Tulokset saatiin uudella tutkimusmenetelmällä, jossa bakteerien kilpajuoksua vastasyntyneen suolistossa tutkittiin geenitasolla. Bakteerien alatyyppien tunnistaminen kumosi aiempia oletuksia Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae ja Enterococcus faecalis -bakteereista.

Helsingin yliopiston professori Jukka Coranderinja professori Antti Honkelan johtamassa tutkimuksessa käytettiin Englannissa kerättyä aineistoa. Tulokset on julkaistu Nature Communications -tiedelehdessä [https://www.nature.com/articles/s41467-022-35178-5].

Artikkelin pääkirjoittaja, tutkijatohtori Tommi Mäklin Helsingin yliopistosta on väitöstyössään kehittänyt uuden laskennallisen menetelmän, jonka avulla suolistossa elävien bakteerien lyhyistä DNA-fragmenteista voidaan nopeasti koota tarkka kuvaus niiden genomeista, jopa yksittäisten bakteerilajien geneettisten alatyyppien tasolla. Tämän korkearesoluutiometagenomiikan avulla pystyttiin tunnistamaan bakteerilajien alatyyppejä, jotka eroavat ominaisuuksiltaan merkittävästi toisistaan esimerkiksi taudinaiheutuskyvyn ja antibioottiresistenssin suhteen. Aiemmissa tutkimuksissa vastaava mikrobiomin kuvaus on jäänyt lajitasolle.

Näin tutkimus tehtiin

Tutkimuksessa vastasyntyneet oli jaettu synnytystavan mukaan kahteen ryhmään: noin puolet vauvoista oli syntynyt normaalisti alateitse ja loput keisarinleikkauksella. Kummastakin ryhmästä kerättiin toistuvasti ulostenäyte ja näytteistä eristettiin bakteerien DNA kattavaa sekvensointia varten. Samasta aineistoista aikaisemmin julkaistussa Sanger-Instituutin tutkimuksessa nähtiin merkittävä ero mikrobiomin koostumuksessa alateitse syntyneiden ja keisarinleikkausvauvojen välillä. Keisarinleikkauksella syntyneiden vauvojen mikrobisto oli lajistoltaan selkeästi köyhempi ensimmäisten elinviikkojen aikana ja siitä puuttui useita bakteerilajeja, jotka tyypillisesti yhdistetään terveeseen suolistomikrobistoon.

Aiempi analyysi jätti kuitenkin avoimeksi useita keskeisiä kysymyksiä, kuten mitkä bakteerilajien alatyypit olivat kolonisoineet vastasyntyneiden suoliston, ja oliko suolistossa useiden saman lajin alatyyppien muodostama heterogeeninen populaatio vai päätyikö kilpajuoksun voittanut alatyyppi dominoimaan suolistoa.

Tämän kolonisaatioprosessin tarkempaa kuvausta varten Coranderin ja Honkelan johtamat tutkijat kartoittivat vakavia infektioita aiheuttamaan kykenevien suolistobakteerilajien osalta kaikkien tunnettujen alatyyppien esiintyvyyden vauvoilla.

Keisarinleikkaus ei lisännyt sairaalabakteerin riskiä

Tutkimuksessa erityisen kiinnostuksen kohteena olivat Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae ja Enterococcus faecalis -bakteerit, jotka kuuluvat terveeseen suolistomikrobistoon, mutta joista tunnetaan myös maailmanlaajuisesti levinneitä sairaaloihin sopeutuneita alatyyppejä, joita kutsutaan sairaalabakteereiksi. Nämä bakteerit ovat erityisen vaarallisia riskiryhmiin kuuluville potilaille, joiden immuunipuolustusjärjestelmä on merkittävästi heikentynyt tai joiden suolistomikrobisto on epätavallisessa tilassa. Siksi olikin syytä pelätä, että erityisesti keisarinleikkauksella syntyneet vauvat olisivat alttiita sairaalabakteerien kolonisaatiolle, koska he eivät saa välitöntä suojaa äidiltä alateitse tapahtuvassa synnytyksessä siirtyvästä mikrobistosta.

Osoittautui kuitenkin, etteivät sairaaloihin erikoistuneet alatyypit olleet päässeet kolonisoimaan vauvoja lainkaan, eikä niitä havaittu edes keisarinleikkauksella syntyneissä vauvoissa köyhemmästä mikrobiomista huolimatta. Ryhmien välillä ei myöskään havaittu merkittävää eroa antibioottiresistenttien bakteerien määrässä.

