(Microbioma-Immagine Credit: ChrisChrisW / iStock / Getty Images Plus).
Microbioma: verso una nuova fase della ricerca per interrogare il microbioma e per trovare risposte alle malattie.
Negli ultimi due decenni di ricerca sul microbioma, gli scienziati hanno accumulato una vera guida sul campo per questi microbi che vivono su, dentro e intorno a noi e hanno iniziato a capire il ruolo fondamentale che i microbi giocano nella nostra digestione e nel nostro sistema immunitario, così come il loro contributo alla salute e alla malattia.
“Penso che la ricerca sul microbioma stia entrando in una nuova entusiasmante fase in cui possiamo iniziare a legare le cose insieme per avere una comprensione più solida dei meccanismi di ciò che sta accadendo ai microbi negli esseri umani nel tempo e di come si relazionano alla malattia”, ha detto Georg Gerber, Prof. presso la Harvard Medical School di patologia e capo della divisione di patologia computazionale presso il Brigham and Women’s Hospital.
Gerber ha concentrato gli ultimi dieci anni sulla creazione di biologia computazionale e metodi di apprendimento automatico, applicandoli per comprendere meglio il ruolo che questi microbi svolgono nella salute e nella malattia, con l’idea di intervenire per correggere gli squilibri del microbiota che sono stati collegati a una gamma crescente di disturbi, inclusi obesità, diabete e cancro.
Gerber ha ideato nuovi modelli e metodi computazionali per indagare su come la mancanza o la presenza di determinati batteri potrebbe portare ad allergie alimentari e prevedere la ricorrenza dell’infezione da C. difficile nei pazienti.
In un recente progetto, lui e il co-ricercatore principale Harris Wang della Columbia University hanno creato nuove tecnologie per decifrare le regole che governano la colonizzazione e il mantenimento di queste comunità microbiche estremamente complesse nel tempo.
I ricdercatori stanno analizzando il livello genetico dei microbi con le ultime tecnologie di biologia sintetica create da Wang. Stanno anche facendo un passo indietro per acquisire un’immagine più olistica di come i microbi si comportano nel tempo e in quali luoghi, applicando gli strumenti computazionali che Gerber ha escogitato per trovare un significato da enormi quantità di dati.
Chiave della collaborazione per comprendere il microbioma
“Affinché questa prossima fase di ricerca abbia successo, richiederà questo tipo di collaborazioni che abbracciano la parte computazionale con il modo creativo ad alto rendimento di guardare ai problemi biologici”, ha commentato Gerber. In passato ha collaborato con Wang, che lavorava nel laboratorio di George Church all’HMS.
Gerber e Wang stanno usando un modello murino per vedere cosa succede quando nuovi microbi vengono aggiunti al microbiota esistente di un topo, esaminando quali microbi colonizzano, quali sono esclusi e perché si verifica la colonizzazione o l’esclusione. Stanno anche osservando cosa succede alla miscela di microbi quando i topi, messi in gabbia separatamente e ciascuno con la propria combinazione unica di microbi, vengono messi insieme ad altri nella stessa gabbia.
Con le tecnologie sperimentali che i ricercatori stanno mettendo a punto, Gerber spera anche di determinare se la posizione dei microbi nell’intestino fa la differenza. Ad esempio, c’è una differenza nei microbi situati vicino alle cellule epiteliali, che sono parte integrante della diafonia tra i microbi e il sistema immunitario dell’ospite?
“Se riusciamo a fare progressi nella comprensione di questi meccanismi e ruoli, penso che possano darci intuizioni reali su terapie che funzioneranno per una serie di malattie infettive, malattie autoimmuni come l’artrite reumatoide e altre malattie legate al microbioma”, ha detto Gerber.
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Gerber, insieme a Lynn Bry, Professore associato di patologia dell’HMS e Direttore del Massachusetts Host-Microbiome Center a Brigham and Women’s e Talal Chatila, HMS Denise e David Bunning Professor of Pediatrics in the Field of Allergy and Immunology presso il Boston Children’s Hospital, hanno utilizzato le loro scoperte per sviluppare un cocktail di batteri per cercare di ripristinare gli equilibri microbici e sviluppare una potenziale cura per le allergie alimentari.
Gerber ritiene che sia fondamentale comprendere i meccanismi e quindi prevedere cosa accade quando gli scienziati eseguono gli interventi. “È un sistema molto complicato, quindi non puoi semplicemente osservare ciò che accade empiricamente”, ha detto il ricercatore. “Mirare a una parte del sistema può avere effetti a cascata in tutto il sistema. Per giovare alla salute, devi essere in grado di comprendere le regole e i meccanismi “.
Il laboratorio di Gerber ha creato un nuovo strumento, MDSINE2, per prevedere il comportamento e le dinamiche di centinaia di microbi contemporaneamente, un successo significativo rispetto a ciò che le attuali tecnologie possono fare. Per un altro progetto, il team ha sviluppato un algoritmo chiamato MITRE, che consente di osservare il microbioma nel tempo e di prevedere, ad esempio, se qualcuno avrà o meno allergie alimentari.
Queste tecnologie non solo hanno implicazioni per la salute umana, ma possono anche aiutare gli scienziati a comprendere altri ecosistemi microbici. In futuro, i campioni dal suolo o dai bacini idrici potrebbero essere “interrogati” utilizzando i metodi molecolari di Wang e gli strumenti di calcolo di Gerber.
Questo potrebbe persino fornire indizi per comprendere batteri come E. coli che non rimangono solo nell’intestino umano, ma circolano nell’ambiente, nell’uomo e in altri animali.
Oltre alla ricerca computazionale dedicata allo sviluppo tecnologico, il laboratorio di Gerber ha molti progetti attivi in corso che hanno applicazioni cliniche. Ha una serie di progetti relativi all’infezione da C. difficile, in collaborazione con Bry, che secondo lui porta una profonda comprensione della microbiologia microbica e dell’ospite e Jessica Allegretti, assistente Prof.ssa di medicina dell’HMS, gastroenterologa e Direttrice del Crohn’s and Colitis Centro al Brigham and Women’s Hospital.
