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Method Article
In diesem Manuskript diskutieren wir eine neuartige Methode zur Probenahme und Analyse des Zwölffingerdarm-Mikrobioms. Diese Methode liefert eine genaue Abbildung der mikrobiellen Diversität und Zusammensetzung im Zwölffingerdarm und könnte für weitere Untersuchungen des zwölffingerdarmen Mikrobioms nützlich sein.
Verschiebungen im Mikrobiom wurden mit der Physiologie und Pathophysiologie vieler Organsysteme sowohl beim Menschen als auch bei Mausmodellen korreliert. Das Darmmikrobiom wird in der Regel durch die Entnahme von Stuhlproben untersucht. Die Leichtigkeit, Stuhlproben zu entnehmen, hat zu vielen Studien geführt, die Informationen über den distalen luminalen Gastrointestinaltrakt enthüllt haben. Allerdings haben sich nur wenige Studien mit der Bedeutung des Mikrobioms im proximalen Darm befasst. Angesichts der Tatsache, dass der Zwölffingerdarm ein wichtiger Ort für die Verdauung und Resorption ist, ist sein Mikrobiom für die Ernährung und Lebererkrankungen relevant und rechtfertigt weitere Untersuchungen. Hier beschreiben wir eine neuartige Methode zur Probenahme des proximalen luminalen und mukosalen Darmmikrobioms bei menschlichen Probanden, die sich einer oberen Endoskopie unterziehen, durch Entnahme von Duodenalaspirat und Biopsien. Die Probenbeschaffung ist einfach und wird nicht durch Artefakte wie die Einhaltung der Präparation durch den Patienten beeinflusst, wie dies bei der Entnahme von Dickdarmproben während der Koloskopie der Fall sein kann. Die vorläufigen Ergebnisse zeigen, dass sich das luminale und das mukossale Mikrobiom signifikant unterscheiden, was wahrscheinlich mit den Umweltbedingungen und Barrierefunktionen zusammenhängt. Eine Kombination aus Zwölffingerdarmaspirat und Biopsien ergibt daher ein umfassenderes Bild des Mikrobioms im Zwölffingerdarm. Die Biopsien werden aus den absteigenden und horizontalen Segmenten des Zwölffingerdarms gewonnen, die anatomisch nahe an der Leber und dem Gallenbaum liegen. Dies ist wichtig, um die Rolle der Gallensäurebiologie und der Darm-Leber-Achse bei Lebererkrankungen zu untersuchen. Biopsien und Aspirat können für die ribosomale 16S-RNA-Sequenzierung, Metabolomik und andere ähnliche Anwendungen verwendet werden.
Das Darmmikrobiom ist in den letzten Jahren zu einem Bereich geworden, der zunehmend von Interesse ist. Es ist heute bekannt, dass sich die vielfältige Bakterienpopulation im Darm aufgrund einer Vielzahl von Faktoren unterscheiden kann, darunter Genetik, Ernährung, Medikamente und Umwelteinflüsse1. Studien haben auch einzigartige mikrobielle Profile identifiziert, die mit verschiedenen Magen-Darm-Erkrankungen wie Fettleibigkeit, entzündlichen Darmerkrankungen und Lebererkrankungen verbunden sind 2,3. Die Mehrzahl der Studien konzentriert sich auf die Profilierung des Mikrobioms des Dickdarms durch die Analyse von Stuhl- und distalen Schleimhautproben4. Obwohl sich die höchste Konzentration an Darmbakterien im Dickdarm befindet (1012 Bakterien/Gramm), gibt es dennoch eine komplexe Gemeinschaft von Mikroben, die sich im Zwölffingerdarm (103/g), im Jejunum (104/g) und im Ileum (107/g) befinden und eine Schlüsselrolle im Verdauungsstoffwechsel und in der Absorption spielen5.
Der Dünndarm dient als primärer Ort für den Nährstoffabbau und die Nährstoffaufnahme im Magen-Darm-Trakt. Kommensale Bakterien, die den Dünndarm auskleiden, spielen eine grundlegende Rolle bei der Unterstützung des chemischen Abbaus von Nahrungssubstraten und bei der Freisetzung bioaktiver Verbindungen, die die Nährstoffaufnahme unterstützen6. Diese Wechselwirkungen tragen zu einer komplexen Umgebung von Mikroben-Mikroben- und Wirt-Mikroben-Aktivität im Dünndarm bei7. Eine Studie, in der die Dünndarmmikrobiota in Mausmodellen beobachtet wurde, ergab, dass keimfreie Mäuse, die mit einer fettreichen Diät gefüttert wurden, eine beeinträchtigte Lipidabsorption aufwiesen, aber, wenn sie mit jejunalen Mikrobiota besiedelt waren, einen direkten Anstieg der Lipidabsorption aufwiesen6. Eine Pilotstudie am Menschen, in der die zwölffingerdarme Mikrobiota adipöser und gesunder Personen profiliert wurde, ergab, dass die zwölffingerdarme Mikrobiota adipöser Personen Veränderungen der Fettsäure- und Saccharoseabbauwege aufwies, die wahrscheinlich in einer ernährungsabhängigen Beziehung induziert wurden8. Darüber hinaus wurde eine Dysbiose in der Dünndarmmikrobiota bei mehreren Krankheiten festgestellt, darunter bakterielle Überwucherung des Dünndarms, Kurzdarmsyndrom, Pouchitis, umweltbedingte enterische Dysfunktion und Reizdarmsyndrom7.
