De sinonasale holte als een reservoir voor de ontwikkeling van bacteriën in de bovenste luchtwegen

De studie van de dynamiek van microbiële gemeenschappen is van cruciaal belang voor de menselijke gezondheid, inclusief hoe een gezond microbioom kan worden behouden of hersteld. Metagenomische studies hebben een revolutie teweeggebracht in de microbiologie door deze kwesties op een cultuuronafhankelijke manier aan te pakken, en hebben essentiële rollen van de microbiota bij de ontwikkeling van de gastheer gedefinieerd. De initiële ontwikkeling van de darmmicrobiota begint in de baarmoeder en wordt sterk beïnvloed door blootstellingen bij de geboorte (bijv. vaginale versus keizersnede). Aangenomen wordt dat het eerste zaaien door de microflora van de moeder en de daaropvolgende bacteriële successie kritieke langetermijneffecten op de menselijke gezondheid hebben. Recente longitudinale studies hebben een geleidelijke toename van bacteriële diversiteit, niet-willekeurige gemeenschapssamenstelling, de effecten van moedermelk en de introductie van tafelvoedsel, en grote taxonomische verschuivingen als gevolg van antibiotica en omgevingsstress tijdens de kindertijd gedocumenteerd. Aangezien verstoringen van deze vroege gebeurtenissen in verband zijn gebracht met diabetes, kanker, geestelijke gezondheid en een reeks andere kwalen, worden er inspanningen geleverd om te leren hoe manipulatie van het microbioom van het kind naar een "gezonde" toestand zich vertaalt in klinische resultaten op de lange termijn.

Daarentegen is er weinig aandacht besteed aan factoren die de vroege ontwikkeling van de microbiota van de luchtwegen bepalen, inclusief de mondholte. Bij de geboorte lijken de orale en nasofaryngeale flora op die van het maternale vaginale kanaal of de huid (afhankelijk van de wijze van bevalling). Voorlopige datasets suggereren dat tijdens het eerste levensjaar het microbioom van de luchtwegen evolueert naar een rijk, volwassen microbieel ecosysteem. Aangenomen wordt dat de hoeksteenkolonisatoren van de luchtwegen de daaropvolgende kolonisatie door meer dan 600 soorten bepalen, waarvan sommige dienen om robuuste bacteriegemeenschappen te vestigen die kenmerkend zijn voor de menselijke gezondheid. Andere secundaire kolonisatoren zijn vaak betrokken bij orale en luchtweginfecties, waaronder chronische sinusitis, longontsteking en parodontitis. Kolonisatie van zuigelingen door Streptococcus pneumoniae is bijvoorbeeld een belangrijke risicofactor voor middenooraandoeningen bij kinderen. Vroege microbiële gemeenschappen vertegenwoordigen daarom belangrijke factoren die de kolonisatie van de luchtwegen door zowel pathogene als beschermende microben bepalen tijdens de ontwikkeling van het microbioom bij kinderen. Inzicht in de verwerving van microbiële gemeenschappen in de luchtwegen van baby's en de factoren die hun samenstelling veranderen, is van cruciaal belang voor de bevordering van de gezondheid van de mens en de preventie van luchtwegaandoeningen die een jaarlijkse last van meerdere miljarden dollars vormen voor het Amerikaanse gezondheidszorgsysteem.

Hoewel de maternale-pasgeboren uitwisseling van luchtwegmicrobiota goed gedocumenteerd is, hebben geen studies de relaties tussen de proefpersoon tussen de mond, sinussen, nasopharynx en longen en de relatieve overvloed aan bacteriële taxa op die plaatsen onderzocht. Recent bewijs suggereert dat de mondholte kan dienen als een reservoir voor ziekteverwekkers die zich verplaatsen naar niet-orale locaties; oraal-geassocieerde microben infecteren de meeste andere lichaamsplaatsen als bewijs door 16S-sequencing. Twee kanttekeningen maken deze bacteriële metastase echter controversieel. Ten eerste maakt het feit dat orale bacteriën zich niet alleen in de mond bevinden, maar ook elders in de luchtwegen worden aangetroffen, hun oorsprong moeilijk vast te stellen. De richting van microbiële uitwisseling tussen nicheruimten in de luchtwegen is dus niet bekend. Ten tweede onthullen de meeste onderzoeken naar 16S ribosomaal RNA (rRNA) alleen de bacteriële samenstelling op genus- of phylum-niveau, wat weinig informatie geeft over stamlijnen en of individuele stammen tussen locaties kunnen migreren. Deze gegevens zijn van cruciaal belang om de ontwikkeling van beschermende microbiota te bevorderen en tegelijkertijd de groei van recalcitrante pathogenen te beperken.

