• Намерете този автор в Google Scholar
  • Намерете този автор в PubMed
  • Потърсете този автор на този сайт
  • За кореспонденция: [email protected]

Редактирано от Мария М. Мота, Instituto de Medicina Molecular, Лисабон, Португалия и прието от редакционната колегия на 4 януари 2016 г. (получено за преглед на 10 март 2015 г.)

съставът

Значимост

Плазмодиевите инфекции причиняват> 200 милиона случая на малария и ~ 1 милион смъртни случая годишно. Въпреки че тези инфекции водят до болестни състояния, които варират от асимптоматични до животозастрашаващи, факторите, които допринасят за тежестта на заболяването, остават зле дефинирани. Този доклад показва, че събирането на микроби в червата може да модулира тежестта на маларията. Мишки от различни доставчици с разлики в чревния микробиом показват значителни разлики в патологията след инфекция с плазмодий. Сред бактериалните популации, които се различават между „резистентни“ и „податливи“ мишки, са Lactobacillus и Bifidobacterium, а третирането на мишки с Lactobacillus и Bifidobacterium води до намаляване на натоварването от плазмодий. Тези резултати идентифицират както неидентифициран досега рисков фактор за тежка малария, така и потенциална нова възможност за лечение.

Резюме

Инфекцията с видове плазмодий остава глобална тежест за здравето, причинявайки над 200 милиона случая на малария и около 1 милион смъртни случая годишно, като по-голямата част от смъртните случаи са деца на възраст под 5 години, живеещи в Африка на юг от Сахара (1). Много плазмодиеви инфекции са или асимптоматични, или причиняват само лека малария. Някои инфекции обаче прогресират до тежка малария, която най-често се проявява като нарушено съзнание (церебрална малария), дихателен дистрес и тежка анемия (2). Най-добрият корелат на тежестта на заболяването след инфекция с Plasmodium falciparum при хората е плътността на паразитите (3, 4).

Чревната микробиота има въздействие върху множество аспекти на физиологията на гостоприемника (5), включително формиране на податливост към множество заболявания (6 ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ –14). Ефектите на чревната микробиота върху гостоприемника са силно повлияни от колективния състав на бактериалните популации (15), а за коменсалните флори е известно, че влияят върху тежестта на местните патогени и имунитета на гостоприемника (16 ⇓ –18). В допълнение към влиянието върху местния имунитет на червата, чревният микробиом влияе върху имунитета на гостоприемника срещу вирусни инфекции в извънгастроинтестиналния тракт.

Последните проучвания също подкрепят, че чревният микробиом модулира плазмодиевите инфекции при хората. Анти – α-gal Abs, индуциран от чревния патобионт Escherichia coli O86: B7, кръстосано реагира със спорозоити от човешки и гризачи видове плазмодий, които увреждат предаването на паразита между преносителя и гръбначния гостоприемник; този кръстосан реактивен имунитет обаче не повлиява тежестта на паразитите в кръвен стадий (20). Освен това съставът на бактериите на изпражненията при малтийски деца корелира проспективно с риска от инфекция с P. falciparum, но не и прогресия до фебрилна малария (21). Важното е, че остава неясно дали микробиомът на червата също допринася за развитието на тежка малария. Използвайки миши модел на малария, тези данни показват, че чревният микробиом влияе върху тежестта на паразитите в кръвния стадий и последващата тежест на маларията.

Резултати

Мишките от различни доставчици показват различна чувствителност към малария.

Податливостта към малария корелира с разликите в популациите на цекусните бактерии. (А) Бактериални семейства, за които е установено, че са значително обогатени с мишки Jax или Tac. (Б) Бактериални семейства, идентифицирани като значително обогатени с NCI или Har мишки. Данните (средно ± SE) в A и B са от шест мишки на група и са извлечени от анализ в приложение SI, фиг. 6C. Данните бяха анализирани чрез теста на Kruskal – Wallis.

