研究人員正在利用人工智能來揭示腸道微生物群與阿爾茨海默病之間的聯(lián)系。

克利夫蘭診所

4月22日消息

先前的研究表明，隨著阿爾茨海默病的發(fā)展，患者的腸道細(xì)菌會發(fā)生變化。克利夫蘭診所（Cleveland Clinic）最新發(fā)布的《細(xì)胞報(bào)告》（Cell Reports）研究概述了一種計(jì)算方法，以確定被稱為代謝物的細(xì)菌副產(chǎn)物如何與細(xì)胞上的受體相互作用，并導(dǎo)致阿爾茨海默病。

研究于2024年4月22日發(fā)表在《Cell Reports》（最新影響因子：8.8）雜志上

克利夫蘭診所基因組中心（Cleveland Clinic Genome Center）的首任主任程飛雄（Feixiong Cheng）博士與盧魯沃腦健康中心（Lou Ruvo Center for Brain Health）以及微生物組與人類健康中心（CMHH）緊密合作。該研究根據(jù)代謝物和受體相互作用的可能性，以及它們對阿爾茨海默病影響的可能性，對它們進(jìn)行了排序。這些數(shù)據(jù)為研究代謝物相關(guān)疾病提供了迄今為止最全面的路線圖。

腸道代謝物是什么？

細(xì)菌在分解我們攝入的食物以獲取能量時(shí)，會釋放代謝物進(jìn)入我們的系統(tǒng)。然后，這些代謝物與細(xì)胞相互作用并影響細(xì)胞，推動細(xì)胞過程，這可能對健康有益或有害。除了阿爾茨海默病外，研究人員還將代謝物與心臟病、不孕癥、癌癥以及自身免疫性疾病和過敏癥聯(lián)系起來。

防止代謝物與我們細(xì)胞之間的有害相互作用有助于抗擊疾病。研究人員正在努力開發(fā)藥物，以激活或阻止代謝物與細(xì)胞表面受體的連接。由于需要識別目標(biāo)受體的信息量巨大，這種方法的進(jìn)展緩慢。

基因組醫(yī)學(xué)研究員程飛雄博士說：“腸道代謝物是我們體內(nèi)許多生理過程的關(guān)鍵，對于每一個(gè)關(guān)鍵過程，都存在一個(gè)對人體健康和疾病至關(guān)重要的鎖。問題在于，我們的系統(tǒng)中有成千上萬的受體和數(shù)千種代謝物，因此手動確定哪個(gè)鑰匙適合哪個(gè)鎖既緩慢又昂貴。這就是為什么我們決定使用人工智能（AI）。”

程博士的團(tuán)隊(duì)利用人工智能來測試那些已知且安全性良好的腸道代謝物是否能為阿爾茨海默病或其他復(fù)雜疾病提供有效的預(yù)防或甚至干預(yù)方法。

利用人工智能解鎖腸腦聯(lián)系

該研究的第一作者、程博士實(shí)驗(yàn)室博士后研究員 Yunguang Qiu 博士領(lǐng)導(dǎo)了一個(gè)團(tuán)隊(duì)，該團(tuán)隊(duì)包括 CMMH 研究主任 J. Mark Brown 博士、克利夫蘭診所盧魯沃腦健康中心主任兼克利夫蘭阿爾茨海默病研究中心主任 James Leverenz 博士，以及克利夫蘭診所內(nèi)華達(dá)州婦女阿爾茨海默病預(yù)防中心主任、神經(jīng)心理學(xué)家 Jessica Caldwell 博士。

該團(tuán)隊(duì)使用了一種稱為機(jī)器學(xué)習(xí)的人工智能形式，來分析超過 109 萬個(gè)潛在的代謝物-受體對，并預(yù)測每種相互作用導(dǎo)致阿爾茨海默病的可能性。

分析綜合了以下內(nèi)容：

來自人類和阿爾茨海默病臨床前研究的遺傳學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)

不同受體（蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)）和代謝物的形狀

不同代謝物如何影響來自患者的腦細(xì)胞

核實(shí)腦細(xì)胞的數(shù)學(xué)關(guān)系

該團(tuán)隊(duì)研究了在來自阿爾茨海默病患者的腦細(xì)胞中最有可能影響阿爾茨海默病的代謝物-受體對。

他們關(guān)注的一個(gè)分子是被稱為胍丁胺（agmatine）的保護(hù)性代謝物，它被認(rèn)為可以保護(hù)腦細(xì)胞免受炎癥和相關(guān)損傷。研究發(fā)現(xiàn)，胍丁胺最有可能與阿爾茨海默病中的補(bǔ)體 C3A 受體 （C3AR ）相互作用。

直接用胍丁胺治療受阿爾茨海默病影響的神經(jīng)元可降低 C3AR 水平，這表明代謝物和受體相互影響。經(jīng)胍丁胺處理的神經(jīng)元還具有較低的磷酸化 tau 蛋白水平，磷酸化 tau 蛋白是阿爾茨海默病的一個(gè)標(biāo)志物。

程博士表示，這些實(shí)驗(yàn)表明他的團(tuán)隊(duì)的人工智能算法如何為阿爾茨海默病以外的多種疾病開辟新的研究途徑。

他說：“我們特別關(guān)注了阿爾茨海默病，但代謝物-受體相互作用幾乎在所有涉及腸道微生物的疾病中都發(fā)揮作用。我們希望我們的方法能為整個(gè)代謝物相關(guān)疾病和人類健康領(lǐng)域的研究進(jìn)展提供一個(gè)框架。”

現(xiàn)在，程博士和他的團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)一步開發(fā)和應(yīng)用這些人工智能技術(shù)，以研究遺傳和環(huán)境因素（包括食物和腸道代謝物）對人類健康和疾病（包括阿爾茨海默病和其他復(fù)雜疾病）的相互作用。

創(chuàng)立于1921年的克利夫蘭診所

參考文獻(xiàn)

Source：Cleveland Clinic

Researchers use AI to improve Alzheimer’s disease treatment through the ‘gut-brain axis’

Reference：

Yunguang Qiu et al, Systematic characterization of multi-omics landscape between gut microbial metabolites and GPCRome in Alzheimer's disease, Cell Reports (2024). DOI: 10.1016/j.celrep.2024.114128

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       原文標(biāo)題 : 研究人員利用人工智能通過“腸腦軸”改善阿爾茨海默病的治療