英文題目：Microbiome profiles are associated with cognitive functioning in 45-month-old children

影響因子：7.21

發(fā)表時間：2021年11月

摘要

腸道微生物組在生命早期建立，并通過大腦-免疫-腸道軸與大腦相互作用。然而，人們對微生物組與兒童早期認(rèn)知功能的關(guān)系知之甚少。本研究使用 16S rDNA 和宏基因組測序?qū)?380 名兒童的糞便微生物組進行了分析，旨在調(diào)查使用韋氏學(xué)齡前兒童智力量表 (WPPSI-III) 檢測的 45 個月大兒童的微生物菌群與認(rèn)知功能之間的關(guān)聯(lián)。

研究目的

● 研究45個月的兒童的認(rèn)知功能和腸道微生物菌群之間的聯(lián)系

● 識別與認(rèn)知表現(xiàn)相關(guān)的特定細(xì)菌種類和微生物代謝途徑

● 檢驗最密切相關(guān)的協(xié)變量(懷孕期間吸煙)是否影響這些關(guān)聯(lián)

材料方法

樣本類型：45個月的兒童的糞便樣本

測序技術(shù)：16S V3-V4（380份），宏基因組（40份）

圖1 樣本篩選流程圖

背景介紹

微生物組是指生活在人體內(nèi)外的眾多微生物的基因集合，已被證明在身體健康方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。最近，大量的研究證明腸道菌群可以通過神經(jīng) (交感神經(jīng))、內(nèi)分泌、免疫和體液(細(xì)胞因子、短鏈和長鏈脂肪酸) 與大腦(腸-腦軸)相互作用。此外，也有研究揭示腸道菌群還與心理健康有關(guān)，特別是精神障礙類疾病，例如精神分裂癥、雙相情感障礙、注意缺陷多動障礙和自閉癥譜系障礙。

生命的最初幾年對微生物組的建立至關(guān)重要，這一時期也是神經(jīng)生物學(xué)功能發(fā)展的關(guān)鍵階段，很可能代表神經(jīng)發(fā)育性精神疾病的病因?qū)W的關(guān)鍵階段。然而，目前尚不清楚細(xì)菌在人體的定植是在子宮內(nèi)還是在出生時開始的。在分娩過程中，嬰兒暴露在母親和環(huán)境的各種微生物群中。微生物菌群可以受到包括分娩方式、母乳喂養(yǎng)vs配方奶喂養(yǎng)、營養(yǎng)以及藥物（尤其是抗生素）的使用等各種因素的影響。然而，這些因素對學(xué)齡前兒童微生物菌群和認(rèn)知功能的影響尚未得到廣泛的研究。

一、 研究人群

380個樣本中有364個成功進行了微生物菌群分析（圖1）。在隨后的統(tǒng)計分析中，排除了一名孕齡較晚的受試者、35名WPPSI-III量表測試方法不準(zhǔn)確的受試者以及5名運輸/儲存不規(guī)范的受試者，共323名受試者。對于其余的家庭，記錄人口統(tǒng)計資料(母親年齡、兒童年齡、性別)，產(chǎn)前、產(chǎn)期和產(chǎn)后因素(胎齡、出生體重、吸煙情況、剖腹產(chǎn)、母乳喂養(yǎng)、母親教育、多語言教育、兒童的BMI、抗生素使用情況)以及認(rèn)知水平（WPSSI-III 總智商(FIQ),言語智商(VIQ)、操作智商(PIQ)和通用語言組合（GLC)）（表1）。

表1 最終研究樣本中關(guān)于產(chǎn)前、產(chǎn)期和產(chǎn)后因素及認(rèn)知水平的統(tǒng)計信息(n = 323)

二、 微生物組與認(rèn)知功能顯著相關(guān)

通過數(shù)據(jù)質(zhì)控（保留至少在10個樣本中存在的屬），共有82個屬用于后續(xù)分析。使用限制性最大似然(REML)模型估計微生物菌群可以解釋的認(rèn)知表型的方差變化，分析表明微生物組與認(rèn)知功能顯著相關(guān)。

