Qu’ils soient malades ou en bonne santé, les milliards de micro-organismes qui habitent nos intestins sont nos compagnons constants tout au long de la vie. Au cours des dernières décennies, les scientifiques ont montré comment la nature de ce « microbiome » peut fournir des indices précieux sur les maladies humaines et leur traitement.
Une nouvelle étude du groupe Bork de l'EMBL Heidelberg, récemment publiée dans la revue Cellule, rapporte qu'un certain nombre de conditions, telles que le mode de vie et la maladie, affectent le nombre total de microbes dans l'intestin, ce qui en fait une mesure souvent négligée qui mérite une évaluation plus approfondie dans la recherche sur le microbiome intestinal.
De la composition aux charges
Lorsqu’ils étudient les microbiomes, les chercheurs ont tendance à se concentrer davantage sur la composition microbienne – la proportion relative de différentes espèces de microbes (généralement des bactéries et des archées, mais aussi des protistes, des virus et d’autres micro-organismes). Cela nous indique, par exemple, si le niveau d’une espèce de bactérie augmente ou diminue par rapport à d’autres espèces dans les intestins de certaines maladies.
Pour illustrer cela, imaginez que seulement 1 000 bactéries vivent dans votre intestin. Chez les individus en bonne santé, cela pourrait inclure 10 bactéries d’espèce « rouge » et 20 bactéries d’espèce « bleue », on pourrait donc dire que les bactéries rouges représentent 2 % du microbiome tandis que les bactéries bleues en représentent 5 %. Cependant, chez les personnes atteintes d’une maladie particulière, nous pouvons remarquer que les bactéries rouges représentent 4 % du microbiome – une augmentation relative, tandis que les bactéries bleues restent à 5 %. On pourrait alors émettre l’hypothèse que les bactéries rouges sont associées à cette maladie.
D’autre part, la charge microbienne fait référence à la densité des microbes à l’intérieur de nos intestins. Expérimentalement, il est déterminé comme le nombre de cellules microbiennes par gramme de matières fécales. Contrairement à la composition microbienne, il s’agit d’une quantité absolue. Dans l’exemple ci-dessus, imaginez que le nombre total de bactéries chute à 500 à cause d’une maladie. En regardant les chiffres absolus, il est possible que le nombre de bactéries rouges soit resté le même tandis que le nombre de bactéries bleues a diminué.
Les scientifiques ne prennent généralement en compte que la composition microbienne lorsqu’ils effectuent des études sur le microbiome, car les méthodes expérimentales actuelles de mesure des charges microbiennes sont à la fois longues et coûteuses.
Utiliser l’apprentissage automatique pour rendre les études sur le microbiome plus robustes
« Nous voulions développer une nouvelle méthode ne nécessitant aucune méthode expérimentale supplémentaire pour quantifier la charge microbienne », a déclaré Suguru Nishijima, premier auteur de l'étude et postdoctorant au sein du groupe Bork. « Nous avons eu accès à de vastes ensembles de données contenant à la fois la composition microbienne et les données de charge microbienne mesurées expérimentalement. Nous voulions voir si nous pouvions les utiliser pour former un modèle d'apprentissage automatique afin d'estimer la charge microbienne en fonction de la seule composition microbienne. »
Les ensembles de données utilisés pour cet exercice proviennent de GALAXY/MicrobLiver et des consortiums Metacardis – des projets à grande échelle financés par l'UE auxquels le groupe Bork a déjà contribué. Tirées de plus de 3 700 individus, ces données constituaient un moyen idéal pour tester si un modèle d’apprentissage automatique pouvait être formé pour estimer le nombre total de microbes dans un échantillon.
Et en effet, le modèle créé par Nishijima et ses collègues pouvait prédire de manière robuste les charges microbiennes, ce qu'ils ont validé à l'aide d'un nouvel ensemble de données que le modèle n'avait jamais rencontré auparavant. Sachant que le modèle fonctionnait, les chercheurs l'ont ensuite appliqué à un vaste échantillon de plus de 27 000 individus, issus de 159 études antérieures menées dans 45 pays.
Ils ont découvert que de nombreux facteurs peuvent influencer la charge microbienne. Par exemple, la diarrhée peut réduire le nombre de microbes dans l’intestin, tandis que la constipation peut les augmenter. Les femmes ont, en moyenne, une charge microbienne plus élevée que les hommes (peut-être liée au constat que les femmes souffrent souvent de constipation plus fréquemment que les hommes), tandis que les jeunes ont une charge microbienne moyenne plus faible que les personnes âgées. De nombreuses maladies, ainsi que les médicaments utilisés pour les traiter, modifient considérablement la charge microbienne.
« Il est important de noter que de nombreuses espèces microbiennes que l'on pensait auparavant associées à la maladie étaient plus fortement expliquées par des variations de la charge microbienne. Ces résultats suggèrent que les changements dans la charge microbienne, plutôt que la maladie elle-même, pourraient être à l'origine de modifications du microbiome chez les patients ». dit Nishijima. « Cependant, certaines associations maladie-microbe subsistent, ce qui montre qu'elles sont vraiment robustes. Cela confirme encore l'importance d'inclure la charge microbienne dans les études d'association microbiome pour éviter les faux positifs ou les faux négatifs. »
Grâce au nouveau modèle d’apprentissage automatique développé par ces scientifiques – le premier à prédire les charges microbiennes à partir des données de composition – les scientifiques peuvent désormais inclure ce facteur important dans les futures études sur le microbiome intestinal. Le modèle est librement et librement accessible aux chercheurs du monde entier pour le tester et le réutiliser.
Cela pourrait également avoir des implications bien au-delà du microbiome intestinal.
Nos océans, nos sols, nos rivières regorgent tous de microbes, et la compréhension de ces microbiomes pourrait fournir des informations précieuses pour aider à préserver la santé de notre planète. Cette étude nous montre que la charge microbienne est une mesure importante qui doit être prise en compte dans de telles études. Ainsi, nous travaillerons à traduire les connaissances sur le microbiome intestinal à d’autres habitats. »
Peer Bork, chef de groupe et directeur à l'EMBL Heidelberg et auteur principal de l'étude
