Nyt 3D-visualiseringsværktøj kan muliggøre målrettet lægemiddellevering for cystisk fibrose og andre tilstande

University of California San Diego -forskere har udviklet det første 3D -rumlige visualiseringsværktøj til kortlægning af '' omics '' data på hele organer. Værktøjet hjælper forskere og klinikere med at forstå virkningerne af kemikalier, såsom mikrobielle metabolitter og medicin, på et sygt organ i forbindelse med mikrober, der også bebor regionen. Arbejdet kan fremme målrettet lægemiddellevering for cystisk fibrose og andre tilstande, hvor medicin ikke er i stand til at trænge ind.

Et team ledet af Pieter Dorrestein, Ph.d., professor ved Skaggs School of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences ved University of California San Diego og medlem af et lederteam i UC San Diego Center for Microbiome Innovation, offentliggjorde undersøgelsen 19. oktober i Cellevært og mikrobe .

Hver krog og vride i et menneskeligt organ har sit eget mikrobiom - mikroorganismerne og deres gener, der er til stede i et bestemt miljø. Organets anatomi og dets miljø (temperatur, pH -niveau, tilgængelighed af næringsstoffer, osv.) bestemme hvilke mikroorganismer der er til stede. På tur, mikroorganismerne reagerer på og påvirker tilstedeværelsen af ​​terapeutiske midler.

"Vores forståelse af den rumlige variation af den kemiske og mikrobielle sammensætning af et menneskeligt organ er fortsat begrænset, "sagde Dorrestein." Dette skyldes til dels størrelsen og variationen af ​​menneskelige organer, og den store mængde data, vi får fra metabolomics og genomics -undersøgelser. "

For at løse denne udfordring, Dorresteins team udviklede en open source-arbejdsgang til kortlægning af metabolomics og mikrobiomdata på en 3D-orgelrekonstruktion bygget af radiologiske billeder.

Først, forskerne fik en lunge fra en patient, der var ramt af cystisk fibrose og snittede den. De analyserede prøverne for tilstedeværelse af bakterier, deres metabolitter og virulensfaktorer (molekyler, der bidrager til bakteriel effektivitet og gør dem i stand til at kolonisere en niche i værten), og enhver medicin givet til patienten under behandlingen.

Næste, Neha Garg, Ph.d., en postdoktor i Dorresteins laboratorium på det tidspunkt, og Mingxun Wang, en kandidatstuderende i UC San Diego -laboratoriet i Nuno Bandeira, Ph.d., ændret en eksisterende Google Chrome -udvidelse kaldet "ili" for at visualisere mikrobiom- og metabolomfordelinger på et helt organ.

"Applikationen gør det muligt for brugeren at kortlægge data på en 2D- eller 3D -overflade, så vi ændrede koden for at give os mulighed for at kortlægge overfloddataene ikke kun på overflader, men også inden for modellen, sagde Garg, der nu er adjunkt ved Georgia Tech.

For at visualisere den rumlige lokalisering af bakterier og molekyler, teamet skaffede CT -scanningsbilleder af en menneskelig lunge og behandlede dem til at generere en 3D -model.

Med "omics" -dataene fra cystisk fibrose -lunge overlejret på 3D -lungen i den modificerede version af "ili, "forskerne var i stand til at foretage vigtige observationer.

"Vi kunne se, at et af de antibiotika, der blev givet til patienten, før vævet blev opsamlet, ikke trængte ind i bunden af ​​lungen - et fænomen, der ikke er blevet observeret før, "sagde Garg." Dette korrelerede med en større overflod af det cystisk fibrose-associerede patogen Achromobacter. Dermed, forskellige lægemidler kan differentielt trænge ind i lungen, begrænsning af eksponeringen for effektiv dosering. Vores værktøj giver forskere og klinikere mulighed for at visualisere denne betydelige kliniske bekymring inden for et menneskeligt organ for første gang. Dette har konsekvenser for behandling af CF og andre sygdomme. "

Forskerne lavede open-source kort over 16, 379 molekyler og 56 mikrober, der nu vil tjene som en ressource for forskere, der forsker i cystisk fibrose og andre lungeassocierede sygdomme.

"Efterhånden som fremtidige undersøgelser afslører mere om mikrobiomet og metabolomet, deres rumlige visualisering vil give et middel til at udlede deres biologiske betydning, "sagde Dorrestein." Desuden den udviklede metode kan udvides til ethvert menneskeligt organ - især dem med tumorer, som vides at være forbundet med deres egne unikke mikrobiomer. "

Teamet håber, at arbejdet vil bidrage til at muliggøre forbedret målrettet lægemiddellevering, som kunne bruges til at afhjælpe dårlig penetration af antibiotika.