● 期刊: Nature● 文章链接:Baby-to-baby strain transmission shapes the developing gut microbiome | Nature● Author: Liviana Ricci个人学习目的婴儿菌群建立是一个及其复杂的动态过程一般研究认为早期婴儿肠道中的关键分类群主要来自于母亲但是往往忽略了婴儿成长过程中时刻与外接环境进行的接触活动包括其他亲人、兄弟姐妹、宠物以及生活环境的影响。这篇文章无论从队列设计、纵向采样还是分析方法值得深深深深入学习笑摘要部分婴儿早期的微生物组主要在出生后至生命最初几周内通过来自母亲的微生物传递而建立但在婴儿出生后的第一年中人际间传递如何进一步塑造正在发育的微生物组仍未得到充分的研究。本文通过一项宏基因组学调查研究建立了托育环境中微生物组传递的模型研究对象包括在第一年入园的婴儿、托育机构职工及家庭成员共134名受试者。我们在婴幼儿入托第一年内进行了高密度的纵向微生物组采样共1013份粪便样本并在3家不同的托幼机构中追踪了托班内及托班之间的微生物菌株传递情况。结果显示即使仅入托1个月托班内婴儿之间就已存在广泛的微生物组传递到第一学期结束时来自托幼环境获得的菌株在婴儿肠道微生物组中所占比例已与家庭来源的菌株相当。随着托幼时间的延长婴儿之间的传递持续增加并形成了日益复杂的传递网络表现为某些班级中单一菌株的扩散以及多种婴儿获得途径和物种传递能力模式。是否有兄弟姐妹与更高的微生物组多样性以及较少从托班同伴处获得菌株相关而抗生素治疗则是与菌株输入增加关联最显著的因素。本研究表明在入托第一年内婴儿之间的微生物组传递十分普遍并指出婴儿期的社会互动是驱动婴儿微生物组发育的重要因素。前言部分婴儿早期微生物组的组装过程是一个复杂并且具有部分随机性的微生物获得过程其中母亲是主要来源其他家庭成员则作为补充来源。在婴儿出生后的最初几年中婴儿微生物组在复杂的动态变化中不断演化最终形成更加稳定、类似于成人的微生物组。尽管早期家庭成员向婴儿传递微生物菌株的过程已被较为广泛地研究但是至婴儿发育后期阶段尤其是婴儿涉及在社会环境中与同龄人互动的阶段却很少受到关注。近期的一部分研究结果表明同代个体之间的人际微生物传递十分普遍并且会影响个体微生物组的组成因此我们推测托幼机构等早期社会环境可能通过婴儿之间的相互传递对婴儿微生物组产生重要影响。除针对病原体传递以及相关免疫能力发育的研究外关于托幼环境中的微生物组研究主要局限在于只观察到入托儿童的微生物多样性增加。因此这在理解人类微生物组在生命最关键的最初1000天内的成熟和动态演替方面留下了重要空白。在这项研究中我们提出了microTOUCH-baby项目这是一项在菌株分辨率水平上、具有较高采样时间密度的纵向宏基因组学研究用于模拟首次进入托幼机构的婴儿与其密切接触者包括家庭成员和托幼机构照护人员之间的肠道微生物组于人际间传递。The microTOUCH-baby study我们建立了microTOUCH-baby队列专门用于研究1岁左右婴儿及其密切社会交互网络中微生物组发育与传递的动态过程详见方法部分。研究对象包括43名就读托幼机构第一年的婴儿入托时年龄的中位数为10个月、7名与其同住的兄弟姐妹、39位母亲和30位父亲以及来自受试者家庭的5只宠物同时还包括10名托幼机构教育人员共134名受试者图1a和补充表1。婴儿受试者来自意大利特伦托的三所公立托幼机构。婴儿在完成“适应期”后见方法平均每个工作日在托幼机构停留约8小时同一托幼机构内的两个班级在共享活动和空间方面较为有限并由不同的教育人员分别负责。本研究的采样工作在第一学期开始之前T01即已启动因此在不同家庭的参与者之间尚未发生任何与在托幼机构内或与其相关的接触并在圣诞假期托幼机构关闭后结束图 1a。