于志丹 岳玲玲 王梓潓 王睿孜 李利鋒 張萬存 李小芹
(鄭州大學(xué)附屬兒童醫(yī)院/河南省兒童醫(yī)院鄭州兒童醫(yī)院消化內(nèi)科/鄭州市兒童消化疾病重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南鄭州 450018)
近年來,食物過敏在嬰幼兒和兒童人群中的發(fā)病率呈上升趨勢(shì),其中牛奶蛋白過敏(cow's milk protein allergy, CMPA)最為常見,其患病率報(bào)道不一,在1.3%~2.9%之間;癥狀可累及多個(gè)器官系統(tǒng),如皮膚、消化道、呼吸道等,可出現(xiàn)皮疹、腸道炎癥和哮喘等表現(xiàn)[1]。食物蛋白等過敏原經(jīng)消化道致敏是誘發(fā)食物過敏的始動(dòng)環(huán)節(jié),因而闡明腸道環(huán)節(jié)食物致敏蛋白與腸道免疫之間的關(guān)系及其影響因素,減輕或阻斷腸道異常反應(yīng)或致敏,對(duì)于食物過敏疾病的預(yù)防和治療至關(guān)重要。腸道菌群作為人體新陳代謝的“器官”,在腸道免疫系統(tǒng)發(fā)育和功能發(fā)揮方面亦起著重要作用,在出生后的早期階段,腸道菌群的建立與免疫系統(tǒng)的成熟是平行發(fā)展的[2]。因此,腸道菌群發(fā)育異常和穩(wěn)態(tài)失調(diào)可損害腸道免疫,進(jìn)而引發(fā)健康問題和疾病發(fā)生。近期的研究顯示,腸道菌群紊亂與食物過敏發(fā)生密切相關(guān)[3-5]。菌群代謝產(chǎn)物是菌群與宿主間的重要介質(zhì),其中乙酸、丙酸、丁酸等短鏈脂肪酸(short-chain fatty acid, SCFA)作為一類重要的產(chǎn)物除了可為腸上皮細(xì)胞提供能量以外,在維持腸上皮細(xì)胞屏障的完整性、增加抗炎產(chǎn)物的合成或調(diào)節(jié)腸道免疫細(xì)胞功能方面起著重要作用[6-8]。本研究采用16S rDNA高通量檢測(cè)技術(shù)和液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀(liquid chromatograph mass spectrometer, LC-MS)檢測(cè)CMPA 患兒腸道菌群及其代謝產(chǎn)物SCFA 水平變化,以期揭示CMPA 患兒腸道菌群特征及SCFA 的變化,為CMPA 的預(yù)防和治療提供新的思路。
選取2019年8月—2020年8月在鄭州大學(xué)附屬兒童醫(yī)院門診就診的CMPA患兒及兒童保健門診體檢正常嬰兒各25例,分別設(shè)為CMPA組和對(duì)照組。所有研究對(duì)象的生活區(qū)域均在鄭州市及周邊縣市,生活習(xí)慣及飲食結(jié)構(gòu)基本相同。收集兩組嬰兒一般資料及CMPA患兒臨床資料。
納入標(biāo)準(zhǔn):(1)母乳喂養(yǎng),年齡<6 個(gè)月;(2)根據(jù)《中國(guó)嬰幼兒牛奶蛋白過敏診治循證建議》[9]確診為CMPA。
排除標(biāo)準(zhǔn):(1)患有腸道感染性疾病(結(jié)核病及乙型肝炎病毒、丙型肝炎病毒、人類免疫缺陷病毒等病毒感染)、消化道畸形、內(nèi)分泌代謝障礙、先天性疾病、自身免疫性疾病;(2)1個(gè)月內(nèi)服用抗生素、微生態(tài)制劑(如益生菌)等影響消化道菌群的藥物;(3)入選前1個(gè)月內(nèi)口服或靜脈應(yīng)用糖皮質(zhì)激素和其他免疫抑制劑。
本研究已通過我院倫理委員會(huì)審議(2021-HK16),且獲得患兒家屬知情同意書。
采集研究對(duì)象新鮮糞便樣本200 mg,并置于無菌凍存管內(nèi),2 h 內(nèi)低溫運(yùn)輸至實(shí)驗(yàn)室,保存于-80℃冰箱。每個(gè)研究對(duì)象收集3份樣本備用。
