Множественные группы кишечных бактерий совместно защищают от инфекций Clostridium difficile

Различные виды бактерий, работающие вместе в здоровом кишечнике, отвечают за защиту от опасного патогена Clostridium difficile — больничной инфекции, ежегодно вызывающей 15 000 смертей. Исследование, опубликованное в журнале mBio, может привести к созданию тестов для прогнозирования риска заражения у пациентов и улучшению лечения инфекций.

"Больничные инфекции, вызванные C. difficile, стали серьёзной проблемой за последние 10–15 лет, добавляя $4,8 млрд к расходам на здравоохранение. Один из главных факторов риска — воздействие антибиотиков, что подвергает огромное количество людей опасности", — говорит микробиолог Патрик Шлосс.

Чтобы смоделировать состояние пациентов, исследователи протестировали 8 антибиотиков в 16 различных режимах лечения на мышах, чтобы увидеть, как они изменяют нормальную микробиоту кишечника. Затем они измерили реакцию изменённых сообществ на воздействие C. difficile.

Каждое лечение по-разному изменяло сообщество, увеличивая или уменьшая численность различных видов бактерий. Ни один отдельный вид не отвечал за защиту или восприимчивость к C. difficile.

"Математическое моделирование стало критически важным для обработки большого объёма данных", — отмечает Шлосс. Команда применила алгоритм машинного обучения ко всему набору данных о 16 условиях лечения и вызванных ими изменениях в сообществе бактерий. Этот алгоритм действует подобно фильтру спама, используя "лес" решающих деревьев для классификации всех изменяющихся компонентов в сложном наборе данных.

Был построен математический модель, которая с точностью около 90% могла предсказать, заболеет ли конкретная мышь с определённым исходным бактериальным сообществом кишечника C. difficile. Анализ также выявил сложные бактериальные взаимосвязи, определяющие устойчивость к C. difficile.

Устойчивость была связана с представителями семейств Porphyromonadaceae, Lachnospiraceae, а также родов Lactobacillus, Alistipes и Turicibacter. Восприимчивость к C. difficile, напротив, была связана с потерей этих защитных видов и увеличением численности Escherichia или Streptococcus.

"Восприимчивость — это не всё или ничего, она крайне зависит от контекста. Просто наличие "хорошего" защитного вида бактерий не равно защите, так же как и наличие "плохого" вида не равно болезни. Я думаю об этом как о шведском столе, где нужно смешивать и сочетать разные ингредиенты, чтобы получить устойчивость или чувствительность к C. difficile", — объясняет Шлосс.

Создание точной прогностической модели на мышах является доказательством принципа, что такая модель может работать и для пациентов в больнице. "Если бы мы могли оценить микробиоту пациента по образцу стула — особенно если он получает антибиотики — мы могли бы увидеть, каких бактерий не хватает. Возможно, можно было бы давать пациентам пробиотическую добавку с целью восстановления структуры их микробного сообщества до здорового состояния", — говорит Аликсандра Шуберт.