2021-08-06
近期，派森諾與華南農業大學、復旦大學合作，再次在《Microbiome》發表論文，結合人群健康數據和自我管理問卷調查，對中國城市和鄉村學校的教室環境中的微生物組進行了比較分析，研究了室內環境微生物組及其功能途徑與呼吸道癥狀（哮喘、過敏性鼻炎等）之間的關聯性，可喜可賀！
研究背景
相關研究和數據統計顯示，全球哮喘和鼻炎患者的數量已超過3.5億和7億，還有更多的人患有各種哮喘癥狀，如呼吸急促或胸悶等。這些慢性呼吸道疾病存在一種有趣的現象，具體表現在城市地區的發病率遠高于農場或農村地區。發達國家已有研究表明，這一現象可能與城市化和室內微生物暴露的變化有關，但是，其中起保護作用的微生物有哪些，具體通過什么功能通路實現健康效應，至今還未得到解答。許多發展中國家在過去的二十年中經歷了快速的城市化進程，但這些地區城鄉之間微生物群的變化與哮喘和鼻炎之間的潛在關系尚不清晰。作者由此入手，開展本研究。
研究方法
實驗對象：9所學校（4所農村和5所城市）的33份灰塵樣本
測序方法：宏基因組測序（Illumina HiSeq X-ten PE150）
實驗設計：隨機選取山西省太原市城市高中5所和農村高中5所，在每所學校隨機選取4-5個教室進行灰塵樣本采集，隨后抽取1332名學生填寫健康數據調查問卷。灰塵樣本利用宏基因組測序手段分析微生物以及功能的組成，并結合問卷調查數據，探究微生物暴露與城鄉呼吸道癥狀（包括哮喘、鼻炎、鼻結膜炎（有并發癥的過敏性鼻炎））之間的聯系。
研究結果
1. 哮喘和鼻炎癥狀的流行性調查
本研究參與調查的1332名學生中，平均年齡在16歲左右，男女比例均等；城市學生較農村學生多30%左右。調查結果顯示，山西省學生確診的哮喘病例占比較低（0.9%），呈現出城市高于農村的趨勢；哮鳴和鼻炎患病率城市地區顯著高于農村地區（P<0.05），此結果與發達國家一致。
2. 城市和農村學校環境微生物群落變化及與呼吸道癥狀間的相關性
宏基因組測序結果顯示，教室灰塵中有8302種細菌、395種古細菌、744種真菌、524種原生生物和1103種病毒。Actinobacteria（49.7%）、Gammaproteobacteria（18.4%）和Alphaproteobacteria（10.0%）是優勢的細菌綱。整體微生物組成在城市和農村學校之間存在顯著差異（P=0.01）。
研究通過NMDS分析進一步表征了整體微生物組組成的變化。來自城市和農村學校的樣本分別主要聚集在第一軸的左側和右側，表明城市和農村教室微生物組成結構存在整體性差異。PERMANOVA分析也證實了這種變化（P=0.001）。有趣的是，同為鄉村學校，學校5與學校1-4相比，呈現出了沿第二軸方向的較大的組成變化，表明還有其它環境特征決定室內微生物組的組成。
LEfSe分析發現，城市學校中Betaproteobacteria（uc Neisseria）、Gammaproteobacteria（Acinetobacter、johnsonii、uc Lysobacter）和Bacilli（Staphylococcus epidermidis、Carnobacterium sp.）顯著高于農村學校，而Actinobacteria（Brachybacterium sp.、Kocuria palustris、Dietzia sp.）和Cyanobacteria（Microcoleus sp.）主要存在于農村學校。同時，根據美國國家過敏和傳染病研究所對潛在病原體的定義，發現城市學校的潛在病原體（Burkholderia pseudomallei）含量顯著高于農村學校（P<0.05）。
細菌、古菌、真菌、真核生物和病毒的微生物豐富度與哮鳴、呼吸困難、鼻炎和鼻結膜炎癥狀沒有顯著相關性（P>0.05）。同樣，這些類群的相對豐度與健康之間也沒有發現顯著的關聯（P>0.05）。通過多階回歸模型檢驗對微生物豐富度與哮喘和鼻炎癥狀之間的相關性進行分析，發現了五種細菌和一種原生生物與這些癥狀有關。Pseudoalteromonas、Neospora caninum和Microbacterium foliorum與哮喘、鼻炎和鼻結膜炎的發生呈正相關；Brachybacterium與鼻炎呈保護性負相關。
3. 城市和農村學校的微生物功能差異
本研究從宏基因組拼接數據中獲得了1500萬個非冗余功能基因。根據KEGG Orthology數據庫對功能基因進行注釋，并歸類為不同的KEGG功能通路，發現超過一半的功能基因被注釋為“代謝”（56.4%），其次是“遺傳信息處理”（10.7%）、“環境信息處理”（7.7%）、“人類疾病”（6.8%）、“細胞過程”（6.1%）、“生物系統”（5.1%）和“其它未知通路”（7.4%）。
通過NMDS和PERMANOVA分析表明，城市和農村學校之間，微生物群落的功能組成也存在顯著差異（P=0.005）。進一步通過LEfSe分析進行驗證，顯示在城市學校中，檢測到與人類疾病和免疫系統相關的通路豐度更高；而在農村學校檢測到與代謝相關的通路豐度更高（LDA>3）。進一步針對碳水化合物代謝的LEfSe分析發現，農村學校的丁酸鹽和丙酸代謝途徑均顯著高于城市學校（P <0.005），且這些短鏈脂肪酸在以往的報道中顯示其能夠預防人體過敏性炎癥疾病。
此外，通過估算細菌的生長速率，可以得知城鄉學校的細菌生長速率均較為緩慢，揭示出兩者空氣微生物之間的差異并非由于菌群的生長速率造成，而是可能與綠化、交通等周圍的環境相關。
研究結論
本研究通過宏基因組測序結合流行性調查的手段，對山西省城鄉學校室內微生物暴露與呼吸道疾病的潛在相關性進行了深入探討，揭示了城鄉環境微生物暴露差異與潛在的人群健康效應存在顯著的相關性，并得出以下結論：
1. 山西省城市地區哮喘和鼻炎癥狀的患病率明顯高于農村地區；
2. 城鄉學校間環境微生物群落組成存在顯著差異，潛在的具有保護性或致病風險的微生物的豐度分布，與哮喘和鼻炎癥狀相關；
3. 與丁酸鹽、丙酸鹽代謝相關的基因和代謝通路在鄉村學校的教室微生物組中更為豐富，可能為鼻炎、哮喘等炎癥提供了保護作用。
本研究揭示了高分辨率的微生物分類和功能圖譜及其對人類健康的潛在影響，拓展了我們對室內微生物組和呼吸系統健康的認識，并從功能的角度為室內微生物暴露及其健康效應提供了新的見解。
本研究的高通量測序和部分數據分析工作由上海派森諾生物科技有限公司完成。
文章索引：
Fu X, Ou Z, Zhang M, et al. Indoor bacterial, fungal and viral species and functional genes in urban and rural schools in Shanxi Province, China-association with asthma, rhinitis and rhinoconjunctivitis in high school students. Microbiome. 2021;9(1):138. Published 2021 Jun 12. doi:10.1186/s40168-021-01091-0
