Probiotics의 균주 특이적 영향은 조산아의 장내 미생물 발달의 중요한 원동력이다
![[EzV] Strain-specific impacts of probiotics are a significant driver of gut microbiome development in very preterm infants](https://scienceeasyview.com/wp-content/uploads/2023/07/EzV-Strain-specific-impacts-of-probiotics-are-a-significant-driver-of-gut-microbiome-development-in-very-preterm-infants.png)
Abstract
인간이 태어날 때부터 장내 미생물의 발달은 단기적인, 그리고 장기적인 건강에 모두 중요한 역할을 하지만, 조산아의 장내 미생물의 발달에 영향을 미치는 요인은 잘 알려져 있지 않습니다.
본 연구에서는 10년의 연구 기간 동안 장 질환이나 패혈증이 발병하지 않은 123명의 초조산아(very preterm infants)32주 미만 임신 후 태어난 미숙아)의 1,431개의 longitudinal(종단; 측정 시간이 기록된)한 대변 샘플을 분석하기 위해 metagenomic sequencing을 사용합니다. 연구 기간 동안, 한 코호트는 프로바이오틱스 섭취가 없었던 반면, 두 코호트는 서로 다른 프로바이오틱스 제품이 주어졌습니다(Infloran(Bifidobacterium bifidum and Lactobacillus acidophilus) 또는 Labinic(B. bifidum, B. longum subsp. infantis and L. acidophilus)). 산모의 모유, 모유 강화제(breast milk fortifier), 항생제 및 프로바이오틱스는 장내 미생물체와 유의한 관련이 있었으며, 그 중 프로바이오틱스가 가장 중요한 요인이었습니다. 프로바이오틱스는 장내 미생물 환경의 전환을 각기 다른 preterm gut community types(PGCTs) 상태로 만들었으며, 서로 다른 Bifidobacterium sp.의 영향을 받았고 산후 연령의 영향도 연관이 있었습니다. Functional analysis을 통해 PGCT와 관련된 대변 대사물을 분석했으며, 조기유래 organoid에서 무균 분변 상등액(sterile faecal supernatants)이 PGCT 특이적 방식으로 장, 유기질 단분자층, 유전자 발현에 영향을 미쳤습니다.
본 연구는 초조산아의 장내 미생물 발달에 영향을 끼치는 특정 영향 인자를 식별하며, 그 중 일부는 정상적인 임신 기간을 거친 유아의 장내 미생물 발달 요인과 겹칩니다. 이 연구의 결과는 프로바이오틱스 제품 간 특이적 차이의 중요성과 이것이 조기 장에서 숙주 상호 작용에 미치는 영향을 강조합니다.
Figure
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[Figure 1] 생애 첫 120일에서의 식이 방법과 조산아의 장내 미생물군에 대한 서술적 개요(n = 1,431)
a. 유아가 모유 수유, 조제 분유 또는 조제 분유 & 모유 수유를 모두 받은 표본의 비율입니다.
b. 시간에 따른 richness 및 Shannon diversity의 변화에 대한 LOESS fit입니다.
c. 시간에 따른 호기성 박테리아, 조건혐기성 박테리아, 절대혐기성 박테리아 비율에 대한 LOESS fit입니다.
d. 시간에 따른 그람 양성 및 그람 음성 박테리아 비율에 대한 LOESS fit입니다.
e. 시간에 따른 장내 미생물 문(phyla)의 비율에 대한 LOESS fit입니다.
f. 시간에 따른 장내 미생물 속(genera)의 비율에 대한 LOESS fit입니다.
