Forscher verwenden genomische Werkzeuge und Supercomputer, um das Darmmikrobiom von Säuglingen zu untersuchen

Seit 2017, Forscher der University of Alabama in Birmingham, Casey Morrow, Ph.D., und Hyunmin Koo, Ph.D., haben leistungsstarke genomische Werkzeuge und Supercomputer verwendet, die riesige Mengen genetischer Daten analysieren, um einzelne Stämme innerhalb einzelner Spezies des Darmmikrobioms zu identifizieren.

Diese Mikrobiom-"Fingerabdruck"-Methode hat dazu beigetragen, die mütterlichen Quellen von Mikroben für das Mikrobiom des menschlichen Säuglings oder Mauswelpen aufzuzeigen. sowie eine extreme Persistenz mikrobieller Darmstämme bei erwachsenen menschlichen Zwillingen, die nach jahrzehntelangem Zusammenleben getrennt lebten.

Jetzt haben Koo und Morrow ihre Studien zur Stabilität von mikrobiellen Stämmen auf menschliche Säuglinge und Kinder ausgerichtet. Alter kurz nach der Geburt (ca. 6 Monate) bis 6 Jahre. Im Allgemeinen, Sie fanden heraus, dass es bei der Entwicklung des Darmmikrobioms von Säuglingen individuelle Muster der mikrobiellen Stammspezifität gab.

Das mikrobielle Ökosystem des Säuglingsdarms beginnt mit kurzfristigen Veränderungen der mikrobiellen Zusammensetzung, die sich schließlich zu einer stabilen mikrobiellen Zusammensetzung auflösen. Schwerpunkt der aktuellen Studie. Diese stabilen Mikroben-Wirt-Interaktionen sind für eine effiziente Verdauung von Nahrung unerlässlich. gesunde Entwicklung des Immunsystems und Resistenz gegen die Besiedlung mit Krankheitserregern.

Im Allgemeinen, die mikrobielle Gemeinschaft des frühen Darms wird von Mikroben dominiert, die sich von den in Muttermilch oder Säuglingsnahrung enthaltenen Kohlenhydraten ernähren können, wie zum Beispiel Bifidobacterium teenageris .

Wenn das Baby wächst, der Übergang zu fester Nahrung und körperliches Wachstum führen zu Veränderungen in der räumlichen Struktur des Darms, Dies trägt zur Variation der physikalischen und chemischen Umgebung bei, die neue ökologische Nischenmöglichkeiten für das Wachstum mikrobieller Stämme bietet. Dieser Übergang des Ökosystems korreliert mit dem Auftreten von Bacteroidetes – wie z Bacteroides vulgatus -- innerhalb der mikrobiellen Gemeinschaftsstruktur des Darms."

Casey Morgen, Ph.D., Universität von Alabama in Birmingham

Die UAB-Forscher wandten ihre Mikroben-Fingerabdruck-Technik auf zwei metagenomische DNA-Sequenzierungsdatensätze an. aus bereits veröffentlichten Studien anderer, von Stuhlproben von Säuglingen und Kleinkindern, die als Zeitreihen gesammelt wurden. Bei der ersten Gruppe von 31 Säuglingen wurden Proben kurz nach der Geburt und bei 1 entnommen. 2 und 3 Jahre alt.

Vierzehn dieser Kinder erhielten mehrere Antibiotika-Behandlungen, die das Darmmikrobiom stören können; der Rest hatte keine Antibiotika. Der zweite Datensatz umfasste neun Säuglinge im Alter von 6 Monaten bis zu 6 Jahren; vier der neun erhielten mehrere Antibiotika.

Von den 17 Säuglingen im ersten Datensatz, die in den drei Jahren nach der Geburt keine Antibiotika erhalten hatten, ein kindspezifisches Muster wurde für stabile und instabile mikrobielle Stämme beobachtet. Nur bei einem Säugling wurden von den 20 analysierten Bakterienarten keine stabilen Stämme identifiziert. Bei den 14 Säuglingen, die mehrere Antibiotika-Dosen erhielten, 10 zeigte ein einzigartiges Muster von vorübergehenden Stämmen, die nach mehreren Antibiotikabehandlungen für kurze Zeit auftraten.

Für den zweiten Datensatz gilt die UAB-Forscher analysierten die mikrobielle Belastungsstabilität des Darms von Bacteroides vulgatus und Bifidobacterium teenageris bis zu sechs Jahre nach der Geburt. Sie fanden individuelle spezifische Muster unterschiedlicher dominanter Mikrobenstämme, die unabhängig von der Antibiotika-Exposition und dem Geburtsmodus waren.

Wichtig, es gab keinen offensichtlichen Zusammenhang zwischen Stammänderungen in B. vulgatus und B. Adoleszenz . Zum Beispiel, ein Säugling, dem mehrere Antibiotika verabreicht wurden, hatte eine begrenzte Veränderung der B. vulgatus Stämme wie B. Adoleszenz Stämme stark verändert, während ein anderes Kind, das mehrere Antibiotika erhielt, das entgegengesetzte Muster der Stammveränderungen aufwies.

Die Forscher sahen auch mehrere Beispiele für vorübergehende mikrobielle Stammänderungen für kurze Zeit, ohne antibiotische Behandlung, gefolgt von Erholung zur dominanten Sorte. Obwohl die treibende Kraft für diese Veränderungen unbekannt ist, es gab mehrere Fälle, in denen eine kindspezifische vollständige Stammänderung für B. vulgatus und für B. Adoleszenz aufgetreten. Die Metadaten für diese Säuglinge zeigten keine offensichtliche Korrelation dieser Veränderungen mit dem Geschlecht, Ursprungsland, Entbindungsmodus oder ob das Kind später Diabetes entwickeln würde.

„Die Ergebnisse unserer Analyse unter Verwendung beider Datensätze zeigen, dass die Veränderung des mikrobiellen Stammes dem sich entwickelnden mikrobiellen Ökosystem des Säuglingsdarms inhärent ist. ", sagten Koo und Morrow. "Außerdem, Die Ergebnisse unserer Studie unterstützen den Einsatz der Methode zur Stammverfolgung, um die Entwicklung einer stabilen und gesunden mikrobiellen Gemeinschaft zu überwachen."

Morgen, Koo und Kollegen haben ihr Mikroben-Fingerabdruck-Tool in früheren Dehnungs-Tracking-Studien verwendet. Im Jahr 2017, Sie fanden heraus, dass fäkale Spendermikroben – die zur Behandlung von Patienten mit wiederkehrenden Clostridium-difficile-Infektionen verwendet werden – nach einer Stuhltransplantation für Monate oder Jahre bei den Empfängern verblieben.

Im Jahr 2018, Sie zeigten, dass Veränderungen im oberen Magen-Darm-Trakt durch Adipositas-Operationen zur Entstehung neuer Mikrobenstämme führten. Im Jahr 2019, sie analysierten die Stabilität neuer Stämme bei Individuen nach Antibiotikabehandlungen, und Anfang dieses Jahres, Sie machten die Studie mit erwachsenen Zwillingen, die zeigte, dass Zwillinge über Jahre hinweg eine oder mehrere bestimmte Stämme zwischen jedem Paar teilten, und sogar Jahrzehnte, nachdem sie anfingen, getrennt voneinander zu leben.

Auch dieses Jahr, sie zeigten, dass ein individualisiertes Mosaik mikrobieller Stämme von einer Mutter, die durch vaginale Entbindung gebärt, auf das Darmmikrobiom des Säuglings übertragen wurde. wie in Mutter-Kind-Paaren analysiert, sowie Mäusemütter und Welpen.

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