Wir interessieren uns für den Zusammenhang zwischen dem Mikrobiom und verschiedenen Stadien chronischer Lebererkrankungen. Insbesondere dient der Zwölffingerdarm als erste Stelle des chemischen Abbaus und der Nahrungsaufnahme im Dünndarm. Darüber hinaus bringt der portale Leberkreislauf Nährstoffe und Metaboliten in die Leber, wo sie verarbeitet und in den Blutkreislauf reguliert werden. Die anatomische Nähe zwischen Darm und Leber schafft ein Milieu, das anfällig für entzündungsfördernde Reaktionen ist, die durch ein Versagen der Darmbarriere oder Veränderungen des Darmmikrobioms entstehen können9. Studien, die das Mikrobiom und das Fortschreiten der Lebererkrankung untersuchen, haben eine mikrobielle Dysbiose bei Patienten mit nichtalkoholischer Fettlebererkrankung (NAFLD), Steatohepatitis (NASH), alkoholischer Lebererkrankung und Leberzirrhose festgestellt10,11. Während die Mehrzahl der Studien das Mikrobiom des Dickdarms charakterisiert, waren wir daran interessiert, das Mikrobiom des Dünndarms in Bezug auf Lebererkrankungen zu untersuchen. Mit der hier vorgestellten neuartigen Methode haben wir einzigartige duodenale mikrobielle Profile bei Patienten mit Leberzirrhose in Bezug auf die Diät12 identifiziert.
Da die Charakterisierung des Dünndarmmikrobioms immer mehr an Interesse gewinnt, ist es notwendig, einheitliche Techniken zur Gewinnung von Proben zu entwickeln, die die Mikrobiota des Dünndarms genau repräsentieren. Es gibt jedoch Herausforderungen im Zusammenhang mit der Probenbeschaffung, die die Untersuchung der Umgebung des Dünndarmmikrobioms erschwert haben. Derzeitige Probenahmemethoden erfordern invasive Verfahren, die häufig einer Kontamination ausgesetzt sind, wie von Kastl et al.7 beschrieben. Im Folgenden stellen wir eine neuartige Methode zur Gewinnung von Zwölffingerdarmaspirat und Biopsien für die mikrobielle Analyse von Patienten mit Lebererkrankungen vor, die sich einer Ösophagogastroduodenoskopie unterziehen.
Zwölffingerdarmproben wurden im Veteran Affairs Greater Los Angeles Healthcare System, im Cedars-Sinai Medical Center und im Ronald Reagan UCLA Medical Center entnommen, nachdem das klinische Protokoll für die Studie Microbiome, Microbial Markers and Liver Disease (M3LD) vom institutionellen Prüfungsausschuss des lokalen Ethikprüfungsausschusses akzeptiert worden war. Von allen teilnehmenden Patienten wurde eine schriftliche Einverständniserklärung eingeholt.
1. Einwilligung der Teilnehmer
2. Entnahme von Proben
3. Aspirat-Verarbeitung
4. Fragebogenverwaltung und Erhebung klinischer Daten
5. DNA-Extraktion
6. DNA-Amplifikation
7. Bereinigung und Einrichtung der Bibliothek
8. Formatierung der Daten
Populationsunterschiede zwischen mukosalem und luminalem Mikrobiom des proximalen Darms
Frühere Studien haben Unterschiede in den mikrobiellen Populationen von luminalen und mukosalen Dickdarmproben festgestellt 4,5,18. Die vorläufigen Ergebnisse zeigen, dass Duodenalaspirat- und Biopsieproben sowohl die luminale als auch die mukosale Mikrobiota im proximalen Darm messen k?...
Studien des Mikrobioms sind unglaublich wichtig, da dieses komplexe Ökosystem eine entscheidende Rolle bei der Energiehomöostase, den immunologischen Reaktionen und dem Stoffwechsel spielt19. Es gibt regionale Unterschiede im Mikrobiom, die die unterschiedlichen physiologischen Funktionen verschiedener Regionen des Magen-Darm-Trakts widerspiegeln können, was sich auf unterschiedliche Krankheitszustände auswirken kann20. Das fäkale Mikr...
Die Autoren haben keine konkurrierenden finanziellen Interessenkonflikte zu berichten.
Diese Forschung wurde von den National Institutes of Health/National Cancer Institute mit der Fördernummer RO1CA204145 finanziert.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
2 mL cryovials | Corning | 430659 | |
96-well plates | Applied Biosystems | 4306737 | |
dNTPs | Sigma | D7295 | |
Dry ice | Provided by institution | ||
EG29-i10 endoscope | Pentax | N/A | Endoscope size may vary depending on patient physiology |
Epoch microplate spectrophotometer | Biotek | N/A | |
Ethanol | Sigma Aldrich | 676829 | |
HiSeq 2500 | Illumina | N/A | |
IL_806r reverse primer | IDT DNA technologies | custom | custom primers |
ILHS_515f forward primer | IDT DNA technologies | custom | custom primers |
JumpStart Taq DNA | Sigma | D4184 | |
Mucus specimen trap | Busse Hospital Disposables | 405 | 40 cc specimen trap with transport cap |
Nanodrop Gen5 software | ThermoFisher Scientific | ||
PCR buffer | Sigma | P2192 | |
PCR cleanup kit | Zymo Research | D4204 | |
Radial Jaw 4 Jumbo Forceps | Boston Scientific | M00513343 | 2.8mm Jaw OD |
Vioscreen dietary questionnaire | VioCare | N/A | |
ZymoBIOMICS DNA Microprep Kit | Zymo Research | D4300 | 25 ug binding capacity |
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