נגישות

גיליון 53 – Big Data – ינואר 2018

מיקרוביום – ביג דאטה, אתגר ענק, פוטנציאל עצום

מיה אלחלל
מייסדת אש – גוף מדיה המתמחה בחדשנות בבריאות ורפואה,
מנהלת אקדמית ומרצה בקורס עתיד הבריאות ביחידה להכשרת מנהלים במרכז הבינתחומי הרצליה
ועורכת אתר החדשות  והטכנולוגיה Longevity.Science

חוקרים, רופאים, תזונאים, מהנדסים, ממציאים, מפתחי קוד פתוח, ואזרחים מעורבים סביב העולם מחוללים יחד מהפכה במחקר המיקרוביום וביישומיו בבריאות האדם, בחקלאות, במדע המזון ובתחומים חיוניים אחרים.
כל אחד יכול לקחת חלק קטן במאמץ, וההשקעה עשויה להשתלם לנו בעתיד הלא רחוק, באיכות ותוחלת בריאותנו, ובקיימות סביבת חיינו. 

חקר המיקרוביום נמצא על סף פריצת דרך מבחינת היקף הנתונים המופקים ורמת הספסיפיקציה. חסידי חקר המיקרוביום מאמינים שבעתיד הקרוב נגלה שבעוד ששנים נהגנו לומר ״אנחנו מה שאנחנו אוכלים״, בעצם ״אנחנו מה שאנו סופגים ומפיקים ממה שאנו אוכלים״. במילים אחרות, בזכות הקשר הסמביוטי בין האדם לקהילות המיקרוביום שהוא מארח, למעשה ״אנחנו מה שאנחנו מאכילים את המיקרוביום שלנו״. לשיטתם, חלקם של עשרות טרליוני האורגניזמים החיים על עורנו ובגופנו הוא כה משמעותי, לא רק בתהליכים מטאבוליים אלא גם בהשפעתם על מערכת החיסון והתנהגויותינו [1], שהם כמפעיל השולט באדם כבבובה על חוטים.
התשובות שתעלינה מהמחקר הענף בשנים הקרובות עשויות לשנות את האופן שבו חשבנו על בריאות עד כה,אך כגודל הפוטנציאל הגלום בנתונים, כך גדול גם האתגר בניתוחם. כדי לבחון נתונים בהיקף כה גדול באופן מדויק, ולהפיק מהם תובנות והמלצות מעשיות בתזונה וברפואה, אנו זקוקים לחדשנות והתייעלות בכלי עיבוד נתונים, לאימוץ סטנדרטיים, ולשיתוף פעולה חוצה מכוני מחקר, אוניברסיטאות ומדינות וגם להתגייסות הרגולטור והציבור.
עשינו דרך ארוכה בזמן קצר להפליא מזיהוי מבודד וצר, למאמץ אנליטי עולמי מרוכז ורחב היקף לריצוף מערך המיקרוביום בגוף האדם, וזוהי רק ההתחלה. מאז טבע ג'ושוע לדרברג את המונח ׳microbiome׳ ב-2001 [2] הלך תחום המחקר וגדל במהירות עצומה מבחינת הטרוגניות הנתונים והיקפם. בתחילת הדרך, הגישות לאפיון המיקרוביום התבססו על שיטות זיהוי ממוקדות-מטרה, ובעיקר עסקו באיתור פתוגנים. אך בשנים האחרונות, שילובן של טכנולוגיות ריצוף מחולל מהפיכה בתחום, ומאפשר לחוקרים לדגום ולאפיין קהילות מיקרוביאליות עצומות [3] באופן ישיר, ולהעמיק את הכרותנו עם אלה התומכים בתהליכים מטאבולים חיוניים.
ככל שחוקרים משתמשים בקבוצות נתונים גדולות יותר, כך הם יכולים לתכנן מחקרים מעמיקים ואיכותיים יותר, לשאול ולענות על שאלות מורכבות יותר ברמת דיוק גבוהה. לרשותם טכנולוגיות ריצוף, שהולכות ומשתכללות, ומגבירות את תפוקת הנתונים בקצב מדהים, אך התוצאה היא גם גידול אדיר בדרישה ליכולות ניתוח נתונים [4]. זהו אתגר שמחייב שילוב כוחות, וגם בתחום הזה אנו רואים התקדמות משמעותית בשנים האחרונות. פרוטוקולים ששימשו את ה-Microbiome Project Earth[5] ופרויקטים דומים אומצו על ידי חוקרים ברחבי העולם, בינהם חישוב בענן [6], והם מסייעים בעריכת מטא-אנליזה ושילוב ממצאים.
