RU2699283C1 - Способ и система формирования индивидуального рациона продуктов питания после пересадки микробиоты - Google Patents

Abstract

Данное изобретение относится к медицине. Предложен способ формирования индивидуального рациона продуктов питания при пересадке микробиоты, включающий получение данных о составе микробиоты кишечника множества реципиентов и потенциальных доноров путем метагеномного секвенирования их образцов кала, определение относительной представленности микроорганизмов и биомаркеров заболеваний в метагеноме реципиента и потенциального донора, подбор реципиенту донора и формирование списка рекомендованных к потреблению продуктов, пробиотиков и пищевых добавок для реципиента на основании полученных данных о представленности микроорганизмов и биомаркеров заболеваний в микробиоте найденного донора. Указанный способ обеспечивает повышение точности формирования рекомендованных к потреблению продуктов и пищевых добавок для реципиента. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[001] Данное техническое решение, в общем, относится к области вычислительной техники, а в частности, к способам и системам формирования индивидуального рациона добавок пищевых волокон, пробиотиков и продуктов питания после пересадки микробиоты желудочно-кишечного тракта от другого человека.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[002] Организм человека является одной из наиболее плотно населенных сред обитания на Земле. Число микроорганизмов, обитающих в такой «биологической системе», насчитывает порядка 100 триллионов бактерий, что значительно превышает общее число эукариотических клеток всех тканей и органов человека. Только 10% клеток организма являются собственными, остальные 90% принадлежат бактериям. Совокупность всех микроорганизмов человека называется микрофлорой или микробиотой, а совокупность их генов - метагеномом. При этом метагеном человека в 100-150 раз больше генома самого человека. Большая часть микроорганизмов приходится на желудочно-кишечный тракт, поэтому его исследование и интерпретация этих данных является очень важной технической задачей. Фактически в настоящий момент формируется представление о микробиоте желудочно-кишечного тракта как об отдельном органе человеческого организма, что не противоречит исторически сложившемуся определению органа как части организма, представляющей собой эволюционно сложившийся комплекс тканей, объединенный общей функцией, структурной организацией и развитием. При этом человека можно рассматривать как «сверхорганизм», обмен веществ которых обеспечивается четко организованной работой ферментов, кодируемых не только геномом собственно Homo sapiens, но и геномами всех микроорганизмов.

[003] В настоящее время учеными доказано, что микробиота желудочно-кишечного тракта человека имеет чрезвычайное влияние на организм хозяина через его иммунитет и метаболизм. Данная связь реализуется через ряд веществ, выделяемых микробиотой, в том числе витамины и короткоцепочечные жирные кислоты (КЖК). Дисбиоз приводит к нарушению баланса взаимодействия микробиоты и организма хозяина, внося вклад в развитие хронических воспалительных состояний. Это в совокупности с другими факторами может приводить к различным серьезным заболеваниям: сахарному диабету второго типа, болезни Крона и язвенному колиту, ожирению и т.д. Для ряда заболеваний, в том числе и из выше перечисленных, в микробиоте были найдены биомаркеры - микроорганизмы, повышенная или пониженная представленность которых значимо ассоциирована с определенными заболеваниями.

[004] Пересадка микробиоты желудочно-кишечного тракта (англ. faecal mass transplantation, FMT) представляет собой перенос живой микробиоты кишечника от донора к реципиенту тем или иным способом. Ввиду вышеописанных свойств, к выбору доноров применяются достаточно жесткие условия: отличное состояние здоровья, отсутствие хронических заболеваний, нормальный вес, отсутствие факта приема антибиотиков и ряда других лекарств на протяжении длительного срока. В качестве источника донорского материала используется кал, который забирается согласно инструкции и в дальнейшем проходит этапы очищения.

[005] Существуют доказательства того, что пересадка микробиоты от здоровых доноров при системных заболеваниях улучшает не только желудочно-кишечные, но и внекишечные симптомы. В частности, существует ряд успешных примеров использования пересадки микробиоты при клостридиальной инфекции: данный метод работает с эффективностью 91%.

[006] Также известно, что посредством питания или пробиотиков можно воздействовать на состав микробиоты кишечника, создавая конкурентные преимущества для тех или иных бактерий. Один из вариантов воздействия - управление типами и количеством употребляемых пищевых волокон - не усваиваемых человеком сложных углеводов. Эти вещества не перевариваются желудочным соком и кишечными ферментами и достигают толстой кишки, где метаболизируются бактериями кишечной микробиоты.

[007] В настоящее время в уровне техники отсутствуют технические решения, которые позволяют улучшить приживаемость пересаженной от донору к реципиенту микробиоты желудочно-кишечного тракта путем ее направленной специфической поддержки пищевыми волокнами, входящих в состав продуктов питания или пищевых добавок, пребиотиков, а также пробиотиков.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[008] Данное техническое решение направлено на устранение недостатков, свойственных решениям, известным из уровня техники.

[009] Технической задачей или проблемой, решаемой в данном техническом решении, является подбор донорской микробиоты для последующей пересадки реципиенту, страдающего от того или иного набора патологических состояний, и подбор персонализированной поддерживающей диеты, способствующей приживаемости донорской микробиоты в кишечнике реципиента, в частности, микроорганизмов, ассоциированных со здоровым состоянием кишечника и организма в целом.

[0010] Техническим результатом является повышение точности формирования набора рекомендованных к употреблению продуктов, пробиотиков и пищевых добавок для реципиента.

[0011] Дополнительным техническим результатом, достигаемым при решении вышеуказанной технической проблемы, является улучшение состояния здоровья и самочувствия реципиента за счет благотворного воздействия на кишечную микробиоту.

