Na doença ou na saúde, os milhares de milhões de microrganismos que habitam os nossos intestinos são nossos companheiros constantes ao longo da vida. Nas últimas décadas, os cientistas têm demonstrado que a natureza deste “microbioma” pode fornecer pistas valiosas sobre as doenças humanas e o seu tratamento.

Um novo estudo do grupo Bork do EMBL Heidelberg, recentemente publicado na revista Cell, refere que uma série de condições, como o estilo de vida e as doenças, afectam o número total de micróbios no intestino, o que faz com que esta métrica, frequentemente negligenciada, mereça uma avaliação mais aprofundada na investigação do microbioma intestinal.

Da composição às cargas

Ao estudar os microbiomas, os investigadores tendem a concentrar-se mais na composição microbiana - a proporção relativa de diferentes espécies de micróbios (geralmente bactérias e archaea, mas também protistas, vírus e outros microrganismos). Isto diz-nos, por exemplo, se o nível de uma espécie de bactéria aumenta ou diminui em comparação com outras espécies nos intestinos de determinados doentes.

Para ilustrar isto, imagine que apenas 1.000 bactérias vivem no seu intestino. Em indivíduos saudáveis, este número pode incluir 10 bactérias da espécie “vermelha” e 20 bactérias da espécie “azul”, pelo que poderíamos dizer que as bactérias vermelhas constituem 2% do microbioma e as azuis 5%. No entanto, em indivíduos que sofrem de uma determinada doença, podemos observar que as bactérias vermelhas constituem 4% do microbioma - um aumento relativo, enquanto as bactérias azuis permanecem nos 5%. Poderíamos então colocar a hipótese de as bactérias vermelhas estarem associadas a esta doença.

Por outro lado, a carga microbiana refere-se à densidade de micróbios no interior dos nossos intestinos. Experimentalmente, é determinada como o número de células microbianas por grama de fezes. Ao contrário da composição microbiana, é uma quantidade absoluta. No exemplo acima, imagine que o número total de bactérias desce para 500 em resultado de uma doença. Olhando para os números absolutos, é possível que o número de bactérias vermelhas tenha permanecido o mesmo, enquanto o número de bactérias azuis diminuiu.

Normalmente, os cientistas apenas têm em conta a composição microbiana quando realizam estudos do microbioma, porque os métodos experimentais actuais para medir as cargas microbianas são intensivos em termos de tempo e de custos.

Utilizar a aprendizagem automática para tornar os estudos do microbioma mais robustos

“Queríamos desenvolver um novo método que não exigisse métodos experimentais adicionais para quantificar a carga microbiana”, afirmou Suguru Nishijima, primeiro autor do estudo e pós-doutorado no Grupo Bork. “Tínhamos acesso a grandes conjuntos de dados com a composição microbiana e dados de carga microbiana medidos experimentalmente. Queríamos ver se podíamos utilizá-los para treinar um modelo de aprendizagem automática para estimar a carga microbiana tendo em conta apenas a composição microbiana”.

Os conjuntos de dados utilizados para este exercício provêm dos consórcios GALAXY/MicrobLiver e Metacardis - projectos de grande escala financiados pela UE para os quais o Grupo Bork já contribuiu anteriormente. Extraídos de mais de 3700 indivíduos, estes dados constituíram uma forma ideal de testar se um modelo de aprendizagem automática podia ser treinado para estimar o número total de micróbios numa amostra.

E, de facto, o modelo criado por Nishijima e os seus colegas conseguiu prever de forma robusta as cargas microbianas, que validaram utilizando um novo conjunto de dados que o modelo não tinha encontrado antes. Sabendo que o modelo funcionava, os investigadores aplicaram-no a uma enorme amostra de mais de 27 000 indivíduos, recolhida a partir de 159 estudos anteriores realizados em 45 países.

Descobriram que muitos factores podem influenciar a carga microbiana. Por exemplo, a diarreia pode reduzir o número de micróbios no intestino, enquanto a obstipação pode aumentá-los. As mulheres têm, em média, uma carga microbiana mais elevada do que os homens (talvez devido à observação de que as mulheres sofrem de obstipação com mais frequência do que os homens), enquanto os jovens têm uma carga microbiana média inferior à dos idosos. Muitas doenças, bem como os medicamentos utilizados para as tratar, alteram significativamente a carga microbiana.

“É importante notar que muitas espécies microbianas que se pensava estarem associadas à doença foram mais fortemente explicadas por variações na carga microbiana. Estes resultados sugerem que as alterações na carga microbiana, e não a doença em si, podem ser o fator determinante das mudanças no microbioma dos doentes”, afirmou Nishijima. “No entanto, certas associações doença-micróbio mantiveram-se, e isto mostra que são verdadeiramente robustas. Isto confirma ainda mais a importância de incluir a carga microbiana nos estudos de associação do microbioma para evitar falsos positivos ou falsos negativos.”

Graças ao novo modelo de aprendizagem automática que estes cientistas desenvolveram - o primeiro a prever cargas microbianas a partir de dados de composição - os cientistas podem agora incluir este importante fator em futuros estudos do microbioma intestinal. O modelo está disponível de forma livre e aberta para ser testado e reutilizado por investigadores de todo o mundo.

Isto pode também ter implicações muito para além do microbioma intestinal.

“Os nossos oceanos, solos, rios - estão todos repletos de micróbios, e a compreensão destes microbiomas pode produzir conhecimentos valiosos para ajudar a preservar a nossa saúde planetária”, afirmou Peer Bork, chefe de grupo e diretor do EMBL Heidelberg e autor principal do estudo. “Este estudo mostra-nos que a carga microbiana é uma medida importante que deve ser tida em conta nesses estudos. Assim, vamos trabalhar no sentido de traduzir o conhecimento sobre o microbioma intestinal para outros habitats”.