Forskare använder genomiska verktyg och superdatorer för att studera spädbarnsmikrobiomet

Sedan 2017 har University of Alabama at Birmingham forskare Casey Morrow, Ph.D., och Hyunmin Koo, Ph.D., har använt kraftfulla genomiska verktyg och superdatorer som analyserar massiva mängder genetiska data för att identifiera enskilda stammar inom enskilda arter av tarmmikrobiomet.

Denna "fingeravtryck" -metod för mikrobiomer har hjälpt till att visa moderkällorna för mikrober för mikrobiom från människospäd eller musvalp, liksom att visa extrem uthållighet av tarmmikrobiella stammar hos vuxna tvillingar som levde åtskilda efter samliv i decennier.

Nu har Koo och Morrow gjort sina studier av mikrobiella stamstabilitet till spädbarn och barn, åldrar kort efter födseln (ca 6 månader) till 6 år. I allmänhet, de fann att det fanns individualiserade mönster av mikrobiell stamspecificitet när spädbarns tarmmikrobiomer utvecklades.

Spädbarns tarmmikrobiella ekosystem börjar med kortsiktiga förändringar i mikrobiell sammansättning som så småningom går över till en stabil mikrobiell sammansättning, fokus för den aktuella studien. Dessa stabila mikrobe-värd-interaktioner är avgörande för effektiv matsmältning, sund immunutveckling och resistens mot kolonisering med patogener.

I allmänhet, det tidiga tarmmikrobiella samhället domineras av mikrober som kan livnära sig på kolhydrater som finns i bröstmjölk eller formel, Till exempel Bifidobacterium adolescentis .

När barnet växer, övergången till fasta livsmedel och fysisk tillväxt resulterar i förändringar i tarmens rumsliga struktur, vilket bidrar till variationen i den fysiska och kemiska miljön som ger nya ekologiska nischmöjligheter för tillväxt av mikrobiella stammar. Denna ekosystemövergång korrelerar med utseendet på Bacteroidetes - t.ex. Bacteroides vulgatus - inom tarmens mikrobiella samhällsstruktur. "

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

UAB -forskarna tillämpade sin mikrobe fingeravtrycksteknik på två metagenomiska DNA -sekvenseringsdatauppsättningar, från tidigare publicerade studier av andra, av avföringsprov av spädbarn och småbarn som samlats in som en tidsserie. Den första uppsättningen av 31 spädbarn hade prover tagna strax efter födseln och vid 1, 2 och 3 år.

Fjorton av dessa barn hade flera antibiotikabehandlingar, som kan störa tarmmikrobiomet; resten hade inte antibiotika. Den andra datauppsättningen inkluderade nio spädbarn som togs från 6 månaders ålder upp till 6 år; fyra av de nio hade fått flera antibiotika.

Av de 17 spädbarn i den första datamängden som inte hade fått antibiotika under de tre åren efter födseln, ett spädbarnsspecifikt mönster sågs för stabila och instabila mikrobiella stammar. Endast ett spädbarn hade inga stabila stammar identifierade av de 20 analyserade bakteriearterna. För de 14 spädbarn som hade flera doser antibiotika, 10 visade ett unikt mönster av övergående stammar som uppträdde under en kort tid efter flera antibiotikabehandlingar.

För den andra datamängden, UAB -forskarna analyserade tarmens mikrobiella stamstabilitet hos Bacteroides vulgatus och Bifidobacterium adolescentis i upp till sex år efter födseln. De hittade individuella specifika mönster av varierande dominerande mikrobiella stammar som var oberoende av antibiotikaxponering och födelsemod.

Viktigt, det fanns ingen uppenbar koppling mellan stamförändringar i B. vulgatus och B. adolescentis . Till exempel, ett spädbarn som fick flera antibiotika hade begränsad förändring av B. vulgatus stammar som B. adolescentis stammar förändrades kraftigt, medan ett annat spädbarn som fått flera antibiotika hade det motsatta mönstret av stamförändringar.

Forskarna såg också flera exempel på övergående mikrobiell stamförändring under korta perioder, utan antibiotikabehandlingar, följt av återhämtning till den dominerande stammen. Även om drivkraften för dessa förändringar är okänd, det fanns flera fall där en spädbarnspecifik fullständig stamförändring för B. vulgatus och för B. adolescentis inträffade. Metadata för dessa spädbarn visade ingen uppenbar korrelation mellan dessa förändringar med kön, Ursprungsland, leveransläge eller om barnet skulle utveckla diabetes.

"Resultaten av vår analys med båda datauppsättningarna belyser att mikrobiell stamförändring är inneboende i det utvecklande mikrobiella ekosystemet för spädbarn, "Koo och Morrow sa." Dessutom, resultaten från vår studie stöder användningen av stamspårningsmetoden för att övervaka utvecklingen av ett stabilt och friskt mikrobiellt samhälle. "

Morgondag, Koo och kollegor har använt sitt mikrobe-fingeravtrycksverktyg i tidigare stamspårningsstudier. År 2017, de fann att avföringsgivarmikrober - som används för att behandla patienter med återkommande Clostridium difficile -infektioner - stannade hos mottagare i månader eller år efter fekaltransplantationer.

År 2018, de visade att förändringar i det övre mag -tarmkanalen genom fetmaoperationer ledde till uppkomsten av nya stammar av mikrober. År 2019, de analyserade stabiliteten hos nya stammar hos individer efter antibiotikabehandlingar, och tidigare i år, de gjorde vuxen tvillingstudien, som visade att tvillingar delade en viss stam eller stammar mellan varje par under perioder av år, och till och med decennier, efter att de började leva åtskilda från varandra.

Även i år, de visade att en individualiserad mosaik av mikrobiella stammar överfördes till spädbarns tarmmikrobiom från en mamma som föder genom vaginal leverans, som analyserats hos mor-spädbarnpar, samt musdammar och valpar.

• Nytt terapeutiskt tillvägagångssätt ger hopp för behandling av psoriasis
• Personer med depression är mer benägna att utveckla Crohns sjukdom