采用CTAB 法提取糞便中微生物基因組DNA,檢測(cè)DNA 的純度和濃度,合格的樣品用無菌水稀釋至1 ng/μL。設(shè)計(jì)鑒定通用引物(V3~V4 前端引物:343F-5'-TACGGRAGGCAGCAG-3',后端引物:798R-5'-AGGGTATCTAATCCT-3'),通過PCR 擴(kuò)增對(duì)高變區(qū)進(jìn)行測(cè)序分析和菌種鑒定。基于IlluminaHiSeq測(cè)序平臺(tái),采用雙末端測(cè)序(Paired-End)方法,構(gòu)建小片段文庫(kù)。以稀釋的基因組DNA 為模板,利用帶Barcode 特異性引物、PCR Master Mix(含有GC buffer)以及高保真酶配制成PCR 反應(yīng)體系。檢測(cè)合格的PCR 產(chǎn)物根據(jù)濃度進(jìn)行等體積混合,并用瓊脂糖凝膠電泳(2%)分離PCR產(chǎn)物,回收純化目的條帶。利用TruSeq?DNA PCR-Free Sample Preparation Kit 建庫(kù)試劑盒進(jìn)行文庫(kù)構(gòu)建,然后將構(gòu)建好的文庫(kù)經(jīng)Qubit 和Q-PCR 定量,利用HiSeq2500 PE250 進(jìn)行上機(jī)測(cè)序。經(jīng)過濾處理得到高質(zhì)量的Tags數(shù)據(jù),與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行對(duì)比,排除其中的嵌合體序列,得到最終的有效數(shù)據(jù),并進(jìn)行基于序列間相似度的分類單元(operational taxonomic unit, OTU)聚類分析,將獲得的信息通過Qiime 軟件計(jì)算Chao1、Shannon、Simpson 等指數(shù), 并 在 界(kingdom)、 門(phylum)、 綱(class)、目(order)、科(family)、屬(genus)、種(species)7 個(gè)水平上統(tǒng)計(jì)各樣本的群落組成。Venn 圖和主成分分析(principal component analysis, PCA)圖采用R 軟件繪制。α-多樣性(包括Chao1、Shannon、observed species 指數(shù)等指標(biāo))和β-多樣性采用QIIME2 計(jì)算。采用nsegata-LEfSe軟件對(duì)差異性菌群進(jìn)行LEfSe分析。
糞便樣本經(jīng)緩沖液充分溶解,加入內(nèi)標(biāo)L-2-氯苯丙氨酸(0.3 mg/mL)和LysoPC 17∶0(0.01 mg/mL)各20 μL (甲醇配置) 及400 μL 的甲醇-乙腈(V∶V=2∶1),并用超聲提取10 min 后,-20℃靜置30 min;離心得150 μL 上清,用0.22 μm的有機(jī)相針孔過濾,并轉(zhuǎn)移至液相色譜進(jìn)樣瓶,進(jìn)行LC-MS 分析。質(zhì)量控制由所有樣本的提取液等體積混合制備而成,每個(gè)質(zhì)量控制的體積與樣本體積相同。所有提取試劑使用前均在-20℃進(jìn)行預(yù)冷。
本次實(shí)驗(yàn)的分析儀器為AB ExionLC 超高效液相串聯(lián)AB TripleTOF 6600 高分辨質(zhì)譜儀組成的液質(zhì)聯(lián)用系統(tǒng)。色譜柱為ACQUITY UPLC BEH C18(100 mm×2.1 mm,1.7 μm),柱溫45℃,流 速0.4 mL/min。質(zhì)譜條件為ESI 離子源,樣品質(zhì)譜信號(hào)采集分別采用正負(fù)離子掃描模式。
