Синоназальная полость как резервуар для развития бактерий верхних дыхательных путей

Изучение динамики микробного сообщества имеет решающее значение для здоровья человека, включая то, как поддерживать или восстанавливать здоровый микробиом. Метагеномные исследования произвели революцию в микробиологии, решив эти вопросы культурно-независимым образом, и определили важную роль микробиоты в развитии хозяина. Первоначальное развитие кишечной микробиоты начинается внутриутробно, и на него сильно влияют воздействия при рождении (например, вагинальные роды против кесарева сечения). Считается, что первоначальное заражение материнской микрофлорой и последующая бактериальная последовательность имеют критические долгосрочные последствия для здоровья человека. Недавние лонгитюдные исследования зафиксировали постепенное увеличение бактериального разнообразия, неслучайное объединение сообщества, влияние грудного молока и введения столовой пищи, а также большие таксономические сдвиги в результате антибиотиков и экологических стрессов, происходящих в младенчестве. Поскольку нарушения этих ранних событий были связаны с диабетом, раком, психическим здоровьем и рядом других заболеваний, предпринимаются усилия, чтобы узнать, как манипулирование младенческим микробиомом до «здорового» состояния приводит к долгосрочным клиническим результатам.

Напротив, мало внимания уделялось факторам, которые регулируют развитие микробиоты дыхательных путей в раннем возрасте, включая полость рта. При рождении микрофлора полости рта и носоглотки напоминает микрофлору вагинального тракта или кожи матери (в зависимости от способа родоразрешения). Предварительные данные свидетельствуют о том, что в течение первого года жизни микробиом дыхательных путей превращается в богатую, похожую на взрослую микробную экосистему. Считается, что краеугольные колонизаторы дыхательных путей обуславливают последующую колонизацию более чем 600 видами, некоторые из которых служат для создания прочных бактериальных сообществ, характерных для здоровья человека. Другие вторичные колонизаторы часто вызывают оральные и респираторные инфекции, включая хронический синусит, пневмонию и заболевания пародонта. Например, колонизация младенцев Streptococcus pneumoniae является важным фактором риска заболевания среднего уха у детей. Таким образом, ранние микробные сообщества представляют собой основные факторы, определяющие колонизацию дыхательных путей как патогенными, так и защитными микробами во время развития микробиома младенцев. Понимание приобретения микробных сообществ дыхательных путей младенцев и факторов, которые изменяют их состав, имеет решающее значение для укрепления здоровья человека и предотвращения заболеваний дыхательных путей, которые ежегодно ложатся многомиллиардным бременем на систему здравоохранения США.

Хотя обмен микробиотой дыхательных путей между матерью и новорожденным хорошо задокументирован, ни в одном исследовании не изучались внутрисубъектные отношения между ротовой полостью, пазухами, носоглоткой и легкими, а также относительное обилие бактериальных таксонов в этих местах. Недавние данные свидетельствуют о том, что ротовая полость может служить резервуаром для патогенов, которые перемещаются в неротовые места; орально-ассоциированные микробы инфицируют большинство других участков тела, что подтверждается секвенированием 16S. Однако два предостережения делают этот бактериальный метастаз спорным. Во-первых, то, что оральные бактерии находятся не только во рту, но и в других частях дыхательных путей, затрудняет установление их происхождения. Таким образом, направленность микробного обмена между нишами дыхательных путей неизвестна. Во-вторых, большинство исследований 16S рибосомной РНК (рРНК) выявляют бактериальный состав только на уровне рода или типа, предоставляя мало информации о родословных штаммов и о том, могут ли отдельные штаммы мигрировать между участками. Эти данные имеют решающее значение для содействия развитию защитной микробиоты при ограничении роста резистентных патогенов.

Более полное понимание этого трафика начинается с углубленных исследований на уровне штаммов бактериальных сообществ, присутствующих в каждой нише дыхательных путей вскоре после рождения, и их развития с течением времени. В качестве шага в этом направлении это исследование, спонсируемое Академическим центром здоровья, будет использовать метагеномное секвенирование для оценки обмена определенными бактериальными штаммами в верхних дыхательных путях. Наши исследования на мышах (объясненные в другом месте) будут дополнены исследованием младенцев с муковисцидозом (МВ), которые представляют собой уникальную популяцию, которая облегчает захват микробиоты полости рта, носовых пазух и легких в течение первых двух лет жизни. Используя комбинацию мазков из полости рта и зева вместе с назальным отсасыванием образцов слизи, метагеномный подход к секвенированию будет использоваться для характеристики состава бактериальных сообществ в каждом анатомическом участке. Начиная с рождения, исследователи будут собирать временные ряды мазков у каждого субъекта и отслеживать изменения в развитии микробиоты с течением времени. Таким образом, наши исследования прольют свет на проникновение в дыхательные пути как полезных, так и патогенных микробов и могут стать важным патофизиологическим шагом на пути к смещению баланса между здоровьем дыхательных путей и болезнью.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ПЛАН Развитие бактериальных сообществ дыхательных путей будет контролироваться в небольшой когорте пациентов с муковисцидозом. Поскольку новорожденные с муковисцидозом находятся под наблюдением с рождения и у них регулярно берут пробы на микробиоту дыхательных путей во время рутинных амбулаторных посещений в рамках их стандарта медицинской помощи, они представляют собой уникальную популяцию для мониторинга переноса бактерий между ротовой, носовой и легочной полостями. Все новорожденные в Университете Миннесоты (UMN) проходят генетический скрининг. Те, у кого положительный результат теста на муковисцидоз, будут подтверждены с помощью теста пота с пилокарпином. Затем у положительных субъектов (с 2 мутациями регулятора трансмембранной проводимости муковисцидоза [CFTR]) будут взяты образцы во время визитов участников в центр лечения муковисцидоза; в среднем младенцев будут осматривать каждый месяц в течение первых 6 месяцев, через месяц до достижения ими возраста 1 года с последующими ежеквартальными визитами в Центр МВН UMN (в соответствии с рекомендациями Фонда муковисцидоза). В рамках стандартной медицинской помощи образцы из носа берутся путем отсасывания при каждом посещении. Нейлоновые тампоны также будут использоваться для взятия образцов слизистой оболочки щек каждого младенца. Также будут получены мазки из ротоглотки, которые считаются точным показателем микробиома нижних дыхательных путей (легких). Основываясь на ожидаемом количестве новорожденных с муковисцидозом в течение периода исследования, исследователи планируют набрать до 10 субъектов. У каждого младенца будет взято до 10 височных мазков с каждого участка дыхательных путей (10 младенцев x 10 мазков x 3 участка = 300 образцов). Мазки будут храниться в физиологическом растворе, заморожены при -80°C и обрабатываться параллельно.

ДНК будет извлечена из каждого образца мазка, а секвенирование будет выполнено в Центре геномики Университета Миннесоты.