Nat Med:多中心研究发现幼儿肠道菌群结构对儿童哮*发病的重要影响

来源: 上海中科新生命生物科技有限公司   2021-1-22   访问量:851评论(0)

 

 

成人的许多疾病都源于生命的早期。调研发现,在农场长大有助于儿童哮*保护,但这一现象背后的机制在很大程度上尚不清楚。微生物暴露与免疫性疾病(如过敏和哮*)的反向关系提示高度多样化的微生物环境可能会影响人体微生物群,从而减轻哮*风险。

2020年11月,德国慕尼黑赫姆霍兹中心哮*与过敏预防研究所Martin Depner等在Nature medicine(IF 36.1)发表题为《Maturation of the gut microbiome during the first year of life contributes to the protective farm effect on childhood asthma》的一项多中心研究(奥地利、芬兰、德国、瑞士和法国)。揭示欧洲农村环境(家畜农场)出生长大的幼儿在第一年建立的肠道微生物群落对抵抗儿童哮*具有十分重要的意义。

研究材料:出生后的第2月初和12月末的粪便样本

技术方法:16S rRNA测序+短链脂肪酸靶向代谢组

实验路线图:

研究结果:

1、研究队列人群和信息采集情况

在奥地利、芬兰、法国、德国和瑞士的农村地区招募了一组牧场出生的婴儿(一半出生家畜农场),在第2、12、54和72个月时进行家访,并在第2、12、18、24、36、48、60和72个月完成额外的问卷调查。通过每周日记和每月调查问卷,收集了关于儿童健康、营养和与农场有关接触的更多详细信息。在2个月和12个月家访期间收集粪便样本。环境因素的评估问卷覆盖怀孕和出生后的一年,包括是否早产、婴儿体重、分娩方式、抗生素使用情况、母乳喂养情况、饮食多样性敏感性分析、是否接触干草或动物棚、兄弟姐妹数量、宠物情况、怀孕期间吸烟和环境烟雾暴露情况、父母特异性病史及教育程度。

哮*组指6岁前有一次及以上哮*症状被诊断,健康对照组的定义是2-12个月期间无腹泻,任何时候均无哮*症状。在2个月和12个月可用样本的儿童(n = 618)分布在各个中心(奥地利n=139; 瑞士n=205; 德国n=136; 芬兰n=138),另外法国的102名儿童由于只有12月的样本,没有纳入其中。子样本根据哮*状态分别用红色、蓝色和白色表示(是、否、不可用)。

研究队列情况

2、肠道菌群多样性分析

对618名儿童2月和12月的粪便样本16SrRNA测序结果分析显示,第2月的时候菌属以Bifidobacterium为主,第12月的时候Bifidobacterium减半,而Blautia的相对丰度大幅增加。通过Dirichlet混合建模对两个时间点的细菌组成数据进行聚类,确定了5个Dirichlet聚类(DCs),其中DC1和DC2主要代表第2个月的样本,DC4和DC5代表第12个月的样本,DC3由两个时间点共享。DC1和DC2菌群较为单一,DC4和DC5菌群多样性更为丰富,DC3的样本间差异性较大。而在第12个月的样本中,DC3组儿童的哮*患病率明显高于DC4和DC5组儿童。说明12月时肠道菌群的丰富度与儿童哮*患病率相关。

第2月和第12月肠道菌群组成

3、菌群成熟度指标分析

为了更好地了解出生后第一年肠道微生物组的生理变化,作者通过随机森林分析第2月和12月时的粪便样本细菌属组成建立了精确的粪便采样年龄模型,模型结果预测得分称为EMA。为了排除疾病干扰,模型建立限制在133个健康个体(67个农场儿童和66个非农场儿童),期间没有腹泻,也没有哮*症状。预测模型中贡献最大的类群是Blautia和Coprococcus。当将预测模型应用到整个测试样本(n=618)时,在第2个月EMA属的组成没有明显变化,而在第12个月出现明确差异。在12个月时,患有任何形式哮*的儿童平均EMA值明显较低,未完全成熟儿童的哮*患病率为12%。同时EMA的影响在17q21染色体非风险基因型携带者中更为显著。说明EMA可作为衡量肠道菌群成熟程度的指标。