在入托期间我们以每周一次的频率采集婴儿的粪便样本而教育人员和家长的采样频率相对较低方法。对于托幼机构A中第1组的所有参与者样本采集持续至第二学期。此外在托幼年度结束时TA以及暑假结束时TB还为所有参与者各采集了两次随访样本图 1a。总体而言我们共采集并进行了宏基因组测序的微生物组样本数量为1013份平均测序深度为15.61 Gbp方法。宿主数据信息metadata包括精确的年龄、既往史及当前健康状况、抗生素暴露史、分娩相关信息方法、图 1a 及补充表2和3以及饮食问卷方法。宏基因组数据通过MetaPhlAn 4计算工具进行处理以生成物种水平基因组分箱species-level genome binSGB分辨率的分类学谱系补充表4和扩展数据图1a其中包括尚未表征的物种即未知SGB占全部SGB的 46.37%。随后我们使用StrainPhlAn 4计算工具生成了311个已知SGB和201个未知SGB的菌株水平系统发育关系用于推断微生物组菌株的传递情况方法。婴儿微生物组的组成特征我们首先观察到了符合预期假设的微生物组成结构成人与婴儿之间在组成上存在显著差异图1 b、扩展数据图1 b、2和3以及补充表5婴儿微生物组随年龄呈现出依赖性的差异扩展数据图4 a-e以及成人中由饮食驱动的微生物分层现象扩展数据图4 f但在校正年龄因素后婴儿中未观察到明显的饮食相关分层补充表6。有趣的是在T01时间点年龄的中位数为10个月母亲在分娩期针对B族链球菌的预防性抗生素使用以及分娩方式对α多样性的影响均已不再具有统计学显著性Mann-Whitney U检验分别为n 37U 137P 0.68以及n 37U 109P 0.89扩展数据图5 a-d。图1 | microTOUCH-baby研究简介以及幼儿入托前后物种水平SGB的微生物组构成微生物传递对于部分细菌的组成模式可能发挥了一定作用原文Some compositional patterns were suggestive of a role of microbiome transmission.。例如有兄弟姐妹的婴儿总体的SGB的丰富度高于没有兄弟姐妹的婴儿n 40U 271P 0.012图 1c和补充表 6这一结果进一步支持了先前发现的结果并提示兄弟姐妹来源的微生物可能是婴儿微生物群的丰富度升高的重要原因。相反养宠物的婴儿总体的SGB丰富度较低n 40U 61P 0.012图 1d但在校正年龄因素后这一差异不再显著补充表 6。在托幼机构就读的3个月期间婴儿菌群的α多样性持续增加图 1e尽管在整个研究过程中托幼机构中婴儿所检测到的微生物物种的总体数量多样性并未发生明显变化扩展数据图 5e但婴儿之间的β多样性显著降低平均降低7%Wilcoxon配对符号秩检验n 116 对婴儿样本W 1,026P 7.0 × 10-11图1f。鉴于整体研究结果可能表明婴儿微生物组因个体间传递而趋于一致因此我们开展了菌株水平传递分析以验证这一假设。托育机构中的菌株共享情况在基于StrainPhlAn已有且已验证的分析流程基础上方法我们将菌株共享事件strain-sharing event定义为在不同的微生物组样本中检测到同一菌株提示可阅读博主有关StrainPhlan解释的帖子《技术避坑一MetaPhlan 4和StrainPhlan 4联用分析菌株水平的传递》即其样本菌株间的遗传距离低于预先计算的、用于区分个体内与个体间遗传距离分布的物种或SGB特异性最优阈值。菌株共享率strain-sharing rateSSR定义为在一对微生物组样本中检测到的共享菌株数量除以两份样本中均检测到并完成菌株分型的物种数量方法。将该流程应用于母婴传递推断时在研究初始阶段婴儿样本的SSR 中位数约为 50%这一结果与既往研究在不同人群中的观察高度一致扩展数据图 5f。