肠道普雷沃菌保护农村非洲儿童抗感染机制研究

《Nature Communications》：Gut Prevotella stercorea associates with protection against infection in rural African children

本研究针对高感染负担地区儿童肠道菌群如何提供免疫保护这一科学难题，通过对633名冈比亚农村儿童进行纵向队列研究，发现Prevotella stercorea（普雷沃菌）主导的肠道微生物网络与降低感染风险显著相关。研究人员利用16S rRNA测序技术揭示，感染保护型微生物组以P. stercorea为核心，与Escherichia coli（大肠杆菌）等机会致病菌形成竞争性生态关系。该研究为微生物组靶向干预策略提供了新靶点，对改善全球儿童健康具有重要意义。

　　

在撒哈拉以南非洲等高风险地区，感染性疾病仍是导致儿童死亡的主要原因。理解肠道微生物组如何在生命早期提供免疫保护，特别是在高感染负担、代表性不足的人群中，仍然是一个基本挑战。传统上，对肠道微生物组发育的认识多来源于低感染负担的工业化国家研究，这导致我们对高感染负担地区（如撒哈拉以南非洲）微生物组成熟与免疫功能的理解存在关键空白。

为了回答这些问题，研究人员在冈比亚农村进行了一项随机、双盲的铁补充剂试验（IHAT-Gut试验，NCT02941081），分析了633名7-37个月大儿童的纵向粪便微生物组和疾病数据。该试验的主要终点是纠正缺铁性贫血，次要终点是腹泻发生率和其他不良事件。研究发现，IHAT在纠正铁不足方面不劣于硫酸亚铁，并且中重度腹泻发作更少。利用三个时间点（第1天、第15天和第85天）的16S rRNA测序数据，研究团队深入探究了肠道微生物组构成与感染风险之间的关联。

研究采用了多项关键技术方法，包括对冈比亚农村儿童队列（n=633）进行纵向粪便样本采集和16S rRNA基因V1-V2区测序，利用MaAsLin2进行微生物差异丰度分析，使用PERMANOVA分析β多样性（Bray-Curtis距离），通过微生物共现网络分析识别核心分类群，并应用线性混合效应模型评估α多样性与感染结局的关联。

Alpha多样性差异提示患病儿童微生物组成熟受阻

年龄调整的广义线性模型显示，在每个时间点，患病（Ill）儿童的丰富度（Richness）和Fisher's α指数均显著低于未患病（Not-Ill）儿童，而香农（Shannon）、辛普森（Simpson）和皮卢（Pielou）指数无显著差异。具体而言，在D1、D15和D85，患病儿童的丰富度和Fisher's α持续较低。以D85未患病儿童样本作为健康微生物组成熟的参考，早期患病样本（D1和D15）显示出更明显的多样性缺陷。组内时间轨迹表明，α多样性在患病或未患病儿童中随时间推移无显著变化，这种持续性的缺陷表明患病儿童的微生物组减少是稳定的，而非短暂波动。年龄分层分析进一步揭示，1-2岁年龄组受影响最严重，表明微生物组紊乱在患病儿童中既是持续性的，又具有发育窗口特异性。

-4, respectively). Stratified analyses showed no differences in the 7-12 month or>2 year groups but significant richness deficits in 1-2 year-olds at D15(FDR-adjusted p=0.032) and D85(FDR-adjusted p=0.037).B Early III stools(D1,D15) versus D85 Not-III reference stools. Age-adjusted and stratified mixed-effects models comparing III(D1, D15) with D85 Not-III stools confirmed persistent deficits(two-sided,FDR-adjusted p<0.001;D1richness:F(1,473)=26.30,p=4.26x10-7, η²p=0.053; D15 richness: F(1,418)=28.35, p=1.66×10^-7,η²p=0.064). The 1-2 year group showed the greatest richness loss (F(1,213)=13.33, p=3.28×10^-4; F(1,180)=15.18,p=1.38x10-4).'>

Beta多样性揭示微生物组组成的早期持续性差异

PERMANOVA分析显示，在所有时间点，患病和未患病儿童之间存在明显的组成分离：D1（R²=0.107, p=0.002）、D15（R²=0.125, p=0.002）和D85（R²=0.080, p=0.002）。这些差异的性质随时间变化。在D1和D15，分离反映了真实的组成变化，因为组内离散度在患病和未患病儿童之间没有显著差异。然而，在D85，患病儿童表现出显著更高的组内离散度，表明疾病状态与患病组个体间变异性增加相关。纵向配对比较揭示了每个疾病组内不同的微生物组轨迹。在未患病儿童中，D15和D85之间以及D1和D85之间的显著组成变化伴随着离散度降低，反映了进行性的微生物组成熟和稳定。相反，患病儿童随时间推移显示组成变化，但离散度没有变化，表明个体间变异性持续存在。与α多样性结果一致，这些差异在1-2岁年龄组中最明显，突显了这个发育窗口是微生物组脆弱性较高的时期。

