2018-12-21浏览量:156

『锐帮读』身体部位?分娩方式?谁来决定婴儿菌群

导读

人体微生物群是对人体健康和生理至关重要的生态系统,不同身体部位微生物组成及功能各不相同,但在生命的起始,每个身体生态位内的微生物群落何时以及如何获得独特的分类和功能特征?不同分娩方式对及其他因素对微生物分类及功能特征又有怎样的影响?本研究以大量样本来评估新生儿和早期婴儿微生物区系的分类组成和潜在的代谢功能,并评估分娩方式及其他临床指标对婴儿微生物群体的影响,表明了身体部位而非分娩方式是菌群主要驱动力。

文献ID

题目:Maturation of the Infant Microbiome Community Structure and Function Across Multiple Body Sites and in Relation to Mode of Delivery

译名:婴儿不同身体部位微生物群落结构与功能组成及与分娩方式的相关性

期刊:Nature Medicine   

年份:2017.01  IF:32.621

通讯作者:Kjersti M. Aagaard

通讯单位:贝勒学院母婴医学部

材料与方法

实验设计

1、 样本采集:163对母婴(阴道分娩n=105;剖腹产n=52);样本类型包括粪便、皮肤、口腔、鼻腔、阴道;采样位置及样本数如图1及表1。

图1 方案设计概括

 表1 样本采集情况

测序区域及平台

16S(n=1429):454-FLX Titanium Sequencer (Roche)

 宏基因组(n=91):Illumina HiSeq 2500

研究成果

1、早期微生物群落结构

将母体微生物区系作为成人微生物组成参考,与母亲不同身体部位微生物区系组成存在差异不同(图2A,Adonis, p<0.001, R2=0.192),新生儿身体各部位菌群结构组成差异较小(图3A,Adonis R2=0.038);样本间β多样性(Bray-Curtis)说明了同样的问题,母亲样本中,不同身体部位β多样性显著不同(图3B),而新生儿样本中,同一部位样品间的Bray-Curtis距离与不同部位样品的Bray-Curtis距离相似(图3B)。 虽然新生儿物种组成多样,但不像母亲特定身体部位存在明显的菌群特征,(即在该位点丰度最高、仅在该位点出现、每个样本中都存在的物种),如Lactobacillus(乳杆菌属)为母亲阴道样本特异菌群,而Bacteroides(拟杆菌属)在粪便样本中特异存在。

成人阴道和皮肤主要组成微生物LactobacillusPropionibacterium(丙酸杆菌)、Streptococcus(链球菌属)、Staphylococcus(葡萄球菌),在婴儿各个身体部位中相对丰度较高,但并未表现出特异性,另在许多新生儿粪便样本中检测到含量较高的典型的早期肠道中已知的兼性厌氧菌Escherichia(大肠杆菌)和Klebsiella(克雷白氏杆菌属)。

图2 母亲微生物PCoA分析

A 生产时  B产后6周

图3 新生儿微生物群落结构

出生6个星期后,婴儿身体各部位菌群结构组成差异显著(图4A,图4B),且不同身体部位表现出不同的主要类群(图4C),如婴儿口腔微生中Streptococcus占主导,皮肤与鼻腔微生物相似,主要特征为StaphylococcusCorynebacterium(棒状杆菌),与母亲相应部位微生物特征表现出一定的相似性。

图4 婴儿微生物群落结构

但婴儿粪便微生物与母体粪便微生物差异明显,母体粪便主要以BacteroidesPrevotella为主,但在婴儿粪便微生物则以EscherichiaKlebsiella为主(图2C)。

2、出生方式对菌群的影响

新生儿不同身体部位菌群受到出生方式的影响[PCoA分析显示新生儿阴道分娩与剖腹产鼻腔、皮肤、口腔菌群存在明显差异,但在胎便中不存在(图5A)],但这种影响在婴儿出生6个周后消失(图5B)。

有研究表明,剖腹产新生儿微生物主要来源于母亲皮肤而非阴道微生物,且婴儿微生物的组成与剖腹产母亲是否难产也存在一定的相关性;因此本研究用SourceTracker来分析新生儿及婴儿不同身体部位微生物来源,并用三元图进行展示(图5C、5D),结果表明对于阴道分娩新生儿,大多数新生儿身体部位微生物表现出母亲起源的双峰模式(图5C),表明母亲阴道和皮肤对经阴道分娩的新生儿早期分类群的贡献是相同的;经阴道分娩的新生儿的这种双峰模式在经难产剖腹产分娩的新生儿中也有类似的表现,但在经正常剖腹产分娩的新生儿中没有出现,经正常剖腹产分娩的新生儿大多微生物来源于母亲皮肤。因此,生产前是否难产,而不是剖腹产对新生儿微生物来源影响更大。