![[Fig2] Strain-specific impacts of probiotics are a significant driver of gut microbiome development in very preterm infants](https://scienceeasyview.com/wp-content/uploads/2023/07/Fig2-Strain-specific-impacts-of-probiotics-are-a-significant-driver-of-gut-microbiome-development-in-very-preterm-infants.png)
[Figure 2] ‘adonis’를 통해 모델링한. 서로 다른 시간대에서 12가지 공변량의 유의성 및 설명 가능한 분산량
Figure의 그림 내 원은 각 시간대에서 장 내 박테리아 종류에 대해 공변량을 통해 설명이 가능한 분산량(R2)을 나타내며, 그 중 유의한 결과 (FDR < 0.05)는 붉은 상자로 표시했습니다.
a. 종(species) 단계의 taxonomic profile(n = 821)을 활용한 분석 결과입니다.
b. 효소 단계에서의 functional metagenomic capacity, 그 중에서도 EC 수(n = 821)를 활용한 분석 결과입니다.
![[Fig3] Strain-specific impacts of probiotics are a significant driver of gut microbiome development in very preterm infants](https://scienceeasyview.com/wp-content/uploads/2023/07/Fig3-Strain-specific-impacts-of-probiotics-are-a-significant-driver-of-gut-microbiome-development-in-very-preterm-infants.png)
[Figure 3] 프로바이오틱스는 조산아의 미생물 환경과 가장 연관이 깊은 공변량이다
a. 각 샘플이 0부터 69까지의 DOL(date of life)을 거치며 PGCT의 변화를 관찰하는 전이 모델입니다.
b. 다른 종들이 B.infantis의 HMO gene cluster를 얼마나 보유하는지에 대한 그림입니다.
c. 각 프로바이오틱스 종류에 따른 Shannon diversity의 estimated marginal means(95% CI)를 보입니다. Shannon diversity에 대해 linear mixed-effects model을 설계했으며, 임신 연령, 출생 체중, 출생 방법, 성별, 계절, 항생제, 완전 사료의 날, 모유수유, 모유강화제, 분유, 체중의 z-score, DOL, 그리고 환자 ID에 따라 보정되었습니다.
d. 각 프로바이오틱스 종류에 따라 평균 중심점을 보이는 NMDS plot입니다. Taxonomic profile(n = 1,431)을 기준으로 작성되었습니다.
e. 프로바이오틱스 제품에 있는 박테리아종에 대해, 프로바이오틱스 처방 전, 처방 중, 처방 후의 백분율을 나타내는 bar plot입니다.
f. 각 프로바이오틱스 종류에 따라 평균 중심점을 보이는 NMDS plot입니다. EC number profile(n = 1,431)을 기준으로 작성되었습니다.
![[Fig4] Strain-specific impacts of probiotics are a significant driver of gut microbiome development in very preterm infants](https://scienceeasyview.com/wp-content/uploads/2023/07/Fig4-Strain-specific-impacts-of-probiotics-are-a-significant-driver-of-gut-microbiome-development-in-very-preterm-infants.png)
[Figure 4] PGCT 내 기능적인 정보
a. 각 PGCT 그룹에 따라 평균 중심점을 보이는 NMDS plot입니다. EC number profile(n = 1,431)을 기준으로 작성되었습니다.
b, c. Metabolite profile(n = 50)에 대한 PLS-DA plot입니다. 각 PGCT에 대해 95% confidence ellipse를 나타내고 있습니다. (b: 배변 샘플, c: 혈청 샘플)
d. 각 PGCT 그룹에 따라 평균 중심점을 보이는 NMDS plot입니다. 조산아의 intestinal organoid transcriptome profile(n = 17; 각 그룹 별 2~3개의 샘플)을 기준으로 작성되었습니다.
e. 각 PGCT 그룹이 대조군과 비교하여 DEG의 수가 얼마나 되는지를 보이는 venn diagram입니다.
