母婴菌群传递的7大关键词
王金锋 | 热心肠智库专家 2019-11-14
时长:19:19 字幕:张宇微 审校:蓝灿辉
母婴菌群传递为何对新生儿健康至关重要,相关领域存在哪些已知和未知,研究方法和工具有哪些。
王金锋
中国科学院北京生命科学研究院副研究员
博士,副研究员,研究生导师。主要从事微生物组学和生物信息学方向的研究,聚焦人体共生菌群与宿主健康之间的密切联系。迄今已在Gut,Nature Communications,Genome Biology,The ISME Journal和Environmental Microbiology等杂志上发表第一(或并列第一)作者和通讯作者论文16篇,合作发表论文20余篇,多篇入选ESI高被引论文。作为项目负责人主持了3项国家自然科学基金课题,其中2016年至2018年连续2次获得面上项目资助,并承担了国家重点研发计划生物安全项目子课题、中国科学院重点部署项目微生物组计划子课题、技术创新项目等。
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本演讲由G30企业提供资助,并受到民福社会福利基金会的大力支持和协助。
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图文实录

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观众朋友们大家好,我是中国科学院北京生命科学研究院的王金锋。

不知不觉我从事人体菌群和微生物组研究已经有十个年头了,今天我很高兴有机会站在“肠·道”的讲台上,跟大家分享一些关于母婴菌群及其跨代传递方面的内容。

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一说到传家宝,我们大家的第一反应可能是瓷器、字画、翡翠和手镯之类的东西。我相信大家或多或少看过一些鉴宝类的节目,每当有藏宝人带上一件精美的古董文玩说是祖上传下来的时候,是不是会有很多人不自觉的产生那么一丁点羡慕的心理?

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但我要告诉您,其实不用羡慕,因为我们每个人都有一份“传家宝”,这个传家宝就是人体菌群。

可能有人会感到奇怪了,说菌群怎么能是传家宝呢?

我们都知道,人体内外共生着大量的微生物,尤其是在口腔、肠道、体表和生殖道等部位,微生物的种类和数量是相当丰富的。

那对于刚从妈妈肚子里出生的小宝宝而言,在他生命活动的早期阶段又是从哪里获得初始共生菌群的呢?

大量的科学研究证实,新生儿最初从母体获得微生物,也就是说母亲将自身菌群的一部分纵向地传递给了家里的宝宝,正所谓“传家宝”——传“家宝”。可以说这是母亲给我们的一份无价之宝。

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那接下来我想用几个关键词带着大家一起来共同了解母婴菌群及其跨代传递。

我要说的第一个关键词叫“与生俱来”。我们首先来谈一谈新生儿究竟是从什么时候开始第一次接触母体微生物的。

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这个话题由来已久而且也比较受关注。

此前有两种假说,一种叫“无菌宫腔假说”,该假说认为人体的宫腔内是绝对无菌的环境,无论是胎儿,还是羊水和胎便,都不应该检测到任何的微生物。

另一种叫“宫腔定植假说”,该假说认为微生物的定植在分娩前就已经发生,无论是新生儿,还是刚出生的小宝宝,都应该能够从体内检测到微生物的存在。

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这个话题在最近可能有了一些答案。2019年8月发表在Nature (《自然》)杂志上的文章给出了这样的证据,此文章观点认为“宫腔内并非绝对无菌”。

该研究通过了大量人群样本和比较严格的控制条件检测胎盘中的微生物,尽管检测出的许多细菌可能来自于这样或者那样的外源污染,但是像链球菌这样的微生物就有进入到宫腔的可能。

当然该研究也存在着一些不足的地方,比如它的检查对象是胎盘,每个样本仅用少量的组织,如果在微生物起始量比较低的情况下,就很容易造成外源信号被放大,检测出的微生物种类被低估。

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对于这个问题更多的研究者选择从新生儿本身的特点入手,在检测新生儿初始菌群的时候经常被用到的一种特殊样本类型就是胎便。顾名思义,胎便即胎儿的粪便,是指胎儿被分娩离开母体以后第一次排泄出的粪便。有许多研究都在胎便中检测到了细菌的存在。

其实不仅是胎便,羊水也是如此,而且羊水中的微生物菌群的结构和组成与胎便非常相似。

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我们团队早前也发现在剖宫产分娩出生数秒的新生儿的咽喉和胎便中都能够检测到细菌和病毒的存在。与生俱来,这里指的是出生即有菌。

尽管有许多研究都报道了刚出生的新生儿就能够检测到细菌、真菌和病毒等微生物,争论可能仍将继续下去。

但不管是天生携带,还是分娩时沾染,大家都认可同样一个观点,那就是“新生儿从母体中获得了初始菌群”。

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那接下来的问题是新生儿这个初始菌群是从母体的什么地方获得的呢?这就是我的第二个关键词——获取方式。

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曾经有一种说法是非常流行的,该说法是“孕妇口腔中的微生物可以下行进入到宫腔,因为有人从羊水中检测到了人体口腔微生物和牙周致病菌。”所以持这种观点的人认为孕妇保持孕期健康,对孕期安全特别重要。

