Forskere laver kort over tarmens mikrobielle landskab

Et samarbejde mellem et team af forskere fra tre institutioner, herunder Marine Biological Laboratory (MBL) i Woods Hole, Forsyth Institute i Cambridge og Washington University i St. Louis gav et tidligt indblik i, hvordan mikrobielle samfund i tarmen - kendt under ét som tarmmikrobiomet - er rumligt organiseret, afsløre en overraskende grad af blanding blandt forskellige bakterielle medlemmer.

Studiet, som udkommer i nummeret 13. oktober af Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) , er den første til at undersøge den tredimensionelle struktur af en mangfoldig række af tarmmikrober og afsløre nogle skarpe forskelle mellem det mikrobielle landskab i tarmen og dem på andre kropssteder, såsom munden.

"Ingen har set på et komplekst mikrobielt samfund i tarmen på denne måde før, " sagde senior forfatter Gary Borisy, en seniorforsker ved Forsyth Institute. "Hvis vi virkelig ønsker at forstå mikrobiomets rolle, det er ikke nok at vide, hvilke mikrober der er til stede. Vi skal også lære, hvad de laver, hvem de taler med og hvorfor. En del af svaret på det problem er at finde ud af, hvem der er ved siden af ​​hvem, og hvem der er ved siden af ​​hvad."

Det er præcis, hvad Borisy og hans kolleger, herunder førsteforfatter Jessica Mark Welch fra Marine Biological Laboratory og kolleger i Gordon-laboratoriet ved Washington University i St. Louis, satte sig for at gøre. Forskerholdet introducerede 15 forskellige bakteriearter i bakteriefri mus, skabe en humaniseret model af tarmmikrobiomet. Selvom det kun er en delvis repræsentation af hele rækken af ​​mikrober, der typisk findes i den menneskelige tarm, dette forenklede mikrobielle samfund gav en vigtig mulighed for at udforske, hvordan mikrober samles i adskilte kvarterer.

"Vi brugte sonder, der oplyste hver af bakteriearterne med en anden farve, så vi kunne se præcis, hvordan bakterierne var arrangeret i forhold til hinanden og i forhold til vartegn som mad og værtsvæv, "sagde Jessica Mark Welch, associeret videnskabsmand med Marine Biological Laboratory.

Baseret på tidligere undersøgelser af tarmmikrobiomet samt deres egen forskning i det orale mikrobiom (specifikt plak, der dannes på tænderne), forskerholdet forventede at se en betydelig mængde struktur.

"På de steder, vi hidtil har undersøgt i munden, vi ser højt ordnede mikrobielle samfund - så meget, at du måske forestiller dig dem som flercellede organer, som en lever eller en thymuskirtel, " forklarede Borisy. "De er lavet af bakterieceller, selvfølgelig, men der er mange forskellige celletyper organiseret på en meget struktureret måde som et kropsorgan."

Men det var ikke det, de fandt. I tarmen, forskerne observerede en høj grad af blanding blandt mikrober - ikke en fuldstændig homogen blanding, men stadig meget blandet. "Vi sammenligner det med en bioreaktor, hvor tingene røres rundt og blandes godt, "tilføjede Borisy.

Selvom denne model af tarmmikrobiom manglede meget organiseret struktur, forskerne identificerede nogle "mikro"-habitater, hvor bakterieceller har tendens til at samles. Disse steder omfatter vævet, der beklæder den indre overflade af tarmen ("epithelet"), som typisk er belagt med et lag slim. De omfatter også det centrale rum ("lumen"), hvor både mad og slim opsamles. Mens de mikrobielle populationer på disse steder varierede noget i deres samlede sammensætning - dvs. den relative andel af de forskellige bakterier kan svinge - forskerne har ikke observeret nogen markante forskelle, såsom en bakterieart, der udelukkende findes på ét sted og ikke på et andet.

"Vi tror, ​​at værten homogeniserer det mikrobielle samfund, bruge muskelsammentrækninger til at blande indholdet af tarmen og skubbe dem op mod tarmvæggen, og fjernelse af slim og epitelceller fra væggen ind i lumen, "tilføjede Mark Welch." Det kan være, at denne blanding er det, der muliggør et stabilt forhold mellem værten og mikroberne. "

Forskernes evne til at løse dette indviklede mikrobielle billede udspringer af en eksperimentel strategi, hvor Borisy og hans kolleger kombinerer sofistikerede teknologier og metoder. Disse omfatter kemiske teknikker, der gør det muligt at mærke 15 forskellige mikrober; avancerede billeddannelsesmetoder, der kan detektere og løse disse etiketter; banebrydende mikroskopi, der kan skære gennem væv optisk (snarere end fysisk) for at visualisere komplekse, tredimensionelle prøver; og software, der letter analyse og rekonstruktion af hundredvis af biologiske billeder. Denne innovative tilgang blev først anvendt til undersøgelser af plaque-mikrobiomet, udgivet af Borisy og hans kolleger i 2016, og for nylig til tarmmikrobiomet, som beskrevet i deres nye PNAS-undersøgelse.

Selvom tarmmikrobiomet kan virke adskilt fra dem, der findes i andre dele af kroppen, der er afgørende lektioner, der kan opstå ved at studere dem på en holistisk måde. Det meste af Forsyth Institutes arbejde er på det orale mikrobiom med et drivende mål om bedre at forstå mikrobielle samfund. Ud over bedre at forstå, hvad reglerne er for at styre et bestemt mikrobiom ved at studere en række forskellige steder i kroppen, det er også muligt, at mikrobielle samfund - mens de er fysisk adskilte - kan interagere på måder, der påvirker sundheden.

Borisy understregede, at denne type mikrobiomforskning er i sin vorden. Alligevel, det er vigtigt for at udvikle en dyb forståelse af mikrobiel funktion. "Forestil dig, at du kommer til Boston, og nogen giver dig en telefonbog over alle, der bor der. Det er fantastisk - nu har du en liste over, hvem der er der. Men fortæl mig, hvor meget har du lært om Boston som by?"