![[Fig5] Strain-specific impacts of probiotics are a significant driver of gut microbiome development in very preterm infants](https://scienceeasyview.com/wp-content/uploads/2023/07/Fig5-Strain-specific-impacts-of-probiotics-are-a-significant-driver-of-gut-microbiome-development-in-very-preterm-infants.png)
[Figure 5] 모유수유 여부 및 항생제는 조산아의 장내 미생물과 유의한 연관이 있다
a, b. Shannon diversity를 보이는 estimated marginal means (95% CI)를 나타내는 그림입니다. Shannon diversity에 대해 linear mixed-effects model을 설계했으며, 임신 연령, 출생 체중, 출생 방법, 성별, 계절, 항생제, 완전 사료의 날, 모유수유, 모유강화제, 분유, 체중의 z-score, DOL, 그리고 환자 ID에 따라 보정되었습니다. (a: 모유수유, b: 7일 내 항생제 접종 여부)
c, d. 모든 샘플들(n = 1,431) 간 bifidobacterial 및 staphylococci의 상대적 총량을 나타내는 box plot입니다. (c: 모유수유, d: 7일 내 항생제 접종 여부)
Disscussion
연구진들은 장 합병증이나 패혈증이 발병하지 않은 초조산아에 대한 가장 큰 longitudinal 유전체 분석을 제시합니다. 프로바이오틱스가 투여된 경우에, 프로바이오틱스가 조기 장내 미생물에 영향을 미치는 주요 요인이었고, 항생제, MOM 및 BMF가 그 뒤를 이었습니다. 두 개의 다른 프로바이오틱스 제품은 장내 미생물 환경을 다른 PGCT로 변화시켰으며, 둘 다 가장 오래된 산후 연령에서 수집된 샘플에 의해 특징지어졌습니다. PGCT는 서로 다른 Bifidobacterium spp.에서 풍부했으며 기능적 의미와 숙주 상피와의 상호작용에서 차이를 보였습니다.
Olm et al.의 논문에서 사용한 코호트에서 검증된 다른 연구 결과는 조산이 아닌 유아와 비교하여 중요한 차이점을 강조합니다. 출생 방법은 장내 미생물과 관련이 없었으며 공변량에 의해 설명된 총 분산은 조산이 아닌 유아에서 관찰된 것보다 약 10배 낮았습니다. 이는 NICU의 관행과 환경이 다른 환경의 결과를 해석할 때 중요한 조기 장내 미생물에 큰 영향을 미친다는 것을 시사합니다.
이 10년간의 관찰 연구를 통해, 연구진들은 프로바이오틱스가 사용되기 전과 별개의 기간 동안 사용된 두 가지 다른 프로바이오틱스 제품의 영향을 조사할 수 있었습니다. 일단 프로바이오틱스가 사용되면, 프로바이오틱스 종들이 의도적으로 투여되기 전에 대변에서 검출되었습니다. 이러한 ‘단위 교차 오염(unit cross-contamination)’은 이전 연구에서 볼 수 있으며, 프로바이오틱스 시험 설계에 중요한 영향을 미칩니다.
조산아에 대한 이전 연구는 장내 미생물을 변화시키는 프로바이오틱스를 보여주었습니다. 본 연구에서, 프로바이오틱스 제품은 분류학적 및 기능적 수준에서 박테리아 공동체를 형성하는 주요 동인으로 확인되었습니다. 연구에서는 Infloran 또는 Labinic의 보충이 두 가지 다른 Bifidobacterium spp.이 풍부한 PGCT(PGCT-4, -5)로의 전환과 관련이 있다는 것을 보여주었고, 두 가지 모두 가장 나이가 많은 유아로부터 얻은 샘플을 반영했습니다. 이전 연구에서는 Bifidobacterium spp.이 풍부한 PGCT가 긍정적인 건강 결과와 관련이 있다는 것을 발견했지만, 이것에 대한 기능적 의미는 이전에 탐구되지 않았습니다.
