Qual é a Metagenómica do Microbiota Intestinal na infeção por COVID-19?
Tecnologia de metagenómica ultrapassa o método tradicional de isolamento e cultura microbiana para extrair DNA total diretamente de amostras ambientais, e obtém novos genes funcionais e bioativos através da construção e triagem de bibliotecas metagenómicas, que incluem tanto informações genéticas microbianas cultiváveis como não cultiváveis, aumentando assim a probabilidade de obter novos bioativos.
Metagenómica é uma nova abordagem para pesquisa microbiana em que os genomas de populações microbianas em amostras ambientais são estudados através de triagem de genes funcionais e/ou análise de sequenciamento, e podem ser utilizados para analisar a diversidade microbiana, a estrutura populacional, as relações evolutivas, a atividade funcional e as relações com o ambiente.
A pandemia de COVID-19, causada pelo novo coronavírus (Síndrome Respiratória Aguda Grave Coronavírus 2 [SARS-CoV-2]), suscitou uma pesquisa científica significativa sobre as suas diversas manifestações clínicas. Apesar de afetar principalmente o sistema respiratório, a COVID-19 demonstrou a capacidade de infectar vários órgãos, notavelmente o trato gastrointestinal (GI) juntamente com o sistema pulmonar. Relatos sugerem que os sintomas gastrointestinais, frequentemente apresentando-se como diarreia, podem preceder os sintomas respiratórios em pacientes que recebem tratamento após a eliminação viral do sistema respiratório, com o vírus detetado em amostras fecais ou swabs retais durante vários dias. Sequenciação metagenómica pode revelar alterações na microbiota intestinal durante a infeção por COVID-19, lançando luz sobre o impacto da infeção por COVID-19 na composição e funcionalidade do microbioma intestinal, ajudando na compreensão das interacções entre o vírus e a microbiota intestinal do hospedeiro. Além disso, pode prever desfechos clínicos, auxiliando na identificação de biomarcadores para a infeção por COVID-19 que podem ajudar no diagnóstico precoce, prognóstico da progressão da doença e desenvolvimento de planos de tratamento personalizados.
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Insights de Metagenómica sobre o Impacto da COVID-19 na Microbiota Intestinal
Metagenómica de Shotgun revela alterações composicionais na microbiota intestinal de pacientes com COVID-19
No artigo "Dissecando o papel do microbioma humano na COVID-19 através de genomas montados a partir de metagenomas", publicado na Nature Communications em setembro, foram obtidos um total de 11.584 MAGs (genomas montados a partir de metagenomas) e 5.403 MAGs não redundantes (nrMAGs) ao nível da estirpe a partir de 514 amostras nasais e fecais de pacientes com COVID-19, através de técnicas de montagem e agrupamento de metagenomas utilizando metagenomas publicados. NGS dados de seis coortes independentes.
Foi encontrado que a abundância de estirpes de muitas espécies microbianas no intestino de pacientes com COVID-19 estava significativamente reduzida em comparação com sujeitos normais e que os casos de COVID-19 podiam ser distinguidos com precisão de controlos saudáveis com base nas características do microbioma intestinal, podendo prever a progressão da COVID-19, conforme mostrado abaixo.
Figura 1. Reconstrução de MAGs a partir de 514 dados de sequenciação metagenómica shotgun relacionados com COVID-19 nos grupos de descoberta (Ke S et al., 2022)
Análise de centenas de Sequenciação WMS Dados revelaram que pacientes com COVID-19 perderam muitas linhagens (nrMAGs) de certas espécies microbianas em comparação com controles não COVID-19. Através de aprendizagem de máquina, os autores demonstraram a viabilidade de detectar com precisão a COVID-19 a partir de controles saudáveis com base nas assinaturas do microbioma intestinal a níveis de nrMAG. Uma maior compreensão das interações entre o microbioma humano (incluindo bactérias, fungos e vírus) e a infecção por SARS-CoV-2, ou outras infecções virais, pode ser descoberta no futuro com a contínua otimização da tecnologia e dos métodos de análise de dados.
No estudo de Maeda et al. (2022), a micobiota intestinal e a microbiota foram examinadas em pacientes com COVID-19 severa, pacientes com COVID-19 leve e indivíduos saudáveis utilizando sequenciação metagenómicaO grupo severo apresentou uma diversidade de micobiota mais baixa, com dominância de Candida albicans, enquanto a diversidade microbiana foi reduzida com o aumento. Enterococcus e Lactobacilluse diminuiu Faecalibacterium e Bacteroides abundância. Não foram encontradas diferenças significativas entre pacientes com COVID-19 leve e indivíduos saudáveis. A abundância de Candida correlacionou-se positivamente com EnterococcusApós a recuperação de pacientes graves, as alterações na microbiota persistiram, mas a diversidade da micobiota recuperou-se para níveis semelhantes aos de pacientes ligeiros e indivíduos saudáveis.
