核心概念
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。
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。
統計資料
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。