Microbiome：影响早产儿菌群发育成熟的因素 | 微生物专题

发表时间：2022.7.7

发表期刊：Microbiome (IF 16.837)

关键词：早产儿，抗生素暴露，粪便，皮肤，宏基因组

研究对象：肠道和皮肤微生物

研究方法：宏基因组

研究背景

婴儿的微生物组在围产期经历了从最初建立到动态适应，最后形成更稳定群落特征的转变。尽管影响新生儿微生物组的因素仍未明确，但一般母乳喂养的阴道分娩足月婴儿的微生物组被认为是支持婴儿发育的最理想情况。而早产儿的微生物组不同，比如大多数早产儿在出生时就要接受经验性抗生素治疗，已有研究报告了围产期抗生素暴露的有害影响。为了加深对早产儿微生物组发育的了解，特别是与可变环境条件（如抗生素暴露）的相关性，本研究使用宏基因测序方法评估了一个前瞻性早产儿队列从出生到3周微生物组的变化。

研究设计

本研究群体为2019.2-2019.10期间入住辛辛那提大学医学中心新生儿重症监护室的矫正胎龄小于36周且出生体重小于2000克，预计住院时间大于21天的早产儿；根据是否接受产后抗生素治疗，分为抗生素暴露组（22人）和未暴露组（46人）。产后1（5-9天）和3（15-21天）周进行样本收集，皮肤样本使用生理盐水浸润的柔软棉签从婴儿的腹股沟和腋窝获取，将拭子尖端折断到无菌的 1.5-ml 聚乙烯管中；粪便样本从尿布上刮取，均-80°C冻存。

表1 人口特征

主要结果

1微生物组的成熟和分化

为了解早产儿前3周粪便和皮肤微生物组的个体发育，作者对未暴露组的89份粪便和169份皮肤拭子（86份来自腹股沟，83份来自腋窝）样本进行宏基因组测序；结果显示第3周和第1周相比，所有身体部位样本中菌群属的数量和多样性均显著增加（图 1A）。PCA分析揭示了不同身体部位微生物组的成熟和分化，可以看到第1周所有样本更紧密地聚集在一起，但到第3周三个身体部位样本的微生物组明显分离（图 1B）。每个身体部位第3周和第1周的微生物组的组成均显著差异（p < 0.001)。

图1 早产儿前三周微生物组的成熟

属水平差异分析显示，梭菌属Clostridium到第3周丰度升高最明显；其他包括克雷伯氏菌属Klebsiella、韦荣氏球菌属Veillonella、沙雷氏菌属Serratia和埃希氏菌属Escherichia丰度也显著升高（图 2A 和 B，均 p<0.05）。相反的，葡萄球菌属Staphylococcus的丰度下降最显著（图 2C）。

图2 早产儿前三周微生物组的成熟中丰度变化最大的属

2胎龄和出生后年龄对肠道微生物组组成发育轨迹的影响

PCA分析比较了胎龄和出生后年龄对微生物组组成的贡献，结果发现所有2周胎龄组之间的微生物组组成均无显著差异（图 3A），但两个发展变量的趋势在所有情况下方向都是相同的（图3A和B中箭头的方向）。通过比较出生后年龄对每个胎龄(GA) 队列微生物组组成的影响发现，所有孕龄微生物组组成从第1周到第3周都有进展；出生后微生物组组成的年龄依赖性差异在胎龄最早时最大（28至30周GA婴儿，p=0.017；30至32周GA婴儿，p=0.001），并随着胎龄的增加而下降（图3B)。总的来说，出生后年龄比胎龄对早产儿肠道微生物组组成的影响更大，但在怀孕后期胎龄的贡献有增加趋势。

图3 胎龄和出生后年龄对未使用抗生素早产儿肠道微生物组发育轨迹的影响

3抗生素治疗对微生物群多样化和成熟的影响

首先比较了第1周和第3周抗生素暴露组和未暴露组之间不同身体部位的微生物组多样性，结果显示粪便样本在第1周和第3周都出现多样性显著降低，腹股沟皮肤样本只第三周出现多样性显著降低（p<0.001，图 4A）；而腋窝皮肤样本多样性在第1周和第3周均无显著差异。PCA分析显示，与未暴露组相比抗生素暴露组早产儿肠道微生物组组成的分化减少（图 4B）；将第1周和第3周PCA分析叠加显示，相较于出生后年龄，抗生素暴露倾向于使微生物组组成向相反方向变化，这表明抗生素暴露与所有三个身体微生物组成熟的迟缓有关（图4C）。此外，基于Bray-Curtis 距离评估不同身体部位的微生物组成熟度，结果显示抗生素暴露组相较于未暴露组分化显着降低（p < 0.001）（图 4D）。

