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新发现 Sci Total Environ:环境菌群代谢产物

发布时间:2022-08-28 05:25:34 来源:火狐体育官方入口 作者:火狐体育下载地址

  这些因处于某建筑环境内产生并随着待在室内的时间增加而逐渐明显的几类不特定的症状,就被世界卫生组织定义为病态建筑综合症(SBS)。

  您是否有在某个“病了”的建筑中呆久了,就会感觉到不舒服,比如眼睛痒、流鼻涕、喉咙干痛、局部皮肤痒或者发红、头疼或者感觉疲劳?其实早在20世纪70年代,这些因处于某建筑环境内产生并随着待在室内的时间增加而逐渐明显的几类不特定的症状,就被世界卫生组织定义为病态建筑综合症(SBS),也有人称之为“大楼综合症”。近几十年,研究室内流行病的科研团队在全球各地持续开展SBS的相关研究,并且发现SBS症状的出现与室内微生物暴露相关,比如:霉菌暴露是导致SBS症状的强风险因素。但是,很少有研究深度解析室内环境中微生物组成与SBS症状的关系。华南农业大学孙峪团队和复旦大学赵卓慧团队近日联合发表的研究,与哮喘等慢性炎症疾病相似,SBS症状在城市人群的流行性也显著高于乡村人群。另外,该论文提出重要发现:室内菌群的某些代谢产物,如维生素和氨基酸相关的代谢产物,对眼、鼻、喉及皮肤的炎症症状、头疼和疲劳等具有保护作用。

  室内环境中与 B 族维生素、GABA、肽聚糖及短链脂肪酸合成相关的微生物代谢通路具有健康保护作用

  背景:病态建筑综合症(SBS)指与环境暴露相关的非特异性症状,包括眼部,鼻腔,喉咙处的粘膜炎症、皮肤症状,以及一般性症状如头疼,疲劳。已有研究证明SBS症状与室内环境微生物组成和丰度有关,但关于微生物的功能基因和代谢产物对这些症状的影响,目前尚未有研究报道。

  方法:在山西省的城市和乡村分别随机选取5所学校,在每个学校随机选择4-5个教室采集教室内的吸尘,并进行无扩增宏基因组测序,同时向该些教室的学生发放问卷,共收集了1332名学生的个人信息及健康数据。利用多阶线性回归模型分析各微生物类群、功能通路与SBS的相关性。

  结果:SBS症状在学生中广泛存在,眼睛、喉咙、头疼和疲劳在城市的发病率更高(P0.05)。本研究鉴别出五种潜在的风险菌,均来自放线)。地嗜皮菌(Geodermatophilus)、浅黄弗莱德门菌(Fridmanniella luteola), 积磷小月菌(Microlunatus phosphovorus)和居真菌细菌(Mycetocola sp.CGMCC 1.16372)相对丰度较高的教室中,学生出现较多的鼻腔、喉咙症状和疲劳,在一种黄杆菌(unclassified flavobacteriaceae)相对丰度较高的教室中,学生出现喉咙炎症和疲劳较少。教室中,与产生B族维生素(生物素和叶酸)、4-氨基丁酸(GABA)、短链脂肪酸(SCFAs)和肽聚糖(peptidoglycan)相关的微生物代谢通路的相对丰度高对SBS症状呈保护性相关(p0.005)。之前的肠道微生物研究也支持这些微生物代谢产物在人体免疫和炎症过程中的调节作用。

  结论:这是首篇研究城市与乡村室内环境中微生物功能通路与SBS症状的相关性研究,为慢性炎症类疾病的病因机制和疾病预防提供了新的思路。

  翻译题目:城市和乡村学校教室中微生物组、功能通路和病态建筑综合症——室内菌群的氨基酸和维生素代谢产物的潜在作用

  其他作者:张梅,孟仪,黎彦伶,陈庆梅,蒋珺,张昕,Dan Norbäck

  该研究的健康问卷调查共有1,332位参与者,问卷回收率为70.9%。问卷参与者年龄范围从15岁到18岁,平均年龄为16.1。其中女生占比45.8%,男生占比54.2%。有大约2/3的学生来自城市。SBS症状在山西的高中生人群中很常见(43.4%),鼻腔症状(21.8%)、喉咙症状(20.4%)和疲劳(31.4%)是最常见的症状。城市学生SBS症状的流行性(46.3%)比乡村学生(31.4%)高(p0.01)。城市学生出现眼部症状(8.5%,P=0.01)、喉咙症状(22.2%,P=0.01)、头疼(10%,P=0.03)和疲劳(33.6%,P=0.008)均高于乡村学生。城市学生的父母较多有哮喘或过敏症状(12.3%,P0.001)。

