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科研动态

Microbiome:致病菌从肠道传播到奶牛子宫,帮凶是血液?
发布时间:2017-10-20 17:50   点击率:
导读
子宫炎是由细菌感染引起的子宫炎症性疾病,尤其是拟杆菌属(Bacteroides)、梭杆菌属(Fusobacterium)、卟啉单胞菌属(Porphyromonas),来自环境、粪便或阴道的细菌被认为是子宫污染的来源。本研究利用16S rDNA测序及ddPCR方法说明血液也可能是奶牛子宫致病菌传播的一条途径。

文献ID
题目:Blood as a route of transmission of uterine pathogens from the gut to the uterus in cows
译名:血液是奶牛子宫内致病菌从肠道传播至子宫的一条路径
期刊:Microbiome   IF:8.496
发表时间:2017.08
通讯作者:Klibs N. Galvão
通讯单位:佛罗里达大学

材料与方法
研究对象
12头荷斯坦母牛

样品类型及采样时间点
同一头母牛生产后的粪便、血液、阴道、子宫样本。两个时间点分别为T1=0(生产后60min以内)、T2=2(生产后两天)。

测序手段及平台
16S rDNA V4测序,MiSeq平台

研究成果
1. 血液、粪便、子宫中的微生物组成
柔膜菌门(Tenericutes)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、厚壁菌门(Firmicutes)、变形菌门(Proteobacteria)、梭杆菌门(Fusobacteria)是所有样本中的优势菌门。

在血液样本中0天与2天微生物组成相对稳定,且含有大量的柔膜菌门(相对丰度达90.35%),除此之外,血液样本中含有多种其他微生物,包括变形菌门(相对丰度6.9%)、厚壁菌门(相对丰度1.3%),以及其他24种相对丰度较少(< 1%)的微生物。

粪便样本中厚壁菌门、拟杆菌门、变形菌门是最主要优势菌门微生物,且这些最优势微生物在0天与2天保持相对稳定,而柔膜菌门与梭杆菌门在2天时显著降低。子宫样本中柔膜菌门与梭杆菌门在2天时显著增加,而拟杆菌门降低(图1a)。

NMDS能在门水平上很好的区分血液样本与粪便样本,而子宫样本相对分散,分布在血液样本与粪便样本中间,且在0天时更趋近血液样本而在2天时更趋近粪便样本(图1b)。

SIMPER分析表明子宫样本微生物组成更相似于粪便样本(图1c)。

 
图1. 血液、粪便、子宫的微生物特征

2. 血液、粪便、子宫中微生物组成相似性
基于Jaccard相似性的属水平UPGMA簇分析结果与NMDS分析一致,即与血液样本相比,子宫样本更相似于粪便样本(图2a),但有3个例外,一个0天与两个2天的子宫样本更接近于血液样本。同时UPGMA簇分析能将0天与2天的粪便样本进行区分,说明生产后肠道微生物的组成发生了相应的变化。计算组与组之间Jaccard相似性也显示粪便样本与子宫样本更相似(图2b)。

Venn显示不同样本中的核心属,在0天时血液、粪便和子宫样品含有36个共同的核心属,在2天时有33个(图2c)。血液样本中,0天时核心属占到所有微生物种类的97%,2天时93.3%;粪便样本中,0天时72.2%,2天时75.8%;子宫样本中,0天时89.8%,95.8%(图2d)。表明这些属可以在整个身体环境中存活,是血液、粪便和子宫细菌群落的关键组成部分。

 
图2. 微生物组成相似性

3. 子宫病原体与血液及粪便微生物的相关性
利用网络分析0天和2天均有出现的共现核心属的相关性来探索身体生境内的细菌相互作用。血液样本中的核心属被分成四个模块,主要的子宫致病菌如拟杆菌属(Bacteroides)、梭杆菌属(Fusobacterium)、卟啉单胞菌属(Porphyromonas)出现在同一模块中并且相互间呈现出正相关性,被认为能够引起子宫炎的普氏菌属(Prevotella)与Peptoniphilus也出现在同一模块中,然而一种新的子宫致病菌创伤球菌属(Helcococcus)却没有出现在该模块中,另一方面,血液样本中丰度最高的微生物属支原体属(Mycoplasma)只与红球菌属(Rhodococcus)呈现出负相关,而与其他微生物之间不呈现相关性。

子宫样本中的核心属被分成四个模块,与血液相似,主要的致病菌如拟杆菌属、梭杆菌属、卟啉单胞菌属与其他子宫致病菌如普氏菌属、创伤球菌属、产线菌属(Filifactor)、Peptoniphilus、弯曲杆菌属(Campylobacter)、隐秘杆菌属(Arcanobacterium)属于同一模块,且相互间呈现出正相关。

粪便样本中共现核心属种类多样,相关性复杂。被分成14个模块,与血液和子宫样本不同,主要的致病菌拟杆菌属(Bacteroides)、梭杆菌属(Fusobacterium)、卟啉单胞菌属(Porphyromonas)在粪便样本中不再在同一模块,其间不存在相关性。

综上所述,临床上与子宫疾病相关的重要细菌在子宫样本和血液样本中呈现出相似性,而在粪便样本中未表现出。

 
图3. 身体生境内共现核心属的网络相关性
a.血液; b.子宫 ;c.粪便

4. 血液、粪便、子宫微生物与阴道微生物的比较
NMDS分析显示血液样本、粪便样本、子宫样本、阴道样本在门水平的微生物有显著的差异(图4a),与子宫样本一样,阴道样本分散在血液样本与粪便样本中间。尽管阴道样本间存在高度的差异性,但大部分的阴道样本与粪便样本聚在一起。

SIMPER分析显示相较于其他样本,阴道样本与粪便样本显示出最小的差异性(图4b)。

Venn显示了四种不同样本中的核心属的数量,阴道样本中的核心属几乎都能在粪便中检测到。

网络相关性分析表明,致病菌拟杆菌属(Bacteroides)、梭杆菌属(Fusobacterium)、卟啉单胞菌属(Porphyromonas)在阴道样本中不存在相关性,不同于血液和子宫样本。

 
图4. 血液、粪便、子宫微生物与阴道微生物的比较

总的来说,阴道样本与粪便样本的细菌群落结构显示出高度的相似性。

研究结论
1. 主坐标分析发现血液菌群及粪便菌群表现为2个不同的集群,阴道菌群及子宫菌群分散于血液菌群及粪便菌群的中间,聚类分析发现子宫菌群与粪便菌群更加相似;

2. 在血液、粪便、阴道、子宫菌群中存在相同的核心菌属;

3. 主要子宫致病菌拟杆菌属、卟啉单胞菌属、梭杆菌属是血液、粪便及阴道菌群中的一部分;

4. 子宫致病菌在血液微生物网络中表现出强烈而显著的相互作用,而在粪便或阴道里未显现,这些病原体在血液中的存在表明了血液可能是奶牛子宫感染的一条途径。

亮点
本研究通过16s rDNA测序结合ddPCR分析同一个体的不同身体部位的微生物组成,从而推断子宫污染的来源,揭示了血液也可能是奶牛子宫感染的一条途径。