2021年6月，最新一篇發表在Microbiome（IF=11.607）的文章（Microbiota long-term dynamics and prediction of acute graft-versus-host disease in pediatric allogeneic stem cell transplantation.）從共生功能體視點的角度對29名接受同種異體造血干細胞移植的兒童的腸道、口腔和鼻腔微生物群進行了綜合宿主微生物群分析。首次揭示了口腔和鼻子中的細菌可能預測急性移植物抗宿主病(aGvHD)。監測HSCT患者不同身體部位的微生物群，特別是通過移植前樣本的參與，可能具有預后價值，并有助于指導個性化治療策略。識別具有預測移植后aGvHD潛力的獨特細菌，可能為改進預防性臨床管理提供機會，包括對微生物群的調節。 

背景：在異種造血干細胞移植(allogeneic hematopoietic stem cell transplantation, allo-HSCT)中，供者來源的干細胞輸注被用于治療各種類型的血液病和非血液病。在異種造血干細胞移植患者中，移植后人體腸道菌群發生變化，這可能部分歸因于抗菌治療和調理方案。

隸屬于 隸屬于梭狀芽孢桿菌目丁酸生成菌在移植后早期的腸道中枯竭,而變形菌門和乳酸菌門(如腸球菌)豐度增加,可能由于缺乏丁酸時腸腔內的氧氣水平增加和抗菌素耐藥性所致。然而，到目前為止，HSCT患者的微生物群動態主要在HSCT后的第一個月進行詳細監測，而不是長期監測。因此，目前尚不清楚微生物群是否以及何時恢復到造血干細胞移植前類似微生物群落結構。

條件誘導的腸上皮通透性可促進細菌易位和菌血癥，被認為是急性移植物抗宿主病(aGvHD)發病機制的第一步。急性GvHD是同種異體造血干細胞移植的常見副作用，同種異體供體T細胞對宿主體內健康組織(包括腸道上皮)表現出細胞毒性活性。根據受影響器官的程度，急性GvHD的嚴重程度可分為四個等級:0級I表現為無或輕度，II級IV表現為中度至重度aGvHD。最近，研究表明較低的腸道微生物群多樣性與aGvHD和aGvHD死亡率相關，并且某些細菌類群在HSCT后可能參與促進aGvHD。然而，在HSCT之前的微生物群組成是否在預測可能的aGvHD嚴重程度方面具有預測價值尚未被檢驗，本研究對此進行了探討。

微生物群對宿主的適應性免疫系統如T細胞發揮免疫調節功能。例如，與擬桿菌屬和梭狀芽胞桿菌相關的人類共生腸道菌株可以在無菌小鼠中誘導T調節(Treg)細胞。最近的研究表明，功能不同的T細胞亞群，如輔助T細胞17 (TH17)和Treg細胞參與了aGVHD的發病機制。除腸道外的身體部位的微生物群，如口腔和鼻腔，也被認為參與免疫調節。我們之前曾提出，腸道微生物群與同種異體造血干細胞移植后的免疫細胞重建有關。然而，其他粘膜部位的微生物群是否受同種異體造血干細胞移植的影響，是否與aGvHD相關，是否與患者免疫系統的恢復相關，目前尚不清楚。

技術路線：

一、異種HSCT前后監測腸道、口腔和鼻腔微生物群和宿主免疫系統。

在1年的時間里，從29名兒童的10個時間點收集糞便樣本、口腔拭子和前鼻孔拭子:在HSCT前2次，HSCT當天，HSCT后1個月每周，以及HSCT后12個月的3個隨訪時間點(圖1)。通過16S rRNA基因譜測定這些樣本中的微生物群落動態。共對709份患者樣本(212份糞便樣本、248份口腔拭子和249份鼻拭子來自10個時間點)進行了鑒定。

發現移植前患者的微生物群落組成與健康對照不同；三個身體部位性在HSCT后微生物α多樣性下降；在一年中，微生物群落動態呈現出三個階段：第一階段(在檢查前和適應開始時的樣本)，第二階段(HSCT的第一天到第1個月)，第三階段(月+3到月+12)(圖1C)；第一階段和第三階段的樣本在口腔和鼻腔重疊，表明微生物群落可能從較晚的時間點恢復到與造血干細胞移植前類似的狀態。

A.29名兒童在進行異體造血干細胞移植前、移植時、移植后即刻以及后期隨訪時均進行了監測。監測患者的基線特征、臨床結果、免疫細胞計數以及炎癥和感染標志物。表S1(附加文件1)詳細描述了患者特征。宿主免疫系統參數與腸道、口腔和鼻腔微生物群的縱向動力學相關，這些微生物群在指定的時間點進行了評估。

B.每個身體部位HSCT前、移植時和移植后的細菌α多樣性以log10變換后的y軸顯示。星號表示時間點間的中值逆Simpson指數存在顯著差異。C. 相對于HSCT的時間點LDA分析。對于糞便樣本，HSCT后立即采集的樣本LDA評分為陽性。對于口腔和鼻腔樣本，在HSCT前和后期隨訪時間點樣本的LDA評分均為陽性

二、腸道微生物群落動態變化

確定每個個體部位12個最豐富的科。HSCT后，在腸內第II期Lachnospiraceae的豐度減少，從檢查前的13%減少到第1周的4.7%，然后在第III期開始的第3個月恢復到27.5%(圖2A)。同時，腸球菌科在II期的擴張(檢查前:6.1%;第1周:22.8%)和第二階段的乳酸菌科(預檢:2%;第3個月后，第三階段分別減少到0.2%和0.6%(圖2A)。LDA在腸道中顯示了19個支系(共102個ASVs)，這些支系在時間點上對樣品的分離效果最好(圖2B)。兩個最具鑒別能力且LDA系數為正的進化支系包括腸球菌科(Enterococcaceae)和乳酸桿菌科(Lactobacillaceae)的ASVs(圖2B)。從第3個月開始，它們的豐度再次下降到與預處理時間相當的水平(圖2C)。其中，ASV 78的數量最多，觀察頻率最高(圖2D)，其16S rRNA部分基因序列與wexlerae序列相似性較高。另一項PCA分析也支持這些發現(圖2E)。腸球菌科(Enterococcaceae)在II期樣品中更為豐富，Lachnospiraceae和Ruminococcaceae在I期和III期樣品中更為豐富(圖2E)。

