Микробиом человека — совокупность микробов, живущих в кишечнике, — теперь признан важным фактором здоровья и болезней. Окружающая среда, хозяин и взаимодействия микробов с микробами могут формировать динамику микробиома, но уникальные роли каждого из них не совсем понятны. Теперь исследователь инфекционных заболеваний Бостонской детской больницы показывает, как микробиом развивается в кишечнике недоношенных детей, в среде, где в начале жизни обитает мало микробов.
«Понимание того, как формируется микробиом у недоношенных детей, очень важно, поскольку мы знаем, что он может привести к заболеваниям и повлиять на их здоровье в будущем», — говорит Сет Ракофф-Нахум, доктор медицины, доктор философии, врач-ученый из отдела инфекционных заболеваний. и гастроэнтерологи, чья статья по этой теме была опубликована в журнале Nature . «Мы не можем изменить его, если не знаем, как он развивается и функционирует».
Недоношенных детей обычно рожают путем кесарева сечения, поэтому они не подвергаются воздействию обычных материнских микробов, связанных с естественными родами. «Это означает, что это чистый лист, практически без микроорганизмов в кишечнике при рождении», — говорит Ракофф-Нахум. «Это отличный способ узнать, как развивается микробиом, и как организмы взаимодействуют и влияют друг на друга».
Микробная экология в действии
Изучая экологию кишечника недоношенных детей с помощью образцов фекалий, Ракофф-Нахум и его коллеги обнаружили, что микроорганизмы вступают в буквальную битву насмерть. «Мы знаем, что сборка микробиома недоношенного кишечника происходит предсказуемо, но мы не знаем почему», — говорит Ракофф-Нахум. Авторы обнаружили, что сначала в кишечнике поселяется первоначальный микроорганизм-пионер. Следуют и другие микробы, которые сначала взаимодействуют со своими предшественниками, чтобы утвердиться, но затем используют их или уничтожают и наращивают свою численность. Процесс продолжается, поскольку микробы продолжают взаимодействовать друг с другом, при этом доминирующий организм устанавливает большее присутствие за счет более ранних микробов.
В частности, команда обнаружила, что взаимодействие между различными царствами микроорганизмов, включая бактерии, грибы и археи, влияет на сборку микробиома кишечника. «Мы с высочайшей точностью обнаружили цветение и исчезновение каждого микроба, а также обратную зависимость между количеством бактерий и грибов», — говорит Ракофф-Нахум, имея в виду открытие, что один вид грибов, Candida albicans, подавляет многие доминирующие типы. кишечных бактерий. «Было шокирующим видеть, сколько грибов можно найти в кишечнике новорожденного и как они могут регулировать определенные бактерии».
Секвенирование нового поколения выявило динамику
Чтобы узнать, как микробы взаимодействуют друг с другом, известное количество бактерий, грибов и архей вводили в образцы фекалий 178 недоношенных детей и культивировали в лаборатории.
В методе, разработанном командой под названием MK-SpikeSeq, ДНК была извлечена и амплифицирована из образцов стула. Секвенирование следующего поколения точно показало, сколько ДНК от каждого организма присутствовало с течением времени, когда микробы взаимодействовали друг с другом.
«Мы нашли не только относительные количества ДНК каждого организма, но и их фактическое количество», — говорит Ракофф-Нахум. Ранее это было трудно рассчитать существующими методами. «И мы увидели определенную сеть взаимодействий между микробами; некоторые положительные, некоторые отрицательные».
Исследования на мышах подтвердили те же результаты на живом организме. «Мы обнаружили, что эти переходы от одного микроорганизма к другому на самом деле являются прямым взаимодействием между парами микробов, которые управляют микробиомами у недоношенных детей», — говорит он.
Создание микробиомов для улучшения здоровья
«Наше открытие точных взаимодействий, которые формируют развитие микробиома недоношенных детей, является важным шагом на пути к целенаправленной инженерии микробиоты для улучшения здоровья или лечения болезней», — говорит Ракофф-Нахум.
Двигаясь вперед, команда планирует изучить, как микробиом недоношенных детей влияет на конкретные заболевания, такие как сепсис или некротический энтероколит. Исследователи надеются найти новые способы предотвратить распространение болезни или ее прогрессирование.
Команда также надеется, что недавно разработанные методы будут использоваться в природоохранной и экологической микробиологии. Возможные варианты использования включают понимание взаимоотношений между бактериями и грибами, например, при цветении водорослей в морских экосистемах или в почвенных экосистемах.