  研究将来自9个学校的共计33个教室吸尘样本进行无扩增宏基因组测序。在城乡环境鉴别出11,070种微生物,来自2,792个微生物属,包括1,710个细菌属, 717个线个病毒属。按相对丰度高低排列,前 67 个(丰度高的)属都是细菌属。丰度最高的真核生物属链格孢属(Alternaria) 排名第 68 位,丰度最高的古菌属 Candidatus Nitrosocosmicus 排名第 526 位。丰度最高的病毒属来自短尾噬菌体科,排名第 202 位。丰富度位于前20位的细菌中(图1A),嗜冷杆菌(Psychrobacter)、放线菌(uc_Actinobacteria)、考克氏菌(Kocuria)、短状杆菌(Brachybacterium)和微球菌(Micrococcus)丰度较高。图1B 展示KEGG通路位于前20的功能通路中。通过多样性分析,我们发现乡村室内环境的微生物的α-多样性高于城市室内环境(Chao1, p = 0.001; ACE, p = 0.002)。研究通过 PERMANOVA分析比较农村和城市样本的β-多样性,发现微生物类群组成(p=0.001)与功能通路组成(p=0.005)均存在显著差异。图1C和D分别为微生物类群和功能通路差异的 PCoA 图。

  图1.山西城乡中学教室内微生物类群组成和功能通路组成PCoA分析图。A)主要微生物属相对丰度展示;B)二阶KEGG功能通路相对丰度展示,S1-S5为乡村学校,S6-S10为城市学校;C)城乡教室中微生物类群组成差异;D)城乡教室中微生物功能通路的组成差异。

  在相关性分析中,研究使用了SBS评分来代表个人出现SBS症状的数量。细菌,真菌,古细菌和病毒的α-多样性均与SBS无相关性。研究通过与微生物类群的相关性分析,筛选出6个微生物种的相对丰度与SBS评分相关,这6个种均为细菌。其中,放线个菌与SBS评分呈正相关,包括两种地嗜皮菌(uc_Geodermatophilaceae,β=0.1, p=0.002;Geodermatophilus β=0.08, p=0.002)、 浅黄弗莱德门菌(β=0.25, p=0.0002)、积磷小月菌(β=0.22, p=0.0005)和居线)。此外,拟杆菌门的一种黄杆菌与SBS评分呈保护性(负)相关(β= -0.12, p=0.002)。

  为了理清具体的健康效应,我们将筛选出的6种菌与六类 SBS 症状分别做了关联性分析。地嗜皮菌相对丰度较高的教室(uc Geodermatophilaceae β=0.15, p=0.005;Geodermatophilus β=0.12, p=0.005)学生更容易出现鼻腔症状,当居真菌细菌丰度较高时,学生较易出现喉咙症状(β=0.13, p=0.002);在积磷小月菌丰度较高的教室中,学生易产生疲劳(β=0.3, p=0.009);在浅黄弗莱德门菌丰度较高的教室中,学生易产生喉咙症状(β=0.35, p=0.009)和疲劳(β=0.35, p=0.005)。在黄杆菌丰富度高的教室中,学生的喉咙症状(β= -0.2, p=0.009)和疲劳(β= -0.2, p=0.004)减少。

  为了探究潜在的功能通路和SBS症状的关联,我们通过LEfSe分析筛选出128条在城市和乡村室内环境中存在显著差异的微生物KEGG通路,并且通过三阶线性回归模型对这些通路进行健康效应评估,发现共有9条功能通路与SBS评分相关(p0.01, FDR0.05),包括代谢、生物系统和遗传信息处理通路。其中有7条通路与SBS症状呈保护性相关,包括生物素(属维生素B族)代谢(β=-0.78, p0.0001),叶酸(属维生素B族)生物合成(β=-0.32, p=0.0001),肽聚糖生物合成(β=-0.35, p=0.0001),精氨酸和脯氨酸代谢(β=-0.34, p=0.0003),硫代谢(β=-0.48, p=0.0006),酪氨酸、色氨酸和赖氨酸生物合成(β=-0.33, p=0.0013),这些通路在乡村教室的平均相对丰度均高于城市教室。这些微生物通路的关键代谢产物包括:生物素,叶酸,肽聚糖,4-氨基丁酸(GABA),短链脂肪酸,5-羟色胺,多巴胺,表示乡村地区教室内菌群的这些代谢产物对健康起到了重要的作用。生物系统中的内分泌系统通路与遗传信息加工过程中的转录通路与SBS症状呈正相关。

