2018-12-12浏览量:332

『锐帮读』儿童呼吸道疾病,与病原菌过敏有何关联?

导读

急性呼吸道疾病在免疫系统尚未成熟的婴幼儿中有很高的发病率和死亡率,呼吸道炎症的反复发生驱动了儿童持续性喘息病的发生。目前对急性呼吸道感染病因的研究主要集中在病毒方面,然而,细菌菌群越来越被认为在急性呼吸道感染的易感性和严重性以及哮喘等非传染性呼吸道疾病中发挥着重要的作用。婴儿时期的菌群定植是个关键时期,会影响宿主未来的呼吸道健康。

本研究对244个婴幼儿生命中前5年的急性呼吸道疾病(acuterespiratory tract illnesses, ARIs)和鼻咽微生物组(nasopharyngeal microbiome, NPM)进行了鉴定分析,以期早期发现和干预高危儿童。

文献ID

题目:Airway Microbiota Dynamics Uncover a Critical Window for Interplay of Pathogenic Bacteria Allergy in Childhood Respiratory Disease

译名:呼吸道微生物动力学揭示了儿童呼吸道疾病与病原菌过敏之间的关系

期刊名:Cell Host & Microbe   

发表时间:2018.9    IF=17.872

通讯作者:Kathryn E. Holt,Michael Inouye

通讯单位:贝克心脏病和糖尿病研究所;剑桥大学,公共卫生和初级保健部;墨尔本大学,Bio21分子科学与生物技术研究所

材料与方法

实验设计

针对244个高致敏风险的婴幼儿,从出生前至5岁进行随访,得到3014个鼻咽样本。

测序区域及平台

16S rRNA V4区,Illumina MiSeq System

研究成果

1、儿童5岁前的上呼吸道微生物组

在所有样本中Moraxella (40.1%)、Streptococcus(13.3%)、Corynebacterium (12.1%)、Alloiococcus (11.1%)、Haemophilus (8.6%)和Staphylococcus (4.2%)六个属是优势属,占所有reads的89%。

样品OTUs的相对丰度分布高度层次化,通过层次聚类将样品聚为15个类(microbiome profile groups, MPG),每个MPG主要受一个OTU支配,可作为该MPG的特征标签。Mixed 1是指不受任何OTU支配的MPG,每种OTU的丰度都很低;Mixed 2代表没有明显特征的一类;其他的MPG多数是受已知致病菌支配的急性呼吸道疾病样本(如MycoplasmaBordetellaNeisseriaPseudomonasPrevotella)(图1A)。健康组和急性呼吸道疾病组在不同年龄的菌群分布如图1B所示。鼻咽微生物组的Alpha多样性在健康组和急性呼吸道疾病组中,随着年龄的增加都在增加,2岁之后增加尤为明显(图2A)。

图1 菌群结构

A.横坐标表示不同样品,纵坐标表示不同OTU,通过聚类,所有样本聚成15个MPG;B.健康组和急性呼吸道疾病组在不同年龄的菌群分布。

2、上呼吸道菌群与呼吸道感染

急性呼吸道疾病和由HaemophilusStreptococcusMoraxella主导的MPG正相关。在这些MPG中,OTU的相对丰度随着症状的加重而升高,alpha多样性降低(图2B 2C,认为严重程度:健康<URI<LRI)。

在OTU水平,236个OTU的相对丰度在急性呼吸道疾病组和健康组中有显著性差异(FDR<0.05)。而急性呼吸道疾病与鼻咽微生物的相关性和年龄有关,从2岁开始随着样本微生物多样性的增加,相关性改变。比较两岁前和两岁后,一共发现310个OTU与ARI有显著的相关性。MoraxellaHaemophilusStreptococcus的OTU在两个时期都与ARI正相关;StaphylococcusCorynebacteriumAlloiococcus的OTU在2岁前与ARI负相关,但是2岁后相关性减弱。另外还对与ARI相关的OTU进行了更深入细致的分析。

 为了更精确地评估微生物与ARI的相互关系随着年龄的变化,采用平滑曲线ANOVA方法对8个OTU进行了时间变化分析(图3)。分析结果显示:CorynebacteriumAlloiococcusStaphylococcus与健康样本的相关性在1-2岁较强,Corynebacterium在3岁的时候减弱,Staphylococcus在4岁的时候减弱,但是Alloiococcus在2.8到3.9岁的时候改变了相关性方向,从负相关变成了正相关。

之前研究证明中耳炎与耳道中的Alloiococcus otitidisStreptococcus pneumoniaeHaemophilus influenza有关。在本研究的队列中11%的急性呼吸道疾病发生伴随着中耳炎,本研究发现急性呼吸道感染的鼻咽微生物组中有高丰度的Streptococcus OTU 1059655,与中耳炎成正相关,但是AlloiococcusHaemophilus与中耳炎没有明显的相关性。

图2 样本多样性与年龄和急性呼吸道疾病症状有关

图3 鼻咽微生物与ARI相关性的时间轴分析

3、细菌和病毒在上呼吸道中的共存以及它们与呼吸道疾病的关系

该研究分别计算了2岁之前和2岁之后的样本在OTU层面的两两相关性,图4A展示了8个丰度最大OTU之间的相关性。与疾病相关的MoraxellaHaemophilusStreptococcus聚成一组,在两个年龄段相互之间成正相关,并且和与健康相关的Streptococcus OTU 509773、Staphylococcus成负相关;CorynebacteriumAlloiococcus在两个年龄段都与对方有很强的相关性。