扩展数据图 5fValles-Colomer等人2023年V-C研究报道的母婴菌株共享率按[1~15月龄]和[4~15月龄]两个年龄段分层其中位菌株共享率分别为48%和45%本研究中对应的中位菌株共享率为50%。分析仅纳入至少共享10个SGB物种的样本配对。统计显著性采用双侧Mann-Whitney U检验V-C 2023年[1~15月龄]组与本研究比较U474.0、V-C 2023年[4~15月龄]组与本研究比较U198.0两次比较的P值均≥0.05无统计学差异ns。总体而言我们在不同样本中共得出了947万余次在菌株水平完成分型的SGB出现实例包括来自同一受试者及不同受试者的样本其中5.97%的情况下检测到相同菌株共鉴定出565,258次菌株共享事件补充表7和8。个体内的菌株共享占总事件的27.9%157,599次事件其中来自同一受试者的样本共享至少1个菌株的概率为99%共享至少5个菌株的概率为87%。同一家族不同个体之间的菌株共享也非常普遍共计51,483次事件占总数的9.1%其中共享至少1个菌株的概率为86%共享至少5个菌株的概率为47%。相比之下在研究起始时间点T01不同家庭之间的菌株共享较为罕见共享至少1个菌株的概率为46%至少5个为3%扩展数据图5g。尽管在第一学期内观察到的大多数菌株共享事件发生在不同家庭个体之间356,176次事件占63%但这主要反映了不同家庭样本配对数量是家庭内配对数量的75倍以上。在对比较次数进行标准化后不同家庭之间共享的菌株数量比家庭内部低一个数量级每对样本平均共享0.7个菌株而家庭内部为7.9个补充表7。不同家庭个体之间平均共享的0.7个菌株代表了该队列中微生物组共享的背景水平其来源可能包括T01之前未记录的社会接触、在托育机构相关的局部社区中传递的克隆型菌株以及潜在的假阳性检测等因素。追踪多个宿主间传递的菌株作为本研究设计与宏基因组分析流程在追踪复杂菌株传递链方面综合能力的一个代表性示例我们展示了在托育机构B的第1组中一株在托育机构获得的Akkermansia muciniphilaSGB9226菌株在不同个体之间的传递过程。该物种的一株菌最初由一名婴儿B05引入托育组该菌株很可能来源于其母亲随后传递至另一名婴儿B06继而在其母亲M06和父亲F06中被检测到并且在父亲体内替代了原有的另一株A. muciniphila菌株图2a。A. muciniphila菌株含有CRISPR阵列可作为菌株特异性的遗传标签用以进一步确认不同志愿者样本之间A. muciniphila菌株身份的一致性方法。此外对于能够成功重建为质量足够的草图基因组的少数菌株19个StrainPhlAn阳性样本中有8个宏基因组组装结果同样验证了上述传递模式根据StrainPhlAn判定为同一菌株的样本其组装基因组之间表现出极高的基因组相似性两两平均核苷酸一致性ANI为99.97%这一水平与其他研究中独立估计的同一菌株界限一致。需要指出的是在该传递实例中未检测到A. muciniphila菌株的样本图2a中的灰色圆点总体上与高灵敏度、SGB 特异性的聚合酶链式反应PCR结果所显示的物种缺失情况一致方法和扩展数据图6a。在所有样本中仅有一个样本在SGB水平的PCR检测为阳性但在宏基因组菌株分型中未被识别该样本在MetaPhlAn分析中仍显示非零相对丰度0.04%B05_T08扩展数据图6b因此成为图2a 中唯一一个低于菌株分型检测限的SGB9226样本。另一传递链案例涉及Alistipes finegoldiiSGB2301并包含一名保育员扩展数据图6c进一步证明了本研究方法在还原保育机构微生物传递网络中的潜力。图2 | 第一学期托育期间的个体间的菌株传递与菌株在托育环境内的扩散我们还研究了家庭宠物与其家庭成员之间潜在的肠道微生物组传递。