Gut | IBD患者的肠道菌群失调可传递给下一代

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文献速递

本研究收集了 Inflammatory bowel disease（IBD）患者孕妇粪便和唾液及其婴儿的粪便样本，婴儿粪便收集了出生后第 7、14、30、60 和 90 天的样本，与对照样本相比，发现患有 IBD 的孕妇及其婴儿的肠道微生物具有多样性低的特点。同时，与对照样本相比，由患有 IBD 母亲生产的婴儿的肠道菌群，具有 Gammaproteobacteria 富集而 Bifidobacteria 减少的特点。最后，作者用 germ-free mice（GMF）进行实验研究，分别接种母亲及其婴儿的粪便，发现母亲患者肠道菌群能影响子代适应性免疫系统。

Keywords: Gut microbiome, IBD, Germ-free mice, Adaptive immune system

Title: Infants born to mothers with IBD present with altered gut microbiome that transfers abnormalities of the adaptive immune system to germ-free mice

DOI: 10.1136/gutjnl-2018-317855

Journal: Gut [IF 17.016]

First Authors: Joana Torres

Correspondence: Inga Peter

Affiliation: Department of Gastroenterology, Hospital Beatriz Angelo, Loures, Portugal

Published: 2019-04-09

研究背景

IBDs 包括 Crohn’s disease（CD）和 Ulcerative colitis（UC）是由于在遗传易感个体中，对细菌的粘膜免疫应答异常导致的。家族病史是一个发展成 IBD 的强相关因素，但风险遗传位点并未能解释全部的遗传度。一些研究表明，母亲患有 IBD 比父亲患有 IBD 对下一代有更高的疾病传播率。在母亲怀孕期间由母体免疫调节导致的肠道菌群多样性和丰度的动态改变已经被观测到。此外，母亲在怀孕期间的健康状态和微生物均能影响婴儿最初肠道菌群的定植，并且在免疫系统发展方面起到重要作用。有意思的是，早期生活的暴露，能影响肠道菌群的发展，并且和将来发展成 IBD 有直接的联系。本研究的目标是去评估患有 IBD 的母亲在孕期的肠道菌群对后代/子代肠道菌群的影响。

研究结果

1研究设计和样本数据收集

参与者来自 Exploring MEChanisms Of disease traNsmission In Utero through the Microbiome（MECONIUM）。孕妇患有 IBD，并且收集匹配年龄，种族以及签署知情同意书的对照样本。孕妇在每三个月收集自己的粪便和唾液样本，接下来收集婴儿出生后第 7、14、30、60 和 90 天的粪便样本（图 1）。收集这些早期时间点是由于这时候有相对统一的喂养方式、有限的人与人的交流和散步等相关的暴露因素。

图 1. Study design: pregnant women with (upper panel) and without (lower panel) IBD recruited for the study collected a stool and saliva sample at each trimester, coupled with clinical and obstetric history. After delivery, their infants were followed up with serial stool samples and extensive health and exposure metadata at various time points. Stool from mother–baby pairs was selected and gavaged into wild-type germ-free mice aged 6–8 weeks to conduct immune phenotyping

2患有 IBD 的孕妇在怀孕期间有持续性的菌群失调

数据质控后，有 619 个样本可用于下游分析。怀孕期间，患有 IBD 妇女的 Alpha 多样性比正常对照低，在第一（T1）和第二（T2）时期二者之间有统计学差异，但是第三（T3）时期二者之间没有统计学差异（图 2A）。作者观察到整时期的 Alpha 多样性，IBD 患者和正常对照的变化趋势相反，正常对照的多样性从 T1 到 T3 连续下降，IBD 患者的多样性呈现出没有显著差异轻微的下降（图 2A）。基于 unweighted UniFrac distances 的非参数多元方差分析显示，IBD 患者 T1 到 T3 每个时期肠道微生态的 Beta 多样性显著不同（图 2B）。在 IBD 患者母亲肠道内检测到主要不同的菌为 Gammaproteobacteria class 和 Bacteroidetes phylum，其中 Gammaproteobacteria class 在患者中富集，而 Bacteroidetes phylum 在患者中减少，Biomarker 分析比较了这二种菌在分别由患有 IBD 母亲和没患有 IBD 母亲生产的婴儿中肠道微生物的情况（图 2C）。

