La cavidad sinonasal como reservorio para el desarrollo bacteriano de las vías respiratorias superiores

El estudio de la dinámica de la comunidad microbiana es de vital importancia para la salud humana, incluida la forma de mantener o restaurar un microbioma saludable. Los estudios metagenómicos han revolucionado la microbiología al abordar estos problemas de manera independiente de la cultura y han definido los roles esenciales de la microbiota en el desarrollo del huésped. El desarrollo inicial de la microbiota intestinal comienza en el útero y está fuertemente influenciado por las exposiciones al nacer (p. parto vaginal vs cesárea). Se cree que la siembra inicial de la microflora de la madre y su subsiguiente sucesión bacteriana tienen impactos críticos a largo plazo en la salud humana. Estudios longitudinales recientes han documentado un aumento gradual en la diversidad bacteriana, el ensamblaje comunitario no aleatorio, los efectos de la leche materna y la introducción de alimentos de mesa, y grandes cambios taxonómicos como resultado de los antibióticos y el estrés ambiental que ocurre durante la infancia. Dado que las perturbaciones de estos eventos tempranos se han relacionado con la diabetes, el cáncer, la salud mental y una variedad de otras enfermedades, se están realizando esfuerzos para aprender cómo la manipulación del microbioma infantil a un estado "saludable" se traduce en resultados clínicos a largo plazo.

Por el contrario, se ha prestado poca atención a los factores que gobiernan el desarrollo temprano de la vida de la microbiota del tracto respiratorio, incluida la cavidad oral. Al nacer, la flora bucal y nasofaríngea se parece a la del tracto vaginal o la piel de la madre (según el modo de parto). Los conjuntos de datos preliminares sugieren que durante el primer año de vida, el microbioma de las vías respiratorias evoluciona hacia un rico ecosistema microbiano similar al adulto. Se cree que los colonizadores clave de las vías respiratorias condicionan la colonización posterior de más de 600 especies, algunas de las cuales sirven para establecer comunidades bacterianas robustas características de la salud humana. Otros colonizadores secundarios suelen estar implicados en infecciones orales y respiratorias, como sinusitis crónica, neumonía y enfermedades periodontales. Como ejemplo, la colonización infantil por Streptococcus pneumoniae es un factor de riesgo importante para la enfermedad del oído medio infantil. Las comunidades microbianas tempranas, por lo tanto, representan factores importantes que gobiernan la colonización de las vías respiratorias por microbios patógenos y protectores durante el desarrollo del microbioma infantil. Comprender la adquisición de comunidades microbianas de las vías respiratorias infantiles y los factores que alteran su composición es fundamental para la promoción de la salud humana y la prevención de enfermedades de las vías respiratorias que representan una carga anual de miles de millones de dólares en el sistema de salud de los EE. UU.

Si bien el intercambio de microbiota de las vías respiratorias entre la madre y el recién nacido está bien documentado, ningún estudio ha examinado las relaciones dentro del sujeto entre la boca, los senos paranasales, la nasofaringe y los pulmones y la abundancia relativa de taxones bacterianos en esos sitios. La evidencia reciente sugiere que la cavidad oral puede servir como reservorio de patógenos que se trasladan a lugares no orales; los microbios asociados con la boca infectan la mayoría de los otros sitios del cuerpo como lo demuestra la secuenciación 16S. Sin embargo, dos advertencias hacen que esta metástasis bacteriana sea controvertida. En primer lugar, el hecho de que las bacterias orales no se encuentren únicamente en la boca, sino que también se encuentren en otras partes de las vías respiratorias, hace que su origen sea difícil de establecer. Por lo tanto, se desconoce la direccionalidad del intercambio microbiano entre los espacios de los nichos de las vías respiratorias. En segundo lugar, la mayoría de las encuestas de ARN ribosómico (ARNr) 16S solo revelan la composición bacteriana a nivel de género o filo, lo que brinda poca información sobre los linajes de cepas y si las cepas individuales pueden migrar entre sitios. Estos datos son fundamentales para promover el desarrollo de una microbiota protectora al tiempo que restringen el crecimiento de patógenos recalcitrantes.

Una comprensión más completa de este tráfico comienza con estudios en profundidad a nivel de cepa de las comunidades bacterianas presentes en cada nicho de las vías respiratorias poco después del nacimiento y su desarrollo a lo largo del tiempo. Como un paso en esta dirección, este estudio patrocinado por el Centro Académico de Salud utilizará la secuenciación metagenómica para evaluar el intercambio de cepas bacterianas específicas en las vías respiratorias superiores. Nuestros estudios con ratones (explicados en otro lugar) se complementarán con un estudio de bebés con fibrosis quística (FQ), que representan una población única que facilita la captura de microbiota oral, sinonasal y pulmonar durante los dos primeros años de vida. Mediante el uso de una combinación de hisopos orales y de garganta, junto con la succión nasal de muestras de moco, se utilizará un enfoque de secuenciación metagenómica para caracterizar la composición de las comunidades bacterianas en cada sitio anatómico. Comenzando en el nacimiento, los investigadores recolectarán una serie temporal de hisopos de cada sujeto y monitorearán los cambios en el desarrollo de la microbiota a lo largo del tiempo. Al hacerlo, nuestros estudios iluminarán el tráfico de microbios beneficiosos y patógenos en las vías respiratorias y pueden representar un paso fisiopatológico esencial para cambiar el equilibrio entre la salud y la enfermedad de las vías respiratorias.

PLAN EXPERIMENTAL Se controlará el desarrollo de comunidades bacterianas en las vías respiratorias en una pequeña cohorte de pacientes con FQ. Dado que los bebés con FQ son monitoreados desde el nacimiento y se toman muestras rutinarias de microbiota de las vías respiratorias durante las visitas ambulatorias de rutina como parte de su estándar de atención, representan una población única para monitorear el tráfico bacteriano entre las cavidades oral, nasal y pulmonar. Todos los recién nacidos de la Universidad de Minnesota (UMN) son evaluados genéticamente. Aquellos que den positivo para FQ se confirmarán mediante una prueba de sudor con pilocarpina. Los sujetos positivos (con 2 mutaciones del regulador de conductancia transmembrana de fibrosis quística [CFTR]) serán luego muestreados durante las visitas de los participantes al centro de tratamiento de FQ; en promedio, los bebés serán vistos todos los meses durante los primeros 6 meses, cada dos meses hasta que cumplan 1 año de edad, seguido de visitas trimestrales al Centro de FQ de la UMN (de acuerdo con las pautas de la Fundación de Fibrosis Quística). Como parte del estándar de atención, se recolectan muestras nasales por succión en cada visita. También se usarán hisopos de nailon para tomar muestras de la mucosa bucal de cada bebé. También se obtendrán hisopos orofaríngeos, que se consideran un indicador preciso de los microbiomas de las vías respiratorias inferiores (pulmones). Según el número de recién nacidos con FQ esperados durante el período de estudio, los investigadores planean reclutar hasta 10 sujetos. De cada bebé, se recolectarán hasta 10 hisopos temporales de cada sitio de la vía aérea (10 bebés x 10 hisopos x 3 sitios = 300 muestras). Los hisopos se almacenarán en solución salina, se congelarán a -80 °C y se procesarán en paralelo.

El ADN se extraerá de cada muestra de hisopo y la secuenciación se realizará en el Centro de Genómica de la Universidad de Minnesota.