– Oli erityisen ilahduttava uutinen, etteivät sairaalabakteerit kyenneet asettumaan taloksi keisarinleikkauksella syntyneihin vauvoihin, koska nämä bakteerit lisäävät merkittävästi vaikeasti hoidettavien infektioiden riskiä. Vedimme tästä sen johtopäätöksen, että terveet vastasyntyneet, joita ei hoideta antibiooteilla välttävät yleisesti ottaen hyvin nämä mikrobit, sanoo Jukka Corander.

Kamppailu suolistoherruudesta

Korkearesoluutiometagenomiikka antoi myös vastauksen useisiin tärkeisiin bakteerien kolonisaatioon ja kilpailuun liittyviin kysymyksiin, jotka ovat olleet avoinna jo vuosikymmenien ajan. Infektioista löydettävien bakteerien ominaisuuksia on vuosien ajan tutkittu, mutta tähän mennessä ei ole tiedetty miten kyvykkäitä eri alatyypit yleisesti ottaen ovat kamppailussa terveiden ihmisten suoliston asuttamiseksi.

Nyt julkaistussa tutkimuksessa voitiin ensimmäistä kertaa suoraan vertailla populaatiotasolla kolonisaation ja infektioiden yleisyyden eroja geneettisten alatyyppien välillä.

Vertailemalla tutkituilla vauvoilla esiintyviä E. coli -bakteerien alatyyppejä professori Coranderin johtamassa aiemmin julkaistussa tutkimuksessa Norjasta kerättyjen verenmyrkytysnäytteitten alatyyppeihin saatiin laskettua keskeinen epidemiologinen suure eli suhteellinen riski, joka kertoo alatyyppien kyvykkyydestä aiheuttaa infektio.

Verenmyrkytysaineistot yhdistettynä vauvojen kolonisaatioon paljastivat kolme erityistä E. coli -bakteerin alatyyppiä, joihin kuhunkin liittyy merkittävästi korkeampi infektioriski.

Tutkimuksen uniikki tarkkuus paljasti myös, että se E. coli -bakteerikanta, joka pääsi ensimmäisenä vastasyntyneen suolistoon sai selkeän etulyöntiasetelman muihin verrattuna ja kykeni estämään muiden kantojen kolonisaation ensimmäisten elinviikkojen aikana. Vastasyntyneiltä löytyi lähes poikkeuksetta vain yksi ja sama alatyyppi tänä ajanjaksona siitä huolimatta, että eri yksilöiden välillä vertailtuna alatyyppien kirjo oli varsin laaja. Vastaava ilmiö havaittiin myös muiden tutkittujen bakteerilajien kohdalla. Tämä tulos on todiste alatyyppien välisestä vahvasta kamppailusta suoliston ”herruuden” saavuttamisessa, sillä ilman kilpailua resursseista suolistossa asustaisi useita alatyyppejä yhtä aikaa.

– Oli palkitsevaa vastata kysymyksiin, joita tutkijayhteisössä on pyritty tarkastelemaan vuosikymmenien ajan. Tutkimuksemme on esimerkki uudesta menetelmällisestä konseptista, joka toimii loistavasti metagenomiikan tarkkuuden syventämisessä. Sen voidaankin odottaa tulevan laajaan käyttöön vastaavissa tulevaisuuden tutkimuksissa, joissa pyritään selvittämään yhä tarkemmin geneettisten tekijöiden merkitystä sekä kolonisaatiokyvyn, että infektioiden aiheuttamisessa, sanoo Tommi Mäklin.

Alkuperäinen artikkeli: Mäklin, T., Thorpe, H.A., Pöntinen, A.K. et al. (2022) Strong pathogen competition in neonatal gut colonisation. Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-022-35178-5

Yhteistyökumppanit ja rahoittajat:
Tutkimus oli tehty yhteistyössä The Wellcome Sanger -instituutin ja Oslon yliopiston kanssa ja sitä rahoittivat Suomen Akatemia, Suomen tekoälykeskus, Norjan tutkimusneuvosto, Wellcome-säätiö sekä Trond Mohn -säätiö.

Lisätietoa: Tutkijatohtori Tommi Mäklin, Helsingin yliopisto, +44 7770097868, tommi.maklin@helsinki.fi