2020-03-26浏览量:426

锐翌生物助力首都医科大学附属北京妇产医院在mSystem杂志发表肠道菌群研究论文

妊娠期糖尿病(Gestational Diabetes Mellitus,GDM)是妊娠期最常见的代谢性疾病之一,与母体和胎儿的短期和长期预后不良相关。虽然已有报道证明肠道菌群组成和功能的变化与GDM相关,但是关于GDM诊断前的早期微生物变化知之甚少。

 

3月26日,上海锐翌生物科技有限公司微生物研究院负责人许谦博士与首都医科大学附属北京妇产医院李光辉教授郑薇助理研究员等在《mSystem》上合作发表最新研究成果《Gestational Diabetes Mellitus is associated with reduced dynamics of gut microbiota during the first half of pregnancy》,通过16S rRNA测序分析,探讨肠道菌群动态变化与妊娠期糖尿病发生发展之间的关系。研究发现妊娠前半期GDM和血糖正常女性的肠道菌群动态存在显著差异,提示肠道微生物群可能作为GDM的早期生物标志物。

 

文献ID

原文标题:Gestational Diabetes Mellitus Is Associated with Reduced Dynamics of Gut Microbiota during the First Half of Pregnancy

译名:妊娠期糖尿病与妊娠前半期肠道菌群动态减少有关

期刊:mSystem   IF:6.519

发表时间:2020年3月26日

通讯作者:李光辉

合作单位:首都医科大学附属北京妇产医院、同济大学附属第十人民医院、上海锐翌生物科技有限公司

 

摘要

背景:已知妊娠期糖尿病(GDM)孕妇与未患GDM的孕妇在妊娠后期肠道菌群存在差异。目前尚不清楚在GDM诊断之前是否可以识别肠道菌群变化。本研究对妊娠前期(T1)至妊娠中期(T2)孕妇的肠道微生物动态变化进行了探索,并对其与GDM后期发展的关系进行了评估。

结果:GDM组(n=31)在T1、T2期微生物结构和功能上,表现出与对照组(n=103)相比明显不同的肠道菌群动态变化。LEfSe分析显示,T1和T2期分别有10个和7个分类群在GDM组与对照组之间存在显著差异,粪球菌属和链球菌属相对丰度持续降低。血糖正常的妊娠期女性从T1到T2期肠道菌群出现显著变化,而GDM患者的肠道菌群在时间点间的变化明显减小,这一点得到了Wilcoxon符号秩检验和平衡树分析结果的证实。此外,共现网络分析显示,GDM组的细菌间相互作用比对照组小。

结论:综上所述,妊娠前半期肠道菌群动态变化较少与GDM的发生有关。

 

研究技术路线

收集31例GDM和103例血糖正常孕妇的粪便及静脉血样本,分别进行16S rRNA测序和葡萄糖、血脂水平检测。

 

测序产品及平台

16S rRNA测序,Miseq平台,V3-V4区,PE250

 

研究成果

1、研究对象的临床特征

在单胎妊娠参与者中,31例发生GDM,103例在妊娠24-28周时血糖正常。GDM组与对照组在年龄、孕重、产次等方面相似(表1)。GDM组孕妇妊娠前BMI、TC、TG水平均高于孕早期血糖正常组孕妇,这与已有报道相一致。

 

表1 GDM组女性和对照组女性的临床特征

 

2、肠道菌群组成和结构

研究发现,T1和T2期,GDM组与对照组微生物结构均无差异。在这2个时间点之间,GDM组α多样性发生显著变化(P=0.041),对照组PCoA分析结果也出现变化。门水平以厚壁菌门和拟杆菌门为主,其次是变形菌门和放线菌门。无论是对照组还是GDM组,厚壁菌门/拟杆菌门比值(F/B比值)从T1到T2均有相应的升高。属水平上以拟杆菌属、普氏菌属、粪杆菌属和Roseburia为主。上述数据表明,对照组和GDM组肠道菌群相似,且两组的菌群结构在T1和T2之间相对稳定。

