Các nhà nghiên cứu tạo ra bản đồ về hệ vi sinh đường ruột

Một nỗ lực hợp tác của một nhóm các nhà nghiên cứu từ ba tổ chức bao gồm Phòng thí nghiệm sinh học biển (MBL) tại Woods Hole, Viện Forsyth ở Cambridge và Đại học Washington ở St. Louis đã cung cấp một cái nhìn sơ lược về cách các cộng đồng vi sinh vật trong ruột - gọi chung là hệ vi sinh đường ruột - được tổ chức theo không gian, phát hiện ra sự pha trộn giữa các thành viên vi khuẩn khác nhau ở một mức đáng ngạc nhiên.

Nghiên cứu này sẽ xuất hiện trong số ra ngày 13 tháng 10 của Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia (The Proceedings of the National Academy of Sciences - PNAS), là nghiên cứu đầu tiên để khảo sát cấu trúc ba chiều của một loạt các vi khuẩn ruột và khám phá ra một số khác biệt rõ rệt giữa cảnh quan vi khuẩn ở ruột và ở các cơ quan khác trong cơ thể, chẳng hạn như ở miệng.

Tác giả cao cấp Gary Borisy, một điều tra viên nghiên cứu cấp cao của Viện Forsyth, cho biết: "Trước đây, chưa có ai nhìn vào một cộng đồng vi khuẩn phức tạp trong ruột theo cách này. Nếu chúng ta thật sự muốn hiểu được vai trò của hệ vi sinh đường ruột thì chỉ biết những vi khuẩn nào có mặt thôi là chưa đủ. Chúng ta cũng phải biết chúng đang làm gì, đang nói chuyện với ai và tại sao. Một phần của câu trả lời cho vấn đề đó là để tìm ra ai bên cạnh ai và ai đang bên cạnh những gì. "

Đó chính xác là những gì Borisy và các cộng sự của ông, bao gồm tác giả đầu tiên Jessica Mark Welch của Phòng thí nghiệm sinh học biển và các đồng nghiệp thuộc phòng thí nghiệm Gordon tại Đại học Washington ở St. Louis, đã đặt ra. Nhóm nghiên cứu đưa 15 loài vi khuẩn khác nhau vào chuột không có vi trùng, tạo ra mô hình hệ vi sinh đường ruột kiểu loài người. Mặc dù nó chỉ là một phần đại diện cho toàn bộ vi khuẩn được tìm thấy trong ruột người, cộng đồng vi sinh vật đơn giản hóa này cung cấp một cơ hội chủ yếu để khám phá xem các vi khuẩn có thể tập hợp thành các vùng lân cận riêng biệt như thế nào.

Jessica Mark Welch, nhà khoa học liên kết với Phòng thí nghiệm sinh học biển, cho biết: "Chúng tôi đã sử dụng các đầu dò để đánh dấu các loài vi khuẩn theo màu khác nhau, để chúng ta có thể thấy chính xác vi khuẩn đã được sắp xếp tương đối với nhau và liên quan đến những điểm mốc như thực phẩm và mô tế bào chủ như thế nào ".

Dựa trên các nghiên cứu trước đây về hệ vi sinh đường ruột cũng như nghiên cứu của chính họ về hệ vi khuẩn miệng (đặc biệt là mảng bám trên răng), nhóm nghiên cứu dự kiến sẽ thấy một lượng lớn cấu trúc.

Borisy giải thích: "Tại các địa điểm chúng tôi đã xem xét cho đến nay trong miệng, chúng tôi thấy các cộng đồng vi khuẩn được sắp xếp theo thứ tự chặt chẽ - rất nhiều để bạn có thể tưởng tượng chúng như các cơ quan đa bào, như gan hoặc tuyến ức. Tất nhiên chúng được tạo thành từ tế bào vi khuẩn, nhưng có rất nhiều loại tế bào khác nhau được tổ chức theo một cấu trúc chặt chẽ như cơ quan trong cơ thể."

Nhưng đó không phải là những gì họ tìm thấy. Trong ruột, các nhà nghiên cứu quan sát thấy sự pha trộn ở mức độ cao giữa các vi khuẩn - không phải là một hỗn hợp hoàn toàn đồng nhất, mà vẫn rất lẫn lộn. Borisy nói thêm: "Chúng tôi so sánh nó với một lò phản ứng sinh học, nơi mà mọi thứ đang được khuấy và trộn kỹ”.

