La cavità sinonasale come serbatoio per lo sviluppo batterico delle vie aeree superiori

Lo studio delle dinamiche della comunità microbica è di fondamentale importanza per la salute umana, incluso come mantenere o ripristinare un microbioma sano. Gli studi metagenomici hanno rivoluzionato la microbiologia affrontando questi problemi in modo indipendente dalla cultura e hanno definito i ruoli essenziali del microbiota nello sviluppo dell'ospite. Lo sviluppo iniziale del microbiota intestinale inizia in utero ed è fortemente influenzato dalle esposizioni alla nascita (ad es. parto vaginale vs parto cesareo). Si ritiene che la semina iniziale da parte della microflora della madre e la conseguente successione batterica abbiano impatti critici a lungo termine sulla salute umana. Recenti studi longitudinali hanno documentato un graduale aumento della diversità batterica, l'assemblea comunitaria non casuale, gli effetti del latte materno e l'introduzione di cibi da tavola e grandi cambiamenti tassonomici a seguito di antibiotici e stress ambientali che si verificano durante l'infanzia. Poiché le perturbazioni di questi primi eventi sono state collegate a diabete, cancro, salute mentale e una serie di altre malattie, sono in corso sforzi per capire come la manipolazione del microbioma infantile verso uno stato "sano" si traduca in esiti clinici a lungo termine.

Al contrario, è stata prestata poca attenzione ai fattori che governano lo sviluppo precoce del microbiota delle vie respiratorie, compresa la cavità orale. Alla nascita, la flora orale e nasofaringea assomiglia a quella del tratto vaginale materno o della pelle (a seconda della modalità del parto). I set di dati preliminari suggeriscono che durante il primo anno di vita, il microbioma delle vie aeree si evolve in un ricco ecosistema microbico adulto. Si pensa che i colonizzatori fondamentali delle vie aeree condizionino la successiva colonizzazione da parte di oltre 600 specie, alcune delle quali servono a stabilire robuste comunità batteriche caratteristiche della salute umana. Altri colonizzatori secondari sono spesso implicati nelle infezioni orali e respiratorie, tra cui sinusite cronica, polmonite e malattie parodontali. Ad esempio, la colonizzazione infantile da Streptococcus pneumoniae è un importante fattore di rischio per la malattia dell'orecchio medio infantile. Le prime comunità microbiche, quindi, rappresentano i principali fattori che governano la colonizzazione delle vie aeree da parte di microbi patogeni e protettivi durante lo sviluppo del microbioma infantile. Comprendere l'acquisizione di comunità microbiche delle vie aeree infantili e i fattori che ne alterano la composizione è fondamentale per la promozione della salute umana e la prevenzione delle malattie delle vie aeree che rappresentano un onere annuale multimiliardario per il sistema sanitario statunitense.

Sebbene lo scambio materno-neonato del microbiota delle vie aeree sia ben documentato, nessuno studio ha esaminato le relazioni all'interno del soggetto tra bocca, seni, rinofaringe e polmoni e la relativa abbondanza di taxa batterici in quei siti. Prove recenti suggeriscono che la cavità orale può fungere da serbatoio per agenti patogeni che si traslocano in posizioni non orali; i microbi associati alla via orale infettano la maggior parte degli altri siti del corpo come prova del sequenziamento 16S. Tuttavia, due avvertimenti rendono controversa questa metastasi batterica. In primo luogo, il fatto che i batteri orali non si trovino solo nella bocca ma si trovino anche altrove nelle vie aeree rende difficile stabilirne l'origine. Pertanto, la direzionalità dello scambio microbico tra gli spazi di nicchia delle vie aeree non è nota. In secondo luogo, la maggior parte delle indagini sull'RNA ribosomiale 16S (rRNA) rivela solo la composizione batterica a livello di genere o di phylum, fornendo poche informazioni sui lignaggi dei ceppi e se i singoli ceppi possono migrare tra i siti. Questi dati sono fondamentali per promuovere lo sviluppo di un microbiota protettivo limitando la crescita di agenti patogeni recalcitranti.

Una comprensione più completa di questo traffico inizia con indagini approfondite a livello di ceppo delle comunità batteriche presenti in ciascuna nicchia delle vie aeree poco dopo la nascita e il loro sviluppo nel tempo. Come passo in questa direzione, questo studio sponsorizzato dall'Academic Health Center utilizzerà il sequenziamento metagenomico per valutare lo scambio di specifici ceppi batterici nelle vie aeree superiori. I nostri studi sui topi (spiegati altrove) saranno integrati da uno studio sui neonati con fibrosi cistica (CF), che rappresentano una popolazione unica che facilita la cattura del microbiota orale, sinonasale e polmonare nei primi due anni di vita. Utilizzando una combinazione di tamponi orali e faringei, insieme all'aspirazione nasale di campioni di muco, verrà utilizzato un approccio di sequenziamento metagenomico per caratterizzare la composizione delle comunità batteriche in ciascun sito anatomico. A partire dalla nascita, i ricercatori raccoglieranno una serie temporale di tamponi da ciascun soggetto e monitoreranno i cambiamenti nello sviluppo del microbiota nel tempo. In tal modo, i nostri studi illumineranno il traffico delle vie aeree di microbi benefici e patogeni e potrebbero rappresentare un passo patofisiologico essenziale verso lo spostamento dell'equilibrio tra salute e malattia delle vie aeree.

PIANO SPERIMENTALE Lo sviluppo delle comunità batteriche delle vie aeree sarà monitorato in una piccola coorte di pazienti CF. Poiché i neonati CF sono monitorati dalla nascita e vengono regolarmente campionati per il microbiota delle vie aeree durante le visite ambulatoriali di routine come parte del loro standard di cura, rappresentano una popolazione unica per monitorare il traffico batterico tra le cavità orale, nasale e polmonare. Tutti i neonati dell'Università del Minnesota (UMN) sono sottoposti a screening genetico. Coloro che risultano positivi alla FC saranno confermati utilizzando un test del sudore alla pilocarpina. I soggetti positivi (con 2 mutazioni del regolatore di conduttanza transmembrana della fibrosi cistica [CFTR]) verranno quindi campionati durante le visite dei partecipanti al centro di trattamento della FC; in media, i neonati verranno visitati ogni mese per i primi 6 mesi, a mesi alterni fino a 1 anno di età, seguiti da visite trimestrali al Centro UMN CF (in conformità con le linee guida della Cystic Fibrosis Foundation). Come parte dello standard di cura, i campioni nasali vengono raccolti mediante aspirazione ad ogni visita. Verranno utilizzati anche tamponi di nylon per campionare la mucosa buccale di ogni neonato. Saranno ottenuti anche tamponi orofaringei, che sono considerati un proxy accurato dei microbiomi delle vie aeree inferiori (polmoni). Sulla base del numero di neonati CF attesi durante il periodo di studio, i ricercatori prevedono di reclutare fino a 10 soggetti. Da ciascun neonato verranno prelevati fino a 10 tamponi temporali da ciascun sito delle vie aeree (10 neonati x 10 tamponi x 3 siti = 300 campioni). I tamponi saranno conservati in soluzione salina, congelati a -80°C e processati in parallelo.

Il DNA verrà estratto da ciascun campione di tampone e il sequenziamento verrà eseguito presso il Centro di genomica dell'Università del Minnesota.