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还有一种观点认为“生殖道中的微生物可以上行进入到宫腔”,这种想法也很容易理解,毕竟在身体上两个位点之间的物理距离是比较近的,而且是相互连通的。

临床流行病学调查的数据也显示,患有生殖道感染的女性在孕期发生宫内感染的几率是比较高的。

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另外有一种观点是最近两年才提出的。

2018年发表在Cell Host & Microbe (《细胞宿主与微生物》)杂志上的文章就提出“母亲向婴儿传递的菌株主要来自于肠道菌群的水平转移。”

2019年9月发表在Nature上的文章也同样说明“小宝宝和他们母亲肠道菌群的匹配率甚至可以高达70%以上。”

我们团队在对自己的数据进行分析的时候也发现,无论是16S,还是宏基因组,我们都能够看到,剖宫产分娩数秒的新生儿的咽喉分泌物及胎便中的菌群都跟各自母体的肠道菌群最为相似。

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除了上面提到的三种可能的传递途径之外,大量的菌群传递也会发生在分娩时刻,因为在顺产分娩的过程中,新生儿一定会沾染母体生殖道中微生物。

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那影响新生儿菌群定植的因素有哪些呢?在这里我们只谈从母体获得的那部分,当然这些因素在很大程度上往往会影响到传家宝的成色。

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我们大家非常容易想到的一点就是孕期用药,特别是抗生素。

当然这点好在目前大家都比较注意,不在万不得已的情况下绝对不会在孕期服用抗生素。事实也确实如此,研究证实,孕妇如果在孕期服用了抗生素,会影响到新生儿的初始菌群。

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相对于用药,我们大家可能不容易想到的一点是孕期疾病。

我们团队在之前的一项研究也发现,患有妊娠期糖尿病的孕妇所生的新生儿在初始菌群上和健康孕妇是有明显的不同的。这就提示了大家,孕妇的孕期健康会塑造新生儿的初始菌群。

发生在孕期的疾病还有各种妊娠期并发症是很多的,相信在未来一定不断地会有类似证据出现。

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前面说到的这两点都是跟孕期有关,下面我们来说一说在分娩和产后的一些情况,关注最多的还是分娩方式。

2019年9月发表在Nature上的文章同样提出了“分娩方式是影响新生儿初始菌群结构的重要因素”。

其实早在几年前,就有人发现顺产和剖宫产新生儿的初始菌群是不一样的。因为顺产的新生儿在通过母体产道的时候会沾染其中的微生物,所以他们的菌群更像母亲的产道;而剖宫产则丧失了这样的机会,他们的新生儿菌群与首先接触到的皮肤和体表等部位可能比较相似。

所以说是顺产,还是剖宫产,这可能决定了新生儿能否在分娩的过程中大量获得母体生殖道的菌群。

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那说完了分娩方式,就不能不说喂养方式。可能有人说了:“那一定是不同啊,母乳和配方奶的成分就不一样。”没错,事实确实如此,两者也确有不同,而且母乳中的天然免疫因子是任何配方奶都不可替代的。

但是在这里我要说的是母乳和配方奶对新生儿初始菌群的作用不仅仅在于营养成分,母乳中的微生物以及产妇体表上的微生物都会在母乳喂养的过程中持续不断地输送给新生儿,这就会影响到他们的初始菌群,这也是一个不可忽视的因素。

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那菌群传递和新生儿的健康存在着哪些联系呢?

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有没有这样一种可能,产前和孕期健康的女性所生的新生儿会得到好的菌群,会比较健康,反之则不利。我想这是非常有可能的。

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还是以妊娠期糖尿病为例,我们团队在早前的研究中就发现,孕妇传递给新生儿什么样的菌群,是由孕妇本身具有什么样的菌群决定的。这种一致性不仅表现在微生物的种类和数量上,也体现在它们菌和菌之间的相互作用关系上。

如果孕妇患有妊娠期糖尿病,会改变自身的菌群,那么她们所生的新生儿在初始菌群上也会发生一些改变,会表现为初始代谢能力的减弱以及一些病毒检出率的大大提升。

这就是说,孕妇的孕期健康状态会影响到母体自身的菌群,并且会把这种影响传递给新生儿。

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新生儿获得了什么样的菌群,不仅会影响到他们自身在生命活动早期的健康,而且也会在未来发挥长效作用。

已经有不少研究证实,新生儿先天免疫的发育程度会与他们的早期菌群结构和组成有很大的关系,也决定了未来他们患过敏和哮喘等疾病的几率。

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这就是说,对于孕妇还有小孩来说,同样也有好的和坏的菌群之分。

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通过一些探索和尝试来调控和塑造初始菌群,这似乎是一个不错的选择。下面我介绍几个这样的例子。

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总有一些人会有一些比较新奇大胆的想法,有人就将工程化的大肠杆菌转入到了孕鼠体内,他们发现这样能够更好地激发幼鼠的先天免疫发育和代谢,并且微生物的侵染是降低的。当然这样的实验还仅仅只能停留在动物身上。