Een vollediger begrip van deze mensenhandel begint met diepgaande onderzoeken op stamniveau van de bacteriegemeenschappen die kort na de geboorte in elke luchtwegniche aanwezig zijn, en hun ontwikkeling in de loop van de tijd. Als een stap in deze richting zal deze door het Academisch Gezondheidscentrum gesponsorde studie metagenomische sequencing gebruiken om de uitwisseling van specifieke bacteriestammen in de bovenste luchtwegen te beoordelen. Onze muizenstudies (elders uitgelegd) zullen worden aangevuld met een studie van cystic fibrosis (CF)-baby's, die een unieke populatie vertegenwoordigen die de opname van orale, sinonasale en longmicrobiota gedurende de eerste twee levensjaren mogelijk maakt. Door een combinatie van orale en keeluitstrijkjes te gebruiken, samen met nasale afzuiging van slijmmonsters, zal een metagenomische sequencingbenadering worden gebruikt om de samenstelling van bacteriële gemeenschappen op elke anatomische plaats te karakteriseren. Vanaf de geboorte zullen de onderzoekers een tijdreeks van uitstrijkjes van elk onderwerp verzamelen en veranderingen in de ontwikkeling van de microbiota in de loop van de tijd volgen. Door dit te doen, zullen onze studies de luchtweghandel van zowel nuttige als pathogene microben belichten en kunnen ze een essentiële pathofysiologische stap vormen in de richting van een verschuiving van de balans tussen luchtweggezondheid en ziekte.

EXPERIMENTEEL PLAN De ontwikkeling van bacteriële gemeenschappen in de luchtwegen zal worden gevolgd in een klein cohort van CF-patiënten. Aangezien CF-zuigelingen vanaf de geboorte worden gecontroleerd en routinematig worden bemonsterd op luchtwegmicrobiota tijdens routinematige poliklinische bezoeken als onderdeel van hun standaardzorg, vormen ze een unieke populatie om de handel in bacteriën tussen de mond-, neus- en longholten te monitoren. Alle pasgeborenen aan de Universiteit van Minnesota (UMN) worden genetisch gescreend. Degenen die positief testen op CF zullen worden bevestigd met behulp van een pilocarpine-zweettest. Positieve proefpersonen (met 2 Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator [CFTR]-mutaties) worden vervolgens bemonsterd tijdens de bezoeken van de deelnemers aan het CF-behandelcentrum; baby's zullen de eerste 6 maanden gemiddeld elke maand worden gezien, om de maand tot de leeftijd van 1 jaar, gevolgd door driemaandelijkse bezoeken aan het UMN CF Centrum (in overeenstemming met de richtlijnen van de Cystic Fibrosis Foundation). Als onderdeel van de standaardzorg worden bij elk bezoek neusmonsters afgenomen door middel van afzuiging. Er zullen ook nylon wattenstaafjes worden gebruikt om het mondslijmvlies van elke baby te bemonsteren. Er zullen ook orofaryngeale uitstrijkjes worden verkregen, die worden beschouwd als een nauwkeurige proxy van microbiomen van de onderste luchtwegen (longen). Op basis van het verwachte aantal pasgeborenen met CF gedurende de onderzoeksperiode, zijn de onderzoekers van plan om maximaal 10 proefpersonen te rekruteren. Van elke baby worden maximaal 10 tijdelijke uitstrijkjes afgenomen van elke luchtweglocatie (10 baby's x 10 uitstrijkjes x 3 locaties = 300 monsters). Swabs worden opgeslagen in zoutoplossing, ingevroren bij -80C en parallel verwerkt.

Van elk uitstrijkje zal DNA worden geëxtraheerd en de sequentiebepaling zal worden uitgevoerd in het Genomics Center van de Universiteit van Minnesota.