Inginerii de la Duke University utilizează roboți și AI pentru a spori sănătatea intestinală
Inginerii biomedicali de la Duke University au demonstrat o metodă prin care pot dezvolta sistematic combinații inovatoare și complexe de probiotice și prebiotice pentru a menține mai eficient sănătatea intestinală și a trata diverse afecțiuni gastrointestinale.
Prin proiectarea strategică a experimentelor și automatizarea robotică a mii de experimente paralele, cercetătorii pot umple golurile de cunoștințe care ar putea face modelul mai precis, revelând interacțiuni complexe între numeroase specii microbiene, surse nutriționale și mediul înconjurător.
Una dintre provocările în proiectarea probioticului și prebioticelor care îmbunătățesc sănătatea intestinală este variabilitatea considerabilă a dietei, a organismelor prezente în intestin, a medicamentelor și a altor factori gazdă. Într-un studiu de dovadă a conceptului, cercetătorii au folosit această metodă pentru a identifica combinații specifice de bacterii și fibre dietetice care promovează în mod regulat sănătatea și funcția intestinului uman, indiferent de variabilitatea organismelor prezente. Această abordare ar putea fi un avantaj pentru o industrie a prebioticelor și probioticului în expansiune rapidă, care s-a confruntat mult timp cu dificultăți în a demonstra rezultate consistente și predictibile pentru clienții săi.
„Dacă iei o sămânță și o plantezi într-un sol sărăcit de nutrienți și minerale, s-ar putea să nu crească foarte bine. Același lucru se aplică și pentru introducerea microbilor în microbiomul intestinal al unei persoane. Această muncă își propune să inginerizeze atât mediul, cât și bacteriile pentru a îmbunătăți sănătatea umană”, a declarat Ophelia Venturelli, profesor asociat de inginerie biomedicală la Duke University.
Rezultatele au fost publicate online pe 27 iulie în revista Nature Chemical Biology.
Intestinul uman este un mediu incredibil de complex care găzduiește mii de specii diferite de microorganisme. Numărul celulelor microbiene din intestinul uman este aproximativ egal cu numărul celulelor umane, având o greutate de aproape o jumătate de kilogram.
Pentru a complica și mai mult lucrurile, compoziția speciilor și proporțiile lor relative variază semnificativ de la o regiune la alta și chiar de la o persoană la alta, în funcție de o gamă largă de factori, cum ar fi dieta, stilul de viață și expunerile de mediu. Deși există similitudini mari între grupurile bacteriene din microbiomul intestinal uman, diferite persoane au specii bacteriene diferite, lăsând o variabilitate considerabilă care poate face dificilă tratarea perturbărilor funcțiilor acestora.
Perturbările pot fi grave. Microbii din intestin împiedică pătrunderea patogenilor nedoriți, în timp ce descompun alimentele, cum ar fi fibrele dietetice și carbohidrații complecși, pe care stomacul nu le poate procesa. Acest proces furnizează nutrienți esențiali pentru sănătatea celulelor gastrointestinale. Bacteriile produc, de asemenea, alte molecule care influențează dezvoltarea sistemului nostru imunitar, echilibrul energetic, sănătatea cardiometabolică și chiar activitățile noastre cerebrale și neurologice.
Pentru a aborda aceste probleme, introducerea comunităților microbiene sănătoase și asigurarea că au nutrienții necesari pentru a prospera a devenit o industrie majoră în domeniul sănătății, evaluată în prezent la aproximativ 130 de miliarde de dolari la nivel mondial. Totuși, demonstrând rezultate consistente a rămas o provocare.
„Probioticele singure s-ar putea să nu poată coloniza intestinul unei persoane suficient de mult timp pentru a face ceva util, deoarece există atât de multă viață acolo deja”, a afirmat Venturelli. „Există o mare incertitudine dacă aceste metode actuale pentru restabilirea sănătății microbiomului intestinal sunt eficiente, deoarece rezultatele sunt încă în mare parte imprevizibile.”
Noua abordare are scopul de a aduce mai multă predictibilitate întregului proces.
În noul articol, Venturelli și colegii săi demonstrează o metodă de explorare inteligentă și sistematică a acestui mare spațiu de design prin închiderea buclei între experimente și modelele computaționale. În experimentele de banc, echipa sa a forțat diferite combinații de 15 specii diferite de microbi intestinali să trăiască și să se hrănească împreună. Meniul lor a constat din șase tipuri de fibre dietetice cunoscute pentru a afecta producția de butirat, un acid graș cu lanț scurt critic pentru sănătatea intestinală.
Chiar și cu doar 21 de variabile pe masă, combinațiile potențiale de microbi și dietele lor au numărat cu ușurință bine peste trilioane. Confruntați cu o astfel de problemă intractabilă, cercetătorii s-au întors către învățarea automată, modelele computaționale, experimentele automate și învățarea activă, cunoscută și sub numele de optimizare Bayesiană.
Optimizarea Bayesiană este o abordare care proiectează experimente pentru a umple simultan golurile din modelul computerizat și pentru a atinge obiective specifice. Dotată cu sisteme experimentale robotizate autonome, echipa a putut să desfășoare cinci loturi de experimente de înaltă capacitate, testând până la 390 de condiții în același timp pentru a construi cunoștințe despre interacțiuni și rezultate.
„Am găsit o mulțime de efecte neașteptate din interacțiunile dintre microbii și fibrele dietetice”, a declarat Venturelli. „Aceste efecte sunt foarte complicate și nu ar fi putut fi prezise înainte de a desfășura experimentele.”
Rezultatele au dezvăluit o combinație de fibra dietetică inulină împreună cu două specii microbiene care consumă inulină (Bacteroides uniformis și Anaerostipes caccae) care interacționează cu o a treia specie bacteriană (Prevotella copri) pentru a produce în mod constant butiratul dorit. Mai mult, această combinație a fost stabilă indiferent de alte specii și factori care au fost introduși.
Cercetătorii lucrează acum pentru a vedea dacă această combinație poate trata eficient un model de șoarece de boală inflamatorie intestinală, având rezultate promițătoare în etapele incipiente. În plus, dincolo de această combinație specifică, cercetătorii cred că abordarea lor ar putea fi folosită pentru a descoperi multe alte combinații promițătoare pentru o gamă largă de tulburări gastrointestinale.
„Există companii care combină bacterii și fibre dietetice în produsele lor pentru sănătatea intestinală, dar nu încearcă încă să identifice și să potrivească sinergiile corecte cu problema corectă”, a spus Venturelli. „Cred că utilizarea acestui proces ar ajuta la crearea de soluții mai adaptate și mai eficiente pentru o gamă largă de probleme gastrointestinale.”