根據(jù)樣本一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,計(jì)算微生物(OTU/門/綱/目/科/屬/種)的相對(duì)豐度與對(duì)應(yīng)代謝物的響應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性。二者之間的相關(guān)性采用Spearman秩相關(guān)分析。
采用RStudio軟件語言完成微生物群數(shù)據(jù)分析。腸道菌群的異同性采用聚類分析,其值的計(jì)算采用Wilcoxon 秩和檢驗(yàn),并經(jīng)過FDR 校正。采用SPSS 21.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,正態(tài)分布的計(jì)量資料以均值±標(biāo)準(zhǔn)差(±s)表示,組間比較采用兩樣本t檢驗(yàn);計(jì)數(shù)資料采用例數(shù)和百分率(%)表示,組間比較采用卡方檢驗(yàn)。P<0.05 表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
CMPA組和對(duì)照組年齡、身高、體重、出生體重、出生方式的比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。CMPA 組每日大便次數(shù)顯著高于對(duì)照組(P<0.01)。CMPA 組患兒大便均含有奶瓣,且18 例出現(xiàn)便血。見表1。

表1 CMPA組和對(duì)照組一般資料的比較
50個(gè)樣本共獲得3 555 452條可用高質(zhì)量序列,基于有效數(shù)據(jù)已超過97%相似性進(jìn)行OTU 聚類分析,共注釋到6 644個(gè)OTU中。基于統(tǒng)一深度下計(jì)算不同樣本的α-多樣性指數(shù)(Chao1、Shannon 和observed species指數(shù)),分析表明,與對(duì)照組相比,CMPA組α-多樣性顯著增加(兩組Chao1、Shannon和observed species 指數(shù)比較,均P<0.001)(圖1A~C)。基于多種距離矩陣的分析結(jié)果,通過主坐標(biāo)分析和非度量多維排列 (non-metric multidimensional scaling, NMDS)分析可以觀察個(gè)體或群體間的差異,結(jié)果表明CMPA組和對(duì)照組間微生物群落β-多樣性具有差異,且組內(nèi)生物重復(fù)性好(圖1D~E)。Venn圖分析顯示,CMPA組和對(duì)照組嬰兒糞便中OTU 的組成有很大不同:只有1 769 個(gè)OTU 是兩組共同所有,而4 335 個(gè)OTU 是CMPA組所特有(圖1F)。

圖1 CMPA糞便群落多樣性分析 A、B、C:基于統(tǒng)一深度下不同樣本的α-多樣性指數(shù)分析;a表示與對(duì)照組相比,P<0.05。D、E 分別為NMDS 分析(stress=0.048)和主坐標(biāo)分析,顯示CMPA 組和對(duì)照組間微生物菌落β-多樣性有差異。F:Venn圖,顯示CMPA組和對(duì)照組兒童糞便中OTU的組成有很大的不同,只有1 769個(gè)OTU是兩組共同所有。
為了明確CMPA 對(duì)嬰兒腸道菌群組成的影響,將OTU 進(jìn)行聚類分析,得到不同水平物種相對(duì)豐度。從科水平上看(圖2),CMPA患兒腸道內(nèi)腸桿菌 科 (Enterobacteriaceae, 14%)、 毛 羅 菌 科(Lachnospiraceae, 6%)、擬桿菌科(Bacteroidaceae,4%)、普雷沃氏菌科(Prevotellaceae, 1%)、瘤胃球菌科(Ruminococcaceae, 3%)豐度較對(duì)照組(豐度分別為16%、20%、21%、4%和16%)均顯著下降。Muribaculaceae、Arcobacteracea、 梭 菌 科(Clostridiaceae_1) 、 鞘 脂 單 胞 菌 科(Sphingomonadaceae)、支原體科(Mycoplasmataceae)等在CMPA患兒腸道內(nèi)富集。