同时作者进行了真菌ITS测序(n=189)并与细菌数据一样建立EFA模型,但EFA和EMA没有相关性,不过2个月时Alternaria的相对丰度与随后的细菌成熟有关。

EMA与肠道菌群成熟度分析

4、EMA和农场环境因素对哮*的影响

在618名儿童群体中,农场儿童哮*风险也低于非农场儿童。在2个月时未观察到农场暴露对微生物组成的影响,而哮*保护PCA轴3与母乳喂养呈正相关,与怀孕期间剖宫产和母亲吸烟呈负相关,与胎龄无关,但延长母乳喂养时间会延迟EMA。而在农场长大和特定农场接触对EMA有积极影响。12月时农场儿童会更高比例的分到DC4和DC5。结构方程模型显示,在农场长大的儿童中,EMA介导了19%的哮*保护效应。第2个月的PCA轴3中母乳喂养对哮*保护作用有18%的调节作用。在农场长大的儿童特征是更成熟的微生物群,其中Coprococcus 和Roseburia是已知的短链脂肪酸的制造者。

EMA和农场环境因素与哮*的关系

5、细菌代谢物和EMA

为了评估细菌产生短链脂肪酸(SCFA)的能力,作者使用随机森林对209名儿童12个月时的粪便SCFA测量值和细菌属组成进行了建模,并根据菌群组成预测了其他样本中的SCFA水平。同时,作者对EMA和SCFA得分进行了四维PCA分析(n=720)。其中Butyrate(丁酸)和EMA在Dim1上有加载,Dim1与特应性和非特应性哮*呈负相关;Acetate(乙酸)在Dim2上表现得尤为明显,但Dim2与哮*无关;Dim3代表Propionate(丙酸)评分,部分代表EMA评分,与特应性哮*呈负相关;Dim4主要反映EMA与Butyrate评分的差异,对非特应性哮*有额外的保护作用。Dim1和Dim3(代表EMA、Butyrate和Propionate得分)与在农场长大呈正相关, Dim1调节了农场对哮*15%的影响效应,Dim3调节了额外的6%。

同时,作者在巢式病例对照样本(44例患者和94例健康个体)中验证发现Butyrate评分是最重要的SCFA评分。通过qPCR测定了编码Butyrate代谢主要细菌酶(丁酰辅酶A:乙酸辅酶A-转移酶)的相对丰度。该基因检测结果与最初测量的Butyrate水平及预测的Butyrate评分进行比较时,发现在不同测量的最低四分位数中哮*的比例特别高,且所有测量方法与哮*表型的相关关系相似。说明SCFA尤其Butyrate对儿童哮*保护具有重要作用。

细菌代谢物及EMA与哮*的关系

6、细菌网络和过敏性分析

针对第12月时各属的微生物组成和相互关系,作者进行了网络分析。揭示了含3个hub的五个网络模块,两个中心分别为Roseburia和Ruminococcus,属于深绿色模块,其第一个特征向量与EMA (r = 0.73)和Butyrate评分(r=0.68)相关。黄色模块与EMA中度相关(r=0.35),包含EMA的两个主要类群Blautia和Coprococcus。敏感性分析(Sensitivity Analysis)显示EMA也与3岁后的哮*诊断呈负相关,特别是与较不常见的持续性哮鸣表型呈负相关(OR = 0.49,P < 0.001)。EMA与季节性、反复性或食物过敏原的致敏性无关。

单一类群分析网络图

小编小结:

本研究通过分析欧洲地区多个中心618名儿童在第2月和12月时的粪便菌群,建立了评判菌群成熟度的指标EMA评分。而12月时的EMA评分与6岁前是否患哮*具有正相关,揭示了12月时的肠道菌群成熟度有助于农场儿童哮*保护。短链脂肪酸合成相关的菌属及短链脂肪酸(Butyrate)介导了哮*保护性农场效应,这也暗示了人体内肠-肺轴调控途径的存在。

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