La cavité sinonasale comme réservoir pour le développement bactérien des voies respiratoires supérieures

L'étude de la dynamique des communautés microbiennes est d'une importance cruciale pour la santé humaine, y compris la manière de maintenir ou de restaurer un microbiome sain. Les études métagénomiques ont révolutionné la microbiologie en abordant ces problèmes de manière indépendante de la culture et ont défini les rôles essentiels du microbiote dans le développement de l'hôte. Le développement initial du microbiote intestinal commence in utero et est fortement influencé par les expositions à la naissance (par ex. naissance vaginale vs césarienne). On pense que l'ensemencement initial par la microflore de la mère et sa succession bactérienne qui s'ensuit ont des impacts critiques à long terme sur la santé humaine. Des études longitudinales récentes ont documenté une augmentation progressive de la diversité bactérienne, un assemblage communautaire non aléatoire, les effets du lait maternel et de l'introduction d'aliments de table, ainsi que de grands changements taxonomiques résultant des antibiotiques et des stress environnementaux qui se produisent pendant la petite enfance. Étant donné que les perturbations de ces événements précoces ont été liées au diabète, au cancer, à la santé mentale et à une gamme d'autres maladies, des efforts sont en cours pour savoir comment la manipulation du microbiome infantile vers un état "sain" se traduit par des résultats cliniques à long terme.

En revanche, peu d'attention a été accordée aux facteurs qui régissent le développement précoce du microbiote des voies respiratoires, y compris la cavité buccale. A la naissance, la flore buccale et nasopharyngée ressemble à celle du tractus vaginal ou cutané maternel (selon le mode d'accouchement). Des ensembles de données préliminaires suggèrent qu'au cours de la première année de vie, le microbiome des voies respiratoires évolue vers un riche écosystème microbien de type adulte. On pense que les colonisateurs clés des voies respiratoires conditionnent la colonisation ultérieure par plus de 600 espèces, dont certaines servent à établir des communautés bactériennes robustes caractéristiques de la santé humaine. D'autres colonisateurs secondaires sont fréquemment impliqués dans les infections buccales et respiratoires, notamment la sinusite chronique, la pneumonie et les maladies parodontales. Par exemple, la colonisation du nourrisson par Streptococcus pneumoniae est un important facteur de risque de maladie de l'oreille moyenne chez l'enfant. Les communautés microbiennes précoces représentent donc des facteurs majeurs qui régissent la colonisation des voies respiratoires par des microbes pathogènes et protecteurs au cours du développement du microbiome infantile. Comprendre l'acquisition des communautés microbiennes des voies respiratoires du nourrisson et les facteurs qui modifient leur composition est essentiel à la promotion de la santé humaine et à la prévention des maladies des voies respiratoires qui représentent un fardeau annuel de plusieurs milliards de dollars pour le système de santé américain.

Alors que l'échange mère-nouveau-né du microbiote des voies respiratoires est bien documenté, aucune étude n'a examiné les relations intra-sujets entre la bouche, les sinus, le nasopharynx et les poumons et l'abondance relative des taxons bactériens à ces sites. Des preuves récentes suggèrent que la cavité buccale peut servir de réservoir pour les agents pathogènes qui se transfèrent vers des emplacements non oraux ; les microbes associés à la bouche infectent la plupart des autres sites du corps comme en témoigne le séquençage 16S. Cependant, deux mises en garde rendent cette métastase bactérienne controversée. Premièrement, le fait que les bactéries buccales ne se trouvent pas uniquement dans la bouche mais se trouvent également ailleurs dans les voies respiratoires rend leur origine difficile à établir. Ainsi, la directionnalité des échanges microbiens entre les espaces de niche des voies respiratoires n'est pas connue. Deuxièmement, la plupart des enquêtes sur l'ARN ribosomique 16S (ARNr) ne révèlent que la composition bactérienne au niveau du genre ou du phylum, fournissant peu d'informations sur les lignées de souches et sur la possibilité pour les souches individuelles de migrer entre les sites. Ces données sont essentielles pour favoriser le développement d'un microbiote protecteur tout en limitant la croissance des pathogènes récalcitrants.

Une compréhension plus complète de ce trafic commence par des enquêtes approfondies au niveau des souches sur les communautés bactériennes présentes dans chaque niche des voies respiratoires peu après la naissance et leur développement au fil du temps. Comme étape dans cette direction, cette étude parrainée par le Centre universitaire de santé utilisera le séquençage métagénomique pour évaluer l'échange de souches bactériennes spécifiques dans les voies respiratoires supérieures. Nos études sur la souris (expliquées ailleurs) seront complétées par une étude sur les nourrissons atteints de fibrose kystique (FK), qui représentent une population unique qui facilite la capture du microbiote oral, naso-sinusien et pulmonaire au cours des deux premières années de vie. En utilisant une combinaison d'écouvillons buccaux et de gorge, ainsi qu'une aspiration nasale d'échantillons de mucus, une approche de séquençage métagénomique sera utilisée pour caractériser la composition des communautés bactériennes à chaque site anatomique. Dès la naissance, les chercheurs recueilleront une série chronologique d'écouvillons de chaque sujet et surveilleront les changements dans le développement du microbiote au fil du temps. Ce faisant, nos études éclaireront le trafic des voies respiratoires des microbes bénéfiques et pathogènes et pourraient représenter une étape physiopathologique essentielle pour modifier l'équilibre entre la santé et la maladie des voies respiratoires.

PLAN EXPÉRIMENTAL Le développement des communautés bactériennes des voies respiratoires sera surveillé dans une petite cohorte de patients atteints de mucoviscidose. Étant donné que les nourrissons fibro-kystiques sont surveillés dès la naissance et sont régulièrement échantillonnés pour le microbiote des voies respiratoires lors de visites de routine en ambulatoire dans le cadre de leur norme de soins, ils représentent une population unique pour surveiller le trafic bactérien entre les cavités buccale, nasale et pulmonaire. Tous les nouveau-nés de l'Université du Minnesota (UMN) sont soumis à un dépistage génétique. Les personnes testées positives pour la mucoviscidose seront confirmées à l'aide d'un test de la sueur à la pilocarpine. Les sujets positifs (avec 2 mutations du régulateur de conductance transmembranaire de la fibrose kystique [CFTR]) seront ensuite échantillonnés lors des visites des participants au centre de traitement de la mucoviscidose ; en moyenne, les nourrissons seront vus tous les mois pendant les 6 premiers mois, tous les deux mois jusqu'à l'âge de 1 an, suivis de visites trimestrielles au centre UMN CF (conformément aux directives de la Cystic Fibrosis Foundation). Dans le cadre de la norme de soins, des échantillons nasaux sont prélevés par aspiration à chaque visite. Des écouvillons en nylon seront également utilisés pour échantillonner la muqueuse buccale de chaque nourrisson. Des écouvillons oropharyngés seront également obtenus, qui sont considérés comme une approximation précise des microbiomes des voies respiratoires inférieures (poumons). En fonction du nombre de nouveau-nés FK attendus au cours de la période d'étude, les chercheurs prévoient de recruter jusqu'à 10 sujets. Sur chaque nourrisson, jusqu'à 10 écouvillons temporaux seront prélevés sur chaque site des voies respiratoires (10 nourrissons x 10 écouvillons x 3 sites = 300 échantillons). Les écouvillons seront stockés dans une solution saline, congelés à -80 °C et traités en parallèle.

L'ADN sera extrait de chaque échantillon d'écouvillon et le séquençage sera effectué au centre de génomique de l'Université du Minnesota.