圖2 CMPA患兒腸道菌群群落結(jié)構(gòu)分析 單個(gè)樣本科水平群落結(jié)構(gòu)(柱子表示樣本,不同顏色表示不同注釋信息,others表示除前30之外的所有物種)。
為了進(jìn)一步探討CMPA 患兒腸道菌群的變化,本研究利用LEfSe方法分析了組間具有顯著性差異的 物 種(biomarker),篩 選LDA score 前15 的biomarker(圖3A)。結(jié)果顯示,對(duì)照組中厚壁菌門(Firmicutes)、梭狀芽孢桿菌目(Clostridiales)、擬桿菌(Bacteroides)豐度較高,而CMPA 組患兒腸道 菌 群 變 形 菌 (Proteobacteria)、 彎 曲 菌(Campylobacteria)豐度顯著升高。對(duì)差異物種進(jìn)行相對(duì)豐度log 轉(zhuǎn)換,種水平上差異物種相對(duì)豐度前10 的boxplot 分析顯示,CMPA 組腸道中嗜熱鏈球菌(Streptococcus_salivarius_subsp._thermophilus)(P=0.014)、脆弱擬桿菌(Bacteroides_fragilis)(P=0.004)、 脆 弱 類 桿 菌 多 形 種(Bacteroides_thetaiotaomicron) (P=0.005) 、 丁 酸 梭 菌(Clostridium_butyricum)(P<0.001)顯著下調(diào),而乳桿菌屬(Lactobacillus_murinus、Lactobacillus_gasseri、Lactobacillus_reuteri)(P<0.001)和肺炎鏈球菌(Streptococcus_pneumoniae)(P<0.001)顯著升高(圖3B)。

圖3 CMPA 患兒腸道菌群物種豐度分析 A:差異物種score 圖,不同顏色表示不同組別,紅色條形表示在CMPA 組別中豐度相對(duì)較高的物種,綠色條形表示在對(duì)照組別中相對(duì)豐度較高的物種;B:種水平差異物種相對(duì)豐度前10 的boxplot分析,縱坐標(biāo)表示物種的相對(duì)豐度log轉(zhuǎn)換值。
為了確定微生物群落結(jié)構(gòu)的變化是否會(huì)轉(zhuǎn)化為微生物代謝的改變,本研究同時(shí)檢測(cè)了對(duì)照組和CMPA組腸道內(nèi)微生物代謝產(chǎn)物,根據(jù)變量權(quán)重值對(duì)脂肪酸差異代謝物表達(dá)量進(jìn)行可視化分析,結(jié)果顯示,CMPA組腸道內(nèi)脂肪酸代謝產(chǎn)物含量較對(duì)照組顯著下降(表2),包括乙酸、丁酸、異戊酸(圖4)。

圖4 CMPA患兒腸道代謝產(chǎn)物SCFA變化分析 圖A、B、C分別為乙酸、丁酸和異戊酸相對(duì)含量。a表示與對(duì)照組相比,P<0.05。

表2 CMPA組與對(duì)照組相比腸道脂肪酸代謝產(chǎn)物的變化
將SCFA產(chǎn)生菌豐度與乙酸、丁酸、異戊酸含量進(jìn)行Spearman秩相關(guān)分析,結(jié)果顯示:乙酸含量與糞桿菌屬(Faecalibacterium)和糞球菌屬(Coprococcus_3)等的豐度呈正相關(guān)(P<0.05);丁酸含量與糞桿菌屬(Faecalibacterium)、羅氏菌屬(Roseburia)、細(xì)毛螺菌屬 (Eubacterium_eligens_group)、 糞 球 菌 屬(Coprococcus_1)等的豐度呈正相關(guān)(P<0.05);異戊酸含量與糞桿菌屬(Faecalibacterium)、毛螺菌屬(Lachnoclostridium)、瘤胃球菌屬(Ruminococcaceae_UCG-003)、霍氏真菌屬(Eubacterium_hallii_group)等的豐度呈正相關(guān)(P<0.05)。見圖5。

