1。介绍
自其出现以来,原核生物在所有领域extremophilic的真核宿主。其中一个领域,长期以来被认为是无菌的,是人类的降低气管和肺部
1 ]。值得注意的是,即使一个世纪以前,它是承认,肺部受到持续的接触微生物中吸入空气和上呼吸道(
2 ]。降低航空公司的不育性的结论是基于标准微生物,然而负面结果有利于病原菌的生长,并不是为了捕捉细菌物种的全谱(尤其是厌氧菌)(
1 ]。
呼吸道微生物仍在被破译的开始,然而随着研究的进展和下一代测序,现在确定下呼吸道健康受试者是由细菌殖民的口咽的微生物群由厚壁菌门的成员,拟杆菌,变形菌门的门(
1 ]。这些发现是一个理论的基石的收购航空公司的微生物基于岛上模型:较低的航空公司(“群岛”)微生物群是上呼吸道的殖民的结果(“大陆”)由区域增长的消除从主机和条件(
3 ,
4 ]。在一个健康的主题,殖民之间的平衡和消除导致中性平衡最丰富的微生物从上呼吸道是最常见细菌的航空公司(
5 ]。
高通量测序技术的进步,肺部微生物学的观点从pathogen-centered视图转向着眼于全球整个微生物(
6 ,
7 ]。肺癌研究中最具潜力的领域之一是了解肺部微生物群之间的串扰和呼吸道上皮表面特别是在气道炎症性疾病。微生物的变化被发现在一些肺部疾病与慢性气道炎症包括慢性阻塞性肺病、哮喘、和CF (
8 - - - - - -
13 ]。在CF, 6岁,大多数孩子经历了细菌感染
h .流感 ,
金黄色葡萄球菌 ,或
铜绿假单胞菌 (
14 - - - - - -
16 ]。与CF年幼的儿童,降低航空公司的微生物群非常类似于一个健康受试者中观察到的,是一个族群上呼吸道的微生物群(
8 ,
17 ]。在哮喘,它目前正在辩论如何细菌和病毒感染导致气道炎症的增加。此外,它已经表明,环境微生物暴露预防疾病发作(
9 ,
10 ,
18 ]。然而,也有证据表明,哮喘患者的微生物群失调的迹象在健康受试者相比,变形菌门的增加,特别是
莫拉克斯氏菌属 sp,拟杆菌减少,特别是
普氏菌 spp。
9 ,
10 ]。
孩子,很难得到样本下航空公司因为他们不咳出痰痰和抽样降低气管支气管肺泡灌洗相对入侵这使得它除了在极端情况下,道德不允许的。因此,研究儿童使用口咽作为肺部微生物群的代理抽样样本。健康受试者所示,幼儿与CF,这个抽样过程反映了降低航空公司的微生物;岛上的基础模型,喉咙微生物群甚至微生物的来源殖民(
3 ,
5 ,
8 ,
17 ]。因此,我们研究的假说是解释如果儿童哮喘和CF与健康儿童关于喉咙微生物群,如果他们不同于对方。为了验证这个假设,我们比较健康学龄儿童的喉咙微生物群与同龄儿童(6 - 12 y)与哮喘和CF。
2。材料和方法
2.1。主题
本研究与咽喉拭子样本进行健康学龄儿童和同龄儿童哮喘和CF(表
1 )。儿童CF和取样检查CF中心在海德堡大学的伦理委员会批准的海德堡,通知书面同意从病人,获得他们的父母或法定监护人。CF的诊断是基于建立诊断标准(
19 ]。健康对照组和儿童哮喘是横断面加芙研究的一部分。加芙研究伦理委员会的批准,参与的大学和区域数据保护部门。哮喘被定义为(我)家长反映喘息在过去12个月在两个不同时间点的研究,(2)当一个正面回答一个正面回答这个问题:“你的孩子有没有使用哮喘喷雾剂吗?”,或(3)当医生诊断哮喘至少一次或多次气喘的支气管炎。健康对照组没有被定义的所有这些迹象(即。,no doctor’s diagnosis, no use of inhaler spray, and no wheeze at the two time points of the study).
