Sinonasale hulrum som et reservoir for bakteriel udvikling i øvre luftveje

Studiet af mikrobiel samfundsdynamik er kritisk vigtigt for menneskers sundhed, herunder hvordan man vedligeholder eller genopretter et sundt mikrobiom. Metagenomiske undersøgelser har revolutioneret mikrobiologien ved at behandle disse spørgsmål på en kulturuafhængig måde og har defineret mikrobiotaens væsentlige roller i værtsudvikling. Den indledende udvikling af tarmmikrobiota begynder in utero og er stærkt påvirket af eksponeringer ved fødslen (f. vaginal versus kejsersnit). Den første såning af moderens mikroflora og dens efterfølgende bakterielle succession menes at have kritisk langsigtet indvirkning på menneskers sundhed. Nylige longitudinelle undersøgelser har dokumenteret en gradvis stigning i bakteriel mangfoldighed, ikke-tilfældig samling af samfund, virkningerne af modermælk og introduktion af bordfødevarer og store taksonomiske skift som følge af antibiotika og miljøbelastninger, der opstår i spædbarnsalderen. Da forstyrrelser af disse tidlige hændelser er blevet forbundet med diabetes, kræft, mental sundhed og en række andre sygdomme, er der bestræbelser på at lære, hvordan manipulation af spædbarnsmikrobiomet til en "sund" tilstand udmønter sig i langsigtede kliniske resultater.

I modsætning hertil har der været ringe opmærksomhed på faktorer, der styrer den tidlige udvikling af luftvejsmikrobiota, herunder mundhulen. Ved fødslen ligner den orale og nasopharyngeale flora dem i moderens vaginale kanal eller hud (afhængigt af leveringsmåden). Foreløbige datasæt tyder på, at luftvejsmikrobiomet i løbet af det første leveår udvikler sig til et rigt, voksenlignende mikrobielt økosystem. De centrale kolonisatorer af luftvejene menes at betinge den efterfølgende kolonisering af over 600 arter, hvoraf nogle tjener til at etablere robuste bakteriesamfund, der er karakteristiske for menneskers sundhed. Andre sekundære kolonisatorer er ofte impliceret i orale og luftvejsinfektioner, herunder kronisk bihulebetændelse, lungebetændelse og periodontale sygdomme. Som et eksempel er spædbørns kolonisering af Streptococcus pneumoniae en vigtig risikofaktor for mellemøresygdom hos børn. Tidlige mikrobielle samfund repræsenterer derfor vigtige faktorer, der styrer koloniseringen af ​​luftvejene af både patogene og beskyttende mikrober under udvikling af spædbarnsmikrobiom. At forstå erhvervelsen af ​​spædbørns luftvejsmikrobielle samfund og de faktorer, der ændrer deres sammensætning, er afgørende for fremme af menneskers sundhed og forebyggelse af luftvejssygdomme, der repræsenterer en årlig byrde på flere milliarder dollar for det amerikanske sundhedssystem.

Mens moder-nyfødte udveksling af luftvejsmikrobiota er veldokumenteret, har ingen undersøgelser undersøgt forhold inden for emnet mellem munden, bihulerne, nasopharynx og lungerne og den relative overflod af bakterielle taxa på disse steder. Nylige beviser tyder på, at mundhulen kan tjene som et reservoir for patogener, der trans-lokaliserer til ikke-orale steder; oralt associerede mikrober inficerer de fleste andre kropssteder som bevis ved 16S-sekventering. To forbehold gør dog denne bakterielle metastase kontroversiel. For det første, at mundbakterier ikke kun findes i munden, men også findes andre steder i luftvejene, gør deres oprindelse vanskelig at fastslå. Således kendes retningsbestemt mikrobiel udveksling mellem luftvejsnicherum ikke. For det andet afslører de fleste 16S ribosomale RNA (rRNA) undersøgelser kun bakteriel sammensætning på slægts- eller phylumniveau, hvilket giver lidt information om stammeafstamninger, og om individuelle stammer kan migrere mellem steder. Disse data er afgørende for at fremme udviklingen af ​​beskyttende mikrobiota og samtidig begrænse væksten af ​​genstridige patogener.

En mere fuldstændig forståelse af denne menneskehandel begynder med dybdegående undersøgelser på stammeniveau af de bakteriesamfund, der er til stede i hver luftvejsniche kort efter fødslen, og deres udvikling over tid. Som et skridt i denne retning vil denne Academic Health Center-sponsorerede undersøgelse bruge metagenomisk sekventering til at vurdere udvekslingen af ​​specifikke bakteriestammer i de øvre luftveje. Vores museundersøgelser (forklaret andetsteds) vil blive suppleret med en undersøgelse af cystisk fibrose (CF) spædbørn, som repræsenterer en unik population, der letter indfangningen af ​​oral, sinonasal og lungemikrobiota i løbet af de første to leveår. Ved at bruge en kombination af mund- og halspodninger, sammen med næsesugning af slimprøver, vil en metagenomisk sekventeringstilgang blive brugt til at karakterisere sammensætningen af ​​bakteriesamfund på hvert anatomisk sted. Begyndende ved fødslen vil efterforskerne indsamle en tidsserie af podninger fra hvert individ og overvåge ændringer i udviklingen af ​​mikrobiota over tid. Ved at gøre det vil vores undersøgelser belyse luftvejssmugling af både gavnlige og patogene mikrober og kan repræsentere et væsentligt patofysiologisk skridt i retning af at ændre balancen mellem luftvejssundhed og sygdom.

EKSPERIMENTEL PLAN Udviklingen af ​​luftvejsbakteriesamfund vil blive overvåget i en lille CF patientkohorte. Da CF-spædbørn overvåges fra fødslen og rutinemæssigt udtages prøver for luftvejsmikrobiota under rutinemæssige ambulante besøg som en del af deres standard-of-care, repræsenterer de en unik population til at overvåge bakteriehandel mellem mund-, næse- og lungehulerne. Alle nyfødte på University of Minnesota (UMN) er genetisk screenet. De, der tester positive for CF, vil blive bekræftet ved hjælp af en pilocarpin svedtest. Positive forsøgspersoner (med 2 Cystisk Fibrose Transmembrane Conductance Regulator [CFTR] mutationer) vil derefter blive udtaget under deltagernes besøg på CF behandlingscenteret; i gennemsnit vil spædbørn blive set hver måned i de første 6 måneder, hver anden måned indtil 1 års alderen, efterfulgt af kvartalsvise besøg på UMN CF Center (i overensstemmelse med Cystic Fibrosis Foundation retningslinjer). Som en del af standardbehandlingen udtages næseprøver ved sugning ved hvert besøg. Nylonpodninger vil også blive brugt til at prøve hvert spædbarns mundslimhinde. Orofaryngeale podninger vil også blive opnået, som anses for at være en nøjagtig proxy for mikrobiomer i nedre luftveje (lunger). Baseret på antallet af CF-nyfødte, der forventes i løbet af undersøgelsesperioden, planlægger efterforskerne at rekruttere op til 10 forsøgspersoner. Fra hvert spædbarn vil der blive indsamlet op til 10 temporale podninger fra hvert luftvejssted (10 spædbørn x 10 podninger x 3 steder = 300 prøver). Podninger vil blive opbevaret i saltvand, frosset ved -80C og behandlet parallelt.

DNA vil blive ekstraheret fra hver podningsprøve, og sekventering udføres ved University of Minnesota Genomics Center.