מאמצים ראשוניים לאפיין ולהבין את המיקרוביום האנושי הבריא תוך שימוש בטכניקות ריצוף מתקדמות עוררו יותר שאלות מתשובות [7]. הם הובילו לגידול מואץ במחקר, אשר חשף קשרים בין המיקרוביום לבין מחלות שונות – החל מהשמנת יתר [8] ומחלות מעיים דלקתיות ועד מחלות לב וכלי דם, עור ודיכאון [9] בין היתר. לגבי מחלות אלו ואחרות השאלה האם מדובר בקשר סיבתי היא בלב מאמצי המחקר ובשלב הבא שילוב שיטות מחקר, למשל בין נתוני הריצוף הגנטי לבין טכניקות ריצוף חלבונים, ריצוף של ה-RNA ואפיון מטבוליטים עשויי לשמש מפתח להתקדמות נוספת בהבנת השפעות המיקרוביום על מניעת והתפתחות מחלות.
אחת הדוגמאות לעוצמת השילוב בין מספר טכניקות היא פרויקט המיקרוביום האנושי – Project Microbiome Human  (או HMP) של ה-National Institute of Health האמריקאי (NIH) שמטרתו לקדם את האפיון של המיקרוביום האנושי, כדי לשפר את ההבנה שלנו לגבי האופן שבו המיקרוביום משפיע על בריאות וחולי בבני אדם, ועבור נשים, הוקם פרויקט מיוחד [10] להבנת השפעות המיקרוביום הוגינלי על בריאותן. בעת פרסום השלב הראשון שלו, בשנת 2012 היה זה פרויקט ריצוף המיקרוביום האנושי הגדול ביותר. אלפי דגימות שנאספו מ-242 מבוגרים בריאים [11] ממספר אתרים שונים בגוף: מעברי האף, חלל הפה, העור, דרכי העיכול והמערכת האורוגניטלית, רוצפו תוך שימוש במגוון שיטות, והתוצאה היתה נתונים בהיקף של 2.9 ג'יגה-בייט לדגימה וקרוב ל-2 טרה-בייט של מידע לקבוצת הנתונים כולה. בסך הכל, נוצרו במסגרת הפרויקט עד כה 14.23 טרה-בייט של נתונים, והם זמינים, ברוח הגישה הפתוחה, לציבור הרחב באתר של ה-HMP [12].
שפע ונגישות הנתונים הזניק שלל חברות פרטיות בתחום ואת ההשקעות בהן [13]. בהן כאלה המפתחות מוצרים למיקרוביום כפרוביוטיקה ופרה-ביוטיקה, חברות  מחקר  המייעדות את תוצאות מחקריהן לשיתופי פעולה פוטנציאלים עם חברות תרופות, וחברות הפונות ישירות אל הצרכן, במודל הדומה לשירותי ריצוף גינום אנושי כ-23andMe, ומציעות שירותי ריצוף מיקרוביום והמלצות תזונה – ביניהן הישראלית DayTwo ו- Viome. ידע פרקטי רב נצבר במחקרי תעשיית המיקרוביום שהולכת ומתפתחת ומושכת השקעות במאות מיליונים.
פרויקט המיקרוביום האנושי, ופרויקטים אחרים העוסקים במיקרוביום ברחבי העולם, יצרו בסיס חשוב להבנת המיקרובים החיים בגופו של כל אחד מאיתנו. אולם עד כה, יכולתו של הציבור לקחת חלק פעיל במחקרים כאלה היתה מוגבלת. כעת, America Gut [14] מאפשר לנו (בינתיים לאמריקאים אך יש גם גרסה בריטית –  British Gut) להצטרף לפרויקט המחקר, ולהשוות את המיקרובים שבמעיים שלנו לאלה המצויים במעיהם של אלפי אנשים אחרים בארה"ב וברחבי העולם. American Gut הוא פרויקט המבוסס על עקרונות הקוד הפתוח. הנתונים על המיקרובים שלנו נאספים לצורך הבנה, והם ישותפו הן עם המשתתפים האחרים במחקר, והן עם מדענים אחרים. זוהי למשל דוגמה למיקרוביום של היסטוריון המזון הנודע ומחבר רבי המכר מייקל פולן, המוכר בעיקר בזכות הספר "דילמת השפע“. [תמונה של המיקרו של פולן]

