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2019-11-05浏览量:1216

『锐帮读』Nature子刊:儿童哮喘的“卫生假说”再添新证

导读

随着城市化,哮喘病的流行比例越来越高,但传统农场能提供的保护作用仍在增加。农场对哮喘的保护作用与丰富的家庭尘埃微生物有关,这可用于建立促进健康的室内微生物群落模型。本研究通过模拟芬兰同期出生儿童农场和非农场家庭中室内尘埃微生物组成的差异表明,在非农场家庭中长大的儿童中,哮喘风险随着其家庭细菌微生物组成与农场家庭的相似度的增加而降低。相对于与室外相关的细菌类群,保护性的菌群中链球菌科含量较低。这种保护作用与细菌的丰富度和总细菌负荷无关,并且与体内对细菌细胞壁成分的促炎细胞因子反应的减少有关。同时,在一项针对德国农村儿童的研究中重现了这些结果。

 

文献ID

中文标题:在非农场家庭中,类似农场的室内菌群对儿童哮喘发病有保护性作用

原标题:Farm-like indoor microbiota in non-farm homes protects children from asthma development

期刊名:Nature Medicine   IF:30.641

年份:2019

通讯作者:Pirkka V. Kirjavainen

通讯单位:芬兰国家卫生和福利研究所,东芬兰大学公共卫生和临床营养研究所

 

材料与方法

实验设计

收集芬兰同期出生队列LUKAS1和LUKAS2(两个月大的孩子)室内客厅地板的微生物。因为该年龄的婴儿经常通过呼吸道、皮肤和口腔接触地板的灰尘。

LUKAS1队列(n=214)都来自农村家庭,其中一半家庭有家畜和农场,一半住在农村但没有农场;LUKAS2队列是一群随机的、大部分住在郊区的孩子。

验证队列为1031名来自GABRIELA横断面研究的儿童(6-12岁)家庭室内微生物组的数据。  

 

微生物检测

细菌/古菌:16S rRNA V4区测序;真菌:ITS测序

测序策略:Illumina MiSeq PE300

 

研究成果

1、农场和非农场家庭室内微生物组成

农场和非农场家庭的室内微生物组成明显不同(图1)。农场尘埃菌群的特点是细菌丰富度高,与家禽相关的微生物含量低,非农场家庭通常不存在这类细菌,如拟杆菌目(Bacteroidales)、梭菌目(Clostridiales)和乳酸菌目(Lactobacillales),以及瘤胃相关古生菌甲烷短杆菌属(Methanobrevibacter )(图1,图2和图3)。放线菌目(Actinomycetales)中的几个分类单元在农场家庭中也比非农场家庭更为丰富。相比之下,非农场家庭具有比例更高的人相关细菌,包括链球菌科(Streptococcaceae)和葡萄球菌属(Staphylococcus)(图3)。农场和非农场家庭在一些特定的真菌类群相对丰度上也发现了一些差异,但差异不显著(图1,图2)。


图1 农场和非农场家庭室内菌群的差异。a.LUKAS1农场(橙色)和非农场(蓝色)室内细菌/古菌和真菌β多样性分析;b.农场和非农场家庭中细菌门水平的相对丰度。c.根据ANCOM测定,细菌/古菌分类群在农场的相对丰度显著高于非农场(橙色圈),或非农场的相对丰度显著高于农场(蓝色圈)。

 

图2  农场和非农场家庭室内细菌和真菌多样性


图3 农场和非农场家庭地板灰尘微生物群的主要微生物来源

 

2、对LUKAS1农场家庭微生物群落组成进行建模

针对LUKAS1家庭农场样(farm-like)细菌/古细菌的存在-缺失,细菌/古细菌相对丰度,真菌的存在–缺失,以及真菌相对丰度进行单独建模。然后将这些模型的系数应用于LUKAS2非农场家庭的数据。

 

农场和非农场家庭之间细菌/古菌的存在与否模式明显不同(图1)。因此,在非农场中出现类似农场的存在/缺失模式的可能性非常低,并且与LUKAS2非农场儿童中的哮喘风险无关(表1)。农场样真菌成分也与哮喘的风险无关(图4和表1)。相反,农场样细菌/古细菌的相对丰度与六岁时哮喘发展的风险降低有关(图4)。当LUKAS1和LUKAS2(从这里开始称为LUKAS)非农场儿童样本合并分析时,该关联也达到了统计意义(表1)。正如非显著性关联(P>0.6)和分层分析中几乎相等的优势比估计值所表明一样,在农场或非农场的儿童之间,类似农场样细菌/古细菌的相对丰度与哮喘之间的关联相似(表1)。但是,在农场中哮喘很少见(n=10),可能由于统计功效低,其保护作用并不明显(除非有二分概率变量;P=0.02)。

 

图4 类似农场室内的菌群与非农场儿童的哮喘保护有关

 

表1 2个月时类似于农场的室内微生物群组成和哮喘6年或6岁时患哮喘的模拟效果

 根据细菌/古细菌的相对丰度数据将概率变量命名为农场家庭相似菌群指数(FaRMI)。FaRMI的显著特征是其在受试队列(LUKAS1)的分类准确性(图5),它可以检测非农场家庭中类似农场的特征。在LUKAS,有75.9%(88/116)的农场家庭和32.7%(91/278)的非农家庭拥有更多非农场类菌群(FaRMI≥0.5)。非农场儿童中FaRMI和哮喘之间的联系,独立于先前与哮喘风险降低相关的微生物暴露标记,包括细菌丰富度和细菌内毒素总量。这表明,一般的标记可能只是更具体的微生物组成的替代物。与FaRMI相关的保护作用的一小部分(17%)似乎可以用灰尘中的胞壁酸浓度来解释,这可能表明细菌细胞壁结构的重要性。胞壁酸是一种革兰氏阳性菌细胞壁组件(不限于革兰氏阳性菌),在成人中,其体内水平与哮喘保护有关。

