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剖腹产对婴儿肠道微生物群定植的影响

作者:Yan Shao来源:nature

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刚出生的婴儿在出生后立即就有来自母亲和周围环境的微生物的快速定植。儿童期和晚年的疾病可能由婴儿肠道微生物群定植的干扰所介导。

然而,剖腹产对新生儿期(小于1个月)的肠道微生物群获得和发育早期的影响仍然存在争议。

我们发现剖腹产婴儿中,母体类杆菌的传播受到干扰,与医院环境相关的条件致病菌(包括肠球菌、肠杆菌和克雷伯菌)定植水平高。

这些现象, 在阴道分娩、母亲接受抗生素预防的婴儿,以及在新生儿时期未进行母乳喂养的婴儿中也有发现,但程度较小。

我们对596名在英国医院出生的足月婴儿的1679个肠道微生物群样本(在新生儿期和婴儿期的几个时间点采集)进行了纵向取样和全基因组鸟枪宏基因组分析;其中一部分婴儿,我们从母亲那里收集了额外的匹配样本(175名母亲与各自的178名婴儿配对)。

这项分析表明,分娩方式是影响整个新生儿期和婴儿期肠道微生物群组成的一个重要因素。

对这些婴儿中的800多株细菌进行大规模培养和全基因组测序,确定了致病因子和临床相关的致病性微生物的抗菌素耐药性,这可能会使个人易患机会性感染。

我们的研究结果强调了现场环境在早期建立肠道微生物群方面的关键作用,并将含有机会性病原体的抗微生物定植确定为以前未被充分认识的医院分娩风险因素。

早期活动事件,包括剖腹产、配方奶粉喂养和抗生素接触,可能干扰肠道微生物群的组成,与儿童哮喘和过敏的发展有关。

为了表征新生儿期肠道微生物群的获得和发展轨迹,我们通过婴儿生物群落研究BBS招募了596名健康、足月的婴儿(妊娠期39.5±1.37周,其中314名阴道分娩和282名剖腹产婴儿)。

所有新生儿在新生儿期(1个月以内)至少采集一次粪便样本,302名婴儿在婴儿期(8.75±1.98个月)再次取样。此外,还从175名母亲(对应178名婴儿)中获取了母亲粪便样本。

对总共1679个粪便样本的宏基因组分析揭示了肠道微生物群发育的时间动态(图1b),以及微生物群随年龄增长的多样性。

剖腹产对婴儿肠道微生物群定植的影响

图1


在个体生命的第一周,肠道微生物群表现出明显的异质性和不稳定性(个体内变异性)。个体间差异解释了57%的微生物物种组成变化(排列多元方差分析(PERMANOVA),P<0.001,1000排列);其次是取样年龄,解释了5.7%的变化(P<0.001)。

这些结果表明,与婴儿期相比,新生儿期肠道菌群具有高度的动态性和个体化特征。

为了确定临床变量对肠道菌群组成的影响,我们进行了PERMANOVA横断面和年龄分层。

剖腹产对婴儿肠道微生物群定植的影响

分娩方式是驱动新生儿期肠道菌群变化的最重要因素(图2a)。

母乳喂养以及与医院分娩相关的临床共变量(如使用围产期抗生素和住院时间)显示出较小的影响。

分娩方式的最大影响出现在第4天(R2=7.64%,P<0.001);

这种影响随着年龄的增长而消失,但在婴儿期取样时仍然显著(R2=1.00%,P=0.002)。

分娩方式对母体肠道微生物群,以及选择性剖腹产和急诊剖腹产新生儿肠道菌群之间没有影响。

考虑到分娩方式在新生儿期的显著影响,我们接下来试图了解微生物群的组成和发育轨迹是如何改变的。

阴道分娩的婴儿样本中富含双歧杆菌(如长双歧杆菌和短双歧杆菌)、大肠杆菌、拟杆菌(外阴拟杆菌)和对羟基苯甲酸酯(对羟基苯甲酸酯二酯),

这些共有属占68.3%(95%可信区间,65.7–71.0%)的新生儿肠道菌群(图2b),与其他队列的近期观察结果一致。

相比之下,剖腹产婴儿的肠道微生物群在这些共生属中消失了,取而代之的是粪肠球菌、屎肠球菌、表皮葡萄球菌、对鳗链球菌、催产克雷伯菌、肺炎克雷伯菌、阴沟肠杆菌和产气荚膜梭菌,所有这些都与医院环境和住院新生儿有关。

在第4天,属于这些属的物种占剖腹产婴儿总微生物群的68.25%(95%置信区间,62.74–73.75%)(图2b)。

先前的研究报道,与剖腹产婴儿相比,阴道分娩婴儿的肠道菌群富含与蛾阴道菌群相关的乳酸杆菌。

然而,我们观察到剖腹产和阴道分娩婴儿之间乳酸菌的患病率和丰度没有统计学差异,在阴道分娩或剖腹产婴儿的微生物群中,11.9%和15.7%的婴儿的患病率(分别超过1%的丰度)或乳酸菌丰度(1.217%;95%可信区间,0.81-1.621%)或剖腹产婴儿的乳酸菌丰度(2.21%)之间没有统计学差异;95%置信区间,1.54–2.88%。

