Mikrobiom alapú, nem invazív diagnosztika IBD esetén

Kutatás célja és a vizsgálat módszerei:

A kutatás célja egy olyan diagnosztikai modell létrehozása volt, amely a bélmikrobiom összetételét felhasználva pontosabban és kíméletesebben ismeri fel az IBD-t, mint a jelenlegi nem-invazív módszerek. Ennek érdekében a kutatók 5 979 székletmintát elemeztek, melyek IBD-ben szenvedő és IBD-ben nem szenvedő személyektől származtak, ráadásul különböző földrajzi helyekről és etnikai háttérrel[3][4]. A minták nyolc különböző populációból származtak (összesen 11 országot lefedve), így a modell transzetnikus érvényességét is vizsgálni tudták[5][6]. A kutatók metagenomikai szekvenálást alkalmaztak (ez a módszer a mintában található összes mikroba (baktériumok, vírusok és gombák) genetikai anyagának feltérképezését jelenti) a székletmintákban található baktériumfajok azonosítására. Összesen több mint ezer különböző mikrobafajt detektáltak, és ezek közül keresték meg azokat, amelyek jelenléte vagy hiánya jellemző az IBD-re[7][8].

A hatalmas adathalmaz elemzésére gépi tanulási modelleket használtak. Először azonosították, mely baktériumfajok fordulnak elő szignifikánsan eltérő mennyiségben IBD-s betegekben a nem IBD-s kontrollokhoz képest. Ezt statisztikai módszerekkel tették (MaAsLin2 algoritmus, mely korrigált az olyan tényezőkre is, mint a kor és nem)[9]. Így derült ki, hogy Crohn-betegségben 161, míg colitis ulcerosában 126 baktériumfaj mutatott eltérést az egészségesekhez képest [10]. Ezek közül választották ki azt a néhány fajt, amely a legjobban elkülöníti az IBD-s és nem IBD-s csoportokat.

Mikrobiom eltérések IBD-ben – kulcsfontosságú baktériumok

Az eredmények megerősítették, hogy az IBD-ben szenvedő betegek bél-mikrobiomja jelentősen eltér az egészségesekétől. Az IBD-s betegek bélflórájának diverzitása (fajgazdagsága) csökkent, és bizonyos jótékony baktériumok száma visszaesett, míg néhány potenciálisan káros baktériumé megnőtt[11][12]. Például Crohn-betegségben a kutatók azt találták, hogy:

• Ruminococcus inulinivorans szintje kifejezetten alacsony volt (ez egy rostbontó baktérium, mely rövid szénláncú zsírsavakat termel, amik gyulladáscsökkentő hatásúak a bélben)[11][13]. Ennek a jótékony baktériumnak a hiánya összefügghet a bél védő funkcióinak gyengülésével és a krónikus gyulladás fenntartásával.
• Ezzel szemben Escherichia coli (E. coli) túlszaporodást figyeltek meg (ez egy közismert baktérium, aminek bizonyos törzsei kórosan tapadnak a bélfalhoz és gyulladást provokálhatnak). Az ún. adherens-invazív E. coli törzseket a Crohn-betegek több mint felének belében kimutatták a kutatók[14][12], és ezek a kórokozók hozzájárulhatnak a bélflóra egyensúlyának felborulásához (dysbiosis) és a gyulladás fellángolásához.
• Továbbá Crohn-betegségben Proteobacteria törzsbe tartozó baktériumok – például egyes Streptococcus fajok – is nagyobb számban voltak jelen[11], míg több hasznos baktérium (ilyen például a Blautia obeum vagy a Roseburia intestinalis) hiányzott a szokásos mennyiségben[14][13].

Colitis ulcerosában is hasonló a helyzet: itt is találtak több olyan baktériumot, ami nagyobb számban fordult elő, és olyat is, ami szinte eltűnt a betegek beléből a kontrollokhoz képest[15][16]. Például:

• Bacteroides fragilis – ez egy gyakori bélbaktérium – gyakrabban és nagyobb arányban volt jelen colitis ulcerosás betegek székletében[15]. Érdekes módon a B. fragilis bizonyos törzsei toxinokat termelhetnek, amelyek hozzájárulhatnak a bélgyulladás fenntartásához[12].
• Ugyanakkor jótékony baktériumok, mint a Clostridium leptum csoport tagjai, csökkentek a colitis ulcerosás betegekben[17]. Ezek a baktériumok normálisan segítenek a rostok fermentálásában és a bél nyálkahártya védelmében, így hiányuk negatívan befolyásolhatja a bél egészségét.