[0012] Указанный технический результат достигается благодаря реализации системы формирования рекомендаций пользователю на основе данных о составе микробиоты кишечника донора и реципиента, которая содержит блок получения первичных данных, выполненный с возможностью использования данных о микробиоте кишечника донора и реципиента; блок контроля качества, выполненный с возможностью контроля качества данных о микробиоте кишечника донора и реципиента, полученных блоком получения первичных данных, причем данные о микробиоте включают в себя нуклеотидные прочтения (риды); блок таксономического анализа данных о микробиоте, выполненный с возможностью картирования метагеномных чтений на каталог, состоящий из набора последовательностей генов и/или геномов микробов микробиоты кишечника; блок определения биомаркерных микроорганизмов, ассоциированных с тем или иным патологическим состоянием реципиента, выраженный в некоторой шкале, отражающей представленность в микробиоте этих биомаркерных микроорганизмов относительно популяции здоровых людей; блок базы данных пищевых волокон, их источников и ассоциаций с микроорганизмами, в которой содержится база данных ассоциации пищевых волокон и содержащих их продуктов питания, микроорганизмов и продуктов питания, положительно ассоциированных с их ростом, пищевых волокон и микроорганзимов, чей рост положительно с ними ассоциирован, пищевых волокон и пищевых добавок, их содержащих; блок формирования рекомендаций для реципиента, выполненный с возможностью формирования рекомендаций реципиенту на основании данных блока определения биомаркерных микроорганизмов, и блока базы данных пищевых волокон, их пищевых источников и ассоциаций с микроорганизмами.

[0013] В некоторых вариантах осуществления технического решения блок получения первичных данных получает файлы секвенирования в формате FASTQ или FASTA, полученные с секвенатора.

[0014] В некоторых вариантах осуществления технического решения блок контроля качества осуществляет отсеивание чтений со средним баллом качества, полученного с ДНК-секвенатора, ниже заранее заданного порогового.

[0015] В некоторых вариантах осуществления технического решения блок контроля качества с концов чтений удаляет позиции, имеющие низкий балл качества.

[0016] В некоторых вариантах осуществления технического решения блок контроля качества отсеивает из чтений постороннюю генетическую информацию, не относящуюся к микробиоте кишечника, имеющих как биологическое происхождение, так и техническое, возникающую из-за прочтения артефактных генетических последовательностей.

[0017] В некоторых вариантах осуществления технического решения при картировании метагеномных чтений на каталог блоком таксономического анализа данных, данный каталог содержит геномные последовательности бактерий и/или архей и/или эукариот, встречающихся в кишечнике пользователя.

[0018] В некоторых вариантах осуществления технического решения блок таксономического анализа данных о микробиоте определяет относительную представленность генома или микробного вида.

[0019] В некоторых вариантах осуществления технического решения блок таксономического анализа данных о микробиоте формирует таблицы представленности по другим таксономическим уровням помимо таксономического уровня рода или вида.

[0020] В некоторых вариантах осуществления технического решения блок таксономического анализа данных о микробиоте прореживает таблицы представленности до заданной константной глубины, равной максимальному целевому количеству чтений на один образец.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0021] Признаки и преимущества настоящего технического решения станут очевидными из приведенного ниже подробного описания и прилагаемых чертежей, на которых:

[0022] На Фиг. 1 показан пример осуществления системы формирования индивидуального рациона добавок пищевых волокон, пробиотиков и продуктов питания после пересадки микробиоты желудочно-кишечного тракта от другого человека.

[0023] На Фиг. 2 - пример реализации создания базы данных ассоциаций пищевых волокон, продуктов питания и микроорганизмов.

[0024] На Фиг. 3 - пример реализации формирования списка рекомендованных к употреблению для реципиента продуктов, пробиотиков и пищевых добавок, содержащих ряд пищевых волокон.

[0025] На Фиг. 4 показан пример осуществления системы формирования индивидуального рациона добавок пищевых волокон, пробиотиков и продуктов питания после пересадки микробиоты желудочно-кишечного тракта от другого человека, в виде архитектуры вычислительной системы.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ

[0026] Ниже будут подробно рассмотрены термины и их определения, используемые в описании технического решения.

[0027] В данном изобретении под системой подразумевается компьютерная система, ЭВМ (электронно-вычислительная машина), ЧПУ (числовое программное управление), ПЛК (программируемый логический контроллер), компьютеризированные системы управления и любые другие устройства, способные выполнять заданную, четко определенную последовательность операций (действий, инструкций).

[0028] Под устройством обработки команд подразумевается электронный блок либо интегральная схема (микропроцессор), исполняющая машинные инструкции (программы). Устройство обработки команд считывает и выполняет машинные инструкции (программы) с одного или более устройства хранения данных. В роли устройства хранения данных могут выступать, но, не ограничиваясь, жесткие диски (HDD), флеш-память, ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), твердотельные накопители (SSD), оптические приводы.

[0029] Программа - последовательность инструкций, предназначенных для исполнения устройством управления вычислительной машины или устройством обработки команд.

[0030] Микробиота (нормальная микрофлора, нормофлора, микробном) человека - это совокупность всех микроорганизмов в теле человека.

[0031] Секвенирование ДНК - определение последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК. Под этим может подразумеваться как амликонное секвенирование (прочтение последовательностей выделенных фрагментов ДНК, полученных в результате ПЦР-реакции - таких, как ген 16S рРНК или его фрагменты), так и полногеномное секвенирование (прочтение последовательностей всей ДНК, присутствующей в образце).

[0032] Чтения (риды, reads) - данные, представляющие собой нуклеотидные последовательности фрагментов ДНК, полученные с помощью ДНК-секвенатора.

[0033] FASTA - формат записи последовательностей ДНК.

[0034] FASTQ - формат записи последовательностей ДНК, при котором записывается аппаратное качество прочтения каждой позиции.

[0035] Картирование прочтений - биоинформатический метод анализа результатов секвенирования нового поколения, состоящий в определении позиций в референсной базе геномов или генов, откуда с наибольшей вероятностью могло быть получено каждое конкретное короткое прочтение.

