Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο της Γενεύης (UNIGE) έκαναν ένα σημαντικό βήμα προς τα εμπρός χρησιμοποιώντας τη μηχανική μάθηση για να χαρτογραφήσουν όλα τα βακτήρια του ανθρώπινου εντέρου σε ένα πρωτοφανές επίπεδο λεπτομέρειας, επιτρέποντάς τους να κατανοήσουν καλύτερα τον φυσιολογικό ρόλο διαφορετικών μικροβιακών υποομάδων.
Συγκεκριμένα, ανακάλυψαν έναν τρόπο ανίχνευσης του καρκίνου του παχέος εντέρου με προγνωστική ακρίβεια έως και 90% χρησιμοποιώντας μόνο ένα δείγμα κοπράνων και τεχνητή νοημοσύνη. Εάν επικυρωθεί σε κλινικές μελέτες, αυτό το απλό τεστ θα μπορούσε να αναδιαμορφώσει τον τρόπο με τον οποίο οι γιατροί διαγιγνώσκουν τον δεύτερο πιο θανατηφόρο καρκίνο στον κόσμο.
Ο καρκίνος του παχέος εντέρου σκοτώνει σχεδόν ένα εκατομμύριο ανθρώπους κάθε χρόνο. Η έγκαιρη διάγνωση μπορεί να είναι σωτήρια, ωστόσο οι κολονοσκοπήσεις είναι επεμβατικές, δαπανηρές και συχνά καθυστερούν λόγω των ασθενών που τις φοβούνται. Μια εξέταση με βάση τα κόπρανα που προσεγγίζει αυτά τα επίπεδα ανίχνευσης θα μπορούσε να βελτιώσει δραματικά την κάλυψη των αναγκών σε εξετάσεις.
Η νέα μελέτη, που δημοσιεύτηκε στο Cell Host & Microbe , είναι η πρώτη που χαρτογραφεί τα βακτήρια του ανθρώπινου εντέρου σε επίπεδο υποείδους. Αυτή η υψηλότερη ανάλυση δείχνει ότι ακόμη και μικροσκοπικές γενετικές διαφορές εντός του ίδιου βακτηριακού είδους μπορούν να καταστήσουν ένα στέλεχος ακίνδυνο, ενώ κάποιο άλλο επικίνδυνο για την ανάπτυξη των όγκων.
«Αντί να βασιστούμε στην ανάλυση των διαφόρων ειδών που αποτελούν το μικροβίωμα, η οποία δεν καταγράφει όλες τις σημαντικές διαφορές ή τα βακτηριακά στελέχη τα οποία ποικίλλουν σημαντικά από άτομο σε άτομο, εστιάσαμε σε ένα ενδιάμεσο επίπεδο του μικροβιώματος, στο υποείδος», εξηγεί ο Μίρκο Τραϊκόφσκι, καθηγητής στο Τμήμα Φυσιολογίας και Μεταβολισμού Κυττάρων στην Ιατρική Σχολή του UNIGE, ο οποίος ηγήθηκε αυτής της έρευνας. «Η ανάλυση των υποειδών είναι συγκεκριμένη και μπορεί να καταγράψει τις διαφορές στον τρόπο λειτουργίας των βακτηρίων και να συμβάλει σε ασθένειες συμπεριλαμβανομένου του καρκίνου, ενώ παραμένει αρκετά ευρεία για να ανιχνεύσει αυτές τις αλλαγές μεταξύ διαφορετικών ομάδων ατόμων, πληθυσμών ή χωρών».
