Здоровый микробиом кишечника может помочь предотвратить отставание в росте у детей

Недоедание — причина более половины всех смертей детей до пяти лет в мире. У выживших могут наблюдаться пожизненные последствия: когнитивные и задержки развития, снижение успеваемости, экономическая нестабильность и проблемы со здоровьем у матерей. Новые исследования указывают на микробиом кишечника — разнообразные бактерии, вирусы и другие микробы — как на ключевое звено для решения этой проблемы.

Исследователи из Института Солка искали связи между недоеданием, здоровьем микробиома и ростом детей в группе малышей из Малави, где высок уровень отставания в росте (35%). Они собирали образцы кала у восьми детей в течение почти года, чтобы выявить микробные паттерны, связанные с ростом. Оказалось, что у детей, чьи микробные геномы сильнее менялись со временем, рост был хуже. Это говорит о том, что стабильность микробиома может быть важным признаком здоровья кишечника.

Исследование опубликовано в Cell.

Учёные также создали первый в мире каталог микробных геномов при детском недоедании. Этот ресурс содержит полные генетические профили 986 микробов — коллективный «пангеном» из образцов. Он станет критически важным инструментом для прогнозирования, предотвращения и лечения недоедания.

Команда разработала новый рабочий процесс для создания каталога, который экономит время и деньги, сохраняя точность данных. Этот метод можно использовать для построения геномных ресурсов при других заболеваниях, мониторинга экологических и сельскохозяйственных микробиомов, отслеживания биоразнообразия и метагеномных исследований в удалённых регионах.

«Несмотря на десятилетие исследований, связывающих микробиом с недоеданием, генетические и биологические факторы оставались загадкой из-за недостаточного разрешения данных о микробах в кишечнике», — говорит старший соавтор Тодд Майкл.

«Используя передовые методы секвенирования генома и пангеномные подходы в лонгитюдном дизайне, мы впервые смогли выявить конкретные микробные изменения, связанные с плохим ростом. Это открывает путь к новым диагностическим или терапевтическим подходам для решения кризиса, затрагивающего более 150 миллионов детей во всём мире».

Связь недоедания и микробиома

В новом исследовании учёные сосредоточились на недоедании — типе недостаточности питания из-за плохого усвоения питательных веществ. Одним из широко используемых показателей является длина-возраст (LAZ), которая сравнивает рост ребёнка с популяционными нормами для его возраста и пола.

Низкий или ухудшающийся показатель LAZ со временем часто связан с хроническим воспалением кишечника или его дисфункцией. Учёные выяснили, что хроническое воспаление может быть результатом деятельности дисфункциональных микробов, нарушающих способность организма перерабатывать и усваивать питательные вещества.

Целями команды стали: 1) создание комплексной библиотеки, учитывающей всё разнообразие микробиоты кишечника у детей с ухудшающимся и улучшающимся LAZ, и 2) оценка того, является ли генетическое содержание бактерий предиктором или связано с недоеданием.

Создание новой библиотеки микробиома

Команда использовала секвенирование длинными прочтениями (long-read), которое разбивает ДНК на меньшее количество более длинных фрагментов (5000–4 000 000 пар оснований), в отличие от коротких прочтений (50–300 пар оснований). Это похоже на сборку пазла из 10 деталей вместо 1000.

«Лонгитюдный отбор проб и измерения пять раз за 11 месяцев позволили уникально оценить изменения в микробиоме и росте как внутри одного ребёнка, так и между детьми с течением времени», — сказал соавтор Кевин Стивенсон.

Благодаря long-read секвенированию команда собрала в 50 раз больше полных геномов микробиоты, чем было бы возможно с короткими прочтениями. Итоговая библиотека содержит 986 полных микробных геномов, десятки из которых совершенно новые.

Результаты исследования

Используя новые инструменты сравнения пангеномов, исследователи обнаружили генетические различия в бактериальных геномах между детьми с улучшающимся и ухудшающимся ростом в четырёх родах бактерий (Bifidobacterium, Megasphaera, Faecalibacterium и Prevotella).

Но более интересным, чем конкретные бактерии, стало наблюдение о разнообразии бактериальных геномов во времени.

«Наш анализ показал, что у детей с улучшающимся ростом микробные пангеномы внутри видов были стабильными, в то время как у детей с отставанием в росте они были нестабильными», — говорит Марк Манери. — Таким образом, оценить здоровье кишечника и собрать важные данные общественного здравоохранения можно, измерив генетическое разнообразие микробиома кишечника».

Значение исследования

Работа достигла четырёх важных результатов:

1. Собрано в 10–20 раз больше клинических образцов человека, чем в любом предыдущем исследовании в этой области.
2. Создана первая лонгитюдная педиатрическая библиотека микробиома при недоедании (986 полных геномов).
3. Выявлены конкретные бактерии и гены, связанные с недоеданием, и обнаружена связь нестабильности микробного генома со временем с плохим ростом ребёнка.
4. Оптимизирован рабочий процесс long-read секвенирования, применимый в различных научных дисциплинах.

«Применённые в удалённых полевых лабораториях, разработанные нами подходы могут давать информацию в реальном времени не только для эпиднадзора за пандемиями, устойчивости к антибиотикам и инфекционным заболеваниям, но и для продуктивности сельского хозяйства, мониторинга окружающей среды и сохранения биоразнообразия», — говорит Майкл.