ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИНДЕКСОВ БИОЛОГИЧЕСКОГО РАЗНООБРАЗИЯ ДЛЯ АНАЛИЗА МИКРОБИОТЫ ЧЕЛОВЕКА

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается возможность использования различных индексов биологического разнообразия (Шеннона, Симпсона) для анализа микробиоты человека.

ABSTRACT

The article discusses the possibility of using various indices of biological diversity (Shannon, Simpson) for the analysis of the human microbiota.

Ключевые слова: индекс Шеннона, индекс Симпсона, биоразнообразие, микробиота.

Keywords: Shannon index, Simpson index, biodiversity, microbiota.

Введение. Различные индексы биоразнообразия широко используются в ботанике и зоологии [7, с. 92]. При этом выделяют биологическое разнообразие по как по уровню таксонов, так и уровню местообитания [4, с. 53, 7, с. 91, 6 с. 581].  В так называемых индексах бета-разнообразия играет роль и число обнаруженных видов, и их количественная представленность.  Наиболее часто в литературе встречаются указания на индексы Шеннона и Симпсона. Данные индексы можно использовать не только при изучении популяций растений или животных, но и при изучении микробиоты человека. Они смогут показать сложность структуры и степень доминирования тех или иных бактерий.

Вопрос применения индексов биоразнообразия актуален при изучении микрофлоры кишечника и влагалища. Последняя находится в постоянном изменении в связи с этапами развития организма (препубертатный период, годы репродуктивной активности, постменопауза), фазой менструального цикла, инфекциями, питанием, мочеиспусканием, гигиеническими процедурами и многими другими факторами [5, с. 4]. Важность качественного и количественного состава вагинальной микробиоты связана с уникальной способностью симбиотных микроорганизмов защищать микробиоту от вторжения собственной микрофлоры из других полостей и микрофлоры от полового партнера

В настоящее время для оценки микробиома влагалища в практике здравоохранения широко применяют ПЦР-тест с использованием реагентов «Фемофлор». В зависимости от клинической задачи применяют различные варианты тест-систем, которые определяют разные показатели микрофлоры влагалища. Так с помощью комплекса реагентов «Фемофлор-16» возможно установление контроля взятия материала, количественное определение общей бактериальной массы (ОБМ), количественная оценка нормофлоры и 23-х клинически наиболее значимых условно-патогенных микроогранизмов с выявлением соотношения между ними и ОБМ.

К сожалению, предлагаемые производителями тест-систем характеристики микрофлоры не имеют ни одной меры бактериального разнообразия или доминирования тех или иных видов [3, с.91]. Также отметим, что индексы биоразнообразия Симпсона и Шеннона уже широко используются при изучении микробиомы человека [1; 2]. Расчеты индексов разнообразия Шеннона и Симпсона можно выполнить самостоятельно. Однако диапазон их возможных значений зависит от числа выявляемых видов, что в свою очередь влияет на клиническую интерпретацию получаемых результатов. Это обусловило выполнение настоящего теоретического исследования.

Цель работы: исследовать теоретически возможный диапазон значений индексов биоразнообразия Шеннона и Симпсона в оценке микробиоты в зависимости от количества выявляемых видов микроорганизмов.

Материалы и методы. Работа носила теоретический характер. Были проанализированы возможные диапазоны изменения индексов биоразнообразия в крайних случаях — при одном доминантном виде и при полностью равномерном представительстве всех видов микроорганизмов в зависимости от числа выявляемых видов. Анализ проводили с использованием Microsoft Excel.

Результаты и обсуждение. Индекс разнообразия Шеннона (Shannon, 1948) [3, с.97] и рассчитывается по формуле:

,

где p_i – встречаемость вида i относительного общего содержания всех особей всех видов, k – количество изучаемых видов.

Индекс Шеннона суммирует количество информации о численности и видовом составе организмов, учитывая число видов и степень их доминирования. Индекс независим от биоценотического сходства сравниваемых сообществ и может быть вычислен для каждого ценоза в отдельности [7, с 92], что в медицинских исследованиях означает возможность его вычисления для отдельно взятого пациента. Индекс Шеннона отображает сложность структуры, основываясь на количестве представленного вида [4, с. 54]: чем больше разнообразие, тем больше индекс.

Индекс разнообразия Симпсона имеет вид:

,

где n_i – численность вида,

N – общее количество выявленных видов микроорганизмов.

Поскольку при возведении в квадрат малых отношений n_i / N получаются очень малые величины, индекс Симпсона тем больше, чем сильнее доминирование одного или нескольких видов. Индекс Симпсона служит мерой связи числа степеней свободы внутривидовых и межвидовых взаимодействий [7, с.93]. Его значение варьируется от 0 до 1, что значит бесконечное разнообразие или его отсутствие соответственно [6, с. 582].

Для рассмотрения принципа расчета индексов биоразнообразия по микробиологическим данным были взяты некоторые крайние значения количества видов бактерий у гипотетического пациента (таблица 1). Рассмотрено три случая: когда выявляют 5 видов бактерий, 10 и 20. В каждом случае рассматривалось по два варианта.

1-й вариант: выявленные виды микроорганизмов представлены в образце в равном количестве. В этих случаях частота каждого вида равна 1/k, где k – количество выявляемых видов.

