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人乳低聚糖、乳微生物和婴儿肠道微生物对新生儿轮状病毒感染的调节

来源:nature作者:Sasirekha Ramani

母乳是新生婴儿极好的营养来源,提供大量营养素,如脂质、脂肪、蛋白质和碳水化合物,以及许多对婴儿生长必不可少的微量营养素。

此外,母乳含有一些生物活性成分,如免疫球蛋白、生长激素、低聚糖和微生物群,它们在婴儿肠内稳态和免疫发育中起关键作用。

在生物活性成分中,人乳低聚糖(HMOs)是仅次于乳糖和脂类的第三大固体成分。

这些未结合的复合聚糖作为益生素、抗粘附剂和抗菌剂,在改变上皮和免疫细胞应答中发挥关键作用。

HMO由五个单糖组成块,包括葡萄糖(Glc)、半乳糖(Gal)、N-乙酰氨基葡萄糖(GlcNAc)、岩藻糖(Fuc)和唾液酸(Sia)。

HMO的总数量和组成因妇女而异,并取决于母亲遗传、环境和地理位置。

HMOs作为可溶性的诱饵受体,在上皮细胞,阻断肠道病原体,例如轮状病毒和空肠弯曲菌,与结构相似的糖受体结合。

HMOs还对胃肠道上皮细胞具有间接作用,如调节肠细胞分化和凋亡,这反过来又会影响对感染性病原体的易感性。

重要的是,HMO是天然益生素,并且作为特定共生细菌的代谢底物;一些细菌,如婴儿双歧杆菌,直接代谢复杂的HMO,而其他微生物群落以一致的方式,依次降解和代谢复杂的HMO结构。

因此,HMO可能与母乳中的微生物群一起在形成婴儿肠道微生物群、调节肠道感染和保护新生儿方面发挥重要作用。

肠道病原体中,轮状病毒是5岁以下儿童严重脱水性胃肠炎的主要原因。

不同于多重毒株导致腹泻和呕吐的大龄儿童的感染,新生儿感染主要是无症状的,并且常常与地理上受限的异常毒株相关。

在某些情况下,新生儿轮状病毒感染还与严重的胃肠道疾病有关,包括腹泻、食物不耐受和坏死性小肠结肠炎。

然而,对于介导临床表现差异的宿主因子知之甚少。

我们的研究集中于一种叫做G10P[11]的独特轮状病毒株,该株与印度Vellore地区稳定、高发病率的几乎排他性的新生儿感染有关。

在这种情况下,G10P[11]与严重的胃肠道症状以及无症状的感染有关。

我们先前确定,G10P[11]对新生儿的偏爱,是由于外壳蛋白VP4的VP8*结构域与存在于胃肠上皮上的发育调节的前体组织血型抗原(HBGAs)的结合。

然而,为什么G10P[11]与一些新生儿的症状性感染相关,而另一些则无症状,这仍然不清楚。

结果

HMO体外增强新生儿G10P的感染性。

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图1 人的低聚糖不是G10P轮状病毒的诱饵受体。

使用两个全球主要的人轮状病毒株G1P[8](Wa株)和G2P[4](DS1株),以及牛源G10P[11]轮状病毒株(B223株)进行感染性测定。

G10P[11]菌株是牛腹泻的常见原因,种类分析表明,人新生儿G10P[11]菌株与引起牛腹泻的G10P[11]菌株关系最为密切。

收集的HMO对全球主要的P[4]和P[8]人轮状病毒株的感染性没有显著影响,而人新生儿和牛P[11]病毒的感染性均显著增强(图1c)。

这些数据证实:HMO介导的病毒感染性增强对P[11]轮状病毒具有特异性。由于所有的HMO在还原端都含有乳糖,因此在混合的HMO中使用最高浓度的乳糖进行感染性测定。

无论所见的G10P[11]感染性增强,还是所见的SA11-4F感染性降低,结果都是通过HMO直接作用于病毒、而不是作用于细胞来介导的(图1d)。

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图2 特异性HMO与症状性感染相关

目前还没有动物模型来研究人类新生的G10P[11]轮状病毒。

我们从印度Vellore的基督教医学院(CMC)新生儿托儿所招募了181对母婴,很长一段时间,那里新生儿G10P[11]的发病率很高。

根据临床表现和新生儿粪便中轮状病毒的检测,将样本分为3组:症状性轮状病毒阳性(n=56)、无症状性轮状病毒阳性(n=60)和轮状病毒阴性(n=65)。

用高效液相色谱(HPLC)对167份母乳样品的HMO谱进行了表征。

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图4 肠杆菌/克雷伯菌与症状性感染相关

由于HMO可能通过诸如调节婴儿肠道微生物群等间接机制潜在地影响病原体感染性,因此我们接下来对来自母婴样本的母乳和婴儿粪便微生物群进行表征。

不同于HMO,母乳和婴儿粪便微生物群基于母体分泌物状态没有差异。

鉴别属的相对丰度分析表明,在三个最丰富的属中,肠杆菌/克雷伯杆菌的相对丰度(用16S V4区域测序难以区分)在有症状新生儿母亲母乳中显著较高,而链球菌和葡萄球菌显著降低。

对婴儿粪便微生物的分析表明,有症状的轮状病毒阳性新生儿与轮状病毒阴性和无症状新生儿相比有显著差异(p=0.002)(图4d)。

与母乳微生物群相似,肠杆菌/克雷伯菌的相对丰度在有症状的新生儿中显著较高(图4e)。

HMO -症状感染中的微生物学相关性。

群体研究单独显示,HMO和微生物群与症状性轮状病毒感染相关。

HMOS增强活的、口服轮状病毒疫苗的感染性。


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参考文献Human milk oligosaccharides, milk microbiome and infant gut microbiome modulate neonatal rotavirus infection

Sasirekha Ramani, Christopher J. Stewart, Daniel R. Laucirica, Nadim J. Ajami, Bianca Robertson, Chloe A. Autran, Dhairyasheel Shinge, Sandya Rani, Sasirekha Anandan, Liya Hu, Josephine C. Ferreon, Kurien A. Kuruvilla, Joseph F. Petrosino, B. V. Venkataram Prasad, Lars Bode, Gagandeep Kang & Mary K. Estes


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