  本研究首次比较了城乡学生SBS的患病率,并分析了环境中的相关微生物和功能代谢途径。中国北方高中生普遍存在眼部和喉部症状以及疲倦。城市地区学生眼咽部症状、头痛、疲劳的流行性高于农村地区。五种放线菌与这些症状呈正相关,具体包括鼻和喉咙症状以及疲倦。室内菌群的一些维生素和氨基酸的代谢通路对室内相关症状有保护作用。

  在我们的研究中,中国北方高中生普遍出现粘膜和皮肤症状、头痛和疲劳。城市地区学生眼部、咽喉症状、头痛、疲倦的流行性显著高于农村地区。这是首个汇报这些症状在城乡之间的差异的研究。先前的研究发现,与过敏性鼻炎相关的鼻部症状在北欧的城市、郊区和乡村居民中呈高到低的梯度(Christensen 等,2016)。据报道,中国北方城市地区的过敏性鼻炎比花粉暴露量更高的乡村地区更普遍(Wang 等人,2018 年)。此外,城市地区的哮喘患病率高于乡村地区(Ege 等,2011;Kirjavainen 等,2019)。因此,这种城乡地区SBS症状的差异与鼻炎和哮喘等慢性炎症类疾病的流行规律具有相似性,表明这些疾病的潜在病因和有效因素可能相似。

  在教室吸尘灰尘中,我们确定了与报告的 SBS 症状数量相关的六种细菌物种,包括来自放线菌的五种潜在风险物种和来自拟杆菌的一种潜在保护菌。先前的研究报道过放线菌门一种尤泽比尔菌的绝对浓度与初中学生人群的 SBS 症状数量正相关(Fu 等人,2020b)。在这项研究中,我们发现两种地嗜皮菌与鼻部症状正相关。一项实验研究报告称,斑马鱼肠道菌群中地嗜皮菌属的丰度与肠道炎症呈正相关(Gong 等,2020)。地嗜皮菌也被鉴定为有金属污染的废弃工业用地(Girardot 等,2020)和双酚污染的土壤(Zaborowska 等,2020)中的一种特征性微生物类群。本研究中城市学校所在的太原市是中国的主要工业城市,主要产业是能源生产和金属矿产,如铁、锰、铜、铝、铅和锌。因此,太原市区的室内环境中普遍存在地嗜皮菌先前的研究一致。浅黄弗莱德门菌(Fridmanniella luteola)是一种从蜘蛛和蜘蛛网中分离出的细菌(Iwai 等,2010),弗莱德门菌属被表征为昆虫授粉的花粉微生物组的核心类群之一(Manirajan 等,2018)。在这项研究中,我们观察到室内环境中的浅黄弗莱德门菌与喉咙症状和疲劳相关,这是首次报告其潜在的健康影响。积磷小月菌(Microlunatus phosphovorus)是一种广泛用于生物除磷系统的聚磷酸盐细菌种(Begum 和 Batista,2012;Zhong 等,2018;Zhong 等,2019)。居真菌细菌(Mycetocola sp. CGMCC 1.16372)是最近从藏羚羊中被分离出来(Li et al., 2019)。居真菌细菌 属的其它种与蘑菇有关,有的是作为真菌辅助细菌(Hermenau 等人,2020 年),还有与蘑菇的疾病相关的细菌(Hamidizade 等人,2020 年)。这也是首次报告积磷小月菌和居真菌细菌的潜在健康效应。