 

3、GDM的分类生物标志物

尽管GDM和对照组之间微生物结构存在总体相似性,但通过LEfSe分析仍从妊娠早期和中期群体中识别出多个不同的差异分类群(图1)。在T1期,血糖正常组中发现10个差异分类群,属水平上为普氏菌属、粪球菌属、链球菌属、消化球菌属、脱硫弧菌属、Intestinimonas和韦永氏球菌属。T2期,两组间有7个分类群存在显著差异。GDM组中Holdemania、巨球形菌属、迟缓埃格特菌展示出更高的相对丰度,而对照组中粪球菌属、链球菌属(及其亲本链球菌科)和Flavonifractor的相对丰度较高。值得注意的是,在T1和T2期,GDM组中产丁酸盐的粪球菌属和产乳酸盐的链球菌属(及其亲本链球菌科)相对丰度较低。此外,GDM组中巨球形菌属和迟缓埃格特菌的比例增加,这与已有报告一致。为了调查在T1期肠道菌群是否可以用作GDM的早期生物标志物,文中用随机森林分析进行了模型预测,发现粪球菌属、Intestinimonas和韦永氏球菌属预测GDM效果较好,AUC达到0.743(图1E-1F)。

 

图1 妊娠早期和中期GDM患者肠道菌群生物标志物

 

4、妊娠早期到中期肠道细菌组成和功能动态变化

接下来,文中研究了GDM组和对照组从T1到T2期肠道菌群的动态变化特征。LEfSe分析显示,对照组T1期和T2期共有49个分类群差异显著(p<0.05,LDA>1.5)(图2A)。T1期,拟杆菌属、鞘脂单胞菌属、Parabacteroides、链球菌属、不动杆菌属、Holdemania、嗜血杆菌属等显著富集;T2期,Blautia、双歧杆菌属、罗氏菌属、梭菌属等显著富集。相比之下,GDM组中T1和T2仅有7个分类群存在显著差异,属水平上嗜胆菌属、Closridium VXVⅢ 和乳球菌属在丰度上变化明显。有趣的是,尽管GDM和对照组肠道菌群在动态变化上存在显著差异,但有5个分类群在两组中显示出一致的时间点变化。

 

采用Wilcoxon符号秩检验进一步验证上述研究结果,发现对照组中有14个属(如普氏菌属, Blautia, 双歧杆菌属, Parabacteroides, 拟杆菌属)在T1和T2期相对丰度存在差异,而GDM组中只有1个属(Bilophila)存在差异。LEfSe和Wilcoxon符号秩检验结果大致相同。值得注意的是,GDM组微生物群存在异常动态变化并不是特定离群样本导致的。尽管组间和不同时间点的微生物群发生重大变化,但Spearman分析并未发现菌群和糖脂测量指标之间有任何显著相关性。

 

接下来,作者研究了从T1到T2期微生物功能的动态变化。PICRUSt预测和统计分析表明,对照组T1和T2之间的实质性功能差异明显,而GDM组则没有(图2B)。与对照组相比,患有GDM的孕妇在妊娠早期到中期肠道菌群组成和功能都相对稳定,这表明宿主代谢功能异常与肠道微生物关联性减弱之间存在联系。

 

图2 从T1到T2肠道菌群动态变化

 

