Personalisierte Ganzkörpermodelle integrieren Metabolismus, Physiologie und das Mikrobiom des Darms

Umfassende molekularbasierte Modelle des menschlichen Metabolismus wurden auf zellulärer Ebene erstellt. Modelle des Ganzkörpermetabolismus wurden jedoch nicht etabliert, da sie neue methodische Ansätze erfordern, um molekulare und physiologische Daten zu integrieren. Wir entwickelten einen neuen Ansatz zur Rekonstruktion von Stoffwechselnetzwerken, der organspezifische Informationen aus der Literatur und Omik-Daten verwendete, um zwei geschlechtsspezifische Ganzkörpermetabolismus (WBM) Rekonstruktionen zu generieren. Diese Rekonstruktionen erfassen den Metabolismus von 26 Organen und sechs Blutzelltypen. Jede WBM-Rekonstruktion stellt den organaufgelöste Ganzkörpermetabolismus mit über 80.000 biochemischen Reaktionen in einer anatomisch und physiologisch konsistenten Weise dar. Wir parametrisierten die WBM-Rekonstruktionen mit physiologischen, diätetischen und metabolomischen Daten. Die resultierenden WBM-Modelle konnten bekannte interorganische Stoffwechselzyklen und den Energieverbrauch wiedergeben. Darüber hinaus zeigen wir, dass die WBM-Modelle bekannte Biomarker erblicher Stoffwechselerkrankungen in verschiedenen Bioflüssigkeiten vorhersagen können. Die Vorhersagen des Grundumsatzes durch WBM-Modelle, die mit physiologischen Daten personalisiert wurden, übertrafen aktuelle phänomenologische Modelle. Schließlich ermöglichte die Integration von Mikrobiomdaten die Erkundung des Wirt-Mikrobiom-Ko-Metabolismus. Insgesamt stellen die WBM-Rekonstruktionen und ihre abgeleiteten computergestützten Modelle einen wichtigen Schritt in Richtung virtueller physiologischer Menschen dar.