鉴于仅纳入了5只宠物属个案性分析总体而言我们识别到的宠物—人类菌株共享事件数量较少但同一家族内宠物与婴儿之间的菌株共享显著高于不同家庭之间Fisher精确检验n 211P 0.005扩展数据图6d、e。在婴儿与宠物之间发生传递的菌株均属于人类相关物种且此前已在宠物肠道微生物组中被检测到Faecalimonas umbilicata、Ruminococcus gnavus、Clostridium sp. AT4和Phocaeicola vulgatus表明这些物种可能在生态上具备跨越宿主物种界限的适应能力。托育机构内的菌株传递模式我们进一步研究了保育机构中人类微生物组群体组成的动态变化。首先我们发现不同菌株的总体多样性随时间下降即托育机构菌株异质性平均值从T01的0.91下降至T15的0.77Mann-Whitney U 检验n 454U 34,312P 1.3 × 10-11。考虑到微生物物种总库并未增加扩展数据图5e这表明同一物种内的一些菌株可能在婴儿间传递并最终取代了最初存在的其他菌株扩展数据图7a。随后我们重点关注在托育机构内显示出高效传递的菌株。我们发现8个案例的菌株在入园前T01最多仅在一名婴儿中被检测到但随后普及率达50%图 2b。其中一株Streptococcus gallolyticus托育机构A和一株Bifidobacterium pseudocatenulatum托育机构B菌株在入园约一个月后被引入托育机构并逐步传递至分别七名和八名婴儿图 2b。尽管S. gallolyticus的传递在达到最大扩散后有所减缓B. pseudocatenulatum的存在仍被持续检测到这与婴儿群体中Bifidobacterium属的高普遍性一致。其他菌株传递案例包括托育机构B的Escherichia coli和Veillonella dispar以及托育机构C的Clostridium innocuum后者的传递可能受到同物种其他菌株和生态位抢占动态的限制。婴儿微生物组可以通过传递而建立对同一托育机构中婴儿随时间共享菌株的量化分析显示到第一学期结束时婴儿之间共享的菌株平均数明显高于入托前与其他婴儿共享的菌株平均数在T01为2.5T15为7.2若仅考虑在两个时间点均有样本的婴儿并排除T01已存在的菌株则T15为8.8图3a。相应地在T01 时婴儿之间的菌株共享关系尚未体现托育机构的分组特征而在T15时则与托育机构分组一致图3b补充表9及方法。因此我们发现婴儿在第一学期相对较短的时间内通过个体间菌株传递获得了显著的托育机构特异性微生物群特征的强有力证据。图3 托育机构第一学期前、中、后的菌株共享情况纵向追踪肠道微生物组变化显示与成人相比婴儿的SGB保留率最低定义为同一婴儿初始与末次采样之间的Jaccard相似性扩展数据图7b同时保留SGB的菌株替代率最高定义为1-SSR图3c。在研究的5个月期间婴儿保留的SGB中位数有44.4%的菌株发生了基线替代。菌株替换率相比之下其他参与者的肠道菌株替代比例远低中位数均低于11.1%且非婴儿参与者的菌株替代率与年龄呈相关趋势但不显著Spearman检验n 68ρ 0.22P 0.071扩展数据图7c。这反映了婴儿肠道微生物组的高度可塑性其生态系统快速演化且对定植具有有限的抵抗力。为了评估托育机构出勤对婴儿微生物组组装的影响通过微生物组传递实现我们量化并比较了同组/同托育机构内婴儿配对、以及不同托育机构婴儿之间在每个时间点的SSR图3d。结果显示仅在托育机构出勤约1个月后同组婴儿间的菌株共享明显高于不同托育机构的婴儿T04时中位SSR 8.3% vs. 0%中位数置换检验n 249P 0.001。这尤其值得注意因为托育机构前两周为“适应期”婴儿出勤不连续且时间较短。