图4 出生后抗生素暴露对皮肤和肠道微生物组多样性和成熟的影响

肠道微生物组属水平差异分析发现，第1周样本中，抗生素暴露组鞘氨醇单胞菌属Sphingomonas、嗜酸菌属Acidovorax和念珠菌属Candida显著富集，未暴露组包括布劳特氏菌属Blautia、链球菌属Streptococcus、肠球菌属Enterococcus和葡萄球菌属在内的几个属显着富集（图 5A）。而在第3周样本中，只在未暴露组包括梭菌属、Clostridioides、布劳特氏菌属、链球菌属和葡萄球菌属在内的几个属显着增加（图 5B)。Berger-Parker优势指数显示，抗生素暴露导致肠道微生物组中少数属占主导地位（图6A）；抗生素治疗早产儿肠道中，大肠杆菌和克雷伯氏菌属占主导地位（图 6B）。

图5 第 1 周和第 3 周早产儿肠道微生物组中受抗生素暴露影响最大的属

图6 抗生素暴露与肠道中大肠杆菌和克雷伯氏菌优势的关联

4抗生素暴露对肠道微生物组代谢功能成熟的影响

基于HUMAn2的微生物组功能谱PCA分析显示，未暴露组早产儿肠道中的代谢途径分布在第1周和第3周之间发生了明显变化（p<0.001），表明这些婴儿的代谢能力显示出显著的功能成熟。而抗生素暴露婴儿从第 1 周到第 3 周的变化并不显著（p=0.064），表明抗生素暴露损害了代谢功能的成熟；与未使用抗生素的婴儿相比，抗生素暴露与第三周时向更不成熟的代谢途径丰度的转变有关。上述两特征可以说明抗生素暴露与阻碍早产儿微生物组功能成熟有关。

未暴露组婴儿的粪便中共发现20种代谢途径相关基因在第1周到第3周存在显着差异，而抗生素暴露组婴儿共有34种代谢途径显著不同（图 7B）。但从第1周到第3周，未暴露婴儿与抗生素暴露婴儿的代谢途径几乎没有重叠，表明抗生素暴露与早产儿肠道微生物组代谢功能途径发展截然不同的轨迹相关。在未暴露组婴儿中涉及丁酸和乙酸合成的代谢途径显著丰度增加，而抗生素暴露则完全抑制了丁酸和乙酸合成途径的丰度变化（图 8），表明肠道微生物组从第1周到第3周的成熟与产生有益于发育代谢物的能力增加有关。HUMAnN2虽无法明确识别对短链脂肪酸合成贡献最大的菌群，但有研究表明梭状芽胞杆菌和布劳氏菌属是健康肠道微生物组中主要的短链脂肪酸生产者；并且从第1周到第3周，未暴露婴儿肠道中两者的丰度均显着增加。抗生素暴露婴儿肠道微生物组成熟过程的失败，可能是抗生素暴露婴儿短链脂肪酸合成能力显著缺陷所导致。

图7 肠道微生物组代谢功能能力的成熟与出生后年龄和抗生素暴露的关系

图8 抗生素暴露婴儿使早产儿肠道微生物组中主要的丁酸和醋酸合成途径的获得明显受损

主要结论

虽然仍存在一些限制因素，但本研究队列通过相对大样本量的宏基因组测序表征了早产儿微生物组的个体发育，评估了孕龄和出生后年龄对微生物组组成和代谢功能能力的影响，且发现早期短暂的抗生素暴露显著破坏了新生儿微生物组的发育轨迹及其相应的功能获取。本研究结果可能为早产儿抗生素使用与不良后果之间的已知关联提供机制解释。

参考文献

Xu Y, Milburn O, Beiersdorfer T, Du L, Akinbi H, Haslam DB. Antibiotic exposure prevents acquisition of beneficial metabolic functions in the preterm infant gut microbiome. Microbiome. 2022 Jul 7;10(1):103. doi: 10.1186/s40168-022-01300-4

相关阅读

点击下方图片进入云平台资料汇总：

所见即所得，绘图高规格联川云平台，让科研更自由