A bél mikrobiota összetétele modulálja a malária súlyosságát

Keresse meg ezt a szerzőt a Google Tudósban
Keresse meg ezt a szerzőt a PubMed oldalon
Keresse meg ezt a szerzőt ezen a webhelyen
Levelezés céljából: [email protected]

Szerkesztette: Maria M. Mota, Instituto de Medicina Molecular, Lisszabon, Portugália, és a szerkesztőség elfogadta 2016. január 4-én (2015. március 10-én beérkezett felülvizsgálatra)

Jelentőség

A plazmodium-fertőzések évente> 200 millió malária-esetet és ~ 1 millió halálesetet okoznak. Bár ezek a fertőzések olyan betegségeket eredményeznek, amelyek a tünetektől az életveszélyig terjednek, a betegség súlyosságához hozzájáruló tényezők továbbra is rosszul vannak meghatározva. Ez a jelentés azt bizonyítja, hogy a bélben lévő mikrobák együttese módosíthatja a malária súlyosságát. A különböző gyártóktól származó egerek, amelyeknek bélmikrobiómája eltér, jelentős eltéréseket mutattak a patológiában a Plasmodium-fertőzés után. A „rezisztens” és a „fogékony” egerek között különbözõ baktériumpopulációk között a Lactobacillus és a Bifidobacterium szerepelt, és az egerek Lactobacillus-szal és Bifidobacterium-tal való kezelése csökkent plazmodiumterhet eredményezett. Ezek az eredmények azonosítják a súlyos malária korábban nem azonosított rizikófaktorát és a kezelés új lehetséges útját is.

Absztrakt

A Plasmodium fajok általi fertőzés továbbra is globális egészségügyi teher, amely évente több mint 200 millió malária-esetet és körülbelül 1 millió halálesetet okoz, és a halálesetek túlnyomó többsége 5 évesnél fiatalabb, Afrika Szaharától délre élő gyermeke (1). Sok Plasmodium fertőzés tünetmentes, vagy csak enyhe maláriát okoz. Egyes fertőzések azonban súlyos maláriavá válnak, amely leggyakrabban tudatzavarként (agyi malária), légzési nehézségként és súlyos vérszegénységként jelentkezik (2). A Plasmodium falciparum fertőzés utáni betegség súlyosságának legjobb összefüggése a parazita sűrűsége (3, 4).

A bél mikrobiota hatással van a gazdaszervezet fiziológiájának több aspektusára (5), beleértve a számos betegségre való hajlam kialakítását (6 ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ –14). A bél mikrobiota gazdaszervezetre gyakorolt hatásait erősen befolyásolja a baktériumpopulációk kollektív összetétele (15), és a kommenzális flóra ismerten befolyásolja a lokális kórokozók terheit és a gazda immunitását (16 ⇓ –18). Amellett, hogy befolyásolja a helyi bél immunitást, a bél mikrobioma befolyásolja a gazdaszervezet immunitását az extragasztrointesztinális traktus vírusfertőzései ellen (19).

A legújabb tanulmányok azt is alátámasztják, hogy a bél mikrobioma modulálja a plazmodium fertőzéseket emberben. Az Escherichia coli O86: B7 bélpatobiont által kiváltott anti-α-gal Abs keresztreakcióba lép emberi és rágcsáló Plasmodium fajok sporozoitáival, amelyek károsítják a parazita átvitelét a vektor és a gerinces gazdaszervezet között; ez a keresztreaktív immunitás azonban nem befolyásolta a vér stádiumú parazita terhelést (20). Ezenkívül a maliai gyermekek székletbaktérium-összetétele prospektíven korrelált a P. falciparum-fertőzés kockázatával, de a lázas malária előrehaladásával nem (21). Fontos, hogy továbbra sem világos, hogy a bél mikrobioma hozzájárul-e a súlyos malária kialakulásához is. A malária rágcsálómodelljének felhasználásával ezek az adatok azt bizonyítják, hogy a bél mikrobioma befolyásolja a vérstádi parazita terhelést és a malária későbbi súlyosságát.

Eredmények

A különböző szállítóktól származó egerek differenciált érzékenységet mutatnak a malária iránt.

A malária iránti érzékenység korrelál a vakbél baktériumok populációinak különbségeivel. (A) Olyan baktériumcsaládok, amelyekről Jax vagy Tac egerekben jelentősen gazdagodtak. (B) Azok a baktériumcsaládok, amelyek jelentősen meggazdagodtak az NCI vagy a Har egerekben. Az A és B adatok (átlag ± SE) csoportonként hat egérből származnak, és az SI függelék 6C. Az adatokat Kruskal – Wallis teszttel elemeztük.

