Consistența scaunului, măsurată prin Scala Bristol Stool (BSS), reflectă diferențele în conținutul de apă și activitate în ecosistemul colonului și este corelată cu timpul de tranzit al colonului. (scoruri scăzute: scaun ferm și tranzit lent, scoruri ridicate: scaun slab și tranzit rapid).

consistența

Se propune că bogăția de specii este un marker major pentru sănătatea intestinelor, din cauza ideii că bogăția și diversitatea bacteriană ridicată reflectă adesea stabilitatea și rezistența ecosistemului, împreună cu asocierea consecventă dintre boli și o reducere a numărului de specii dintr-un eșantion fecal.

S-a arătat că metagenomii fecali se stratifică în enterotipuri, împărțind populația umană în jurul a trei posibile constelații în ceea ce privește ecosistemul lor microbian intestinal; de asemenea, Firmicutes: Bacteroidetes și Prevotellaceae: Raporturile Bacteroidetes au fost prezentate ca stratificatori importanți pentru microbiomii intestinali.

Care sunt noile descoperiri?

Bogăția observată a speciilor scade, scorurile BSS mai mari atingând minimul la indivizii cu scaun slab.

Enterotipii sunt distribuiți distinct peste scorurile BSS: enterotipul Prevotella (P) este mai abundent la subiecții cu scaun liber, în timp ce enterotipul Ruminococcaceae-Bacteroides (RB) domină complet probele de scaun mai dure.

În cadrul enterotipului RB, Methanobrevibacter și Akkermansia sunt corelate pozitiv cu timpul de tranzit al colonului. O observație similară poate fi făcută pentru Oxalobacter și Butyricimonas, în timp ce Bacteroides este mai abundent în scaunul liber.

Potențialul de creștere a microbiotei este corelat pozitiv cu scorurile BSS în enterotipul RB, sugerând timpul de tranzit ca o forță selectivă a strategiilor de viață microbiene.

Cum ar putea avea impact asupra practicii clinice în viitorul previzibil?

Aici vom arăta că modificări majore ale bogăției speciilor sau ale compoziției comunității ar putea fi parțial reflectând variații ale consistenței scaunelor, împiedicând identificarea, dar mai ales robustețea și reproductibilitatea markerilor bolii. Analiza corectă a confuzorului este astfel imposibilă fără măsurători ale consistenței scaunelor. Prin urmare, acest studiu subliniază necesitatea urgentă a acestor măsurători în cercetarea microbiotei intestinale și în studiile clinice.

Introducere

În ciuda eforturilor recente întreprinse pentru a caracteriza microbiota colonului sănătos, 1-4 mulți parametri care pot afecta compoziția microbiană și capacitatea metabolică rămân subexplorate. Identificarea unor astfel de factori confuzivi, inclusiv dieta, 5, 6 antecedente de administrare de antibiotice, 7 și starea inflamației, 8, 9 este esențială pentru a defini limitele unui ecosistem intestinal sănătos și, prin urmare, pentru a identifica markeri robusti de boală în asocierea clinică a microbiomilor studii.

Aici, am folosit scoruri BSS auto-raportate combinate cu 16S rDNA Illumina amplicon profiluri de probe fecale de 53 de voluntari sănătoși pentru a evalua asociațiile potențiale între compoziția microbiotei și consistența scaunului. Într-o populație occidentală sănătoasă, se prezice că mai mult de jumătate din scaunele trecute aparțin categoriilor centrale și BSS 3 și 4.11 Cu toate acestea, sa raportat că apariția crescută a scaunelor mai dure este mai frecventă la femei.11, 12, 18 Prin urmare, în pentru a crește șansele de prelevare a probelor o distribuție mai uniformă a scaunelor pe toate categoriile BSS, am limitat includerea la voluntari de sex feminin.

