I ricercatori utilizzano strumenti genomici e supercomputer per studiare il microbioma intestinale infantile

Dal 2017, Casey Morrow, ricercatori dell'Università dell'Alabama a Birmingham, dottorato di ricerca, e Hyunmin Koo, dottorato di ricerca, hanno utilizzato potenti strumenti genomici e supercomputer che analizzano enormi quantità di dati genetici per identificare i singoli ceppi all'interno di singole specie del microbioma intestinale.

Questo metodo di "impronta digitale" del microbioma ha aiutato a mostrare le fonti materne di microbi per i microbiomi del neonato umano o del cucciolo di topo, oltre a mostrare un'estrema persistenza di ceppi microbici intestinali in gemelli umani adulti che vivevano separati dopo aver convissuto per decenni.

Ora Koo e Morrow hanno rivolto i loro studi sulla stabilità dei ceppi microbici a neonati e bambini umani, età poco dopo la nascita (circa 6 mesi) a 6 anni. Generalmente, hanno scoperto che c'erano modelli individualizzati di specificità del ceppo microbico mentre si sviluppavano i microbiomi intestinali infantili.

L'ecosistema microbico intestinale infantile inizia con cambiamenti a breve termine nella composizione microbica che alla fine si risolvono in una composizione microbica stabile, il focus del presente studio. Queste interazioni stabili ospite-microbo sono essenziali per una digestione efficiente del cibo, sano sviluppo immunitario e resistenza alla colonizzazione con agenti patogeni.

Generalmente, la comunità microbica intestinale precoce è dominata da microbi che possono nutrirsi dei carboidrati presenti nel latte materno o artificiale, come Bifidobacterium adolescentis .

Man mano che il bambino cresce, il passaggio a cibi solidi e la crescita fisica determinano cambiamenti nella struttura spaziale dell'intestino, che contribuisce alla variazione dell'ambiente fisico e chimico che fornisce nuove opportunità di nicchia ecologica per la crescita di ceppi microbici. Questa transizione dell'ecosistema è correlata alla comparsa di Bacteroidetes, come ad esempio Bacteroides vulgatus - all'interno della struttura della comunità microbica intestinale."

Casey Morrow, dottorato di ricerca, Università dell'Alabama a Birmingham

I ricercatori dell'UAB hanno applicato la loro tecnica di impronta microbica a due set di dati di sequenziamento del DNA metagenomico, da studi precedentemente pubblicati da altri, di campioni fecali di neonati e bambini piccoli raccolti come serie temporali. Il primo gruppo di 31 bambini aveva campioni raccolti poco dopo la nascita e a 1, 2 e 3 anni.

Quattordici di quei bambini hanno avuto più trattamenti antibiotici, che può disturbare il microbioma intestinale; il resto non aveva antibiotici. Il secondo set di dati includeva nove bambini che sono stati campionati da 6 mesi di età fino a 6 anni; quattro dei nove avevano ricevuto più antibiotici.

Dei 17 bambini nel primo set di dati che non avevano ricevuto antibiotici durante i tre anni dopo la nascita, è stato osservato un modello specifico per il neonato per i ceppi microbici stabili e instabili. Solo un bambino non aveva ceppi stabili identificati delle 20 specie batteriche analizzate. Per i 14 bambini che hanno ricevuto dosi multiple di antibiotici, 10 ha mostrato un modello unico di ceppi transitori che sono comparsi per un breve periodo dopo più trattamenti antibiotici.

Per il secondo set di dati, i ricercatori UAB hanno analizzato la stabilità del ceppo microbico intestinale di Bacteroides vulgatus e Bifidobacterium adolescentis fino a sei anni dopo la nascita. Hanno trovato modelli specifici individuali di vari ceppi microbici dominanti che erano indipendenti dall'esposizione agli antibiotici e dalla modalità di nascita.

È importante sottolineare che non vi era alcun legame evidente tra i cambiamenti di deformazione in B. vulgatus e B. adolescenti . Per esempio, un bambino a cui sono stati somministrati più antibiotici ha avuto un cambiamento limitato in B. vulgatus ceppi come B. adolescenti ceppi cambiati ampiamente, mentre un altro bambino a cui sono stati somministrati più antibiotici ha avuto il modello opposto di cambiamenti di ceppo.

I ricercatori hanno anche visto diversi esempi di cambiamento transitorio del ceppo microbico per brevi periodi, senza cure antibiotiche, seguito dal recupero del ceppo dominante. Sebbene la forza trainante di tali cambiamenti sia sconosciuta, ci sono stati diversi casi in cui un cambiamento di ceppo completo specifico del bambino per B. vulgatus e per B. adolescenti si è verificato. I metadati per quei bambini non hanno mostrato alcuna correlazione ovvia di quei cambiamenti con il sesso, Paese di origine, modalità di consegna o se il bambino avrebbe continuato a sviluppare il diabete.

"I risultati della nostra analisi utilizzando entrambi i set di dati evidenziano che il cambiamento del ceppo microbico è inerente allo sviluppo dell'ecosistema microbico intestinale infantile, " Dissero Koo e Morrow. "Inoltre, i risultati del nostro studio supportano l'uso del metodo di tracciamento del ceppo per monitorare lo sviluppo di una comunità microbica stabile e sana".

Domani, Koo e colleghi hanno utilizzato il loro strumento per l'impronta digitale dei microbi in precedenti studi di tracciamento delle deformazioni. Nel 2017, hanno scoperto che i microbi dei donatori fecali - usati per trattare i pazienti con infezioni ricorrenti da Clostridium difficile - sono rimasti nei riceventi per mesi o anni dopo il trapianto di feci.

Nel 2018, hanno dimostrato che i cambiamenti nel tratto gastrointestinale superiore attraverso la chirurgia dell'obesità hanno portato all'emergere di nuovi ceppi di microbi. Nel 2019, hanno analizzato la stabilità di nuovi ceppi negli individui dopo trattamenti antibiotici, e all'inizio di quest'anno, hanno fatto lo studio sui gemelli adulti, che ha mostrato che i gemelli condividevano un certo ceppo o ceppi tra ciascuna coppia per periodi di anni, e anche decenni, dopo che hanno iniziato a vivere separati l'uno dall'altro.

Anche quest'anno, hanno dimostrato che un mosaico individualizzato di ceppi microbici è stato trasmesso al microbioma intestinale infantile da una madre che partorisce attraverso il parto vaginale, come analizzato nelle coppie madre-bambino, così come madri e cuccioli di topo.

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