三、放線菌和鏈球菌的不同譜系臨時區分口腔微生物群

tree-based sparse LDA在口腔中識別出了10個分支，共71個asv，沿第一軸的時間點分離樣本最好(圖3B)。asv的兩個最大的區分組隸屬于放線菌科和鏈球菌科(圖3B)。放線菌ASV 18(放線菌ASV 18)和鏈球菌ASV 28 (Streptococcus ASV 28)的ASV數量最多，且其16S rRNA部分基因序列分別與粘放線菌(放線菌)和鏈球菌(Streptococcus mitis)類群具有較高的序列相似性。另一種鑒別asv分別隸屬于普雷沃菌科(Prevotellaceae)和桿菌科(Bacillales Family XI) (Gemella spp.)。最豐富和最常觀察的ASV是黑色素原性普雷沃氏菌(ASV 42)和血Gemella sanguis (ASV 208)。同意相對豐富家庭動力學,這些演化支共享的模式損耗從HSCT的天或周+ 1起(二期),直到他們的豐度從+ 3月開始恢復(第三階段)(圖3 a、C)大量類似HSCT之前,作為Ruminococcaceae和腸道Lachnospiraceae觀察。另一項PCA分析也支持這些發現(圖3D)。例如，放線菌科、普雷沃氏菌科和桿菌科XI在第I期和第III期的樣本中比第II期的樣本更為豐富(圖3D)。

四、HSCT前通過腸道微生物組成預測急性GvHD 嚴重性

基于機器學習，hsct前腸道微生物群組成預測aGvHD嚴重程度。

A.在0級aGvHD患者中，12個最豐富的家族隨著時間的推移在腸道中的相對豐度。

B. svmLinear模型識別出的前20個預測腸道ASV的重要性圖，其重要性得分表明，如果將各自的ASV排除在模型之外，預測精度會平均下降。最終的交叉驗證svmLinear模型從腸ASVs preHSCT的豐度中預測了aGvHD (0 I vs II IV)，準確率為86% (95% CI: 65 - 97%)。通過Boruta特征選擇確認的asv用星號表示。

C.條件推理樹(CTREE)顯示asv被非參數回歸識別為有意義的分裂節點用于aGvHD預測。沿分枝的數目表明變異的分裂值穩定了細菌豐度。終端節點顯示來自aGvHD分級為0 I級和II IV級患者的樣本比例(n =樣本數量)。

D.箱形圖描述了在0級aGvHD患者和II級IV級患者移植前各時間點預測ASVs的log轉化相對豐度。在aGvHD 0級I和II級IV的患者中,乳酸菌科和Tannerellaceae ASVs的E軌跡通過基于樹的稀疏LDA識別，包括asv3和asv128，它們可以預測aGvHD(粗體線).

五、急性GvHD的嚴重程度可以在造血干細胞移植之前通過口腔微生物群的組成來預測

A.相對豐度:隨著時間的推移，在0級aGvHD患者的口腔中12個最豐富的家族。

B. svmLinear模型識別出的前20名口腔預測ASV的重要性圖，重要性分數表示剔除該ASV后，預測精度平均下降。最終的交叉驗證svmLinear模型從口服ASVs preHSCT的豐度中預測了aGvHD (0 I vs II IV)，準確率為92% (95% CI: 73 ~ 99%)。通過Boruta特征選擇確認的asv用星號表示。

C.條件推理樹(CTREE)顯示asv被非參數回歸識別為有意義的分裂節點用于aGvHD預測。沿分枝的數目表明變異的分裂值穩定了細菌豐度。終端節點顯示來自aGvHD分級為0 I vs II IV患者的樣本比例(n =代表樣本數量)。

D.箱形圖描述了在0 I級aGvHD患者和II IV級aGvHD患者移植前時間點預測ASVs的對數轉化相對豐度。在aGvHD 0級I和II級IV的患者中基于樹的稀疏LDA識別出普雷沃氏科和放線菌科ASVs的E軌跡，包括ASV 226和ASV 568，這些ASV 226和ASV 568可以預測aGvHD(粗體線).

六、急性GvHD的嚴重程度可以在造血干細胞移植前同時從所有三個身體部位的微生物群預測

在一個聯合模型中，來自所有三個身體部位的分類群都可以預測HSCT之前樣本的aGvHD嚴重程度(圖6)。該報道發現了7種預測性asv，其中2種來自腸道，1種來自口腔，1種來自鼻子，2種主要在口腔中發現，但也在鼻子中發現，1種主要在口腔中發現，但也在鼻子和腸道中發現(圖6A)。3個類群(副弧菌屬ASV_131、放線菌屬ASV_568和梭菌屬ASV_166)起源于后來發展為II級和IV級aGvHD的患者。一致地，這些asv的log-transformed相對豐度在檢查前、適應開始和HSCT當天，在aGvHD分級為II級和IV級的患者中大多高于那些表現為0級和I級的患者(圖6B)。所有七個分類單元都在CTREE回歸框架中從所有身體部位識別出來，在身體站點特異性支持向量機線性核(svmLinear)模型和/或Boruta特征選擇和/或CTREE回歸框架中也檢測到(圖6C)。