San Diego -forskare vid University of California har utvecklat det första 3D -rumsliga visualiseringsverktyget för att kartlägga "omics" -data till hela organ. Verktyget hjälper forskare och kliniker att förstå effekterna av kemikalier, såsom mikrobiella metaboliter och mediciner, på ett sjukt organ i samband med mikrober som också bor i regionen. Arbetet kan främja riktad läkemedelsleverans för cystisk fibros och andra tillstånd där mediciner inte kan tränga igenom.

Ett team under ledning av Pieter Dorrestein, Doktorsexamen, professor vid Skaggs School of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences vid University of California San Diego och ledamot i UC San Diego Center for Microbiome Innovation, publicerade studien 19 oktober i Cellvärd och mikrobe .

Varje vrå i ett mänskligt organ har sitt eget mikrobiom - mikroorganismerna och deras gener som finns i en viss miljö. Organets anatomi och dess omgivning (temperatur, pH -nivå, näringstillgänglighet, etc.) bestämmer vilka mikroorganismer som finns. I tur och ordning, mikroorganismerna reagerar på och påverkar förekomsten av terapier.

"Vår förståelse för den rumsliga variationen av den kemiska och mikrobiella sammansättningen av ett mänskligt organ är fortfarande begränsad, "sa Dorrestein." Detta beror delvis på storleken och variationen hos mänskliga organ, och den stora mängden data vi får från metabolomics och genomics -studier. "

För att hantera denna utmaning, Dorresteins team utvecklade ett arbetsflöde med öppen källkod för att kartlägga metabolomik och mikrobiomdata till en 3D-organrekonstruktion byggd på radiologiska bilder.

Först, forskarna fick en lunga från en patient som drabbades av cystisk fibros och delade den. De analyserade proverna för närvaro av bakterier, deras metaboliter och virulensfaktorer (molekyler som bidrar till bakteriell effektivitet och gör det möjligt för dem att kolonisera en nisch i värden), och eventuella mediciner som ges till patienten under behandlingen.

Nästa, Neha Garg, Doktorsexamen, en postdoktor i Dorresteins laboratorium vid den tiden, och Mingxun Wang, en doktorand i UC San Diego lab i Nuno Bandeira, Doktorsexamen, modifierade en befintlig Google Chrome -förlängning kallad "ili" för att visualisera mikrobiom- och metabolomfördelningar på ett helt organ.

"Applikationen gör det möjligt för användaren att kartlägga data till en 2D- eller 3D -yta, så vi ändrade koden så att vi inte bara kunde kartlägga överflödesdata på ytor, men också inom modellen, "sa Garg, som nu är biträdande professor vid Georgia Tech.

För att visualisera den rumsliga lokaliseringen av bakterier och molekyler, laget skaffade CT -skanningsbilder av en mänsklig lunga och bearbetade dem för att skapa en 3D -modell.

Med "omics" -data från cystisk fibros -lungan överlagrad på 3D -lungan i den modifierade versionen av "ili, "forskarna kunde göra viktiga observationer.

"Vi kunde se att ett av antibiotika som administrerades till patienten innan vävnaden samlades inte trängde in i lungans botten - ett fenomen som inte har observerats tidigare, "sa Garg." Detta korrelerade med ett högre överflöd av den cystiska fibrosassocierade patogenen Achromobacter. Således, olika läkemedel kan differentiellt tränga in i lungan, begränsa exponeringen för effektiv dos. Vårt verktyg gör det möjligt för forskare och kliniker att visualisera denna betydande kliniska oro inom ett mänskligt organ för första gången. Detta har konsekvenser för behandling av CF och andra sjukdomar. "

Forskarna skapade öppna källor med 16, 379 molekyler och 56 mikrober som nu kommer att fungera som en resurs för forskare som forskar om cystisk fibros och andra lungassocierade sjukdomar.

"När framtida studier avslöjar mer om mikrobiomet och metabolomet, deras rumsliga visualisering kommer att ge ett medel för att dra sin biologiska betydelse, "sa Dorrestein." Dessutom, den utvecklade metoden kan utvidgas till alla mänskliga organ - särskilt de med tumörer, som är kända för att vara associerade med sina egna unika mikrobiomer. "

Teamet hoppas att arbetet kommer att bidra till förbättrad målinriktad läkemedelsleverans, som kan användas för att rätta till dålig penetration av antibiotika.