A bél bakteriális közösségében bekövetkezett változásokkal összhangban a Jax és NCI egerek vékonybélben, vakbélben és plazmában lévő metabolitok elemzése különbözõ expressziót mutatott ki az egyes szövetek között (SI függelék, 9A. Ábra). A részleges legkisebb négyzetekkel megkülönböztető elemzés (27) F-tesztje, amelyet szöveti alapon vizsgáltunk a Jax és NCI egerek metabolitprofiljainak variációjához, megerősítette, hogy az 1-es variáns (1. komponens) átlaga, amely megkülönböztette Jax-et az NCI-egerektől minden szövet szignifikánsan különbözött (P ≤ 0,0003, P ≤ 0,0001, P ≤ 0,0001) a vékonybél, a vakbél és a plazma esetében (SI függelék, 9. ábra B – D és 2. táblázat). Számos metabolit nagy (≥1,5-szeres) és statisztikailag szignifikáns (P ≤ 0,1) különbséget mutatott a Jax és az NCI egerek között, a metabolitok felső 25% -a különálló anyagcsere útvonalakkal társult (SI függelék, 9. ábra E és F, valamint 3–3. Táblázat). 5.) Ezért a bélbaktériumok és metabolitok közötti különbségek alátámasztják azt a hipotézist, hogy a malária súlyosságát a bélbaktériumok közötti különbségek modulálták.

Különbségek a bél mikrobiom alakjában a malária iránti fogékonyságban.

Ennek a hipotézisnek a közvetlen tesztelésére a genetikailag azonos germfree (GF) C57BL/6 egerek cecalis tartalmú transzplantációkat kaptak Jax vagy NCI egerektől. Megjegyzendő, hogy a GF C57BL/6J egerek nem mutattak különbséget a parazitémiában a hagyományos C57BL/6J egerekhez képest a P. yoelii nigeriensis fertőzés után (28). A szekvenciaelemzések kimutatták, hogy a kolonizált GF egerek a baktériumközösségeket tükrözik a donorközösségek baktériumközösségeit, és különböznek a csak környezeti mikrobáknak kitett GF egerek közösségeitől (3A. Ábra). Továbbá csak kismértékben csökkent a közösségi sokféleség az adott donor és kolonizált GF egerek között (SI függelék, 10. ábra). A P. yoelii fertőzést követően azoknak a GF egereknek, amelyek vagy Jax, vagy NCI vakbél transzplantációt kaptak, a parazita terhei hasonlóak voltak a kontroll Jax és NCI egerekhez (3. ábra B és C). Az NCI kontroll egereknek és az NCI cecalis transzplantációkat kapott GF egereknek is csökkent a túlélésük a Jax kontroll egerekhez és a Jax cecalis transzplantációkat kapott GF egerekhez képest (3D. Ábra). Ezek az adatok együttesen közvetlen bizonyítékot szolgáltattak arra, hogy a bél mikrobiota módosította a malária súlyosságát.

Ez a jelentés azt mutatja, hogy az egerekben a malária súlyosságát mélyen befolyásolja a bél mikrobiota összetétele. Az adatok ahhoz a hipotézishez vezetnek, hogy a bél mikrobiotájának különbségei megmagyarázhatják, hogy egyes, a Plasmodiummal fertőzött emberek miért válnak súlyos betegséggé, mások pedig nem. Az eredmények azt a lehetőséget is alátámasztják, hogy a bél mikrobiota manipulálása potenciálisan képes szabályozni a malária súlyosságát emberben. Míg a bél mikrobiota modulálása nem akadályozhatja meg a Plasmodium fertőzéseket, a bél mikrobiomjának megváltoztatása súlyos betegségeket enyhíthet és évente több ezer életet menthet meg.

Anyagok és metódusok

Egerek és fertőzések.

A hagyományos módon tartott egereket a Jax, NCI, CR, Har és Tac cégtől vásároltuk. A GF egereket az észak-karolinai egyetemen, a Chapel Hill-i Nemzeti Gnotobiotic Rodent Resource Center-től vásároltuk. A Tennessee Egyetem és a Louisville-i Egyetem Intézményi Állatgondozási és Felhasználási Bizottsága áttekintette és jóváhagyta az állatkísérleteket. Az egereket NIH-31 módosított nyílt formulájú egér/patkány besugárzott táplálékkal (Harlan 7913) etettük, hacsak másképp nem jelezzük, ebben az esetben az egereket Teklad 22/5 rágcsáló étrenddel (Harlan 8640), Jax házi diétával (5K67; Cincinnati Lab) etettük. & Pet Supply, Inc.), vagy az NCI házon belüli étrendje (5L79 Cincinnati Lab & Pet Supply, Inc.). A GF egerek hígított vakbél anyagot kaptak orális szondával. A transzplantáció után az egereket hagyományos körülmények között helyeztük el. Az egereket P. yoelii 17XNL, P. chabaudi AS és P. berghei ANKA fertőzte meg. Vérmintákat vettünk a farokból rendszeres időközönként, 3–35 d. Után a fertőzés után. A parazitémiát, a plazmodiummal fertőzött vörösvérsejtek százalékos arányát vékonyréteg kenet vagy áramlási citometria segítségével értékeltük. A joghurtot egy kezdő tenyészet (Yogurt Starter Culture no. 2; Custom Probiotics) felhasználásával készítették, amelyet számos Lactobacillus és Bifidobacterium fajt tartalmazó probiotikus por-kiegészítéssel (11 törzs probiotikus por; egyedi probiotikumok) dúsítottak. Az egereket ampicillint, vankomicint, metronidazolt, neomicin-szulfátot és gentamicin-szulfátot tartalmazó orális antibiotikus keverékkel kezeltük. A sejtes immunválaszt áramlási citometriával, az MSP119-specifikus Abs-t ELISA-val mértük.

