвенирования ДНК, обычного метода изучения микробиома», — говорит Элинав из отдела системной иммунологии Вейцмана. «ДНК может рассказать нам, какие бактерии присутствуют в кишечнике, и указать на их потенциальную активность. Бактериальные белки, напротив, могут напрямую показать, активны ли эти бактерии, какую активность они выполняют и как их функция влияет на организм человека в здоровом и больном состоянии».
Идентификация белков является сложной задачей из-за их огромного множества, усугубляемого сходством между белками разных видов. Например, около 20 000 генов, производящих белки в геноме человека , порождают миллионы вариаций белков; их идентификация с использованием существующих баз данных белков может быть сложной и отнимать много времени. Новый метод Института Вейцмана решает эту проблему, отчасти путем объединения секвенирования ДНК и масс-спектрометрии для создания меньшей, индивидуальной для пациента карты белков.
Метод, получивший название IPHOMED (сокращение от Integrated Proteo-genomics of HOst, MicrobiomE and Diet), позволяет расшифровать всю активность микробиома, показывая, какие белки в образце кала происходят от каких штаммов бактерий и в каких количествах. Кроме того, он идентифицирует белки, секретируемые кишечником человека в ответ на сигналы, поступающие от микробиома. Взятые вместе, белки из этих двух источников создают атлас коммуникации организма с микробиомом, например, при воздействии болезнетворных бактерий или антибиотиков.
Таким образом, используя этот метод, исследователи Вейцмана обнаружили, что кишечник человека может секретировать десятки ранее неизвестных антимикробных пептидов, которые действуют как природные антибиотики, убивая некоторые бактерии в микробиоме и в конечном итоге формируя его состав. Это открытие может помочь объяснить, почему состав микробиома каждого человека уникален, что приводит к различиям в восприимчивости к болезням.
Больше никаких нарушений диеты.
Когда исследователи думали, что они закончили разработку метода, он мог идентифицировать 97% белков в каждом образце стула , что было высоким показателем, но неспособность последовательно охарактеризовать оставшиеся 3% казалась загадочной. Дальнейшие исследования прояснили, что они не возникли ни в микробиоме, ни в тканях организма: они пришли из пищи.
Это открытие показало, что метод Вейцмана может удовлетворить острую, давнюю потребность науки о питании, а именно предоставить неинвазивный способ выявления точных деталей рациона человека. Чтобы решить эту проблему, команда создала базу данных белков, обнаруженных в сотнях пищевых продуктов, и определила те, которые были уникальны для каждого пищевого продукта. Эти разработки позволили с беспрецедентной точностью узнать из образцов кала, что ели люди.
Например, при применении к образцам, собранным у двух групп здоровых добровольцев, одной в Германии, другой в Израиле, метод выявил схожий уровень потребления пшеницы в обеих популяциях, но только в немецких образцах было большое количество белков из свинины; напротив, большинство мясных белков в израильских образцах было получено из птицы.
В одном из экспериментов, проведенных командой, добровольцам было предложено потреблять меняющийся набор продуктов питания, включая арахис, в определенные дни. Метод не только точно определял, когда эти продукты питания были съедены, он был настолько чувствительным, что мог указать на потребление всего лишь пяти арахисов в день.
В другом эксперименте исследователи смогли точно отследить изменения в рационе людей с желудочно-кишечными заболеваниями. В одном случае метод правильно идентифицировал ребенка с недавно диагностированной целиакией, который не соблюдал предписанную ему безглютеновую диету.
«Наш метод можно использовать для определения того, соблюдает ли человек кашрут или является ли он таким уж строгим вегетарианцем, как он себя называет», — с улыбкой говорит Элинав.
«Но если говорить серьезнее, традиционный метод отслеживания диеты, самоотчет, печально известен своей неточностью. Знание с большей точностью и подробностями того, что едят люди, даже если их еда сложная и состоит из множества ингредиентов, может помочь установить, какие из многочисленных компонентов еды полезны для здоровья, а какие — проблемны».
Улучшение диагностики и лечения заболеваний
Чтобы изучить использование своего нового метода в диагностике и лечении заболеваний, ученые применили его к образцам стула пациентов с воспалительным заболеванием кишечника , которое характеризуется тяжелым воспалением кишечника, на которое влияют диета и микробиом. Анализ образцов израильских, немецких и американских участников исследования позволил расшифровать с большой молекулярной детализацией измененные взаимодействия между кишечником человека и кишечным микробиомом , которые управляют истоками этого заболевания.
Исследование привело к открытию десятков новых белков, которые могли бы стать потенциальными будущими целями для лекарств, чтобы лечить это в настоящее время неизлечимое заболевание. Исследователи также идентифицировали человеческие и бактериальные белки , которые, если их использовать вместе, можно превратить в новые биомаркеры для диагностики типа заболевания, оценки его тяжести и отслеживания его прогресса. Эти новые зонды обещают превзойти кальпротектин, единственный клинически одобренный биомаркер воспалительного заболевания кишечника.
Кроме того, используя анализ рациона пациентов с помощью IPHOMED, исследователи смогли количественно оценить соблюдение пациентами диетотерапии при заболеваниях кишечника и связать уровень соблюдения ими такой диеты с улучшением контроля воспаления.
Более того, им удалось применить свой неинвазивный метод для обнаружения заболеваний в тонком кишечнике, длинной тонкой трубке, которая у здоровых людей поглощает большую часть белков из пищи. Поскольку тонкий кишечник , как известно, трудно визуализировать и получить к нему доступ, это заболевание не могло быть обнаружено обычными способами.
«В совокупности белки в кишечнике — это «слова», которые однажды позволят нам услышать именно то, что говорит нам наш кишечник, и, таким образом, научиться оказывать ему именно ту помощь, в которой он нуждается», — говорит Элинав.
«Эта возможность поможет исследователям разрабатывать персонализированные диетологические и медицинские вмешательства для широкого спектра расстройств, особенно тех, которые связаны с микробиомом, включая воспалительные, метаболические, злокачественные и нейродегенеративные заболевания».