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2018-09-07浏览量:1458

婴儿的菌群发育,母亲的直接贡献不可忽略

文献ID

题目:Mother-to-Infant Microbial Transmission from Different Body Sites Shapes the Developing Infant Gut Microbiome

译名:母亲不同身体部位对婴儿微生物的传播塑造婴儿肠道微生物的发展

期刊:Cell Host & Microbe

年份:2018年6月        IF=12.609

通讯作者:Nicola Segata

通讯单位:意大利特伦托大学

材料与方法

 实验设计

对象:25对母婴

样本:母亲5个部位取样:粪便、口腔、皮肤、阴道、母乳(生产时取样,母乳中未提取到可用于后续分析的高质量微生物序列);婴儿2个部位取样:粪便、口腔(从刚出生到4个月,所有婴儿出生3天内为纯母乳喂养,一个月后96%婴儿纯母乳喂养,4个月后56%为纯母乳喂养,44%非纯母乳喂养婴儿中有16%为纯配方乳喂养)。

测序区域及平台

宏基因组测序,HiSeq2500

研究成果

1、母婴微生物垂直传播研究框架

婴儿微生物多样性显著低于母亲各个身体部位微生物多样性(除了以乳酸杆菌属为优势的阴道微生物,相关报道表明阴道微生物多样性很低)(图1B),且与母亲相比,不同婴儿个体间微生物差异较大,尤其是在早期(图1D)。而且虽然所有婴儿都是阴道分娩,但是通过聚类发现,刚出生的婴儿微生物并不相似于母亲某个特定部位(图1C)(例如,一些刚出生的婴儿(出生后1天、3天)粪便样本与母亲阴道样本聚集在一起,而有些婴儿样本与母亲粪便样本聚集在一起),在出生后第一天婴儿个体间的差异及微生物组成的不均匀性表明最初的暴露及微生物的播种存在很大的随机性。通过宫内潜在微生物的获取,或与其他环境资源接触,每个婴儿都不同程度受到母亲不同身体部位(阴道、皮肤、口腔、粪便)微生物的影响。


图1 母婴微生物纵向基因组测序

A 母婴微生物垂直传播研究框架;B 母婴不同部位不同时间点微生物α多样性;C 基于Bray-Curtis距离的MDS分析;D β多样性分析

2、 婴儿微生物多样性的早期获得受制于随后基质的快速选择

婴儿刚出生时(T1,出生24小时内)微生物多样性较高,这种多样性在产后1个周后开始下降(T2、T3),而后开始恢复。第一天较高的微生物多样性反映了来源于母亲与环境的微生物快速涌入。一些微生物由于适应性较差或者不能定植于婴儿肠道内,在部分婴儿中仅短暂停留后丢失,而其他保留下来的则可能是真正定植于婴儿肠道内的微生物。

在第一天或者随后几天丢失的微生物中, 80%存在于母亲中,而这些共享但短暂存在的微生物大部分来源于母亲身体部位而非粪便,表明这些部位微生物不适合在婴儿肠道中定植。与之相反,一些典型的粪便物种(如Bacteroides vulgatusBifidobacterium longumBifidobacterium breve)在采样结束后的四个月依然在婴儿肠道中存在,表明这些微生物确实定植于婴儿肠道中。

3、婴儿体内富集的微生物物种同时也存在于其母亲中

在所有母婴对中,婴儿肠道微生物群落显示出大量与母亲相同的物种。约50%种物种在母亲的某个身体部位中存在(图2A)。但这些共享的物种的在母亲中的丰度显著低于其在婴儿中的丰度。另外一些在母亲中没有观察到却在婴儿体内中观测到的物种可能来自环境或其他与婴儿接触的个体。

口腔中,婴儿与母亲共享的物种比例达到(T1)77.6%及95.4%(T2)(图2B),同样,这些物种在母亲口腔中的丰度低于其在婴儿口腔中的丰度。

随后本研究分析了婴儿与其母亲共享,但不存在于其他母亲中的物种。在T1、T2时期均显示,婴儿与其母亲共享的物种显著多于与其他母亲共存的物种(图2D)。

图2 母亲与婴儿共同存在的物种

注:Intra-couple:母亲与其婴儿共享物种;