Figura 2. Composição alterada da micobiota intestinal e microbiota em pacientes com COVID-19. (Maeda et al., 2022)
Cao et al. (2021) realizaram um estudo em Pequim utilizando análise metagenómica explorar o viroma e o bacterioma intestinal em 13 pacientes com COVID-19 em comparação com 5 controlos saudáveis. A investigação revelou disbiose bacteriana em pacientes com COVID-19, caracterizada por uma diminuição da diversidade microbiana e alterações virais. Casos graves de COVID-19 apresentaram uma presença elevada de patógenos oportunistas e uma diminuição de bactérias produtoras de butirato. Estas observações foram corroboradas num modelo de rato de COVID-19, que exibiu variações na expressão de genes relacionados com a imunidade e a infeção nas células epiteliais intestinais. Os resultados sugerem um impacto significativo da infeção por SARS-CoV-2 no microbioma, com potenciais implicações para a gravidade da doença e a recuperação.
Zuo et al. (2020) empregaram sequenciação metagenómica shotgun para analisar os microbiomas fecais de 15 pacientes com COVID-19 em Hong Kong durante a hospitalização, em comparação com 6 indivíduos com pneumonia adquirida na comunidade e 15 controles saudáveis. A investigação revelou modificações notáveis e duradouras no microbioma intestinal dos pacientes com COVID-19, manifestadas por um aumento de patógenos oportunistas e uma diminuição de comensais benéficos, que mostraram uma correlação com a gravidade da doença e a carga fecal de SARS-CoV-2. Estas observações sugerem que alterações no microbiota intestinal poderiam potencialmente amenizar a gravidade da COVID-19.
Figura 3. Resumo esquemático das alterações no microbioma intestinal na COVID-19. (Zuo et al., 2020)
Li et al. (2021) empregaram sequenciação metagenómica shotgun investigar a microbiota intestinal de 47 pacientes com COVID-19 em comparação com 19 controlos saudáveis. Detectaram quatro microrganismos distintos exclusivos dos pacientes com COVID-19 e notaram variações consideráveis na abundância de diversas espécies bacterianas. Os pacientes com COVID-19 apresentaram níveis elevados de Bacteroides stercoris, B. vulgatus, B. massiliensis, entre outros, enquanto espécies como Clostridium nexile e Streptococcus salivarius foram diminuídos. Além disso, houve uma redução significativa na produção de butirato. Roseburia inulinivorans e um aumento em Paraprevotella sp. e Estreptococo thermófilo foram observados. A pesquisa identificou 30 módulos de ortologia KEGG com alterações significativas e 15 marcadores microbianos com potencial diagnóstico robusto para discriminar casos de COVID-19. Foram estabelecidas associações entre espécies bacterianas específicas e parâmetros clínicos, juntamente com uma alteração na razão Bacteroidetes para Firmicutes. Estes achados sugerem que alterações na composição da microbiota intestinal podem influenciar a gravidade da COVID-19, e os marcadores microbianos têm potencial para melhorar o diagnóstico da COVID-19.
Figura 4. Associações entre o microbioma intestinal e índices clínicos da COVID-19. (Li et al., 2021)
Como Analisar Dados Metagenómicos
Usando a análise de dados no artigo "Dissecando o papel do microbioma humano na COVID-19 através de genomas montados a partir de metagenomas" como exemplo para entender metagenómico análise de dados:
1. montagem e agrupamento de metagenomas
Os autores utilizaram o metaWRAP, um processo de análise que integra controlo de qualidade, splicing, agrupamento, purificação, avaliação, anotação de espécies, estimativa de abundância, anotação funcional e visualização, para processar os dados de sequenciação bruta, incorporando mais de 140 ferramentas. O processo detalhado é o seguinte: (a). QC e remoção de contaminação do hospedeiro dos dados brutos; (b). Montagem dos dados descontaminados utilizando a ferramenta metaSPAdes no metaWRAP; (c). agrupamento utilizando os softwares MaxBin2, metaBAT2 e CONCOCT, e purificação dos resultados do agrupamento utilizando o módulo bin_refinement, e finalmente avaliação da taxa de contaminação e completude dos resultados utilizando o CheckM.
2. Agrupamento e desreplicação de MAGs
Os MAGs foram agrupados em bins de genoma a nível de espécie (SGBs) utilizando o software dRep, e em seguida, os MAGs foram anotados taxonomicamente com base na base de dados Genome Taxonomy utilizando o software GTDB-Tk.
3. Cálculo da abundância de espécies e árvore filogenética
A abundância de cada nrMAG foi calculada utilizando o software Salmon, e as árvores evolutivas foram construídas usando o PhyloPhlAn e embelezadas com o iTOL.
4. Anotação do genoma de nrMAGs
Os genomas obtidos a partir da binagem foram preditos geneticamente utilizando o software Prokka, e os genes foram anotados funcionalmente utilizando o MicrobeAnnotator, sendo a completude de cada anotação da base de dados avaliada. Por fim, foi realizada uma análise funcional utilizando o HUMANN3.