有趣的是,这些OTU和那些与疾病相关OTU之间的相关性随着年龄的增长变强(图4B)。CorynebacteriumAlloiococcusMoraxella成正相关,并且随着时间相关性显著增强;CorynebacteriumAlloiococcusHaemophilusStreptococcus成负相关,随着时间变成正相关或不相关。

通过检测生命前三年的呼吸道病毒,发现83%的URI,81%的LRI能检测到病毒,而健康样本只有34%能检测到病毒。这些病毒和与疾病相关的MPG显著相关,预示着这些细菌与呼吸道病毒对疾病的发生有协同作用。无论是否有呼吸道病毒检测出来,或是病毒RSV、RV是否存在,StreptococcusMoraxellaHaemophilus三种MPG与ARI都独立地相关(图5A 5B);在没有已知呼吸道病毒触发的情况下,说明这些菌对呼吸道疾病有直接作用。

图4 微生物相关性网络和稳定性

4、个体上呼吸道微生物组的稳定性

首先选用连续健康的样本为研究对象,前后两次取样属于相同MGP个体的比例大于随机预测的比例(31%比18%,小于6个月取样距离;23%比18%,6-12个月取样距离),表明个体菌群具有一定程度稳定性。这种稳定性在Moraxella (45%)和Alloiococcus-Corynebacterium (32%) MPG中表现最高(图4C)。当样品属于mixed1 MPG时,下一次检测还是mixed1 MPG的比例高达30%,但是前后mixed1 MPG的Bray-Curtis 距离很大,和不同MPG的距离差不多,表明属于mixed1 MPG个体的稳定性低。

2个月大时,稳定过渡到下一个时间点的MPG比例明显低于6个月、12个月、18个月或24个月大(图4D)。稳定性在2岁后下降,且稳定过渡的mixed1 MPG的占比升高,与2岁后菌群多样性升高相一致。Staphylococcus MPG在6个月减少,4年后升高,与之前母亲遗传的Staphylococcus可在婴儿中测到,知道学龄前才稳定的研究结论一致。综上表明,鼻咽微生物组在儿童早年是高度可变的。

测试外界因子(急性呼吸道疾病,抗生素暴露)对鼻咽微生物组的动力学影响。样品采样过程中,与健康相关MPG的稳定性明显被下呼吸道疾病的发生所破坏;然而,抗生素的使用并没有显著改变稳定性。

5、上呼吸道微生物与下呼吸道疾病以及随后的喘息的相关性

下呼吸道疾病与MoraxellaStreptococcusHaemophilus MPG显著正相关,与CorynebacteriumAlloiococcus-CorynebacteriumStaphylococcus MPG显著负相关,尤其在2岁之前。下呼吸道疾病发生前1-2周的健康样本没有富集病毒,但是Moraxella MPG显著富集(与一直健康的样本比较,图5C);StreptococcusHaemophilus MPG以及StreptococcusHaemophilus MPG丰度没有明显差异,但是这些MPG在健康样本中很少;Moraxella MPG在下呼吸道疾病治愈后越来越少。有趣的是,上呼吸道疾病发生前后,MGP分布没有发现明显变化。

5岁时慢性喘息发生概率与1岁时下呼吸道感染的次数显著相关,在这里研究了4岁前与疾病相关的MoraxellaStreptococcusHaemophilus MPG的存在,是否可以预测相同时期的下呼吸道感染或5岁的慢性喘息。早期应变性致敏的儿童中,2岁前与急性呼吸道疾病相关的MPG的数量与下呼吸道感染发生的数量显著正相关,这些MPG与5岁慢性喘息独立相关(图5D)。值得注意的是,在非致敏儿童中,与疾病相关的MPG的数量与5岁时的慢性喘息无关,但与短暂喘息(定义为在生命的前三年有过喘息,但在第五年没有喘息)表型显著正相关。研究人员还注意到,无论是否致敏,3-4岁时下呼吸道疾病发生频率与5岁时的喘息有关,将其归因于近期呼吸道炎症与当前喘息更直接相关。致敏情况和下呼吸道疾病的严重性没有明显关系。

图5 鼻咽微生物组与急性呼吸道疾病和喘息的相关性

研究结论

1、从出生到两岁,六个属在呼吸道微生物中占支配地位,两岁后微生物多样性升高;

2、急性呼吸道疾病与病原性呼吸道微生物相关;

3、病原性呼吸道微生物入侵可能领先于呼吸道病毒入侵和急性呼吸道疾病的发生;

4、病原体的定植可以预测应变性致敏儿童慢性喘息的发生。

亮点

1、时间跨度大,在5岁之前设置多个采样点,多种方法分析菌群随时间动态变化;

2、将疾病分上呼吸道疾病、下呼吸道疾病,儿童分为致敏性、非致敏性,系统分析疾病与菌群关系;

3、研究了菌群和病毒与疾病的关系。

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