此外在第一学期末T15同组婴儿SSR平均达20.2%显著高于不同托育机构婴儿之间的SSR4.6%中位数置换检验n 312P 0.001也高于同托育机构但不同组的婴儿之间的SSR16.1%中位数置换检验n 122T08 P 0.026T10 P 0.001T13 P 0.001总体P 0.079。将研究扩展至托育机构第二学期我们发现同托育机构内不分组婴儿间SSR在学年结束TA时中位达33.3%相比T15的中位17.9%显著升高Wilcoxon符号秩检验n 58W 86P 6.2 × 10-9图3e且在整个第二学期期间逐步增加如同一班级——托育机构A的第1组——的密集采样所观察到扩展数据图7d。尽管暑假期间TB婴儿间SSR有所下降但仍显著高于圣诞节假期后的水平T15TB中位23.7% vs. T15中位17.9%Wilcoxon符号秩检验n 31W 68P 2.0 × 10-4。这些结果强调家庭外的社会互动和持续的空间接近性是婴儿微生物组传递与发展的关键决定因素其影响远高于最近成人的观察水平。‌托育来源菌株与家庭来源的菌株贡献水平相当在T01时母亲与婴儿之间的菌株共享率SSR平均为37.3%父亲与婴儿之间为19.6%与已有研究报道一致。这种模式在整个第一学期均保持稳定图4a。兄弟姐妹对婴儿的菌株贡献更高平均SSR 56.2%图 4b。如预期婴儿与来自不同家庭的个体之间的菌株传递在整个第一学期内仍可忽略不计图4a,b这也证明了菌株传递推断方法的可靠性。图4 | 托育机构第一学期菌株传递动态为了确定托育机构对菌株传递的相对贡献相对于家庭的菌株传递我们计算了每位婴儿微生物组中仅与家庭成员或托育组其他婴儿共享的菌株比例因此推测这些菌株是从家庭成员或托育组获得的方法见文献并称之为“获得菌株比例”。我们发现从托育组获得的菌株比例——而非从家庭获得的菌株比例——随时间显著变化。家庭成员贡献的菌株比例在婴儿间波动从T01时平均24.0%到第一学期结束时的20.0%Wilcoxon符号秩检验n 25W 112P 0.18扩展数据图7e而从托育组推测获得的菌株比例从平均6.5% 增加到第一学期结束时的28.4%Wilcoxon符号秩检验n 25W 0P 6.0 × 10−8扩展数据图7e显著超过了从家庭获得的菌株比例Mann-Whitney U 检验n 52U 463P 0.023图4c。这表明经过仅3个月的托育机构生活婴儿从托育同伴获得的菌株比例已经高于从家庭获得的菌株比例。在量化从家庭或托育组获得的菌株相对丰度时也观察到类似趋势图4c。家庭贡献随时间略微下降从T01平均33.2%到T15的20.6%Wilcoxon符号秩检验n 25W 72P 0.014扩展数据图7f而托育组的贡献大幅上升从初始10.2% 增至T15平均39.6%Wilcoxon符号秩检验n 25W 18P 1.5 × 10−5扩展数据图 7f。同时与家庭和托育组都共享的菌株比例也显著增加从平均0.9%增至8.5%Wilcoxon符号秩检验n 25W 0P 4.4 × 10−4扩展数据图7f可能反映了家庭与托育机构之间的双向传递图2a。总体而言这表明到第一学期结束时托育机构对婴儿肠道微生物组菌株组成的整体贡献大于家庭贡献T15时分别为39.6% vs 20.6%Mann-Whitney U检验n 52U 479P 0.01扩展数据图7f。托育机构对菌株传递的长期影响对托育机构A的第1组进行的长期纵向分析显示从托育同伴获得的菌株比例在第二学期仍持续逐渐增加扩展数据图8a。年终TA来自所有托育机构婴儿的样本显示家庭与托育机构对婴儿菌株的贡献大致相当托育机构获得菌株中位比例17.6% 对家庭15%Mann-Whitney U检验n 19U 218P 0.29扩展数据图8b夏季托育结束后家庭贡献非显著性地略高托育机构获得菌株中位比例8.7% 对家庭16.7%Mann-Whitney U检验n 17U 122P 0.43扩展数据图8b。