科研 | Gut：患IBD母亲所生婴儿肠道微生物菌群发生的改变可以将适应性免疫系统异常传递给无菌小鼠
编译：小范儿，编辑：小菌菌、江舜尧。
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产前和早期细菌定殖被认为对于塑造婴儿免疫系统有重要作用，越来越多的证据表明婴儿早期所处的微生物环境与后期发展IBD的风险有关，本研究的目的是评估患有IBD对怀孕母亲肠道微生物组成的影响以及患有IBD母亲对婴儿肠道菌群组成的影响。研究人员在多个时间点检测患有IBD和未患有IBD母亲以及他们孩子的肠道微生物多样性，评估母亲是否患有IBD、分娩方式，是否使用抗生素和喂养方式对婴儿肠道微生物组成的影响，为了评估患有IBD母亲以及他们所产婴儿肠道微生物组成对肠道免疫系统的影响，给无菌小鼠分别接种IBD母亲以及他们婴儿的粪便微生物群，然后评估这些无菌小鼠肠道适应性和先天免疫细胞群。结果表明：
① 与对照组妇女及其婴儿相比，IBD孕妇及其后代的细菌多样性较低，细菌组成也发生了改变；
② 患有IBD母亲所产婴儿的肠道微生物多样性在出生后的7d、14d、30d、60d、90d是可以被预测的，患IBD母亲所产的婴儿变形菌门富集，双歧杆菌的丰富度较低；
③ 最后，给无菌小鼠接种妊娠末期患有IBD母亲和其90d婴儿的粪便显示，结肠中微生物多样性明显降低，类转换记忆B细胞和调节性T细胞数量减少。
本研究结果表明患IBD母亲妊娠期间持续存在异常的肠道菌群组成，并改变了婴儿粪便中的细菌多样性和丰度。益生菌群的破坏引起了无菌小鼠肠道免疫系统的异常印记。了解形成IBD母亲及其后代微生物群的关键原因，最终有助于制定新的战略，以预测和预防疾病。
论文ID
原名：Infants born to mothers with IBD present with altered gut microbiome that transfers abnormalities of the adaptive immune system to germ-free mice
译名：患IBD母亲所生婴儿肠道微生物群发生改变，转移这些菌群可以将适应性免疫系统的异常传递给无菌小鼠
期刊：Gut
IF：17.062
发表时间：2019.04
通讯作者：Dr Inga Peter
作者单位：Mt Sinai School of Medicine, new York
实验设计
招募有IBD（上图）和无IBD（下图）的孕妇在每个孕期收集粪便和唾液样本。分娩后，在不同的时间点对婴儿进行粪便样本收集以及健康数据进行分析。选取母-婴对粪便，并接种6-8周龄的野生型无菌小鼠进行免疫表型分析。
结果
1. 患有IBD的妇女在怀孕期间出现持续性的生态失调
619个样品，每个样品有>1000个测序读数，用于下游分析，正如期望的那样，多样性主要是由身体情况决定的，（在线补充图S1a-d）在怀孕期间，与对照组相比，患有IBD的女性表现在怀孕的第一个和第二个时期更低的肠道菌群α多样性，（p=0.005和p=0.01）但在怀孕第三个时期没有变化（图2A）。PERMANOVA分析基于未加权的UniFrac距离显示患IBD的怀孕妇女在怀孕的三个阶段都有明显不同的β多样性（T1、T2、T3分别为p=0.017、0.036、0.003;）图2B;通过诊断分析IBD生物标志物比较肠道微生物组的相对丰度，结果表明，与对照组相比，IBD母亲的肠道主要差异是变形菌门丫亚群的富集和拟杆菌门的减少。（图2C）在第三时期肠杆菌科的一个未被确认的属在患有IBD的孕妇中富集，LEfSe分析证实了这一发现，表明肠杆菌门下的14个分类单元被富集（在线补充图S2）
