Bakterie E. coli oraz kolonizacja zdrowej mikroflory jelitowej człowieka
Jelita są siedliskiem największej populacji drobnoustrojów w organizmie człowieka - nazywamy ją mikroflorą lub mikrobiomem jelitowym. Doskoanle wiemy też, że bakterie te są niezwykle ważne dla zdrowia. Zdrowy mikrobiom jelitowy zapewnia odporność na szkodliwe bakterie, jednak zaburzenie równowagi mikroflory powoduje utratę tej ochrony. Proces kolonizacji przebiega w warunkach zdrowego mikrobiomu. „Mechanizmy leżące u podstaw tego zjawiska pozostają nieznane, a sprawę komplikuje fakt, że specyficzna mikroflora jelitowa każdej osoby może prowadzić do występowania wyjątkowych reakcji”, zauważa Hugo Barreto, główny badacz projektu MICROINVADER, którego celem jest zrozumienie, w jaki sposób indywidualne różnice wpływają na dynamikę kolonizacji bakteryjnej.
Badania mikrobiomu jelitowego człowieka in vitro i in vivo
Escherichia coli to bakteria, która jest w stanie kolonizować wiele środowisk. Ludzkie jelita nie stanowią wyjątku. Charakteryzuje się dużą różnorodnością genetyczną, a podczas kolonizacji ludzkiego jelita jest zwykle bakterią komensalną – współistniejącą bez wyrządzania szkody gospodarzowi. Może jednak również wykazywać właściwości chorobotwórcze. W praktyce odpowiada za około milion zgonów rocznie(odnośnik otworzy się w nowym oknie). Wiemy, że u ludzi E. coli szybko ewoluuje. Nawet w przypadku zdrowej mikroflory jelitowej inwazyjne szczepy tej bakterii nieustannie zastępują szczepy istniejące. Zjawisko to nazywamy wymianą szczepów. „Jako organizm modelowy E. coli można modyfikować genetycznie, co umożliwia barkodowanie - umieszczanie wyjątkowych znaczników w poszczególnych szczepach bakterii wyizolowanych z próbek pobranych od ludzi”, wyjaśnia Barreto, przedstawiciel Francuskiego Narodowego Instytutu Zdrowia i Badań Medycznych(odnośnik otworzy się w nowym oknie) – instytucji pełniącej rolę gospodarza projektu. „Ze względu na różne oznaczenia poszczególnych szczepów, jesteśmy w stanie zidentyfikować naturalne izolaty E. coli, które są zdolne do inwazji i kolonizacji mikroflory jelitowej człowieka”. Aby zbadać ten proces in vitro, zespół realizujący projekt finansowany dzięki wsparciu ze środków działania „Maria Skłodowska-Curie”(odnośnik otworzy się w nowym oknie) wybrał 16 mikrobiomów z kohorty badanej w ramach projektu NutriNet-Santé(odnośnik otworzy się w nowym oknie), a następnie wykorzystał instalację MiniBioReactor (MBRA) w celu hodowli bakterii w komorze beztlenowej przez okres do dwóch tygodni. „Zastosowanie tego rozwiązania umożliwia nam utrzymanie otoczenia mikrobiologicznego związanego z mikrobiomem jelitowym każdego dawcy, umożliwiając jednocześnie dokonywanie precyzyjnych zmian, w tym wprowadzania naturalnych izolatów E. coli i pobierania próbek, bez konieczności martwienia się o zachowania żywego gospodarza, które mogą wpływać na stan hodowli”, dodaje Barreto. Po kilku dniach aklimatyzacji badacze wprowadzali do układów 26 naturalnych izolatów E. coli w celu badania liczebności bakterii i monitorowania poszczególnych szczepów w czasie. Wybrane mikrobiomy jelitowe obejmowały już rezydujące szczepy E. coli, co umożliwiło badaczom analizę zastępowania szczepów i jednoczesnej kolonizacji w czasie rzeczywistym. Aby scharakteryzować dynamikę ewolucyjną szczepów E. coli będących w stanie skutecznie kolonizować mikroflorę, zespół wykorzystał akseniczne(odnośnik otworzy się w nowym oknie) modele mysie pozbawione jakichkolwiek bakterii, a następnie przeprowadził kolonizację z wykorzystaniem ośmiu ludzkich mikroflor jelitowych wybranych z dotychczasowych hodowli. Myszy były następnie monitorowane przez dwa miesiące.
Analiza charakterystyki skuteczności inwazji i kolonizacji
Zespół zaobserwował, że skuteczność inwazji i kolonizacji różniła się w zależności od mikroflory jelitowej danej osoby nawet o trzy rzędy wielkości. Dominujący szczep E. coli po inwazji zależał od dawcy. „Choć zjawisko to można częściowo wyjaśnić różnorodnością mikroflory jelitowej człowieka oraz obecnością genetycznych podgrup E. coli, zaobserwowaliśmy szybką ewolucję dominującego szczepu inwazyjnego, która zmieniała tę dynamikę”, zauważa Barreto. Choć analizy wciąż trwają, badania oparte na modelach mysich umożliwiły stwierdzenie, że niektóre mikrobiomy jelitowe człowieka ograniczają liczebność E. coli o dwa rzędy wielkości. „Najbardziej zaskakującym odkryciem było to, że rezydujące szczepy E. coli zostały wyparte we wszystkich badanych mikrobiomach. Dotychczas próby kolonizacji przeprowadzano przy użyciu pojedynczego szczepu i w większości kończyły się one niepowodzeniem. My wprowadziliśmy jednocześnie ponad 20 szczepów. To wskazuje, że zastąpienie szczepów jest konsekwencją zarówno różnorodności inwazyjnych bakterii, jak i składu ludzkiej mikroflory jelitowej”, zauważa Barreto. Zrozumienie mechanizmów regulujących wymianę szczepów w warunkach zdrowego jelita może doprowadzić do opracowania leków wpływających na skład ludzkiego mikrobiomu jelitowego oraz interwencji pozwalających na zapewnienie zdrowia, w tym przeszczepów.