Η ερευνητική ομάδα δημιούργησε έναν τεράστιο βακτηριακό κατάλογο αναλύοντας 225.918 γονιδιώματα από τη βάση δεδομένων HumGut, τα οποία αντιπροσωπεύουν το πιο λεπτομερές σύνολο δεδομένων ανθρώπινου εντερικού μικροβιώματος που είναι διαθέσιμο παγκοσμίως. Η μελέτη εντόπισε 5.361 υποείδη σε 977 βακτηριακά είδη-«μονάδες λειτουργικών υποειδών»-, αποκαλύπτοντας ότι το 28% των ειδών περιέχουν λειτουργικά διακριτά υποείδη. Η ανάλυση δειγμάτων κοπράνων από 1.085 ασθενείς με καρκίνο του παχέος εντέρου και υγιείς μάρτυρες σε επτά χώρες έδειξε 218 υποείδη που σχετίζονται σημαντικά με τον καρκίνο. Τα υποείδη είναι ομάδες βακτηρίων που δείχνουν σχεδόν πανομοιότυπα αλλά συμπεριφέρονται πολύ διαφορετικά.
Προηγούμενες μελέτες για το μικροβίωμα αντιμετώπισαν τα είδη σαν να συμπεριφέρονταν όλα τα στελέχη τους με τον ίδιο τρόπο. Αυτή η έρευνα διαπίστωσε ότι τα υποείδη ενός στα τέσσερα είδη περίπου, μπορούσαν είτε να προστατεύσουν από τον καρκίνο είτε να τον ενθαρρύνουν να αναπτυχθεί. Για να τα ξεκαθαρίσει αυτά, η ομάδα ανέπτυξε ένα λογισμικό που λειτουργεί σαν γενετικός σαρωτής βακτηριακών ‘υπογραφών’, δείχνοντας ποια υποείδη υπάρχουν σε ένα δείγμα κοπράνων.
Στη συνέχεια, οι επιστήμονες δοκίμασαν τη μέθοδό τους σε δείγματα κοπράνων από περισσότερα από 1.000 άτομα σε επτά χώρες. Εκπαιδεύοντας ένα μοντέλο τεχνητής νοημοσύνης να αναγνωρίζει μοτίβα, μπόρεσαν να διακρίνουν τους καρκινοπαθείς από τους υγιείς ανθρώπους με ακρίβεια περίπου 84%. Σε ορισμένες ομάδες, το μοντέλο είχε ακόμη καλύτερη απόδοση (έως 90%), όταν προηγούμενα υπολογιστικά μοντέλα που χρησιμοποιούσαν παραδοσιακά δεδομένα βακτηριακών ειδών πέτυχαν μόνο 79%.
Η ανάλυση αποκάλυψε ότι σε περισσότερα από 100 υποείδη από τα 218 που διαπιστώθηκαν ένα στέλεχος έφερε ισχυρή συσχέτιση με τον καρκίνο, ενώ τα ‘αδέλφια’ του από το ίδιο είδος όχι. Άλλα 28 υποείδη συνδέθηκαν με τον καρκίνο, παρόλο που το γονικό τους είδος δεν έδειξε κανένα απολύτως σημάδι.
Ένα τέτοιο παράδειγμα είναι ένα βακτήριο που ονομάζεται Fusobacterium animalis, το οποίο έχει συνδεθεί εδώ και καιρό με τον καρκίνο του παχέος εντέρου. Η νέα μελέτη αποκάλυψε ότι μόνο ένα από τα δύο υποείδη του προκαλεί στην πραγματικότητα την ανάπτυξη του όγκου. Χωρίς αυτό το επίπεδο λεπτομέρειας, η προηγούμενη έρευνα θόλωνε την εικόνα.
Εμβαθύνοντας, η ομάδα διαπίστωσε ότι λειτουργικά γονίδια συχνά εξηγούσαν τις διαφορές μεταξύ των υποείδων που συνδέονται με τον καρκίνο και των ουδέτερων. Αυτές οι γενετικές ιδιορρυθμίες μπορούν να αλλάξουν τον τρόπο με τον οποίο τα βακτήρια αλληλεπιδρούν με το σώμα.