  多阶线性回归模型筛选出的保护性功能通路主要包括环境菌群的维生素和氨基酸的代谢通路,这些通路在乡村地区平均丰度较高。关键性的微生物代谢产物包括生物素、叶酸、肽聚糖、4-氨基丁酸 (GABA) 和短链脂肪酸 (SCFA)。这些微生物产物从功能角度主要涉及免疫和炎症调节、肠脑轴通讯、神经系统调节和表观遗传调控。先前关于肠道微生物的研究报道了这些微生物代谢产物对健康的保护效应,我们从室内微生物组中得出的结论与这些研究一致(Rooks 和 Garrett,2016;Zheng 等,2020)。

  生物素和叶酸都是 B 族维生素微量营养物。生物素参与免疫和炎症调节,包括脂肪酸的生物合成、淋巴细胞和巨噬细胞基因表达的调节、T 细胞的成熟和功能的调节、蛋白质的生物素化和趋化因子的产生 (Kuroishi, 2015) 。生物素缺乏会导致皮肤炎症、金属过敏(Kuroishi,2015)。叶酸参与单碳代谢和表观遗传调控,如 DNA 甲基化、RNA 甲基化和蛋白质甲基化(Kok 等,2018)。肠道微生物已被证明可以为宿主提供维生素,微生物合成的 B 族维生素可以被吸收并用于代谢(LeBlanc 等,2013)。我们的研究表明,室内环境中的微生物类群可以合成维生素,也可为居住者提供维生素,并产生与肠道微生物类似的有益效果。

  “代谢;氨基酸代谢;精氨酸和脯氨酸代谢”和“代谢;氨基酸代谢;苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸生物合成”途径在乡村室内环境中丰度较高,这些通路与短链脂肪酸(SCFA)的产生有关。主要的 SCFA,包括乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐,广泛参与免疫和神经传导的多种调节过程(Silva 等,2020)。肠道微生物产生的 SCFAs 在粘膜免疫成熟中起着至关重要的作用。肠道微生物群和 SCFA 的失调可导致胃肠道慢性炎症,如炎症性肠病(IBD)(Lavelle 和 Sokol,2020年)。此外,SCFA 参与情绪的调控。SCFA 还可以调节神经递质5-羟色胺和多巴胺的生物合成。这可能就是为什么这些微生物通路可以帮助预防疲倦和头痛的原因。“代谢;氨基酸代谢;精氨酸和脯氨酸代谢”与4-氨基丁酸(GABA)的生物合成有关。GABA 通常被称为抑制性神经递质,它调控突触转换并促进神经元松弛。动物实验表明 GABA 可促进大脑和神经系统的可塑性过程(Siucinska,2019)。据报道,GABA 参与促炎细胞因子的负调控,而GABA 信号系统的紊乱可导致焦虑、抑郁或炎症标志物水平升高(Auteri 等人,2015 年;Bhandage 等人,2019 年;Möhler,2012 年))。

  肽聚糖是细菌细胞膜的重要组成部分,是人类先天免疫的识别靶标。肽聚糖可以破坏肠道上皮屏障,触发免疫反应。但最新研究发现了人体血液中循环的肽聚糖片段的新功能。例如,源自肠道微生物的肽聚糖片段介导的肠脑通讯可以调控大脑以及控制行为的的神经发育(Arentsen 等,2017)。此外,肽聚糖片段在调控免疫细胞(如吞噬细胞和中性粒细胞)的发育和成熟方面发挥着重要作用(Clarke 等人,2010 年;Hergott 等人,2016 年)并且是维持身体稳态所必需的(Wolf 和 Underhill,2018 年)。

  乡村室内微生物暴露对 SBS 症状具有潜在的保护作用。这与其它与环境微生物暴露相关的慢性炎症类疾病(如哮喘)的研究结果一致。本研鉴别出6种环境菌具有健康效应,6个微生物代谢通路具有健康保护效应。这些通路的代谢产物大多参与人体的免疫和炎症过程,其中一些可以由肠菌群产生,通过“微生物群-肠-脑轴”,调节慢性炎症类疾病。我们的研究证明了室内环境中微生物的类群组成和功能通路的重要性。病态建筑综合症(SBS)的这些症状,包括眼部、鼻腔和喉咙的粘膜炎症、皮肤症状、头痛和疲劳,对环境微生物暴露反应灵敏。相较于单个症状的二分变量,SBS 评分是一个线性变量,加和的方式使多个症状的健康效应得以累积,增强了统计功效。关注环境微生物暴露与慢性炎症的研究可以考虑将SBS作为疾病模型。

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