A sok azonosított mikrobafaj közül a kutatók 10 baktériumfajt választottak ki biomarkerként a colitis ulcerosa, és 9 fajt a Crohn-betegség diagnosztikai modelljéhez[18][19]. A kiválogatott fajok között voltak fokozottan jelen lévő (ún. gazdagodott) fajok és lecsökkent mennyiségű (vagyis kivált fajok) is, tükrözve, hogy mind a “rossz” baktériumok elszaporodása, mind a “jó” baktériumok hiánya jellemző az IBD-re. A colitis ulcerosa esetében például az Actinomyces egyik szájüregi faja (Actinomyces sp. oral taxon 181) és a Clostridium spiroforme nevű baktérium kerültek be a panelbe mint a betegeknél gyakoribb mikrobák, míg a Fusicatenibacter saccharivorans, Odoribacter splanchnicus és más hasznos baktériumok a betegekben jóval ritkábbak voltak[20]. A Crohn-panelben szerepelt többek között az E. coli és a B. fragilis (melyek tehát a Crohn-betegekben gyakoribbak), továbbá olyan jótékony baktériumok, mint a Ruminococcus inulinivorans és Blautia obeum, melyeknek a hiánya volt árulkodó a Crohn esetén[13]. Érdemes megjegyezni, hogy a kutatás újonnan azonosított kórokozókat is felfedezett: például egy szájüregi baktériumot (Actinomyces sp. oral taxon 181), amelyről most derült ki először, hogy mind Crohn-ban, mind colitisben felszaporodhat a bélben[21]. Felmerül, hogy az ilyen baktériumok a szájból juthatnak el a béltraktusba és ott gyulladást indíthatnak be[21].

Diagnosztikai modellek teljesítménye (AUC értékekkel)

Miután kiválasztották a 10+9 legfontosabb baktériumfajt, a kutatók gépi tanulási algoritmussal (random forest módszerrel) diagnosztikai modelleket készítettek. Külön modellt hoztak létre colitis ulcerosa és Crohn-betegség felismerésére, melyek a kiválasztott baktériumok mennyisége alapján adtak diagnózist[19][22]. A modelleket először a saját (felfedező) adataikon tanították és tesztelték: az eredmény rendkívül biztató volt.

• Colitis ulcerosa modell: a 10 baktériumból álló panel a betegeket majdnem 95%-os pontossággal (AUC = 0,90-0,95) különítette el az egészséges kontrolloktól a saját adatokon[22]. Az AUC (a görbe alatti terület értéke) a diagnosztikai tesztek pontosságát jelzi 0 és 1 között (1,0 egy tökéletesen pontos tesztet jelent). Itt tehát nagyon magas, 0,9 feletti AUC-t értek el, ami azt mutatja, hogy a mikrobiom alapú modell kiválóan ismerte fel a colitis ulcerosás eseteket[23]. A modell érzékenysége (a betegek helyes azonosítása) kb. 88%, specifitása (a nem betegek helyes kizárása) ~81% volt[22].
• Crohn-betegség modell: a 9 baktériumra épülő modell hasonlóan magas pontosságot produkált, AUC értéke ~0,94 volt, 88%-os szenzitivitás és ~89%-os specificitás mellett[24].

Fontos, hogy ezeket a modelleket utána független, nemzetközi adatokon is letesztelték. Nyolc különböző populációból származó mintákon (Észak-Amerikától Európán át Ázsiáig) továbbra is jól teljesítettek a modellek: az AUC érték 0,8 felett maradt minden esetben[5][25]. Ez azt jelenti, hogy a módszer más országokban, más etnikumú betegeknél is működőképes, nem csak ott, ahol kifejlesztették. A kutatók kiemelik, hogy a 0,8 fölötti AUC egy olyan küszöb, ami fölött egy diagnosztikai tesztet már klinikailag hasznosnak tartanak[26]. Magyarán, a mikrobiomos modell több országban is megbízhatóan azonosította az IBD-t, tehát valós potenciál rejlik benne, hogy orvosi gyakorlatban is alkalmazzák.

