儿童肺动脉高压患者的呼吸道微生物组特征

时间:2022-12-24 17:59:28   热度:37.1℃   作者:网络

研究背景
肺动脉高压(PH)是一种由多种病因引起的临床综合征,具有肺动脉阻力增加和血管重塑的类似病理特征。通过心导管检查,儿童静止时肺动脉平均压力>20mmHg,成人也是如此。先天性心脏病包括许多种心血管系统的先天性异常,对气道和肺实质功能有重大影响,使患者容易出现肺部并发症。据估计,有10%的CHD患儿最终会发展成PH,在大多数情况下是左至右分流的结果,其5年生存率约为71%。先天性心脏病(CHD)相关的肺动脉高压(PH)是小儿患者中最常见的PH类型。对CHD-PH患者的气道微生物组的研究仍然很少。
研究方法
本研究共招募了158名儿童,收集口咽拭子,对呼吸道微生物组的16S核糖体RNA(16S rRNA)V3-V4区进行测序,以建立这些细菌组与CHD-PH患者超声心动图指标之间的相关性。根据纳入和排除标准,收集了54名CHD患者、69名CHD-PH患者和35名健康人的口咽拭子样本。 如表1所示,CHD组、CHD-PH组和对照组在性别和分娩方式上没有明显差异。CHD和CHD-PH患者的年龄和诊断有差异。

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研究结果
对使用微生物DNA生成的16S rRNA扩增子文库进行测序,共得到804万条高质量的序列,每个样品平均有49955±17190条序列。 如图1A和1B所示,与对照组相比,CHD的群落分化程度没有明显差异。 Ace、Chao和Sobs指数显示,与CHD患者和对照组相比,CHD-PH患者的群落丰富度明显下降。 同时,CHD-PH组的Shannon指数明显降低,Simpson指数增加,这共同表明群落均匀度下降,显示出α-多样性的强烈下降(图1B)。 CHD-PH组的Invsimpson指数略有下降,但没有意义。为了分析β-多样性,我们进行了主坐标分析和偏最小二乘法判别分析。基于Bray-Curtis异质性的主坐标分析显示,CHD组、CHD-PH组和对照组的气道微生物组组成的总体系统发育距离有明显差异(图1C,PERMANOVA,P<0.05)。同样,偏最小二乘法判别分析也显示了3个组的微生物组的不同情况(图1D)。总的来说,3组的细菌群结构有明显的不同,样品可以根据类别进行分组。气道微生物组的细菌α-和β-多样性表明,CHD-PH组的丰富度明显较低,其组成差异与上呼吸道的特定分类群及其相对丰度有关。

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在CHD-PH组中,系统水平的分析显示, Firmicutes是最丰富的系统,其次是Actinobacteriota、Bacteroidta、Proteobacteria、Fuso-bacteria和Patescibacteria(图2A)。图2B中显示了丰度最丰富的6个门类。与CHD组和对照组相比,Patescibacteria和Fusobacteria在CHD-PH组的比例明显下降(图2B)。在科一级,CHD-PH患者的特点是Veillonellaceae和Actinomycetaceae的相对丰度较低,而Micrococcaceae的相对丰度较高(图2C,2D)。图2E显示了属一级的微生物群组成。链球菌和罗氏菌的比例在统计学上较大,而Veillonella和放线菌在CHD-PH组的比例在统计学上小于对照组(图2F)。

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CHD-PH中特定的上呼吸道微生物群在CHD组和对照组之间有差异。分别对3组细菌组成的差异进行了比较和分析显示了CHD-PH与对照组(图3A和3B)、CHD与对照组以及3组之间在门类和属的水平上丰富程度不同的微生物群。同样,CHD和CHD-PH患者中的链球菌和Veillonella的比例也与对照组的不同。通过线性判别分析效应大小算法,分析了CHD-PH组和对照组之间上呼吸道微生物群的最大差异,确定链球菌和Rothia在CHD-PH患者中含量最丰富(图3C)。根据线性判别分析效应大小确定的相关属建立了一个OUT子集,通过接收器操作特征曲线分析评估,显示参数曲线下的面积为0.77(图3D)。当与CHD患者相比,那些PH患者也显示出不同的微生物群的相对差异。在门类水平上,CHD-PH显示出蛋白细菌、镰刀菌属、门齿菌属和蓝藻属的减少(图3E)。在属的层面上,PH中放线菌、嗜血杆菌、颗粒菌、Leptotrichia、Gemella、Rhodococcus、Alloprevotella和TM7x的比例明显减少(图3F),而Rothia和Neisseria在CHD-PH中明显富集(图3G)。基于CHD与CHD-PH中富集属的接收操作特征曲线分析显示,参数曲线下的面积值为0.71(图3H)。

