Die Sinonasalhöhle als Reservoir für die Bakterienentwicklung der oberen Atemwege

Die Untersuchung der Dynamik mikrobieller Gemeinschaften ist von entscheidender Bedeutung für die menschliche Gesundheit, einschließlich der Frage, wie ein gesundes Mikrobiom erhalten oder wiederhergestellt werden kann. Metagenomische Studien haben die Mikrobiologie revolutioniert, indem sie diese Probleme auf kulturunabhängige Weise angegangen sind, und haben wesentliche Rollen der Mikrobiota bei der Wirtsentwicklung definiert. Die anfängliche Entwicklung der Darmmikrobiota beginnt im Uterus und wird stark durch Expositionen bei der Geburt beeinflusst (z. vaginale Geburt vs. Kaiserschnitt). Es wird angenommen, dass die anfängliche Aussaat durch die Mikroflora der Mutter und die darauf folgende bakterielle Nachfolge kritische langfristige Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit haben. Jüngste Längsschnittstudien haben eine allmähliche Zunahme der bakteriellen Vielfalt, nicht zufällige Gemeinschaftsbildung, die Auswirkungen von Muttermilch und die Einführung von Tafelnahrung sowie große taxonomische Verschiebungen als Folge von Antibiotika und Umweltbelastungen im Säuglingsalter dokumentiert. Da Störungen dieser frühen Ereignisse mit Diabetes, Krebs, psychischer Gesundheit und einer Reihe anderer Krankheiten in Verbindung gebracht wurden, werden Anstrengungen unternommen, um herauszufinden, wie die Manipulation des Säuglingsmikrobioms in einen „gesunden“ Zustand zu langfristigen klinischen Ergebnissen führt.

Im Gegensatz dazu wurde den Faktoren, die die frühe Entwicklung der Mikrobiota der Atemwege, einschließlich der Mundhöhle, bestimmen, wenig Aufmerksamkeit geschenkt. Bei der Geburt ähnelt die orale und nasopharyngeale Flora jener des mütterlichen Vaginaltraktes oder der Haut (je nach Entbindungsart). Vorläufige Datensätze deuten darauf hin, dass sich das Mikrobiom der Atemwege im ersten Lebensjahr zu einem reichen, erwachsenen Mikroben-Ökosystem entwickelt. Es wird angenommen, dass die Keystone-Besiedler der Atemwege die nachfolgende Besiedlung durch über 600 Arten bedingen, von denen einige dazu dienen, robuste Bakteriengemeinschaften aufzubauen, die für die menschliche Gesundheit charakteristisch sind. Andere Sekundärkolonisatoren sind häufig an Mund- und Atemwegsinfektionen beteiligt, einschließlich chronischer Sinusitis, Lungenentzündung und Parodontalerkrankungen. Beispielsweise ist die Besiedelung von Säuglingen mit Streptococcus pneumoniae ein wichtiger Risikofaktor für Mittelohrerkrankungen im Kindesalter. Frühe mikrobielle Gemeinschaften stellen daher wichtige Faktoren dar, die die Besiedlung der Atemwege sowohl durch pathogene als auch durch schützende Mikroben während der Entwicklung des kindlichen Mikrobioms steuern. Das Verständnis des Erwerbs mikrobieller Gemeinschaften in den Atemwegen von Säuglingen und der Faktoren, die ihre Zusammensetzung verändern, ist entscheidend für die Förderung der menschlichen Gesundheit und die Prävention von Atemwegserkrankungen, die eine jährliche Belastung von mehreren Milliarden Dollar für das US-Gesundheitssystem darstellen.

Während der Austausch von Atemwegsmikrobiota zwischen Mutter und Neugeborenem gut dokumentiert ist, wurden in keiner Studie die Beziehungen innerhalb der Probanden zwischen Mund, Nasennebenhöhlen, Nasopharynx und Lunge und die relative Häufigkeit von Bakterientaxa an diesen Stellen untersucht. Jüngste Erkenntnisse deuten darauf hin, dass die Mundhöhle als Reservoir für Krankheitserreger dienen kann, die sich an nicht-orale Orte ausbreiten; orale Mikroben infizieren die meisten anderen Körperstellen, was durch 16S-Sequenzierung nachgewiesen wird. Zwei Vorbehalte machen diese bakterielle Metastasierung jedoch umstritten. Erstens macht es die Tatsache, dass orale Bakterien nicht nur im Mund, sondern auch anderswo in den Atemwegen zu finden sind, schwierig, ihren Ursprung festzustellen. Daher ist die Richtung des mikrobiellen Austauschs zwischen Atemwegsnischen nicht bekannt. Zweitens zeigen die meisten 16S-ribosomalen RNA (rRNA)-Untersuchungen nur die bakterielle Zusammensetzung auf Gattungs- oder Phylumebene und liefern wenig Informationen über Stammlinien und darüber, ob einzelne Stämme zwischen Standorten migrieren können. Diese Daten sind entscheidend, um die Entwicklung schützender Mikrobiota zu fördern und gleichzeitig das Wachstum widerspenstiger Krankheitserreger einzuschränken.