表1
人口群体的描述。
控制
哮喘
CF
n
62年
27
57
男性/女性
28/34
21/6
46/11
在岁(min-max)
10.10 (8 - 12)
10.00 (8 - 12)
10.61 (6 - 12)
残在L (min-max)
1.99 (1.15 - -3.18)
1.83 (1.26 - -2.35)
1.92 (0.88 - -3.34)
残
z 分数±SD
−0.44±1.08
−0.43±0.79
−1.78±1.37
FVC在L (min-max)
2.36 (1.44 - -3.87)
2.25 (1.53 - -3.34)
2.40 (1.04 - -3.86)
FVC
z 分数±SD
−0.17±0.79
0.12±0.93
−1.42±1.32
%抽样前4周内抗生素的使用
1.61
3.70
45.61
残:在1秒用力呼气量;FVC:至关重要的能力。
z 分数计算肺功能在全球倡议(GLI)方程从2012年(
44 ]。
2.2。样本收集和存储
呼吸道样本CF患者在常规获得访问CF中心与口咽Eswabs (BD ESwab收集装备,正欲,海德堡,德国)。样本在第一个24小时PMA™染料(美国海沃德Biotium Inc .)将DNA从死亡细菌如前所述
8 )和存储在DNA提取−20°C。补充分析评估执行效果由于PMA治疗CF群的一个子集(有或没有PMA)和生物量没有显著差异和β和α多样性观察(增刊。数据
1 和
2 )。咽喉拭子从哮喘和控制孩子们收集使用无菌干燥cotton-headed拭子(桅杆Diagnostica GmbH MASTASWAB MD 559年,德国)。取样后,拭子立即被放置在收集管和存储在24 h−20°C。所有提取DNA进行使用QIAamp迷你包(试剂盒、希尔登,德国)。蛋白酶解(7.2毛)和200年
μ AL L的缓冲区被添加到样品后15秒漩涡。样本在56°C的环境中10分钟,然后纯化根据制造商的协议。通过添加100 DNA筛选了
μ L缓冲AE的列,在室温下培养1分钟,离心机在6000×g 1分钟。消极的控制进行了通过提取没有临床样本。
2.3。微生物分析
使用普遍的细菌DNA扩增引物在V4侧面区域(515 f和806 r (
20. ])。PCR进行许多控件(积极的控制与模拟社区(hm - 782 d,贝资源,马纳萨斯,美国)和消极的控制PCR和提取方法)排除污染(
8 ]。消极的控制对PCR和提取没有产生任何量化的扩增子。PCR产品结扎的测序适配器和paired-end测序Illumina公司MiSeq系统(250次)。原始序列处理消除低质量的读取和妄想。序列二次抽样样品获得相同数量的读取每个样本然后集群操作分类单元(OTU)(使用阈值差异的3%)。辣子鸡分类的分类水平相比之下使用Mothur席尔瓦的序列数据库(
21 ]。5312076 nonchimeric优质读得到子样品7163读每样本规范化的工作抽样每个样本(好99.1%的覆盖范围(95.2 - -99.8))。一个模拟社区与已知物种的测序允许我们计算的总体错误率PCR和测序方法。这个出错率为1.56×10−5 。此外,我们发现19个辣子鸡与丰度高于1%的模拟社会当我们期待20。辣子鸡的分类任务显示匹配的身份预计20个物种。只有两个
葡萄球菌 物种聚集在一起在同一OTU由于相同的16 s rRNA V4序列之间
金黄色葡萄球菌 和
美国epidermidis 。基于Morisita-Horn指数之间的平均距离不同的模拟社区中使用不同的排序是0.032。
定量PCR (qPCR)是用来评估16 s副本作为代理的数量测量生物量。qPCR执行使用Unibac底漆(转发:5
′
TCG -TGG AGC ATG TGG TTT AAT a - 3
′
;反向:5
′
tgc GGG TAA CCC AAC a - 3
′
)如前所述
8 ]。
2.4。统计分析
OTU表与所有辣子鸡(由二次抽样7163读/样本归一化)是用来计算获得描述性的α多样性指数(非参数香农指数),丰富(Chao1丰富性估计),均匀度(香农指数型的均匀度)。α多样性的变化和临床参数测试与成对Wilcoxon和等级测试。β多样性变化进行评估OTU层面通过主坐标分析(PCoA)和基于Morisita-Horn PERMANOVA相似性指数(