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儿童和成人PH患者之间的微生物组成比较。儿童CHD-PH患者的上呼吸道微生物组与成人PH患者的微生物组的比较也表明,在健康人和PH患者中,儿童和成人的微生物群完全不同。在门类层面上,与成人相比,儿童PH患者的 Firmicutes和Actinobacteriota表现出明显的增加(图4A),而链球菌属在儿童患者中的含量远远高于成人(图S3)。与相应的对照组相比,在儿童和成人PH患者中,类杆菌属、放线菌属、镰刀菌属和扇贝菌属都有类似的下降趋势。主坐标分析和部分最小二乘法判别分析显示PH患儿的微生物群与成人的微生物群有明显的分离(图4B和4C)。此外,在属的层面上,微生物结构显示出巨大的差异,儿童CHD-PH患者中链球菌和罗氏菌的比例更高。Prevotella, Neisseria, Haemophilus, Fusobac-terium, Granulicatella, Leptotrichia, Porphyromonas, Allo-prevotella, TM7x, and Capnocytophaga在成人PH组相对普遍(图4D)。

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CHD相关PH的细菌丰度和TTE指数的相关性。对CHD-PH患者的上呼吸道微生物组分类群和TTE指标进行了Pearson相关分析,以确定更深层次的分类群关联。对于整个CHD-PH患者(图5A),链球菌属与主肺动脉(Pearson相关系数R=-0.33)、右心室(R=-0.38)和右心室流出道(R=-0.33)呈负相关,这些是代表右心功能。 相反,多种细菌与右心功能呈正相关。Megasphaera和TTE指数之间存在正相关,包括主肺动脉(R=0.51)、右静脉流出道(R=0.34)和三尖瓣面积(R=0.35)。发现右心室与Prevotella(R=0.43)和Alloprevotella(R=0.41)呈正相关。TM7x、Atopobium、Leptotrichia和Firmicutes中的一些母类群也与右心功能轻度相关。

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度ph(55≤pasp<75mmhg,n=30)和重度ph(pasp≥75mmhg,n=15),检测ph分层的微生物群与tte指标的相关性。图s4显示了ph严重程度各组的微生物群组成。 r="0.63)、Leptotrichia(R=0.59)、Alloprevotella(R=0.79)、Lachnoanaerobacu-lum(R=0.71)和TM7x(R=0.62)呈正相关(图5C)。在重度PH组(图5D),我们观察到主肺动脉与Selenomonas(R=0.73)、Megasphaera(R=0.74)、Leptotrichia(R=0.65)和Veillonella(R=0.59)正相关,右心室流出道和肺动脉预压分别与Gemella(R=0.54)和Neisseria(R=0.54)正相关。这些结果表明,不同类别的微生物可能与不同的PH严重程度有关。
</pasp<55mmhg,n=24)、中度ph(55≤pasp<75mmhg,n=30)和重度ph(pasp≥75mmhg,n=15),检测ph分层的微生物群与tte指标的相关性。图s4显示了ph严重程度各组的微生物群组成。>

儿童CHD-PH患者与对照组之间的微生物功能不同。在分析气道微生物组的丰度组成的基础上,通过重建未观察到的状态的社区的系统发育调查(PICRUSt2)预测CHD-PH与对照组的微生物组的功能。由图5E可见,PH组的几个物质代谢途径,包括半乳糖、氨基糖和核苷酸糖、代谢、肽聚糖、苯丙氨酸、酪氨酸和精氨酸生物合成,都明显高于对照组,而CHD-PH组的微生物代谢、脂多糖、乙醛酸和二羧基酸、组氨酸、氮和抗坏血酸代谢途径则明显低于对照组。

 

研究结论及启示

总之,该研究报道了儿童PH患者、CHD和对照组以及儿童和成人PH患者之间上呼吸道微生物群的系统定义和不同的情况。CHD-PH的上气道微生物群组成与健康人和小儿CHD患者的不同。研究结果全面地证明了儿童CHD-PH患者上气道细菌种群的变化与TTE参数所反映的心血管结构之间存在潜在的相关性。有必要进行前瞻性研究,以探讨这种微生物群的破坏是否会增加小儿CHD患者发生PH的风险。

参考文献:

Wang T, Xing Y, Peng B, Yang K, Zhang C, Chen Y, Geng G, Li Q, Fu J, Li M, Luo Z, Fu Z, Wang J. Respiratory Microbiome Profile of Pediatric Pulmonary Hypertension Patients Associated With Congenital Heart Disease. Hypertension. 2022 Nov 10. doi: 10.1161/HYPERTENSIONAHA.122.19182. Epub ahead of print. PMID: 36353996.

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