Metagenomika eredmények átültetése gyakorlatba: m-ddPCR teszt

A metagenomikai szekvenálás kiváló kutatási eszköz, de drága és összetett – nem ideális rutin diagnosztikai célra. Ezért a következő lépés az volt, hogy a felfedezett baktérium markerekre alapozva kifejlesszenek egy egyszerűbb laboratóriumi tesztet. A kutatók egy multiplex cseppdigitális PCR-tesztet (m-ddPCR) hoztak létre, amely a kiválasztott baktériumfajok DNS-ét tudja párhuzamosan kimutatni és mennyiségileg mérni a székletmintában[27]. (A droplet digital PCR egy modern molekuláris technika, ahol a minta sok ezer apró cseppre van osztva, és mindegyikben külön-külön zajlik le a PCR reakció – így nagyon pontosan meg lehet számolni, hány példányban van jelen egy adott gén. A multiplex jelző arra utal, hogy egyszerre több különböző baktérium génjét is célozzák a tesztben.)

Három pár primer/probeszettet terveztek a panel baktériumaira, ügyelve arra, hogy ne zavarják egymást a reakciókban[27]. Az új m-ddPCR tesztet először olyan mintákon próbálták ki, amelyeknél a metagenomikai szekvenálás eredménye már megvolt. Az m-ddPCR-rel kapott baktériumszámok erősen korreláltak a szekvenálásos adatokkal – vagyis a két módszer nagyrészt ugyanazt mutatta[28][29]. Ez biztató, mert azt jelenti, hogy a gyorsabb és olcsóbb PCR-alapú módszer hasonlóan megbízható, mint a bonyolult genetikai elemzés.

Az m-ddPCR adatokból szintén felépítettek egy diagnosztikai modellt (gyakorlatilag ugyanazt a 10 és 9 baktériumot használva). Ennek teljesítménye alig maradt el a szekvenáláson alapuló modellétől. Colitis ulcerosa esetén az m-ddPCR alapú modell AUC értéke ~0,88 volt (85% érzékenység, 82% specificitás)[30], míg Crohn-betegségnél ~0,87-es AUC-t értek el (90% érzékenység, 76% specificitás)[31]. Ezek az értékek tehát szintén nagyon jók. Sőt, az eredeti (szekvenálós) modell és az új (PCR-es) modell által adott diagnosztikai valószínűségi értékek szinte teljesen megegyeztek a betegeknél[32]. Magyarul: a PCR-es teszt szinte ugyanazt mondja meg, mint a drága metagenomika, csak sokkal egyszerűbben. Ráadásul a kutatók hangsúlyozzák, hogy az m-ddPCR teszt jóval olcsóbb és gyorsabb, mint a teljes génszekvenálás, és kevésbé igényel speciális szakértelmet is[33]. Ez kulcsfontosságú előny a klinikai alkalmazás szempontjából.

Összehasonlítás a széklet kalprotektin-teszttel

A széklet kalprotektin teszt jelenleg egy elterjedt, nem invazív módszer az IBD gyanújának megerősítésére vagy kizárására. A kalprotektin egy gyulladásos fehérje, amelynek magas szintje a székletben a bélgyulladás jelenlétét jelzi. Bár a kalprotektin-teszt hasznos, nem tökéletes: például nem különíti el pontosan az IBD-t más, hasonló tünetű állapotoktól, mint amilyen az irritábilis bél szindróma (IBS), és néha a nyugalomban lévő (inaktív) IBD-t sem mutatja ki megbízhatóan.

A tanulmányban ezért összevetették az új több-baktériumos biomarker panel diagnosztikai teljesítményét a kalprotektinével. Az eredmények nagyon ígéretesek: az új, mikrobiom alapú teszt felülmúlta a kalprotektint az IBD azonosításában[34].

• Egy kísérletben például 36 IBD-s (Crohn vagy colitis) és 36 IBS-es beteg székletmintáit vizsgálták meg mindkét módszerrel. Itt a több-baktérium panel AUC értéke 0,91 volt, míg a kalprotektiné 0,86[35]. Vagyis a mikrobiom-teszt pontosabban különbséget tudott tenni az IBD és az IBS között, mint a gyulladásos fehérje szintjén alapuló teszt.
• Két független betegcsoportban (Kanadában és Tajvanon) is elvégezték az összehasonlítást, több száz mintán. Colitis ulcerosában az új teszt jelentősen jobb volt: Kanadában AUC = 0,74 vs. 0,63; Tajvanon 0,79 vs. 0,57 (új teszt vs. kalprotektin)[36]. Crohn-betegségben nagyjából hasonló eredményt adtak (Kanadában 0,77 vs. 0,75; Tajvanon 0,71 vs. 0,71)[36], vagyis a mikrobiom panel legalább olyan jó, sőt néhol jobb volt, mint a kalprotektin.
• Külön kiemelendő, hogy nyugalmi (inaktív) IBD esetén – főleg colitis ulcerosában – az új teszt érzékenyebbnek bizonyult. Inaktív UC-betegeket összehasonlítva egészséges kontrollokkal, a baktérium panel AUC = 0,78-at ért el, míg a kalprotektin csak 0,56-ot[37]. Tehát a mikrobiom alapú teszt még akkor is jelezte a betegséget, amikor a kalprotektin már normálisnak mutatkozott. Ez arra utal, hogy a bélflóra változásai tartósabban fennállhatnak, és akár előbb jelzik a bajt, mint a gyulladásos fehérjék – így korábbi vagy finomabb jelzője lehet az IBD aktivitásának.