[0036] В результате секвенирования ДНК создается набор чтений. Длина чтения у современных секвенаторов составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч нуклеотидов.

[0037] Биомаркер - биологический измеряемый фактор - например, относительная представленность бактериального вида или рода ассоциированный с наличием или отсутствием того или иного состояния у организма хозяина, например, определенного заболевания.

[0038] Таксономия - учение о принципах и практике классификации и систематизации сложноорганизованных иерархически соотносящихся сущностей.

[0039] Донор - человек, предоставляющий свою микробиоту для пересадки реципиенту.

[0040] Реципиент - человек, которому производят пересадку микробиоты.

[0041] Пересадка (трансплантация) микробиоты (кала) - процесс переноса очищенной от нежелательных компонент микробиоты кишечника донора к реципиенту тем или иным образом.

[0042] Ниже будет подробно описан подробный вариант реализации системы формирования индивидуального рациона добавок пищевых волокон, пробиотиков, продуктов питания для пользователя после пересадки микробиоты желудочно-кишечного тракта от другого человека, показанный на Фиг. 1.

[0043] Предварительно блок получения первичных данных (не показан) получает на вход пробы образца по меньшей мере одного реципиента или потенциального реципиента, и донора.

[0044] Вышеуказанные первичные данные получают посредством использования набора для отбора проб, который может включать контейнер для образцов, имеющий компонент технологического реагента и сконфигурированный для приема образца из места сбора пользователем, которое может быть удаленным. Дополнительно или альтернативно набор для отбора проб может быть предоставлен непосредственно через устройство, установленное в помещении или на улице, которое предназначено для облегчения приема пробы от пользователя. В других вариантах осуществления набор для отбора проб может быть сдан в клинике или другом медицинском учреждении медицинскому лабораторному технику, а ранее доставлен пользователю, например, курьером. Однако предоставление набора (-ов) для отбора проб пользователя в блок получения первичных данных может дополнительно или альтернативно выполняться любым другим подходящим способом, например, в замороженном виде в стерильном контейнере.

[0045] Входные образцы могут представлять из себя образцы кала, которые могут быть обработаны, например, в лаборатории, и из которых получают генетические данные и данные о составе микробиоты кишечника путем секвенирования. Обработка включает в себя этапы очистки образца от дебриса путем центрифугирования, выделение тотальной ДНК, в том числе бактерий и архей. Альтернативно, из тотальной ДНК может быть проведена амплификация гена 16S рРНК или другого маркерного гена в зависимости от формата секвенирования.

[0046] Блок получения первичных данных получает данные о составе микробиоты кишечника реципиента, например, в результате секвенирования последовательностей микробных генов 16S рРНК микробиоты кишечника. В некоторых вариантах осуществления блок получения первичных данных получает файлы секвенирования в формате FASTQ или FASTA, полученные с секвенатора, по одному файлу на каждый образец. Предпочтительно может применяться ампликонное секвенирование, но также может применяться полногеномное секвенирование (WGS, shotgun), не ограничиваясь.

[0047] В процессе секвенирования, заключительным этапом запуска секвенатора является нахождение нуклеотидов (англ. base calling) - преобразование промежуточных "сырых" (внутренних) сигналов прибора (изображений, спектров, карт интенсивности) во множество чтений (иногда в уровне техники используется термин "риды" - от англ. "reads"), сопровождаемых баллами качества (по одному баллу для каждой нуклеотидной позиции). Чтения состоят из четырех символов нуклеотидов (А, С, G и Т), а также служебного символа N или "." или "?", обозначающего полную неопределенность относительно значения в данной позиции (секвенатор не может определить нуклеотид), например в следующем виде:

С точки зрения биоинформатического анализа важнейшими являются следующие характеристики чтений: во-первых, какой длины получатся чтения, а во-вторых, какие в них могут быть ошибки и как часто. Приборный балл качества (англ. quality value) - величина, характеризующая вероятность отсутствия ошибки в данной позиции, вычисляемая секвенатором исходя из качества сигнала:

[0048] где Р - вероятность ошибки в данной позиции. В разных вариантах осуществления чтения и их баллы качества могут генерироваться в виде двух файлов для каждого образца (формат FASTA), либо могут быть объединены в единый файл (формат FASTQ). При этом с целью экономии дискового пространства хранилища данных текстовые представления чтений могут быть переведены в двоичный формат.

[0049] Для ускорения расчетов, файлы размером, например, более 500 МБ формата FASTQ прореживаются до, например, 89951 чтений (это количество чтений в среднем соответствует размеру файла в 500 МБ при длине чтений 250 нуклеотидов). Начиная с некоторого значения увеличение глубины секвенирования слабо влияет на получаемый видовой состав микробиоты.

[0050] Затем данные попадают в блок первичного анализа метагеномных данных, который осуществляет отсеивание чтений со средним баллом качества ниже заранее заданного порогового значения, например, 15. В других вариантах осуществления с концов чтений могут адаптивно удаляться позиции, имеющие низкий балл качества (например, последовательно удаляются все нуклеотиды с 5' к 3' концу до тех пор, пока не встретится позиция с баллом качества, превышающим фиксированный порог). Дополнительно блок первичного анализа метагеномных данных отсеивает постороннюю генетическую информацию в чтениях, имеющих небиологическое происхождение, возникающую из-за прочтения артефактных последовательностей, возникающих в ходе неправильной химической модификации исходной ДНК.

[0051] При выполнении процесса контроля качества чтений блок первичного анализа метагеномных данных может использовать вычислительные методы (например, статистические методы, методы машинного обучения, методы искусственного интеллекта, методы биоинформатики и т.д.).