Bélmikrobiota elemzés.

A vékonybél, a vakbél és a vastagbél távoli felét kivágtuk az egerekből, és folyékony nitrogénben gyorsfagyasztottuk. A mintákból a DNS-t a MoBio PowerSoil DNS izoláló készlettel extraháltuk. A baktériumok 16S rRNS-génjeit a V4 régiót megcélzó baktérium-specifikus PCR-primerek segítségével amplifikáltuk. A DNS-szekvenálás a MiSeq (Illumina) platform segítségével fejeződött be a Hudson Alpha Biotechnológiai Intézetben, Huntsville, AL. A szekvenciákat letétbe helyezték az NCBI Sequence Read Archive bioprojekt PRJNA289122 alatt. A Mothur szoftvercsomagot alkalmazták szekvenciák feldolgozására, szekvenciák klaszterezésére a filogenetikai osztályozáshoz és a szekvenciák csoportosításához az emésztőrendszer régiói alapján. A PRIMER-E szoftvercsomagot arra használták, hogy megvizsgálják a filotípusok közötti kapcsolatokat a minták között, és összefüggéseket derítsenek ki a filotípus jelenléte/bősége és más paraméterek között. A „biomarker” szekvenciák detektálását az LEfSe szoftvercsomaggal hajtottuk végre (huttenhower.sph.harvard.edu/galaxy/).

Statisztikai analízis.

Az adatok leíró és összehasonlító statisztikai elemzését a bél mikrobiota és a metabolomika adatai kivételével, a GraphPad Software (Prism, 6. verzió) segítségével végeztük. Becsültük az AUC-t az egyes csoportok számára a trapéz alakú szabályt követve az alábbi egyenlettel: AUC t 1 - t - utolsó = 0,5 ∑ (Y i + Y i + 1) * (t i + 1 - t i),

ahol „t” a mintavétel ideje és „Y” a megfigyelt eredmény (például a parazitémia százalékos aránya).

Köszönetnyilvánítás

Köszönjük Bruce Applegate-nek és Whitney Powellnek a technikai segítséget. Köszönjük Dr. Sarah Lebeis-nek és Dr. Yousef Abu Kwaik-nak, hogy áttekintették a kéziratot. Ezt a munkát az NIH Grant 1R21AI113386 (az N.W.S.-nek) és az American Cancer Society Research Scholar Grant RSG-14-057-01-MPC (az N.W.S.-nek), valamint a Kenneth & Blair Mossman professzor (S.W.W.) támogatásával támogatta. Az észak-karolinai egyetem Chapel Hill-i Nemzeti Gnotobiotikus Rágcsáló Forrásközpontját az 5-P39-DK034987 és az 5-P40-OD010995 támogatások támogatták.

Lábjegyzetek

↵ 1 N.F.V., G.R.L. és J.E.D. egyformán járult hozzá ehhez a munkához.

Pres 2 Jelenlegi cím: Washington Állami Egyetem Állatorvosi Klinikai Tudományok Tanszéke, Pullman, WA 99164.

A szerző hozzájárulása: N.F.V., S.R.C., S.W.W. és N.W.S. tervezett kutatás; N.F.V., G.R.L., J.E.D., S.P.D., C.L.H., S.S.S., J.L.G. és N.W.S. végzett kutatás; N.F.V., G.R.L., J.E.D., S.P.D., S.R.C., S.W.W. és N.W.S. elemzett adatok; G.R.L., J.L.G. és S.W.W. elemzett DNS-szekvenálás; S.P.D. és S.R.C. elemezte a metabolomikai adatokat; és N.F.V., G.R.L., S.R.C., S.W.W. és N.W.S. írta a lap.

A szerzők nem jelentenek összeférhetetlenséget.

Ez a cikk a PNAS közvetlen benyújtása. M.M.M. a szerkesztőbizottság által meghívott vendégszerkesztő.

Adatok lerakása: Az ebben a cikkben közölt szekvenciákat az Országos Biotechnológiai Központ Információs Szekvencia Olvasóarchívumában raktuk le, a PRJNA289122 bioprojekt alatt.