Összességében elmondható, hogy a mikrobiom markerekből álló diagnosztikai panel jobban vagy legalább ugyanolyan jól teljesít, mint a kalprotektin-teszt, ami jelenleg a klinikumban standard nem-invazív eszköz[38][36]. Ez nagyon biztató eredmény, hiszen ha egy új teszt pontosabb, mint a régi módszer, akkor jó eséllyel javíthat az IBD diagnózisának gyorsaságán és megbízhatóságán.

Fő következtetések és jövőbeli kilátások

A Nature Medicine cikke rámutat, hogy léteznek “univerzális” IBD-hez köthető baktérium-változások a bélben – függetlenül attól, hogy a beteg melyik országban él vagy milyen az étrendje[25][39]. Ezeket a mikrobiom-aláírásokat kihasználva a kutatók kifejlesztettek egy nem invazív, több baktériumot vizsgáló diagnosztikai eszközt, amely meggyőző pontossággal tudja kimutatni a Crohn-betegséget és a colitis ulcerosát[40]. A tanulmány bebizonyította, hogy a célzott ddPCR-alapú (digitális PCR alapú) baktériumkvantifikálás robusztus, érzékeny és költséghatékony alapja lehet egy jövőbeni diagnosztikai tesztnek[41].

Mit jelenthet ez a gyakorlatban? Ha a további vizsgálatok is megerősítik ezeket az eredményeket, néhány éven belül rendelkezésre állhat egy olyan széklet alapú teszt, amely korán jelzi az IBD jelenlétét, sőt segíthet megkülönböztetni az IBD-t más hasonló tünetekkel járó bélbetegségektől (például IBS)[42][43]. Ez óriási előnyt jelentene, mert csökkentheti a szükségtelen kolonoszkópiák számát, lerövidítheti a diagnózishoz vezető időt, és így a betegek hamarabb juthatnak megfelelő kezeléshez[44][45]. A most kifejlesztett teszt a tervek szerint akár már 2027-re klinikai bevezetésre kerülhet[42], de addig további nagyobb szabású, prospektív vizsgálatok szükségesek.

A kutatók szerint fontos lesz tovább tesztelni a módszert különböző populációkban, nagyobb és változatosabb betegcsoportokon is, és összehasonlítani más nem-invazív tesztekkel, illetve a végső diagnosztikai gold standarddal, a tükrözéses vizsgálatokkal[46]. Emellett érdemes kutatni, hogy mi okozza pontosan ezeket a mikrobiom-eltéréseket és hogy az adott baktériumok hogyan járulnak hozzá az IBD kialakulásához vagy fellángolásához[47]. Az is felmerül, hogy a jövőben az ilyen mikrobiom-jellemzők nemcsak a diagnózisban, de akár a betegség aktivitásának nyomon követésében vagy a kezelésre adott válasz előrejelzésében is szerepet kaphatnak[48].

Konklúzió

A 2024-es tanulmány világosan megmutatta, hogy a bélflórában rejlő információ kulcsfontosságú lehet az IBD korai és pontos diagnosztizálásában, illetve célzott kezelésében. Egy gondosan kiválasztott, több baktériumból álló biomarker-panel a székletmintában nem invazív módon, gyorsan és megbízhatóan jelezheti a betegséget[38]. Bár még további klinikai validáció szükséges, ez az új megközelítés a jövőben forradalmasíthatja az IBD diagnózisát, és a betegek számára kevésbé megterhelő, ugyanakkor hatékony szűrővizsgálatot tehet lehetővé.

Hivatkozott forrás: Nature Medicine (2024. december) – Zheng és mtsai.: “Noninvasive, microbiome-based diagnosis of inflammatory bowel disease”[1][40]. (DOI: 10.1038/s41591-024-03280-4)