图2.诊断为IBD和非IBD怀孕女性的肠道微生物组成。（A）方框图显示了患有IBD（红色）和未患有IBD（蓝色）孕妇微生物群落丰富度的平均值和方差（α多样性）（PD_wholetree）。在怀孕早期（T1）（p = 0.005）和怀孕中期（T2）（p = 0.01）观察到显着差异，而怀孕晚期（T3）未观察到显着差异。（B）患有IBD和未患有的孕妇整体微生物差异（β-多样性），使用未加权的UniFrac距离测量差异，并使用非度量多维比例图将其可视化。观察到两组怀孕妇女在怀孕的每个时期的β多样性都显著不同（患有IBD（红色）和没有IBD（蓝色））（C）通过线性判别分析确定，患有和未患有IBD孕妇之间的差异微生物特征
2. 患IBD的孕妇可预测婴儿微生物组的多样性和分类学
在我们进行分析时，已有79名婴儿出生并进行了长达3个月的随访，有306个高质量的粪便样本可供分析，总的来说，在混合的婴儿样本中，细菌多样性随着时间的推移而变化（在线补充图S3）。与对照组相比，IBD母亲所生婴儿的肠道菌群的多样性和总体丰度的变化较低（图3）。具体而言，根据母体IBD状况，在第7、14和90天检测到α多样性存在显着差异（p值分别为0.05、0.03和0.02）（图3A）。此外，尽管母亲患IBD是婴儿β多样性的重要预测指标，但分娩方式，接触抗生素，喂养方式和早产也与各个时间点的总体细菌丰度显着相关。顺产和剖腹产的分层分析表明，无论分娩方式如何，母亲患IBD仍然是微生物组多样性的重要预测指标。同样，在排除了所有用配方奶粉喂养的婴儿样本后，差异依然存在（在线补充图S4）。然后，我们对所有时间点进行了LEfSe分析，同时调整了分娩模式，这是早期生命微生物组的主要预测因素之一。我们发现，与对照组相比，IBD母亲所生的婴儿变形菌门丫亚群富集，而双歧杆菌属减少(图3C)，这些差异持续了3个月（图3D,E）。
图3.母亲患IBD的早期多个时间点的微生物群分布。（A）分娩后在不同时间点获得的样品中微生物群落的α多样性，并对有（红色）和没有（蓝色）IBD的母亲所生的婴儿微生物群进行比较。（B）分娩后在不同时间点获得的样品中微生物群落的β多样性。（C）根据LEfSe分析，母亲患有(红色)和未患有(绿色)IBD所生婴儿之间差异性最大的细菌。（D和E）随着时间的推移，母体IBD状态下的代表性差异细菌分类群。
3. IBD状态决定GFM中适应性免疫系统的组成
我们首先比较了接种母婴粪便的GFM粪便中总体细菌丰度（β多样性）（设计如图1所示），接种患IBD母亲粪便的GFM粪便检测到显著不同（p =0.0001, p = 0.003），接下来，我们对接种了母婴粪便的GFM肠道内的T细胞、B细胞、树突状细胞和ILCs的亚群进行了特征描述。非IBD母亲/婴儿粪便和未接种GFM作为对照。由于小肠固有层与大肠固有层的结果具有良好的一致性，我们选择仅对结肠固有层进行分析。
在淋巴样细胞中，虽然我们没有检测到总T细胞和CD4+ T细胞的差异，但在IBD母亲粪便灌胃的小鼠肠系膜淋巴结中，CD19+B细胞显著减少（在线补全图S6）。此外，我们还确定了适应性免疫系统中一致的和可重复的差异。具体来说，在孕妇和3个月大的婴儿粪便接种的小鼠结肠固有层中，类转换记忆B细胞(CD45 + CD19 + CD138−IgM−细胞;在线补充图S7和S8)明显低于分别接种母亲和3个月婴儿粪便的对照组小鼠（p <0.005）（图4a）。同样的结果在接种了患克罗恩病（CD）的婴儿粪便后的MLN中也观察到，但在接种母亲粪便MLN中没有发现。此外，在转换记忆B细胞中，接种CD母亲或其婴儿粪便的小鼠的结肠固有层中的稳态IgA +转换记忆B细胞显着减少（p <0.01），而在肠系膜淋巴结中则没有（图4b）。我们没有观察到接种患有CD或非CD粪便的小鼠之间IgA +浆细胞或粪便IgA水平有显着差异（在线补充图S9），我们还观察到两组间调节性T细胞数量降低（TREG、CD45 + CD3 + CD8−CD4 + Foxp3 +细胞)在小鼠结肠LP(p<0.005)和MLN(p<0.05）（在线补充图7和8）（图4C）。