[0052] В некоторых вариантах осуществления при полногеномном (WGS) секвенировании состава микробиоты блок первичного анализа метагеномных данных картирует метагеномные чтения на неизбыточный каталог, полученные ранее, состоящий из представительного набора геномов или генов микробов кишечника - референс. В данный каталог могут входить генетическая информация бактерий, архей, а также эукариотических микроорганизмов, встречающихся в кишечнике пользователя. Данный каталог может быть сформирован на основании общедоступных крупных баз данных, а также автоматического анализа публикаций, имеющихся в уровне техники. В некоторых вариантах реализации расширяют набор референсных геномов, что позволяет регулярно добавлять новые опубликованные геномы. Результат картирования может быть сохранен в файле формата ВАМ. В некоторых вариантах осуществления для каждого генома определяют суммарную длину картировавшихся на него чтений (глубина покрытия) путем суммирования всех длин чтений (количество нуклеотидов в них), картировавшихся на геном, ширину покрытия, как суммарная длина покрытых нуклеотидных позиций в геноме.

[0053] При полногеномном анализе микробиоты относительная представленность генома далее может определяться блоком таксономического анализа данных (не показан) о микробиоте путем нормализации покрытия на длину генома и общую длину картировавшихся чтений.

[0054] При анализе микробиоты с помощью 16S рРНК секвенирования после предварительной обработки, блок таксономического анализа данных о микробиоте осуществляет количественный и качественный таксономический анализ данных путем определения, к какой известной бактерии принадлежит каждое чтение 16S рРНК (или его фрагмента) и как можно охарактеризовать чтения от неизвестных бактерий. Поиск осуществляется с применением стратегии поиска на основании референса (англ. reference-based). Таксономическая классификация опирается на базовое понятие операционной таксономической единицы (ОТЕ, англ. operational taxonomic unit, OTU) - определение бактериального вида на основании одной лишь последовательности 16S рРНК. Набор чтений гена 16S рРНК (или его региона) сопоставляется с представительной базой последовательностей данного гена. Каждое чтение относится к той таксономической единице, с которой он обладает высокой степенью сходства. В случае нескольких совпадений возможно случайное назначение чтения одной из этих ОТЕ. В базе каждая запись является представительной последовательностью соответствующего ОТЕ, полученнного ранее в результате кластерного анализа. В то время как порог сходства можно варьировать, традиционно в метагеномных исследованиях используется значение 97% сходства как эвристическая оценка степени сходства 16S рРНК внутри одного бактериального вида. Однако данное значение не является абсолютным: с одной стороны, и в пределах одного бактериального вида могут встречаться бактерии с сильно различающимися последовательностями этого гена, с другой стороны, у двух разных видов могут быть идентичные последовательности (например, Escherichia и Shigella).

[0055] В данном техническом решении могут применяться в некоторых вариантах осуществления две другие основные стратегии идентификации ОТЕ, известные из уровня техники: поиск de novo и гибридный подход (сочетающий элементы поиска на основании шаблона и поиска de novo).

[0056] Накопленные последовательности по 16S рРНК секвенированию микробиоты сводятся в объединенные базы данных и филогенетически аннотируются. Среди наиболее используемых баз данных в уровне техники могут быть использованы Greengenes (база полных последовательностей гена 16S рРНК), SILVA (включает последовательности не только 16S, но и ITS, 18S, 23S/28S для эукариот), RDP (аннотация менее унифицирована, но объем выше, чем у Greengenes) и т.д.

[0057] В результате обработки набора метагеномов в формате 16S рРНК получается таблица относительной представленности бактерий в метагеноме, которая отражает количество чтений, отнесенных к каждой таксономической единице (ОТЕ) из базы данных для каждого образца. Прореженная таблица относительной представленности может определяться по следующему принципу:

а. Если суммарное число чтений для образца по каждой таксономической единице меньше порогового значения (например, 5000), такой образец исключается из дальнейшего анализа как не подходящий по качеству и подлежащий повторному секвенированию.

b. Если суммарное число чтений для образца по каждой таксономической единице больше или равно пороговому значению (например, 5000), то число чтений для каждой таксономической единицы пропорционально нормируется таким образом, чтобы суммарное число чтений для образца стало равно пороговому значению (например, 5000).

[0058] В некоторых вариантах осуществления относительная представленность нормируется. Для этого для каждого образца суммируется количество его чтений, которые успешно откартировались на референсную базу. Нормированная представленность для каждого таксона рассчитывается как количество чтений, отнесенных к этому таксону для данного образца, деленное на общую сумму откартированных чтений для этого образца и помноженное на 100%. Из полученных значений нормированной представленности составляется нормированная таблица представленности, содержащая процент чтений, отнесенных к каждому таксону из базы данных для каждого образца. Нормировка используется для адекватного сравнения представленности одного и того же биомаркера или некоторой таксономической единицы между разными образцами микробиоты.

[0059] Из непрореженных таблиц относительной представленности по OTU блок таксономического анализа формирует прореженные таблицы представленности по другим таксономическим уровням (родам, семействам и т.п.). Для каждого таксономического уровня применяется следующий способ:

c. Количество чтений в образце для всех OTU, которые относятся к данному таксономическому уровню, суммируются;

d. Из полученных сумм составляется таблица представленности для данного таксономического уровня.

[0060] Далее осуществляется фильтрация малопредставленных таксонов - например, по следующему принципу: оставляются таксоны, представленность которых превышает 0,2% от общей микробной представленности не менее чем в 10% образцах.

[0061] Полученные таблицы таксономического анализа микробиоты потенциальных реципиентов направляют в блок выявления количественной представленности биомаркеров заболеваний, который анализирует данные на предмет относительной представленности биомаркеров заболевания или патологического состояния, которым страдает потенциальный реципиент. Данный анализ может проводиться различными способами, например:

[0062] а) оценивают представленность биомаркеров относительно неких константных пороговых значений;

[0063] б) оценивают представленность биомаркеров относительно некоторых пороговых значений, взятых из анализа распределения представленности этих биомаркеров в некоторой популяции;

[0064] в) оценивают весь таксономический состав микробиоты методами машинного обучения с использованием предварительно созданной модели, способной по всему составу отличить микробиоту здорового человека от микробиоты человека с этим заболеванием с точностью от 85%.