22 ]。
R 2 暗示的力量解释变量对微生物群之间的距离报道。对肺功能是由连续变量线性回归分析(
R 2 表明相关性的强度)或成对Wilcoxon等级测试和分类变量。
我们还进行了分析与基于负二项分布模型(DESeq) [
23 )检测不同组之间丰富的辣子鸡(哮喘与CF、哮喘和健康、CF和健康)。调整为多个测试是使用Bonferroni-Hochberg方法完成的。所有统计分析Mothur 1.37.4和R 3.3.0 Phyloseq[(主要包
24 )处理微生物组数据,素食主义者(
25 ],DESeq2 [
23 ]分析)。脚本Mothur R和序列数据存入figshare (
https://figshare.com/s/1e69261612f3dfcacf42 )。
3所示。结果
3.1。肺功能下降和更高的抗生素使用是CF群的特征
儿童CF显示残肺功能下降
z 分数的−1.78±1.37(与哮喘−0.43±0.79 (
p
值< 0.001)和控制(−0.44±1.08
p
FVC值< 0.001)
z 分数的−1.42±1.32(哮喘和0.12±0.93 (
p
值< 0.001)和控制(−0.17±0.79
p
值< 0.001))和抗生素的使用频率更高(CF与控制:优势比= 47.81 (
p
值< 0.001)和CF与哮喘:优势比= 21.81 (
p
值< 0.001))(表
1 )。
3.2。口咽微生物群的比较揭示了只有轻微变化之间的健康儿童和儿童哮喘或CF
整个微生物群落的结构相比,使用Morisita-Horn相似性指数和PERMANOVA分析。尽管三组之间的显著差异(CF与控制:
R
2
=
0.05
(
p
值< 0.01),CF与哮喘:
R
2
=
0.09
(
p
值< 0.01)和控制与哮喘:
R
2
=
0.05
(
p
值< 0.01))被发现,低的值
R 2 (表明疾病状态的强度的影响微生物结构)之间的差异和主要重叠的三个军团在PCoA(图
1(一) )主张只有微小的变化在微生物的结构。这种相似性是证实了共享的存在中最常见的辣子鸡每个队列(84辣子鸡共享)(图
1 (b) )。只有2丰富的辣子鸡只出现在CF患者;那些属于属
假单胞菌 和
Phyllobacterium 。一个OTU属于属
莫拉克斯氏菌属 缺席CF组,一个属于属
Aggregatibacter 哮喘组是缺席。三组之间的差异主要是由于大量的调制最主要属和变化丰富的属,而低于特定属(图的灭绝
1 (c) )。CF群相比,控制和哮喘患者均呈增长趋势的四个主要属:
普氏菌 ,
奈瑟氏菌属 ,
韦永氏球菌属 ,
链球菌 ,而哮喘儿童往往更高
嗜血杆菌 丰富而CF和控制。
图1
喉咙微生物的结构健康的儿童,儿童哮喘,和CF的孩子。(a)微生物成分的微生物群被PCoA可视化。行代表95%置信区间假设多元
t 分布(完整的线)或多元正态分布(虚线)。(b)的存在/ 88最丰富的细菌(相对丰度> 0.1%)比较三组和显示之间的维恩图。(c) 55最丰富的辣子鸡的相对丰度在每个示例集群根据军团。模拟社区是一个组装的DNA来自20个已知物种的克分子数相等的核糖体RNA操纵子数(100000 /生物/副本
μ L)。(d)相关的情节主要与一分之二轴的PCoA辣子鸡。
(一)
(b)
(c)
(d)
分布的两个轴PCoA依赖不同的微生物群的喉咙以下主要组件:辣子鸡属于以下属
普氏菌 ,
韦永氏球菌属 ,
链球菌 ,
Gemella ,
嗜血杆菌 ,
梭菌属 (图
1 (d) )。哮喘患者样本显示更高价值轴1相比PCoA的CF患者(
p
值< 0.01)和健康的人
p
值< 0.05)表明大量的辣子鸡(主要是高
Gemella 和
嗜血杆菌 )积极关联这个轴PCoA和大量的辣子鸡属于较低
普氏菌 和
韦永氏球菌属 关联与轴1负。性别和抗生素使用抽样前4周内也显著影响的微生物群结构完整的人口(独立的队列),但小
R 2 (性别:
R
2
=
0.03
(
p
值< 0.01)和抗生素的使用:
R
2
=
0.01
(
p
值< 0.01))。
分别分析了队列时,只有性别是影响CF群(
R
2
=
0.07
(
p
