Совместные усилия группы исследователей из трех учреждений, включая Морскую биологическую лабораторию (MBL) в Вудс-Хоуле, Институт Форсайта в Кембридже и Вашингтонский университет в Сент-Луисе, позволили получить раннее представление о том, как микробные сообщества в кишечник, известный под общим названием кишечный микробиом, пространственно организован, обнаруживая удивительную степень смешения различных членов бактерий.
Исследование, которое будет опубликовано в выпуске журнала The Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) от 13 октября, является первым исследованием трехмерной структуры разнообразных кишечных микробов и выявлением некоторых серьезных различия между микробным ландшафтом кишечника и другими участками тела, такими как рот.
«Никто раньше не смотрел на сложное микробное сообщество в кишечнике таким образом», - сказал старший автор Гэри Бориси, старший научный сотрудник Института Форсайта. «Если мы действительно хотим понять роль микробиома, недостаточно просто знать, какие микробы присутствуют. Мы также должны узнать, что они делают, с кем разговаривают и почему. Часть ответа на эту проблему заключается в следующем. выяснить, кто рядом с кем и кто рядом с чем."
Это именно то, что Борис и его коллеги, включая первого автора Джессику Марк Уэлч из Морской биологической лаборатории и коллег из лаборатории Гордона в Вашингтонском университете в Сент-Луисе, намеревались сделать. Исследовательская группа вводила 15 различных видов бактерий стерильным мышам, создавая гуманизированную модель кишечного микробиома. Хотя это лишь частичное представление полного набора микробов, обычно встречающихся в кишечнике человека, это упрощенное микробное сообщество предоставило ключевую возможность изучить, как микробы собираются в отдельные районы.
«Мы использовали зонды, которые подсвечивали каждый из видов бактерий разным цветом, чтобы мы могли точно видеть, как бактерии расположены относительно друг друга и относительно ориентиров, таких как пища и ткани хозяина», - сказала Джессика. Марк Уэлч, научный сотрудник Морской биологической лаборатории.
Основываясь на предыдущих исследованиях микробиома кишечника, а также собственных исследованиях микробиома полости рта (в частности, налета, который образуется на зубах), исследовательская группа ожидала увидеть значительное количество структур.
«На тех участках, которые мы до сих пор исследовали во рту, мы видим высокоупорядоченные микробные сообщества - настолько, что вы можете представить их как многоклеточные органы, такие как печень или вилочковая железа», - пояснил Борисий. «Конечно, они состоят из бактериальных клеток, но существует множество различных типов клеток, организованных высокоструктурированным образом, как орган тела».
Но это не то, что они нашли. В кишечнике исследователи наблюдали высокую степень смешения микробов - смесь не совсем однородная, но все же сильно перемешанная. «Мы уподобляем его биореактору, где все перемешивается и хорошо перемешивается», - добавил Борис.
Несмотря на то, что эта модель кишечного микробиома не имеет высокоорганизованной структуры, исследователи все же определили некоторые «микро» среды обитания, где бактериальные клетки склонны собираться. Эти участки включают ткани, выстилающие внутреннюю поверхность кишечника («эпителий»), которые обычно покрыты слоем слизи. Они также включают центральное пространство («просвет»), где собирается пища и слизь. В то время как микробные популяции в этих местах несколько различались по своему общему составу - то есть относительные пропорции различных бактерий могут колебаться - исследователи не наблюдали каких-либо резких различий, таких как вид бактерий, обнаруженный исключительно в одном месте, а не в другом.
«Мы думаем, что хозяин гомогенизирует микробное сообщество, используя мышечные сокращения, чтобы смешать содержимое кишечника и подтолкнуть его к стенке кишечника, а также сбросить слизь и эпителиальные клетки со стенки в просвет», - добавил Марк Уэлч. «Возможно, именно это смешение обеспечивает стабильные отношения между хозяином и микробами».
Способность исследователей разрешить эту сложную микробную картину проистекает из экспериментальной стратегии, в которой Бориси и его коллеги объединяют сложные технологии и методы. К ним относятся химические методы, позволяющие маркировать 15 различных микробов; передовые методы визуализации, которые могут обнаруживать и разрешать эти метки; передовая микроскопия, которая может оптически (а не физически) разрезать ткани для визуализации сложных трехмерных образцов; и программное обеспечение, которое облегчает анализ и реконструкцию сотен биологических изображений. Этот инновационный подход был впервые применен к исследованиям микробиома зубного налета, опубликованным Борисом и его коллегами в 2016 году, а совсем недавно - к микробиому кишечника, как описано в их новом исследовании PNAS.
Хотя микробиом кишечника может показаться не связанным с микробиомом других частей тела, есть важные уроки, которые можно извлечь из их целостного изучения. Большая часть работы Института Форсайта посвящена микробиому полости рта с целью лучше понять микробные сообщества. В дополнение к лучшему пониманию правил управления одним конкретным микробиомом путем изучения различных участков тела также возможно, что микробные сообщества, хотя и физически разделены, могут взаимодействовать таким образом, что это влияет на здоровье.
Борисий подчеркнул, что этот вид исследования микробиома находится в зачаточном состоянии. Тем не менее, это необходимо для развития глубокого понимания микробной функции. «Представьте, что вы приехали в Бостон, и кто-то протягивает вам телефонный справочник всех, кто там живет. Это здорово - теперь у вас есть список тех, кто там живет. Но скажите, много ли вы узнали о Бостоне как о городе?»