Анализ временных рядов отслеживания штаммов после фекальной трансплантации выявляет индивидуально специфические модели фекальных доминирующих штаммов микроорганизмов донора, реципиента и неродственных микроорганизмов (аннотация)Анализ временных рядов отслеживания штаммов после фекальной трансплантации выявляет индивидуально специфические модели фекальных доминирующих штаммов микроорганизмов донора, реципиента и неродственных микроорганизмов
Многочисленные исследования показали высокую эффективность фекальной микробной трансплантации (ФМТ) для лечения пациентов с рецидивирующей инфекцией Clostridium difficile.
Для этих пациентов ФМТ использовалась в качестве последнего средства после неудачи стандартной терапии, которая состояла из нескольких раундов супрессивных антибиотиков, эффективно устраняющих микробное сообщество реципиента. Чтобы лучше охарактеризовать микробное взаимодействие донора и реципиента после ФМТ, в нескольких исследованиях использовалось метагеномное секвенирование в сочетании с новыми информационными подходами, которые позволили определить микробное сообщество на уровне штаммов. Мы и другие исследователи показали, что у пациентов с C. difficile, получавших супрессивные антибиотики, ФМТ может привести к стабильной длительной колонизации штаммами донорских микроорганизмов в течение двух лет после ФМТ, что является самым длительным сроком исследования.
ФМТ также использовалась с терапевтической целью для изменения биологических функций микробного сообщества кишечника при хронических заболеваниях, которые влияют на метаболизм и иммунитет хозяина. Анализ штаммов донора и реципиента после ФМТ без антибиотиков представляет собой уникальную систему для изучения нарушения экологии микробного сообщества желудочно-кишечного тракта человека после введения новых штаммов.
В исследовании Li et al. описана ФМТ, при которой образцы фекалий худых пациентов использовались для пересадки тучным реципиентам с целью улучшения метаболической функции. В этих экспериментах перед трансплантацией не проводилось предварительное кондиционирование антибиотиками, чтобы уменьшить количество микробов реципиента. Li et al. обнаружили присутствие штаммов донорских микроорганизмов в организме реципиента в некоторых случаях до 84 дней после ФМТ. Кроме того, наблюдалась значительная вариабельность между отдельными пациентами: во многих случаях микробы донора и реципиента обнаруживались у одного и того же пациента после ФМТ.
В настоящем исследовании мы дополнительно изучили закономерности изменения разнообразия штаммов микроорганизмов донора и реципиента у реципиентов после ФМТ без предварительного курса антибиотиков, используя данные из недавнего исследования, в котором ФМТ применялась для усиления иммунотерапии с использованием анти-PD-1. В отличие от исследования Li et al, уникальные особенности данного исследования включали многократный лонгитюдный отбор образцов в течение периода времени до 535 дней после ФМТ. Пары донор-реципиент после ФМТ из исследования Davar et al. были проанализированы на наличие штаммов донора и реципиента у реципиентов после ФМТ с помощью двух методов отслеживания штаммов. Наш анализ демонстрирует индивидуальные особенности фекальных доминантных штаммов донора или реципиента после ФМТ. В некоторых случаях ФМТ мы также обнаружили, что отслеживание штаммов указывает на присутствие штаммов микроорганизмов, не относящихся к донору или реципиенту, а также свидетельство, по крайней мере, одного случая возможной рекомбинации между донором и реципиентом. Наличие таких гетерогенных микробных сообществ донора и реципиента после ФМТ может оказывать влияние на функцию трансплантированного микробного сообщества в метаболизме и иммунной системе хозяина.
Методы
В этом исследовании мы получили набор метагеномных данных, состоящий из 5 ФМТ, содержащих данные о доноре, реципиенте и реципиенте после ФМТ, взятые несколько раз в течение периода до 535 дней после ФМТ. Для определения наличия штаммов микроорганизмов донора и реципиента после ФМТ мы использовали два известных метода отслеживания штаммов - Window-based Single Nucleotide Variant (SNV) Similarity (WSS) и StrainPhlAn. Для оценки рекомбинации между донорскими и реципиентными штаммами Bacteroides vulgatus после ФМТ мы использовали BLAST+ для анализа данных на наличие специфических антимикробных белков Bacteroidales (BSAP-3), которые имеют известные функции по ограничению видоспецифической репликации.
Результаты
Мы обнаружили, что штаммы Alistipes onderdonkii, Alistipes shahii, Alistipes putredinis и Parabacteroides merdae после ФМТ характеризовались доминированием в фекалиях либо доноров, либо реципиентов. Напротив, анализ Bacteroides spp. в пяти парах ФМТ выявил межиндивидуальные колебания во времени с появлением доминирования штаммов донора или реципиента в фекалиях. В некоторых случаях после ФМТ были также выявлены B. vulgatus и B. uniformis, которые не были ассоциированы ни с донором, ни с реципиентом. Наконец, в одном из случаев ФМТ мы выявили отдельный штамм B. vulgatus после ФМТ, который соответствовал штамму до ФМТ, но был BSAP-3 положительным, что говорит о возможной рекомбинации между штаммами донора и реципиента.
Заключение
Сложные колебания в появлении фекальных доминантных штаммов донора, реципиента или неродственных штаммов через длительное время после ФМТ дают новое представление о динамике взаимодействия микробного сообщества с реципиентами после ФМТ. Результат нашего анализа имеет значение для использования ФМТ для предсказуемого изменения биологических функций кишечного сообщества в метаболизме и иммунитете хозяина.
