Исследователи из Университета Алабамы в Бирмингеме впервые продемонстрировали, что фекальные донорские микробы остаются в реципиентах в течение месяцев или лет после трансплантации для лечения диареи и колита, вызванных рецидивирующими инфекциями Clostridium difficile - серьезной и упорной причиной диарея после лечения антибиотиками по поводу какого-либо другого заболевания.
Хотя клиницисты выдвинули гипотезу о том, что трансплантация фекальной микробиоты, или ТФМ, успешна, поскольку она восстанавливает недостающую микробную флору в кишечнике реципиента фекального трансплантата, никто прямо не показал колонизацию конкретных микробных донорских штаммов у пациентов-реципиентов или что-то еще. эти штаммы.
У двух пациентов группа UAB показала, что определенные донорские микробные штаммы сохранялись в течение двух лет после ТФМ. Пять других пациентов показали персистенцию донорских штаммов у реципиентов в течение трех-шести месяцев после ТФМ, что является самым продолжительным периодом тестирования.
Для определения судьбы донорских микробных штаммов у реципиентов Ранджит Кумар, доктор философии, Эллиот Лефковиц, доктор философии, Мартин Родригес, доктор медицины, Кейси Морроу, доктор философии, и их коллеги из UAB разработали метод, который использует обнаружение вариаций отдельных нуклеотидов в микробных геномах в сочетании с новым алгоритмом биоинформатики для идентификации родственных микробов.
«По сути, это персонализированный «отпечаток пальца» микробиома», - сказал Кумар, научный сотрудник Центра клинической и трансляционной науки Института информатики UAB.
Этот новый метод может помочь объяснить, почему FMT для повторяющихся 'C. diff успешны в 90% случаев - это больше, чем при лечении антибиотиками - и этот метод также может предупреждать об изменениях в микробиоте кишечника, которые могут быть связаны с метаболическими заболеваниями, такими как диабет или ожирение, а также с такими заболеваниями, как язвенная болезнь. колит или болезнь Паркинсона.
«В целом люди оценивают определенные изменения в микробиоме человека как предвестники заболевания», - сказал Лефковиц, профессор кафедры микробиологии UAB и директор UAB CCTS Informatics. «Мы расширили разрешение того, что мы можем обнаружить в микробиоме кишечника, не только на род или вид, но и на обнаружение отдельных штаммов».
«Нарушение структуры микробного сообщества кишечника может повлиять на общее состояние здоровья хозяина и привести к метаболическим заболеваниям или усугубить их», - сказал Морроу, почетный профессор кафедры клеточной, развивающей и интегративной биологии UAB.«Наш метод отпечатков пальцев микробиома станет краеугольным камнем персонализированного подхода к медицине для улучшения здоровья человека, предоставляя систему раннего предупреждения для обнаружения нарушения структуры кишечного микробного сообщества».
«Эта система раннего предупреждения может быть использована для подачи сигнала о проведении вмешательств, - сказал Морроу, - таких как трансплантация микробов, предназначенных для поддержания структуры сообщества кишечных микробов, необходимой для эффективной метаболической функции, необходимой для здоровья человека».
Детали исследования
Поверхности человеческого тела, подвергающиеся воздействию внешней среды, населены огромным количеством бактерий, часто называемых микробиотой или микрофлорой. Эти микробы равны или могут превосходить число человеческих клеток в организме, а 70 процентов микробиоты человека находятся в желудочно-кишечном тракте.
Этот кишечный микробиом играет важную роль в здоровье человека, и дисбаланс этого микробиома может способствовать возникновению многих болезненных состояний. Рецидивирующая инфекция C. difficile является ярким примером в новой области исследований микробиома человека.
С. difficile требуют затрат на здравоохранение, оцениваемых в миллиарды долларов, и, несмотря на использование более мощных антибиотиков для уничтожения C. difficile, частота рецидивов у пациентов составляет 20 процентов. Риск дальнейших эпизодов еще выше после третьего рецидива C. difficile.
ТФМ становится все более распространенным методом лечения рецидивирующего C. difficile, с 90-процентной вероятностью успеха в облегчении симптомов и восстановлении здоровья. При лечении пациенту вводят до полуфунта фекального материала в солевом растворе от здорового донора через назогастральный зонд, как в текущем исследовании, или другими способами, такими как колоноскопия..