Mặc dù mô hình ruột mô này thiếu cấu trúc có tổ chức cao, các nhà nghiên cứu đã xác định được một số "vi" - môi trường, nơi các tế bào vi khuẩn có xu hướng tụ tập. Những vị trí này bao gồm các mô lót bên trong bề mặt của ruột ("biểu mô"), mà thường được bao phủ bởi một lớp chất nhầy. Chúng cũng bao gồm không gian trung tâm ("lòng ruột"), nơi mà thức ăn cũng như chất nhầy được thu thập. Mặc dù các quần thể vi khuẩn tại các vị trí này thay đổi một chút trong trang điểm tổng thể của chúng - nghĩa là tỷ lệ tương đối của các vi khuẩn khác nhau có thể dao động - các nhà nghiên cứu đã không nhận thấy bất kỳ sự khác biệt lớn nào, chẳng hạn như một loài vi khuẩn được tìm thấy độc nhất ở một nơi chứ không gặp ở 1 nơi khác.

Mark Welch cho biết: "Chúng tôi nghĩ rằng ký chủ đang đồng nhất hóa cộng đồng vi sinh vật, sử dụng sự co cơ để trộn các chất trong ruột và đẩy chúng vào thành ruột, và tiết chất nhầy và các tế bào biểu mô từ trên thành vào lòng ruột. Có thể sự pha trộn này là mối quan hệ ổn định giữa ký chủ và vi khuẩn."

Khả năng của các nhà nghiên cứu để giải quyết những dòng chảy hình ảnh vi khuẩn phức tạp này từ một chiến lược thực nghiệm, trong đó Borisy và các đồng nghiệp của ông kết hợp các công nghệ và phương pháp tinh vi. Chúng bao gồm các kỹ thuật hóa học để cho phép dán nhãn 15 vi khuẩn khác nhau; các phương pháp hình ảnh tiên tiến có thể phát hiện và giải quyết các nhãn này; kính hiển vi đầu cắt có thể cắt lát qua các mô quang học (chứ không phải vật lý) để hình dung các mẫu vật phức tạp ba chiều; và phần mềm tạo điều kiện cho việc phân tích và tái tạo hàng trăm hình ảnh sinh học. Cách tiếp cận sáng tạo này lần đầu tiên được áp dụng cho các nghiên cứu về hệ vi sinh ở mảng bám, do Borisy và các cộng sự của ông xuất bản năm 2016, và gần đây nhất đối với vi sinh vật ruột, như mô tả trong nghiên cứu PNAS mới của họ.
Mặc dù vi sinh vật trong ruột dường như bị ngắt kết nối với những hệ vi sinh trong các phần khác của cơ thể, nhưng có những bài học quan trọng có thể rút ra từ việc nghiên cứu chúng một cách toàn diện. Hầu hết các nghiên cứu của Viện Forsyth là về hệ vi sinh ở miệng với một mục tiêu là hiểu rõ hơn về cộng đồng vi sinh vật. Ngoài việc hiểu rõ hơn về những quy tắc để điều khiển một hệ vi sinh thông thường bằng cách nghiên cứu nhiều vị trí trong cơ thể, cũng có thể là các cộng đồng vi sinh vật - trong khi tách biêt về thể chất - có thể tương tác với nhau theo những cách có ảnh hưởng đến sức khỏe.

Borisy nhấn mạnh rằng loại nghiên cứu vi mô này đang còn rất mới. Tuy nhiên, điều cần thiết là phải phát triển một sự hiểu biết sâu sắc về chức năng vi khuẩn. "Hãy tưởng tượng bạn đi vào Boston và ai đó đưa cho bạn một danh bạ điện thoại của mọi người sống ở đó, thật là tuyệt vời - bây giờ bạn có một danh sách những người ở đó. Nhưng hãy nói với tôi, bạn đã học được bao nhiêu về Boston như một thành phố?"
Paper cited:

Mark Welch JL, Hasegawa Y, McNulty NP, Gordon JI, Borisy GG. "Spatial organization of a model 15-member human gut microbiota established in gnotobiotic mice." Proceedings of the National Academy of Sciences DOI: 10.1073/pnas.171596114