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深度解读 | 华大智造助力哈工大黄志伟团队最新研究,揭示口咽微生物菌群变化与COVID-1 ...

归去来兮 2021-6-8 12:00 AM 2735人围观 杂谈

  导语:

近日,来自哈尔滨工业大学黄志伟团队Signal Transduction and Targeted Therapy期刊发表了题为“Metagenomic analysis reveals oropharyngeal microbiota alterations in patients with COVID-19”的研究性文章。该研究利用华大智造MGISEQ-2000测序平台对31例(轻、中、重、危重)COVID-19患者的口咽微生物群进行了深度测序和宏基因组分析,以确定新型冠状病毒肺炎独特的微生物特征,并评估了COVID-19改变的患者口咽部微生物组与疾病严重程度之间的相关性等。

文章发表在Signal Transduction and Targeted Therapy


研究背景

由新型冠状病毒(SARS-CoV-2)引起的新冠疫情已经成为一场持续的全球大流行,其中约5%的患者会发展为重症。目前已有多项研究探索了微生物菌群在COVID-19进展中的作用,结果显示肠道、肺部、鼻咽或口腔微生物组与COVID-19可能存在关联。口腔或肠道微生物群中的几种细菌类群已被发现与疾病严重程度相关,并可用于预测COVID-19的临床预后。因此,通过对COVID-19患者口咽微生物群进行系统综合分析,有助于我们获得对微环境平衡和功能基因变化的广泛认识。

研究内容


菌群组成及其多样性分析

为了识别与COVID-19相关的口咽部微生物组和宏基因组功能变化,研究人员纳入了88份通过质控的口咽部拭子样本 (31份来自COVID-19患者、19份来自流感患者和28份健康者对照样本), 通过华大智造MGISEQ-2000平台采用宏基因组鸟枪法对所有样本进行深度测序。

经过微生物注释和丰度估算以及宏基因功能注释,研究团队最终将口咽微生物区系共划分为3000多个属。其中,COVID-19患者样本在属水平的主要细菌组成包括:韦永氏球菌属(Veillonella),链球菌属(Streptococcus)、普雷沃氏菌属(Prevotella)、不动杆菌属 (Acinetobacter)、巨球形菌属(Megasphaera)、放线菌(Actinomyces) 等。

图1. 各组别菌群组成,图片来源:Signal Transduction and Targeted Therapy

研究团队对COVID-19患者、流感患者和健康者的微生物多样性进行了比较,使用Shannon指数和Bray-Curtis dissimilarity对菌群的α多样性和β多样性进行了评估。α多样性描述一个群落内的物种丰富度,β多样性则用来评价两个群落之间的物种多样性。

分析发现,COVID-19患者口咽菌群在物种水平上的α多样性较流感患者低。此外,COVID-19患者中,危重组微生物物种丰富度明显降低,非危重组微生物物种丰富度与正常组相比无明显变化。上述结果表明,与健康人群相比,COVID-19感染患者的α多样性没有明显的变化,但危重患者口咽微生物多样性明显减少。为了进一步检验COVID-19组与流感组和健康对照组是否存在物种多样性差异,研究人员采用主坐标分析(PCoA)比较了微生物群落的β多样性,结果显示三组间个体间差异显著,提示COVID-19患者口咽微生物菌群已经发生了失调

图2. 各组别菌群多样性分析,图片来源:Signal Transduction and Targeted Therapy

同时,研究人员利用线性判别分析效应量比较了COVID-19患者、流感患者和健康对照者口咽微生物群组成的相对丰度,从而确定属水平上的类群差异。结果发现,与健康对照组相比,COVID-19和流感患者的微孔菌(Veillonella)和巨菌类 (Megasphaera水平显著升高,莫杆菌属(Mobiluncus)、心杆菌属 (Cardiobacterium)、假丙酸杆菌属(Pseudopropionibacterium)和链球菌(Streptococcus)水平较低,具有与急性呼吸道病毒感染相关的共同特征。与健康对照组相比,COVID-19组中放线菌属、丙酸杆菌属和其他10个属的含量显著降低,但流感组中没有,表明COVID-19患者口咽部具有独特的菌群特点。