5. Análise estatística
A diversidade microbiana Alpha e Beta foi calculada utilizando o pacote vegan do R, e a análise de regressão por floresta aleatória foi realizada utilizando o pacote randomForest do R.
Metagenómico A análise de dados envolve uma série de passos fundamentais destinados a desvendar as paisagens taxonómicas e funcionais de comunidades microbianas complexas. Inicialmente, dados metagenómicos brutos de shotgun são adquiridos de uma variedade diversificada de populações microbianas e, em seguida, submetidos a um rigoroso processamento de controlo de qualidade para garantir a precisão dos dados. Após isso, os dados passam por uma caracterização taxonómica através da análise de genes marcadores, elucidando a composição das espécies e a diversidade filogenética dentro da comunidade. A análise de binagem desempenha um papel crucial na categorização dessas sequências em bins que representam genomas individuais ou unidades taxonómicas operacionais.
A análise de montagem é essencial para reconstruir genomas fragmentados ou sequências de leituras em contigs, facilitando a identificação de novos táxons e genes. A predição de genes e a anotação funcional decodificam a informação genómica, revelando papéis biológicos e vias prevalentes na comunidade. Além disso, a análise comparativa de metagenomas permite a avaliação de semelhanças entre comunidades, a avaliação dos impactos ambientais na estrutura da comunidade e a identificação de táxons ou funções chave que distinguem comunidades microbianas. Esta abordagem analítica abrangente fornece insights sobre as características do ecossistema microbiano, potenciais biomarcadores e papéis funcionais dentro de conjuntos de dados metagenómicos diversos, avançando a nossa compreensão de comunidades microbianas complexas.
Figura 5. Estratégias analíticas metagenómicas comuns. (Sharpton, 2014)
Resumo
Na exploração da microbiota intestinal de pacientes com COVID-19, uma multitude de investigadores recorreu a metagenómicaOs seus esforços revelaram mudanças notáveis no microbioma intestinal de indivíduos afetados pela COVID-19, caracterizadas por uma redução na diversidade microbiana e alterações significativas em populações bacterianas específicas. Essas variações observadas servem como discriminadores críticos entre casos de COVID-19 e os seus homólogos saudáveis, oferecendo insights preditivos sobre a progressão da doença. Além disso, a incorporação de metatranscriptómica Estas investigações proporcionam uma compreensão mais profunda da microbiota intestinal em pacientes com COVID-19, lançando luz sobre a influência destas entidades microbianas na doença através de análises de vias funcionais e padrões de expressão génica.
Apesar destes avanços, a nossa atual compreensão científica da intrincada interação entre a microbiota intestinal e a COVID-19 continua incompleta e em constante evolução. Assim, a seleção judiciosa e a aplicação proficiente de ferramentas e metodologias computacionais tornam-se imperativas para interrogar eficazmente a microbiota intestinal. Esta abordagem estratégica representa um passo crucial para desvendar os perfis microbianos diagnósticos mais pertinentes e elaborar intervenções microbioma antivirais ou profiláticas precisas. Esses esforços não apenas enriquecem a nossa compreensão dos mecanismos da doença, mas também promovem o surgimento de novas perspetivas e metodologias no diagnóstico e tratamento da COVID-19.
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Referências:
- Ke S, Weiss S T, Liu Y Y. Dissecando o papel do microbioma humano na COVID-19 através de genomas montados a partir de metagenomas. Comunicações da Natureza, 2022, 13(1): 1-15.
- Maeda Y, Motooka D, Kawasaki T, et al. Alterações longitudinais da micobiota intestinal e da microbiota na gravidade da COVID-19. BMC doenças infecciosas, 2022, 22(1): 572.
- Cao J, Wang C, Zhang Y, et al. Dinâmicas integradas do viroma e bacterioma intestinal em pacientes com COVID-19. Micróbios intestinais2021, 13(1):1887722.
- Li S, Yang S, Zhou Y, et al. A caracterização do microbioma utilizando sequenciação metagenómica shotgun identificou microrganismos únicos em pacientes com COVID-19 com microbiota intestinal alterada. Fronteiras em Microbiologia. 2021, 12:712081.
- Zuo T, Zhang F, Lui GC, et al. Alterações na microbiota intestinal de pacientes com COVID-19 durante o período de hospitalização. Gastroenterologia. 2020, 159(3):944-55.
- Sehli S, Allali I, Chahboune R, et al. Abordagens de metagenómica para investigar o microbioma intestinal de pacientes com COVID-19. Bioinformática e Perspectivas em Biologia. 2021, 15:1177932221999428.
- Sharpton, T.J. Uma introdução à análise de dados metagenómicos de shotgun. Fronteiras em ciência das plantas, 2014, 5, p.86894.
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