图 2. The gut microbiota composition of pregnant women by IBD diagnosis. (A) The boxplots show the mean and variance of the richness of the microbial community (α-diversity) between pregnant women with (red) and without (blue) IBD (PD_whole tree); significant differences were seen at the first (T1) (p=0.005) and second trimester (T2) (p=0.01) but not in third trimester (T3). (B) Overall microbiota dissimilarities (ß-diversity) between samples grouped by IBD status. Dissimilarities were measured using unweighted UniFrac distances and visualised using a non-metric multidimensional scaling plot. Significant differences in the ß-diversity were observed at each trimester of pregnancy between pregnant women with (red) and without (green) IBD. (C) Differential microbial features between pregnant women with and without IBD as determined by linear discriminant analysis effect size analysis (linear discriminant analysis).

3母体 IBD 状态预测婴儿微生物群的多样性和分类

作者分析数据期间，79 个婴儿出生并且长到 3 个月大，306 份高质量的粪便样本可用。与没患有 IBD 母亲生产的婴儿相比，患有 IBD 母亲生产的婴儿肠道微生物具有低的多样性和变化（图 3）。患 IBD 母亲生产的婴儿肠道微生物在 7，14 和 90 天时 Alpha 多样性有显著差异（图 3A）。此外，母亲 IBD 诊断的指标可作为预测婴儿 Beta 多样性的预测指标（图 3B），其中生产方式、抗生素暴露、喂养方式和早产在每个时间点均与细菌丰度有显著相关性。

作者接下来对所有时间点进行了 LEfSe 分析，同时校验了早期生命微生物群的主要预测因子之一的生产方式。在患有 IBD 母亲肠道中富集的菌为 Gammaproteobacteria class，减少的菌为 Bifidobacterium genus，作者接下来对患有 IBD 与没有患 IBD 母亲生产的婴儿的肠道中这二种菌进行了比较（图 3C），在婴儿数据中依然能发现上述现象并且这种不同在整个研究中一直持续三个月（图 3D, E）。

图 3. Microbiota profiles across multiple time points during early life by maternal IBD status. (A) The α-diversity of the microbial community within samples obtained at different time points after delivery and compared between babies born to mothers with (red) and without (blue) IBD. The α-diversity was measured using PD_whole tree obtained in rarefied tables at 1000 sequences. (B) The ß-diversity measured by unweighted UniFrac distances at different time points after delivery compared between babies by maternal IBD status. (C) Top discriminative bacteria between babies born to mothers with (red) and without (green) IBD as determined by the LEfSe analysis. (D and E) Representative differential bacterial taxa over time by maternal IBD status. Error bars indicate mean±SD. LDA, linear discriminant analysis; LEfSe, linear discriminant analysis effect size.

4IBD 状态决定了 GFM 适应性免疫系统的组成

作者比较了分别接种母亲和婴儿粪便的小鼠粪便细菌丰度（图 1），检测到二者的显著差异与患 IBD 母亲的状态有关。

接下来，作者观察了接种母亲或婴儿粪便的小鼠肠内的 T 细胞、B 细胞、树状细胞和先天淋巴细胞的特征。非 IBD 的母亲/婴儿粪便和未接种的 GFM 作为对照。

作者识别了在先天免疫系统中一致和可重复实现的差异。特别地，小鼠分别接种了患有 CD 的孕妇和她三个月大婴儿的粪便和接种了没患 CD 的孕妇和她三个月大婴儿的粪便，前者小鼠结肠内 class - switched memory B cells 比例比后者低（图 4A）。