[0065] После выявления биомаркеров в микробиоте потенциального реципиента и/или оценки всего таксономического состава его кишечной микробиоты, производится поиск подходящего донорского материала. Данный поиск может быть совершен как по существующим биобанкам, так и путем набора добровольцев для сдачи донорского материала. В обоих случаях к донорам предъявляют следующие требования: отсутствие метаболических заболеваний, отсутствие заболеваний желудочно-кишечного тракта (ЖКТ) за 3 месяца до сбора донорского материала, отсутствие хронических системных заболеваний, нормальные значения индекса массы тела (18,5-24,9), отсутствие симптоматики ЖКТ, отсутствие заболеваний на момент забора образца, лечение антибиотиками не должно проводится минимум в течение 3 месяцев до забора донорского материала. В случае, если донор подходит по вышеуказанным параметрам, производится таксономический анализ его кишечной микробиоты.

[0066] Кроме того, в микробиоте кишечника потенциального донора должны отсутствовать или быть представлены ниже некого порогового значения биомаркеры, положительно ассоциированные с заболеванием потенциального реципиента, должны быть достаточно представлены биомаркеры, отрицательно ассоциированные с заболеванием потенциального реципиента или положительно ассоциированные со здоровым кишечником и здоровой микробиотой. Например, бактерия Escherichia coli является потенциальным биомаркером воспалительных процессов в кишечнике, т.е. ее доля в микробиоте кишечника существенно повышена при наличии воспаления. Например, этой бактерии у гипотетического потенциального реципиента наблюдается 50% от всего состава микробиоты. Соответственно, потенциальный донор в своей микробиоте должен иметь долю этой бактерии менее 3%, что характерно для здоровых людей, а также в составе должны преобладать микроорганизмы-биомаркеры здорового кишечника, те, которых наблюдается мало при воспалительном процессе или же обладают известными механизмами, подавляющими воспалительные процессы: Faecalibacterium prausnitzii, Roseburia sp.и другие. Дополнительно или же в альтернативном варианте таксономический состав кишечной микробиоты потенциального донора должен быть определен с помощью алгоритма машинного обучения как таксономический состав здоровой микробиоты, т.е. такой состав, который характерен для здоровых людей и не содержащий явных патогенных микроорганизмов, с вероятностью более 85%.

[0067] У прошедшего отбор донора производится забор донорского материала. В одном из вариантов это кал в навеске от 50 грамм, собранный естественным образом, дома или в специализированном помещение или в клинике, в стерильный контейнер. Собранный материал в обработанном виде должен быть использован для пересадки реципиенту в течение 6 часов или же быть заморожен при температуре не более -80С. Материал доставляется на льду в лабораторию, где проводятся последующие действия. Материал гомогенизируется в коммерческом блендере в азотной среде или предварительно смешивается с физраствором, просеивается через лабораторные ситца с целью очищения от остатков непереваренной пищи. Очищенный материал центрифугируют в течение минимум 15 минут при 6000д минимум один раз и супернатант ресуспендируют в стерильном нормальном физрастворе. Полученную суспензию используют для трансплантации к реципиенту.

[0068] Трансплантация кала может происходить одним из следующих способов: материал может быть введен через клизму или при колоноскопии, или через дуоденальную трубку орально, или орально в форме пилюли с кишечнорастворимой оболочкой. Тип трансплантации определяется техническими возможностями и степенью повреждения органов реципиента.

[0069] В одном из вариантов осуществления реципиент может проходить предподготовку перед процедурой трансплантации кала. В случае оральных методов введения может быть рекомендовано назначение препаратов ингибиторов протоновых помп за 48 часов до процедуры. Перед анальным введением может быть рекомендована очищающая клизма перед процедурой.

[0070] После проведения процедуры трансплантации реципиенту назначается список рекомендованных к потреблению продуктов, пробиотиков и пищевых добавок, содержащих определенный список пищевых волокон посредством блока составления пищевых рекомендаций. Этот список создается исходя из полученных данных о представленности микроорганизмов-биомаркеров в микробиоте донора, ассоциированных со здоровой микробиотой и долю которых необходимо поддерживать и/или увеличивать. Пример такого списка приведен ниже:

[0071]

[0072] Для этого используется созданная база знаний по пищевым волокнам, содержащая следующую информацию: каталог пищевых волокон, с их классификацией и продуктов питания, их содержащих, реестр существующих пищевых добавок, содержащих те или иные пищевые волокна. Создается и регулярно обновляется база данных ассоциаций между ростом бактериальных видов и родов при потреблении тех или иных пищевых волокон. Эти базы объединяются в единую связную базу данных. Данный процесс показан на Фиг. 2.

[0073] Для формирования списка рекомендованных продуктов для конкретного реципиента из этой базы данных достается информация о том, какие пищевые волокна предпочтительно расщепляют микробы-биомаркеры, которые содержатся в микробиоте донора, исходя из данных метагеномного анализа, представленность которых предполагается повысить в результате пересадки микробиоты.

[0074] Из этого списка вычитаются те пищевые волокна, которые предпочтительно расщепляются микробами-биомаркерами, которые содержатся в исходной микробиоте потенциального реципиента и чью представленность предполагается оставить неизменной или понизить вследствие пересадки микробиоты.

[0075] Исходя из финального списка пищевых волокон с использованием созданной базы данных ассоциаций, составляется список продуктов питания, пробиотиков и пищевых добавок, рекомендованных к употреблению реципиентом после процедуры пересадки микробиоты, как показано на Фиг. 3

[0076] Конкретные количества тех или иных продуктов и добавок могут варьировать в зависимости от содержания пищевых волокон в них. Общая суточная доза потребляемых пищевых волокон должна быть не менее 20 г.

[0077] После процедуры трансплантации у реципиента регулярно производится забор образца кала для тестового анализа микробиоты. Взятие образца микробиоты должно происходить не чаще 1 раза в месяц и не реже 1 раза в 3 месяца, первый тестовый забор производится спустя месяц после трансплантации.