图5 分娩方式对婴儿不同身体部位微生物的影响

研究表明出生方式对婴儿早期几种重要的肠道微生物菌群如BacteroidesLactobacillusBifidobacterium有着重要影响,因此接下来本文研究了婴儿出生6个周后这三种微生物在口腔及肠道中是如何被出生方式(阴道分娩、剖腹产)及其他临床指标[母乳喂养、孕妇年龄、孕龄、孕妇怀孕前体重指数、巨大婴儿、母亲膳食(油脂摄取量)、孕妇妊娠期糖尿病等]影响的。

结果表明,不论剖腹产还是阴道分娩,新生儿粪便样本中及出生6周婴儿样本这三种微生物都显著存在(图6A–D)[根据丰度分为检测不到(0%)、少量存在(>0.1%)、显著存在(>1%)、大量存在(10%)],即出生方式不影响这三种微生物的组成;接触配方乳是导致4-6周婴儿粪便中Bacteroides数量增多的唯一重要因素,妊娠期母体脂肪摄入量的增加会显著降低Bacteroides丰度;没有因素与LactobacillusBifidobacterium丰度的改变显著相关。

图6 分娩方式及不同时间下母婴粪便和口腔微生物组成

3、微生物群落功能的扩展和多样化 

同时本研究利用宏基因组分析从出生到6个月微生物代谢和功能途径在各个身体部位是如何改变的。 以功能丰度做PCoA分析表明,新生儿及婴儿不同身体部位样本聚集在一起(图7B)表明同一部位微生物活性总体相似。

 功能差异分析显示,不同情况下富集的功能潜在地反映了特定微生物群对环境的选择性优势(图7D),如脂多糖的生物合成(lipopolysaccharide biosynthesis)是革兰氏阴性肠道细菌的一个重要特征,相比于口腔,婴儿粪便中脂多糖生物合成增加;牛磺酸和亚牛磺酸代谢(taurine and hypotaurine metabolism)对胆汁酸代谢至关重要,在粪便样本中增加;而氨基酸生物合成及代谢是婴儿口腔的主要特征。

出生6周后,婴儿粪便样本中独特种水平物种及微生物基因显著增加(但仍然远低于母亲),表明这段早期时间内微生物的扩展及多样化(图7C)。新生儿胎便中富含戊糖磷酸盐途径(pentose phosphate pathway)和磷转移酶系统[phophotransferase system (PTS)]等与氨基酸代谢和细胞壁组分相关的多种微生物途径;而婴儿出生6周后,婴儿的肠道主要富集与辅助因子代谢及生物合成相关的途径,包括叶酸,生物素和维生素B6等,这些物质对生长、新陈代谢和神经发育至关重要。

图7 婴儿微生物群落结构及功能的扩展及多样化

此外,母亲与婴儿肠道功能间也存在一些差异,如母体肠道中富集的TCA循环和氨基酸代谢途径,因此,虽然婴儿从出生起其肠道微生物不断扩大和多样化,但其分类组成和代谢能力仍与母体肠道存在差异。

广义线性模式分析表明出生方式及其他临床指标与功能通路的相关性,也表明出生方式本身对婴儿功能没有显著影响(图8A、8B)。

图8 广义线性模式中婴儿微生物功能组成及临床指标

证明身体部位而非分娩方式是菌群驱动力:

 收集81对母子从分娩到6周的粪便、牙龈、鼻腔、皮肤和阴道样本,另再收集81对母子分娩时样本;

 分娩时,除胎粪外的新生菌群及功能通路相对一致,分娩6周后,不同身体部位的婴儿菌群结构和功能均大幅拓展和多样化,且与母亲有很大区别;

 不同分娩方式下,新生儿牙龈、鼻腔、皮肤菌群有微弱差别,但粪便菌群相似且不存在可观察群落功能差异,6周大婴儿之间并不存在可分辨的菌群结构和功能差异。

研究结论

1、分娩时新生儿身体各部位菌群结构组成及功能通路差异较小;而出生6周后的婴儿身体各部位菌群结构组成及功能均大幅拓展和多样化,差异显著,但仍然与母亲有很大区别。

2、生产前是否难产,而不是剖腹产对新生儿微生物来源影响更大。

3、不同分娩方式下,新生儿口腔、鼻腔、皮肤菌群有微弱差别,但粪便菌群相似且不存在可观察群落功能差异;出生6周后的婴儿不同分娩方式下各身体部位并不存在可分辨的菌群结构和功能差异。表明身体部位而非分娩方式是菌群主要驱动力。

亮点

该研究以大量队列样本来评估生命早期微生物群落及功能的变化及其与分娩方式及其他因素相关性,进一步增强了人们对早期人体微生物的认识。

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