2019-08-02浏览量:142

『锐帮读』小儿溃疡性结肠炎患者粪便菌群群移植后的肠道微生物和代谢组学特征

溃疡性结肠炎(UC)是一种常见的儿科疾病,占到儿童病例的20-25%,且这种疾病的发病率正在全球范围内不断上升。虽然免疫调节剂和生物疗法已使一些病人得到稳定的治疗,但许多患病儿童仍发展为严重疾病,继续需要结肠切除术,并发展为结肠癌。因此,迫切需要更有效、更安全的治疗方法。

 

肠道菌群已被认为是炎症性肠病(IBD)发病机制中的一个重要因素,来自多项研究的数据显示微生物群落组成与IBD的发生相关。肠道菌群被认为是炎症性肠病(IBD)的治疗靶点,包括溃疡性结肠炎。粪菌移植(FMT)是治疗溃疡性结肠炎的方式之一,在1989年首次报道了在UC背景下的FMT治疗。系统评价和宏分析表明FMT对某些患者是安全的治疗方案。

 

虽然有研究调查了FMT对成人UC患者的疗效,但对儿童UC患者进行FMT测试的试验相对较少。一项报告发现FMT在4名儿科UC患者的试验中没有益处[1],而另外一项对3名患者的研究显示FMT有显著的益处[2]。为了了解儿童溃疡性结肠炎患者FMT成功后相关微生物和分子的变化,我们使用多组学方法来表征肠道菌群和代谢组学特征。

 

文献ID

题目:Gut microbial and metabolomic profiles after fecal microbiota transplantation in pediatric ulcerative colitis patients

译名:小儿溃疡性结肠炎患者粪便菌群群移植后的肠道微生物和代谢组学特征

期刊:FEMS MICROBIOLOGY ECOLOGY     

发表时间:2018   IF:3.495

通讯作者:Sonia Michail

通讯单位:南加州大学洛杉矶儿童医院

 

材料与方法

实验设计

受试者为7岁至20岁之间患有轻度至中度溃疡性结肠炎患者。每个受试者从其家庭成员或亲密朋友中选择健康成人作为FMT供体。受试者持续5天接受供体的FMT灌肠治疗;通过小儿溃疡性结肠炎指数(PUCAI),对每名患者进行FMT时以及FMT后四周的临床疾病活动跟踪。收集健康供体以及患者FMT前后粪便样品,进行16S rRNA和宏基因组测序。另外,还对4名有响应的患者的粪便样本,通过GC-TOF-MS进行非靶标代谢组学测定和短链脂肪酸的定量分析。

 

基于FMT后PUCAI评分,受试者被分为对FMT有响应(n=4)和无响应(n=3)两组。对FMT无响应的患者在FMT前有更高的PUCAI分数,而有响应的患者在FMT前的PUCAI≤15。

 

测序产品及平台

测序产品:16S rRNA V4区和宏基因组测序、非靶向代谢组学测定、短链脂肪酸定量

测序平台:Illumina MiSeq PE150、Illumina NextSeq500、GC-TOF-MS

 

研究成果

1、FMT后肠道菌群的Alpha多样性增加

UC患者Alpha多样性指标在基线时较低,在FMT后向供体水平增加(图1)。对FMT有响应的患者平均物种丰度中增加了43%;在无响应患者中,平均物种丰度增加了9%。FMT后,香农指数和逆辛普森指数也有所增加。而宏基因组DNA测序显示,FMT后Alpha多样性也有类似的增加。

 

图1 基于物种丰富度、香农多样性指数和逆辛普森多样性指数的微生物Alpha多样性分析

 

2、FMT改变小儿溃疡性结肠炎患者肠道菌群组成

16S rRNA基因测序得到的物种分类图在患者基线样本和各自的健康供体之间存在差异(图2),宏基因组测序结果相似。FMT后,在有响应的患者中,梭状芽孢杆菌(Clostridia)的平均相对丰度趋向于供体水平,从33% (S.D. 11%)增加到54% (S.D. 16%)(图3)。在无响应的患者中,梭状芽孢杆菌的丰度从52% (S.D. 38%)下降到28% (S.D. 20%)。而有响应的患者中,毛螺菌科(Lachnospiraceae)的平均相对丰度从11% (S.D. 8%)上升到19% (S.D. 6%),而非响应者中从23% (S.D.17%)下降到9% (S.D. 8%)(图3)。

 

图2 基于16S rRNA数据在纲水平的肠道菌群组成

 


图3 16S rRNA测序数据--FMT前后细菌的相对丰度

 

3、对FMT有响应的患者中,肠道微生物群落结构向供体结构改变

PCoA分析发现,与有响应患者的基线样本相比,FMT后的样本与供体样本更相似(图4A),表明FMT将供体微生物群落转移到了患者身上。该模式在宏基因组测序数据中得到了重现,包括Bray-Curtis差异分析比较物种丰度(图5)和使用d2S差异度量比对宏基因组序列(图6A)都说明了这一点。

 

