研究人员正在利用人工智能来揭示肠道微生物群与阿尔茨海默病之间的联系。

克利夫兰诊所

4月22日消息

先前的研究表明，随着阿尔茨海默病的发展，患者的肠道细菌会发生变化。克利夫兰诊所（Cleveland Clinic）最新发布的《细胞报告》（Cell Reports）研究概述了一种计算方法，以确定被称为代谢物的细菌副产物如何与细胞上的受体相互作用，并导致阿尔茨海默病。

研究于2024年4月22日发表在《Cell Reports》（最新影响因子：8.8）杂志上

克利夫兰诊所基因组中心（Cleveland Clinic Genome Center）的首任主任程飞雄（Feixiong Cheng）博士与卢鲁沃脑健康中心（Lou Ruvo Center for Brain Health）以及微生物组与人类健康中心（CMHH）紧密合作。该研究根据代谢物和受体相互作用的可能性，以及它们对阿尔茨海默病影响的可能性，对它们进行了排序。这些数据为研究代谢物相关疾病提供了迄今为止最全面的路线图。

肠道代谢物是什么？

细菌在分解我们摄入的食物以获取能量时，会释放代谢物进入我们的系统。然后，这些代谢物与细胞相互作用并影响细胞，推动细胞过程，这可能对健康有益或有害。除了阿尔茨海默病外，研究人员还将代谢物与心脏病、不孕症、癌症以及自身免疫性疾病和过敏症联系起来。

防止代谢物与我们细胞之间的有害相互作用有助于抗击疾病。研究人员正在努力开发药物，以激活或阻止代谢物与细胞表面受体的连接。由于需要识别目标受体的信息量巨大，这种方法的进展缓慢。

基因组医学研究员程飞雄博士说：“肠道代谢物是我们体内许多生理过程的关键，对于每一个关键过程，都存在一个对人体健康和疾病至关重要的锁。问题在于，我们的系统中有成千上万的受体和数千种代谢物，因此手动确定哪个钥匙适合哪个锁既缓慢又昂贵。这就是为什么我们决定使用人工智能（AI）。”

程博士的团队利用人工智能来测试那些已知且安全性良好的肠道代谢物是否能为阿尔茨海默病或其他复杂疾病提供有效的预防或甚至干预方法。

利用人工智能解锁肠脑联系

该研究的第一作者、程博士实验室博士后研究员 Yunguang Qiu 博士领导了一个团队，该团队包括 CMMH 研究主任 J. Mark Brown 博士、克利夫兰诊所卢鲁沃脑健康中心主任兼克利夫兰阿尔茨海默病研究中心主任 James Leverenz 博士，以及克利夫兰诊所内华达州妇女阿尔茨海默病预防中心主任、神经心理学家 Jessica Caldwell 博士。

该团队使用了一种称为机器学习的人工智能形式，来分析超过 109 万个潜在的代谢物-受体对，并预测每种相互作用导致阿尔茨海默病的可能性。

分析综合了以下内容：

来自人类和阿尔茨海默病临床前研究的遗传学和蛋白质组学数据

不同受体（蛋白质结构）和代谢物的形状

不同代谢物如何影响来自患者的脑细胞

核实脑细胞的数学关系

该团队研究了在来自阿尔茨海默病患者的脑细胞中最有可能影响阿尔茨海默病的代谢物-受体对。

他们关注的一个分子是被称为胍丁胺（agmatine）的保护性代谢物，它被认为可以保护脑细胞免受炎症和相关损伤。研究发现，胍丁胺最有可能与阿尔茨海默病中的补体 C3A 受体 （C3AR ）相互作用。

直接用胍丁胺治疗受阿尔茨海默病影响的神经元可降低 C3AR 水平，这表明代谢物和受体相互影响。经胍丁胺处理的神经元还具有较低的磷酸化 tau 蛋白水平，磷酸化 tau 蛋白是阿尔茨海默病的一个标志物。

程博士表示，这些实验表明他的团队的人工智能算法如何为阿尔茨海默病以外的多种疾病开辟新的研究途径。

他说：“我们特别关注了阿尔茨海默病，但代谢物-受体相互作用几乎在所有涉及肠道微生物的疾病中都发挥作用。我们希望我们的方法能为整个代谢物相关疾病和人类健康领域的研究进展提供一个框架。”

现在，程博士和他的团队正在进一步开发和应用这些人工智能技术，以研究遗传和环境因素（包括食物和肠道代谢物）对人类健康和疾病（包括阿尔茨海默病和其他复杂疾病）的相互作用。

创立于1921年的克利夫兰诊所

参考文献

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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       原文标题 : 研究人员利用人工智能通过“肠脑轴”改善阿尔茨海默病的治疗