圖5 腸道菌群與代謝產(chǎn)物SCFA關(guān)聯(lián)分析 橘紅色為正相關(guān),藍(lán)色為負(fù)相關(guān),顏色越深相關(guān)性越大。***示P<0.001,**示P<0.01,*示P<0.05。
生活方式和環(huán)境的改變影響人體腸道菌群的組成,與多種疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。抗生素的濫用、較高比例的配方奶喂養(yǎng)、飲食結(jié)構(gòu)改變等打亂了機(jī)體腸道菌群平衡,增加過敏性疾病的發(fā)生率,其中CMPA 是嬰幼兒最常見的過敏性疾病。嬰兒時(shí)期是腸道菌群建立的關(guān)鍵窗口,在塑造宿主免疫力方面起著重要作用[10]。生命早期腸道菌群組成的改變(如生態(tài)失調(diào))是影響食物過敏發(fā)展的關(guān)鍵因素[11]。胃腸道內(nèi)膜是機(jī)體最大的免疫位點(diǎn),在生命過程中不斷接觸大量的微生物和食物蛋白,具有吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和抵御潛在致病微生物的功能。通常情況下,腸道微生物通過飲食獲得的生物大分子可誘導(dǎo)腸道固有層調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(regulatory T cell, Treg)的發(fā)育,以抑制食物過敏引發(fā)的過強(qiáng)免疫反應(yīng)[12]。因此,早期腸道微生物的定植及組成在兒童食物過敏中發(fā)揮重要作用。
Nakayama等[13]分析了過敏和非過敏嬰兒的糞便細(xì)菌組成,表明腸道微生物組成的變化增加后期過敏的風(fēng)險(xiǎn)。為了更好地了解共生細(xì)菌與嬰兒CMPA的關(guān)系,本研究收集了CMPA患兒及正常嬰兒糞便進(jìn)行微生物組學(xué)分析,發(fā)現(xiàn)CMPA患兒較正常嬰兒腸道微生物α-多樣性顯著增加。早期腸道菌群失調(diào)直接影響機(jī)體功能,增加兒童食物過敏的風(fēng)險(xiǎn)。近年來研究表明,西方CMPA嬰幼兒腸道菌群組成與正常嬰幼兒不同,含有更高的細(xì)菌數(shù)和厭氧菌,并伴隨擬桿菌門(Bacteroidetes)豐度減少,厚壁菌門和梭狀芽孢桿菌綱(Clostridia)豐度增加[14]。然而,另有研究報(bào)道,過敏患兒腸道內(nèi)梭狀芽孢桿菌目豐度減少,而擬桿菌目豐度增加[15]。本研究發(fā)現(xiàn)CMPA 患兒腸道菌群結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,含有較高豐度的梭菌科、鞘脂單胞菌科、支原體科,而擬桿菌科、腸桿菌科和普雷沃氏菌科豐度下降。另有LEfSe分析表明厚壁菌門、梭狀芽孢桿菌目、擬桿菌在CMPA 患兒腸道內(nèi)豐度降低。由于地域結(jié)構(gòu)及飲食文化的差異導(dǎo)致我國(guó)CMPA 患兒腸道菌群的變化與西方國(guó)家有所不同,但患兒腸道內(nèi)梭狀芽孢桿菌、擬桿菌豐度均降低。有研究表明腸道內(nèi)梭狀芽孢桿菌的定植可促進(jìn)腸道內(nèi)轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β (transforming growth factor beta, TGF-β)的表達(dá),從而影響表達(dá)Foxp3 轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)腸調(diào)節(jié)性T 細(xì)胞(Foxp3+Treg)的累積和功能,而Foxp3+Treg 在口服耐受中發(fā)揮關(guān)鍵作用[16-17]。因此,CMPA患兒腸道菌群的變化可能直接影響腸道免疫細(xì)胞的分化、累積及功能,從而調(diào)節(jié)過敏反應(yīng)。
