Sinonasalhulen som et reservoar for bakterieutvikling i øvre luftveier

Studiet av mikrobiell samfunnsdynamikk er kritisk viktig for menneskers helse, inkludert hvordan man opprettholder eller gjenoppretter et sunt mikrobiom. Metagenomiske studier har revolusjonert mikrobiologien ved å ta opp disse problemene på en kulturuavhengig måte, og har definert essensielle roller til mikrobiotaen i vertsutvikling. Den første utviklingen av tarmmikrobiota begynner i utero og er sterkt påvirket av eksponering ved fødselen (f. vaginal kontra keisersnitt). Den første såingen av morens mikroflora og den påfølgende bakteriefølgen antas å ha kritisk langsiktig innvirkning på menneskers helse. Nyere longitudinelle studier har dokumentert en gradvis økning i bakteriemangfold, ikke-tilfeldig fellesskapssamling, effekten av morsmelk og introduksjon av bordmat, og store taksonomiske endringer som følge av antibiotika og miljøbelastninger som oppstår i spedbarnsalderen. Siden forstyrrelser av disse tidlige hendelsene har vært knyttet til diabetes, kreft, mental helse og en rekke andre sykdommer, arbeides det med å lære hvordan manipulering av spedbarnsmikrobiomet til en "sunn" tilstand oversettes til langsiktige kliniske utfall.

Derimot har lite oppmerksomhet blitt viet til faktorer som styrer utviklingen av mikrobiota i luftveiene tidlig i livet, inkludert munnhulen. Ved fødselen ligner den orale og nasofaryngeale floraen floraen i mors vaginalkanal eller hud (avhengig av leveringsmåte). Foreløpige datasett antyder at i løpet av det første leveåret utvikler luftveismikrobiomet seg til et rikt, voksenlignende mikrobielt økosystem. Keystone-kolonisatorene i luftveiene antas å betinge den påfølgende koloniseringen av over 600 arter, hvorav noen tjener til å etablere robuste bakteriesamfunn som er karakteristiske for menneskers helse. Andre sekundære kolonisatorer er ofte involvert i orale og luftveisinfeksjoner, inkludert kronisk bihulebetennelse, lungebetennelse og periodontale sykdommer. Som et eksempel er spedbarnskolonisering av Streptococcus pneumoniae en viktig risikofaktor for mellomøresykdom hos barn. Tidlige mikrobielle samfunn representerer derfor viktige faktorer som styrer koloniseringen av luftveiene av både patogene og beskyttende mikrober under utvikling av spedbarnsmikrobiom. Å forstå anskaffelsen av spedbarns luftveismikrobielle samfunn og faktorene som endrer deres sammensetning er avgjørende for å fremme menneskers helse og forebygging av luftveissykdommer som representerer en årlig byrde på flere milliarder dollar på det amerikanske helsevesenet.

Mens mors-nyfødte utveksling av luftveismikrobiota er godt dokumentert, har ingen studier undersøkt innen-subjekt forhold mellom munn, bihuler, nasofarynx og lunger og den relative overfloden av bakteriell taxa på disse stedene. Nyere bevis tyder på at munnhulen kan tjene som et reservoar for patogener som trans-lokaliserer til ikke-orale steder; oral-assosierte mikrober infiserer de fleste andre kroppssteder som bevis ved 16S-sekvensering. To forbehold gjør imidlertid denne bakterielle metastasen kontroversiell. For det første, at orale bakterier ikke er lokalisert utelukkende i munnen, men også finnes andre steder i luftveiene, gjør deres opphav vanskelig å fastslå. Dermed er retningsvirkningen til mikrobiell utveksling mellom nisjerom i luftveiene ikke kjent. For det andre avslører de fleste 16S ribosomale RNA (rRNA) undersøkelser bare bakteriesammensetning på slekts- eller filumnivå, og gir lite informasjon om stammelinjer, og om individuelle stammer kan migrere mellom steder. Disse dataene er kritiske for å fremme utviklingen av beskyttende mikrobiota og samtidig begrense veksten av gjenstridige patogener.

En mer fullstendig forståelse av denne menneskehandelen begynner med dyptgående undersøkelser på stammenivå av bakteriesamfunnene som er tilstede i hver luftveisnisje kort tid etter fødselen, og deres utvikling over tid. Som et skritt i denne retningen vil denne Academic Health Center-sponsede studien bruke metagenomisk sekvensering for å vurdere utvekslingen av spesifikke bakteriestammer i de øvre luftveiene. Musestudiene våre (forklart andre steder) vil bli supplert med en studie av cystisk fibrose (CF) spedbarn, som representerer en unik populasjon som letter fangsten av oral, sinonasal og lungemikrobiota i løpet av de to første leveårene. Ved å bruke en kombinasjon av munn- og halsprøver, sammen med nesesuging av slimprøver, vil en metagenomisk sekvenseringsmetode bli brukt for å karakterisere sammensetningen av bakteriesamfunn på hvert anatomisk sted. Fra og med fødselen vil etterforskerne samle en tidsserie med vattpinner fra hvert individ, og overvåke endringer i utviklingen av mikrobiota over tid. Ved å gjøre det vil våre studier belyse luftveishandel med både gunstige og patogene mikrober og kan representere et viktig patofysiologisk skritt mot å skifte balansen mellom luftveishelse og sykdom.

EKSPERIMENTELL PLAN Utviklingen av luftveisbakteriesamfunn vil bli overvåket i en liten CF-pasientkohort. Siden CF-spedbarn overvåkes fra fødselen og rutinemessig blir tatt prøver av luftveismikrobiota under rutinemessige polikliniske besøk som en del av deres standard-of-care, representerer de en unik populasjon for å overvåke bakteriehandel mellom munn-, nese- og lungehulene. Alle nyfødte ved University of Minnesota (UMN) er genetisk screenet. De som tester positive for CF vil bli bekreftet ved hjelp av en pilokarpin svettetest. Positive individer (med 2 Cystisk Fibrose Transmembrane Conductance Regulator [CFTR] mutasjoner) vil deretter bli tatt prøver under deltakernes besøk til CF-behandlingssenteret; i gjennomsnitt vil spedbarn bli sett hver måned de første 6 månedene, annenhver måned frem til 1 års alder, etterfulgt av kvartalsbesøk til UMN CF-senteret (i samsvar med retningslinjer for Cystic Fibrosis Foundation). Som en del av standardbehandlingen tas neseprøver ved hvert besøk. Nylon vattpinner vil også bli brukt til å prøve hvert spedbarns munnslimhinne. Orofaryngeale vattpinner vil også bli oppnådd, som anses å være en nøyaktig proxy for mikrobiomer i nedre luftveier (lunge). Basert på antallet CF-nyfødte som forventes i løpet av studieperioden, planlegger etterforskerne å rekruttere opptil 10 forsøkspersoner. Fra hvert spedbarn vil det samles inn opptil 10 temporale vattpinner fra hvert luftveissted (10 spedbarn x 10 vattpinner x 3 steder = 300 prøver). Vatter vil bli lagret i saltvann, frosset ved -80C og behandlet parallelt.

DNA vil bli ekstrahert fra hver vattpinneprøve, og sekvensering utføres ved University of Minnesota Genomics Center.