Intergrative analysis of omics data in primary human microbiome studies

Abstract

This thesis implements a comprehensive multi-omic bioinformatics framework to investigate the structure, function, and clinical relevance of human microbial communities in both the oral cavity and the nasopharynx. The primary study examines the oral microbiome’s role in periodontal disease and evaluates the therapeutic potential of Chios Mastic, a natural resin endemic to Greece, in modulating oral microbial communities. By integrating metagenomic, metatranscriptomic, host transcriptomic, and clinical datasets, this work establishes a novel computational pipeline for analyzing niche-specific microbial and host-response dynamics in gingivitis and early periodontitis, while providing the first molecular characterization of Chios Mastic’s effects in a human population. A randomized trial was conducted with three groups (placebo gum, mastic gum, mastic oil) in 18 patients. On days 0, 7, and 21 of the study, clinical indices such as the Gingival Bleeding Index (GBI) and Bleeding on Probing (BoP) were recorded, and sampling was performed from five oral sites: subgingival plaque (SB), supragingival plaque (SP), gingival crevicular fluid (GF), saliva (SA), and gingival tissue smears (TI). The samples were used for DNA and RNA sequencing, with the aim of generating taxonomic and functional profiles of the microbiome. A bioinformatics workflow was developed, combining differential abundance analysis, and functional pathway activity estimation models to resolve treatment-specific microbial responses. Mastic oil significantly reduced gingival bleeding - by approximately 16% in the Gingival Bleeding Index (GBI) and 26% in Bleeding on Probing (BoP) - after 7 and 21 days of daily use, correlating with transient diversity shifts in plaque microbiota. Taxonomic profiling revealed niche specialization: supragingival plaque prioritized biofilm scaffolders (Corynebacterium matruchotii), while subgingival niches harbored pathogens (Porphyromonas gingivalis). Although direct suppression of periodontal pathogens was not statistically significant, integrative analysis uncovered functional modulation - mastic gum upregulated arginine biosynthesis (pH buffering) in subgingival plaque, while mastic oil enhanced nitrate reduction (oxidative stress mitigation) in supragingival biofilms. Additional analysis of host transcriptomic expression (TI and GF samples) did not reveal significant treatment-specific expression changes. In parallel, this thesis investigates the nasopharyngeal microbiome in the context of COVID-19, utilizing 16S rRNA gene sequencing of samples from patients with varying disease severity. The study identified marked reductions in microbial diversity and increased abundances of potentially pathogenic species in severe COVID-19 cases. These findings highlight a clear association between nasopharyngeal dysbiosis and disease progression, suggesting that the composition of the upper respiratory microbiome may influence or reflect clinical outcomes in viral infection. By integrating advanced bioinformatics and rigorous clinical protocols, this thesis demonstrates the power of multi-omic approaches to characterize complex microbial ecosystems and systematically evaluate both traditional therapeutics and disease-associated microbiome changes. The computational workflows developed here provide a framework for studying microbial-host dynamics in both the oral cavity and the respiratory tract. Collectively, these studies offer new insights into oral ecology, the therapeutic potential of Chios Mastic, and the significance of microbiome alterations in respiratory infections.