A Sinonasalis üreg, mint tározó a felső légúti baktériumok fejlődéséhez

A mikrobiális közösségek dinamikájának tanulmányozása kritikus fontosságú az emberi egészség szempontjából, beleértve az egészséges mikrobiom fenntartásának vagy helyreállításának módját. A metagenomikai tanulmányok forradalmasították a mikrobiológiát azáltal, hogy ezeket a kérdéseket kultúrától független módon kezelték, és meghatározták a mikrobiota alapvető szerepét a gazdaszervezet fejlődésében. A bélmikrobióta kezdeti fejlődése a méhben kezdődik, és erősen befolyásolják a születéskor bekövetkező expozíciók (pl. hüvelyi vs császármetszéssel). Úgy gondolják, hogy az anya mikroflórájának kezdeti kioltása és az azt követő bakteriális szukcesszió kritikus, hosszú távú hatással van az emberi egészségre. A közelmúltban végzett longitudinális vizsgálatok dokumentálták a baktériumok sokféleségének fokozatos növekedését, a nem véletlenszerű közösségek kialakulását, az anyatej hatásait és az étkezési ételek bevezetését, valamint az antibiotikumok és a csecsemőkorban fellépő környezeti stressz következtében bekövetkező jelentős taxonómiai eltolódásokat. Mivel ezeknek a korai eseményeknek a megzavarásait összefüggésbe hozták a cukorbetegséggel, a rákkal, a mentális egészséggel és számos más betegséggel, erőfeszítések folynak annak megismerésére, hogy a csecsemő mikrobiómának „egészséges” állapotba hozása hogyan eredményez hosszú távú klinikai eredményeket.

Ezzel szemben kevés figyelmet fordítottak azokra a tényezőkre, amelyek szabályozzák a légúti mikrobiota korai fejlődését, beleértve a szájüreget is. Születéskor a száj- és nasopharyngealis flóra hasonlít az anyai hüvelyi traktushoz vagy a bőréhez (a szülés módjától függően). Az előzetes adatkészletek arra utalnak, hogy az élet első évében a légúti mikrobiom gazdag, felnőttekhez hasonló mikrobiális ökoszisztémává fejlődik. Úgy gondolják, hogy a légutak kulcsfontosságú kolonizálói több mint 600 faj későbbi megtelepedését befolyásolják, amelyek közül néhány az emberi egészségre jellemző robusztus baktériumközösségek létrehozására szolgál. Más másodlagos kolonizálók gyakran érintettek a szájüregi és légúti fertőzésekben, beleértve a krónikus arcüreggyulladást, tüdőgyulladást és parodontális betegségeket. Például a Streptococcus pneumoniae csecsemő kolonizációja a gyermekkori középfül-betegség fontos kockázati tényezője. A korai mikrobiális közösségek ezért olyan fő tényezőket képviselnek, amelyek szabályozzák a légutak patogén és védő mikrobák általi kolonizációját a csecsemő mikrobióma fejlődése során. A csecsemők légúti mikrobiális közösségeinek megszerzésének és az összetételüket megváltoztató tényezőknek a megértése kritikus az emberi egészség előmozdítása és a légúti betegségek megelőzése szempontjából, amelyek éves szinten több milliárd dolláros terhet jelentenek az Egyesült Államok egészségügyi rendszerére.

Míg a légúti mikrobióta anya-újszülött cseréje jól dokumentált, egyetlen tanulmány sem vizsgálta az alanyon belüli kapcsolatokat a száj, az orrmelléküregek, a nasopharynx és a tüdő között, valamint a bakteriális taxonok relatív abundanciáját ezeken a helyeken. A legújabb bizonyítékok arra utalnak, hogy a szájüreg rezervoárként szolgálhat a nem szájüregi helyre áttelepülő kórokozók számára; a szájüregi mikrobák megfertőzik a legtöbb más testhelyet, ami bizonyítékként szolgál a 16S szekvenálás segítségével. Két figyelmeztetés azonban ellentmondásossá teszi ezt a bakteriális áttétet. Először is, hogy a szájbaktériumok nem kizárólag a szájban, hanem a légutakban máshol is megtalálhatók, megnehezíti eredetük megállapítását. Így a légúti niche terek közötti mikrobiális csere irányultsága nem ismert. Másodszor, a legtöbb 16S riboszomális RNS (rRNS) felmérés csak a nemzetség vagy törzs szintjén tárja fel a baktériumok összetételét, kevés információt adva a törzsek vonalairól, és arról, hogy az egyes törzsek vándorolhatnak-e a helyek között. Ezek az adatok kritikus fontosságúak a védő mikrobióta fejlődésének elősegítésében, miközben korlátozzák a visszautasító kórokozók növekedését.

