Исследования микробиома человека и животных зоопарка открывают путь к разработке новых лекарств
Микроорганизмы колонизируют тело млекопитающих не только во время инфекций. Миллиарды микробов постоянно присутствуют на поверхности и внутри здоровых людей и животных, общаясь друг с другом с помощью химических сигналов и влияя на здоровье.
В двух исследованиях, опубликованных в Nature Communications, учёные из Института фармацевтических исследований Гельмгольца в Саарланде (HIPS), Саарского университета и Университетской клиники Саара провели детальное изучение микробиома (совокупности всех микроорганизмов) человека и животных зоопарка. Цель — найти отправные точки для стратегий лечения и диагностики заболеваний. HIPS является площадкой Центра исследования инфекций Гельмгольца (HZI) в сотрудничестве с Саарским университетом.
Идея использования микроорганизмов как источника новых действующих веществ не нова. Многие лекарства уже созданы на основе натуральных продуктов бактерий и грибов. В своей естественной среде, например в почве, они конкурируют за ресурсы и используют химические сигналы для получения преимущества. Поэтому неудивительно, что большая часть антибиотиков на рынке основана на натуральных продуктах микроорганизмов.
Междисциплинарная исследовательская группа из HIPS, Саарского университета и Университетской клиники Саара поставила цель найти натуральные продукты и для лечения неинфекционных заболеваний. Вместо поиска в почве команда ищет непосредственно в бактериях, колонизирующих людей и животных и играющих роль в развитии болезней. Этот подход также является центральным компонентом планируемого кластера передового опыта nextAID³, положительно оценённого Немецким научно-исследовательским обществом (DFG).
Основой для масштабного поиска новых действующих веществ стали две когорты:
- В исследовании "IMAGINE" учёные собрали почти 2000 образцов от здоровых людей и пациентов с различными заболеваниями. Поскольку при разных болезнях могут поражаться разные части микробиома, исследовали микробиом слюны, зубного налёта, стула, а также глаза, горла и кожи.
- Во втором исследовании команда изучила микробиом животных в Зоопарке Саарбрюккена и сравнила его с микробиомом диких животных. Цель этой меньшей когорты — показать, что микробиом животных также может быть потенциальным источником новых натуральных продуктов.
Собранные образцы обработали и подвергли метагеномному секвенированию. Этот метод позволяет генетически идентифицировать все организмы в образце и определить их количество. Если определённый штамм бактерий присутствует в большем или меньшем количестве при конкретном заболевании, он потенциально может быть вовлечён в его развитие или течение.
В проанализированных данных команда, включавшая биоинформатика Андреаса Келлера, микробиолога Зёрена Беккера, пульмонолога Роберта Бальса и фармацевта Рольфа Мюллера, обнаружила множество бактерий, для которых такое поведение характерно. Кроме того, с помощью биоинформатических анализов удалось выявить генетические "чертежи" (так называемые кластеры генов биосинтеза) натуральных продуктов, связанных с исследуемыми заболеваниями.
"Для нас эти данные — научная золотая жила. Мы до сих пор не знаем, какие натуральные продукты кодируют большинство из вновь идентифицированных кластеров генов", — говорит Андреас Келлер, руководитель отдела в HIPS и профессор клинической биоинформатики Саарского университета.
Собранные данные обрабатываются в недавно созданной базе данных ABC-HuMi. Эта база уже содержит дополнительные данные о микробиоте человека, что позволит обнаружить множество новых натуральных продуктов и использовать их как основу для разработки лекарств.
Теперь задача фармацевтов, биологов и химиков HIPS — превратить цифровые данные в реальные натуральные продукты. Над экспериментальной валидацией 50 наиболее перспективных кластеров генов сейчас работают шесть исследовательских групп.
"Знание генетического чертежа натурального продукта — только первый шаг. Мы усердно работаем над переносом этих чертежей в бактерии, которые будут использовать их для производства закодированных натуральных продуктов", — говорит профессор Рольф Мюллер, научный директор HIPS, соавтор двух опубликованных исследований.
Полученные данные отражают огромное биоразнообразие, до сих пор не изученное. Следующий шаг — использовать этот потенциал. Технологии, созданные за последние 15 лет для разработки антибиотиков, теперь можно эффективно применять и для других показаний.
В то время как основное направление исследований в HIPS — противомикробные средства, разработка терапевтиков для неинфекционных заболеваний будет вестись в рамках PharmaScienceHub. Эта платформа сотрудничества, созданная в 2023 году между HIPS и Саарским университетом, объединяет участников из академических исследований и фармацевтической промышленности для ускорения трансляции результатов фундаментальных исследований в медицинские применения.