Ein vollständigeres Verständnis dieses Menschenhandels beginnt mit eingehenden Erhebungen auf Stammebene der Bakteriengemeinschaften, die kurz nach der Geburt in jeder Atemwegsnische vorhanden sind, und ihrer Entwicklung im Laufe der Zeit. Als Schritt in diese Richtung wird diese vom Academic Health Center geförderte Studie die metagenomische Sequenzierung verwenden, um den Austausch spezifischer Bakterienstämme in den oberen Atemwegen zu bewerten. Unsere Mausstudien (an anderer Stelle erklärt) werden durch eine Studie an Säuglingen mit zystischer Fibrose (CF) ergänzt, die eine einzigartige Population darstellen, die die Aufnahme von oralen, sinunasalen und Lungenmikrobiota in den ersten zwei Lebensjahren erleichtert. Durch die Verwendung einer Kombination aus Mund- und Rachenabstrichen zusammen mit der nasalen Absaugung von Schleimproben wird ein metagenomischer Sequenzierungsansatz verwendet, um die Zusammensetzung der Bakteriengemeinschaften an jeder anatomischen Stelle zu charakterisieren. Beginnend mit der Geburt werden die Ermittler eine Zeitreihe von Abstrichen von jedem Probanden sammeln und Veränderungen in der Entwicklung der Mikrobiota im Laufe der Zeit überwachen. Auf diese Weise werden unsere Studien den Atemwegsverkehr sowohl nützlicher als auch pathogener Mikroben beleuchten und können einen wesentlichen pathophysiologischen Schritt darstellen, um das Gleichgewicht zwischen Gesundheit und Krankheit der Atemwege zu verschieben.

EXPERIMENTELLER PLAN Die Entwicklung von Bakteriengemeinschaften in den Atemwegen wird in einer kleinen Kohorte von CF-Patienten überwacht. Da CF-Säuglinge von Geburt an überwacht werden und bei routinemäßigen ambulanten Besuchen im Rahmen ihrer Standardbehandlung routinemäßig auf Atemwegsmikrobiota untersucht werden, stellen sie eine einzigartige Population dar, um den Bakterienverkehr zwischen Mund-, Nasen- und Lungenhöhle zu überwachen. Alle Neugeborenen an der University of Minnesota (UMN) werden genetisch untersucht. Diejenigen, die positiv auf CF getestet wurden, werden mit einem Pilocarpin-Schweißtest bestätigt. Positive Probanden (mit 2 CFTR-Mutationen (Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator)) werden dann während der Besuche der Teilnehmer im CF-Behandlungszentrum untersucht; Im Durchschnitt werden Säuglinge in den ersten 6 Monaten jeden Monat und bis zum Alter von 1 Jahr alle zwei Monate untersucht, gefolgt von vierteljährlichen Besuchen im UMN CF-Zentrum (in Übereinstimmung mit den Richtlinien der Cystic Fibrosis Foundation). Als Teil der Standardbehandlung werden bei jedem Besuch Nasenproben durch Absaugen entnommen. Es werden auch Nylontupfer verwendet, um Proben von der Mundschleimhaut jedes Säuglings zu nehmen. Es werden auch oropharyngeale Abstriche entnommen, die als genauer Indikator für die Mikrobiome der unteren Atemwege (Lunge) gelten. Basierend auf der während des Studienzeitraums erwarteten Anzahl von CF-Neugeborenen planen die Forscher, bis zu 10 Probanden zu rekrutieren. Von jedem Säugling werden bis zu 10 Schläfenabstriche an jeder Atemwegsstelle entnommen (10 Säuglinge x 10 Abstriche x 3 Stellen = 300 Proben). Die Abstriche werden in Kochsalzlösung gelagert, bei -80 °C eingefroren und parallel verarbeitet.

Aus jeder Tupferprobe wird DNA extrahiert und am University of Minnesota Genomics Center sequenziert.