Sinonasal-ontelo säiliönä ylähengitysteiden bakteerien kehittymiselle

Mikrobiyhteisödynamiikan tutkiminen on erittäin tärkeää ihmisten terveydelle, mukaan lukien terveen mikrobiomin ylläpitäminen tai palauttaminen. Metagenomiset tutkimukset ovat mullistaneet mikrobiologian käsittelemällä näitä kysymyksiä kulttuurista riippumattomalla tavalla ja määrittäneet mikrobiotan keskeiset roolit isäntäkehityksessä. Suoliston mikrobiotan alkukehitys alkaa kohdussa, ja siihen vaikuttavat voimakkaasti syntymähetken altistuminen (esim. emättimen vs keisarileikkaus). Alkuperäisellä äidin mikroflooran kylvämisellä ja sitä seuranneella bakteeriperäisyydellä uskotaan olevan kriittisiä pitkän aikavälin vaikutuksia ihmisten terveyteen. Viimeaikaiset pitkittäiset tutkimukset ovat dokumentoineet bakteerien monimuotoisuuden asteittaisen lisääntymisen, ei-satunnaisen yhteisön kokoontumisen, rintamaidon ja pöytäruokien käytön sekä suuria taksonomisia muutoksia antibioottien ja vauvaiässä esiintyvien ympäristöstressien seurauksena. Koska näiden varhaisten tapahtumien häiriöt on yhdistetty diabetekseen, syöpään, mielenterveyteen ja moniin muihin sairauksiin, ponnisteluja ollaan parhaillaan oppimassa, kuinka vauvan mikrobiomin manipulointi "terveelliseen" tilaan johtaa pitkäaikaisiin kliinisiin tuloksiin.

Sitä vastoin vain vähän huomiota on kiinnitetty tekijöihin, jotka säätelevät hengitysteiden mikrobiotan, mukaan lukien suuontelon, varhaista kehitystä. Syntyessään suun ja nenänielun kasvisto muistuttaa äidin emättimen tai ihon kasvistoa (riippuen toimitustavasta). Alustavat aineistot viittaavat siihen, että ensimmäisen elinvuoden aikana hengitysteiden mikrobiomista kehittyy rikas, aikuisen kaltainen mikrobiekosysteemi. Hengitysteiden peruskolonisaattoreiden uskotaan säätelevän yli 600 lajin myöhempää kolonisaatiota, joista osa muodostaa ihmisen terveydelle ominaisia ​​vankkoja bakteeriyhteisöjä. Muut sekundaariset kolonisaattorit ovat usein osallisena suun ja hengitysteiden infektioissa, mukaan lukien krooninen sinuiitti, keuhkokuume ja periodontaaliset sairaudet. Esimerkiksi Streptococcus pneumoniaen aiheuttama imeväisten kolonisaatio on tärkeä riskitekijä lapsuusiän välikorvasairauksille. Varhaiset mikrobiyhteisöt edustavat siksi merkittäviä tekijöitä, jotka säätelevät sekä patogeenisten että suojaavien mikrobien kolonisaatiota hengitysteihin vauvan mikrobiomin kehityksen aikana. Vauvojen hengitysteiden mikrobiyhteisöjen hankinnan ja niiden koostumusta muuttavien tekijöiden ymmärtäminen on ratkaisevan tärkeää ihmisten terveyden edistämisessä ja hengitystiesairauksien ehkäisyssä, jotka aiheuttavat vuosittaisen usean miljardin dollarin taakan Yhdysvaltain terveydenhuoltojärjestelmälle.

Vaikka äidin ja vastasyntyneen hengitysteiden mikrobiston vaihto on hyvin dokumentoitua, mikään tutkimuksissa ei ole tutkinut koehenkilöiden sisäisiä suhteita suun, poskionteloiden, nenänielun ja keuhkojen välillä eikä bakteeritaksonien suhteellista runsautta näissä paikoissa. Viimeaikaiset todisteet viittaavat siihen, että suuontelo voi toimia säiliönä patogeeneille, jotka siirtyvät ei-suullisiin paikkoihin; suun kautta tapahtuvat mikrobit tartuttavat useimmat muut kehon kohdat todisteena 16S-sekvensoinnilla. Kuitenkin kaksi varoitusta tekevät tästä bakteerien etäpesäkkeestä kiistanalaisen. Ensinnäkin se, että suun bakteerit eivät sijaitse pelkästään suussa, vaan niitä löytyy myös muualta hengitysteistä, tekee niiden alkuperän selvittämisen vaikeaksi. Näin ollen mikrobien vaihdon suuntaa hengitysteiden niche-tilojen välillä ei tunneta. Toiseksi, useimmat 16S ribosomaalisen RNA:n (rRNA) tutkimukset paljastavat vain bakteerikoostumuksen suvun tai suvun tasolla, mikä tarjoaa vain vähän tietoa kantalinjoista ja siitä, voivatko yksittäiset kannat siirtyä paikkojen välillä. Nämä tiedot ovat kriittisiä edistämään suojaavan mikrobiotan kehittymistä ja rajoittamaan samalla vastahakoisten patogeenien kasvua.

