Różnorodne drobnoustroje jelitowe zapobiegają kolonizacji patogenów poprzez spożywanie niezbędnych składników odżywczych

Badanie przeprowadzone na Uniwersytecie Oksfordzkim wykazało, że różnorodne społeczności zamieszkujących je bakterii jelitowych wspólnie chronią ludzkie jelita przed mikroorganizmami chorobotwórczymi, spożywając składniki odżywcze potrzebne patogenowi, aby mógł zadomowić się w żywicielu.

Zespół zastosował podejście ekologiczne do zbadania, w jaki sposób kolonizują dwa główne patogeny bakteryjne:Klebsiella pneumoniae I Salmonella enterica Typhimurium serowar (S. typhimurium) – Wpływa na nią grupa ludzkich bakterii jelitowych zarówno in vitro, jak i u żywych myszy. Odkryli, że różnorodność środowiskowa mikrobiomu jest istotna dla odporności na kolonizację. Chociaż poszczególne gatunki mikroflory jelitowej same w sobie mają minimalny wpływ na zapewnienie skutecznej odporności na patogeny, pewne kombinacje kluczowych gatunków w różnych społecznościach wykazały znacznie większą odporność na kolonizację, gdy występują razem.

Po odkryciu, że społeczności te hamują rozwój patogenów poprzez spożywanie składników odżywczych, których patogen może potrzebować, zespół wykazał również, że koncepcję blokowania składników odżywczych można wykorzystać do przewidywania, które konkretne grupy mikroorganizmów komensalnych będą odporne na nowe patogeny bakteryjne, korzystając z sekwencjonowania genomu. Same dane.

Ich połączone odkrycia podkreślają znaczenie różnorodności mikrobiomów dla zdrowia ludzkiego i mogą wskazywać na opracowanie nowych strategii poprawy zdrowia jelit i racjonalnego projektowania zbiorowisk mikrobiomów odpornych na patogeny. Kierownik badań, dr Kevin Foster z Wydziałów Biologii i Biochemii Uniwersytetu Oksfordzkiego, wraz z współpracownikami opublikowali swoje odkrycia w czasopiśmie Naukiw artykule pt „Różnorodność mikrobiomu chroni przed patogenami, blokując składniki odżywcze„.

Ludzkie jelita są domem dla różnorodnej społeczności komensalnych gatunków bakterii, zwanych wspólnie mikroflorą jelitową. Jedną z głównych korzyści zdrowotnych, jakie zapewniają te społeczności, jest ochrona jelit przed inwazją patogenów (mikroorganizmów chorobotwórczych), które mogą powodować szkodliwe infekcje. „Jedną z głównych korzyści zdrowotnych zapewnianych przez mikroflorę jelitową jest ochrona przed kolonizacją przez patogeny i następczą infekcją; jest to zjawisko znane jako oporność na kolonizację” – zauważył zespół.

Jednakże, chociaż znaczenie mikroflory w odporności na kolonizację jest dobrze znane, mikrobiom jest niezwykle zróżnicowanym i złożonym ekosystemem, a ta złożoność sprawia, że ​​zrozumienie gatunków bakterii i interakcji, które napędzają odporność kolonizacyjną na patogeny, stanowi prawdziwe wyzwanie. Do tej pory nie było jasne, w jaki sposób dochodzi do efektu ochronnego i czy niektóre gatunki bakterii odgrywają ważniejszą rolę niż inne. Naukowcy kontynuowali: „…Chociaż znaczenie mikroorganizmów w oporności na kolonizację jest jasne, obecnie brakuje nam zasad niezbędnych do przewidzenia a priori, które typy mikroorganizmów będą skuteczne przeciwko konkretnemu patogenowi”. „Gatunki składowe mogą również wpływać na siebie nawzajem i oddziaływać ekologicznie w sposób krytyczny dla odporności na kolonizację. To połączenie różnorodności gatunków i potencjału interakcji ekologicznych sprawia, że ​​odporność na kolonizację jest fenotypem trudnym do zrozumienia.”

Aby dokładniej zbadać, w jaki sposób mikroflora jelitowa chroni przed patogenami drobnoustrojowymi, naukowcy z Uniwersytetu Oksfordzkiego przetestowali 100 różnych szczepów bakterii jelitowych indywidualnie i w połączeniu pod kątem ich zdolności do ograniczania wzrostu dwóch szkodliwych patogenów bakteryjnych. Klebsiella pneumoniae I Salmonella enterica. Wyniki pokazały, że chociaż poszczególne bakterie jelitowe wykazywały bardzo słabą zdolność do ograniczania rozprzestrzeniania się dowolnego patogenu, gdy hodowano razem zbiorowiska liczące do 50 gatunków, patogeny rosły do ​​1000 razy mniej efektywnie niż w przypadku hodowli z dowolnym osobnikiem. gatunek.

