早产儿肠道微生物系统放大镜

  针对此类问题，哈佛医学院在Nature上发表的研究成果“Multi-kingdom ecological drivers of microbiota assembly in preterm infants”给出了清晰的解释。

  在本项研究中，研究人员使用多界绝对丰度量化、生态模型和实验验证来应对这一挑战。研究人员对178名早产儿的细菌、真菌和古细菌的绝对动态进行了量化。研究人员发现了微生物的繁殖和消亡，并表明婴儿肠道中细菌和真菌的数量呈负相关。研究人员在体外和体内通过计算和实验证明，可预测的装配动力学可能是由特定微生物之间直接及环境依赖的相互作用驱动的。本研究表明了特定微生物及环境依赖的相互作用可能是微生物群装配的驱动因素。该研究为微生物生态学及进行微生物针对性干预以促进肠道发育具有重要的启发意义。

  1. 量化微生物群的多界丰度

  为了确定微生物群落内变化的驱动力，有必要量化群落成员随时间的绝对变化。为了实现这一目标，研究人员开发了一种基于细胞的多界添加方法(MK-SpikeSeq)，该方法可同时量化任何给定微生物组中细菌、真菌和古生菌的绝对丰度(图1b)。Spike-in细胞用作样本处理的内部对照，并且已知Spike-in细胞的丰度后，研究人员便可以反归一化并计算所有群落成员的绝对丰度(图1b)。研究人员使用一系列的模拟群落验证了MK-SpikeSeq方法测量绝对丰度的能力，然后使用一组测试样本将MK-SpikeSeq的性能与现有绝对丰度定量方法(总DNA、基于细胞计数的成像、定量PCR(qPCR)和基于DNA的添加(spike-in)进行比较。总的来说，这些数据表明MK-SpikeSeq可以对多个界的单个分类单元的绝对丰度进行高灵敏度且可靠的测量，这是确定微生物群落动力学驱动因素的关键条件。

  图1 MK-SpikeSeq能够对绝对丰度进行可靠的量化

  2. 多界微生物群装配动力学

  通过验证MK-SpikeSeq，研究人员建立了一个高分辨率的婴儿微生物群动态的多界水平图片。除此之外，研究人员还召集了一个包含178名来自三级新生儿重症监护病房(NICU)的早产儿的前瞻性队列。早产儿微生物群的装配与足月婴儿有很大的不同。由于早产儿具有更现实的临床意义，并且适合使用已有的临床元数据进行高频纵向采样，所以研究人员将研究重点放在早产儿身上。这些特征使得早产儿肠道成为一个重要且易于处理的系统，便于建立对微生物群装配原则的理解。在这一前瞻性队列中，研究人员在每个婴儿的第1、14、28和42天进行采样，对于其中的13个婴儿，研究人员收集了他们出生后6周内几乎每天的粪便(总共940个样本)。总而言之，这项队列使研究人员能够建立起早产儿肠道内微生物群发育的高分辨率图像。

  与先前研究一致，研究人员观察到早产儿肠道细菌群落主要分为四种不同的群落状态，其特征是四种菌属中的一种占主导地位：葡萄球菌Staphylococcus、克雷伯氏菌Klebsiella、大肠杆菌Escherichia或肠球菌Enterococcus(图2a)。值得注意的是，研究人员的早产儿队列中的细菌群落，如前所述，随着时间推移，在以一种可预测的高动态的方式进行发展。大多数婴儿一开始以葡萄球菌Staphylococcus为主，随着年龄的增长，逐渐过渡到以克雷伯氏菌Klebsiella、肠球菌Klebsiella或大肠杆菌Escherichia为主(图2a，b)。比较这些优势属的绝对丰度和相对丰度说明了成分数据是如何错误地定义群落变化，以及何时发生变化的。这样的比较还表明，尽管研究人员队列中的细菌群落通常只有一个属占主导地位，但其他主要属通常在早产儿肠道内也保持着较高水平的稳定性。

