I ricercatori dell'Università della California di San Diego hanno sviluppato il primo strumento di visualizzazione spaziale 3D per mappare i dati "omici" su interi organi. Lo strumento aiuta ricercatori e medici a comprendere gli effetti delle sostanze chimiche, come metaboliti microbici e farmaci, su un organo malato nel contesto di microbi che abitano anche la regione. Il lavoro potrebbe far progredire la somministrazione mirata di farmaci per la fibrosi cistica e altre condizioni in cui i farmaci non sono in grado di penetrare.

Un team guidato da Pieter Dorrestein, dottorato di ricerca, professore presso la Skaggs School of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences presso l'Università della California a San Diego e membro del team dirigenziale presso l'UC San Diego Center for Microbiome Innovation, pubblicato lo studio il 19 ottobre in Cellula ospite e microbi .

Ogni angolo di un organo umano ha il suo microbioma:i microrganismi e i loro geni che sono presenti in un particolare ambiente. L'anatomia dell'organo e il suo ambiente (temperatura, livello di pH, disponibilità di nutrienti, ecc.) determinano quali microrganismi sono presenti. A sua volta, i microrganismi rispondono e influenzano la presenza di agenti terapeutici.

"La nostra comprensione della variazione spaziale della composizione chimica e microbica di un organo umano rimane limitata, " ha detto Dorrestein. "Ciò è in parte dovuto alle dimensioni e alla variabilità degli organi umani, e l'enorme quantità di dati che otteniamo dagli studi di metabolomica e genomica".

Per affrontare questa sfida, Il team di Dorrestein ha sviluppato un flusso di lavoro open source per mappare i dati di metabolomica e microbioma su una ricostruzione di organi 3D costruita da immagini radiologiche.

Primo, i ricercatori hanno ottenuto un polmone da un paziente affetto da fibrosi cistica e lo hanno sezionato. Hanno analizzato i campioni per la presenza di batteri, i loro metaboliti e fattori di virulenza (molecole che aumentano l'efficacia batterica e consentono loro di colonizzare una nicchia nell'ospite), ed eventuali farmaci somministrati al paziente durante il trattamento.

Prossimo, Neha Garg, dottorato di ricerca, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Dorrestein all'epoca, e Mingxun Wang, uno studente laureato nel laboratorio UC San Diego di Nuno Bandeira, dottorato di ricerca, modificato un'estensione di Google Chrome esistente chiamata "ili" per visualizzare le distribuzioni del microbioma e del metaboloma su un intero organo.

"L'applicazione consente all'utente di mappare i dati su una superficie 2D o 3D, quindi abbiamo modificato il codice per consentirci di mappare i dati di abbondanza non solo sulle superfici, ma anche all'interno del modello, " disse Garg, che ora è assistente professore alla Georgia Tech.

Per visualizzare la localizzazione spaziale dei batteri e delle molecole, il team ha ottenuto immagini di scansione TC di un polmone umano e le ha elaborate per generare un modello 3D.

Con i dati "omici" del polmone della fibrosi cistica sovrapposti al polmone 3D nella versione modificata di "ili, "i ricercatori hanno potuto fare importanti osservazioni.

"Abbiamo potuto vedere che uno degli antibiotici somministrati al paziente prima della raccolta del tessuto non è penetrato nel fondo del polmone, un fenomeno che non è stato osservato prima, " ha detto Garg. "Questo è correlato con una maggiore abbondanza del patogeno associato alla fibrosi cistica Achromobacter. Così, diversi farmaci possono penetrare in modo differenziato nel polmone, limitare l'esposizione al dosaggio efficace. Il nostro strumento consente a ricercatori e medici di visualizzare per la prima volta questa significativa preoccupazione clinica all'interno di un organo umano. Ciò ha implicazioni per il trattamento della fibrosi cistica e di altre malattie".

I ricercatori hanno creato mappe open source di 16, 379 molecole e 56 microbi che ora serviranno come risorsa per gli scienziati che ricercano la fibrosi cistica e altre malattie associate ai polmoni.

"Mentre studi futuri svelano di più sul microbioma e sul metaboloma, la loro visualizzazione spaziale fornirà un mezzo per dedurre il loro significato biologico, " disse Dorrestein. "Inoltre, la metodologia sviluppata può essere estesa a qualsiasi organo umano, in particolare quelli con tumori, che sono noti per essere associati ai loro microbiomi unici".

Il team spera che il lavoro contribuirà a consentire una migliore somministrazione mirata dei farmaci, che potrebbe essere utilizzato per correggere la scarsa penetrazione degli antibiotici.