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Au cours de la dernière décennie, plus de 1,7 milliard de dollars américains ont été consacrés à la recherche sur le microbiome humain. Des projets majeurs sont en cours aux États-Unis, dans l'Union européenne, en Chine, au Canada, en Irlande, en Corée du Sud et au Japon.
Cet investissement a confirmé l’importance du microbiome pour la santé humaine et le développement. On sait maintenant, par exemple, que les nouveau-nés reçoivent les microorganismes essentiels de leur mère. De plus, les sucres dans le lait maternel que les nourrissons ne peuvent pas digérer nourrissent les microbiomes en développement des bébés, qui à leur tour forgent leur système immunitaire.
C'est maintenant un bon moment pour réfléchir. L'investissement le plus important (environ un milliard de dollars) provient des États-Unis. Environ 20% de cette somme est passée à deux phases du (HMP), ce qui crée les ressources de recherche nécessaires à l’étude du microbiome humain (voir «Dépenses importantes»). Une critique de ces dix années d’investissements dans la recherche sur le microbiome humain a été publié en février (voir «Gros gains»). Et les résultats de la deuxième phase du HMP sont –.
À mon avis, la plupart des recherches effectuées jusqu'à présent ont trop mis l'accent sur le catalogage des noms d'espèces. Nous avons caractérisé le microbiome humain comme s’il s’agissait d’une propriété relativement fixe à cartographier et à manipuler, une propriété distincte du reste du corps. En fait, je pense que les interventions qui pourraient aider à traiter des maladies telles que le diabète, le cancer et les maladies auto-immunes ne seront découvertes que si nous allons au-delà des catalogues d’espèces et commençons à comprendre les relations écologiques et évolutives complexes et mutables entre les microbes et entre eux. avec leurs hôtes.
Au-delà des stocks
Le HMP, financé par les Instituts nationaux de la santé des États-Unis (NIH), a clairement catalysé la recherche sur le microbiome humain aux États-Unis et dans le monde. Il en va de même pour d’autres projets aux objectifs similaires, tels que le consortium de l’Union européenne (MetaHIT) (en partenariat avec la Chine) et d’autres projets européens.; le (ElderMet); la ; et le consortium japonais Human Metagenomepour n'en nommer que quelques-uns.
L'un des principaux objectifs du PGH, lancé en 2007, était de créer une boîte à outils contenant des ensembles de données de référence, des techniques de calcul, des méthodes d'analyse et des protocoles cliniques. Cela semble avoir été un succès: environ 75% des bénéficiaires de subventions des NIH en 2012-2016 pour la recherche sur le microbiome en dehors du PGH – travaillant sur plus de 100 maladies – ont cité le recours aux données et outils du PGH dans leurs demandes de financement.
Ce progrès dans la recherche sur le microbiome a enthousiasmé l’industrie. La valeur actuelle des produits et interventions à base de microbiome humain à des fins diagnostiques et thérapeutiques est estimée entre 275 et 400 millions de dollars dans le monde. Ce montant devrait augmenter entre 750 millions et 1,9 milliard de dollars d’ici 2024.
Malgré ces investissements publics et privés considérables, de nombreuses questions fondamentales sur le microbiome humain demeurent.
Les chercheurs ne sont pas encore d’accord sur ce qui constitue un microbiome en bonne santé ou sur la définition d’un microbiome avec facultés affaiblies. Il subsiste une incertitude quant aux propriétés du microbiome qui constitueront les biomarqueurs les plus informatifs dans les études cliniques et épidémiologiques. Et on sait peu de choses sur la manière dont les microbiomes de différentes régions du corps, telles que la bouche, les intestins ou la peau, interagissent.