与成人相比婴儿在暑假期间即TA与TB之间表现出更低的菌株保留率和更高的菌株置换率尽管按菌株水平分类的SGB携带量并无差异扩展数据图8c-f。有趣的是婴儿在暑假期间从家庭获得的菌株显著保留得更多、置换得更少而托育机构获得的菌株则相反Wilcoxon符号秩检验n 11W 5P 0.019和P 0.022扩展数据图8gh这表明持续的接触导致持续的菌株输入是长期定植的关键因素。兄弟姐妹会影响婴儿菌株的获取基于兄弟姐妹可能在传递模式中发挥作用的假设我们发现在T01时点婴儿与其兄弟姐妹之间的菌株共享率SSR更高平均52.3%显著高于与父亲之间的共享率24.9%Mann-Whitney U检验n 36U 147P 0.026也高于与母亲之间的共享率尽管后者未达到统计学显著性46.1%Mann-Whitney U检验n 36U 120P 0.47扩展数据图8i。值得注意的是在T01时平均有10.4个菌株仅与兄弟姐妹共享而仅与母亲或父亲独占共享的菌株分别只有2.0个和2.4个扩展数据图8j。这可能反映了更接近的肠道生态位、更频繁的身体接触以及相似的发育阶段这些因素也可能与本研究队列中观察到的较高托育机构菌株获得率有关。我们进一步观察到在T15时点与没有兄弟姐妹的婴儿相比有兄弟姐妹的婴儿从其托育机构同伴获得的菌株数量显著更少Mann-Whitney U检验n 28U 117P 0.004图4d。尽管无法据此推断因果关系但这一现象可能与来自兄弟姐妹的早期菌株获得“饱和”了整体菌株获取潜力有关这也与有兄弟姐妹的婴儿具有更高的α多样性图 1c以及相比独生子女获得更少新的SGB图4e的结果一致。需要指出的是尽管所有婴儿在托育机构中既传递也获得菌株但不同婴儿之间获得菌株与输出菌株的比例差异很大图4f。最容易传递的物种接下来我们通过计算队列中每个物种基因组单元SGB的菌株共享事件数量占总潜在共享事件的比例方法详见Methods来评估物种层面的传递能力。在婴儿中微型真核生物类群的丰度不足以推断传递其中最常见的人体肠道微型真核生物Blastocystis出现在9.18%的样本中但在婴儿样本中未检测到补充表12。因此我们重点分析原核类群。在所有参与者类别中64个传递能力最高的SGB以下简称“高传递SGB”或“T”类见扩展数据图9a 和补充表13中许多已知SGB属于耐氧物种如S. gallolyticus、Rothia mucilaginosa和B. pseudocatenulatum和芽孢形成物种例如Tyzzerella nexilis和Clostridium fessum。我们还在婴儿-婴儿对中发现了芽孢形成的Clostridioides difficileT 0.38婴儿中检出率24%成人中0%与无症状婴儿中普遍携带的情况一致。例外情况是一些常见但不形成芽孢的人类肠道厌氧菌如Blautia wexlerae和Faecalibacterium prausnitzii普拉梭菌。SGB的传递能力与成人Spearman检验n 461ρ 0.35Padj 9.8×10-14和婴儿Spearman检验n 461ρ 0.40Padj 1.2×10-17的SGB流行度呈显著正相关扩展数据图9bc。在婴儿-兄弟姐妹对中共享SGB具有最高传递能力包括A. finegoldii、Bacteroides ovatus和Bacteroides caccae以及产丁酸的Roseburia intestinalis和Agathobaculum butyriciproducens、Bifidobacterium bifidum和Bifidobacterium breve均T 1扩展数据图9a。B. caccae菌株还常在母婴之间传递同时传递的还有两个未命名的Clostridium spp.、Phocaeicola vulgatus以及通常来源于母体的B. bifidum和B. pseudocatenulatum。