Хотя секвенирование генов рибосомной РНК 16S может идентифицировать виды и их распространенность в кишечнике, этот подход не может идентифицировать и отслеживать отдельные штаммы от донора к реципиенту. Поэтому исследователи UAB обратились к полному секвенированию бактериальных геномов микрофлоры кишечника, как у доноров трансплантатов, так и у реципиентов трансплантатов до и после ТФМ, и эти последовательности были сопоставлены со стандартными последовательностями геномов для 93 видов бактерий (71 вид, который наиболее распространены в здоровом микробиоме, а 22 вида обнаружены в изобилии у реципиентов ТФМ).
Поскольку шум небольшой области бактериального генома с большим количеством изменений ДНК может затруднить идентификацию одного штамма за счет искусственного создания большого количества однонуклеотидных вариантов или SNV, исследователи UAB использовали оконный метод. подход сходства по всему геному, чтобы обеспечить более точное определение истинной изменчивости. Вместо разрешения на уровне варианта с одним нуклеотидом они сравнивали варианты в коротких последовательных окнах последовательностей ДНК, охватывающих бактериальный геном. Выбор размера окна может быть от 100 до 1000 пар оснований, в зависимости от набора данных - в этом исследовании использовались окна в 1000 пар оснований. Оценка каждого окна как похожего или непохожего похожа на голосование. Сходство на основе окна SNV, или WSS, представляет собой количество похожих окон, разделенное на общее количество окон (сходных плюс несходных), выраженное в процентах.
Исследователи UAB затем применили метод WSS к метагеномным данным из набора из 136 метагеномов из проекта NIH Human Microbiome Project - последовательностей ДНК микробиоты 51 человека, отобранных один раз, 41 человека, отобранных дважды, и одного человека, отобранных три раза, итого 1.3 триллиона оснований ДНК. WSS был рассчитан для всех возможных попарных сравнений образцов для каждого микробного вида, которые показали, что образцы от одного и того же человека, взятые в два разных периода времени, имели отчетливо более высокий WSS, чем неродственные образцы на уровне видов. Используя данные WSS в качестве признаков, они обучили классификационную модель с помощью логистической регрессии для каждого вида бактерий; затем они смогли определить статистически значимое пороговое значение WSS для каждого вида, которое отличало родственную выборку - а именно, выборку от одного и того же человека в разные моменты времени - от несвязанных выборок от двух разных людей.
Модель классификации была затем применена к WSS всех возможных попарных сравнений последовательностей микробиомов из образцов фекалий шести доноров и семи реципиентов FMT, пролеченных в UAB по поводу инфекций C. difficile (один из доноров использовался для двух трансплантаций). Образцы были получены от одного до шести месяцев после трансплантации, когда должна была произойти колонизация кишечника донорскими микробами; вторые образцы через два года после ТФМ были доступны для двух из семи трансплантатов.
Для всех семи ТФМ донорские микробы были обнаружены у реципиентов, что измерялось показателями WSS выше порогового значения для каждого конкретного вида, а два реципиента, которые были протестированы через два года, показали персистенцию донорских микробов.
Bacteroides spp. были ли наиболее распространенными донорскими микробами, обнаруженными у реципиентов после трансплантации; но каждый реципиент показал различную общую картину микробных видов донора, подчеркивая сложность микробной экологии в среде желудочно-кишечного тракта.
Донорские микробы, обнаруженные у семи реципиентов, включали девять видов Bacteroides, по два вида Alistipes и Parabacteroides и по одному виду Acidaminococcus, Akkermansia, Barnesiella, Coprococcus, Eubacterium, Faecalibacterium, Prevotella и Ruminococcus.
«Демонстрация того, что некоторые трансплантированные микробы могут сохраняться до двух лет, демонстрирует потенциал использования FMT для долгосрочных изменений в составе микробных сообществ желудочно-кишечного тракта», - говорят исследователи UAB в Biofilms and Microbiomes. бумаги с описанием своих выводов.«Результаты нашего анализа дают новое представление об экологии ниш желудочно-кишечного тракта человека, что необходимо для разработки новых подходов к улучшению здоровья путем манипулирования этим сложным микробным сообществом».