Utilisant les données de plus de 3 000 échantillons de nourrissons dans le monde, cette étude révolutionnaire révèle les secrets du développement du microbiome intestinal, ouvrant la voie à de meilleurs diagnostics de santé infantile à l’échelle mondiale.
Étude : La succession microbienne au début de la vie dans l’intestin suit des schémas communs chez les humains à travers le monde. Crédit d'image : Studio de couronne boréale/Shutterstock
Dans une étude récente publiée dans la revue Communications naturellesles chercheurs ont caractérisé des modèles de colonisation microbienne intestinale généralisables au début de la vie.
Le microbiome intestinal humain est un écosystème de microbes divers qui interagissent les uns avec les autres et forment des partenariats avec l’hôte. Le tractus gastro-intestinal d'un nourrisson est colonisé pour la première fois à la naissance et une succession microbienne s'ensuit au cours des premières années de la vie. L’exposition environnementale et l’histoire naturelle façonnent les aspects de cette succession qui dépendent de l’âge.
Les colonisateurs initiaux comprennent des microbes qui métabolisent les oligosaccharides présents dans le lait maternel et récupèrent les molécules simples. Plus tard, l’introduction d’une alimentation solide et diversifiée a ouvert la voie à une communauté microbienne plus diversifiée. Les modèles récurrents de colonisation et de succession à travers les étapes de la vie ont révélé des liens cohérents entre le développement du microbiome et la chronologie.
Des associations substantielles avec la santé pourraient survenir lorsque la communauté microbienne intestinale ne correspond pas au stade attendu pour l'âge d'un enfant. Pour mesurer cette inadéquation temporelle, une trajectoire de développement de référence du microbiome intestinal au début de la vie et une méthode pour mesurer l’écart par rapport à une telle trajectoire sont nécessaires. Une solution consiste à développer des modèles d’estimation de l’âge à l’aide de séquences microbiennes intestinales. De tels modèles pourraient également aider à élucider un développement intestinal normatif et sain.
L'étude et les résultats
Dans la présente étude, les chercheurs ont estimé l’âge de l’enfant à l’aide de l’abondance relative des microbes intestinaux provenant des métagénomes. Premièrement, ils ont examiné les trajectoires de développement du microbiome intestinal du nourrisson à l’aide d’un ensemble de données regroupant plus de 3 000 échantillons de selles séquencés avec un séquençage métagénomique par fusil de chasse provenant de 1 827 nourrissons en bonne santé dans le cadre de 12 études. Les échantillons comprenaient une large représentation de pays à revenu élevé et faible afin d'améliorer la robustesse du modèle. Les métagénomes sont présents dans 12 pays sur quatre continents. Les échantillons collectés entre 2 et 18 mois ont été inclus.
Les chercheurs ont formé un modèle forestier aléatoire à quintuple validation croisée sur des caractéristiques dérivées de la composition de la communauté microbienne ; les entrées étaient la diversité α (indice de Shannon) et les abondances relatives des espèces présentes dans ≥ 5 % des échantillons. Cette analyse comprenait 3 153 échantillons et 149 espèces. Le modèle a généré des prédictions atteignant une corrélation de Pearson de 0,8 et une erreur quadratique moyenne (RMSE) de 2,56 mois avec des valeurs de vérité terrain. La robustesse du modèle a ensuite été validée à l'aide d'une validation croisée sans un ensemble de données et d'un ensemble de données externe, ce qui a donné des scores RMSE cohérents.
Ensuite, l’équipe a analysé l’importance des variables pour identifier les principales caractéristiques prédictives. Les 35 prédicteurs les mieux classés, soit 23 % des entrées, représentaient 70 % de l'importance cumulée des variables. Parmi ceux-ci, 25 étaient en corrélation positive avec l’âge, tandis que 10 étaient en corrélation négative. L’indice de Shannon, une mesure de la diversité microbienne, est devenu le troisième prédicteur le plus important, reflétant la complexité croissante du microbiome intestinal avec l’âge. De plus, tous les principaux taxons prédictifs, sauf un, étaient présents dans toutes les principales cohortes.
En outre, Anaérostipes hadrus et Faecalibacterium prausnitzii étaient les taxons avec les scores de prédiction les plus élevés dans toutes les cohortes. Individuellement, ces espèces étaient en corrélation positive avec l'âge. À l’inverse, un autre groupe de prédicteurs important, notamment Bifidobactérie courte et Bifidobactérie longuea montré une corrélation négative avec l’âge. De même, spécifique Lachnospiracées les espèces formaient également un autre groupe de prédicteurs important, en corrélation négative avec l'âge.
Ensuite, une validation croisée sans intervention a été réalisée pour évaluer la généralisabilité du modèle à travers les sources de données. Ainsi, de nouvelles versions du modèle original ont été formées, excluant chaque source de données. Cela a donné un RMSE moyen de 3,03 mois. De plus, la validation sur un ensemble de données indépendant comprenant 66 métagénomes infantiles a produit un RMSE de 1,55 mois, démontrant la capacité du modèle à généraliser au-delà de ses données d'entraînement.
L’équipe a regroupé un sous-ensemble d’échantillons par emplacement et les a regroupés par âge pour estimer les prévalences mensuelles des 34 principaux prédicteurs taxonomiques de la chronologie intestinale. Cela a révélé des schémas de succession remarquablement similaires entre tous les sites, ce qui suggère que de nombreux schémas de succession étaient probablement universels.
Enfin, l’équipe a mesuré la cohérence de la direction des transitions d’abondance des nombres de commissions enzymatiques (CE) entre les spécimens antérieurs et ultérieurs du même individu. En tant que tel, un score de transition a été généré en combinant la prédominance et la direction de ce changement d’abondance. La transaldolase était la CE la moins performante, suivie de la succinate coenzyme A ligase et de la pyridoxal kinase.
La stratification des CE diminuant en abondance avec l'âge a montré une prépondérance des fonctions associées à B. brève, B. longum, Escherichia coliet Ruminococcus gnavus. En revanche, la protéine ribosomale S12 méthylthiotransférase était la CE la plus performante, suivie de la coproporphyrinogène déshydrogénase.
La stratification des CE augmentant en abondance avec l'âge a montré une gamme plus diversifiée d'anaérobies fastidieux, tels que F. prausnitzii, Blautia wexlerae, A. hadrus, Blautia obéum, Prevotella copriet Dorea longicatena. Par rapport aux études antérieures, la liste des 1,5 % des CE les plus riches comprenait également de nouvelles transitions, telles que l’augmentation de la malate déshydrogénase et la diminution de la pyridoxal kinase, soulignant l’évolution alimentaire et fonctionnelle.
Conclusions
Les résultats indiquent que la succession microbienne dans le microbiome intestinal au début de la vie pour les taxons clés suit des modèles communs dans les contextes socio-économiques et géographiques. Ces modèles étaient suffisamment cohérents et robustes pour être appris par un modèle d’âge du microbiome, permettant ainsi une généralisation au-delà des limites des cohortes. Les analyses fonctionnelles ont corroboré les tendances des gènes microbiens impliqués dans les expositions alimentaires et les transitions alimentaires.
Malgré ces atouts, l’étude a noté des limites, notamment l’exclusion des métadonnées sur les pratiques alimentaires et les facteurs socio-économiques, qui auraient pu améliorer encore la précision du modèle. Dans l’ensemble, le modèle a fourni une référence normative « d’âge du microbiome » pour évaluer la maturation intestinale précoce.