숙주-미생물 상호작용에 대한 PGCTs의 관련성을 결정하기 위해 일치된 대변과 혈청 샘플에 대해 대사학을 수행하고 실험적인 조기 장 오가노이드 모델을 사용했습니다. 전반적으로, 혈청이 아닌 대변의 대사물 프로파일은 PGCT와 관련이 있었습니다. 또한 대사물과 대변의 다른 성분을 포함하는 멸균 분변 상등액은 PGCT 특이적인 방식으로 조기 상피 반응에 영향을 미치는 것으로 밝혀졌습니다. 주목할 점은 조직의 건강한 부분이 오가노이드 생성을 위해 사용되었지만, 조산아에서 파생된 장내 오가노이드 모델은 환자에게 수술이 필요한 임상 합병증을 요구하며(해당 연구에서는 NEC를 강조) 건강한 개인도 마찬가지로 적용됩니다. 환자의 장 부위(즉, 소장 또는 대장)와 성숙도는 숙주 전사에도 영향을 미칠 수 있습니다. 프로바이오틱스 투여로 인한 기능 변화의 잠재적 생물학적 중요성을 결정하기 위해 추가 연구가 필요하지만, 이것은 프로바이오틱스 사용에 의해 구동되는 다른 PGCT로의 전환이 기능적 영향을 가지고 있음을 보여줍니다.
주의할 점은 치료 중에 수집된 대변에 보충된 균주가 배설된다고 해서 반드시 장내 식민지화가 되는 것은 아니라는 점입니다. 따라서 우리는 프로바이오틱스 중단 후 균주의 지속성 평가를 포함했습니다. 몇몇 연구는 프로바이오틱스와 일시적 미생물 식민지화의 개인적 차이뿐만 아니라 치료 후 프로바이오틱스 종의 지속성의 차이, 특히 lactobacilli와 비교하여 bifidobacterial 균주의 지속성이 더 높다는 것을 보여주었습니다. 또한, 연구를 통해 프로바이오틱스 식민지화의 개별화된 차이를 관찰했습니다. 모든 Bifidobacterium spp.는 L. acidophilus와 비교하여 높은 지속성을 보였고 B. bifidum과 L. acidophilus(두 프로바이오틱스에 존재하는 두 변종)의 지속성은 사용된 프로바이오틱스와 관련이 있었습니다. L. acidophilus의 낮은 지속성은 일반적으로 풍부하거나 지속적인 장내 미생물의 구성원이 아니기 때문에 조기 장내 생태계가 이 종에 최적이 아니라는 것을 반영할 수 있습니다. 이러한 결과는 사용된 프로바이오틱스/균주에 따라 변경된 단기 및 장기 식민지화를 강조하며, 균주 수준에서 단기 및 장기 영향에 대한 더 나은 이해의 중요성을 강조합니다.
Bifidobacterium의 초기 공급원을 제공하는 데 있어 이 인구에서 프로바이오틱스의 명백한 중요성에도 불구하고, 연구진들은 나아가 천연 Bifidobacterium colonizer, 즉 B.breve, B.dentium 및 B. longum subsp. longum을 확인했습니다. MOM은 HMO의 공급을 통해 bifidogenic effect가 있다는 것이 널리 보고되었습니다. 이 조기 코호트에서 검출된 모든 Bifidobacterium spp.는 이전에 성장을 위해 HMO를 활용하는 것으로 나타났으며, 변형 수준에서 주목할 만한 변화가 있었습니다. 특히, 연구진들은 MOM이 bifidobacteria의 상대 분포 증가 및 staphylococci의 상대 분포 감소와 관련 있는 반면, 항생제는 bifidobacteria의 상대 분포 감소 및 staphylococci의 상대 분포 증가와 관련이 있다는 것을 확인했습니다.
요약하면, 해당 연구는 미숙아의 크고 광범위하게 longitudinal 방식으로 샘플링된 인구에서 프로바이오틱스 제품의 선택이 다양한 방식으로 장내 미생물의 발달에 영향을 미쳐 가장 오래된 샘플의 세균 군집을 반영하는, Bifidobacterium spp. 이 지배적인 PGCT-4 또는 -5로의 전환을 가속화한다는 것을 보여줍니다. 또한 이러한 PGCT는 기능적 의미와 숙주 상피와의 상호작용에서 차이를 보였습니다. 이러한 결과는 미숙아의 장내 미생물을 대상으로 하는 중재적 실험을 설계할 때 프레임워크를 제공하고 고려해야 할 중요한 측면을 식별하는 데 도움이 됩니다.
