灵长类与人类中独特的胃肠道微生物特征可预测疟疾寄生虫水平

《Nature Communications》：Distinct gastrointestinal microbial signatures predict parasite levels in controlled Plasmodium infections in both rhesus macaques and humans

本研究通过16S rRNA测序技术，发现恒河猴和人类在疟原虫感染前的肠道微生物组特征可预测寄生虫血症水平。研究人员利用可控人类疟疾感染（CHMI）模型，鉴定出双歧杆菌（Bifidobacterium）特征集可准确分层寄生虫血症风险，为疟疾流行区的预防策略提供了新型生物标志物。

　　

疟疾作为全球重大公共卫生问题，每年导致数亿感染病例和数十万死亡病例。尽管疟疾防治取得进展，但疟原虫（Plasmodium）感染仍是热带地区的主要健康威胁。值得注意的是，恶性疟原虫（P. falciparum）感染不仅引起典型发热和贫血症状，还会导致胃肠道表现，包括腹痛、腹泻和呕吐。更深入的研究发现，疟原虫在胃肠道血管中的滞留会破坏肠道屏障功能，增加上皮通透性，导致营养吸收不良和微生物易位。然而，疟原虫感染如何影响肠道微生物组，以及微生物组如何反过来调节宿主对疟原虫感染的易感性，这些机制尚不明确。

以往关于肠道微生物组在疟原虫感染中作用的研究主要使用小鼠模型和观察性人类队列。虽然这些研究提示微生物组组成可能与疟疾严重程度相关，但缺乏在可控条件下对成年人类的直接证据。此外，需要一个能更好模拟人类肠道免疫和黏膜屏障功能的动物模型来加速微生物组靶向干预措施的开发。

在这项发表于《Nature Communications》的研究中，研究人员通过整合恒河猴模型和可控人类疟疾感染（CHMI）试验，系统评估了感染前胃肠道微生物组组成与急性疟原虫寄生虫血症之间的关联。研究发现，在感染前存在的特定微生物特征能够预测恒河猴感染P. fragile和人类感染P. falciparum后的寄生虫水平。更重要的是，研究鉴定出一个双歧杆菌特征集，可准确分层寄生虫血症风险，为开发疟疾风险预测的生物标志物面板奠定了基础。

研究采用的关键技术方法包括：利用16S rRNA基因测序分析恒河猴和CHMI参与者的粪便微生物组；通过可控人类疟疾感染模型（NCT04072302）评估健康成年人对恶性疟原虫感染的应答；使用主坐标分析（PCoA）、差异丰度分析（DESeq2）和偏最小二乘判别分析（PLS-DA）等生物信息学方法解析微生物组数据；通过Picrust2分析预测微生物功能通路；建立机器学习模型评估双歧杆菌特征集的预测性能。

P. fragile感染在恒河猴中引起外周寄生虫血症和贫血

研究人员通过静脉接种P. fragile感染恒河猴，所有动物在接种后两周内均出现外周血寄生虫血症。感染还引起贫血和其他血液学参数改变，包括白细胞计数、红细胞计数、血红蛋白和血小板计数显著降低，这些变化与人类疟疾感染的表现一致。

不同饲养设施和饮食促进恒河猴形成不同的肠道微生物特征并与寄生虫血症升高相关

研究发现，饲养在不同设施（建筑A高纤维饮食 vs 建筑B高蛋白饮食）的恒河猴在感染前就显示出明显的微生物组差异。具有建筑A/高纤维饮食微生物特征的动物峰值寄生虫负荷是建筑B/高蛋白饮食动物的3.75倍，且发展高于中位数寄生虫血症的风险高出49倍。这表明恒河猴感染前的微生物组组成影响后续的寄生虫血症，这种风险因素可能通过饮食干预进行调节。

胃肠道微生物组特征在P. fragile感染期间保持差异尽管随时间变化

尽管微生物组在感染过程中呈现动态变化，但通过Aitchison距离的主坐标分析显示，两个饲养群体的微生物组特征在整个研究期间保持明显分离。建筑B/高蛋白饮食组（寄生虫血症较低）的微生物组随时间表现出更高的变异性。

群体间微生物差异不是由于样本内多样性差异导致

Alpha多样性分析显示，两组恒河猴在感染前的香农多样性没有显著差异，核心微生物组的相对丰度也相似。这表明群体间微生物组差异不是由整体群落多样性差异驱动的。

寄生虫血症升高的恒河猴显著富集乳杆菌且普雷沃菌水平较低

差异丰度分析鉴定出41个在两组间显著不同的扩增子序列变异（ASV）。建筑A/高纤维饮食组（寄生虫血症较高）显著富集乳酸杆菌（包括L. coleohominis、L. mucosae和L. salivarius），而建筑B/高蛋白饮食组（寄生虫血症较低）则富含普雷沃菌（包括Prevotella copri和Prevotella stercorea）。乳杆菌与普雷沃菌的比率在寄生虫血症高的动物中显著更高。

感染前人类微生物组组成与CHMI期间寄生虫血症相关

对参与CHMI研究的健康美国成年人的分析发现，基线微生物组组成可分为三个明显簇（HC1、HC2、HC3）。HC1参与者（基线微生物组特征）发展的寄生虫血症水平显著高于HC3参与者，且发展为高于中位数寄生虫血症的可能性是HC3的8.17倍。

HC1参与者表现出显著更高的微生物多样性和簇内异质性

HC1参与者的微生物组在基线时具有显著更高的香农多样性，且核心微生物组的相对丰度显著较低。核心微生物组丰度的降低与寄生虫血症升高显著相关，表明核心微生物的减少与寄生虫血症风险增加有关。

属水平肠道微生物组成差异与CHMI参与者寄生虫血症相关

在门水平，HC1参与者具有显著较低的放线菌门（Actinobacteria）和厚壁菌门（Firmicutes），以及较高的变形菌门（Proteobacteria）。具体而言，HC1参与者缺乏多种双歧杆菌（包括B. adolescentis、B. longum、B. pseudolongum和B. bifidum），而这些细菌在低寄生虫血症参与者中更为常见。

双歧杆菌科特征集可作为预测寄生虫负担风险的生物标志物面板

研究人员开发了一个仅含9个双歧杆菌科ASV的特征集，该面板在预测寄生虫血症风险方面达到了0.801的受试者工作特征曲线下面积（AUROC），表明在临床环境中具有潜在应用价值。

HC1群落的微生物通路富集促炎产物

Picrust2分析显示，HC1参与者的微生物组富集了脂多糖和多胺合成的关键步骤，这两种物质都是上皮炎症和脱落的已知风险因素。

研究结论表明，感染前胃肠道微生物组组成可预测恒河猴和人类对疟原虫感染的寄生虫血症水平。在人类中，双歧杆菌的减少与较高的寄生虫血症风险相关，而在恒河猴中，乳杆菌与普雷沃菌的失衡与寄生虫血症易感性相关。这些发现扩展了先前在小鼠和人类观察性研究中的结果，为开发基于微生物组的疟疾干预策略提供了理论基础。

研究的创新之处在于首次在可控条件下证实了成年人类感染前微生物组特征与疟原虫寄生虫血症的关联，并建立了恒河猴作为研究疟原虫-微生物组相互作用的转化模型。这些发现表明，针对微生物组的干预措施（如饮食调整、益生菌或微生物来源的生物活性分子）可能有助于减轻疟原虫感染负担。未来的研究应聚焦于阐明微生物组影响疟原虫感染的具体机制，并临床验证已鉴定的生物标志物面板在疟疾流行区的应用价值。