תמונה 1: המיקרוביום של היסטוריון המזון הנודע ומחבר רבי המכר מייקל פולן
table6

מיזמים לשיתוף הציבור במחקר בתחום המיקרוביום – כמו ה- America Gut Project תרמו תרומה משמעותית לתחום על ידי דמוקרטיזציה של מחקר המיקרוביום, וסיפקו מערכי נתונים בקנה מידה גדול, שיכולים לשמש כמסגרות השוואתיות למחקרים אחרים. אזרחים מהשורה מסייעים למדע על ידי שליחת דגימות מגופם, מחיות המחמד שלהם, או מהסביבה שבה הם חיים, וגם תורמים את הכספים הדרושים למימון העיבוד של הדגימות. אחד האתגרים בפרויקטים מסוג זה הוא ריבוי הדגימות: בעוד שרוב מחקרי המיקרוביום הקיימים כוללים מאות או אלפים דגימות, המיזמים האזרחיים כוללים מספר הולך וגדל של דגימות, ובמקרים מסוימים מספרן עולה על עשרת אלפים דגימות.  כמו כן, היות והנתונים נמסרים על ידי האנשים עצמם, יש צורך בכמויות משמעותיות של נתונים נוספים כדי לאפיין נכונה את מקור המדגם. ה- America Gut Project  אוסף מאות משתנים על משתתפי המחקר, לרבות מידע תזונתי מפורט, באמצעות שאלון מתוקנן על תדירות הצריכה של מזונות מסוימים. ניתוח כל המשתנים הללו אינו פשוט, ואחד הפתרונות הוא הרחבת המשמעות של citizen science  בדרך של מיקור חוץ להמונים של ניתוח הנתונים עצמו.

מיקרוביום, ביג דאטה ואפידמיולוגיה
החוקרים גתרי וגרדי [15] מתארים את התועלת שבשימוש בטכניקות מתקדמות לריצוף מלא כדי להבין את ההתפרצויות של מחלת השחפת מסוג Mycobacterium. ריצוף של הגנום המלא של פתוגן ספציפי יכול לחשוף את נתיב הזיהום, לרבות של חולה 0 בהתפרצות, על ידי כך שהוא מאפשר לחוקרים לעקוב אחר מוטציות ממספר זנים המבודדים מחולים נגועים. לא רק התחקות אחר המקור ושרשרת הפצה [16], אלא גם טיפול. העמידות האנטיביוטית של שחפת מסוג Mycobacterium היא בעיה קלינית לא פשוטה; הטכניקות הנוכחיות מבוססות על תרביות, וקבלת התוצאות עלולה לקחת עד 8 שבועות. במקרה זה, כאשר המוטציות האחראיות על העמידות לתרופות מאופיינות היטב, והאיכות של מסדי הנתונים הרלוונטים גבוהה, ריצוף הגנום כולו עשוי להפחית את משך הזמן של קבלת התוצאות לימים בודדים. אחד מתוצרי הלוואי החיוביים של השימוש בריצוף גנום שלם לצורך מעקב ואבחון מהיר של התפרצויות של מחלות הוא היווצרותו של מסד נתונים גנומי, העשוי לסייע לפיתוח תרופות חדשות, ולשיפור האפיון של מחלות.

חקר המיקרוביום ותוחלת הבריאות האנושית
הנתונים על מיקרוביום, והתובנות שנפיק מהם, עשויים להשפיע על תוחלת החיים הבריאים (Healthspan) ממש. לאנשים החיים מעל לגיל 90 יש דפוסים אחרים של הרכב המיקרוביום במעיים מאשר לכלל האוכלוסיה. שאלת מיליון דולר היא האם חיידקים אלה הם חלק מהסיבה שהאנשים הללו מאריכים חיים יותר מרוב האנשים. בינתיים מדענים גילו כי לחיידקים מסוימים יש השפעה על תוחלת החיים של תולעת בשם elegans .C בפרט הם גילו 12 גרסאות שונות של החיידק E.Coli שקבעו את תוחלת החיים של התולעים הללו, ואפילו עיכבו אצלן את הצמיחה של גידולים הקשורים לגיל [17]. מוקדם מדי לדעת איך התוצאות בחסרי חוליות יתורגמו ליונקים אך זהו רמז ראשוני לכך שככל שנבין יותר את חיידקי המעיים שלנו, נדע אולי כיצד נוכל להאריך את גם תוחלת החיים הבריאים  שלנו. ראיות אנקדוטיות לכך אולי כבר קיימות עבור הזדקנות ה- Snell Dwarf Mice [18].