当小鼠接种 CD 暴露儿童的粪便，而非 CD 母亲的粪便时，在 mesenteric lymph node（MLN，肠系膜淋巴结）中也观察到相似的结果。此外，在 switched memory B cells 中，观察接种并定植了 CD 母亲或她的婴儿的粪便的小鼠的结肠，发现小鼠结肠固有层的 homeostatic IgA+ switched memory B cells 显著减少（图 4B）。

作者也比较了接种 CD 母亲和对照母亲粪便的小鼠，观察到调节 T 细胞和 MLN 的减少频率有显著差异，而在接种对应母亲的婴儿粪便的小鼠中，没有发现这些差异（图 4C）。

图 4. Germ-free mice inoculated with the stool of mothers with CD and their 3-month-old babies have significant abnormalities in the adaptive immune cells compared with mice inoculated with stool from non-CD controls. (A) Class-switched memory B cells (aqua−,CD45+CD19+CD138−IgD−IgM−) isolated from the colonic lamina propria and mesenteric lymph node (MLN) of GFM, which were inoculated with the stool of non-CD mother, CD mother or their 3-month-old babies (non-CD baby or CD baby). Cumulative data showing the percentage of classswitched B cell among live CD19+ CD138− B cells in the indicated groups of colonic lamina propria or MLN. (B) Cumulative data showing the percentage of IgA+ class-switched B cells (aqua−, CD45+ CD19+ CD138− IgD− IgM− IgA+) among live CD19+ CD138− B cells in the indicated groups of colonic lamina propria or MLN. (C) Cumulative data showing the percentage of regulatory T cells (TREG) (aqua−, CD45+ CD3+CD8−CD4+ FoxP3+) among live CD45+ CD3+ CD8− CD4+ cells in the indicated groups of colonic lami a propria or MLN. *P<0.05, **p<0.01, ***p<0.005. CD, Crohn’s disease;NS, not significant.

结论与讨论

作者发现患有 IBD 的孕妇在第一和第二时间点的肠道微生物 Alpha 多样性比正常对照样本低，并且与正常对照样本相比，Beta 多样性在每个时间点（T1，T2 和 T3 时间点）也不同。作者同时发现，患有 IBD 的母亲的后代肠道菌群的多样性在第一周持续减少，并且和正常对照相比，这种差异一直持续到 3 个月大。在本研究中，母亲的 IBD 状态是影响婴儿每个时间点肠道微生物组成最主要和最一致的因素。在怀孕期间和早期生活中，抗生素暴露增加了后期罹患 IBD 的风险。怀孕期间和早期生活是免疫系统形成和发展的关键时期，而这段时期接触的微生物和特殊代谢相关的微生物是免疫系统形成必须的底物。因此，用患有 CD 的孕妇及其婴儿的粪便接种 GFM，来评估与 IBD 相关的菌群失调情况。基于母亲 CD 状态的接种小鼠的肠道微生物组成显著不同被观测到。故而，作者的研究提供了一个早期生活暴露，微生物与未来患 IBD 风险的潜在联系。

M菌 · 笔记

①    收集了孕妇三个时期的粪便和唾液样本。

②    收集了患者婴儿出生后多个时间点的样本。

③    与对照样本相比，患有 IBD 的妇女在怀孕期间细菌多样性和组成持续改变。

④    患有 IBD 的母亲生产的婴儿的肠道微生物多样性低，并且一直持续到至少 3 个月。

⑤    用 GFM 进行了实验验证，发现被改变的肠道微生物与小鼠的适应性免疫系统发展有关，说明母亲患有 IBD 能通过肠道微生物影响子代的免疫系统。

参考文献

Torres J, Hu J, Seki A, et al. Infants born to mothers with IBD present with altered gut microbiome that transfers abnormalities of the adaptive immune system to germ-free mice[J]. Gut, 2019: gutjnl-2018-317855.

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撰稿 | XueFeng    责编 | Yanni

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封面图片来源

http://fertility-biocenter.com/uterine-microbiota-play-a-key-role-in-implantation-and-pregnancy-success-in-ivf-1605

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