Een gezamenlijke inspanning van een team van onderzoekers van drie instellingen, waaronder het Marine Biological Laboratory (MBL) in Woods Hole, het Forsyth Institute in Cambridge en de Washington University in St. Louis gaven een vroege glimp van hoe microbiële gemeenschappen in de darm - gezamenlijk bekend als het darmmicrobioom - ruimtelijk georganiseerd zijn, het blootleggen van een verrassende mate van vermenging tussen verschillende bacteriële leden.

De studie, die zal verschijnen in het nummer van 13 oktober van De procedures van de National Academy of Sciences (PNAS) , is de eerste die de driedimensionale structuur van een diverse reeks darmmicroben onderzoekt en enkele grote verschillen blootlegt tussen het microbiële landschap van de darm en die van andere lichaamssites, zoals de mond.

"Niemand heeft eerder op deze manier naar een complexe microbiële gemeenschap in de darm gekeken, " zei senior auteur Gary Borisy, een senior onderzoeker bij het Forsyth Institute. "Als we de rol van het microbioom echt willen begrijpen, het is niet voldoende om te weten welke microben aanwezig zijn. We moeten ook leren wat ze doen, met wie ze praten en waarom. Een deel van het antwoord op dat probleem is om erachter te komen wie naast wie staat en wie naast wat."

Dat is precies wat Borisy en zijn collega's, waaronder eerste auteur Jessica Mark Welch van het Marine Biological Laboratory en collega's in het Gordon-laboratorium aan de Washington University in St. Louis, aan de slag gaan. Het onderzoeksteam introduceerde 15 verschillende bacteriesoorten in kiemvrije muizen, het creëren van een gehumaniseerd model van het darmmicrobioom. Hoewel het slechts een gedeeltelijke weergave is van de volledige reeks microben die typisch in de menselijke darm worden aangetroffen, deze vereenvoudigde microbiële gemeenschap bood een belangrijke kans om te onderzoeken hoe microben zich in verschillende buurten verzamelen.

"We gebruikten sondes die elk van de bacteriesoorten verlichtten met een andere kleur, zodat we precies konden zien hoe de bacteriën waren gerangschikt ten opzichte van elkaar en ten opzichte van oriëntatiepunten zoals voedsel en gastheerweefsel, " zei Jessica Mark Welch, associate scientist bij het Marine Biological Laboratory.

Gebaseerd op eerdere studies van het darmmicrobioom en hun eigen onderzoek naar het orale microbioom (met name de plaque die zich op tanden vormt), het onderzoeksteam verwachtte een aanzienlijke hoeveelheid structuur.

"Op de plaatsen die we tot nu toe in de mond hebben onderzocht, we zien sterk geordende microbiële gemeenschappen - zozeer zelfs dat je ze zou kunnen voorstellen als meercellige organen, zoals een lever of een thymusklier, " legde Borisy uit. "Ze zijn gemaakt van bacteriële cellen, natuurlijk, maar er zijn veel verschillende celtypen die op een zeer gestructureerde manier zijn georganiseerd, zoals een lichaamsorgaan."

Maar dat is niet wat ze vonden. In de darm, de onderzoekers observeerden een hoge mate van vermenging tussen microben - geen volledig homogeen mengsel, maar nog steeds sterk vermengd. "We vergelijken het met een bioreactor, waar dingen worden geroerd en goed gemengd, ’ voegde Boris toe.

Hoewel dit model darmmicrobioom een ​​sterk georganiseerde structuur miste, de onderzoekers identificeerden wel enkele "micro"-habitats, waar bacteriële cellen de neiging hebben om samen te komen. Deze plaatsen omvatten het weefsel dat het binnenoppervlak van de darm bedekt (het "epitheel"), die meestal is bedekt met een laag slijm. Ze omvatten ook de centrale ruimte (het "lumen"), waar zowel voedsel als slijm wordt verzameld. Hoewel de microbiële populaties op deze locaties enigszins varieerden in hun algehele samenstelling - dat wil zeggen, de relatieve verhoudingen van de verschillende bacteriën kunnen fluctueren - de onderzoekers hebben geen grote verschillen waargenomen, zoals een bacteriesoort die uitsluitend op de ene plaats wordt aangetroffen en niet op een andere.

"We denken dat de gastheer de microbiële gemeenschap homogeniseert, spiersamentrekkingen gebruiken om de darminhoud te mengen en tegen de darmwand te duwen, en het afstoten van slijm en epitheelcellen van de wand in het lumen, " voegde Mark Welch toe. "Het kan zijn dat deze vermenging een stabiele relatie tussen de gastheer en de microben mogelijk maakt."

Het vermogen van de onderzoekers om dit ingewikkelde microbiële beeld op te lossen vloeit voort uit een experimentele strategie waarin Borisy en zijn collega's geavanceerde technologieën en methoden combineren. Deze omvatten chemische technieken die het mogelijk maken om 15 verschillende microben te labelen; geavanceerde beeldvormingsmethoden die deze labels kunnen detecteren en oplossen; geavanceerde microscopie die optisch (in plaats van fysiek) door weefsels kan snijden om complexe, driedimensionale exemplaren; en software die de analyse en reconstructie van honderden biologische beelden mogelijk maakt. Deze innovatieve benadering werd voor het eerst toegepast op studies van het plaque-microbioom, gepubliceerd door Borisy en zijn collega's in 2016, en meer recentelijk naar het darmmicrobioom, zoals beschreven in hun nieuwe PNAS-studie.

Hoewel het darmmicrobioom misschien los lijkt te staan ​​van die in andere delen van het lichaam, er zijn cruciale lessen die kunnen voortvloeien uit het bestuderen ervan op een holistische manier. Het meeste werk van het Forsyth Institute is gericht op het orale microbioom met als doel om microbiële gemeenschappen beter te begrijpen. Naast een beter begrip van wat de regels zijn voor het besturen van een bepaald microbioom door verschillende plaatsen in het lichaam te bestuderen, het is ook mogelijk dat microbiële gemeenschappen - hoewel fysiek gescheiden - op manieren kunnen interageren die de gezondheid beïnvloeden.

Borisy benadrukte dat dit soort microbioomonderzoek nog in de kinderschoenen staat. Hoe dan ook, het is essentieel voor het ontwikkelen van een diep begrip van de microbiële functie. "Stel je voor dat je Boston binnenkomt en iemand geeft je een telefoonboek van iedereen die daar woont. Dat is geweldig - nu heb je een lijst van wie daar is. Maar vertel me, hoeveel heb je geleerd over Boston als stad?"