Tämän ihmiskaupan täydellisempi ymmärtäminen alkaa syvällisillä, kantatason tutkimuksilla kussakin hengitystiealueella pian syntymän jälkeen ja niiden kehityksestä ajan myötä. Askeleena tähän suuntaan tämä Akateemisen terveyskeskuksen tukema tutkimus käyttää metagenomista sekvensointia tiettyjen bakteerikantojen vaihdon arvioimiseksi ylemmissä hengitysteissä. Hiiritutkimuksiamme (selvitetty muualla) täydennetään tutkimuksella kystistä fibroosia (CF) sairastavista vauvoista, jotka edustavat ainutlaatuista populaatiota, joka helpottaa suun, sinonasaalisen ja keuhkojen mikrobiotan sieppaamista kahden ensimmäisen elinvuoden aikana. Käyttämällä suun ja kurkun vanupuikkojen yhdistelmää sekä limanäytteiden nenäimua, käytetään metagenomista sekvensointimenetelmää bakteeriyhteisöjen koostumuksen karakterisoimiseksi kussakin anatomisessa paikassa. Syntymästä lähtien tutkijat keräävät jokaisesta koehenkilöstä aikasarjan vanupuikkoja ja seuraavat mikrobiotan kehityksen muutoksia ajan myötä. Näin tekemällämme tutkimuksemme valaisevat sekä hyödyllisten että patogeenisten mikrobien hengitysteitä ja voivat olla olennainen patofysiologinen askel kohti tasapainoa hengitysteiden terveyden ja sairauksien välillä.

KOKEELLINEN SUUNNITELMA Pienessä CF-potilasryhmässä seurataan hengitysteiden bakteeriyhteisöjen kehittymistä. Koska CF-vauvoja seurataan syntymästä lähtien ja heiltä otetaan rutiininomaisesti näytteet hengitysteiden mikrobiotosta rutiininomaisten avohoitokäyntien aikana osana normaalia hoitoa, he edustavat ainutlaatuista populaatiota, joka seuraa bakteerikauppaa suu-, nenä- ja keuhkoonteloiden välillä. Kaikki Minnesotan yliopiston (UMN) vastasyntyneet seulotaan geneettisesti. Ne, jotka ovat positiivisia CF-testissä, varmistetaan pilokarpiinihikitestillä. Positiivisista koehenkilöistä (joissa on kaksi kystisen fibroosin transmembraanisen johtavuuden säätelijän [CFTR] mutaatiota) otetaan sitten näytteitä osallistujien vierailujen aikana CF-hoitokeskuksessa; vauvoja nähdään keskimäärin joka kuukausi ensimmäisen 6 kuukauden ajan, joka toinen kuukausi 1 vuoden ikään asti, minkä jälkeen käydään neljännesvuosittain UMN:n CF-keskuksessa (kystisen fibroosin säätiön ohjeiden mukaisesti). Osana tavanomaista hoitoa nenänäytteet otetaan imemällä jokaisella käynnillä. Nailonpuikkoja käytetään myös näytteiden ottamiseen jokaisen vauvan posken limakalvolta. Myös suunielun vanupuikkoja otetaan, joita pidetään alempien hengitysteiden (keuhkojen) mikrobiomien tarkkana esikuvana. Tutkimusjakson aikana odotettavissa olevien CF-vastasyntyneiden lukumäärän perusteella tutkijat suunnittelevat rekrytoivansa jopa 10 koehenkilöä. Jokaiselta lapselta otetaan enintään 10 vanupuikkoa jokaisesta hengitystiekohdasta (10 vauvaa x 10 vanupuikkoa x 3 kohtaa = 300 näytettä). Vanupuikkoja säilytetään suolaliuoksessa, pakastetaan -80 C:een ja käsitellään rinnakkain.

DNA uutetaan jokaisesta vanupuikkonäytteestä ja sekvensointi suoritetaan Minnesotan yliopiston genomiikkakeskuksessa.