Sinonasalhålan som reservoar för bakterieutveckling i övre luftvägarna

Studiet av mikrobiell samhällsdynamik är avgörande för människors hälsa, inklusive hur man bibehåller eller återställer en frisk mikrobiom. Metagenomiska studier har revolutionerat mikrobiologin genom att ta itu med dessa frågor på ett kulturoberoende sätt och har definierat viktiga roller för mikrobiotan i värdutvecklingen. Den initiala utvecklingen av tarmmikrobiota börjar i livmodern och påverkas starkt av exponeringar vid födseln (t. vaginal kontra kejsarsnitt). Den initiala sådden av moderns mikroflora och dess efterföljande bakteriella följd tros ha kritiska långsiktiga effekter på människors hälsa. Nyligen genomförda longitudinella studier har dokumenterat en gradvis ökning av bakteriell mångfald, icke-slumpmässig gemenskapsförsamling, effekterna av bröstmjölk och introduktion av bordsmat, och stora taxonomiska förändringar som ett resultat av antibiotika och miljöpåfrestningar som uppstår under spädbarnsåldern. Eftersom störningar av dessa tidiga händelser har kopplats till diabetes, cancer, mental hälsa och en rad andra sjukdomar, pågår ansträngningar för att lära sig hur manipulation av spädbarnsmikrobiomet till ett "hälsosamt" tillstånd översätter till långsiktiga kliniska resultat.

Däremot har liten uppmärksamhet ägnats åt faktorer som styr den tidiga utvecklingen av mikrobiota i luftvägarna, inklusive munhålan. Vid födseln liknar den orala och nasofaryngeala floran de i moderns vaginalkanal eller hud (beroende på leveranssätt). Preliminära datauppsättningar tyder på att under det första levnadsåret utvecklas luftvägsmikrobiomet till ett rikt, vuxenliknande mikrobiellt ekosystem. Keystone-kolonisatorerna i luftvägarna tros betinga den efterföljande koloniseringen av över 600 arter, av vilka några tjänar till att etablera robusta bakteriesamhällen som är karakteristiska för människors hälsa. Andra sekundära kolonisatorer är ofta inblandade i orala och luftvägsinfektioner, inklusive kronisk bihåleinflammation, lunginflammation och periodontala sjukdomar. Som ett exempel är spädbarnskolonisering av Streptococcus pneumoniae en viktig riskfaktor för barndomssjukdom i mellanörat. Tidiga mikrobiella samhällen representerar därför viktiga faktorer som styr koloniseringen av luftvägarna av både patogena och skyddande mikrober under utveckling av spädbarnsmikrobiom. Att förstå förvärvet av spädbarns luftvägsmikrobiella samhällen och de faktorer som förändrar deras sammansättning är avgörande för att främja människors hälsa och förebygga luftvägssjukdomar som representerar en årlig börda på flera miljarder dollar på det amerikanska sjukvårdssystemet.

Även om utbytet av mikrobiota i luftvägarna mellan mödrar och nyfödda är väldokumenterat, har inga studier undersökt förhållandet inom individen mellan mun, bihålor, nasofarynx och lungor och det relativa överflöd av bakteriella taxa på dessa platser. Nya bevis tyder på att munhålan kan fungera som en reservoar för patogener som förflyttar sig till icke-orala platser; oralt associerade mikrober infekterar de flesta andra kroppsställen som bevis genom 16S-sekvensering. Två varningar gör dock denna bakteriella metastas kontroversiell. För det första, att orala bakterier inte bara finns i munnen utan även finns på andra ställen i luftvägarna gör att deras ursprung är svårt att fastställa. Riktningen av mikrobiellt utbyte mellan luftvägsnischutrymmen är således inte känd. För det andra avslöjar de flesta 16S ribosomala RNA (rRNA)-undersökningar endast bakteriesammansättning på släkt- eller filumnivå, vilket ger lite information om stamlinjer och om individuella stammar kan migrera mellan platser. Dessa data är avgörande för att främja utvecklingen av skyddande mikrobiota samtidigt som tillväxten av motsträviga patogener begränsas.

En mer fullständig förståelse av denna människohandel börjar med djupgående undersökningar på stamnivå av de bakteriesamhällen som finns i varje luftvägsnisch kort efter födseln och deras utveckling över tid. Som ett steg i denna riktning kommer denna Academic Health Center-sponsrade studie att använda metagenomisk sekvensering för att bedöma utbytet av specifika bakteriestammar i de övre luftvägarna. Våra musstudier (förklarade på annat håll) kommer att kompletteras med en studie av cystisk fibros (CF) spädbarn, som representerar en unik population som underlättar infångningen av oral, sinonasal och lungmikrobiota under de första två åren av livet. Genom att använda en kombination av mun- och halsprover, tillsammans med nasal sugning av slemprover, kommer en metagenomisk sekvensering att användas för att karakterisera sammansättningen av bakteriesamhällen vid varje anatomisk plats. Med början vid födseln kommer utredarna att samla in en tidsserie av svabbar från varje försöksperson och övervaka förändringar i utvecklingen av mikrobiota över tiden. Genom att göra det kommer våra studier att belysa luftvägshandel av både nyttiga och patogena mikrober och kan representera ett viktigt patofysiologiskt steg mot att förändra balansen mellan luftvägarnas hälsa och sjukdomar.

EXPERIMENTELL PLAN Utvecklingen av luftvägsbakterier kommer att övervakas i en liten CF-patientkohort. Eftersom CF-spädbarn övervakas från födseln och rutinmässigt tas prover på luftvägsmikrobiota under rutinbesök i öppenvård som en del av deras standardvård, representerar de en unik population för att övervaka bakteriehandel mellan mun-, näs- och lunghålorna. Alla nyfödda vid University of Minnesota (UMN) screenas genetiskt. De som testar positivt för CF kommer att bekräftas med ett pilokarpinsvetttest. Positiva försökspersoner (med 2 mutationer av cystisk fibros transmembrankonduktansregulator [CFTR]) kommer sedan att provtas under deltagarnas besök på CF-behandlingscentret; i genomsnitt kommer spädbarn att ses varje månad under de första 6 månaderna, varannan månad fram till 1 års ålder, följt av kvartalsbesök på UMN CF Center (i enlighet med Cystic Fibrosis Foundations riktlinjer). Som en del av standardvården tas näsprover genom sug vid varje besök. Nylonprover kommer också att användas för att prova varje spädbarns munslemhinna. Orofaryngeala pinnprover kommer också att erhållas, vilka anses vara en korrekt proxy för mikrobiomer i nedre luftvägar (lungor). Baserat på antalet förväntade CF-nyfödda under studieperioden planerar utredarna att rekrytera upp till 10 försökspersoner. Från varje spädbarn kommer upp till 10 temporala pinnprover att samlas in från varje luftvägsställe (10 spädbarn x 10 pinnar x 3 platser = 300 prover). Svabbar kommer att förvaras i saltlösning, frysas vid -80C och bearbetas parallellt.

DNA kommer att extraheras från varje pinnprov, och sekvensering utförs vid University of Minnesota Genomics Center.