Ten „efekt ochrony społeczności” zaobserwowano niezależnie od tego, czy bakterie hodowano razem w kolbach, czy na myszach „wolnych od zarazków”, u których na początku eksperymentów nie występowały żadne bakterie jelitowe. „Wyniki te wyraźnie pokazują, że odporność na kolonizację jest zbiorową własnością społeczności mikrobiomów” – stwierdził Foster. „Innymi słowy, jeden szczep działa ochronnie tylko w połączeniu z innymi szczepami”.

Naukowcy odkryli jednak, że konkretni członkowie społeczności bakteryjnych – a nie tylko ogólna różnorodność – mieli decydujący wpływ na poziom ochrony. Stwierdzono, że niektóre typy mikrobiomów są niezbędne dla ochrony społeczności, chociaż same te typy zapewniają niewielką ochronę.

Naukowcy wykazali, że ochronne społeczności bakteryjne zapobiegają rozwojowi patogenów poprzez spożywanie składników odżywczych potrzebnych patogenom. Jak napisali w swoim raporcie: „Pomimo tej złożoności odkrywamy, że te wzorce ekologiczne można wyjaśnić prostą podstawową zasadą: zbiorową zdolnością poszczególnych społeczności do spożywania składników odżywczych i zapobiegania rozwojowi patogenów… Efekt blokowania składników odżywczych jest własność całej społeczności, a nie tylko jednego gatunku. Odporność na kolonizację jest cechą na poziomie społeczności, która wyjaśnia znaczenie różnorodności i złożoności ekologicznej, którą zaobserwowaliśmy w naszych eksperymentach.

Oceniając genomy różnych gatunków bakterii, naukowcy odkryli dodatkowo, że zbiorowiska najbardziej chronione składały się z gatunków o składzie białek bardzo podobnym do gatunków chorobotwórczych. „Nasze analizy genomiczne sugerują, że społeczności, w których w znacznym stopniu pokrywają się patogeny w funkcjach tajemniczych, zapewniają najlepszą odporność na kolonizację” – skomentowali.

Profilowanie metaboliczne wykazało, że gatunki chronione również mają podobne wymagania w zakresie źródeł węgla jak patogeny. „Odporność na kolonizację zaobserwowano tylko wtedy, gdy społeczności w wystarczająco dużym stopniu pokrywały się z patogenami w profilu wykorzystania źródeł węgla” – kontynuował zespół. „Ponadto społeczności, w których metabolizm w największym stopniu pokrywał się z patogenem, charakteryzowały się największą odpornością na kolonizację”.

Pierwszy autor Francis Sprague z Wydziałów Biologii i Biochemii Uniwersytetu Oksfordzkiego skomentował: „Co ważne, chociaż zwiększona różnorodność mikrobiomu zwiększa prawdopodobieństwo ochrony przed tymi patogenami, kluczowe znaczenie ma nakładanie się profili wykorzystania składników odżywczych przez społeczność i patogen Niektóre gatunki odgrywające kluczową rolę w ochronie zbiorowiska wykazują wysoki stopień metabolicznego nakładania się z patogenem i dlatego wymagają podobnych składników odżywczych.

Naukowcy wykorzystali tę zasadę blokowania składników odżywczych, aby przewidzieć, które społeczności bakteryjne zapewnią słabą, a która silną ochronę przed opornością na środki przeciwdrobnoustrojowe (AMR). bakterie coli Czuję się smutny. Testowane eksperymentalnie wykazały, że społeczności o najwyższej zawartości składników odżywczych pokrywają się z… bakterie coli Szczep był aż 100 razy skuteczniejszy w ograniczaniu liczebności patogenów niż społeczności, od których oczekiwano, że zapewnią słabą ochronę. „Zastosowaliśmy nasze ustalenia, aby skutecznie przewidzieć, które populacje będą odporne na nowy docelowy szczep” – napisali.

Według naukowców te nowe pomysły można przekształcić w nowe strategie zwalczania szkodliwych patogenów w jelitach poprzez poprawę społeczności mikrobiomu jelitowego. Odkrycia mogą również wyjaśniać, dlaczego jednostki mogą stać się bardziej podatne na typy takie jak K. zapalenie płuc Po przyjęciu antybiotyków, które mogą zmniejszyć różnorodność gatunków drobnoustrojów jelitowych.