Metode

Exemple de date

Cincizeci și trei de femei sănătoase, cu vârste cuprinse între 20 și 55 de ani (mediană de 42,5), au fost recrutate ca parte a proiectului Flamand Gut Flora Project. Niciunul nu a fost diagnosticat cu cancer sau IBD sau nu a luat inhibitori ai diareei, laxative sau prebiotice în săptămâna anterioară prelevării, nici antibiotice în termen de 3 luni înainte de prelevare (vezi tabelul suplimentar S1 online). Obiectivele proiectului și angajamentele necesare au fost explicate prin intermediul unei broșuri informative și toți participanții au semnat o declarație de consimțământ informat. Medicul general al participanților și-a înregistrat istoricul medical, împreună cu înălțimea, greutatea și circumferințele taliei și șoldului. Voluntarii au înregistrat timpul defaecării și BSS și au raportat aceste informații împreună cu informații despre dieta generală și starea de sănătate într-un chestionar.

Caracterizarea componentei bacteriene a microbiotei intestinale prin secvențierea variabilă a regiunii 4 ADNr

analize statistice

Analiza statistică a fost efectuată pe matricele de abundență de caracteristici rarefiate și tăiate folosind RV.3.0.1. Clusterizarea eșantioanelor în enterotipuri a fost făcută folosind pachetul cluster21 conform instrucțiunilor disponibile pe http://enterotyping.embl.de. Numărul optim de clustere a fost determinat de indicele Calinski-Harabasz. În plus, enterotipizarea a fost efectuată cu amestecuri multinomiale Dirichlet (DMM) folosind pachetul DirichletMultinomial 1.6.0 din R.22 Laplace a fost utilizat pentru a determina numărul optim de clustering penalizând complexitatea modelului. Clusterelor li s-a atribuit enterotipul Ruminoccoccaceae-Bacteroides sau Prevotella pe baza taxonilor care domină enterotipul ca în articolul original al lui Arumugam et al23 (vezi tabelul suplimentar online S2).

Măsurările bogăției speciilor (observate, Chao1) și a diversității α (Shannon) au fost calculate folosind pachetul filoseq.24

Potențialul de creștere a microbiotei fiecărei eșantioane a fost estimat ca media ratelor maxime de creștere (maxGRs) ale genurilor, ponderate de abundența lor în eșantion. MaxGR-urile speciilor de referință intestinală (IMG v4Ref) au fost estimate din trăsăturile genomice25 și mediana a fost atribuită genului.

Corelațiile dintre bogăția speciilor, potențialul de creștere a microbiotei și abundența relativă a taxonilor bacterieni cu BSS au fost evaluate prin corelația ordinii de rang a lui Spearman, așa cum s-a implementat în R. p Valorile au fost corectate pentru testări multiple cu corectarea ratei de descoperire falsă Benjamini-Hochberg (valoarea q) . Corelația Spearman pentru ordinea rangului a fost utilizată pentru a verifica corelația dintre enterotip și timpul de tranzit (BSS), pe baza procentului fiecărui enterotip din fiecare categorie BSS. Semnificația diferențelor în potențialul de creștere a microbiotei între enterotipuri a fost evaluată prin testul de rang semnat Wilcoxon.

Rezultate

Un ecosistem microbian intestinal sănătos este, în general, considerat a fi caracterizat de bogăție și diversitate bacteriană ridicată, presupuse a reflecta stabilitatea și rezistența ecosistemului.26, 27 Analizele microbiomului fecal au arătat o asociere aparent consecventă între boală și o reducere a numărului observat sau estimat de specii dintr-un eșantion, sugerând că bogăția bacteriană este un marker major pentru sănătatea intestinului.26, 27 Aici, identificăm consistența scaunului pentru a fi puternic asociată cu bogăția microbiană fecală. Într-adevăr, bogăția speciilor observate scade semnificativ odată cu fermitatea scaunului (Spearman’s r = -0,45, p = 0,0007), atingând minimul la indivizii afectați de diaree (figura 1A). Estimarea bogăției totale a speciilor (Chao1) confirmă această corelație negativă (r = -0,41, p = 0,003, date neprezentate) și semnalul rămâne semnificativ odată cu aplicarea unei alocări taxonomice mai stricte (selectarea OTU de referință închisă, vezi Metode; tendință confirmat, de asemenea, într-un set de date care exclude pacienții cu IBS, figura suplimentară online S7 și într-un set de date de 24 de bărbați, figura suplimentară online S8). Aceste rezultate sunt în conformitate cu rapoartele anecdotice privind scăderea bogăției microbiene asociate cu diareea osmotică.