  图2 早产儿的肠道表现出丰富的细菌和真菌群落动态

  3. 微生物群落装配的生态驱动力

  在生成了婴儿微生物群装配的高分辨率多界图像后，研究人员接下来试图确定观察到的可预测动态的因素。为实现这一目标，研究人员使用贝叶斯正则化回归将研究人员的纵向数据拟合到扩展的广义Lotka-Volterra(gLV)模型，这种方法只有在绝对丰度下才可能实现。该模型假设单个分类单元的生长率取决于该分类单元的内在生长率、与亲缘关系的相互作用、临床应用抗菌剂的效果以及焦点分类单元与其他群落成员之间的相互作用(图3a)。这就产生了一个高度参数化的群落动态模型，研究人员使用保守的正则化框架将其与研究人员的数据进行了拟合。通过这样做，研究人员能够识别那些微生物-微生物或抗生素-微生物的相互作用，在塑造群落动态过程中有强大且一致的作用，同时避免过拟合，及过滤掉不影响群落动态的弱交互作用。研究人员的生态推断预测，特定微生物属之间的界内和界间强烈的相互作用在婴儿肠道微生物群的装配中起着关键作用(图3b)。因此，研究人员的模型提示，在早产儿中观察到的特征性转变，从以葡萄球菌Staphylococcus为主转向以克雷伯氏菌Klebsiella为主(图2a，b)，部分是由克雷伯氏菌 Klebsiella 利用早期定植形成的。研究人员还推断，克雷伯氏菌Klebsiella本身受到另一个优势属肠球菌Enterococcus的抑制，这表明这两个属的独特优势状态可能部分是由一个排斥，而另一个驱动的。

  图3 成对的界内和界间相互作用驱动婴儿肠道中微生物组组装的可预测模式

  4. 验证塑造装配的交互作用

  研究人员的生态推断表明，微生物-微生物相互作用是婴儿肠道微生物可预测装配的核心。然而，尽管研究人员使用了保守的正则化框架来确保对伪相关的稳健性测定，研究人员的预测仍然容易受到模型中未纳入的未观察到的混杂因素的影响，例如饮食、病毒或宿主因素。因此，研究人员试图确定研究人员是否可以在还原论实验系统中重现研究人员推断的相互作用。

  与研究人员预测的在微生物组装配过程中葡萄球菌Staphylococcus有益于克雷伯菌 Klebsiella 的结论相反，研究人员在体外没有观察到葡萄球菌Staphylococcus对克雷伯菌Klebsiella的积极作用(图3c)。考虑到克雷伯氏菌Klebsiella-葡萄球菌Staphylococcus的强度预测，研究人员假设这种相互作用可能是环境依赖性的。研究人员通过小鼠模型进行实验验证，所得数据强调了研究微生物群相互作用时背景的重要性，说明生物分类单元在体外和宿主内的相互作用可能不同。

  在验证了研究人员推断的界内交互作用之后，研究人员试图验证预测的影响早产儿肠道装配的界间交互作用(图3e)。研究人员再次使用来自婴儿的分离株，预测的界间相互作用也可以在研究人员的体外系统中重现(图3e)。总的来说，研究人员的数据揭示了一种特定物种的跨界交互作用，这一作用可能塑造了早产儿的微生物群。

  婴儿肠道微生物组的装配是明显有序的，先锋微生物首先定植，随之而来的是其他可预测的微生物。然而，驱动这些可预测转变的力量至今仍是未知的。优先效应、饮食、抗生素和正在发育的免疫系统都被认为会影响微生物群的动态，但考虑到有多种相互作用在起作用，要说明任何单个过程的作用已被证明是十分困难的。在本研究中，研究人员展示了多界绝对丰度定量、生态模型和实验验证的组合可以用来克服这一挑战。研究人员已经证明，早产儿肠道微生物群的可预测装配模式可以由微生物之间直接的、环境相关的相互作用所驱动。研究人员的发现表明婴儿微生物群与宏观生态演替之间存在一种共同机制。就像在宏观生态系统中，微生物可以利用彼此在婴儿肠道内建立，界间的直接相互作用可能在群落动态中起到核心作用。肠道微生物群装配的可还原性为简单的、成对的相互作用，对于理解和最终影响健康和疾病中的微生物生态系统具有深远的意义。

  原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03241-8