[0078] Альтернативно для тестового анализа микробиоты может быть использована ПЦР-панель, детектирующая анализируемые в конкретном случае биомаркеры. В результате такого ПЦР-теста будет получена количественная информация о представленности анализируемых биомаркеров.

[0079] Результаты анализа сравниваются с предыдущими результатами, или же с составом микробиоты реципиента до пересадки, если тестовый анализ проводится в первый раз. Например, до пересадки реципиент имел в своей кишечной микробиоте 50% Escherichia coli. Через неделю после пересадки микробиоты при анализе микробиоты у реципиента было выявлено, что данная бактерия составляет только 1,5%, и в последующих анализах, проводимых раз в месяц на протяжении полугода ее доля существенно не меняется.

[0080] В результате сравнения оценивается динамика изменения представленности биомаркеров, полученных из донорской микробиоты. В случае отрицательной динамики проводится коррекция списка пищевых рекомендаций или рекомендуется повторная процедура трансплантации. Например, в предыдущем примере, после пересадки микробиоты доля бактерии Escherichia coli упала до 1,5% но при следующем анализе микробиоты через месяц ее доля составила 6%, а доля биомаркера здорового кишечника Faecalibacterium prausnitzii упала с 20% до 15%. Соответственно, реципиенту рекомендовано увеличить потребление пищевого волокна инулина, содержащегося в яблоках, направленно поддерживающего рост бактерии Faecalibacterium prausnitzii.

[0081] Проверочные анализы микробиоты реципиента проводятся до тех пор, пока основная цель проведения трансплантации микробиоты - например, устранение симптоматики ЖКТ или общее улучшение клинической картины того или иного конкретного заболевания - не будет выполнена. Например, изначально реципиент имел в своей кишечной микробиоте 50% бактерии Escherichia coli, в то время как у здоровых людей ее в среднем наблюдается не более 3%, и являющейся потенциальным биомаркером воспалительных процессов. Кроме того, реципиент страдал от ряда кишечных расстройств, вероятно связанных с воспалительными процессами. После пересадки микробиоты от здорового донора, содержащей менее 3% Escherichia coli и более 20% Faecalibacterium prausnitzii, являющейся противовоспалительным биомаркером, состав микробиоты реципиента изменился и содержал 5% Escherichia coli и более 25% Faecalibacterium через неделю после пересадки. В течение полугода реципиент соблюдал рекомендации по питанию и сдавал анализ микробиоты, который выявлял снижение доли Escherichia coli и увеличение 20% Faecalibacterium prausnitzii, а также исчезли симптомы расстройства кишечника. После этого процедура считается успешно проведенной.

[0082] Ссылаясь на Фиг. 4, данное техническое решение может быть реализовано в виде вычислительной системы 400, которая содержит один или более из следующих компонент:

- компонент 401 обработки, содержащий по меньшей мере один процессор 402,

- память 403,

- компонент 404 питания,

- компонент 405 мультимедиа,

- компонент 406 аудио,

- интерфейс 407 ввода / вывода (I/O),

- сенсорный компонент 408,

- компонент 409 передачи данных.

[0083] Компонент 401 обработки в основном управляет всеми операциями системы 400, например, подбирает по меньшей мере одному реципиенту по меньшей мере одного потенциального донора, а также управляет дисплеем, телефонным звонком, передачей данных, работой камеры и операцией записи мобильного устройства связи пользователя. Модуль 401 обработки может включать в себя один или более процессоров 402, реализующих инструкции для завершения всех или части шагов из указанных выше способов. Кроме того, модуль 401 обработки может включать в себя один или более модулей для удобного процесса взаимодействия между другими модулями 401 обработки и другими модулями. Например, модуль 401 обработки может включать в себя мультимедийный модуль для удобного облегченного взаимодействия между компонентом 405 мультимедиа и компонентом 401 обработки.

[0084] Память 403 выполнена с возможностью хранения различных типов данных для поддержки работы системы 400, например, базу данных с профилями пользователей. Примеры таких данных включают в себя инструкции из любого приложения или способа, контактные данные, данные адресной книги, сообщения, изображения, видео, и т.д., и все они работают на системе 400. Память 403 может быть реализована в виде любого типа энергозависимого запоминающего устройства, энергонезависимого запоминающего устройства или их комбинации, например, статического оперативного запоминающего устройства (СОЗУ), Электрически-Стираемого Программируемого постоянного запоминающего устройства (ЭСППЗУ), Стираемого Программируемого постоянного запоминающего устройства (СППЗУ), Программируемого постоянного запоминающего устройства (ППЗУ), постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), магнитной памяти, флэш-памяти, магнитного диска или оптического диска и другого, не ограничиваясь.

[0085] Компонент 404 питания обеспечивает электричеством различные компоненты системы 400. Компонент 404 питания может включать систему управления электропитанием, один или более источник питания, и другие узлы для генерации, управления и распределения электроэнергии к системе 400.

[0086] Компонент 405 мультимедиа включает в себя экран, обеспечивающий выходной интерфейс между системой 400, которая может быть установлена на мобильном устройстве связи пользователя и пользователем. В некоторых вариантах реализации, экран может быть жидкокристаллическим дисплеем (ЖКД) или сенсорной панелью (СП). Если экран включает в себя сенсорную панель, экран может быть реализован в виде сенсорного экрана для приема входного сигнала от пользователя. Сенсорная панель включает один или более сенсорных датчиков в смысле жестов, прикосновения и скольжения сенсорной панели. Сенсорный датчик может не только чувствовать границу прикосновения пользователя или жест перелистывания, но и определять длительность времени и давления, связанных с режимом работы на прикосновение и скольжение. В некоторых вариантах осуществления компонент 405 мультимедиа включает одну фронтальную камеру и/или одну заднюю камеру. Когда система 400 находится в режиме работы, например, режиме съемки или режиме видео, фронтальная камера и/или задняя камера могут получать данные мультимедиа извне. Каждая фронтальная камера и задняя камера может быть одной фиксированной оптической системой объектива или может иметь фокусное расстояние или оптический зум.