父婴之间高度传递的SGB包括Clostridium sp. AM333、Lachnospira spp.以及耐氧且耐胆汁的Sutterella wadsworthensis。最后除了微需氧的Streptococcus salivarius和S. wadsworthensisT 0.83和T 0.82之外母-父之间高度传递的SGB包括多种双歧杆菌和Blautia spp.有趣的是这些物种多数是肠道中的纤维降解专化菌并对宿主有益提示家庭内部的微生物传递可能对健康相关的肠道微生物发育具有正面潜力。宿主因素与微生物传递除了有无兄弟姐妹的影响外年龄也显著影响菌株的输出频率年龄较大的婴儿输出频率更高Spearman检验n 39ρ 0.43P 0.007但对菌株的获取没有显著影响n 39ρ 0.24P 0.14扩展数据图11a-c。有趣的是出生时可能存在的微生物定殖延迟如剖宫产或围产期抗菌预防并未影响婴儿在托育机构中菌株的获取扩展数据图11de这与T01时未观察到的α-多样性差异一致扩展数据图5ab。对婴儿饮食对菌株共享的影响分析显示在T01时仍以母乳为主的婴儿与母亲之间的菌株共享率SSR较高但差异未达到统计学显著性扩展数据图12ab。进一步探索饮食对菌株获取与输出模式的影响未发现显著关联扩展数据图12c-k提示总体上饮食对个体间微生物组传递的影响可以忽略。然而由于我们的饮食数据粒度有限不能完全排除饮食对特定菌株在受体微生物组中定殖的潜在影响。抗生素使用影响了菌株获取最后我们利用记录在案的抗生素使用事件评估了抗生素干预对成人和婴儿个体间微生物传递的影响。所涉及的抗生素包括单独使用阿莫西林n7次以及与克拉维酸联合使用n13次、倍他米松二丙酸酯n6次和大环内酯类抗生素阿奇霉素n4次。这些均为治疗支气管炎、炎症性皮肤疾病以及上呼吸道、耳部和肠道感染的常规用药。图5 |婴儿抗生素的使用与菌株保留率降低相关同时会伴随着更高的菌株获取率抗生素治疗ATB显著降低了成人和婴儿在相邻时间点之间保留的菌株绝对数量。具体而言成人在未使用抗生素时前后时间点平均保留86.4个菌株而在抗生素治疗前后仅为60.1个Mann-Whitney U检验n74U729P5.1 × 10-4婴儿则从对照条件下的平均24.3个下降至抗生素治疗前后的14.1个Mann-Whitney U检验n77U1,169P1.3 × 10-5扩展数据图12l。即便仅考虑在两个时间点均存在、且已进行菌株分型的SGB其菌株保留率在抗生素治疗后同样显著下降成人从对照条件下的平均93.8%降至抗生素治疗前后的88.4%Mann-Whitney U检验n74U631P0.028图5a婴儿则从90.6%显著降至70.2%Mann-Whitney U检验n76U1,215P2.9 × 10-7图5a。而且这种下降在婴儿中更为明显抗生素治疗前后成人与婴儿的平均菌株保留率分别为88.4%与70.2%Mann-Whitney U检验n53U466P0.001图5a。抗生素使用后婴儿的肠道微生物组会被新的菌株重新补充图5b、c。这一现象既源于新SGB的获得对照组前-后平均SGB获得率为30.4%而抗生素处理前-后为49.2%Mann-Whitney U检验n59U164P2.9 × 10-4图5b及扩展数据图12m也源于同一SGB内的菌株替换对照组前-后平均替换2.1个菌株、抗生素处理前-后为3.9个被替换的抗生素前菌株比例分别为7.1%与13.6%Mann-Whitney U检验n59U209P0.003和P0.004图5c及扩展数据图12n。