图3. 微生物群组成的相对丰度分析,图片来源:Signal Transduction and Targeted Therapy


研究结果


口咽微生物与COVID-19严重程度相关

值得注意的是,COVID-19的严重程度与中性粒细胞-淋巴细胞比率 (neutrophil–lymphocyte ratio, NLR) 和年龄呈正相关(Rho = 0.59, P = 5e−04)。基于此,研究人员检测分析了微生物群、炎症相关标志物、年龄和疾病严重程度之间的关系。结果显示,共有123种和13种与COVID-19疾病严重程度存在正相关或负相关的细菌物种,大多数存在统计学显著性。以上结果表明,唾液微生物群的改变与宿主全身炎症状态、年龄或免疫反应均可能影响疾病的严重程度。

图4. 微生物群组成与疾病严重程度的相关性,图片来源:Signal Transduction and Targeted Therapy

COVID-19患者口咽微生物分类器的鉴定

为了鉴定与SARS-CoV-2感染相关的微生物特征物种,研究人员采用了一种无监督的随机森林分类分析方法,鉴定出一种区分COVID-19患者、流感患者和健康对照者的微生物属或种的分类器,其AUC分别为0.822或0.826。

图5. 微生物分类器效能评估,图片来源:Signal Transduction and Targeted Therapy

口咽微生物群与COVID-19相关的通路分析

此外,研究团队还对口咽微生物菌群进行了KEGG (Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes) 通路富集分析,以深入了解COVID-19患者口咽微生物群的功能变化。结果发现,与对照组相比,COVID-19患者的样本显示出更高的氨基酸代谢潜力 (缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸),表明COVID-19患者的口咽微生物群优先代谢特定氨基酸。与健康对照和流感患者样本相比,COVID-19患者的口咽微生物组在外来生物降解和代谢方面表现出显著的富集。但COVID-19患者或流感患者口咽部微生物组核苷酸代谢(嘌呤和嘧啶)、复制和修复(同源重组和错配修复)、蛋白质折叠等相对衰竭。

图6. KEGG通路富集分析,图片来源:Signal Transduction and Targeted Therapy


结束语

综上所述,该研究系统分析了不同严重程度 (轻、中、重、危重) COVID-19患者、流感患者及健康对照者的口咽微生物宏基因组特征。结果表明,SARS-CoV-2感染改变了患者口咽部微生物群的组成,引起局部微生物群的失调,这可能导致口腔病原体易位入肺,导致肺部合并感染。因此,COVID-19患者中口咽微生物组的变化可作为肺微生物组失调或潜在病原体在肺内入侵的非侵入性候选生物标志物。此外,该研究还表明COVID-19肺部合并感染的主要潜在病原体与COVID-19肺部合并感染相关,可用于指导COVID-19继发细菌感染的抗生素治疗。值得关注的是,该研究结果还表明有必要采取有效的口腔卫生措施和促进措施,以减少继发感染,特别是在COVID-19重症患者中。

研究团队

哈尔滨工业大学生命科学与技术学院黄志伟教授、哈工大附属黑龙江省医院马晟利教授为该研究论文的共同通讯作者,马晟利教授,哈工大生命学院张帆副教授、博士研究生周凤侠、哈工大附属黑龙江省医院李慧为该论文的并列第一作者。本项目受到黑龙江省科技厅应用技术研发项目、国家自然科学基金委、哈工大青年科学家工作室等基金的资助。

原文链接:

https://www.nature.com/articles/s41392-021-00614-3

关于MGISEQ-2000

MGISEQ-2000是华大智造在2017年推出的一款高通量测序平台,也是目前市面上综合实力最强的机型之一。该机型采用双载片系统,能够灵活支持多种不同的测序模式,为使用者提供更多元化的选择。同时,MGISEQ-2000采用优化设计的光学及生化系统,能够在较短时间内完成完整的测序流程,其单次运行能够完成最大600G的下机数据,在 PE100读长模式下满负荷运行仅需不到48小时,一年的运行通量相当于1000个以上人全基因组数据量。目前,华大智造MGISEQ-2000已广泛应用于包括科学研究、临床医学、农业、公安司法、环境工程等在内的多个领域,实现了医疗和科研领域高通量测序系统的全面普及。

参考文献:

1. Ma, S., Zhang, F., Zhou, F. et al. Metagenomic analysis reveals oropharyngeal microbiota alterations in patients with COVID-19. Sig Transduct Target Ther 6, 191 (2021).
2. Dong, E., Du, H. & Gardner, L. An interactive web-based dashboard to track COVID-19 in real time. Lancet Infect. Dis. 20, 533–534 (2020).
3. Man, W. H., Piters, W. A. S. & Bogaert, D. The microbiota of the respiratory tract: gatekeeper to respiratory health. Nat. Rev. Microbiol. 15, 259–270 (2017).

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来源: 测序中国 | 作者:小鹿-先森
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