Des habitats biogéochimiques uniques à chaque région du corps ont été découverts grâce à l'analyse de données métagénomiques. Ces séquences d’ADN, directement issues d’échantillons de l’environnement, peuvent être utilisées pour caractériser les communautés microbiennes présentes et leurs capacités métaboliques.. Par exemple, le principal processus métabolique utilisé par les microbes dans la bouche est la respiration anaérobie, car l’oxygène est limité. En revanche, dans le tube digestif sans oxygène, le processus dominant est la fermentation microbienne (extraction de l’énergie des glucides en l’absence d’oxygène). Cependant, les chercheurs n'ont pas étudié les facteurs à l'origine de ces changements dans les processus microbiens, tels que la concentration en oxygène, le pH et les sources de nutriments.
En outre, il devient évident que des microbes sont nécessaires pour soutenir le développement et la maturation humains, ainsi que pour activer et maintenir la stabilité du système immunitaire et du métabolisme. Mais nous ne comprenons pas comment ces phénomènes biologiques fondamentaux impliquant des cellules et des microbes humains ont co-évolué. De plus, certains concepts écologiques ne sont pas encore pris en compte dans les études sur le microbiome humain. Celles-ci incluent le mode de fonctionnement des communautés de microbes; comment les «espèces clés» peuvent ouvrir la voie à d’autres en modifiant les conditions locales; et les relations prédateur-proie entre différents microbes.
Vision holistique
Certains chercheurs ont étudié le microbiome comme s'il s'agissait d'un organe. Mais même cette approche n’est pas entièrement satisfaisante, car la propriété fondamentale du microbiome est sa mutabilité – au cours du développement, au cours de la vie et en réponse à des facteurs de stress ou à une maladie. Cela signifie qu'il ne démontre pas la biologie typique des systèmes d'organes.
Pour toutes ces raisons, je pense que le moyen le plus efficace de découvrir des remèdes à base de microbiome sera de déterminer quels microorganismes – et quels assemblages d'entre eux – jouent un rôle majeur dans la détermination des conditions locales ou dans la modification de processus cellulaires importants.
On pourrait en apprendre beaucoup sur les associations homme-microbes si les chercheurs étudiaient les mécanismes sous-jacents au développement de ces associations dans les modèles animaux bien caractérisés couramment utilisés dans la recherche biomédicale, tels que les souris et les rats. En effet, la prise en compte du microbiome dans les études précliniques sur les animaux pourrait modifier radicalement les conclusions..
Les biologistes de l'évolution soutiennent depuis des décennies que la recherche sur le microbiome humain bénéficierait de la compréhension de l'évolution fournie par la recherche sur la symbiose.. Les systèmes microbiome humain partagent certainement certaines des caractéristiques d'associations symbiotiques hautement régulées. À titre d'exemple, une classe de molécules produites uniquement par des bactéries (acides gras à chaîne courte) joue un rôle central dans les interactions hôte-microbe. Ces molécules fournissent une source d'énergie aux cellules de l'intestin humain (la plupart des autres cellules dépendent du glucose). Et ils interviennent dans les interactions entre différents microbes intestinaux et entre les microbes et les cellules humaines.
Deux fronts
L'élaboration d'un nouveau cadre conceptuel et son application au microbiome humain nécessiteront une collaboration beaucoup plus étroite entre les chercheurs travaillant dans des domaines variés, notamment l'évolution, l'écologie, la microbiologie, la biomédecine et la biologie informatique. Cela nécessitera également des changements significatifs dans la manière dont les données et autres ressources sont distribuées entre scientifiques, et dans la façon dont les domaines de recherche sur le microbiome actuellement disparates sont liés.
Ici, je réponds à ce qui est nécessaire aux États-Unis. Ces changements doivent également se produire ailleurs.
Normes de données. Les chercheurs en microbiome n'ont pas encore adopté de manière générale les pratiques de contrôle de la qualité de leurs données d'une manière qui rendrait les résultats plus reproductibles et qui faciliterait l'analyse et l'interprétation des données dans plusieurs études.