表2 認(rèn)知表型的解釋方差

阿爾法多樣性指標(biāo)與認(rèn)知水平之間存在顯著負(fù)相關(guān)。如表3所示，F(xiàn)aith系統(tǒng)發(fā)育多樣性指數(shù)與WPPSI-III FIQ之間的顯著關(guān)聯(lián)。同時發(fā)現(xiàn)抗生素的使用與Shannon多樣性指數(shù)和Pileou均勻度呈負(fù)相關(guān)，妊娠期與Shannon多樣性指數(shù)和觀測到的物種數(shù)呈負(fù)相關(guān)，以及C-section與Faith的系統(tǒng)發(fā)育多樣性指數(shù)呈現(xiàn)正相關(guān)（圖S1）。

表3 認(rèn)知水平與阿爾法多樣性的關(guān)聯(lián)分析

圖S1 被評估的協(xié)變量與阿爾法多樣性的關(guān)聯(lián)分析

三、 關(guān)鍵菌屬與認(rèn)知功能相關(guān)性分析

圖2和3表明腸桿菌科的一個屬（未知屬）的相對豐度與較低的WPPSI-III FIQ顯著相關(guān)。這個屬也和WPPSI-III VIQ，PIQ和GLC的低水平得分相關(guān)（圖2 A-D）。后續(xù)分析同時揭示了另外一個屬-韋榮球菌科優(yōu)桿菌屬，與WPPSI-III VIQ得分相關(guān)。

圖2 腸桿菌科未知屬與認(rèn)知功能相關(guān)性分析

隨后對腸桿菌科內(nèi)的未知屬進行了另外的分析，發(fā)現(xiàn)與母親年齡和吸煙與否幾個協(xié)變量是相關(guān)的。尤其是和孕婦在懷孕期間吸煙和T4時期吸煙（圖3B）相關(guān)性更為明顯。中介分析（圖3）表明腸桿菌科中該屬介導(dǎo)了孕婦妊娠期間吸煙和當(dāng)前吸煙對WPPSI-III FIQ的影響。

圖3 WPPSI-III全面評分的分布圖

四、 宏基因組和代謝譜分析

接下來對33個樣本進行宏基因組分析，進一步描述了微生物組的特征。分析表明腸桿菌科的未知屬與阿氏腸桿菌關(guān)系最密切（圖2E），也與陰溝腸桿菌和居中克呂沃爾氏菌相關(guān)。其中陰溝腸桿菌與WPPSI-III FIQ顯著相關(guān)，同時陰溝腸桿菌和居中克呂沃爾氏菌相關(guān)。其中陰溝腸桿菌與WPPSI-III FIQ顯著相關(guān)，同時陰溝腸桿菌和阿氏腸桿菌腸桿菌與WPPSI-III PIQ相關(guān)。

還利用代謝譜來探討認(rèn)知功能與宏基因組測序檢測的微生物組代謝潛力之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)WPPSI-III FIQ與預(yù)測的去甲精胺水平呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)（圖2F，圖S3）。

圖S3 MetaCyc途徑:去甲亞胺生物合成

總結(jié)

總的來說，發(fā)現(xiàn)通過WPPSI-III檢測的這些兒童的認(rèn)知功能是與其糞便微生物菌群組成的變化相關(guān)。有趣的是，這種相關(guān)性在FIQ和語言相關(guān)得分表（VIQ和GLC）被觀察到的，但不適用于PIQ得分表。此外還發(fā)現(xiàn)認(rèn)知檢測與阿爾法多樣性呈負(fù)相關(guān)，多樣性越高，認(rèn)知得分越低。

總體而言，微生物組譜顯示出與認(rèn)知功能的顯著關(guān)聯(lián)。在認(rèn)知功能和腸桿菌科一個未知屬之間發(fā)現(xiàn)了很強的相關(guān)性。后續(xù)中介分析顯示，該屬的水平對孕期母親吸煙和當(dāng)前吸煙與認(rèn)知功能之間的關(guān)聯(lián)具有顯著的中介作用。宏基因組測序表明，所鑒定的屬與阿氏腸桿菌最密切相關(guān)。代謝潛力分析表明，認(rèn)知功能與去甲精胺生物合成途徑有著顯著關(guān)聯(lián)。研究結(jié)果表明，腸道菌群的改變與兒童時期的認(rèn)知功能有關(guān)。建立因果關(guān)系后可以對旨在改善兒童認(rèn)知功能的干預(yù)措施進行評估。

參考文章：

Streit F, Prandovszky E, Send T, et al. Microbiome profiles are associated with cognitive functioning in 45-month-old children. Brain Behav Immun. 2021;98:151-160. doi:10.1016/j.bbi.2021.08.001