[0087] Компонент 406 аудио выполнен с возможностью выходного и/или входного аудио сигнала. Например, компонент 406 аудио включает один микрофон (MIC), который выполнен с возможностью получать внешний аудио сигнал, когда система 400 находится в режиме работы, например, режиме вызова, режима записи и режима распознавания речи. Полученный аудио сигнал может быть далее сохранен в памяти 403 или направлен по компоненту 409 передачи данных. В некоторых вариантах осуществления компонент 406 аудио также включает в себя один динамик выполненный с возможностью вывода аудио сигнала.

[0088] Интерфейс 407 ввода / вывода (I / О) обеспечивает интерфейс между компонентом 401 обработки и любым периферийным интерфейсным модулем. Вышеуказанным периферийным интерфейсным модулем может быть клавиатура, руль, кнопка, и т.д. Эти кнопки могут включать, но не ограничиваясь, кнопку запуска, кнопку регулировки громкости, начальную кнопку и кнопку блокировки.

[0089] Сенсорный компонент 408 содержит один или более сенсоров и выполнен с возможностью обеспечения различных аспектов оценки состояния системы 400. Например, сенсорный компонент 408 может обнаружить состояния вкл/выкл системы 400, относительное расположение компонентов, например, дисплея и кнопочной панели, одного компонента системы 400, наличие или отсутствие контакта между пользователем и системой 400, а также ориентацию или ускорение/замедление и изменение температуры системы 400. Сенсорный компонент 408 содержит бесконтактный датчик, выполненный с возможностью обнаружения присутствия объекта, находящегося поблизости, когда нет физического контакта. Сенсорный компонент 408 содержит оптический датчик (например, КМОП или ПЗС-датчик изображения) выполненный с возможностью использования в визуализации приложения. В некоторых вариантах сенсорный компонент 408 содержит датчик ускорения, датчик гироскопа, магнитный датчик, датчик давления или датчик температуры.

[0090] Компонент 409 передачи данных выполнен с возможностью облегчения проводной или беспроводной связи между системой 400 и другими устройствами. Система 400 может получить доступ к беспроводной сети на основе стандарта связи, таких как WiFi, 2G, 3G, 5G, или их комбинации. В одном примерном варианте компонент 409 передачи данных получает широковещательный сигнал или трансляцию, связанную с ними информацию из внешней широковещательной системы управления через широковещательный канал. В одном варианте осуществления компонент 409 передачи данных содержит модуль коммуникации ближнего поля (NFC), чтобы облегчить ближнюю связь. Например, модуль NFC может быть основан на технологии радиочастотной идентификации (RFID), технологии ассоциации передачи данных в инфракрасном диапазоне (IrDA), сверхширокополосных (UWB) технологии, Bluetooth (ВТ) технологии и других технологиях.

[0091] В примерном варианте осуществления система 400 может быть реализована посредством одной или более Специализированных Интегральных Схем (СИС), Цифрового Сигнального Процессора (ЦСП), Устройств Цифровой Обработки Сигнала (УЦОС), Программируемым Логическим Устройством (ПЛУ), логической микросхемой, программируемой в условиях эксплуатации (ППВМ), контроллера, микроконтроллера, микропроцессора или других электронных компонентов, и может быть сконфигурирован для реализации способа отображения альбома.

[0092] В примерном варианте осуществления, энергонезависимый компьютерно-читаемый носитель, содержит инструкции также предусмотренные, например, память 403 включает инструкции, где инструкции выполняются процессором 401 системы 400 для реализации описанных выше способов автоматизированного конструирования мультимодального сервиса грузоперевозок. Например, энергонезависимым компьютерно-читаемым носителем может быть ПЗУ, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), компакт-диск, магнитная лента, дискеты, оптические устройства хранения данных и тому подобное.

[0093] Вычислительная система 400 может включать в себя интерфейс дисплея, который передает графику, текст и другие данные из коммуникационной инфраструктуры (или из буфера кадра, не показан) для отображения на компоненте 405 мультимедиа. Вычислительная система 400 дополнительно включает в себя устройства ввода или периферийные устройства. Периферийные устройства могут включать в себя одно или несколько устройств для взаимодействия с мобильным устройством связи пользователя, такие как клавиатура, микрофон, носимое устройство, камера, один или более звуковых динамиков и другие датчики. Периферийные устройства могут быть внешними или внутренними по отношению к мобильному устройству связи пользователя. Сенсорный экран может отображать, как правило, графику и текст, а также предоставляет пользовательский интерфейс (например, но не ограничиваясь ими, графический пользовательский интерфейс (GUI)), через который пользователь может взаимодействовать с мобильным устройством связи пользователя, например, получать доступ и взаимодействовать с приложениями, запущенными на устройстве.

[0094] Элементы заявляемого технического решения находятся в функциональной взаимосвязи, а их совместное использование приводит к созданию нового и уникального технического решения. Таким образом, все блоки функционально связаны.

[0095] Все блоки, используемые в системе, могут быть реализованы с помощью электронных компонент, используемых для создания цифровых интегральных схем, что очевидно для специалиста в данном уровне техники. Не ограничиваюсь, могут быть использоваться микросхемы, логика работы которых определяется при изготовлении, или программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС), логика работы которых задается посредством программирования. Для программирования используются программаторы и отладочные среды, позволяющие задать желаемую структуру цифрового устройства в виде принципиальной электрической схемы или программы на специальных языках описания аппаратуры: Verilog, VHDL, AHDL и др. Альтернативой ПЛИС могут быть программируемые логические контроллеры (ПЛК), базовые матричные кристаллы (БМК), требующие заводского производственного процесса для программирования; ASIC специализированные заказные большие интегральные схемы (БИС), которые при мелкосерийном и единичном производстве существенно дороже.

