Investigadores de la Universidad de California en San Diego han desarrollado la primera herramienta de visualización espacial 3D para mapear datos "ómicos" en órganos completos. La herramienta ayuda a los investigadores y médicos a comprender los efectos de las sustancias químicas, como metabolitos microbianos y medicamentos, en un órgano enfermo en el contexto de microbios que también habitan la región. El trabajo podría promover la administración de medicamentos dirigidos para la fibrosis quística y otras afecciones en las que los medicamentos no pueden penetrar.

Un equipo dirigido por Pieter Dorrestein, Doctor, profesor de la Facultad de Farmacia y Ciencias Farmacéuticas Skaggs de la Universidad de California en San Diego y miembro del equipo de liderazgo en el Centro de Innovación del Microbioma de UC San Diego, publicó el estudio el 19 de octubre en Anfitrión celular y microbio .

Cada rincón de un órgano humano tiene su propio microbioma:los microorganismos y sus genes que están presentes en un entorno particular. La anatomía del órgano y su entorno (temperatura, nivel de pH, disponibilidad de nutrientes, etc.) determinar qué microorganismos están presentes. Sucesivamente, los microorganismos responden y afectan la presencia de agentes terapéuticos.

"Nuestra comprensión de la variación espacial de la composición química y microbiana de un órgano humano sigue siendo limitada, ", dijo Dorrestein." Esto se debe en parte al tamaño y la variabilidad de los órganos humanos, y la gran cantidad de datos que obtenemos de los estudios de metabolómica y genómica ".

Para abordar este desafío, El equipo de Dorrestein desarrolló un flujo de trabajo de código abierto para mapear datos de metabolómica y microbioma en una reconstrucción de órganos en 3D construida a partir de imágenes radiológicas.

Primero, los investigadores obtuvieron un pulmón de un paciente que padecía fibrosis quística y lo seccionaron. Analizaron las muestras para detectar la presencia de bacterias, sus metabolitos y factores de virulencia (moléculas que se suman a la eficacia bacteriana y les permiten colonizar un nicho en el huésped), y cualquier medicamento administrado al paciente durante el tratamiento.

Próximo, Neha Garg, Doctor, un investigador postdoctoral en el laboratorio de Dorrestein en ese momento, y Mingxun Wang, estudiante de posgrado en el laboratorio de UC San Diego de Nuno Bandeira, Doctor, modificó una extensión existente de Google Chrome llamada "ili" para visualizar las distribuciones de microbiomas y metabolomas en un órgano completo.

"La aplicación permite al usuario mapear datos en una superficie 2D o 3D, así que modificamos el código para permitirnos mapear los datos de abundancia no solo en superficies, pero también dentro del modelo, "dijo Garg, quien ahora es profesor asistente en Georgia Tech.

Para visualizar la localización espacial de las bacterias y moléculas, El equipo obtuvo imágenes de tomografía computarizada de un pulmón humano y las procesó para generar un modelo 3D.

Con los datos "ómicos" del pulmón de fibrosis quística superpuestos al pulmón 3D en la versión modificada de "ili, "los investigadores pudieron hacer observaciones importantes.

"Pudimos ver que uno de los antibióticos administrados al paciente antes de recolectar el tejido no penetró en el fondo del pulmón, un fenómeno que no se había observado antes," ", dijo Garg." Esto se correlacionó con una mayor abundancia del patógeno asociado a la fibrosis quística Achromobacter. Por lo tanto, diferentes fármacos pueden penetrar diferencialmente en el pulmón, limitar la exposición a una dosis eficaz. Nuestra herramienta permite a los investigadores y médicos visualizar esta importante preocupación clínica dentro de un órgano humano por primera vez. Esto tiene implicaciones para el tratamiento de la FQ y otras enfermedades ".

Los investigadores crearon mapas de código abierto de 16, 379 moléculas y 56 microbios que ahora servirán como recurso para los científicos que investigan la fibrosis quística y otras enfermedades relacionadas con los pulmones.

"A medida que los estudios futuros descubran más sobre el microbioma y el metaboloma, su visualización espacial proporcionará un medio para inferir su significado biológico, ", dijo Dorrestein." Además, la metodología desarrollada puede extenderse a cualquier órgano humano, especialmente a aquellos con tumores, que se sabe que están asociados con sus propios microbiomas únicos ".

El equipo espera que el trabajo ayude a permitir una mejor administración de medicamentos dirigida, que podría usarse para rectificar la mala penetración de antibióticos.