Išsamus žmogaus liežuvio mikrobiomo žemėlapis

Žurnale paskelbtas naujas tyrimas Ląstelių ataskaitos kovo mėn. praneša apie pažangių ir greitų spektrinio vaizdavimo metodų naudojimą kuriant išsamų mikrobų bendruomenių žemėlapį žmogaus kalba. Tyrimas padės suprasti, kaip tokios bendruomenės auga ir formuoja organizuotus modelius.

Erdvinė ekologija ir CLASH-FISH

Erdvinė ekologija arba kraštovaizdžio ekologija yra tyrimų sritis, tirianti erdvinių modelių formavimąsi tarp bakterijų bendruomenių. „Grūdų“ dydis (mažiausias stebimas vienetas) ir „mastas“ (stebėjimų diapazonas) yra svarbūs tyrimo masto veiksniai. Mastelis yra labai svarbus kuriant teorijas apie tai, kaip tokios bendruomenės yra organizuotos.

Kaip susidaro tokie modeliai? Žmogaus burnoje, bent jau, atsakymas apima tokius veiksnius kaip temperatūra, drėgmės lygis, seilių tekėjimas, deguonies lygis, pH, ir įbrėžimų ar burnos higienos procedūrų skaičių. Be šių makrolygmens veiksnių, mikrobai patys gamina ir naudoja medžiagų apykaitos junginius, maistinių medžiagų, ir inhibitoriai, įskaitant antimikrobines molekules. Jie taip pat fiziškai neleidžia kitiems mikrobams užimti pagrindinės erdvės, arba jų paviršiai gali pasiūlyti geras vietas kitiems mikrobams prisijungti. Tokia sąveika sukuria įvairią ir funkciškai perteklinę bendruomenę, kuris yra daugiau ar mažiau stabilus ir metaboliškai aktyvus, atsižvelgiant į mikrobų sąveikos lygį.

Norėdami susieti erdvinę orientaciją, turi būti žinomi kiti veiksniai, atstumas tarp mikrobų, taip pat atstumas tarp mikrobų ir kitų šeimininko savybių, tokių kaip artimiausia ląstelė šeimininkė arba bioplėvelės, kurios dalis yra mikrobas, paviršius. Vaizdavimas naudojamas informacijai apie tokius modelius gauti atskirų ląstelių lygyje iki vieno milimetro skalėje.

Sukurtas metodas, vadinamas kombinatoriniu ženklinimu, kartu su spektrinio vaizdo ir fluorescencijos in situ hibridizacija (CLASI-FISH), padėjo identifikuoti ir lokalizuoti kelias mikrobų klases tuo pačiu metu, žymint bet kokio tipo mikrobus su keliais fluoroforais. Tai padeda vizualizuoti visos mikrobų sistemos, sudarančios mikrobų bendruomenes mikronų skalėje, erdvinį išdėstymą.

Bakterinė bioplėvelė nubraukta nuo liežuvio paviršiaus ir vaizduojama naudojant CLASI-FISH. Žmogaus epitelio audinys sudaro centrinę šerdį (pilka). Spalvos rodo skirtingas bakterijas:Actinomyces (raudona) užima sritį, esančią arti šerdies; Streptokokas (žalias) yra lokalizuotas išorinėje plutoje ir juostelėse viduje. Kiti taksonai (Rothia, žalsvai mėlyna; Neisseria, geltona; Veillonella, rausvai raudona) yra grupėse ir juostelėse, kurios rodo bendruomenės augimą į išorę nuo centrinio branduolio. Vaizdo kreditas:Stevenas Wilbertas ir Gary Borisy, Forsyth institutas

Tyrimas

Šiame tyrime naudojamas daugiaspektrinis fluorescencinis vaizdavimas, siekiant nustatyti jo vaidmenį liežuvio mikrobų sistemų erdvinėje ekologijoje. Čia yra daug tankiai susibūrusių mikrobų, kurie liečiasi su žmogaus epiteliu, taip pat su kitomis burnos buveinėmis, tokiomis kaip burnos gleivinė ir dantys.

Tyrėjai panaudojo įbrėžtą plastikinį liežuvio grandiklį, kad surinktų subraižytą pavyzdį iš nugaros į priekį. Šių bioplėvelės fragmentų dydis ir vidinis išdėstymas leido jiems padaryti išvadą, kad jie atspindi bakterijų erdvinį išsidėstymą įvairiuose liežuvio nugaros dalyse, ištikimai per šimtus mikrometrų. Šie lygiai apima liežuvį dengiančių filiforminių papilių viršūnes, slėniai tarp jų, ir iš jų kyšančius smulkius stuburus, kurios visos talpina skirtingų tipų bakterijas.

Tyrėjai pirmą kartą nustatė pagrindinius bakterijų tipus mėginiuose, nukastuose iš 21 sveiko savanorio liežuvio, sekos būdu, ir tada išanalizavo kiekvieną klasę, kad susidarytų pakankamai išsamus mikrobiomo struktūros vaizdas, kad kiekviena pagrindinė rūšis galėtų priskirti savo vietą liežuvyje.

Dauguma liežuvio bendruomenės mikrobų genų yra sudaryti iš riboto skaičiaus oligotipų, pagal žmogaus mikrobiomų projektą (HMP). Susiejant kiekvieną burnos oligotipą su išplėstos žmogaus burnos mikrobiomų duomenų bazės (eHOMD) bakterijų klasėmis, tyrėjai nustatė 17 bakterijų genčių, esančių daugiau nei 80% žmonių ir sudarančių 0,5% mikrobų. Naudojant HMP sekos duomenis, jie nustatė, kad 95% ar daugiau bakterijų sekų kilo iš panašaus genų rinkinio.