相比之下成人的微生物组在抗生素治疗后通过上述两种菌株获取方式发生新定植的倾向较低抗生素处理前-后成人与婴儿的平均SGB获得率分别为34.2%与49.2%Mann-Whitney U检验n33U74P0.041图5b抗生素处理前-后成人与婴儿被替换的抗生素前菌株平均比例分别为7.5%与13.6%Mann-Whitney U检验n33U69P0.026图5c。这表明尽管婴儿肠道微生物组更容易受到抗生素治疗的影响但其多样性和丰富度也更容易得到恢复。结论我们的纵向、菌株层面的宏基因组研究框架揭示婴儿肠道微生物组在托育机构中主要通过大量的婴儿-婴儿之间的菌株传递而完成组装、扩展并发生改变。这一发现拓展了此前关于家庭成员向婴儿传递的研究以及对托育机构中婴儿微生物组的总体认识。托育机构入托数月后同一托育班级同伴所提供的微生物菌株在婴儿肠道微生物组中所占比例已超过来自母亲乃至更广义家庭成员的贡献图4c。而在生命最初几个月家庭成员通常被认为是对婴儿微生物组影响最大的来源。来自家庭和托育机构的微生物贡献不受分娩方式或喂养方式的影响扩展数据图11d、e和12a-k并在第二学期结束时趋于相当这可能反映了部分菌株同时在家庭与托育机构之间共享。除其在情绪与认知发育中的既有作用外托育机构中同伴之间的社会互动由此成为婴儿期微生物富集的重要枢纽尤其有利于早期定植的关键肠道菌如B. longum subsp. infantis和B. breve扩展数据图10a-e。婴儿微生物组的水平传递并不仅限于托育机构环境。我们发现婴儿—兄弟姐妹之间的菌株共享程度超过了父母—婴儿之间的传递扩展数据图5g且与随后在托育机构中婴儿微生物获取能力的下降相关图4d。甚至宠物也可能向婴儿而非成人提供菌株扩展数据图6d、e。尽管关于养宠物对人类微生物组影响的证据仍有限且存在分歧但未来应开展更大规模、专注于菌株传递及中期定植稳定性的研究。总体而言我们的数据进一步强化了同代个体之间的水平传递甚至可能跨宿主物种相对于代际之间的垂直传递的重要性这一点不仅适用于成人和托育机构本研究的核心也同样适用于家庭环境。在若干案例中我们观察到单一菌株在托育机构内的高效扩散图2b。这种扩散模式类似于封闭人群中典型的病原体暴发。然而与病原体传递通常引发急性免疫反应并需要治疗、从而在传递后较快清除不同肠道微生物组成员的定植可能具有长期性——正如我们在队列中多个案例所示图2b。尽管目前尚不清楚这些定植是否会在离开托育机构后持续多年但进一步解析快速传递菌株所关联的表型特征对于理解促进宿主—微生物互利共生的关键因素具有重要意义。在影响婴儿微生物传递的诸多因素中抗生素使用是我们发现的最强影响因子。尽管既往研究表明生命第一年中的抗生素治疗会显著扰动婴儿肠道微生物组但婴儿微生物组也能通过广泛的菌株获取而迅速恢复图5及扩展数据图12m、n这一现象与成人在粪菌移植前使用抗生素可提高供体菌株定植率的发现一致。然而我们获得了明确证据表明婴儿在抗生素治疗后菌株获取的程度和速度显著高于成人图5。这既凸显了婴儿期使用抗生素的风险也提示了潜在机遇——即抗生素后菌株获取可能深刻重塑婴儿微生物组结构。抗生素治疗后婴儿快速恢复微生物多样性是否由托育环境中高度频繁的同伴互动所驱动仍有待进一步研究但可以合理推测若接受抗生素治疗的婴儿长期仅限于家庭环境其微生物组恢复将更慢且获得的婴儿特异性微生物种类更少。在方法学层面我们的菌株共享分析流程基于对每个微生物种SGB中优势菌株遗传特征的建模从而实现菌株传递事件的识别。尽管近期研究指出肠道中通常每个物种仅存在一个优势菌株但随着宏基因组菌株分型工具的进一步发展未来有望揭示同种多菌株共存的复杂性并阐明其在菌株传递动力学及长期定植中的作用。总体而言我们的研究揭示了社会因素在通过个体间微生物传递塑造婴儿微生物组方面的核心地位从而将社会互动重新定位为构建健康微生物组的关键因素而不仅仅是机会性病原体传递的流行病学背景。未来的研究应进一步关注其他微生物组组分如噬菌体、质粒和操纵子的传递并结合实验手段解析促进不同传递模式的微生物特征。