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή υλοποιεί μία βιοπληροφορική πολυ-ομική ανάλυση για τη διερεύνηση της σύνθεσης, της λειτουργίας και της κλινικής σημασίας των ανθρώπινων μικροβιακών κοινοτήτων στη στοματική κοιλότητα και το ρινοφάρυγγα. Η κύρια μελέτη εξετάζει τον ρόλο του στοματικού μικροβιώματος στην περιοδοντική νόσο και αξιολογεί τις θεραπευτικές αντιμικροβιακές ιδιότητες της μαστίχας Χίου, ως προς την επίδρασή της στο στοματικό μικροβίωμα. Μέσω της ενσωμάτωσης μεταγονιδιωματικών, μεταμεταγραφωματικών, μεταγραφωματικών και κλινικών δεδομένων, αυτή η εργασία αναπτύσσει μια υπολογιστική ροή εργασίας για την ανάλυση των εξειδικευμένων μικροβιακών και ανοσολογικών αποκρίσεων στην ουλίτιδα και την περιοδοντίτιδα, παρέχοντας παράλληλα την πρώτη μοριακή διερεύνηση των επιδράσεων της μαστίχας Χίου σε ανθρώπινο πληθυσμό. Διεξήχθη τυχαιοποιημένη μελέτη τριών ομάδων (εικονική τσίχλα, τσίχλα με μαστίχα Χίου, μαστιχέλαιο) σε 18 ασθενείς. Τις ημέρες 0, 7 και 21 της μελέτης καταγράφηκαν κλινικοί δείκτες, όπως ο Δείκτης Αιμορραγίας Ούλων (GBI) και η Αιμορραγία κατά την Ανίχνευση (BoP), και πραγματοποιήθηκε δειγματοληψία από πέντε περιοχές του στόματος: υποουλική πλάκα (SB), υπερουλική πλάκα (SP), υγρό ουλοδοντικής σχισμής (GF), σίελο (SA) και επιχρίσματα ουλικού ιστού (TI). Τα δείγματα χρησιμοποιήθηκαν για αλληλούχιση DNA και RNA, με στόχο τη δημιουργία ταξινομικών και λειτουργικών προφίλ του μικροβιώματος. Αναπτύχθηκε επίσης βιοπληροφορική ροή εργασίας που συνδυάζει ανάλυση διαφορικής αφθονίας και μοντέλα εκτίμησης μεταβολικής δραστηριότητας των βακτηρίων για την ανίχνευση μικροβιακών μεταβολών κατά τη διάρκεια της παρέμβασης. Η χρήση μαστιχελαίου οδήγησε σε στατιστικά σημαντική μείωση της ουλικής αιμορραγίας - κατά περίπου 16% με τον δείκτη GBI και 26% με τον δείκτη BoP - μετά από 7 και 21 ημέρες καθημερινής χρήσης, συνοδευόμενη από παροδική μεταβολή στη μικροβιακή ποικιλότητα της πλάκας, παρατηρούμενη κατά την πρώτη εβδομάδα. Η ταξινομική ανάλυση ανέδειξε σημαντικές διαφορές στη μικροβιακή σύσταση μεταξύ των περιοχών του στόματος: η υπερουλική πλάκα εμφάνισε επικράτηση δομικών ειδών των βιομεμβρανών, όπως το Corynebacterium matruchotii, ενώ η υποουλική πλάκα χαρακτηρίστηκε από την παρουσία περιοδοντικών παθογόνων, με κυρίαρχο το Porphyromonas gingivalis. Αν και δεν καταγράφηκε στατιστικά σημαντική μείωση περιοδοντικών παθογόνων, η ανάλυση αποκάλυψε λειτουργικές μεταβολές - η μαστίχα Χίου αύξησε τη βιοσύνθεση αργινίνης (ρύθμιση pH) στην υποουλική πλάκα, ενώ το μαστιχέλαιο ενίσχυσε τη διαδικασία απονιτροποίησης (προστασία έναντι αντιοξειδωτικού στρες) στην υπερουλική πλάκα. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε ανάλυση της μεταγραφικής έκφρασης του ξενιστή στα δείγματα TI και GF, χωρίς να εντοπιστούν σημαντικές διαφοροποιήσεις συναρτήσει της θεραπείας. Παράλληλα, η διατριβή εξετάζει το ρινοφαρυγγικό μικροβίωμα σε ασθενείς με COVID-19, μέσω αλληλούχισης του γονιδίου 16S rRNA σε δείγματα από ασθενείς με διαφορετική σοβαρότητα νόσου. Η ανάλυση ανέδειξε σημαντική μείωση της μικροβιακής ποικιλότητας και αύξηση δυνητικά παθογόνων ειδών σε περιπτώσεις σοβαρής νόσου, υποδηλώνοντας ότι η σύνθεση του μικροβιώματος του ανώτερου αναπνευστικού συσχετίζεται με την εξέλιξη της νόσου και μπορεί να επηρεάζει ή να αντανακλά την κλινική πορεία της ιογενούς λοίμωξης. Μέσω της ενσωμάτωσης προηγμένων βιοπληροφορικών εργαλείων και αυστηρών κλινικών πρωτοκόλλων, η διατριβή αυτή καταδεικνύει τη δυναμική των πολυ-ομικών προσεγγίσεων στην ανάλυση μικροβιακών οικοσυστημάτων και την αξιολόγηση θεραπευτικών παρεμβάσεων. Οι υπολογιστικές ροές εργασίας που αναπτύχθηκαν παρέχουν ένα πλαίσιο για τη μελέτη αλληλεπιδράσεων μικροβίων και ξενιστή στο στόμα και το αναπνευστικό. Συνολικά, τα ευρήματα προσφέρουν νέες γνώσεις για την στοματική οικολογία, τις θεραπευτικές ιδιότητες της μαστίχας Χίου και τη σημασία του μικροβιώματος σε αναπνευστικές λοιμώξεις.