В съответствие с промените в чревната бактериална общност, анализът на метаболитите в тънките черва, сляпото черво и плазмата на мишки Jax и NCI разкрива диференциална експресия между всяка тъкан (SI Приложение, Фиг. 9A). F тест на дискриминантния анализ на частични най-малки квадрати (27), използван за изследване на вариацията между метаболитните профили при Jax и NCI мишки на база на тъкан, потвърди, че средните стойности на променливата-1 (компонент 1), които диференцират Jax от NCI мишки в всички тъкани се различават значително (P ≤ 0,0003, P ≤ 0,0001, P ≤ 0,0001), съответно за тънките черва, цекума и плазмата (SI Приложение, Фиг. 9 B – D и Таблица 2). Няколко метаболити показват големи (≥1,5 пъти) и статистически значими (P ≤ 0,1) разлики между Jax и NCI мишки, като горните 25% от метаболитите са свързани с различни метаболитни пътища (SI Приложение, Фиг. 9 E и F и Таблици 3– 5). Следователно разликите в чревните бактериални популации и метаболитите подкрепят хипотезата, че тежестта на маларията е модулирана от разликите в чревните бактериални съобщества.

Различия в чувствителността на чревната микробиома към малария.

За да тестват директно тази хипотеза, генетично идентични мишки без микроб (GF) C57BL/6 са получили трансплантации на цекално съдържание от мишки Jax или NCI. За отбелязване е, че мишките GF C57BL/6J не показват разлика в паразитемията в сравнение с конвенционалните мишки C57BL/6J след инфекция с P. yoelii nigeriensis (28). Анализите на последователността демонстрират бактериалните съобщества в колонизирани, GF мишки отразяват бактериалните съобщества на донорните общности и се различават от общностите в GF мишки, изложени само на микроби от околната среда (Фиг. 3А). Освен това се наблюдава само леко намаляване на разнообразието в общността между съответните донори и колонизирани GF мишки (SI Приложение, Фиг. 10). След инфекция с P. yoelii, GF мишки, които са получили или Jax, или NCI цекални трансплантации, са имали паразитни тежести, подобни на контролните мишки Jax и NCI (Фиг. 3 B и C). Както контролните мишки NCI, така и мишките GF, които са получили NCI цекални трансплантации, също имат намалена преживяемост в сравнение с контролните мишки Jax и мишките GF, които са получили Jac cecal трансплантации (фиг. 3D). Като цяло тези данни предоставят директна демонстрация, че тежестта на маларията се модулира от чревната микробиота.

Този доклад показва, че тежестта на маларията при мишки се влияе дълбоко от състава на чревната микробиота. Данните водят до хипотезата, че разликите в чревната микробиота могат да обяснят защо някои хора, заразени с плазмодий, прогресират до тежко заболяване, а други не. Резултатите също подкрепят възможността манипулирането на чревната микробиота да има потенциал да контролира тежестта на маларията при хората. Докато модулирането на чревната микробиота може да не предотврати плазмодиевите инфекции, промяната на чревния микробиом има потенциала да облекчи тежките заболявания и да спаси хиляди животи годишно.

Материали и методи

Мишки и инфекции.

Обикновено настанени мишки са закупени от Jax, NCI, CR, Har и Tac. Мишките GF са закупени от Националния ресурсен център за гнотобиотични гризачи в Университета на Северна Каролина в Chapel Hill. Институционалните комитети за грижа и употреба на животни от Тенеси и Университета в Луисвил прегледаха и одобриха експерименти с животни. Мишките бяха хранени с модифицирана с отворена формула мишка/облъчена с плъх диета (Harlan 7913), освен ако не е посочено друго, в този случай мишките бяха хранени с Teklad 22/5 Diet Diet (Harlan 8640), вътрешна диета Jax (5K67; Cincinnati Lab & Pet Supply, Inc.) или вътрешна диета NCI (5L79 Cincinnati Lab & Pet Supply, Inc.). GF мишките получават разреден сляп материал, администриран чрез орален сондаж. След трансплантации, мишки бяха настанени при използване на конвенционални условия. Мишките бяха заразени с P. yoelii 17XNL, P. chabaudi AS и P. berghei ANKA. Взети са кръвни проби от опашката на редовни интервали от 3 до 35 d постинфекция. Паразитемията, процент на червените кръвни клетки, заразени с плазмодий, се оценява чрез оценка на тънки кръвни мазки или поточна цитометрия. Киселото мляко е направено с помощта на стартерна култура (Yogurt Starter Culture № 2; Custom Probiotics), обогатена с пробиотична добавка на прах, съдържаща множество видове Lactobacillus и Bifidobacterium (11 Strain Probiotic Powder; Custom Probiotics). Мишките бяха лекувани с перорална антибиотична смес, състояща се от ампицилин, ванкомицин, метронидазол, неомицин сулфат и гентамицин сулфат. Клетъчният имунен отговор се измерва чрез поточна цитометрия и специфичните за MSP119 Abs се измерват чрез ELISA.

