Изучение стабильности микробного сообщества кишечника является важным в связи с растущим осознанием роли этих сообществ в здоровье человека.
Предыдущие исследования показали, что таксономический состав микробного сообщества кишечника человека относительно стабилен с течением времени. Более поздние исследования использовали более глубокий анализ, состоящий из метагеномного секвенирования ДНК микробных сообществ в сочетании с информатикой, чтобы установить, что микробное сообщество кишечника состоит из консорциума микробных штаммов.
Кейси Д. Морроу и его коллеги из Университета Алабамы ранее разработали метод "отпечатков пальцев" микробиома под названием WSS (Window-based Single Nucleotide Variant Similarity), который позволяет идентифицировать отдельные штаммы определенных кишечных бактерий путем анализа данных метагеномики образцов кала. Они показали, что отдельные штаммы у взрослых людей, как правило, остаются стабильными с течением времени, если их не нарушают такие события, как прием антибиотиков или хирургическое лечение ожирения. Они также увидели, что штамм донорского фекального трансплантата, полученный для лечения резистентных к антибиотикам инфекций Clostridium difficile, сохранялся в организме реципиента в течение двух лет после трансплантации.
Дисбиоз в микробном сообществе желудочно-кишечного тракта человека может функционально влиять на микробный метаболизм и колонизационную резистентность к патогенам. Для дальнейшего выяснения индикаторов дисбиоза микробных штаммов авторы разработали аналитический метод PKS (metabolic pathways for a selected strain), позволяющий выявить паттерны присутствия/отсутствия выбранных метаболических путей для выбранного штамма. Этот метод позволяет идентифицировать суб-штаммы одного штамма, выявленные с помощью WSS. Например, для поиска подштаммов штамма Bacteroides vulgatus Морроу и коллеги изучили 23 различных метаболических пути, присущих этой бактерии.
Данный расширенный анализ они применили для мониторинга изменений в суб-штаммах в течение более коротких периодов времени, дней или недель, в двух ключевых бактериях кишечника - B. vulgatus и Bacteroides uniformis. Сравнивая небольшое количество здоровых людей и госпитализированных пациентов с COVID-19, они увидели разницу в динамике субштаммов, которая, по их мнению, предвещает замедление темпов изменения штаммов у больных пациентов. Это замедление может в конечном итоге привести к дисбиозу в сообществе микробных штаммов, что может предвещать смену доминирующих штаммов микробиома кишечника.
В исследовании, опубликованном в журнале Scientific Reports, авторы начали с анализа ранее известных данных метагеномики 41 человека, у которых пробы были взяты с разницей в один год, и 11 человек, у которых пробы были взяты с разницей в 90 дней. Они рассмотрели один доминирующий штамм B. vulgatus у каждого индивидуума в двух временных точках, чтобы увидеть, продемонстрировали ли различные метаболические пути субштаммы, выявленные в результате проведения анализа PKS. В целом, у большинства из них наблюдалась разная картина PKS субштаммов между двумя временными точками у каждого индивидуума.
Затем исследователи проанализировали ранее опубликованные данные метагеномики шести здоровых людей, отбираемых каждые несколько дней в течение трех-десяти недель, и снова проанализировали суб-штаммы по 23 метаболическим путям. У трех человек в каждой временной точке наблюдался другой суб-штамм, а у трех суб-штаммов наблюдались PKS паттерны, которые появлялись, исчезали и снова появлялись в разных временных точках. Общие PKS паттерны были также замечены у двух из трех госпитализированных пациентов COVID-19, у которых пробы брались несколько раз.
"Мы предполагаем, что микробные сообщества кишечника в условиях стресса, например, у госпитализированных пациентов с COVID-19, могут находиться в состоянии, указывающем на потенциальный сдвиг, при котором доминирующий штамм будет вытеснен минорным штаммом", - говорит Морроу. "Нарушения в микробном сообществе кишечника, вызванные изменением штамма, могут, в свою очередь, изменить структуру сообщества и повлиять на функции метаболизма и колонизационную резистентность".
"Одной из особенностей сложной биологической системы является то, что по мере приближения к критическому переходу происходит замедление присущих ей темпов изменений", - считает Морроу. "Система входит в состояние, связанное с автокорреляцией, когда паттерны повторяются между временными точками. Возможно, что общие кластеры метаболических путей представляют собой состояние автокорреляции в сообществе штаммов микроорганизмов кишечника, которое предвещает смену штамма".
Оба вида Bacteroides встречаются в большом количестве в микрофлоре кишечника и могут быть ключевыми видами, организмами, которые помогают в формировании всей экосистемы.
