英文题目：Microbiome profiles are associated with cognitive functioning in 45-month-old children
影响因子：7.21
发表时间：2021年11月
摘要
肠道微生物组在生命早期建立，并通过大脑-免疫-肠道轴与大脑相互作用。然而，人们对微生物组与儿童早期认知功能的关系知之甚少。本研究使用 16S rDNA 和宏基因组测序对 380 名儿童的粪便微生物组进行了分析，旨在调查使用韦氏学龄前儿童智力量表 (WPPSI-III) 检测的 45 个月大儿童的微生物菌群与认知功能之间的关联。
研究目的
● 研究45个月的儿童的认知功能和肠道微生物菌群之间的联系
● 识别与认知表现相关的特定细菌种类和微生物代谢途径
● 检验最密切相关的协变量(怀孕期间吸烟)是否影响这些关联
材料方法
样本类型：45个月的儿童的粪便样本
测序技术：16S V3-V4（380份），宏基因组（40份）
图1 样本筛选流程图
背景介绍
微生物组是指生活在人体内外的众多微生物的基因集合，已被证明在身体健康方面发挥着关键作用。最近，大量的研究证明肠道菌群可以通过神经 (交感神经)、内分泌、免疫和体液(细胞因子、短链和长链脂肪酸) 与大脑(肠-脑轴)相互作用。此外，也有研究揭示肠道菌群还与心理健康有关，特别是精神障碍类疾病，例如精神分裂症、双相情感障碍、注意缺陷多动障碍和自闭症谱系障碍。
生命的最初几年对微生物组的建立至关重要，这一时期也是神经生物学功能发展的关键阶段，很可能代表神经发育性精神疾病的病因学的关键阶段。然而，目前尚不清楚细菌在人体的定植是在子宫内还是在出生时开始的。在分娩过程中，婴儿暴露在母亲和环境的各种微生物群中。微生物菌群可以受到包括分娩方式、母乳喂养vs配方奶喂养、营养以及药物（尤其是抗生素）的使用等各种因素的影响。然而，这些因素对学龄前儿童微生物菌群和认知功能的影响尚未得到广泛的研究。
一、 研究人群
380个样本中有364个成功进行了微生物菌群分析（图1）。在随后的统计分析中，排除了一名孕龄较晚的受试者、35名WPPSI-III量表测试方法不准确的受试者以及5名运输/储存不规范的受试者，共323名受试者。对于其余的家庭，记录人口统计资料(母亲年龄、儿童年龄、性别)，产前、产期和产后因素(胎龄、出生体重、吸烟情况、剖腹产、母乳喂养、母亲教育、多语言教育、儿童的BMI、抗生素使用情况)以及认知水平（WPSSI-III 总智商(FIQ),言语智商(VIQ)、操作智商(PIQ)和通用语言组合（GLC)）（表1）。
表1 最终研究样本中关于产前、产期和产后因素及认知水平的统计信息(n = 323)
二、 微生物组与认知功能显著相关
通过数据质控（保留至少在10个样本中存在的属），共有82个属用于后续分析。使用限制性最大似然(REML)模型估计微生物菌群可以解释的认知表型的方差变化，分析表明微生物组与认知功能显著相关。
表2 认知表型的解释方差
阿尔法多样性指标与认知水平之间存在显著负相关。如表3所示，Faith系统发育多样性指数与WPPSI-III FIQ之间的显著关联。同时发现抗生素的使用与Shannon多样性指数和Pileou均匀度呈负相关，妊娠期与Shannon多样性指数和观测到的物种数呈负相关，以及C-section与Faith的系统发育多样性指数呈现正相关（图S1）。
表3 认知水平与阿尔法多样性的关联分析
图S1 被评估的协变量与阿尔法多样性的关联分析
三、 关键菌属与认知功能相关性分析
图2和3表明肠杆菌科的一个属（未知属）的相对丰度与较低的WPPSI-III FIQ显著相关。这个属也和WPPSI-III VIQ，PIQ和GLC的低水平得分相关（图2 A-D）。后续分析同时揭示了另外一个属-韦荣球菌科优杆菌属，与WPPSI-III VIQ得分相关。
图2 肠杆菌科未知属与认知功能相关性分析
随后对肠杆菌科内的未知属进行了另外的分析，发现与母亲年龄和吸烟与否几个协变量是相关的。尤其是和孕妇在怀孕期间吸烟和T4时期吸烟（图3B）相关性更为明显。中介分析（图3）表明肠杆菌科中该属介导了孕妇妊娠期间吸烟和当前吸烟对WPPSI-III FIQ的影响。
图3 WPPSI-III全面评分的分布图
四、 宏基因组和代谢谱分析
接下来对33个样本进行宏基因组分析，进一步描述了微生物组的特征。分析表明肠杆菌科的未知属与阿氏肠杆菌关系最密切（图2E），也与阴沟肠杆菌和居中克吕沃尔氏菌相关。其中阴沟肠杆菌与WPPSI-III FIQ显著相关，同时阴沟肠杆菌和居中克吕沃尔氏菌相关。其中阴沟肠杆菌与WPPSI-III FIQ显著相关，同时阴沟肠杆菌和阿氏肠杆菌肠杆菌与WPPSI-III PIQ相关。
还利用代谢谱来探讨认知功能与宏基因组测序检测的微生物组代谢潜力之间的关系，发现WPPSI-III FIQ与预测的去甲精胺水平呈现显著的负相关（图2F，图S3）。
图S3 MetaCyc途径:去甲亚胺生物合成
总结
总的来说，发现通过WPPSI-III检测的这些儿童的认知功能是与其粪便微生物菌群组成的变化相关。有趣的是，这种相关性在FIQ和语言相关得分表（VIQ和GLC）被观察到的，但不适用于PIQ得分表。此外还发现认知检测与阿尔法多样性呈负相关，多样性越高，认知得分越低。
总体而言，微生物组谱显示出与认知功能的显著关联。在认知功能和肠杆菌科一个未知属之间发现了很强的相关性。后续中介分析显示，该属的水平对孕期母亲吸烟和当前吸烟与认知功能之间的关联具有显著的中介作用。宏基因组测序表明，所鉴定的属与阿氏肠杆菌最密切相关。代谢潜力分析表明，认知功能与去甲精胺生物合成途径有着显著关联。研究结果表明，肠道菌群的改变与儿童时期的认知功能有关。建立因果关系后可以对旨在改善儿童认知功能的干预措施进行评估。
参考文章：
Streit F, Prandovszky E, Send T, et al. Microbiome profiles are associated with cognitive functioning in 45-month-old children. Brain Behav Immun. 2021;98:151-160. doi:10.1016/j.bbi.2021.08.001
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