Les études basées sur la caractérisation de matériel génétique, de protéines ou de métabolites à l'aide d'analyses à haut débit resteront la norme dans un avenir prévisible. Cependant, pour produire des résultats utiles, les chercheurs doivent adopter de meilleures pratiques de partage des données.
La, établie en 2005, a élaboré des normes et des modèles pour la communication de données métagénomiques, ainsi que pour les mesures environnementales et diverses métadonnées cliniques. Celles-ci ont été adoptées par le, référentiel public pour tout ce qui est produit par le projet. Mais cela ne suffit pas à lui seul. Les agences de financement et les revues doivent également promouvoir l'utilisation de ces normes pour la consignation des données de microbiome dans des bases de données et des publications – à l'instar de ce qui a été fait pour les études de puces à ARN au début des années 2000..
Coordination et collaboration. Actuellement, 21 des 27 instituts des NIH fournissent des fonds extra-muros pour la recherche sur le microbiome humain. Toute coordination qui se produit est assurée par – un comité de directeurs de programme mis en place en 2012. Plus de 40 membres du personnel se réunissent chaque mois pour discuter des principaux développements sur le terrain. Cependant, le comité n'a ni budget ni autorité pour prendre des décisions en matière de financement.
À mon avis, le grand investissement dans la recherche sur le microbiome humain devrait être officiellement géré. La communauté des chercheurs a fait pression pour ce type de coordination formelle avant. En effet, l'UE, le Canada, l'Irlande et le Japon ont sans doute mieux réussi que les États-Unis en matière de coordination de la recherche sur le microbiome humain; par exemple, en créant des partenariats entre des chercheurs universitaires et des agences gouvernementales ou de l'industrie.
Reconnaissant que de nombreuses disciplines sont nécessaires pour étudier le microbiome, 33 universités, instituts de recherche et écoles de médecine des États-Unis ont maintenant formé des centres de microbiome. En principe, ceux-ci pourraient défendre les pratiques de partage de données. Les chercheurs des centres pourraient accepter d'adopter de telles pratiques et en faire la promotion lors de réunions. En partenariat avec des revues et des organismes de financement, ce réseau de centres pourrait identifier et promouvoir des ressources partagées, telles que des biobanques, des normes analytiques et informatiques, des protocoles et des bases de données publiques.
Signes encourageants
Un autre organisme gouvernemental, l’Institut national des normes et de la technologie des États-Unis, dirige les efforts en ce sens. Au cours des prochains mois, des discussions auront lieu sur la manière de tirer parti des leçons tirées par les centres de microbiome américains. Un réseau de coordination de la recherche pourrait émerger.
En dehors des États-Unis, l’Initiative canadienne sur le microbiome élabore des ressources de base nationales pour la recherche sur le microbiome, telles que des référentiels de données publiques et des centres d’analyse. L’IHMC sensibilise l’importance du partage des données et des normes au niveau international en organisant des conférences dans le monde entier depuis 2008. Mais l’IHMC, organisation de 13 pays créée pour coordonner la recherche sur le microbiome, n’a jamais eu de budget et repose sur des volontaires , donc ses pouvoirs sont limités.
Les chercheurs en microbiome devraient s’inspirer des nombreux exemples d’autres disciplines qui progressent grâce à la collaboration. Prenons mon ancien domaine d'océanographie. L’étude d’un écosystème couvrant 70% de la surface de la planète nécessite des navires de recherche coûteux, des données satellitaires et une informatique à haute vitesse. Les océanographes ont dû partager des navires, des instruments, du matériel et d’autres ressources pour poursuivre leurs propres recherches. Ils ont également dû collaborer au moyen d'approches physiques, chimiques, biologiques, géologiques et météorologiques afin d'évaluer ce qui régit la dynamique des réseaux trophiques océaniques physiques, biogéochimiques et marins. Ces études océanographiques constituent désormais une base pour la science du climat mondial.
Les fruits d’un effort coordonné de recherche sur le microbiome fondé sur des principes écologiques et évolutifs pourraient être tout aussi importants.
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