Czy sztuczna inteligencja potrafi wskazać szczepy o potencjale probiotycznym dla pochwy?

Gdy wybieramy probiotyk dopochwowy, możemy zobaczyć na etykiecie nazwę gatunku i założyć, że bakterie tego gatunku mają określone korzystne właściwości. Nowe badanie¹ sprawdza, czy takie założenie jest uzasadnione: czy potencjał funkcjonalny Lactobacillus crispatus jest właściwością całego gatunku, czy poszczególnych szczepów, które zbyt pochopnie traktowaliśmy jako jedną grupę?

Czterdzieści siedem wersji jednego gatunku

Zespół zebrał 1126 izolatów bakteryjnych z wymazów z pochwy pobranych od 36 zdrowych kobiet w wieku od 18 do 30 lat. Okazało się, że 639 z nich to Lactobacillus crispatus. Analiza filogenomiczna pozwoliła podzielić te 639 izolatów na 47 odrębnych kladów, ujawniając znaczne zróżnicowanie w obrębie gatunku. Wśród 639 izolatów pangenom obejmował 4482 rodziny genów, z czego 1579 należało do genomu rdzeniowego. Pokazuje to znaczne zróżnicowanie genetyczne w obrębie L. crispatus, mimo ogólnie zachowanej struktury genomu.

Zróżnicowanie to ma znaczenie nie tylko z naukowego punktu widzenia – szczepy różniły się obecnością i liczbą kopii genów kodujących pullulanazę (PulA), (PulA), enzym uczestniczący w rozkładzie glikogenu, który może pomagać L. crispatus wykorzystywać to źródło węgla w środowisku pochwy. Istniejące obecnie narzędzia do ogólnej oceny potencjału probiotycznego mogą mieć trudności z uchwyceniem tych różnic na poziomie szczepu. Gdy badacze poddali szczepy analizie za pomocą istniejącego narzędzia iProbiotics, niemal każdy z nich uzyskał wysoki wynik – średnio 97,58%. Pokazuje to, jak trudno za pomocą obecnych, ogólnych metod przewidywania potencjału probiotycznego rozróżnić właściwości funkcjonalne poszczególnych szczepów.

Cechy wyróżniające szczepy o większym potencjale funkcjonalnym

Następnie badacze przebadali 67 reprezentatywnych szczepów pod kątem pięciu cech ocenianych in vitro, które mogą mieć znaczenie kliniczne i są uznawane za istotne dla potencjału probiotycznego w środowisku pochwy: zdolności do wzrostu, stopnia zakwaszania środowiska, ilości wytwarzanego kwasu mlekowego i nadtlenku wodoru oraz zdolności do hamowania patogenów bytujących w pochwie. Wyniki znacznie się różniły. Ilość wytwarzanego kwasu mlekowego wahała się od 2,02 do 10,29 g/l, a stężenie nadtlenku wodoru – od 9,39 do 18,3 µmol/l, choć wszystkie szczepy należały do tego samego gatunku. Końcowe pH wynosiło od 3,8 do 4,45, co oznacza, że wszystkie szczepy zakwaszały swoje środowisko, ale nie w takim samym stopniu.

Szczepy różniły się również zdolnością do hamowania Gardnerella vaginalis – bakterii związanej z bakteryjnym zapaleniem pochwy. Średnia wielkość strefy zahamowania wzrostu wynosiła 15,35 mm, ale między poszczególnymi szczepami różniła się o kilka milimetrów. Badacze połączyli tych pięć pomiarów w jeden wynik, przypisując największą wagę – 30% – zdolności szczepu do hamowania patogenów związanych z bakteryjnym zapaleniem pochwy. Następnie podzielili szczepy według mediany na dwie grupy: grupę o większym potencjale funkcjonalnym, oznaczoną jako Lcris-SFS, oraz grupę o mniejszym potencjale funkcjonalnym. Trzy szczepy, które uzyskały najwyższe wyniki, są obecnie testowane na zwierzętach oraz we wczesnych badaniach klinicznych.

Model odczytujący potencjał funkcjonalny z genomu

Aby uniknąć wielomiesięcznych prac związanych z hodowlą laboratoryjną, badacze stworzyli model komputerowy o nazwie VLCPredictor. Model analizuje krótkie fragmenty DNA z genomu każdego szczepu, a następnie spośród 349 184 takich fragmentów wybiera 534 najbardziej informacyjne. Na ich podstawie przewiduje potencjał funkcjonalny szczepu, pomagając badaczom wyłonić kandydatów do dalszych badań eksperymentalnych. Przetestowano osiem metod predykcji. Najlepiej działający model, oparty na lesie losowym (random forest), osiągnął średnią powierzchnię pod krzywą w zakresie rozróżniania szczepów o większym i mniejszym potencjale funkcjonalnym wynoszącą 0,742. Po zastosowaniu do 103 opublikowanych genomów model wskazał około 76% szczepów pochodzących od zdrowych kobiet jako szczepy o wyższym przewidywanym potencjale funkcjonalnym. W przypadku szczepów pochodzących od kobiet z bakteryjnym zapaleniem pochwy odsetek ten wynosił zaledwie 31%. Model ten nie jest jednak doskonały: został wytrenowany na genomach pochodzących z jednego regionu i od jednej grupy etnicznej, a tylko 16 genomów pochodziło od kobiet z bakteryjnym zapaleniem pochwy. Konieczna jest więc dalsza walidacja. Znaczenie doboru na poziomie szczepu pokazują również wcześniejsze badania kliniczne cytowane przez autorów: jeden probiotyk oparty na L. crispatus zmniejszał częstość nawrotów bakteryjnego zapalenia pochwy po leczeniu antybiotykami, natomiast inna kombinacja probiotyków zawierających bakterie z rodzaju Lactobacillus nie poprawiła odsetka wyleczeń w osobnym badaniu. 

Wyniki tego badania nie oznaczają, że na podstawie predykcji genomowej można już wybrać probiotyk dla konkretnej pacjentki. Badanie podkreśla natomiast znaczenie charakterystyki na poziomie szczepu: samo przynależenie do gatunku kojarzonego z dobrym stanem zdrowia, takiego jak L. crispatus, nie oznacza, że wszystkie jego szczepy mają takie same właściwości funkcjonalne. VLCPredictor może pomóc badaczom wyłonić kandydatów o największym potencjale, ale zanim takie przewidywania będzie można wykorzystać w praktyce, konieczne są dalsze badania in vivo i walidacja kliniczna.