利用高度多樣化的條碼庫量化鼠傷寒沙門氏菌感染中的鼠傷寒沙門氏菌種群動態

Core Concepts

利用包含超過 55,000 個獨特標籤的高度多樣化條碼細菌庫和 STAMPR 分析框架，可以量化鼠傷寒沙門氏菌在小鼠體內的種群動態，包括嚴重的腸道定植瓶頸、腸道外快速傳播以及至少兩種不同的腸道重新播種途徑。

Abstract

參考文獻： Quantification of Salmonella enterica serovar Typhimurium Population Dynamics in Murine Infection Using a Highly Diverse Barcoded Library
研究目的： 本研究旨在量化鼠傷寒沙門氏菌在小鼠感染模型中的種群動態，特別關注宿主瓶頸、傳播途徑和感染結果的異質性。
方法： 研究人員創建了一個包含超過 55,000 個獨特條碼的鼠傷寒沙門氏菌文庫，並使用 STAMPR（基於序列標籤的 R 語言微生物種群分析）分析框架來量化小鼠體內的細菌種群動態。他們通過口服灌胃和注射途徑（腹腔注射和靜脈注射）對小鼠進行了不同劑量的感染，並分析了不同器官和時間點的細菌負擔、建立者種群大小和條碼相似性。
主要發現：

口服接種後，鼠傷寒沙門氏菌的腸道定植存在嚴重的瓶頸，只有百萬分之一的接種細胞能夠在腸道中建立生態位。
使用鏈黴素預處理小鼠會顯著放鬆腸道定植瓶頸，並增加腸道和糞便細菌種群之間的共享。
鼠傷寒沙門氏菌在腸道中以區隔化的方式複製，不同腸段和糞便之間幾乎沒有共享條碼。
鼠傷寒沙門氏菌在建立腸道複製生態位之前就已經從腸道中傳播出去。
繞過腸道瓶頸（通過靜脈注射或腹腔注射）表明，沙門氏菌在腸道外部位建立生態位後，會通過至少兩種不同的途徑重新進入腸道。
一種途徑導致腸道種群多樣化，而另一種途徑是通過膽汁重新播種，其中病原體通常是克隆性的，導致克隆性腸道種群並與膽囊病變相關。
主要結論：
本研究證明了高密度條碼文庫在破譯微生物種群動態方面的能力，並提供了對鼠傷寒沙門氏菌感染過程中傳播和定植動態的詳細了解。這些發現對開發針對沙門氏菌感染的有效干預措施具有重要意義。
意義：
這項研究對鼠傷寒沙門氏菌感染的宿主瓶頸、傳播模式和種群動態提供了新的見解。它強調了微生物群在塑造病原體定植和傳播方面的作用，並揭示了驅動感染結果異質性的隱藏傳播途徑。
局限性和未來研究：
這項研究是在小鼠模型中進行的，需要進一步的研究來驗證人類感染中的發現。未來的研究可以探索導致觀察到的種群動態的潛在機制，例如參與腸道區隔化和膽汁重新播種的因素。

Stats

口服接種 10^8 CFU 鼠傷寒沙門氏菌後，未經處理的小鼠腸道中只有約 10^2 個獨特的建立者，這表明腸道定植存在嚴重的瓶頸，使接種物種群減少了約 10^6 倍。
鏈黴素處理使腸道所有區域的建立者種群增加了 10-100 倍。
在未經處理的小鼠中，糞便條碼與腸道所有區域的條碼高度不同（GD > 0.75），這表明大多數腸道部位的鼠傷寒沙門氏菌種群沒有被排放到糞便中。
鏈黴素處理後，小鼠腸道和糞便樣本中的種群相似（平均 GD = 0.299 ± 0.06）。
鏈黴素處理使腸道外器官的建立者種群增加了約 10 倍。
在口服接種 5 小時後，肝臟樣本中發現了約 100 個鼠傷寒沙門氏菌 CFU，表明病原體在 5 小時內從腸道轉移到肝臟。
在口服接種 10^4 CFU 鼠傷寒沙門氏菌後，未經鏈黴素處理的小鼠的所有器官中均未檢測到鼠傷寒沙門氏菌，並且在所有採樣的器官中均未發現建立者。
通過靜脈注射和腹腔注射接種後，免疫豐富器官中的建立者數量與接種物的數量相似，這表明鼠傷寒沙門氏菌在通過靜脈注射和腹腔注射接種後定植免疫豐富器官時沒有遇到顯著的瓶頸。
在超過一半的通過所有接種途徑接種的動物中，膽汁中僅含有一個建立者，這表明膽囊定植存在非常嚴重的瓶頸。
在靜脈注射和腹腔注射接種後，肝臟和脾臟之間始終存在高度共享（平均 GD < 0.25）。
在腹腔注射接種後，其他腸道外部位與肝臟/脾臟區室以及彼此之間不同，這表明它們代表不同的區室（GD > 0.5）。
在靜脈注射接種後，肝臟/脾臟區室與胰腺和脂肪組織中的鼠傷寒沙門氏菌種群之間的相似性更高（平均 GD < 0.5）。
在靜脈注射或腹腔注射病原體接種後 4 天，在 8/16 和 11/16 的通過腹腔注射或靜脈注射接種的動物中分別檢測到糞便排泄。
在通過腹腔注射或靜脈注射接種的動物中，腸道樣本中的建立者數量呈雙峰分佈，一些動物的腸道樣本中建立者數量非常少，甚至只有一個（“克隆”組，n=9），而其餘動物（n=22）的建立者數量要多得多，接近於在免疫豐富樣本中觀察到的數量。
在 9 只腸道種群為克隆的動物中，有 7 只的膽汁樣本的遺傳距離為零，表明存在相同的克隆，並且強烈表明膽汁克隆通過膽總管播種到腸道。
與沒有病變的膽汁樣本相比，在膽汁渾濁和硬化的動物中，與結腸共享的膽汁條碼比例更高。

