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2019-06-13浏览量:1846

『锐帮读』利用代谢组学可区分坏死性小肠结肠炎早产仔猪中碳水化合物对疾病的影响

导读

坏死性小肠结肠炎(NEC)是早产儿一种主要的胃肠道疾病,其主要影响因素是细菌定植和肠内营养喂养。大量研究表明,与牛奶为主的肠内营养相比,母乳可以显著降低早产儿NEC的发病率。母乳中主要碳水化合物是乳糖和低聚糖,而早产儿配方奶粉中只含有乳糖和麦芽糊精或玉米糖浆固体的混合物,目前对于不同的碳水化合物对婴儿肠道微生物的影响尚不清楚。因此,该研究利用16S rDNA和非靶向代谢组学手段探讨早产仔猪中碳水化合物、肠道微生物和NEC发病机制之间的关系。

 

文献ID

题目:Metabolomic signatures distinguish the impact of formula carbohydrates on

disease outcome in a preterm piglet model of NEC

译名:利用代谢组学可区分坏死性小肠结肠炎早产仔猪中碳水化合物对疾病的影响 

期刊:Microbiome  IF:9.133

发表时间:2018  

通讯作者:Douglas Burrin

通讯单位:贝勒医学院儿童营养研究中心

 

材料与方法

实验设计

仔猪于妊娠103天后进行剖宫产(正常为115天),在出生几个小时后仔猪接受颈静脉导管和胃管放置手术。前48 h通过颈静脉导管接受全肠外营养,之后经胃管进行肠内营养:乳糖(LAC)、玉米糖浆固体(CSS)和等比例混合物(MIX)。每隔3 h通过胃管进行肠内营养喂养,持续5天,研究共持续7天。

 

研究方法

16S rDNA测序:胃、回肠远端、结肠近端(盲肠)内容物;回肠和结肠组织黏膜

代谢组学:血浆和盲肠内容物

 

实验设计方案

 

研究成果

1、不同喂养方式下仔猪的坏死性小肠结肠炎发病情况

LAC组、MIX组和CSS组的NEC发病率分别是14%、50%和44%(图1a)。通过分析每各组的死亡率,发现LAC组和CSS组的生存情况存在显著差异(图1b),同时,从生存时间来看,与LAC组相比,CSS组和MIX组中的患病者易死亡(表2)。LAC组死亡或安乐死时的空肠、回肠和结肠的病变严重程度评分均低于CSS组和MIX组,而胃的病变严重程度评分无显著差异(图1c)。NEC的病变严重程度可通过组织学评分得到证实(图1c)。

 

表1 不同配方粉的成分表

 

表2 不同配方粉喂养的仔猪的体重和肠道形态测定

图1 表型结果

 

2、形态学、组织学和炎症基因表达

与CSS组中的健康仔猪相比,该组中NEC仔猪具有较低的出生体重或者在安乐死时具有较低的体重。而各组中健康仔猪的出生体重、安乐死时体重和体重增加率均无显著差异(表2);在肠道形态测定上,各组中NEC仔猪的回肠绒毛高度和隐窝深度均低于健康仔猪。空肠绒毛高度和隐窝深度与此类似;在炎症基因表达水平上,不同组的炎症相关基因表达水平无显著差异。然而,与LAC组相比,MIX组和CSS组中的NCE仔猪的IL-1b、IL-6和IL-8表达量显著增加。

 

3、不同喂养方式下早产仔猪中微生物结构的差异

LAC组和MIX组中的健康仔猪的结肠内容物的OTU数量较高,中位数分别为85和92,而CSS组中的OTU数量的中位数为51(图2)。其中α多样性无显著差异。

 

管腔内容物和组织黏膜微生物以γ-变形菌纲和梭菌纲为主,胃内容物中微生物以芽孢杆菌纲为主,且其相对丰度明显高于回肠和结肠。与LAC和MIX组相比,CSS组的结肠内容物和组织黏膜中芽孢杆菌纲的相对丰度显著增加。回肠和结肠中最丰富的类群是γ-变形菌纲,其中以肠杆菌为主。在梭菌纲和芽孢杆菌纲中相对丰度最高的属分别为狭义梭菌属和乳酸菌属(图3)。LAC组仔猪的结肠中梭状芽孢杆菌XIVa和XI的相对丰度都较高,表明这些微生物可能与乳糖和玉米糖浆固体相关。

 

图2 各组中不同部位的微生物群落结构

 

图3 top7的物种相对丰度

 

4、健康仔猪与NEC仔猪中微生物结构的差异

健康仔猪和NEC仔猪的OTU数量无显著差异(图2)。在纲水平上,健康仔猪和NEC仔猪的黏膜组织无显著差异,而NEC仔猪的胃和回肠内容物中γ-变形菌纲相对丰度降低,梭菌纲相对丰度增加。γ-变形菌纲相对丰度的降低可能是由于NEC仔猪的胃和回肠内容物中的肠杆菌科降低,梭菌纲丰度的增加可能是由于NEC仔猪中的狭义梭菌属的增加(图4)。黏膜组织中健康组和NEC组在属水平上无明显差异。

 

图4 胃肠内容物中top 7的物种相对丰度

 

5、代谢组学特征与碳水化合物和NEC疾病相关

在盲肠内容物中共检测到425种代谢物,其中有105种代谢物在不同喂养方式下存在显著差异,有52种代谢物在健康和NEC仔猪中存在显著差异。血浆中检测到381种代谢物,其中有4种代谢物在不同喂养方式下存在差异,有205种代谢物在健康和NEC仔猪中存在显著差异。目前并未发现这两种影响因素之间的相互作用,可能是由于样本量大小不一。

 

健康和NEC仔猪中的盲肠差异代谢物有芳香族氨基酸、多不饱和脂肪酸和内源性大麻素(图5)。健康和NEC仔猪中的血浆差异代谢物参与糖酵解、糖异生和丙酮酸代谢、脂肪酸代谢、磷脂水解、嘌呤代谢、芳香族氨基酸代谢和胆汁酸代谢。

 

NEC仔猪的血浆乳酸含量和CSS组的盲肠中乳酸含量均有所增加,猜测可能是NEC发病过程中宿主血浆低氧信号代谢,而盲肠乳酸的增加可能是乳酸菌发酵玉米糖浆固体引起的。

 

图5 盲肠内容物差异代谢物热图

 

研究结论

该研究利用多组学技术,探讨不同碳水化合物对肠道微生物及其代谢产物的影响,以及是否会影响早产儿患坏死性小肠结肠炎的风险。研究发现尽管微生物群落发生了相对温和的变化,但不同碳水化合物可明显影响代谢组学特征。该结果强调了乳糖的重要性,但仍需要进一步的研究。

 

亮点

由于饮食中碳水化合物消化不良可能会导致NEC,该研究利用16S rDNA和代谢组学相结合的技术,对早产仔猪中碳水化合物、肠道微生物和NEC发病机制之间的关系进行了深入探究。

 

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