腸道菌群代謝物是宿主免疫系統(tǒng)和共生微生物群之間交流的重要信號(hào)分子,為互利共生奠定了廣泛的基礎(chǔ)[7]。其中,SCFA 是腸道內(nèi)含量最多的代謝產(chǎn)物之一,在維持腸黏膜完整性、局部和全身代謝功能中發(fā)揮重要作用,且可調(diào)節(jié)機(jī)體免疫應(yīng)答[6,8,18]。SCFA 可誘導(dǎo)Treg 產(chǎn)生與分化,降低Th2 型細(xì)胞因子和抗原特異性IgE,抑制過敏免疫應(yīng)答[19];或與G 蛋白偶聯(lián)受體結(jié)合,誘導(dǎo)IL-18產(chǎn)生,促進(jìn)腸上皮細(xì)胞增殖,維持腸道屏障完整性[20]。近年來研究表明,與健康受試者相比,食物過敏兒童糞便中SCFA水平顯著降低[21-22]。本研究發(fā)現(xiàn)CMPA 患兒腸道內(nèi)丁酸梭菌豐度顯著降低,菌群代謝產(chǎn)物脂肪酸含量顯著下降,尤其是丁酸、乙酸和異戊酸。因此,在過敏的機(jī)體中,腸道菌群組成改變尤其是SCFA 相關(guān)菌群(丁酸梭菌等)的豐度降低,導(dǎo)致SCFA濃度降低,破壞腸道屏障完整性,進(jìn)而導(dǎo)致食物抗原通過上皮屏障誘發(fā)炎癥反應(yīng)。此外,為了明確腸道菌群與SCFA 在CMPA過程中的關(guān)系,對(duì)兩者進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析,發(fā)現(xiàn)乙酸含量與糞桿菌屬、糞球菌屬等的豐度呈正相關(guān),丁酸含量與糞桿菌屬、羅氏菌屬等的豐度呈正相關(guān),異戊酸含量與糞桿菌屬、毛螺菌屬、瘤胃球菌屬等的豐度呈正相關(guān)。腸道微生物紊亂與CMPA 的發(fā)病機(jī)制存在一定聯(lián)系,而這種聯(lián)系可能是通過SCFA水平變化而介導(dǎo)[23],尤其是丁酸總量的減少。腸道菌群組成不同類型的變化可能導(dǎo)致代謝產(chǎn)物具有相似的變化特征,從而引起或促進(jìn)食物過敏的發(fā)生。腸道微生物可調(diào)節(jié)機(jī)體免疫、腸道蠕動(dòng)、降解未消化食物等多種生理過程。有研究表明,腸道微生物及其代謝產(chǎn)物通過調(diào)節(jié)機(jī)體免疫、黏膜屏障完整性對(duì)嬰幼兒消化系統(tǒng)疾病的發(fā)生發(fā)展具有重要影響[24]。但有關(guān)腸道微生物來源性SCFA在過敏性疾病中的具體作用機(jī)制還需進(jìn)一步研究。
綜上所述,嬰兒CMPA普遍存在腸道菌群結(jié)構(gòu)的改變,其中SCFA產(chǎn)生菌豐度降低,導(dǎo)致腸道內(nèi)SCFA 水平降低,抑制了腸道黏膜屏障的恢復(fù),進(jìn)一步誘導(dǎo)腸道炎癥的加重。但有關(guān)SCFA 在CMPA腸道炎癥中的作用與機(jī)制還需進(jìn)一步深入研究。在CMPA的治療中,或許通過微生物制劑或飲食調(diào)節(jié)腸道微生物組成,平衡腸道內(nèi)SCFA的水平,對(duì)恢復(fù)過敏患兒健康具有重要的臨床意義。
作者貢獻(xiàn)聲明:于志丹負(fù)責(zé)研究設(shè)計(jì)與論文撰寫;岳玲玲負(fù)責(zé)樣本收集;王梓潓負(fù)責(zé)樣本處理;王睿孜負(fù)責(zé)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析;李利鋒負(fù)責(zé)檢測(cè)數(shù)據(jù)初步篩選;張萬存負(fù)責(zé)生物信息學(xué)分析;李小芹負(fù)責(zé)研究監(jiān)督與質(zhì)量把控。
利益沖突聲明:所有作者聲明無利益沖突。