Για παράδειγμα, στο υποείδος Ruthenibacterium lactatiformans, μια εκδοχή του που βρίσκεται συχνότερα σε ασθενείς με καρκίνο, μπορούσε ακόμα να παράγει βιταμίνη Β12. Οι άλλες είχαν χάσει αυτήν την ικανότητα. Είναι ενδιαφέρον ότι τα άτομα με καρκίνο του παχέος εντέρου έχουν συχνά υψηλότερα επίπεδα βιταμίνης Β12 ;στο αίμα τους, τα οποία αυξάνονται με την εξέλιξη του καρκίνου. Αυτή η σύνδεση υποδηλώνει ότι ακόμη και μικρές γενετικές αλλαγές στα βακτήρια του εντέρου μπορεί να παίζουν ρόλο στον τρόπο με τον οποίο αναπτύσσεται ο καρκίνος.
Όταν δοκιμάστηκαν απευθείας, τα μοντέλα που βασίζονται σε υποείδη ξεπέρασαν σταθερά την ανάλυση σε επίπεδο είδους, τόσο σε ακρίβεια όσο και σε αναπαραγωγιμότητα σε όλους τους πληθυσμούς. Αυτή η αξιοπιστία είναι απαραίτητη για τον έλεγχο σε πραγματικό κόσμο.
Τα Πανεπιστημιακά Νοσοκομεία της Γενεύης προετοιμάζουν τώρα δοκιμές για να δουν πόσο καλά ανιχνεύει η προσέγγιση αυτή τους καρκίνους σε πρώιμο στάδιο και τους προκαρκινικούς πολύποδες. Εάν η ανάλυση υποείδους με βάση τα κόπρανα αποδειχθεί αξιόπιστη στις κλινικές μελέτες, θα μπορούσε να συμπληρώσει ή ακόμη και να αντικαταστήσει τις κολονοσκοπήσεις για τον τακτικό έλεγχο.
Σε αντίθεση με τις κολονοσκοπήσεις, αυτή η εξέταση δεν απαιτεί ειδικό εξοπλισμό ή άβολη προετοιμασία. Μπορεί να εκτελεστεί σε συνηθισμένους εργαστηριακούς υπολογιστές και με ένα κλάσμα του κόστους. Αυτό την καθιστά ιδιαίτερα πολλά υποσχόμενη για χώρες ή περιοχές όπου η πρόσβαση σε κολονοσκοπήσεις είναι περιορισμένη.
Η προσέγγιση που βασίζεται σε υποείδη έδειξε επίσης ανώτερη αναπαραγωγιμότητα σε διαφορετικούς πληθυσμούς σε σύγκριση με την ανάλυση σε επίπεδο είδους. Ενώ ορισμένα βακτηριακά υποείδη ποικίλλουν γεωγραφικά, οι βασικές υπογραφές που σχετίζονται με τον καρκίνο παρέμειναν σταθερές σε διάφορους πληθυσμούς παγκοσμίως, υποστηρίζοντας καθολικές εφαρμογές.
Ο κατάλογος υποειδών ανοίγει δρόμους στην κατανόηση του τρόπου με τον οποίο τα βακτήρια του εντέρου επηρεάζουν την ανθρώπινη υγεία με πρωτοφανή λεπτομέρεια. Το ίδιο αναλυτικό πλαίσιο θα μπορούσε ενδεχομένως να ανιχνεύσει άλλους καρκίνους, αυτοάνοσα νοσήματα και μεταβολικές διαταραχές μέσω απλής ανάλυσης κοπράνων.
Καθώς τα εργαλεία τεχνητής νοημοσύνης βελτιώνονται, η ακρίβεια αυτού του είδους ανάλυσης είναι πιθανό να αυξηθεί ακόμη περισσότερο. Η ελπίδα είναι ότι στο μέλλον, ο έλεγχος για τον καρκίνο θα μπορούσε να είναι τόσο απλός όσο η αποστολή ενός δείγματος κοπράνων, εντοπίζοντας την ασθένεια νωρίτερα, σώζοντας ζωές και μειώνοντας την ανάγκη για επεμβατικές διαδικασίες. Το μέλλον του ελέγχου για τον καρκίνο μπορεί να βρίσκεται στα βακτήρια του εντέρου μας, που περιμένουν να αποκωδικοποιηθούν από την τεχνητή νοημοσύνη.