Анализ на чревната микробиота.

Дисталната половина на тънките черва, сляпото черво и дебелото черво се изрязва от мишки и се замразява бързо в течен азот. ДНК е извлечена от проби с помощта на MoBio PowerSoil DNA Isolation Kit. Бактериалните 16S рРНК гени се амплифицират, като се използват специфични за бактериите PCR праймери, насочени към V4 региона. ДНК секвенирането беше завършено с помощта на платформата MiSeq (Illumina) в Института по биотехнологии Hudson Alpha, Huntsville, AL. Последователностите са депозирани в NCBI Sequence Read Archive под Bioproject PRJNA289122. Софтуерният пакет Mothur е използван за обработка на последователности, за групиране на последователности за филогенетична класификация и за сортиране на последователностите в групи въз основа на регионите на храносмилателния тракт. Софтуерният пакет PRIMER-E е използван за разпит на връзките между филотипите в пробите и за извеждане на корелации между присъствие/изобилие от филотип и други параметри. Откриването на „биомаркерни“ последователности беше извършено с помощта на софтуерния пакет LEfSe (huttenhower.sph.harvard.edu/galaxy/).

Статистически анализ.

Описателен и сравнителен статистически анализ на данни, с изключение на данните за микробиотата на червата и метаболомиката, са направени с помощта на GraphPad Software (Prism, версия 6). AUC се изчислява за всяка група следвайки трапецовидното правило със следното уравнение: AUC t 1 - t - последно = 0,5 ∑ (Y i + Y i + 1) * (t i + 1 - t i),

където „t“ е времето за вземане на проби, а „Y“ е наблюдаваният резултат (напр. процент на паразитемия).

Благодарности

Благодарим на Брус Епългейт и Уитни Пауъл за техническата помощ. Благодарим на д-р Сара Лебейс и д-р Юсеф Абу Куайк за прегледа на ръкописа. Тази работа беше подкрепена от NIH Grant 1R21AI113386 (на N.W.S.) и гранта на Американското общество за изследване на рака RSG-14-057-01-MPC (на NW.S.), както и от професията Kenneth & Blair Mossman (на SWW) Националният ресурсен център за гнотобиотични гризачи в Университета на Северна Каролина в Чапъл Хил беше подкрепен от грантове 5-P39-DK034987 и 5-P40-OD010995.

Бележки под линия

↵ 1 N.F.V., G.R.L. и J.E.D. допринесе еднакво за тази работа.

Prese 2 Настоящ адрес: Департамент по ветеринарни клинични науки, Вашингтонски държавен университет, Pullman, WA 99164.

Принос на автора: N.F.V., S.R.C., S.W.W. и N.W.S. проектирани изследвания; N.F.V., G.R.L., J.E.D., S.P.D., C.L.H., S.S.S., J.L.G. и N.W.S. извършени изследвания; N.F.V., G.R.L., J.E.D., S.P.D., S.R.C., S.W.W. и N.W.S. анализирани данни; G.R.L., J.L.G. и S.W.W. анализирано ДНК секвениране; S.P.D. и S.R.C. анализира метаболомичните данни; и N.F.V., G.R.L., S.R.C., S.W.W. и N.W.S. написа вестника.

Авторите не декларират конфликт на интереси.

Тази статия е PNAS директно подаване. М.М.М. е гост-редактор, поканен от редакционния съвет.

Депозиране на данни: Последователностите, докладвани в тази статия, са депозирани в Националния център за биотехнологични информационни секвенции за четене в архива под Bioproject PRJNA289122.