5、从妊娠早期到妊娠中期肠道菌群平衡树分析

由于1种微生物的丰度变化可能会影响微生物群落中其他微生物的变化,因此有人提出用平衡树分析法来阐明微生物群的相互依赖性变化。妊娠三个月前后,GDM组和对照组比较分别产生了12、11个差异平衡(FDR<0.1),其大小差距很大。文中用20个分类群作为阈值来区分大的差异平衡(≥20个OTUs)和小的差异平衡(<20个OTUs)。T1和T2期的GDM与对照组之间有5个和4个较大的平衡(图3A、3B);组间差异平衡的平均数目可以在两个时间点之间比较(图3C)。分子和分母中,大平衡的分类学组成有相当大的差异。然而,T1的Y4和T2的Y11在整体分类学组成上高度一致,包括相同的分母(拟杆菌属, OTU_7)。此外这两个平衡在单个分类群组成,如拟杆菌属、梭状芽胞杆菌属、链球菌鼠、粪球菌属和Clostridium XIVa中也表现出类似的变化(图3D和3E)。因此,尽管在这两个时间点上,妊娠期女性随着GDM的发展,体内菌群变化存在显著差异,但从妊娠早期到中期,主要趋势(即,以T1的Y4和T2的Y11为代表)得以保留。

 

图3 组间(A和B)微生物差异平衡树分析

 

接下来,文中继续使用平衡树分析来调查GDM组和对照组随时间点发生的变化。两组变化明显,约有20个差异平衡(FDR<0.1)(图4A、4B)。值得注意的是,GDM组差异平衡的平均分类群数量明显低于对照组(P<0.05;Wilcoxon signed-rank test;图4C),这与对照组中差异平衡多数(10/18)较大,而GDM组中差异平衡大多数(19/23)较小的事实相一致(图4A、4B)。这些结果进一步说明了在T1和T2这两个时间点之间,GDM患者比对照人群的微生物群变化减少。

 

图4 各时间点(A和B)之间微生物差异平衡树分析

 

6、GDM组和血糖正常组的细菌互作模式

构建共现网络,分析GDM和对照组在T1和T2期肠道菌群之间的细菌互作模式(FDR≤0.01),发现不同时期两组之间存在共现模式的显著差异(图5)。在T1期,对照组网络图中共有152个关联,包括60个负相关;而GDM组仅有15个,包括4个负相关(图5A)。在T2期,对照组共有196个关联,其中91个为负相关;GDM组仅有28个关联,8个负相关。值得注意的是,厚壁菌门是所有这些网络中的主导门,其次是拟杆菌门,这反映了研究人群的分类学组成。考虑到GDM与对照组之间的明显差异,文中使用中间中心度,紧密中心度和度的参数分析微生物网络结构。结果表明,在T1期,与对照组相比,GDM组微生物网络的3个度指标显著降低(P<0.001)(图5B)。在T2期,尽管中间中心度与对照组相当,但GDM组的紧密度(P<0.001)和度(P<0.001)仍然降低。

 

图5 通过共现网络分析(A)和拓扑变量统计比较(B)研究T1和T2中GDM以及对照组之间细菌互作模式

 

研究总结

1、GDM孕妇和血糖正常孕妇从妊娠早期到妊娠中期,肠道菌群动态变化存在显著差异。

2、患有GDM的女性肠道菌群在不同时间点的变异性降低,意味着肠道菌群失调始于妊娠早期。

3、肠道菌群可以作为早期发现GDM的生物标志物,同时也需要进一步的研究来建立微生物群落变化与GDM发生发展的因果关系,从而确定潜在的治疗靶标。

 

公司介绍

上海锐翌生物科技有限公司成立于2014年10月,是一家专业从事基因科技健康服务的国家高新技术企业。锐翌生物依托高通量测序技术平台,专注于人体微生物组前沿技术和研究成果在基础科研领域的突破,以及在医学上的转化应用。助力高等院校、科研机构或医院的科研工作者多角度、全面地探究和解决科学问题,助力更多优质科研成果发表。同时,在大肠癌早期筛查临床病原宏基因组检测健康管理等精准医疗领域开发检测技术及应用方案,致力于为医疗机构提供疾病早期检测和健康综合管理服务,目前已和全国300多家顶级医院达成深度合作。   

 

公司于2018年获评“上海闵行十大科技创业新锐”企业称号,目前已在杭州、青岛、济南、贵阳等地成立区域中心。其中,济南医学检验所于2016年被授予“国家基因检测技术应用示范中心”称号,青岛医学检验所于2019年9月投入使用。

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