Mokslininkai daro išvadą, kad šios gentys „gali sudaryti sveikos TD mikrobiomos erdvinę ir metabolinę sistemą“.

Erdvinė organizacija

Mokslininkai nustatė trijų tipų mikroorganizmų rūšis:laisvas bakterijas, bakterijos ant plokščiųjų epitelio ląstelių, ir bakterijų konsorciumai, arba struktūriškai sudėtingos grupės. Pastarosios buvo bakterinės bioplėvelės, pagamintos iš kelių mikrobų sluoksnių, su ryškia riba ir epiteline šerdimi.

Bakterijų sudėties analizė kiekvienoje kategorijoje ir erdvinėje vietoje parodė, kad konsorciumai buvo labiau vienodi nei kitos kategorijos, su panašiais bakterijų modeliais visuose mėginiuose. Laisvos ir su epiteliu susijusios bakterijos atsirado pavieniui arba mažose grupėse. Priešingai, kiekvienas konsorciumas turėjo tą pačią lokalizuotą lopo struktūrą, kiekvienoje dominuoja vienas bakterijų tipas.

Kiekvienas pleistras turi skirtingą ribą, yra dešimtys iki šimtų mikrometrų ilgio, ir turi žmogaus gleivinės epitelio ląstelių šerdį. Konsorciumai gyvena tarp perimetro zonos, kuris yra veikiamas seilių ir deguonies, ir epitelio šerdis.

Bent vienas pavyzdys iš kiekvieno dalyvio, ir daugiau nei 95% pavyzdinių vaizdų, parodė 3 genčių buvimą: Actinomyces, Rothia, ir Streptokokas . Kiekvienas konsorciume turėjo savo „saldžią vietą“, su Actinomyces formuojant didelius ištisinius domenus šalia šerdies arba juostas tarp kitų bakterijų lopų. Rothia susidarė didelės dėmės šalia perimetro, taip pat aplink epitelio ar bakterijų ląstelių šerdį. Tokiame žievės sluoksnyje į Rothia dažnai buvo suskaidytas dėl kitų tipų bakterijų srautų ar lopų. Streptokokas suformavo ploną išorinį sluoksnį konsorciume, taip pat venas ar pleistrus jo viduje.

Kiti žinomi bakterijų tipai, pastebėti visų tyrimo dalyvių mėginiuose Veillonella, Gemella, Neisseriaceae, ir prieglauda Sacharibakterijos . Kai kurios iš šių bakterijų klasių gali padėti seilėse esantį nitratą paversti nitritu ir taip padėti reguliuoti azoto oksido kiekį organizme. Mažiau nei penktadalis ląstelių nebuvo dažytos jokiais specifiniais zondais.

Kitas, tyrėjai pažvelgė į skirtingas konsorciumo gentis, visos rūšys vienoje gentyje, ir viena rūšis, kuri, kaip manoma, buvo tos genties atstovas liežuvyje. Kaip tikėtasi iš HMP duomenų, jie rado, pavyzdžiui, kad Rothia atstovavo R. mucilaginosa , Actinomyces pagal A. odontolyticus , ir daug mažesniu mastu, A. graevenitizii , ir Neisseria pagal N. flavescens . S. mitis , S. salivarius ir S. parasanguinis buvo rasti visuose konsorciumuose, bet skirtingose ​​vietose.

Konsorciumų formavimas

Mokslininkai daro prielaidą, kad bakterijos, esančios ant liežuvio nugaros, dauginasi viena kitą. Kiekvienos klasės skaičius sparčiau didėja toje srityje, kuri idealiai tinka jų augimui, dėl to atsiranda nevienodos formos pleistrai. Tai yra pleistro išdėstymo, matomo brandžiame mikrobiome, kilmė. Esant blogai sveikatai, mikrobų bendruomenės struktūra gali skirtis.

„Mūsų tyrimas yra naujas, nes niekas anksčiau negalėjo pažvelgti į bioplėvelę ant liežuvio taip, kad atskirtų visas skirtingas bakterijas, kad galėtume pamatyti, kaip jos išsidėsto, "sako tyrėjas Gary Borisy." Dauguma ankstesnių darbų, susijusių su bakterijų bendruomenėmis, naudojo DNR sekos nustatymo metodus, bet norint gauti DNR seką, pirmiausia turite susmulkinti mėginį ir išgauti DNR, kuris sunaikina visą ten buvusią gražią erdvinę struktūrą. Vaizdavimas naudojant mūsų CLASI-FISH techniką leidžia išsaugoti erdvinę struktūrą ir tuo pačiu nustatyti bakterijas. "

Kitaip tariant, šiuo vaizdavimo metodu buvo galima nustatyti daugumą kiekvieno konsorciumo ląstelių, taip pat jų gausa ir erdvinis išdėstymas, atsižvelgiant į mitybos šaltinį ir substrato vietą.

Mikrometrų skalės tyrimai padeda atskirti mikrobų bendruomenes pagal jų biologinį išsidėstymą. Naudojant rūšies lygio zondus matyti, kad daugelis rūšių yra specialistai, atsirandantys vienoje vietoje, kaip dantų apnašos, bet ne kitoje, tai yra, liežuvio nugarą.

Tyrėjai daro išvadą, „Nors vaizdavimas yra tik viena iš kelių pagrindinių technologijų, tai suteikia unikalią naudą, parodydama mums tikslą:kraštovaizdį ir struktūras, kurias sukuria mikrobai ir kurias turime paaiškinti ir atkartoti, kad suprastume mikrobų bendruomenę “.

• Kai kurių žarnyno bakterijų buvimas motinose gali apsaugoti kūdikius nuo alergijos maistui
• Dažniausiai naudojamas burnos skalavimo skystis padidina laktatą gaminančias bakterijas, mažinančias seilių pH