2-й вариант: имеется один доминантный вид. В таких случаях частота одного вида равна единице, а остальных нулю. Однако в формуле для нахождения индекса Шеннона присутствуют логарифмы, которые при нулевой частоте стремятся к минус бесконечности. Для возможности выполнения расчетов этим частотам были присвоены достаточно малые значения, которыми с биологической точки зрения можно пренебречь.

Таблица 1.

Теоретические значения частот разных видов бактерий при полностью равномерной их выявляемостью и при наличии одного доминантного вида

Для примера произведём расчет для первого случая, когда все виды бактерий представлены в микробиоте в равном количестве:

• индекс Шеннона равен:

.

• индекс Симпсона равен:

.

В практическом здравоохранении клинические лаборатории при работе с системой «фемофлор» выдают результаты в виде абсолютного содержания микроорганизмов в логарифмированных величинах по основанию 10. Для получения относительного содержания микроорганизмов сначала переходят от логарифмов к абсолютному значению, возводя число 10 в выданную лабораторией степень, далее суммируют количество всех выявленных бактерий, делят абсолютное значение каждого вида на общее количество выявленных микроорганизмов всех видов.

Проиллюстрируем численным примером. Пусть у человека выявлено пять видов бактерий в следующем количестве: вид 1 —10⁷, вид 2 — 10¹, вид 3 —10², вид 4 — 10⁶, вид 5 — 10⁰. Тогда всего микроорганизмов выявлено:

10 000 000 +10 + 100 + 1 000 000 +1 = 11000111.

Относительное содержание 1-го вида:

р₁ = 10 000 000 / 11000111 = 0,91.

Относительное содержание 2-го вида:

р₂ = 10 / 11000111 = 9,09 * 10^-7.

Относительное содержание 3-го вида:

р₃ = 100 / 11000111 = 9,09 * 10^-6.

Относительное содержание 4-го вида:

р₄ = 1 000 000 / 11000111 = 0,09.

Относительное содержание 5-го вида:

р₅ = 1 / 11000111 = 9,09 * 10^-8.

По приведенному алгоритму может быть рассчитано относительное содержание микроорганизмов каждого вида у конкретного обследованного, а по полученным частотам могут быть вычислены индексы биоразнообразия. Возможные их крайние значения при выявлении лабораторией от 1 до 20 видов микроорганизмов представлены в графическом виде (рисунок 1 и 2).

Рисунок 1. Зависимость крайних значений индекса Шеннона от числа выделяемых видов микроорганизмов

Рисунок 2. Зависимость крайних значений индекса Симпсона от числа выделяемых видов микроорганизмов

Выводы:

1. Количество исследуемых видов микроорганизмов не влияет на значения индексов биоразнообразия при выявлении одного доминантного вида: индекс Шеннона в таком случае равен 0, а индекс Симпсона — 1.

2. С увеличением числа выявляемых видов микроорганизмов при полностью равномерном их присутствии у обследованного индекс Шеннона увеличивается, отображая сложность структуры, а индекс Симпсона уменьшается, показывая увеличение разнообразия.

Учитывая важность повторного отбора проб микробных сообществ, особенно при изучении микрофлоры человека, использование широкого спектра методов анализа разнообразия, упрощает процесс исследования.

Список литературы:

1. B.D. Wagner, G.K. Grunwald, G. O. Zerbe, S.K. Mikulich-Gilbertson, C.E. Robertson, E.T. Zemanick, J. K. Harris On the Use of Diversity Measures in Longitudinal Sequencing Studies of Microbial Communities // Front Microbiol. 22.05.2018 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: URL:  https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmicb.2018.01037/full (дата обращения 2.02.2022).
2. F. Blostein, B. Gelaye, S.E. Sanchez, M.A. Williams, B. Foxman. Vaginal microbiome diversity and preterm birth: results of a nested case-control study in Peru // Annals of Epidemiology. 11.02.2020. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: URL: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31883841/ (дата обращения 2.02.2022).
3. Власова, М.А. Применение теста «Фемофлор-16» для оценки состояние биоценоза генитального тракта у женщин с воспалительными пролиферативными заболеваниями шейки матки [Текст] / М.А. Власова, О.В. Островская, Н.М. Ивахнишина, Н.Е. Пермина, Н.Ф. Иевлева, Н.Г. Сидорчук // Бюллетень Научно-исследовательский институт охраны материнства и детства, 2016. - №61. – 90-91с.
4. Орлова, Ю.С. Использование индексов биологического разнообразия для анализа альгофлоры бассейна р. Алатырь [Текст] / Ю.С. Орлова // ВЕСТНИК Мордовского университета, 2013. – 53-56с.
5. Рищук, С.В. Эндогенная микробиота влагалища и её регуляция [Текст] / С.В. Рищук, О.Е. Пунченко, А.А. Малышева // Бюллетень Оренбургского научного центра УрО РАН, 2013. - №4. – 4-5с.
6. Розенберг, Г.С. Несколько слов об индексе разнообразия Симпсона [Текст] / Г.С. Розенберг // Самарская Лука, 2007. – Т. 16, №3(21). – 581-584с.
7. Шитиков, В.К. Оценка биоразнообразия: попытка формального обобщения [Текст] / В.К. Шитиков, Г.С. Розенберг // Структурный анализ экологических систем. Количественные методы экологии и гидробиологии, 2005. – 91-121с.