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生物信息学工具跟踪使用抗生素后肠道菌群的变化

阿拉巴马州伯明翰大学(UAB)的研究人员提供了新的见解,说明人类使用抗生素如何破坏肠道系统中细菌的群落。该团队的研究表明,新的肠道微生物菌株是如何出现并取代预处理菌株的,有时只是暂时的,但有时是长期的。应变恢复的模式因人而异。“从我们的分析中可以看出,新菌株数量和稳定性的恢复能力对每个人都是特定的,” UAB细胞,发育和整合生物学系研究团队负责人,名誉教授Casey Morrow博士说。

生物信息学工具跟踪使用抗生素后肠道菌群的变化

“了解这种恢复模式,包括抗生素后出现特定的菌株,可能是长期健康的重要考虑因素,” Morrow及其同事在他们在Biofilms和Microbiomes上发表的论文中总结道。“将来,这些个体特异性恢复模式的特征还可以用来预测对内源性和外源性微生物病原体的敏感性。”该团队的论文标题为“ 抗生素后肠道微生物菌株的个体化恢复。”

居住在胃肠道中的细菌群落在维持健康中起关键作用,许多研究表明,抗生素会破坏肠道微生物组的组成。作者写道:“这些研究的共识是,抗生素会导致微生物成分的破坏,从而对社区结构产生长期影响。” “由于这种破坏,社区的正常功能受到损害。”

现在可以使用下一代测序技术来分析细菌菌株变异体,而无需进行微生物培养。在他们的研究中,研究人员使用了由UAB开发的生物信息学工具,该工具可以评估不同样品中多种微生物的应变相关性,以分析来自之前描述的两项研究的数据。在其中一项研究中,有18位患者接受了一种抗生素头孢曲唑的治疗,为期一周。在预处理时间点,在抗生素治疗结束时和治疗后三个月再次收集参与者的粪便样品。第二项研究分析了12个人,他们接受了美罗培南,庆大霉素和万古霉素这三种抗生素的组合治疗,为期4天。在这项研究中,参与者的粪便样本是在预处理时收集的,在治疗结束后,治疗后第4、38和176天再次进行。来自六个未接受抗生素的对照个体的数据也包括在UAB分析中。

使用生物信息学工具(称为基于窗口的单核苷酸变异(SNV)相似性)对研究数据进行了分析,以评估由于抗生素治疗而导致的不同样品之间细菌菌株的出现和相关性。Hyunmin Koo博士说:“这项研究使用了UAB先前开发的一种应变追踪生物信息学工具,称为基于窗口的相似性单核苷酸变异体(WSS),用于追踪从预处理到抗生素后处理的个体微生物菌株。” ,位于UAB遗传学系和Heflin基因组科学中心。Koo领导了信息学分析,并且是该论文的第一作者。2017年,UAB研究人员使用WSS进行了首次直接证明,粪便供体微生物用于治疗复发性患者艰难梭状芽胞杆菌感染-粪便移植后在接收者中保留数月或数年。

Koo补充说:“这项技术可以进一步分析抗生素对人体肠道菌群的影响。” “微生物组的先前研究已经能够确定总体分类学概况,包括每个物种的相对丰度信息,但显示出在菌株水平上区分每种物种或在纵向水平上追踪每个个体中相同菌株的局限性。”

最新报道的研究结果显示,在对照组中,最丰富的10种细菌的菌株保持稳定。相反,经抗生素治疗的队列显示其肠道菌群发生了变化。在接受单一抗生素治疗的18个人中,有15个人表现出在治疗后出现了暂时性毒株,但随后在治疗后三个月又被原始毒株替代。“我们注意到在一些情况下,新菌株的繁殖(不同于预菌株)大量繁殖,这些菌株是短暂的,最终被预菌株取代……”研究人员说。“最可能,新菌株的初期开花是由于与抗生素前菌株相比,对营养的更有效竞争,尽管这也可能是抗生素前菌株对抗生素的敏感性更高。随着整个微生物群落结构的恢复,抗生素前菌株重新获得竞争优势。”

在三联抗生素个体中,微生物菌株的变化更为明显,与接受单一抗生素的个体和对照数据集相比,它们显示出“新菌株的显着增加”。经三联抗生素治疗的个体中的新污点在治疗后的分析时间点持续了六个月。

分析还发现,与单一抗生素施用相比,接受三种抗生素的个体中瞬时菌株的比例显着更高。Morrow说,这些变化并不是由于增长率的差异所致,而是表明对另一种稳定的微生物组状态的长期变化。他补充说:“随着个体年龄的增长,抗生素治疗的次数和周期各不相同,微生物菌株的库将被耗尽,从而导致特定微生物菌株的个体内恢复模式,”他补充说。

“鉴于微生物组对人类健康的重要性,我们认为这些数据集的结果可用于帮助评估不同条件下微生物组的稳定性,” Morrow指出。“例如,我们现在可以为临床研究人员提供指导,以判断某些疾病(例如癌症或糖尿病)的治疗对肠道微生物群落的影响,这可能对评估结局具有重要意义。此外,该方法可应用于患者住院之前和之后,以识别可能需要进一步管理其微生物组的个体。”

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