Микробные сообщества в кишечнике, также известные как кишечный микробиом, жизненно важны для пищеварения, обмена веществ и устойчивости к колонизации со стороны патогенных микроорганизмов. Состав кишечного микробиома у детей грудного и раннего возраста сильно меняется в первые три года жизни. Но откуда взялись эти микробы?
Ученые уже давно могут анализировать кишечный микробиом на уровне от 500 до 1000 различных видов бактерий, которые в основном оказывают благотворное влияние; только недавно они смогли идентифицировать отдельные штаммы в пределах одного вида, используя мощные геномные инструменты и суперкомпьютеры, которые анализируют огромное количество генетических данных.
Исследователи из Университета Алабамы в Бирмингеме теперь использовали свой метод «отпечатков пальцев» для микробиома, чтобы сообщить, что индивидуальная мозаика микробных штаммов передается в микробиом кишечника младенца от матери, которая рожает через вагинальные роды. Они подробно описали эту передачу, проанализировав существующие метагеномные базы данных образцов фекалий из пар мать-ребенок, а также проанализировав передачу мыши и плотины щенкам в безмикробной или гнотобиотической модели мыши в UAB, где плотины были инокулированы фекальными микробами человека.
«Результаты нашего анализа показывают, что множественные штаммы материнских микробов — некоторые из которых не встречаются в материнском фекальном сообществе — могут передаваться во время родов для создания разнообразного микробного сообщества кишечника младенца», — говорит Кейси Морроу, доктор философии. Почетный профессор кафедры клеточной, развивающей и интегральной биологии ЗАО. «Наш анализ дает новое понимание происхождения микробных штаммов в сложном микробном сообществе младенцев».
В исследовании использовался инструмент биоинформатики для отслеживания деформаций, ранее разработанный в UAB, называемый Window-based Single-нуклеотид-вариант-сходство, или WSS. Hyunmin Koo, Ph.D., Отделение генетики и геномики UAB, руководил анализом информатики. Исследования на мышиной модели на гнотобиотике проводились Брэдом МакФарландом, доктором философии, доцентом кафедры клеточной, развивающей и интегральной биологии UAB.
Морроу и его коллеги использовали этот инструмент для выявления микробов в нескольких предыдущих исследованиях по отслеживанию деформации. В 2017 году они обнаружили, что фекальные донорские микробы, используемые для лечения пациентов с рецидивирующими инфекциями Clostridium difficile, оставались реципиентами в течение нескольких месяцев или лет после трансплантации кала. В 2018 году они показали, что изменения в верхнем отделе желудочно-кишечного тракта в результате хирургического лечения ожирения привели к появлению новых штаммов микробов. В 2019 году они проанализировали стабильность новых штаммов у индивидуумов после лечения антибиотиками, а ранее в этом году они обнаружили, что взрослые близнецы в возрасте от 36 до 80 лет разделили определенный штамм или штаммы между каждой парой в течение нескольких лет и даже десятилетия после того, как они стали жить отдельно друг от друга.
В текущем исследовании было выявлено несколько индивидуальных моделей распределения микробных деформаций между матерями и младенцами. В трех парах мать-младенец были обнаружены только родственные штаммы, а в дюжине других детей в парах мать-младенец содержалась мозаика микробов, связанных с матерью и не связанных между собой. Возможно, что неродственные штаммы были получены от матери, но они не были доминирующим штаммом этого вида в матери и поэтому не были обнаружены.
Действительно, во втором исследовании с использованием набора данных из девяти женщин, взятых в разное время беременности, было показано, что вариации штамма у отдельных видов имели место у семи женщин.
Чтобы дополнительно определить источник неродственных штаммов, мы использовали модель мыши, чтобы посмотреть передачу от плотины к щенку в отсутствие микробов окружающей среды. Пять разных самок получили трансплантации различных человеческих фекалий для создания пяти уникальных мышей с гуманизированным микробиомом, которых разводили самцами-гнотобиотиками. Затем исследователи проанализировали штаммы, обнаруженные у доноров-людей, мышиных плотин и их щенков. Они обнаружили четыре различных паттерна: 1) штамм щенка определенного вида был связан с штаммом плотины; 2) напряжение щенка было связано как с напряжением плотины, так и с человеческим донором; 3) напряжение щенка было связано со штаммом донора, а не с плотиной; и, что важно, 4) Между щенком не было обнаружено родственных штаммов для конкретного вида, плотина и донор. Поскольку эти животные были выведены и выращены в условиях отсутствия микробов, неродственные штаммы у щенков происходили от незначительных, необнаруженных штаммов на дамбах.
«Результаты наших исследований подтверждают пересмотр вклада различных материнских микробов в детское кишечное микробное сообщество», — сказал Морроу. «Созвездие микробных штаммов, которое мы обнаружили у детей, унаследованных от матери, было различным в каждой паре мать-ребенок. Учитывая признанную роль микробиома в метаболических заболеваниях, таких как ожирение и диабет 2 типа, результаты нашего исследования могут помочь чтобы дополнительно объяснить восприимчивость ребенка к метаболическим заболеваниям, обнаруженным у матери».