相反,在51.0%的阴道分娩婴儿的肠道微生物群中,检测到类杆菌属的共生体丰度很高。

相比之下,99.6%剖腹产婴儿肠道微生物群中的类杆菌种类较少或不存在。

在60.6%的剖腹产婴儿中,这种低类杆菌分布一直持续到婴儿期,此时只有类杆菌在阴道产婴儿和剖腹产婴儿的肠道微生物群中存在差异。

虽然我们无法评估产妇在剖腹产分娩期间接触抗生素的独立效果(因为所有剖腹产分娩均使用抗生素),在阴道分娩的婴儿中,我们观察到低的拟杆菌谱和母体产时抗生素预防之间的显著关联(优势比1.77,95%置信区间,1.17 - 2.71%,P=0.0074),这也是阴道分娩婴儿肠道微生物群变化最大的原因(R2=5.88-13.6%)。

这些结果扩展了先前的发现,并突出了低拟杆菌作为一个扰动特征,这与剖腹产分娩和产妇阴道分娩期抗生素预防有关。

胃肠道细菌从母亲传给婴儿是一种被低估的母系关系。

为了评估新生儿微生物群的变化是否可以归因于母体微生物群的差异传播,我们对178个母婴二代之间的细菌菌株传播进行了分析。

我们发现,在新生儿期,大多数母婴微生物菌株的传播发生在阴道分娩的婴儿身上(74.39%),其频率远远高于剖腹产婴儿(12.56%,Fisher精确检验,P<0.0001),婴儿后期很少发现外阴拟杆菌的传播。

这与其他常见的早期定植者(如长双歧杆菌和大肠杆菌)的传播模式形成对比,在婴儿期后期母体菌株的定植更为频繁。

这一结果突出了新生儿期是母婴传播的重要早期窗口,从剖腹产婴儿(长期缺乏此类类杆菌)明显表现出的开创性类杆菌的传播中断可以看出,剖腹产婴儿被剥夺了母系传播的共生细菌,但与医院环境有关的机会致病菌的相对丰度要高得多。

在剖腹产分娩的婴儿中,83.7%的婴儿在新生儿期携带机会病原体,而在阴道分娩的婴儿中,这一比例为49.4%(图4a)。

在出生后的前21天,这些机会性致病因子占剖腹产婴儿肠道菌群物种水平丰度的30.4%(95%可信区间,27.86-32.96%),而阴道分娩婴儿的是9.8%(95%可信区间,8.19-11.4%);最大差异出现在第4天。

在纵向上,所有机会致病菌总和的丰度差异持续存在于剖腹产的婴儿中,这些婴儿在婴儿后期重新取样(剖腹产的婴儿丰度为2.8%,而阴道分娩的婴儿丰度为1.6%;Welch t检验 P=0.0375)。

考虑到在新生儿肠道的宏基因组中普遍携带机会病原体,我们试图通过培养来验证这些病原体的存在和生存能力。

我们采用选择性培养基对177名婴儿(70名阴道分娩的婴儿和107名剖腹产的婴儿;共741个分离株)和38名母亲(95个分离株)的粪便样本中的836株条件致病菌进行了定向大规模培养。

随后进行的粪大肠杆菌、泄殖腔大肠杆菌、催产素大肠杆菌和肺炎大肠杆菌的全基因组测序和基因组特征使我们能够进行高分辨率的系统分析,并描绘出毒性因子和与抗菌素耐药性相关基因的菌株特异性携带。

我们以剖腹产婴儿中最常见的机会性病原体为研究对象,在公开获得的人类肠道微生物群和环境粪便菌群基因组的背景下,分析了BBS中各种粪大肠菌群的基因组(图4c)。

我们发现,BBS中的菌株53.9%由5个主要谱系组成,每个谱系分布在BBS三家医院(扩展数据图6a)的阴道分娩婴儿和剖腹产婴儿(及其母亲)以及英国医院的患者中,但不包括高风险的英国流行病谱系,这些谱系具有丰富的多重耐药性和毒性。

与BBS的菌株与人类胃肠道和环境菌株的系统发育位置一致,这些非流行性大肠杆菌菌株表现出与AMR相关基因的可比携带水平。

与粪大肠杆菌相似,肠杆菌和克雷伯菌在BBS中也表现出高水平的种群多样性,包括在流行病谱系下的系统发育。

这些菌株还显示了与AMR和毒性相关的基因携带水平,这表明了在医院环境和健康人群中流通的是非流行病谱系,而不是高致病性和富含超广谱β-内酰胺酶的流行谱系。

缺乏特定于谱系的定植表明,暴露于医院环境是导致BBS婴儿中机会性病原体定植的主要因素。

虽然我们的研究不是为医院环境源的回顾性抽样而设计的,但在医院环境中经常发现机会致病菌;医院出生的婴儿携带的细菌与手术室和新生儿重症监护室的细菌相同。

我们的纵向、全基因组测序特征表明,分娩方式是影响生命最初几周肠道菌群的一个主要因素,持续到婴儿期的效果减弱。


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参考文献

Stunted microbiota and opportunistic pathogen colonization in caesarean-section birth

Yan Shao, Samuel C. Forster, Evdokia Tsaliki, Kevin Vervier, Angela Strang, Nandi Simpson, Nitin Kumar, Mark D. Stares, Alison Rodger, Peter Brocklehurst, Nigel Field & Trevor D. Lawley



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