受试者-供体配对之间的Bray-Curtis相似度在FMT后趋于增加,但在3个响应患者中略有下降(表1)。FMT后,响应组和无响应组相对于供体的平均Bray-Curtis相似度都有所增加,响应组从FMT前的25.6(S.D. 19.3)增加到FMT后的44.2(S.D. 9.9),无响应组从FMT前的20.7(S.D. 1.4)增加到FMT后的22.1(S.D. 17.9),在响应组中,FMT后相似度较高(图7)。在微生物丰度的PCoA分析中,无响应患者样本没有表现出相同的聚类模式(图8)。

 

图4 16S rRNA中(A)微生物分类群丰度的PCoA分析和(B)四名响应者FMT前(基线状态)和FMT后四周的GC-TOF-MS代谢组学分析

 

图5 宏基因组--响应组中基于Bray-Curtis距离矩阵的PCoA分析

 

图6 宏基因组数据-- (A)基于d2S差异的PCoA分析;(B)基于曼哈顿距离的新型病毒丰度图

 

表1 基于微生物丰度的受试者-供体Bray-Curtis相似性

图7 基于微生物丰度的Bray-Curtis相似性(16S rRNA基因序列数据)和代谢产物强度

 

图8 16S rRNA基因测序,基于Bray-Curtis距离矩阵的PCoA分析,(A)响应者(同图3A),(B)无响应者

 

4、FMT后响应患者的病毒结构趋向供体转变

对FMT响应患者的宏基因组测序数据生成病毒丰度图。基于病毒丰度之间曼哈顿距离的PCoA分析显示,FMT后患者样本趋向供体病毒结构,表明病毒的成功转移(图9A)。图9B显示了30个已知病毒家族在每个样本中的相对丰度。

 

图9(A)基于四个响应患者宏基因组数据的病毒丰度的PCoA分析;(B)四个响应者和FMT供体的30种病毒的相对丰度热图

 

5、响应患者FMT后的代谢组学特征发生改变

GC-TOF-MS分析用于FMT前后对响应者的样本进行检测。FMT前受试者的代谢组学特征与供体不同(图4B)。FMT后,四名响应者中的三名(响应者2、3和4)的代谢组学特征趋向供体代谢组学特征,但在排序上仍被分组为一个不同的聚类,与基线和供体样本均不同。响应者1的代谢组学特征向相反方向移动,与FMT后的供体特征不太相似(图4B)。除了响应者1,所有配对的受试者和他们的供体之间的Bray-Curtis相似性指标都有所增加。与供体的平均Bray-Curtis相似性从基线组的43.2 (S.D. 5.8)增加到FMT后的49.4 (S.D. 10.7)。

 

代谢物的热图显示,每个受试者在基线时的代谢组学特征与其各自的健康供体的代谢组学特征不同,在FMT后变得更相似(图10)。在基线组中具有较高强度的代谢物形成“疾病相关”簇,在FMT组具有较高强度的代谢物形成“健康”簇。相对于供体,基线组中黄嘌呤和油酸水平降低,并且在FMT后增加。腐胺和5-氨基戊酸强度在基线时高于FMT后。与供体相比,基线样品中的黄嘌呤和油酸水平降低,FMT后升高(图11)。腐胺和氨基戊酸强度在基线时高于FMT后4周(图11)。

 

图10 针对30种代谢物的相对代谢物强度热图

 

图11 四个响应者中FMT前后的代谢物浓度

 

图12 通过GC/MS对四个响应患者样本短链脂肪酸(SCFAs)的定量

 

6、 组间相关性表明微生物与代谢物之间存在关联

两两组合计算了响应患者中纲水平微生物丰度(基于16S测序数据)和代谢强度的Spearman相关性系数。图13的热图提供了相关微生物和代谢物集群的可视化。芽孢杆菌纲(Bacilli)和β-变形菌(Betaproteobacteria)中的细菌与来自“疾病相关”群的代谢物,如肌酸酐(creatinine)和戊氨酸(norvaline.)呈正相关。梭状芽胞杆菌纲(Clostridia)的细菌与来自“健康”簇的代谢物,如黄嘌呤(xanthine)和十六醇(1-hexadecanol)呈正相关。

 

图13 微生物-代谢物相关性热图

 

研究结论

1、该研究运用多组学分析,表明粪菌移植后,溃疡性结肠炎患儿的肠道微生物、病毒和代谢组均发生了改变。

2、短链脂肪酸的定量分析发现,在FMT后,响应患者的丁酸水平增加并趋向供体水平,微生物分析发现F.prausnitziiAnaerostipesRoseburia等产丁酸细菌的丰度在FMT后也增加,提示FMT可能促进肠道中丁酸的产生并改善肠道健康。

3、该研究为控制和治疗小儿溃疡性结肠炎提供新的策略。

 

亮点

该研究运用多组学分析的方式,揭示了在FMT后,溃疡性结肠炎患儿的肠道微生物、病毒和代谢组的变化;证明了FMT对部分小儿UC患者的疗效,为开发新的靶向治疗提供了基础。

 

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参考文献

[1]. Suskind DL, Singh N, Nielson H & Wahbeh G (2015) Fecal microbial transplant via nasogastric tube for active pediatric ulcerative colitis. J Pediatr Gastroenterol Nutr 60: 27-2.

[2]. Kellermayer R, Nagy-Szakal D, Harris RA, et al. (2015) Serial fecal microbiota transplantation alters mucosal gene expression in pediatric ulcerative colitis. Am J Gastroenterol 110: 604-6

 

 

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