炎症性肠病背景下人类小肠微生物群的组成

概述

人类胃肠道拥有对健康至关重要的独特微生物群落。尽管小肠在营养吸收和宿主微生物免疫稳态中发挥着重要作用，但对小肠群落知之甚少。我们旨在探讨炎症性肠病 [IBD] 的背景下探索小肠微生物组成。

人类肠道微生物群是指栖息在胃肠 [GI] 道中的数万亿细菌、病毒、真菌和古细菌，在维持健康方面发挥着重要作用。肠道微生物群组成的改变导致了多种疾病的产生，从胃肠道疾病，包括炎症性肠病 [IBD]，到神经系统疾病。然而，在大多数研究中使用粪便样本意味着大多数内容物主要针对结肠；也就是说，粪便微生物组并没有捕捉到在胃肠道其他部分（例如小肠）的所有微生物群落，这些微生物群落的研究仍然相当少。

小肠负责大约 90% 的身体从饮食中吸收的总营养，并在维持宿主-微生物免疫稳态方面发挥核心作用。十二指肠微生物群的生态失调与某些胃肠道相关疾病和有关，例如功能性消化不良、腹胀和腹泻。此外，口腔内典型微生物的异位定植被认为在几种疾病的发病机制中起作用：这种现象被称为“口腔化”。例如，从IBD患者的唾液微生物群中分离出的肺炎克雷伯菌的特定菌株，在易患结肠炎的小鼠结肠内定植后，可引起免疫系统的异常激活。

研究小肠内容物，特别是在健康的环境下，是具有挑战性的，因为它的可及性差。到目前为止，大多数研究都依赖于在常规内窥镜检查、肠切除术后或猝死患者身上采集的粘膜样本。然而，这种采样方法容易受到污染，并且可能会受到在其中一些程序之前进行的灌洗处理的阻碍。此外，它们不代表小肠的管腔内微生物含量，并且受到 16s rRNA 测序较低的分类和功能分辨率的限制。本文旨在描述小肠微生物群的组成，特别关注其对 IBD 的可能影响。

1.1 小肠微生物群的特点是微生物丰富度较低，细菌组成不同

平均而言，属于IBD-SI（IBD患者中接受回肠造口术的患者）组的样品具有较低的微生物丰富度 [ 香农指数平均值IBD-SI = 1.71；香农指数均值IBD-Res（IBD患者中切除肠患者） = 2.44，p = 5.10 × 10^-14；香农指数均值IBD-NoRes （IBD患者中未切除肠患者）= 2.77，p = 2.22 × 10^-16；香农指数平均一般人口 = 2.84，p = 2.22 × 10 ^-16 ] [图 1a ]。为了大致了解各组之间的细菌组成，我们使用 Bray-Curtis 不相似性测量了 beta 多样性 [图 1b和c]。来自 IBD-SI 组的样本平均聚集在离一般人群样本最远的地方。IBD-Res 和 IBD-NoRes 样本在 IBD-SI 和一般人群样本之间形成了一个梯度，IBD-Res 样本更靠近 SI 样本。在校正潜在混杂因素后，组间微生物丰富度和总体细菌组成的差异仍然显着 FDR < 0.05。

与结肠样本相比，小肠中的细菌多样性较低且组成不同。[a] 代表每个研究组香农指数值分布的小提琴图。与一般人群样本、IBD 未切除肠样本和 IBD 切除肠样本相比，小肠样本平均具有较低的细菌多样性。箱线图显示中位数和四分位距 [25th 和 75th]。散点图显示样品之间的 Bray-Curtis 差异，作为总体细菌组成差异的衡量标准。样本根据整个研究中使用的组分类进行着色（灰色，一般人群样本；紫色，来自未进行肠切除术的 IBD 患者的样本；黄色，来自进行肠切除术的 IBD 患者的样本）；红色，代表小肠的样本）。x 轴和 y 轴上的百分比表示由每个坐标解释的总方差。三角形表示每组的平均坐标值。图 [b] 强调了本研究中使用的所有样本之间的差异。小肠样本形成一个确定的集群，与一般人群样本几乎没有重叠。来自 IBD 患者的样本 [紫色和黄色] 在小肠和一般人群之间形成梯度。图 [c] 仅突出了 IBD 样本之间的异质性。

1.2 小肠中的整体属组成

为了表征在 β 多样性分析中观察到的差异，我们比较了一般人群和 IBD-SI 样本中前 12 位最丰富的属。IBD-SI 组中最丰富的属是链球菌属、埃希氏菌属、Blautia属、消化链球菌科 noname 属、梭菌属、乳杆菌属和韦永氏菌属[平均相对丰度 = 26%、10%、8.1%、6.7%、5.2%和5.5 %。 4.8%]。除Blautia外，与其他组相比，所有丰度均显着较高 [链球菌: IBD-SI 与普通人群相比, FDR = 2.73 × 10^–23; IBD-SI 与 IBD-NoRes，FDR = 6.39 × 10^–17；IBD-SI 与 IBD-Res，FDR = 3.73 × 10^–14。值得注意的是，IBD-Res 组的属的总平均丰度第二高，一般人群最低。相反的趋势也被视为是最丰富的属在一般人群中，其中包括双歧杆菌，瘤胃球菌属，真杆菌， Subdoligranulum和Faecalibacterium [平均相对丰度= 15％，15％，14％，5.8％，5.6％，及5.2％ ; 总相对丰度增加的顺序为：IBD-SI、IBD-Res、IBD-NoRes和一般人群。

与代表结肠的样品相比，代表小肠微生物群的样品中的细菌属谱明显不同。[A,B] 条形图分别代表一般人群样本和小肠样本中前 10 个最丰富属的每个研究组的相对丰度。双歧杆菌和真杆菌是一般人群样本和未进行肠切除的患者的 IBD 样本中最丰富的细菌属。相比之下，链球菌属和埃希氏菌属在代表小肠内容物的样品中含量最高。[C,D] 箱线图显示了一般人群样本[C]和小肠样本[D]中前 12 种丰富细菌的每个测试组的平均相对丰度。标有“ns”的比较不重要。使用两侧 Wilcoxon 检验来检验显着性。箱线图显示中位数和四分位距 [25th 和 75th]。

结论

我们发现，与其他组相比，属于小肠组的样品具有显着较低的细菌多样性。小肠样本也明显不同于代表一般人群的样本，就整体细菌组成而言，表示为 Bray-Curtis 差异。这些发现突出了在小肠和结肠之间，这可以驱动细菌进行选择。例如，小肠因其酸性环境、较高的氧气浓度、较短的运输时间以及消化酶和胆汁的定期流入而被认为是微生物生存的恶劣环境。

在小肠中，与普通人群的粪便微生物群相比细菌物种比较丰富的包括小韦荣atypica，缓症链球菌肺炎口腔链球菌，唾液链球菌，双歧杆菌dentium，副流感嗜血杆菌，和放线菌graevenitzii。此外，属于诸如梭菌属、乳杆菌属、克雷伯氏菌属、Gemella属和肠球菌属的物种，在一般人群的粪便样本中很少观察到，在小肠样本中的患病率显着更高，介于 15% 和 75% 之间。

总的来说，实验证明一部分 IBD 患者的结肠内容物类似于小肠微生物组，表明小肠病原体易位至结肠。但是为了支持这一观点，还需要进一步的实验证明小肠微生物群及其与宿主相互作用的机制。

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