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另外一些人选择从分娩过程中的母婴菌群传递这个方面下工夫。

像纽约大学医学院的Dominguez-Bello教授和加州大学圣地亚哥分校的Rob Knight教授就开展了这样的一些尝试,他们针对剖宫产的新生儿进行了生殖道菌群的移植。

在一些国家和地区,剖宫产的比率惊人,高的能达到50%,远高于15%的正常水平。虽然还没有直接因果关系的证据,但已经有大量的临床流行病学调查的数据显示,剖宫产的儿童容易患过敏和哮喘,甚至是肥胖和免疫缺陷。有人就怀疑是在剖宫产过程中造成的母体菌群缺失在其中发挥了不可推卸的责任。

Rob Knight教授是国际肠道菌群方面研究的专家。在2011年的时候,他的妻子由于某些特殊的原因必须要进行剖宫产手术才能分娩,那作为微生物领域的知名学者,Rob Knight教授当时没有多想什么,他只是下意识的将她妻子产道的分泌物、菌群涂抹给了自己的女儿。他希望通过这样的方式能够让他女儿获得本该属于她的微生物。

几年时间过去了,用Rob Knight自己的话,他觉得他的女儿非常健康。当然这可能只是一个个例。当Rob Knight教授听到Dominguez-Bello要开展这样的一项研究的时候,他欣然加入。

他们将一些剖宫产产妇的产道分泌物移植给了各自的孩子,发现能够部分地恢复这些新生儿本该获得的菌群,可是这样移植的效果怎样,还需要通过大量的人群以及比较长期的跟踪观察才能够知道。但这至少是一个很好的开端。

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那我们自己在母婴菌群和孕期健康方面也有一些思考,这些思考主要是由一碗糖水引发的。

临床上检测妊娠期糖尿病的金标准是OGTT实验,可能有人不太了解OGTT,这个实验叫口服糖耐量实验。其基本方法是这样的,孕妇在特定的孕周来到医院,首先服用高浓度的葡萄糖水,然后在服用前和服用后的一小时和两小时内分别抽血化验血糖值。

这个实验有几个问题:一个是高浓度的糖水让孕妇难以下咽;第二个是要抽血,而且还是多次;第三个是耗时长,临床配合度低;最关键的一点是80%~90%的人并没有患有妊娠糖尿病,却要白白地挨上那么几针。

所以我们团队在进行妊娠期糖尿病与母婴菌群研究的时候就发现,孕妇身体上的几个位点的一些微生物跟临床OGTT检测值之间是有非常好的相关性的。

于是我们就想,能不能用这样的一些微生物作为标记,开发一些妊娠期糖尿病的辅助诊断方法呢?

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所以我们就选择了取样最为方便的口腔作为对象,选择了其中几种口腔微生物,构建了支持向量机和随机森林的模型,发现两者都能够达到一个比较理想的区分效果,最高甚至可以达到AUC值90%以上。

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通过前面的介绍大家也能够看到,在母婴菌群方面仍然有大量的问题值得我们去探索,至少在微生物组数据的分析上仍然需要有比较有效的一些方法和工具。

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比如在新生儿菌群来源以及它的传递途径这个问题上,现在还存在着比较大的争议。

对于菌群来源研究这样一些方法,早前通常采用基于16S序列还有群落相似性,也就是通过计算组内和组间的菌群距离来推测新生儿菌群的可能来源。

像做胎盘微生物组和口腔微生物组之间联系的研究采用了DC距离,像在顺产和剖宫产新生儿的菌群来源研究中所用的PCOA都属于这类。

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后来陆续出现了一些专门用于菌群溯源的工具,像早期的Source tracker,还有近期出现的FEAST这样的工具,它们通过计算共有的OTU种类和丰度,引入一些数学模型来推测新生儿菌群可能的来源。

但这样的方法和工具往往分辨率不能够达到要求。

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也有一些工具会基于宏基因组的数据,从菌株水平上来进行溯源,这样的工具像StrainphlAn、Constrains、StrainEst、MIDAS等等。

但在这些工具中如果有分类信息的工具,通常其分辨率不高,而分辨率高的呢,往往又没有丰度信息。

最关键的是新生儿菌群的特点是其中的微生物种类和数量往往比较低,所以现有的工具在分析这样的数据进行溯源的时候,往往达不到令人满意的效果。

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我们团队在早前也基于图论的方法开发了一些微生物基因组组装的工具inGAP-sf,还有对宏基因组进行组装以及解析的工具metaSort,其中涉及了一些菌株的内容。

那我们就希望在下面的工作中针对新生儿菌群的一些特点,开发一些菌株识别和溯源的工具,来服务于母婴菌群研究。

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最后我想借用菌群遗传这个关键词作为今天内容的总结,这也是我前边说到的“传家宝”的含义。

希望通过我前面的分享能够让大家更加了解母婴菌群及其跨代传递;希望能够激发人们更加关注母婴健康,从全新的角度来思考母婴菌群与孕期健康及各种妊娠期并发症之间的关联;也希望更多人能够加入到母婴菌群的研究中来。

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感谢您的关注!


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