值= 0.02))和抗生素的使用效果观察。哮喘控制和队列,没有观察到影响性别和抗生素使用抗生素使用的低流行率却不允许强大的统计评估。
3.3。CF患儿的口咽的微生物群显示α多样性和生物量下降
微生物群与哮喘和控制孩子的喉咙没有α多样性的差异(
p
值= 0.56)。然而,喉咙微生物群与CF的强有力的证据显示儿童相比,全球α多样性的降低,从儿童哮喘和控制(
p
值< 0.001)(图
2(一个) )。多样性的变化是由于不同物种的总量(图
2 (b) ),以及由于物种的丰度的分布(图
2 (c) )。微生物群与CF更多样化更少的孩子甚至指示由一个或几个物种繁茂。这个观察和大量的增加有关
普氏菌 和
链球菌 CF组。
图2
口咽微生物的多样性和生物量减少儿童CF (a)。
α 多样性是由非参数评估的香农指数。(b)丰富超指数的估计。(c)均匀度是源自一个香农均匀度的测量。(d)全球生物量测量16 s rRNA基因副本的数量。统计学意义是由Wilcoxon测试计算。
∗
∗
∗
p
值< 0.001。
(一)
(b)
(c)
(d)
没有观察到细菌的数量差异之间哮喘和控制孩子。然而,CF庇护的孩子少细菌在他们的喉咙(图
2 (d) )。减少
α 多样性也见过肺功能较差的孩子,即使只有一个趋势是(FEV1
z 得分:
R
2
=
0.17
(
p
值= 0.06)和FVC
z 得分:
R
2
=
0.17
(
p
值= 0.08))可能反映了CF的影响。
抗生素使用抽样前4周内不影响α多样性CF群(
p
值= 1)。此外,还参与CF样本显示α多样性显著低于哮喘患者样本
p
值< 0.001)或控制样品(
p
值< 0.001)表明疾病状态的影响,即使没有抗生素治疗。然而,生物量略影响抗生素使用情况,参与CF样品没有显示显著减少细菌负荷控制和哮喘的样品相比,但对待CF样本显示生物量显著下降。之间的观察生物量无显著差异处理和参与CF样品(增刊。图
3 )。
3.4。口咽的微生物组成差异CF,儿童哮喘患儿和健康对照组
CF患儿和健康对照组之间,53个辣子鸡丰富(图有差异
3 )。大多数人减少CF组除了6辣子鸡属于组成的小组
链球菌 ,
Catonella ,
肠杆菌科 ,
葡萄球菌 ,
假单胞菌 。有趣的是,
葡萄球菌 和
假单胞菌 是众所周知的CF病原体,辣子鸡属于
假单胞菌 是一样的在社区模拟表明该物种吗
铜绿假单胞菌 。观察相同的模式之间的比较与CF和儿童哮喘儿童普遍下降20个不同的丰富的辣子鸡CF除了两个辣子鸡属于
链球菌 属。尽管可见的变化丰富的热图,没有观察到显著差异5其他CF的辣子鸡,显得更丰富的比控制。缺乏统计学意义可能是由于样本数量少和更高的个人间的变异性的辣子鸡CF群。
图3
OTU丰富健康的儿童之间的差异,儿童哮喘,和孩子与CF。微分丰富每一OTU通过测试方法的基于负二项分布和反映在显著差异的热图OTU丰富。意味着富足是标准化在每个OTU(归一化值的极大值OTU1 =(相对丰度OTU1 )/最大(相对丰度OTU1 ))。颜色代码是白色(最小的丰度:0)红色(最大丰富:1)。褶皱变化之间的组织和标准错误显示在(b)。红点显示显著差异修正后为多个测试。辣子鸡命名后属分类和颜色的门后分类。
4所示。讨论
本研究的目的是分析是否差异发生在咽喉微生物群与气道炎症性疾病,如哮喘和CF相比,在健康的儿童。我们的研究结果表明CF的微生物群,哮喘,和健康的儿童节目高水平的相似性与强大的核心由主要的微生物群
普氏菌 ,
链球菌 ,
奈瑟氏菌属 ,
韦永氏球菌属 ,
嗜血杆菌 。流行的喉咙里的细菌微生物群在健康证明之前,CF,和哮喘的孩子表示亲密的关系,但我们的研究是第一个比较三组相同的DNA提取方法,使用底漆,测序方法从而控制了潜在的技术偏差(
8 ,
9 ,
17 ]。免费这些偏见,我们能够表明CF组显示减少多样性和喉咙总细菌负荷相比,哮喘和控制孩子。多样性的减少是由于大量的增加主要属,特别是
普氏菌 和
链球菌 。主导地位的增加影响细菌群落的均匀度和整体丰富是观察在CF和慢性阻塞性肺病
8 ,
13 ]。生物量的减少也会显示在CF患者的喉咙不那么丰富的微生物。CF组也有显著提高典型病原体的喉咙
假单胞菌 ,
葡萄球菌 非典型病原体
Phyllobacterium (