微生物网络分析揭示以P. stercorea和E. coli为中心的抗性集群

细菌共现网络分析使用前50个最丰富的分类群（相对丰度≥0.2%）。分类群聚集成十个模块，其中六个形成两个抗性且相互排斥的模块：一个以普雷沃菌（Prevotella stercorea）为中心的健康相关网络，和一个以大肠杆菌（Escherichia coli）为中心的生态失调相关网络。P. stercorea集群包括普雷沃菌（Prevotella copri）、普拉梭菌（Faecalibacterium prausnitzii）和琥珀酸弧菌（Succinivibrio）等已知产生短链脂肪酸和具有免疫调节作用的厌氧菌。相比之下，E. coli集群包括拟杆菌（Bacteroides）、双歧杆菌（Bifidobacterium）和几种致病菌，如肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）和马链球菌（Streptococcus equinus）。相关性热图显示每个集群内的强正相关（红色），以及两个集群之间的负相关（蓝色），与竞争性排斥和抗性生态位占据一致。

Prevotella stercorea和Escherichia coli区分患病与未患病队列

经过年龄调整的ANOVA分析显示，在三个时间点上，患病和未患病队列之间在十个最丰富的分类群（>1%总读数）中，大肠杆菌和普雷沃菌的丰度持续存在差异（FDR校正后p<0.05）。大肠杆菌在患病队列的所有时间点均显著较高，而普雷沃菌在患病队列中显著较低，且没有显著的交互效应。这些发现意味着对感染的易感性可能反映了内在的基线组成差异，而不是疾病发作后的动态微生物组变化。

基线微生物组组成预测未来感染风险

鉴于D85时微生物多样性和分类组成的相对稳定性，以及近期入组前疾病残留混杂的可能性降低，D85未患病样本被指定为健康微生物组成熟的参考。儿童根据首次感染时间分层：Soon-Ill（≤35天）、Later-Ill（36-70天）和Much-Later-Ill（>70天），并与D85未患病对照组比较。PERMANOVA分析显示，所有疾病时间组均存在显著的微生物组组成差异。群落离散度分析表明，Soon-Ill组相对于D85未患病对照，样本间离散度增加最大，表明一种 disrupted 或发育延迟的微生物状态可能 predispose 感染。

Prevotella stercorea丰度与感染负担和持续时间相关

D85时普雷沃菌丰度的线性回归显示，其与总感染性不良事件（n=1215）呈显著负相关。在组水平，较高的P. stercorea丰度预测每年总事件数减少（斜率=-0.37）和累计持续时间缩短（斜率=-0.14）。在个体水平，关联性较弱但仍显著。对腹泻、急性呼吸道感染和发热性不良事件的平行分析显示一致的负相关趋势。

普雷沃菌丰度呈年龄依赖性增加，幼儿期疾病易感性达高峰

普雷沃菌丰度随年龄（7-12个月、1-2岁、>2岁）显著增加。事后比较证实，1-2岁幼儿的丰度显著高于7-12个月婴儿，>2岁儿童的丰度显著高于7-12个月婴儿和1-2岁幼儿。逻辑回归检查P. stercorea丰度与疾病之间的关联，未发现P. stercorea与年龄组之间存在显著的交互项，表明P. stercorea丰度与疾病的关系在不同年龄间是一致的。疾病模式具有年龄依赖性，在1-2岁幼儿中达到高峰，在>2岁儿童中最低。这个中间年龄组在所有分析中表现出最明显的疾病相关微生物组多样性和分类组成差异。

2 years,n=263). Boxes show medians,interquartile ranges(IQR),minima and maxima, with whiskers extending to 1.5xIQR; points represent biological replicates.Two-sided ANOVA showed a significant age-associated increase(F(2,1373)=49.41,p=1.90x10-21).Post hoc Tukey HSD comparisons:1-2 versus'>

研究结论与讨论部分强调，肠道微生物组，特别是普雷沃菌的主导地位，可能在儿童早期抗感染中发挥保护作用，尤其是在撒哈拉以南非洲等高负担地区。普雷沃菌在许多前工业化社会中占主导地位，而拟杆菌则是工业化西方人群的特征。这种地理分化反映了饮食、生活方式和环境微生物暴露的更广泛差异。早期生命微生物组发育通常遵循一个明确的轨迹：婴儿期的不稳定期，随后到约3岁时逐渐成熟为成人样结构。然而，这种理解大多来自低感染负担的工业化背景研究。

普雷沃菌的保护作用可能通过生态和免疫调节机制产生。新证据表明，普雷沃菌物种可以刺激黏膜模式识别受体，促进白细胞介素-10产生的调节性T细胞，并激活Th17通路。普雷沃菌还可以通过竞争性排斥原理增强黏膜屏障完整性和抑制病原体定植，其中有益微生物通过占据共享的空间和代谢生态位来抑制病原体扩张。

研究人员提出了"微生物组免疫"的概念：肠道菌群的生态和免疫功能共同塑造和维持宿主免疫保护，尤其是在生命早期。在此框架下，以普雷沃菌为中心的群落不是被动的共生体，而是教育免疫系统、维持黏膜稳态和增强感染恢复力的主动介质。

研究揭示了肠道普雷沃菌作为减少农村非洲儿童感染风险的关键微生物标志物。其丰度与感染频率和持续时间呈负相关，且在1-2岁幼儿中保护作用最为显著，这一发育窗口是微生物组介导的免疫保护的关键时期。这些发现为在高感染负担环境中通过微生物组靶向干预措施促进儿童健康提供了新的见解。