Forskere bruger genomiske værktøjer og supercomputere til at studere spædbarnets tarmmikrobiom

Siden 2017 har University of Alabama at Birmingham forskere Casey Morrow, Ph.d., og Hyunmin Koo, Ph.d., har brugt kraftfulde genomiske værktøjer og supercomputere, der analyserer enorme mængder genetiske data til at identificere individuelle stammer inden for enkelte arter af tarmmikrobiomet.

Denne metode til "fingeraftryk" af mikrobiom har hjulpet med at vise moderkilderne til mikrober til mikrobiomer fra det menneskelige spædbarn eller mus, samt viser ekstrem persistens af tarmmikrobielle stammer hos voksne tvillinger, der levede adskilt efter samliv i årtier.

Nu har Koo og Morrow vendt deres undersøgelser af mikrobielle belastningsstabilitet til spædbørn og børn, alder kort efter fødslen (ca. 6 måneder) til 6 år. Generelt, de fandt ud af, at der var individualiserede mønstre af mikrobiel stamspecificitet, efterhånden som spædbarnets tarmmikrobiomer udviklede sig.

Spædbarnets tarmmikrobielle økosystem starter med kortsigtede ændringer i mikrobiel sammensætning, der til sidst går over til en stabil mikrobiel sammensætning, fokus for den aktuelle undersøgelse. Disse stabile mikrobe-vært-interaktioner er afgørende for effektiv fordøjelse af mad, sund immunudvikling og modstand mod kolonisering med patogener.

Generelt, det tidlige tarmmikrobielle samfund domineres af mikrober, der kan fodre med kulhydraterne i modermælk eller formel, såsom Bifidobacterium adolescentis .

Når barnet vokser, overgangen til faste fødevarer og fysisk vækst resulterer i ændringer i tarmens rumlige struktur, hvilket bidrager til variationen i det fysiske og kemiske miljø, der giver nye økologiske nichemuligheder for vækst af mikrobielle stammer. Denne økosystemovergang korrelerer med udseendet af Bacteroidetes - som f.eks Bacteroides vulgatus - inden for tarmens mikrobielle samfundsstruktur. "

Casey Morrow, Ph.d., University of Alabama i Birmingham

UAB -forskerne anvendte deres mikrobe -fingeraftryksteknik til to metagenomiske DNA -sekventeringsdatasæt, fra tidligere publicerede undersøgelser af andre, af fækale prøver af spædbørn og små børn indsamlet som en tidsserie. Det første sæt af 31 spædbørn havde prøver opsamlet kort tid efter fødslen og ved 1, 2 og 3 år.

Fjorten af ​​disse børn havde flere antibiotikabehandlinger, som kan forstyrre tarmmikrobiomet; resten havde ikke antibiotika. Det andet datasæt omfattede ni spædbørn, der blev udtaget fra 6 måneders alderen op til 6 år; fire af de ni havde fået flere antibiotika.

Af de 17 spædbørn i det første datasæt, der ikke havde modtaget antibiotika i de tre år efter fødslen, et spædbarnsspecifikt mønster blev set for stabile og ustabile mikrobielle stammer. Kun et spædbarn havde ingen stabile stammer identificeret ud af de 20 analyserede bakteriearter. For de 14 spædbørn, der havde flere doser antibiotika, 10 viste et unikt mønster af forbigående stammer, der optrådte i kort tid efter flere antibiotikabehandlinger.

For det andet datasæt, UAB -forskerne analyserede tarmens mikrobielle belastningsstabilitet Bacteroides vulgatus og Bifidobacterium adolescentis i op til seks år efter fødslen. De fandt individuelle specifikke mønstre af varierende dominerende mikrobielle stammer, der var uafhængige af antibiotisk eksponering og fødselsform.

Vigtigere, der var ingen åbenbar sammenhæng mellem belastningsændringer i B. vulgatus og B. adolescentis . For eksempel, et spædbarn, der fik flere antibiotika, havde begrænset ændring i B. vulgatus stammer som B. adolescentis stammer ændret sig meget, mens et andet spædbarn, der fik flere antibiotika, havde det modsatte mønster af belastningsændringer.

Forskerne så også flere eksempler på forbigående ændring af mikrobielle belastninger i korte perioder, uden antibiotikabehandlinger efterfulgt af genopretning til den dominerende stamme. Selvom drivkraften for disse ændringer er ukendt, der var flere tilfælde, hvor en spædbarnsspecifik komplet stamme ændres for B. vulgatus og for B. adolescentis fandt sted. Metadataene for disse spædbørn viste ingen åbenbar sammenhæng mellem disse ændringer med køn, oprindelsesland, leveringstilstand, eller om barnet ville udvikle diabetes.

"Resultaterne af vores analyse ved hjælp af begge datasæt fremhæver, at ændring af mikrobielle belastninger er iboende i det mikrobielle økosystem i spædbarns tarm, "Koo og Morrow sagde." Desuden, resultaterne fra vores undersøgelse understøtter brugen af ​​belastningssporingsmetoden til at overvåge udviklingen af ​​et stabilt og sundt mikrobielt samfund. "

I morgen, Koo og kolleger har brugt deres mikrobe-fingeraftryksværktøj i tidligere stamsporingsundersøgelser. I 2017, de fandt ud af, at fækaldonormikrober - brugt til behandling af patienter med tilbagevendende Clostridium difficile -infektioner - forblev hos patienter i måneder eller år efter afføringstransplantationer.

I 2018, de viste, at ændringer i den øvre mave -tarmkanal gennem fedmeoperationer førte til fremkomsten af ​​nye stammer af mikrober. I 2019, de analyserede stabiliteten af ​​nye stammer hos enkeltpersoner efter antibiotikabehandlinger, og tidligere på året, de lavede voksne tvillingestudier, som viste, at tvillinger delte en bestemt stamme eller stammer mellem hvert par i perioder af år, og endda årtier, efter at de begyndte at leve adskilt fra hinanden.

Også i år, de viste, at en individualiseret mosaik af mikrobielle stammer blev overført til spædbarnets tarmmikrobiom fra en mor, der fødte gennem vaginal fødsel, som analyseret i mor-spædbarn-par, samt musedæmninger og unger.

• Ny terapeutisk tilgang bringer håb om behandling af psoriasis
• Mennesker med depression er mere tilbøjelige til at udvikle Crohns sygdom