26 - - - - - -
28 ]。它可以假设下生物量CF儿童哮喘和健康相比,儿童促进了殖民的喉咙额外的病原体,因为它降低了竞争压力和殖民抵抗由防护共生的代表
普氏菌 ,
奈瑟氏菌属 ,
链球菌 ,
韦永氏球菌属 。这个理论支持CF患者,后者具体属中减少降低航空公司的后殖民典型病原体
铜绿假单胞菌 (
8 ,
29日 ]。核心的共生体和保护作用的喉咙细菌也在健康受试者仍未阐明;尤其是厌氧菌的具体作用在降低航空公司仍存在争议
30. ]。然而,它是证明
普氏菌 和其它厌氧菌具有抗菌活性和特定的菌株
普氏菌 少拥有一个改变有限合伙人immune-stimulatory活动(
31日 ,
32 ]。我们的数据不能排除CFTR假设检测突变是修改特定的利基市场和区域增长CF病原体在肺部和那些修改的驱动力是病原体在肺部的建立。
强烈的相似性的喉咙从健康的儿童和微生物群,哮喘儿童已经演示了在一个更大的群体中哮喘之间没有差异探测和控制孩子
9 ]。我们的数据与本研究的子样品和使用不同的分析(DESeq)确认这些发现,表明没有影响哮喘的喉咙。然而,这些结果与其他研究矛盾小群(
33 ,
34 ),显著增加
嗜血杆菌 在减少
普氏菌 被认为在儿童哮喘。经过仔细检查,我们的数据显示一个类似的趋势,但总体上没有严重或重大生态失调检查观察年龄组。在我们的环境中,统计检验表明,他并没有意义。分析与基于负二项分布模型(DESeq)不如Metastat敏感假阳性或广义线性模型分析时应用于小型群体。如图所示,德普纳等
。 ,我们没有观察到儿童哮喘和控制之间的总细菌负荷(
9 ]。
强大的三组之间的重叠和共享核心微生物是一个监管的重要性的证据上呼吸道的微生物群的主机。哮喘患者和CF来自不同的环境和疾病状态和显示高度相似的微生物群,这表明一个积极选择保护微生物群的结构。似乎有一个紧密的免疫调控微生物群的喉咙,只允许共生体的增长(或至少不致病的细菌
35 ]。然而,这种监管CF患者似乎有点不平衡导致减少相关细菌的多样性和总量增加机会港口一个典型的CF病原体(
葡萄球菌 或
假单胞菌 )。我们没有观察到变化在哮喘,性别比例的失衡在CF可以观察到由于受损宿主防御机制与雌性生殖道功能障碍相关的航空公司,在肺部区域增长条件的变化,和/或CF-specific抗生素疗法(
36 - - - - - -
38 ]。
我们的研究集中在口咽拭子。健康,然而在最近的结果哮喘,和CF儿童和当前并购理论和建立呼吸道微生物,喉咙微生物群将对降低航空公司有直接影响,因此在殖民概率(
4 ,
8 ,
10 ,
17 ]。因此,我们的研究结果可能表明,三组之间的核心微生物发现可以共生体的来源,在更低的航空公司。共生体受殖民的主机在一个复杂的迁移和消除之间的平衡(
4 ]。在这种情况下,较低的保护共生的迁移可能会增加肺部的机会致病性殖民对CF (
39 ]。这与发现减少多样性降低航空公司的CF患者与更高的机会进一步感染和更严重的炎症反应(
16 ,
40 ]。然而,我们的研究没有分析降低航空公司的样品,我们只能推测,核心微生物中发现三个军团和特定于CF的轻微差异也发生在较低的航空公司。
我们研究的局限性在于,尽管共同的DNA提取方法,引物的选择,和测序技术使用,仍有一些不同的方法应用于CF群和其他两个军团。方法论的差异之一是使用不同的拭子和PMA治疗可能影响多样性和生物量。然而,我们通过比较显示10个样本有或没有PMA,在我们的研究人群,PMA没有显著影响生物量和多样性(增刊。数据
1 和
2 )。最后,两个群体抽样方法使用不同类型的拭子可能影响微生物群落的取样;因此,这种偏见仍在考虑。然而,最重要的技术偏见在微生物群研究DNA提取方法中,引物的选择,和测序技术,因此,在本研究中使用相同的引物和DNA提取和测序技术,我们废除最主要的偏见
41 - - - - - -
43 ]。此外,哮喘组的抽样大小相比是小的CF和控制队列;因此,这群和两人之间的差异必须仔细解释。
总之,本研究首次分析了喉咙微生物群的健康学龄儿童和儿童哮喘和CF与类似的方法。我们的结果表明,该三个病人组显示高水平的相似性表明核心微生物和宿主监管,有利于共生体的增长。然而,CF组表现出多样性和生物量下降的微生物群与已知的CF病原体的存在符合受损宿主防御与雌性生殖道故障相关的航空公司。