IPHOMED: széles körű fehérjeanalízis egyetlen székletmintából
Az új módszer a béltraktusban található szinte összes fehérjét egyszerre képes kimutatni, így úttörő módszer lehet például a gyulladásos bélbetegségek diagnózisában és terápiájában.
A Cell folyóiratban január 20-án jelent meg a Weizmann Institute kutatóinak cikke, amelyben egy olyan módszert ismertettek, amely egyetlen székletminta vizsgálatával egyszerre képes azonosítani a bélben található összes fehérjét – beleértve az élelmiszerekből, a saját szervezetből és a bélmikrobiomból származó proteineket is. A módszer ezáltal lehetővé teszi, hogy a fehérjék közötti kölcsönhatásokat eddig nem látott pontossággal és felbontással dekódoljuk.
A mostani vizsgálat célja a mikrobiom jellemzőinek minél szélesebb körű feltárása volt. Eran Elinav, a kutatás egyik társszerzője így nyilatkozott: “Túl akartunk lépni a DNS-szekvenáláson, a mikrobiom vizsgálatának szokásos módszerén. A DNS meg tudja ugyan mondani, hogy mely baktériumok vannak jelen a bélben, és potenciális aktivitásukra is rámutat, ám a baktériumfehérjék közvetlenül megmutathatják, hogy ezek a baktériumok aktívak-e, milyen tevékenységet végeznek, és hogyan hat a működésük az emberi szervezetre az egészséges működés és valamilyen betegség során.”
A fehérjék azonosítása, meghatározása egyrészt az igen változatos proteinek óriási száma, sokfélesége miatt jelent kihívást, másrészt pedig azért, mert az egyes baktériumfajok fehérjéi között nagyfokú hasonlóságok találhatók. Az emberi genomban található mintegy 20 ezer fehérjekódoló gén például milliós nagyságrendű fehérjevariációt eredményez; ezek azonosítása a meglévő fehérje-adatbázisok segítségével bonyolult és rendkívül időigényes lehet. A Weizmann Intézet új módszere részben a DNS-szekvenálás és a tömegspektrometria kombinálásával oldja meg ezt a kihívást, és végül egy kisebb, az adott betegre személyre szabott fehérjetérképet hoz létre.
Az IPHOMED (Integrated Proteo-genomics of HOst, MicrobiomE and Diet) névre keresztelt módszer lehetővé teszi a mikrobiom teljes tevékenységének dekódolását, mivel megmutatja, hogy a székletmintában lévő fehérjék mely baktériumtörzsektől származnak, és milyen mennyiségben vannak jelen. Ezenkívül azonosítani képes azokat a fehérjéket, amelyeket az emberi bélrendszer a mikrobiomból érkező szignálokra válaszul szekretál. Az ebből a két forrásból származó fehérjék együttesen alakítják ki a szervezet és a mikrobiom közötti kommunikáció atlaszát, például a betegséget okozó baktériumokkal vagy antibiotikumokkal való érintkezés során.
A módszer segítségével a Weizmann kutatói megállapították, hogy az emberi bélrendszer több tucat, eddig ismeretlen antimikrobiális peptidet képes kiválasztani, amelyek természetes antibiotikumként hatnak, elpusztítva a mikrobiomban lévő baktériumok egy részét, aktívan alakítva annak összetételét. Ez a felfedezés segíthet megmagyarázni, hogy miért egyedi az egyes emberek mikrobiomjának összetétele, ami a betegségekre való fogékonyságban mutatkozó különbségekhez vezet.
Amikor a kutatók úgy gondolták, hogy már elkészültek a módszer fejlesztésével, a székletminták fehérjéinek 97%-át voltak képesek azonosítani, ami kifejezetten magas aránynak tűnik ugyan, de az, hogy a maradék 3%-ot miért nem sikerült következetesen jellemezni, rejtélyesnek tűnt. A további vizsgálatok során azonban rájöttek ennek okára: ez a körülbelül 3% nem a mikrobiomból, és nem is a test szöveteiből származik, hanem a szervezetbe bevitt élelmiszerekből.