Ennek az emberkereskedelemnek a teljesebb megértése a röviddel a születés után az egyes légúti résekben jelenlévő baktériumközösségek alapos, törzsszintű felmérésével kezdődik, és ezek idővel történő fejlődésével. Az ebbe az irányba tett lépésként ez az Akadémiai Egészségügyi Központ által támogatott tanulmány metagenomikus szekvenálást fog használni a specifikus baktériumtörzsek cseréjének felmérésére a felső légutakban. Egérvizsgálatainkat (máshol magyarázzuk) kiegészítjük egy cisztás fibrózisban (CF) szenvedő csecsemők vizsgálatával, akik olyan egyedülálló populációt képviselnek, amely megkönnyíti a száj, a szinonasalis és a tüdő mikrobiota befogását az első két életévben. A száj- és toroktamponok kombinációjával, valamint a nyálkaminták orr-leszívásával együtt metagenomikus szekvenálási megközelítést alkalmaznak a baktériumközösségek összetételének jellemzésére az egyes anatómiai helyeken. A kutatók születésüktől kezdődően idősoros mintákat gyűjtenek minden egyes alanyról, és nyomon követik a mikrobiota fejlődésében bekövetkezett változásokat az idő múlásával. Ezáltal tanulmányaink megvilágítják a jótékony és kórokozó mikrobák légúti kereskedelmét, és lényeges patofiziológiai lépést jelenthetnek a légutak egészsége és a betegségek közötti egyensúly megváltoztatása felé.

KÍSÉRLETI TERV A légúti baktérium közösségek fejlődését egy kis CF-es betegcsoportban követik nyomon. Mivel a CF-es csecsemőket születésüktől kezdve monitorozzák, és rutinszerűen mintát vesznek róluk a légúti mikrobiota kimutatására a szokásos ambuláns vizitek során, ezért egyedülálló populációt képviselnek a száj-, orrüreg- és tüdőüregek közötti bakteriális forgalom nyomon követésére. A Minnesotai Egyetemen (UMN) minden újszülöttet genetikailag szűrnek. A pozitív CF-tesztet pilokarpin izzadásteszttel igazolják. A pozitív alanyokból (2 cisztás fibrózis transzmembrán konduktancia szabályozó [CFTR] mutációval) ezután mintát vesznek a résztvevők a CF kezelőközpontban tett látogatásai során; átlagosan a csecsemőket havonta látják az első 6 hónapban, minden második hónapban 1 éves korukig, majd negyedévente meglátogatják az UMN CF Központot (a Cisztás Fibrózis Alapítvány irányelveinek megfelelően). A standard ellátás részeként minden vizit alkalmával orrmintát gyűjtenek szívással. Nejlon tamponokat is használnak majd minden csecsemő szájnyálkahártyájának mintavételére. Szájgarat-tamponokat is készítenek, amelyeket az alsó légúti (tüdő) mikrobiomák pontos proxijának tekintenek. A vizsgálati időszak alatt várható CF újszülöttek száma alapján a vizsgálók legfeljebb 10 alanyt terveznek toborozni. Minden csecsemőtől legfeljebb 10 temporális tampont gyűjtenek minden légúti helyről (10 csecsemő x 10 tampon x 3 hely = 300 minta). A tamponokat sóoldatban tárolják, -80 C-on lefagyasztják, és ezzel párhuzamosan feldolgozzák.

A DNS-t minden egyes tamponmintából kivonják, és a szekvenálást a Minnesota Egyetem Genomikai Központjában végzik el.