Variația consistenței scaunului determină bogăția speciilor și enterotipurile umane. Corelația dintre (A) bogăția speciilor observate și consistența scaunului, definită de Bristol Stool Scale (BSS) (corelația Spearman, r = -0,45, p = 0,0007) și (B) distribuția enterotipului și consistența scaunului (BSS); Albastru: enterotip Ruminococcaceae-Bacteroides (RB) (r = -0,88, p = 0,019), verde: enterotip P (r = 0,88, p = 0,019).

Variația consistenței scaunului este asociată cu modificări ale compoziției microbiotei fecale la nivelul structurii și diversității comunității și se corelează cu gradienții de abundență ai genurilor individuale (vezi tabelul suplimentar S3 online). În cadrul enterotipului RB, populațiile de Methanobrevibacter și Akkermansia cresc odată cu fermitatea scaunelor (și sunt astfel mai răspândite la persoanele cu tranzit lent). O observație similară poate fi făcută pentru Oxalobacter și Butyricimonas, în timp ce Bacteroides este mai abundent în scaunele libere (a se vedea figura suplimentară online S4). Majoritatea acestor asociații rămân semnificative în setul total de date (vezi tabelul 1 și figura suplimentară online S5) sau atunci când aplică o misiune taxonomică mai strictă (vezi tabelul suplimentar online S4).

Abundențele de genuri s-au corelat semnificativ cu consistența scaunului

Abundența crescută de metanogeni, cum ar fi Methanobrevibacter în scaunele mai dure, confirmă rapoartele anterioare privind producția crescută de metan la indivizii constipați.33 S-a sugerat că metanul joacă un rol activ în întârzierea tranzitului prin încetinirea motilității intestinale. producția de metan modifică întregul proces de fermentare intestinală, care ar putea afecta potențial peristaltismul colonului.33 Alternativ, abundența crescută ar putea reflecta capacitatea unui gen de a crește în condiții de tranzit intestinal încetinit. Deoarece consistențele mai ferme ale scaunelor corespund cu activitatea redusă a apei ecosistemului, fluctuațiile asociate abundențelor microbiene ar putea rezulta și din rezistența specifică speciei la stresul apei.

Potențialul de creștere a microbiotei se corelează cu tranzitul intestinal mai rapid în enterotipul Ruminococcaceae-Bacteroides (RB). Potențial de creștere a microbiotei peste consistența scaunului (Bristol Stool Scale (BSS)), care este propus ca un proxy pentru timpul de tranzit, în enterotipul RB (r = 0,34, p = 0,028).

Concluzie

Împreună, rezultatele noastre demonstrează o asociere profundă între consistența scaunului și toate citirile majore ale compoziției microbiotei intestinale. Deoarece timpul crescut de tranzit al colonului a fost legat de fermentația proteolitică îmbunătățită48-50 și de producția asociată a metaboliților potențial dăunători, corelația negativă observată între rata de trecere evaluată de BSS și bogăția microbiomului, așa cum sa raportat aici, provoacă viziunea dominantă actuală a bogăției mari fiind direct asociată sănătatea gazdei. Mai mult, aici identificăm diferențele compoziționale microbiene intestinale cu consistența scaunelor la scară comunitară și nivelul genului și evaluăm un mecanism biologic ipotezat al modului în care timpul de tranzit ar putea modela microbiota intestinală prin presiune selectivă asupra strategiilor de viață microbiene. Deși studiile longitudinale care combină înregistrările scorului scaunului și măsurătorile directe ale timpului de tranzit sunt necesare pentru a consolida corelațiile observate și ipotezele propuse, puterea asocierilor dintre BSS și bogăția speciilor, enterotipurile și compoziția comunității subliniază importanța crucială a evaluării consistenței scaunului și a analizei confundatorului în cercetarea microbiotei intestinale și studii clinice.

Mulțumiri

Autorii mulțumesc doi recenzori anonimi pentru comentariile lor constructive asupra unei versiuni anterioare a acestui manuscris, precum și membrilor laboratorului Raes pentru discuții și feedback plin de viață.