Onderzoekers van de Universiteit van Californië in San Diego hebben de eerste 3D-tool voor ruimtelijke visualisatie ontwikkeld voor het in kaart brengen van 'omics'-gegevens op hele organen. De tool helpt onderzoekers en clinici de effecten van chemicaliën te begrijpen, zoals microbiële metabolieten en medicijnen, op een ziek orgaan in de context van microben die ook in de regio leven. Het werk zou een gerichte medicijnafgifte kunnen bevorderen voor cystische fibrose en andere aandoeningen waarbij medicijnen niet kunnen doordringen.

Een team onder leiding van Pieter Dorrestein, doctoraat, professor aan de Skaggs School of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences aan de University of California San Diego en een lid van het leiderschapsteam in het UC San Diego Center for Microbiome Innovation, publiceerde de studie 19 oktober in Celgastheer en microbe .

Elk hoekje en gaatje van een menselijk orgaan heeft zijn eigen microbioom:de micro-organismen en hun genen die in een bepaalde omgeving aanwezig zijn. De anatomie van het orgaan en zijn omgeving (temperatuur, pH-waarde, beschikbaarheid van voedingsstoffen, etc.) bepalen welke micro-organismen aanwezig zijn. Beurtelings, de micro-organismen reageren op en beïnvloeden de aanwezigheid van therapieën.

"Ons begrip van de ruimtelijke variatie van de chemische en microbiële samenstelling van een menselijk orgaan blijft beperkt, "zei Dorrestein. "Dit is gedeeltelijk te wijten aan de grootte en variabiliteit van menselijke organen, en de enorme hoeveelheid gegevens die we krijgen van metabolomics- en genomics-onderzoeken."

Om deze uitdaging aan te gaan, Het team van Dorrestein ontwikkelde een open-source workflow voor het in kaart brengen van metabolomics- en microbioomgegevens op een 3D-orgelreconstructie op basis van radiologische beelden.

Eerst, de onderzoekers verkregen een long van een patiënt die leed aan cystische fibrose en sneden deze in stukken. Ze analyseerden de monsters op de aanwezigheid van bacteriën, hun metabolieten en virulentiefactoren (moleculen die bijdragen aan bacteriële effectiviteit en hen in staat stellen een niche in de gastheer te koloniseren), en eventuele medicijnen die tijdens de behandeling aan de patiënt worden gegeven.

Volgende, Neha Garg, doctoraat, destijds een postdoctoraal onderzoeker in het lab van Dorrestein, en Mingxun Wang, een afgestudeerde student in het UC San Diego-lab van Nuno Bandeira, doctoraat, wijzigde een bestaande Google Chrome-extensie genaamd "ili" om microbioom- en metaboloomdistributies op een heel orgaan te visualiseren.

"De applicatie stelt de gebruiker in staat om gegevens in kaart te brengen op een 2D- of 3D-oppervlak, dus hebben we de code aangepast zodat we de overvloedgegevens niet alleen op oppervlakken kunnen weergeven, maar ook binnen het model, " zei Garg, die nu een assistent-professor is bij Georgia Tech.

Om de ruimtelijke lokalisatie van de bacteriën en moleculen te visualiseren, het team kocht CT-scanbeelden van een menselijke long en verwerkte deze om een ​​3D-model te genereren.

Met de "omics"-gegevens van de cystische fibrose-long bovenop de 3D-long in de aangepaste versie van "ili, ’ konden de onderzoekers belangrijke observaties doen.

"We konden zien dat een van de antibiotica die aan de patiënt werd toegediend voordat het weefsel werd verzameld, niet tot in de longen doordrong - een fenomeen dat nog niet eerder is waargenomen, " zei Garg. "Dit correleerde met een hogere abundantie van de cystic fibrosis-geassocieerde pathogeen Achromobacter. Dus, verschillende medicijnen kunnen op verschillende manieren de long binnendringen, blootstelling aan een effectieve dosering te beperken. Met onze tool kunnen onderzoekers en clinici deze belangrijke klinische zorg voor het eerst in een menselijk orgaan visualiseren. Dit heeft implicaties voor de behandeling van CF en andere ziekten."

De onderzoekers maakten open-source kaarten van 16, 379 moleculen en 56 microben die nu zullen dienen als hulpbron voor wetenschappers die onderzoek doen naar cystische fibrose en andere longgerelateerde ziekten.

"Naarmate toekomstige studies meer ontrafelen over het microbioom en metaboloom, hun ruimtelijke visualisatie zal een middel bieden om hun biologische betekenis af te leiden, "zei Dorrestein. "Bovendien, de ontwikkelde methodologie kan worden uitgebreid tot elk menselijk orgaan, met name die met tumoren, waarvan bekend is dat ze geassocieerd zijn met hun eigen unieke microbioom."

Het team hoopt dat het werk zal helpen om een ​​betere gerichte medicijnafgifte mogelijk te maken, die kunnen worden gebruikt om een ​​slechte penetratie van antibiotica te corrigeren.