 

图5 受试数据中LUKAS1类农场微生物群模型的分类精度(LUKAS1)。根据受试者ROC曲线,FaRMI的分类精度适中,曲线下面积为0.74。这是FaRMI的一个关键特性,因为它可以在非农业家庭中检测类似农场的特性。

 

非农场家庭中FaRMI增加相关的变量包括穿着户外鞋在室内行走,这可能反映了土壤的转移;有两个以上年长的兄弟姐妹;室内湿度升高;以及较高的住房年龄(表2)。然而,非农场家庭中哮喘保护作用与FaRMI的相关性独立于这些因素,表明微生物是重要的环境因素和生活因素。溯源(Source tracking )分析证实FaRMI与土壤来源的细菌/古细菌OTUs呈正相关(图3)。

 

表2 LUKAS非农场家庭中与FaRMI相关的决定因素

 

3、农场样细菌/古细菌相对丰度与哮喘之间关联的可重复性

研究者将他们的方法应用于来自德国农村儿童横断面研究GABRIELA的数据。GABRIELA研究中,室内微生物群来源于床垫灰尘(n=1,031)和动物养殖棚的尘埃微生物群(n=50)。GABRIELA床垫粉尘样品中的微生物群落成员结构明显不同于从LUKAS地板粉尘样品微生物,如预期的那样,不同的样本类型,不同的地理位置和其他具体研究的差异。但是,农场对家庭室内微生物群的影响是相似的,在两项研究中都聚集在GABRIELA动物粪便灰尘样品周围(图6)。

 

利用LUKAS1中细菌/古菌分类单元的相对丰度建立了FaRMI的线性模型,并将其应用于GABRIELA数据。在GABRIELA非农场儿童数据的FaRMI重现了对哮喘的保护作用(图6和表3)。基于FaRMI≥0.5,根据儿童是否经常接触农场,GABRIELA的微生物菌群比LUKAS1 60.4%(241/399)的农场和36.8%(123/334)或20.5%(61/298)的非农场家庭的更相似。该重复表明FaRMI作为保护哮喘的室内微生物群组成的模型,不受限于单一地理位置,人口或室内粉尘样品类型。

 

使用FaRMI方法对GABRIELA农场室内微生物进行建模。GABRIELA类似于农场家庭的相对丰度模式(FaRMIGABRIELA)倾向于GABRIELA和LUKAS的非农场儿童的低哮喘风险(图6和表3),表明FaRMI方法不限于LUKAS1的固定人口。基于LUKAS1和GABRIELA的模型的共同点是FaRMI与链球菌科(Streptococcaceae)的丰富且呈负相关,与鞘脂杆菌纲(Sphingobacteriia)和α-变形杆菌纲(Alphaproteobacteria)以及蓝藻门呈正相关,这两个模型共同解释了超过60%的总方差(图6和图7)。

 

图6 农场家庭样(farm home-like)室内菌群哮喘保护作用的重复性。GABRIELA床垫灰尘和LUKAS地板灰尘细菌/古菌群未加权(a)和加权(b)Unifrac PCoA分析;c. LUKAS (n=244)中6岁以下的类农场家庭室内微生物群与哮喘的关系,以及居住在非农场家庭中的GABRIELA (n=603)中6 - 12岁的儿童与哮喘的关系。d. 链球菌科、鞘脂杆菌纲、α-变形杆菌纲和蓝藻菌属(标记为黑色的弓形),解释了LUKAS和GABRIELA中近三分之二的FaRMI差异。


 表3 每个队列中LUKAS1和GABRIELA类农家细菌组成对非农家哮喘发展的影响模型

 

图7 LuKAS1和GABRIELA类农场室内菌群的模型中。两个模型中都有的菌群用黄色标记,仅LUKAS中有的用蓝色标记,仅GABRIELA有的用红色三角形标记。

 

研究结论

1、纳入379名芬兰儿童,分析2月龄时家里室内尘埃菌群与6岁时患哮喘的关联;

2、农场家庭的尘埃菌群与非农场家庭有明显差异,前者细菌丰富度更高,后者的人体相关细菌更多;

3、农场家庭的孩子哮喘风险较低,对于非农场家庭的孩子,室内菌群组成与农场家庭越像,则其哮喘风险越低;

4、保护性尘埃菌群中,链球菌科丰度较低,暴露于这类菌群的孩子,其血液中对细菌胞壁成分的炎症性细胞因子应答降低;

5、在德国儿童队列中验证了上述结果。

 

亮点

本研究通过16S rRNA V4区测序和真菌ITS测序分析,表明农场家庭与非农场家庭室内尘埃菌群的差异,且阐明室内微生物组成与患哮喘的关联,发现哮喘风险随着其家庭细菌微生物组组成与农场家庭的相似度的增加而降低,保护性的菌群中链球菌科含量较低等。该研究结果在德国儿童队列中也同样被验证。

 

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