Structura microbiomului nazal și rolul acestuia în colonizarea cu Staphylococcus aureus

Un studiu realizat la nivel național în Anglia și publicat pe baza datelor colectate în perioada octombrie 2016 – mai 2017 în cadrul proiectului CARRIAGE arată că microbiomul nazal joacă un rol esențial în stabilitatea colonizării cu Staphylococcus aureus. Cercetarea, desfășurată pe un eșantion foarte larg de peste o mie de participanți, analizează structura comunităților bacteriene din vestibulul nazal și modul în care acestea determină persistența, intermitența sau absența colonizării cu S. aureus.
Rezultatele arată că numai două categorii biologic relevante ale statutului de colonizare sunt susținute de date – purtător persistent și nepurtător – iar categoria intermediară a purtătorilor „intermitenți” reflectă, de fapt, un amestec de microbiote asemănătoare uneia dintre cele două stări principale. Cercetarea arată, de asemenea, că anumite linii genetice ale S. aureus sunt mult mai eficiente în stabilirea colonizării, iar compoziția microbiomului poate prezice cu acuratețe colonizarea persistentă.

Microbiomul nazal este format din specii bacteriene variate, printre care se află atât organisme comensale, cât și potențiali agenți patogeni oportuniști. S. aureus ocupă o poziție centrală în ecologia nazală, iar purtătorii nazali au un risc crescut de infecții invazive cauzate chiar de tulpina colonizantă. Din acest motiv, decolonizarea reduce semnificativ riscul infecțios.

Studiile anterioare asupra microbiomului nazal au avut dimensiuni reduse și au fost realizate pe cohorte neuniforme. Aceste limitări au generat incertitudini majore în privința speciilor care influențează colonizarea cu S. aureus, în special a interacțiunilor cu Corynebacterium spp., Dolosigranulum pigrum și Staphylococcus epidermidis. De asemenea, înțelegerea reală a statutului de purtător a rămas parțială, deoarece nicio analiză anterioară cu eșantion mare nu a integrat date longitudinale bazate pe culturi – criteriul clinic de referință pentru definirea persistentelor de peste 70 de ani.

Despre studiu

Designul studiului și participanții

Studiul a inclus 1.180 de adulți sănătoși din comunitate, care au trimis săptămânal, timp de trei săptămâni, autoprelevări nazale utilizate atât pentru cultură bacteriană, cât și pentru secvențierea genei 16S rRNA. Dintre aceștia, 1.091 au returnat toate probele necesare pentru clasificarea statutului de colonizare:

• Persistenți: 28,0% (toate cele 3 probe pozitive)
• Intermitenți: 17,5% (1–2 probe pozitive)
• Nepurtători: 54,4% (0 probe pozitive)

Pentru analiza microbiomului au fost procesate 1.756 probe, dintre care 1.055 au trecut toate etapele de calitate și decontaminare, rezultând un set final de 53 de unități taxonomice operaționale (OTU) reprezentând 24 de specii.

Analize de diversitate microbiană

Autorii au evaluat diversitatea intraproba (Alfa) și interproba (Beta) pentru a înțelege structura ecologică a comunităților bacteriene.

• Diversitatea Alfa a fost semnificativ mai scăzută la purtătorii persistenți, datorită dominației masive a S. aureus (p < 0,001).
• Diversitatea Beta a arătat grupuri distincte pentru persistenți vs. nepurtători, în timp ce intermitenții s-au suprapus cu aceste două grupuri, fără a forma un cluster unic.

Structura comunităților microbiene

Clusteringul ierarhic a identificat șapte tipuri de comunități bacteriene (CST), cu următoarele caracteristici:

• CST I – dominat de S. aureus, frecvent la purtătorii persistenți (72,4%).
• Celelalte CST erau dominate de Corynebacterium pseudodiphtheriticum, C. accolens, C. jeikeium și D. pigrum, toate asociate cu absența colonizării persistente.

Analiza diferențelor de abundență a arătat că persistența colonizării este asociată negativ cu Corynebacterium spp., D. pigrum, S. epidermidis și Moraxella catarrhalis. În schimb, singura specie asociată pozitiv cu persistența a fost S. aureus.

Clarificarea statutului „intermitent”

Autorii au demonstrat că purtătorii „intermitenți” nu reprezintă o categorie biologic distinctă. Aceștia se împart în:

• persoane cu microbiom asemănător nepurtătorilor (dominată de Corynebacterium și D. pigrum);
• persoane apropiate de profilul purtătorilor persistenți, adesea cu încărcătură bacteriană ridicată.

Această constatare confirmă ipoteza că purtătorii intermitenți sunt fie nepurtători expuși tranzitoriu la S. aureus, fie purtători persistenți cu ocazionale probe fals-negative.

Modele de predicție

Un model de învățare automată de tip Random Forest a reușit să prezică statusul de colonizare cu o acuratețe de 75,2%. Modelul:

• a prezis cel mai bine purtătorii persistenți (sensibilitate 83%, specificitate 88,2%);
• a prezis excelent nepurtătorii (sensibilitate 94,8%);
• nu a reușit să identifice purtătorii intermitenți, sprijinind concluzia că nu formează un grup distinct.

Speciile cu cea mai mare importanță în predicție au fost S. aureus, Corynebacterium spp. și D. pigrum.

Rolul filiațiilor genetice ale S. aureus

Prin corelarea microbiomului cu secvențele genomice ale 172 de izolate S. aureus, cercetarea a identificat două clustere filogenetice majore:

• Cluster A – tulpini mai puțin dominante;
• Cluster B – tulpini cu abundență mai mare, incluzând ST30, ST34, ST398 și ST45, asociate cu colonizare persistentă.

Acest rezultat arată că capacitatea de colonizare poate fi specifică liniei bacteriene, explicând parțial de ce unii indivizi sunt purtători persistenti.

Rezultate

În ansamblu, studiul dezvăluie mecanismele ecologice care guvernează colonizarea nazală:

• Colonizarea persistentă se bazează pe dominarea masivă a S. aureus în comunitatea nazală.
• Nepurtătorii sunt caracterizați prin diversitate ridicată și o abundență mare de Corynebacterium spp. și D. pigrum.
• Purtătorii intermitenți reprezintă o categorie instabilă, fără identitate microbiană proprie.
• Anumite linii genetice ale S. aureus sunt mai bine adaptate la colonizare.
• Structura microbiotei prezice cu acuratețe cine este sau nu purtător persistent.

Concluzii

Această analiză cu cel mai mare eșantion de până acum arată că stabilitatea colonizării cu S. aureus este determinată de structura microbiomului nazal, de competiția ecologică cu alte specii și de linia genetică a tulpinii bacteriene. Descoperirile au implicații majore pentru:

• strategiile de prevenire a infecțiilor S. aureus;
• dezvoltarea de bioterapeutice vii bazate pe bacterii antagoniste;
• diagnosticul și screeningul purtătorilor cu risc crescut.