Ez a felfedezés azt sugallta, hogy a Weizmann-módszer talán képes lesz választ adni a táplálkozástudomány egy égető, régóta fennálló kérdésére, nevezetesen arra, hogy egy nem invazív eszköz álljon rendelkezésre egy adott beteg pontos étrendi jellemzőinek, legapróbb részleteinek feltárására. Ennek érdekében a csapat egy olyan adatbázist hozott létre, amely több száz élelmiszertermékben található fehérjét tartalmazott, és képes volt azonosítani az egyes élelmiszerekhez tartozó egyedi fehérjéket. Ezek a fejlesztések már lehetővé tették, hogy a székletmintákból példátlan pontossággal ki lehessen mutatni, mit evett az adott személy. Például, amikor egészséges önkéntesek két csoportjából – az egyik Németországban, a másik Izraelben – gyűjtött mintákra alkalmazták, a módszer mindkét populációban hasonló mértékű búzafogyasztást mutatott, de csak a német mintákban volt nagy mennyiségű sertéshúsból származó fehérje; ezzel szemben az izraeli mintákban a legtöbb húsfehérje baromfiból származott.
A kutatócsoport által végzett egyik kísérletben önkénteseket arra kértek, hogy meghatározott napokon fogyasszanak változatos étrendet, köztük mogyorót. A módszer nemcsak azt határozta meg pontosan, hogy mikor fogyasztották ezeket az élelmiszereket, hanem olyan érzékeny volt, hogy akár napi öt szem mogyoró elfogyasztására is rámutatott.
Egy másik kísérletben a kutatók pontosan nyomon tudták követni a gyomor-bélrendszeri betegségekben szenvedő emberek étrendjének változásait. Az egyik esetben a módszer helyesen azonosított egy frissen diagnosztizált cöliákiás gyermeket, aki nem tartotta be az előírt gluténmentes étrendet.
“A mi módszerünkkel meg lehetne állapítani, hogy valaki betartja-e a kóser előírásokat, vagy hogy valaki valóban olyan szigorúan vegetáriánus-e, mint amilyennek mondja magát” – fejtette ki némileg mosolyogva Elinav. “De komolyabbra fordítva a szót, a jelenleg is alkalmazott, hagyományos étrend-követési módszer, vagyis az önbevallás, közismerten pontatlan. Ha pontosabban és részletesebben ismerjük, hogy mit esznek az egyes betegek - még akkor is, ha étrendjük komplex, több összetevőből áll – az máris segíthet megállapítani, hogy a számos étrendi összetevő közül melyik hasznos az egészség szempontjából, és melyik jelenthet problémát.”
Hogy megvizsgálják új módszerük diagnosztikai és terápiás jellegű felhasználhatóságát, a kutatók a módszert gyulladásos bélbetegségben, IBD-ben szenvedő betegek székletmintáin alkalmazták. Az izraeli, német és amerikai vizsgálati résztvevők mintáinak elemzése lehetővé tette, hogy nagy molekuláris részletességgel dekódolják az emberi bél és a bélmikrobiom közötti megváltozott kölcsönhatásokat, amelyek a betegség kialakulásának hátterében állnak. A tanulmány több tucat új fehérje felfedezéséhez vezetett, amelyek potenciális jövőbeli célpontjai lehetnek a jelenleg gyógyíthatatlan betegség kezelésére szolgáló gyógyszereknek. A kutatók olyan emberi és bakteriális fehérjéket is azonosítottak, amelyeket együttesen felhasználva új biomarkerekké lehetne fejleszteni a betegség típusának diagnosztizálására, súlyosságának felmérésére és a betegség progressziójának nyomon követésére. Ezek az új “szondák”, markerek azt az ígéretet hordozzák magukban, hogy a jövőben kiegészíthetik a kalprotektint, a gyulladásos bélbetegség egyetlen klinikailag engedélyezett biomarkerét.
Ezenkívül a betegek étrendjének IPHOMED-elemzésével a kutatók képesek voltak számszerűsíteni a betegek IBD esetében alkalmazott étrenddel szembeni adherenciáját, és az ennek tükrében megvalósuló gyulladásos kontrollt. Sőt, noninvazív módszerüket sikerült alkalmazniuk a vékonybélben előforduló betegségek kimutatására is. Mivel a vékonybél köztudottan nehezen látható és hozzáférhető, ezeket a betegséget hagyományos módszerekkel igen komplikált, néha szinte lehetetlen kimutatni.
Írásunk az alábbi közlemények alapján készült:
Innovative method sheds light on the proteins behind gut health
Irodalmi hivatkozás:
Valdés-Mas, R., et al. (2025). Metagenome-informed metaproteomics of the human gut microbiome, host, and dietary exposome uncovers signatures of health and inflammatory bowel disease. Cell. doi.org/10.1016/j.cell.2024.12.016.
