Исследование, которое появится в выпуске журнала The Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) от 13 октября, впервые исследует трехмерную структуру разнообразного набора кишечных микробов и выявляет некоторые резкие различия между микробным ландшафтом. кишечника и других участков тела, например рта.«Никто раньше не рассматривал сложное микробное сообщество в кишечнике таким образом», — сказал старший автор Гэри Бориси, старший научный сотрудник Института Форсайта. «Если мы действительно хотим понять роль микробиома, недостаточно знать, какие именно микробы присутствуют.
Мы также должны узнать, что они делают, с кем разговаривают и почему. Частично ответ на эту проблему выяснить, кто рядом с кем, а кто рядом с чем ».Это именно то, что Бориси и его коллеги, включая первого автора Джессику Марк Уэлч из Морской биологической лаборатории и коллег из лаборатории Гордона Вашингтонского университета в Сент-Луисе, намеревались сделать.
Исследовательская группа ввела 15 различных видов бактерий в стерильных мышей, создав гуманизированную модель микробиома кишечника. Хотя это лишь частичное представление полного набора микробов, обычно встречающихся в кишечнике человека, это упрощенное микробное сообщество предоставило ключевую возможность изучить, как микробы собираются в отдельные районы.«Мы использовали зонды, которые освещали каждый из видов бактерий разным цветом, чтобы мы могли точно увидеть, как бактерии расположены относительно друг друга и относительно таких ориентиров, как пища и ткани хозяина», — сказала Джессика Марк Уэлч, младший научный сотрудник. с Морской биологической лабораторией.Основываясь на предыдущих исследованиях микробиома кишечника, а также на собственных исследованиях микробиома полости рта (в частности, зубного налета, образующегося на зубах), исследовательская группа ожидала увидеть значительное количество структур.
«На тех участках, которые мы до сих пор исследовали во рту, мы видим очень упорядоченные микробные сообщества — настолько большие, что вы можете представить их в виде многоклеточных органов, таких как печень или вилочковая железа», — пояснил Борисы. «Они, конечно, состоят из бактериальных клеток, но есть много разных типов клеток, организованных высоко структурированным образом, как орган тела».Но они обнаружили не это. В кишечнике исследователи наблюдали высокую степень смешения микробов — не полностью однородную смесь, но все же сильно перемешанную. «Мы сравниваем его с биореактором, где все перемешивается и хорошо перемешивается», — добавил Борис.
Несмотря на то, что этой модели микробиома кишечника не хватало высокоорганизованной структуры, исследователи идентифицировали некоторые «микро» среды обитания, где бактериальные клетки имеют тенденцию собираться. Эти участки включают ткань, выстилающую внутреннюю поверхность кишечника («эпителий»), которая обычно покрыта слоем слизи. Они также включают центральное пространство («просвет»), где собираются пища и слизь.
Хотя микробные популяции в этих местах несколько различались по своему общему составу, то есть относительные пропорции различных бактерий могут колебаться, исследователи не наблюдали каких-либо резких различий, таких как наличие видов бактерий исключительно в одном месте, а не Другая.«Мы думаем, что хозяин гомогенизирует микробное сообщество, используя мышечные сокращения, чтобы перемешать содержимое кишечника и подтолкнуть его к стенке кишечника, а также отталкивать слизь и эпителиальные клетки от стенки в просвет», — добавил Марк Уэлч. «Возможно, именно это смешение обеспечивает стабильные отношения между хозяином и микробами».
Способность исследователей разрешить эту запутанную микробную картину проистекает из экспериментальной стратегии, в которой Бориси и его коллеги сочетают сложные технологии и методы. К ним относятся химические методы, позволяющие маркировать 15 различных микробов; передовые методы визуализации, которые могут обнаруживать и устранять эти метки; ультрасовременная микроскопия, которая может разрезать ткани оптически (а не физически) для визуализации сложных трехмерных образцов; и программное обеспечение, которое облегчает анализ и реконструкцию сотен биологических изображений. Этот инновационный подход был впервые применен к исследованиям микробиома бляшек, опубликованным Бориси и его коллегами в 2016 году, а совсем недавно — к микробиому кишечника, как описано в их новом исследовании PNAS.Хотя может показаться, что микробиом кишечника отделен от микробиома других частей тела, из их целостного изучения можно извлечь важные уроки.
Большая часть работы Института Форсайта сосредоточена на микробиоме полости рта с целью лучшего понимания микробных сообществ. Помимо лучшего понимания правил управления одним конкретным микробиомом путем изучения множества участков в организме, также возможно, что микробные сообщества — хотя и физически разделены — могут взаимодействовать таким образом, чтобы влиять на здоровье.Бориси подчеркнул, что этот вид исследований микробиома находится в зачаточном состоянии.
Тем не менее, это важно для глубокого понимания микробной функции. «Представьте, что вы приезжаете в Бостон, и кто-то вручает вам телефонный справочник всех, кто там живет. Это здорово — теперь у вас есть список тех, кто там. Но скажите мне, что вы узнали о Бостоне как о городе?»