אתגרים ומבט קדימה
גוף האדם נושא מגוון רחב של מיקרואורגניזמים, והם מהווים את החלק הארי מהחומר הגנטי המצוי בגופנו. הכלים והטכנולוגיות שאיפשרו את התפתחות המחקר במיקרוביום עד כה ממשיכים להשתפר בקצב מסחרר.  השימוש במרצפים ניידים בעתיד יביא לכך שכמות הנתונים שתיאסף על ידי חוקרי מיקרוביום תגיע להיקפים עצומים עוד יותר. לא ניתן יהיה להתעלם מהנתונים האלה כאשר בוחנים את בריאותו של אדם, ועשינו כברת דרך בהבנת חשיבות המיקרוביום, אך דרושה עוד התקדמות עד שנוכל לתרגם את התוצאות במעבדה לטיפולים ולהמלצות ממשיות לשינוי הרגלים בחיי היומיום.
בכדי להגיע ליישומים פרקטיים נדרשים נהלים סטנדרטיים אוניברסליים – לרבות פרוטוקולים לאיסוף, טיפול, אחסון ועיבוד של דגימות, כמו גם חדשנות רגולטורית. על מנת לרתום אל המאמץ בעלי ענין מתחומים שונים ואת הציבור חשוב לייצר דוחות קלים להבנה של ניתוח הנתונים, וכמובן יהיה צורך להתאים את ההכשרה של קלינאים בתחום.  בנוסף, הצורך להפחית את העלויות של עיבוד וניתוח הדגימות. שיפורים בכל אלו יחברו יחד לקידום הבנת קשרים משמעותיים בין המיקרוביום לבין הגוף המארח, וניתן יהיה למנף את הקשרים הללו לגבהים חדשים בבריאות.
שפע זה של מידע גם יאפשר לחוקרים להבין כיצד פועלות קהילות של חיידקים ואופן האינטראקציה ביניהן, ויוביל להתפתחויות פורצות דרך לא רק בתחום בריאות בני האדם, אלא גם בחקלאות [19], בדלק ביולוגי [20] וביישומים רבים אחרים. 

מקורות

1. Mimee, Mark, Robert J. Citorik, Timothy K. Lu. “Microbiome Therapeutics — Advances and Challenges.” Advanced Drug Delivery Reviews 105 (2016): 44-54. Web

2. .J Lederberg, A.T. McCray

‘Ome Sweet ‘Omics – a genealogical treasury of words

The Scientist, 15 (7) (2001), p. 8

 3. S.Goodwin, J.D. McPherson, W.R. McCombie

Coming of age: ten years of next-generation sequencing technologies

Nat Rev Genet, 17 (2016), pp. 333-351

4.  K. Wetterstrand

DNA sequencing costs: data from the NHGRI large-scale genome sequencing program

(2013)

5. http://www.earthmicrobiome.org/protocols-and-standards/

6. B.Ragan Kelley, W.A. Walters, D. McDonald, J.Riley, B.E. Granger, A. Gonzalez, R. Knight, F.Perez, J.G. Caporaso

Collaborative cloud-enabled tools allow rapid, reproducible biological insights

ISME J, 7 (2013), pp. 461-464

7. Human Microbiome Project C

A framework for human microbiome research

Nature, 486 (2012), pp. 215-221

8.  P.J. Turnbaugh,  R.E. Ley, M.A. Mahowald, V.Magrini, E.R. Mardis, J.I. Gordon

An obesity-associated gut microbiome with increased capacity for energy harvest

Nature, 444 (2006), pp. 1027-1031

9. Cho, Ilseung, Martin J. Blaser. “The Human Microbiome: At the Interface of Health and Disease.” Nature reviews Genetics 13.4 (2012): 260–270

10. http://vmc.vcu.edu/vahmp

11. Human Microbiome Project C

A framework for human microbiome research

Nature, 486 (2012), pp. 215-221

12. https://portal.hmpdacc.org/

13. Gormley, Brian. “Microbiome Companies Attract Big Investments.” The Wall Street Journal. 18 Sept. 2016. Web.

14. http://americangut.org/

15. J.L. Guthrie,  J.L. Gardy

A brief primer on genomic epidemiology: lessons learned from Mycobacterium tuberculosis

Ann N Y Acad Sci, 1388 (2016), pp. 59-77

16.J Quick, N.J. Loman, S. Duraffour, J.T. Simpson, E. Severi, L. Cowley, J.A. Bore, R. Koundouno, G.Dudas, A. Mikhail, et al.

Real-time, portable genome sequencing for Ebola surveillance

Nature, 530 (2016), pp. 228-232

17. Han, Bing, Priya Sivaramakrishnan, Chih-Chun J. Lin, Isaiah A.A. Neve, Jingquan He, Li Wei Rachel Tay, Jessica N. Sowa, et al. “Microbial

Genetic Composition Tunes Host Longevity.” Cell 169, no. 7 (June 2017): 1249–1262.e13. https://doi.org/10.1016/j.

cell.2017.05.036.

18. K. Flurkey, J. Papaconstantinou, D.E.Harrison

Mech. Ageing Dev., 123 (2002), pp. 121-130

19.A Sessitsch, B. Mitter

21st century agriculture: integration of plant microbiomes for improved crop production and food security

Microb Biotechnol, 8 (2015), pp. 32-33

20. M. Hess, A. Sczyrba, R. Egan, T.-W. Kim, H.Chokhawala, G. Schroth, S. Luo, D.S. Clark, F.Chen, T. Zhang, et al.

Metagenomic discovery of biomass-degrading genes and genomes from cow rumen

Science, 331 (2011), pp. 463-467