Inter-couple:母亲与其他婴儿共享物种

4 、母婴共有物种株水平鉴定

为加强证实母婴的垂直传播,本研究基于菌株鉴别方法对母婴传播过程中的共有株水平物种进行分析(图3A)。共检测到52个菌株同时存在于母婴中。

图3  母婴菌株传播

5、母亲肠道微生物是菌株转移的主要来源

母亲肠道微生物是婴儿获得菌株的最大供体,在母亲阴道及皮肤中也发现共有菌株的存在,但含量较低,口腔中几乎不含母婴共存菌株,并且母婴间共有菌株数量随时间推移而减少(图3B)。

在婴儿肠道中持久富集的E.coli B2型中3株在3对母婴样本中表现出明显的垂直传播(图3C);典型的肠道物种Bacteroides也显示出明显的母亲传播路径(图3D)。

6、垂直传播微生物极有可能为稳定的定植者

从母亲传递到婴儿的微生物部分在婴儿体内短暂定植,而部分在婴儿肠道中长期存在。在垂直转移的菌株中,17个菌株不止在一个时期被发现(图4A),其中70.5%的菌株在婴儿生长过程中没有被其他同种菌株取代。而另外无证据表明来源于其母亲的163个菌株也被检测到出现在婴儿不同时期,但随后73%被取代。表明垂直传播的菌株比无证据证明来源于母亲的菌株有更好的适应能力,同时也支持了“与非母系菌株相比,母系菌株在婴儿中的生态适应性更强”的假定。

图4 菌株持久性及异质性

7、婴儿粪便中种内菌株多样性高于母亲

随后本研究通过评估检测到的菌株中单拷贝marker基因的核苷酸多态性位点数目,以及多态性位点变异频率来对比垂直传播物种在母婴中的异质性,证实成人肠道物种往往由一种主要的菌株组成(母亲平均多态性位点的比例仅为0.31%),而婴儿在出生后第一天同种菌株变异性显著高于其母亲。正如婴儿出生后第一天微生物种水平多样性较高一样(图1B),出生后第一天婴儿株水平多样性也较高(图4B)。随后,直到T4时期,物种内多态性比率开始逐步下降,并达到与母亲相当的水平,到T5时期婴儿株水平多样性升高并再次显著高于其母亲,可能是由于婴儿与环境的接触增加,从环境中获得了更多的微生物。

8、婴儿从口腔转移到肠道的微生物高于来源于母亲的微生物

口腔是进入胃肠道的通道,但是成人口腔和肠道微生物群落分析显示,两者中微生物存在显著性差异,仅存在少部分重叠菌株。而在此研究中,婴儿T1、T2时期均检测到部分物种共同存在于粪便与口腔中(图5A),这些物种在口腔中的丰度均高于肠道中的丰度;而对于母亲,口腔与肠道共存的物种远远低于婴儿。这表明婴儿通过口腔向肠道的传递微生物可能性比通过成人接种的可能性更大。随着婴儿肠道的发育,在第三天,口肠共有微生物种类开始减少,但丰度增加,再次表明口腔微生物仅在肠道中短暂停留。

图5 与母亲相比,婴儿的口腔和肠道中有更多的共同物种和菌株

研究结论

1、 婴儿出生时随机定殖大量来自母亲不同部位的微生物,随后,所处部位的生理环境对菌群进行强力选择,使菌群多样性先快速下降、后逐渐上升;

2、 种和株水平的分析表明,出生时母亲各个身体部位(阴道、皮肤、口腔)的微生物在婴儿身上定植,但这种定植是短暂的。

3、 母亲肠道内的菌株在婴儿体内的定植更持久,并且相比于从其他环境中获得的微生物,从母亲肠道处定植来的微生物在婴儿体内有更好的适应性。

亮点

本研究利用宏基因组及精确的株水平计算方法来研究母婴的垂直传播,表明母亲身体多个部位的菌群参与了婴儿口腔和肠道菌群的发育,其中母亲的肠道菌群贡献最大,婴儿自身的生理环境选择也对菌群塑造有重要作用,为婴儿微生物来源提供了有力的依据。

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