图4.与接种了非CD对照粪便的小鼠相比，接种CD的母亲及其3个月婴儿粪便的小鼠适应性免疫细胞有明显异常。（A）从GFM结肠固有层和肠系膜淋巴结(MLN)中分离得到的类交换记忆B细胞；（B）数据显示在指定的结肠固有层或MLN组中，活CD19 + CD138-B细胞中IgA +类别转换B细胞（aqua-，CD45 + CD19 + CD138-IgD-IgM-IgA +）的百分比。（C）数据显示调节性T细胞(aqua−，CD45 + CD3 + CD8−CD4+ FoxP3 +)在结肠LP或MLN中CD45 + CD3 + CD8−CD4+细胞的百分比。
讨论
我们的发现显示与对照组怀孕母亲相比，患有IBD母亲的微生物组在第一和第二时期有一个更低的α多样性，在三个时期都显示不同的β多样性。表现出降低拟杆菌门的相对丰度，增加厚壁菌门的相对丰度，重要的是，与对照组婴儿相比，观察到IBD母亲的后代在出生后第一周出现了菌群多样性减少的情况，肠道细菌组成的整体差异持续了3个月。在我们的研究中，在每个时间点变形菌门丫亚群的富集和双歧杆菌的减少推动了婴儿早期微生物的变化，在它们的母亲和患有IBD的成年人和儿童中有与这些微生物变化相同的模式，双歧杆菌是婴儿肠道的第一批定植者，可以促进宿主的健康，促进免疫系统的成熟，有助于防御肠道致病菌，已被证明可以预防结肠炎，含有双歧杆菌的多菌群社区在特定背景下有效果，然而，变形杆菌常与肠道炎症相关，并一直与IBD相关。
虽然母亲是否患有IBD是与婴儿在每个时间点的微生物组组成相关的主要和最重要的因素，但其他因素，如分娩方式、喂养行为、接触抗生素和早产，也可以影响整体微生物组成，剖腹产以及在怀孕期间和婴儿早期接触抗生素会增加日后患IBD的风险，而在婴儿期母乳喂养可以预防IBD的发展。相关菌群分析显示纯母乳喂养与双歧杆菌相对较高的丰度独立相关，这与先前的报道一致。
我们的数据提供了生命早期接触IBD相关微生物组环境与未来风险之间的潜在联系，强调在免疫系统发育的敏感时间范围内，生命早期微生物组异常的潜在后果。早期生活中细菌多样性低已被证明导致儿童时期哮喘和过敏等疾病的更高发病率，考虑到肠道微生物组在IBD发病机制中的核心作用，我们推测观察到的模式可能至少部分有助于解释后代中IBD的残留风险，而不是已确定的共有遗传风险。
我们的研究的局限性包括无法避免一些潜在的混杂因素，如IBD类型、疾病位置、活动、并发症、药物和其他可能影响微生物组的IBD相关变量。少数婴儿暴露于抗生素和纯配方奶喂养，这些环境暴露会影响婴儿的肠道定植，但我们无法进一步评估这些环境暴露的影响和相互作用。此外，我们无法获得婴儿的血液，因此，我们用一个有效的模型系统(GFM)来预测不平衡微生物群对免疫反应的影响。此外，我们还报道了健康小鼠中CD供体粪便引起的肠道微生物组和免疫系统的变化。然而，不能推断CD相关的菌群失调对结肠炎易感性的影响，也不能确定其变化的潜在病理生理机制。未来的研究将验证我们在小鼠粘膜炎症模型中的发现。最后，虽然我们在适应性免疫系统中看到了清晰的、可重复的变化，但我们没有在先天免疫细胞中发现类似的变化，可能的解释包括缺乏敏感性、缺乏炎症或其他细胞亚群的变化。
评论
产前和早期细菌定殖与婴儿免疫系统发育有关，婴儿早期所处的微生物环境与后期发展IBD的风险有关，该研究评估了患有IBD对怀孕母以及其婴儿肠道菌群组成的影响，同时评估了这些微生物组的改变对肠道免疫系统的影响，发现IBD孕妇及其后代的细菌多样性较低，细菌组成也发生了改变，其肠道微生物多样性在出生后的7d、14d、30d、60d、90d是可以被预测的，检测到变形菌门富集，双歧杆菌的丰富度较低。给无菌小鼠接种妊娠末期患有IBD母亲和其90d婴儿的粪便显示结肠中微生物多样性明显降低，类转换记忆B细胞和调节性T细胞数量减少。表明在免疫系统发育的敏感时间范围内，生命早期微生物组异常影响免疫系统发育。该研究解释了形成IBD母亲及其后代微生物群的关键原因，有助于为预测和预防IBD制定新的战略。
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