Forskere bruker genomiske verktøy og superdatamaskiner for å studere tarmmikrobiomet hos spedbarn

Siden 2017 har University of Alabama at Birmingham forskere Casey Morrow, Ph.D., og Hyunmin Koo, Ph.D., har brukt kraftige genomiske verktøy og superdatamaskiner som analyserer enorme mengder genetiske data for å identifisere individuelle stammer innenfor enkeltarter av tarmmikrobiomet.

Denne "fingeravtrykk" -metoden for mikrobiomer har bidratt til å vise morens kilder til mikrober for mikrobiomene til spedbarnet eller musen, i tillegg til å vise ekstrem utholdenhet av tarmmikrobielle stammer hos voksne tvillinger som levde fra hverandre etter samboerskap i flere tiår.

Nå har Koo og Morrow gjort studier av mikrobielle belastningsstabilitet til spedbarn og barn, alder kort tid etter fødselen (ca. 6 måneder) til 6 år. Generelt, de fant ut at det var individualiserte mønstre av mikrobiell belastningsspesifisitet etter hvert som spedbarns tarmmikrobiomer utviklet seg.

Spedbarns tarmmikrobielle økosystem starter med kortsiktige endringer i mikrobiell sammensetning som til slutt går over til en stabil mikrobiell sammensetning, fokus for den nåværende studien. Disse stabile mikrobe-vert-interaksjonene er avgjørende for effektiv fordøyelse av mat, sunn immunutvikling og motstand mot kolonisering med patogener.

Generelt, det tidlige tarmmikrobielle samfunnet domineres av mikrober som kan mate på karbohydrater som finnes i morsmelk eller formel, som for eksempel Bifidobacterium adolescentis .

Etter hvert som barnet vokser, overgangen til fast føde og fysisk vekst resulterer i endringer i tarmenes romlige struktur, som bidrar til variasjonen i det fysiske og kjemiske miljøet som gir nye økologiske nisjemuligheter for vekst av mikrobielle stammer. Denne økosystemovergangen korrelerer med utseendet til Bacteroidetes - som f.eks Bacteroides vulgatus - innenfor tarmens mikrobielle samfunnsstruktur. "

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

UAB -forskerne brukte sin mikrobe fingeravtrykksteknikk på to metagenomiske DNA -sekvenseringsdatasett, fra tidligere publiserte studier av andre, av avføringsprøver av spedbarn og små barn samlet inn som en tidsserie. Det første settet med 31 spedbarn hadde prøver samlet kort tid etter fødselen og ved 1, 2 og 3 år.

Fjorten av disse barna hadde flere antibiotikabehandlinger, som kan forstyrre tarmmikrobiomet; resten hadde ikke antibiotika. Det andre datasettet inkluderte ni spedbarn som ble tatt fra 6 måneders alder til 6 år; fire av de ni hadde fått flere antibiotika.

Av de 17 spedbarn i det første datasettet som ikke hadde fått antibiotika i løpet av de tre årene etter fødselen, et spedbarnspesifikt mønster ble sett for stabile og ustabile mikrobielle stammer. Bare ett spedbarn hadde ingen stabile stammer identifisert av de 20 analyserte bakterieartene. For de 14 spedbarn som hadde flere doser antibiotika, 10 viste et unikt mønster av forbigående stammer som dukket opp i kort tid etter flere antibiotikabehandlinger.

For det andre datasettet, UAB -forskerne analyserte tarmens mikrobielle belastningsstabilitet Bacteroides vulgatus og Bifidobacterium adolescentis i opptil seks år etter fødselen. De fant individuelle spesifikke mønstre av varierende dominerende mikrobielle stammer som var uavhengige av eksponering mot antibiotika og fødselsmodus.

Viktigere, det var ingen åpenbar sammenheng mellom belastningsendringer i B. vulgatus og B. adolescentis . For eksempel, ett spedbarn som fikk flere antibiotika hadde begrenset endring i B. vulgatus belastninger som B. adolescentis belastninger endret seg mye, mens et annet spedbarn som fikk flere antibiotika hadde det motsatte mønsteret for belastningsendringer.

Forskerne så også flere eksempler på forbigående mikrobiell belastningsendring i korte perioder, uten antibiotikabehandling, etterfulgt av restitusjon til den dominerende stammen. Selv om drivkraften for disse endringene er ukjent, det var flere tilfeller der en spedbarnspesifikk komplett belastningsendring for B. vulgatus og for B. adolescentis skjedde. Metadataene for spedbarn viste ingen åpenbar sammenheng mellom disse endringene med sex, opprinnelsesland, fødselsmodus eller om barnet ville utvikle diabetes.

"Resultatene av analysen vår ved hjelp av begge datasettene fremhever at endring av mikrobielle belastninger er iboende i det mikrobielle økosystemet i spedbarnstarm, "Koo og Morrow sa." Videre, resultatene fra vår studie støtter bruk av belastningssporingsmetoden for å overvåke utviklingen av et stabilt og sunt mikrobielt fellesskap. "

I morgen, Koo og kolleger har brukt sitt mikrobe-fingeravtrykksverktøy i tidligere belastningssporingsstudier. I 2017, de fant at avføringsgivermikrober - brukt til å behandle pasienter med tilbakevendende Clostridium difficile -infeksjoner - ble værende hos mottakere i måneder eller år etter avføring.

I 2018, de viste at endringer i den øvre mage -tarmkanalen gjennom fedmeoperasjoner førte til fremveksten av nye stammer av mikrober. I 2019, de analyserte stabiliteten til nye stammer hos individer etter antibiotikabehandlinger, og tidligere i år, de gjorde voksne tvillingstudier, som viste at tvillinger delte en viss stamme eller belastninger mellom hvert par i perioder av år, og til og med tiår, etter at de begynte å leve atskilt fra hverandre.

Også i år, de viste at en individualisert mosaikk av mikrobielle stammer ble overført til spedbarnets tarmmikrobiom fra en mor som fødte gjennom vaginal fødsel, som analysert i mor-spedbarn-par, samt musedammer og valper.

• Ny terapeutisk tilnærming gir håp for behandling av psoriasis
• Personer med depresjon er mer sannsynlig å utvikle Crohns sykdom