[0096] Обычно, сама микросхема ПЛИС состоит из следующих компонент:

- конфигурируемых логических блоков, реализующих требуемую логическую функцию;

- программируемых электронных связей между конфигурируемыми логическими блоками;

- программируемых блоков ввода/вывода, обеспечивающих связь внешнего вывода микросхемы с внутренней логикой.

[0097] Также блоки могут быть реализованы с помощью постоянных запоминающих устройств.

[0098] Таким образом, реализация всех используемых блоков достигается стандартными средствами, базирующимися на классических принципах реализации основ вычислительной техники.

[0099] Как будет понятно специалисту в данной области техники, аспекты настоящего технического решения могут быть выполнены в виде системы, способа или компьютерного программного продукта. Соответственно, различные аспекты настоящего технического решения могут быть реализованы исключительно как аппаратное обеспечение, как программное обеспечение (включая прикладное программное обеспечение и так далее) или как вариант осуществления, сочетающий в себе программные и аппаратные аспекты, которые в общем случае могут упоминаться как «модуль», «система» или «архитектура». Кроме того, аспекты настоящего технического решения могут принимать форму компьютерного программного продукта, реализованного на одном или нескольких машиночитаемых носителях, имеющих машиночитаемый программный код, который на них реализован.

[00100] Также может быть использована любая комбинация одного или нескольких машиночитаемых носителей. Машиночитаемый носитель хранилища может представлять собой, без ограничений, электронную, магнитную, оптическую, электромагнитную, инфракрасную или полупроводниковую систему, аппарат, устройство или любую подходящую их комбинацию. Конкретнее, примеры (неисчерпывающий список) машиночитаемого носителя хранилища включают в себя: электрическое соединение с помощью одного или нескольких проводов, портативную компьютерную дискету; жесткий диск, оперативную память (ОЗУ), постоянную память (ПЗУ), стираемую программируемую постоянную память (EPROM или Flash-память), оптоволоконное соединение, постоянную память на компакт-диске (CD-ROM), оптическое устройство хранения, магнитное устройство хранения или любую комбинацию вышеперечисленного. В контексте настоящего описания, машиночитаемый носитель хранилища может представлять собой любой гибкий носитель данных, который может содержать или хранить программу для использования самой системой, устройством, аппаратом или в соединении с ними.

[00101] Программный код, встроенный в машиночитаемый носитель, может быть передан с помощью любого носителя, включая, без ограничений, беспроводную, проводную, оптоволоконную, инфракрасную и любую другую подходящую сеть или комбинацию вышеперечисленного.

[00102] Компьютерный программный код для выполнения операций для шагов настоящего технического решения может быть написан на любом языке программирования или комбинаций языков программирования, включая объектно-ориентированный язык программирования, например Java, Smalltalk, С++ и так далее, и обычные процедурные языки программирования, например язык программирования «С» или аналогичные языки программирования. Программный код может выполняться на компьютере пользователя полностью, частично, или же как отдельный пакет программного обеспечения, частично на компьютере пользователя и частично на удаленном компьютере, или же полностью на удаленном компьютере. В последнем случае, удаленный компьютер может быть соединен с компьютером пользователя через сеть любого типа, включая локальную сеть (LAN), глобальную сеть (WAN) или соединение с внешним компьютером (например, через Интернет с помощью И нтернет-провайдеров).

[00103] Аспекты настоящего технического решения были описаны подробно со ссылкой на блок-схемы, принципиальные схемы и/или диаграммы способов, устройств (систем) и компьютерных программных продуктов в соответствии с вариантами осуществления настоящего технического решения. Следует иметь в виду, что каждый блок из блок-схемы и/или диаграмм, а также комбинации блоков из блок-схемы и/или диаграмм, могут быть реализованы компьютерными программными инструкциями. Эти компьютерные программные инструкции могут быть предоставлены процессору компьютера общего назначения, компьютера специального назначения или другому устройству обработки данных для создания процедуры, таким образом, чтобы инструкции, выполняемые процессором компьютера или другим программируемым устройством обработки данных, создавали средства для реализации функций/действий, указанных в блоке или блоках блок-схемы и/или диаграммы.

[00104] Эти компьютерные программные инструкции также могут храниться на машиночитаемом носителе, который может управлять компьютером, отличным от программируемого устройства обработки данных или отличным от устройств, которые функционируют конкретным образом, таким образом, что инструкции, хранящиеся на машиночитаемом носителе, создают устройство, включающее инструкции, которые осуществляют функции/действия, указанные в блоке блок-схемы и/или диаграммы.

Claims (7)

1. Способ формирования индивидуального рациона продуктов питания при пересадке микробиоты, включающий следующие шаги:

- получают данные о составе микробиоты кишечника множества реципиентов и множества потенциальных доноров путем метагеномного секвенирования их образцов кала;

- на основании полученных данных определяют относительную представленность микроорганизмов и биомаркеров заболеваний в метагеноме по меньшей мере одного реципиента и потенциального донора;

- подбирают по меньшей мере одному реципиенту по меньшей мере одного потенциального донора, причем:

в микробиоте кишечника потенциального донора должны быть представлены ниже заранее заданного порогового значения микробные биомаркеры, положительно ассоциированные с заболеванием потенциального реципиента, и должны быть достаточно представлены микробные биомаркеры, отрицательно ассоциированные с заболеванием потенциального реципиента;

- формируют список рекомендованных к потреблению продуктов, пробиотиков и пищевых добавок для реципиента, содержащих пищевые волокна, на основании полученных данных о представленности микроорганизмов и биомаркеров заболеваний в микробиоте найденного донора.

2. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что список пищевых волокон формируется исходя из полученной информации о положительной ассоциации между их потреблением и ростом определенных таксонов бактерий.

Images