Key Insights Distilled From

Quantification of Salmonella enterica serovar Typhimurium Population Dynamics in Murine Infection Using a Highly Diverse Barcoded Library

by Hotinger,J. ... at www.biorxiv.org 06-29-2024

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.06.28.601246v1

Deeper Inquiries

如何利用本研究的發現來開發針對鼠傷寒沙門氏菌感染的新的治療策略？

本研究揭示了鼠傷寒沙門氏菌感染過程中幾個關鍵的過程，這些過程可以作為開發新治療策略的目標：

腸道菌叢： 研究證實，腸道菌叢在限制鼠傷寒沙門氏菌定植和腸道內移動方面發揮著關鍵作用。利用益生菌或糞便微生物移植等方法來恢復腸道菌叢的平衡，可以增強對感染的抵抗力。
早期散播： 鼠傷寒沙門氏菌在建立腸道感染灶之前就迅速散播到腸外器官。開發針對早期散播途徑的療法，例如阻斷細菌與宿主細胞的相互作用或增強宿主免疫系統對散播細菌的清除，可以有效地控制感染。
膽汁再感染途徑： 研究發現，鼠傷寒沙門氏菌可以通過膽汁再感染腸道，並與膽囊病變相關。開發針對膽囊感染的療法，例如使用抗生素或膽汁酸螯合劑，可以減少細菌負荷並降低再感染的風險。
宿主異質性： 研究觀察到，即使在基因相同的實驗小鼠中，腸道定植的細菌數量也存在很大差異。進一步研究造成這種宿主異質性的因素，例如宿主基因、免疫狀態和腸道環境，可以幫助開發個性化的治療策略。
總之，本研究為開發針對鼠傷寒沙門氏菌感染的新治療策略提供了重要的見解。通過針對細菌感染的關鍵過程，例如腸道定植、早期散播、膽汁再感染和宿主異質性，可以開發出更有效的治療方法來控制和預防感染。

小鼠模型中觀察到的腸道區隔化現象是否也存在於人類中，如果是，它對感染結果有何影響？

目前尚未完全確定小鼠模型中觀察到的鼠傷寒沙門氏菌腸道區隔化現象是否也存在於人類中。人類腸道環境比小鼠模型更為複雜，影響因素更多，例如飲食、生活習慣、藥物使用和個人健康狀況等。
然而，有一些間接證據表明，人類腸道中可能也存在某種程度的區隔化現象。例如，不同腸段的pH值、氧氣濃度和營養物質組成存在差異，這些差異可能會影響細菌的生長和分布。此外，人類腸道菌叢的組成和功能也存在個體差異，這也可能導致細菌在腸道內的分布不同。
如果人類腸道中確實存在區隔化現象，那麼它可能會對感染結果產生以下影響：

影響細菌定植： 不同腸段的環境差異可能會影響鼠傷寒沙門氏菌的定植能力。
影響疾病嚴重程度： 細菌在腸道內的分布可能會影響疾病的嚴重程度。例如，如果細菌主要定植在小腸，可能會導致更嚴重的腹瀉。
影響治療效果： 區隔化現象可能會影響抗生素等治療方法的效果。例如，如果細菌主要定植在腸道深處，那麼口服抗生素的效果可能會降低。
為了確定人類腸道中是否存在區隔化現象及其對感染結果的影響，需要進行更深入的研究。

除了微生物群和宿主免疫反應外，還有哪些其他因素可能影響鼠傷寒沙門氏菌的種群動態？

除了微生物群和宿主免疫反應外，還有其他幾個因素可能影響鼠傷寒沙門氏菌的種群動態：

宿主基因： 宿主基因的差異可能會影響對鼠傷寒沙門氏菌感染的易感性。例如，某些基因的多態性可能會影響宿主細胞受體的表達，從而影響細菌的粘附和入侵。
飲食： 飲食可以通過改變腸道環境和微生物群的組成來影響鼠傷寒沙門氏菌的種群動態。例如，高脂肪飲食已被證明可以促進鼠傷寒沙門氏菌的生長和散播。
年齡： 年齡是影響鼠傷寒沙門氏菌感染易感性的另一個重要因素。幼年和老年動物的免疫系統功能較弱，更容易受到感染。
壓力： 壓力會通過抑制免疫系統功能來增加對鼠傷寒沙門氏菌感染的易感性。
共感染： 與其他病原體的共感染可能會改變鼠傷寒沙門氏菌的種群動態。例如，某些病毒感染可能會抑制宿主免疫系統，從而促進鼠傷寒沙門氏菌的生長。
抗生素的使用： 抗生素的使用會擾亂腸道菌叢的平衡，從而影響鼠傷寒沙門氏菌的種群動態。在某些情況下，抗生素的使用可能會促進鼠傷寒沙門氏菌的生長。
總之，鼠傷寒沙門氏菌的種群動態是一個複雜的過程，受到多種因素的影響。了解這些因素之間的相互作用對於開發有效的感染控制策略至關重要。