microbiome in nicu -...

6
7/10/16 1 Máximo Vento MD PhD University & Polytechnic Hospital La Fe Health Research InsCtute La Fe Division of Neonatology Research presented in this conference has been funded by the RETIC RED SAMID (INSTITUTO CARLOS III; SPANISH MINISTRY OF ECONOMY) RD08/0072/0026 & RD12/0026/0012 & FEDER FUNDS EU F E D E R Gut Microbiome in the NICU POZNAN 2016 2 Gut microbiome The human microbiome is a complex system of many microbial communiCes inhabiCng a diversity of environmental niches throughout the human body. The human gastrointesCnal tract is inhabited by a complex and dynamic populaCon of around 500– 1000 different microbial species. It houses at least 160 such species from a consorCum of 1000 to 1150 prevalent bacterial species whose collecCve genome (“microbiome”) contains at least 100 Cmes as many genes as the human genome. POZNAN 2016 3 Collado MC et al Gut Microbes 2012 Gut microbiome The human gut microbiota is an important environmental factor for human health, having evoluConarily conserved roles in the metabolism, immunity, development, and behavior of the host. From an ecological point of view, colonizaCon of the infant’s gut represents the de novo assembly of a microbial community and is influenced by dietary and medical factors. POZNAN 2016 4 Bäckhead F et al Cell Host & Microbe 2015 Gut microbiome TradiConal culturebased techniques cannot culture the majority of bacterial cells seen microscopically in feces. InnovaCve NON CULTURE techniques high throughput molecular techniques. Murgas Torrazza R et al Clin Perinatol 2013 POZNAN 2016 5 Gut microbiome Non Culture Techniques for Taxonomic IdenIficaIon of IntesInal Flora 16S rRNA sequencing V3/V4 AND V4/V5 regions. Shotgun (whole genome) approach: Illumina 454 Titanium (longer sequence reads) Murgas Torrazza R et al Clin Perinatol 2013 POZNAN 2016 6

Upload: others

Post on 15-Sep-2019

0 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: MICROBIOME IN NICU - NEONATUSneonatus.org/wp-content/uploads/2016/10/Neonatal-microbiota-in-the... · 7/10/16& 2 16S&rRNA454pyrosequencing POZNAN2016 7 Collado&MC&et&al&Pediatr&Res&2015&

7/10/16  

1  

Máximo  Vento  MD  PhD  University  &  Polytechnic  Hospital  La  Fe  

Health  Research  InsCtute  La  Fe  Division  of  Neonatology  

Research  presented  in  this  conference  has  been  funded  by  the    RETIC  RED  SAMID  (INSTITUTO  CARLOS  III;  SPANISH  MINISTRY  OF  ECONOMY)  

RD08/0072/0026  &  RD12/0026/0012  &  FEDER  FUNDS  EU    

F  E  D  E  R  

Gut  Microbiome  in  the  NICU  

POZNAN  2016   2  

Gut  microbiome  

•   The  human  microbiome  is  a  complex  system  of  many  microbial  communiCes  inhabiCng  a  diversity  of  environmental  niches  throughout  the  human  body.  

•   The  human  gastrointesCnal  tract  is  inhabited  by  a  complex  and  dynamic  populaCon  of  around  500–1000  different  microbial  species.  

•   It  houses  at  least  160  such  species  from  a  consorCum  of  1000  to  1150  prevalent  bacterial  species  whose  collecCve  genome  (“microbiome”)  contains  at  least  100  Cmes  as  many  genes  as  the  human  genome.  

POZNAN  2016   3  Collado  MC  et  al  Gut  Microbes  2012    

Gut  microbiome  

•  The  human  gut  microbiota  is  an  important  environmental  factor  for  human  health,  having  evoluConarily  conserved  roles  in  the  metabolism,  immunity,  development,  and  behavior  of  the  host.  

•  From  an  ecological  point  of  view,  colonizaCon  of  the  infant’s  gut  represents  the  de  novo  assembly  of  a  microbial  community  and  is  influenced  by  dietary  and  medical  factors.    

POZNAN  2016   4  Bäckhead  F  et  al  Cell  Host  &  Microbe  2015  

Gut  microbiome  

•  TradiConal  culture-­‐based  techniques  cannot  culture  the  majority  of  bacterial  cells  seen  microscopically  in  feces.  

•  InnovaCve  NON  CULTURE  techniques  high  throughput  molecular  techniques.    

 

 

Murgas  Torrazza  R  et  al  Clin  Perinatol  2013   POZNAN  2016   5  

Gut  microbiome  

Non  Culture  Techniques  for  Taxonomic  IdenIficaIon  of  IntesInal  Flora  •  16S  rRNA  sequencing  V3/V4  AND  V4/V5  regions.  •  Shotgun  (whole  genome)  approach:  –  Illumina    –  454  Titanium  (longer  sequence  reads)  

Murgas  Torrazza  R  et  al  Clin  Perinatol  2013   POZNAN  2016   6  

Page 2: MICROBIOME IN NICU - NEONATUSneonatus.org/wp-content/uploads/2016/10/Neonatal-microbiota-in-the... · 7/10/16& 2 16S&rRNA454pyrosequencing POZNAN2016 7 Collado&MC&et&al&Pediatr&Res&2015&

7/10/16  

2  

16S  rRNA  454  pyrosequencing  

POZNAN  2016  7  

Collado  MC  et  al  Pediatr  Res  2015  

Whole  genome  shotgun  sequencing  

POZNAN  2016   8  Collado  MC  et  al  Pediatr  Res  2015  

Gut  microbiome  

Studies  of  funcIonal  expression  of  the  IntesInal  Microbiome  •  Metagenomics  (profiling  intesCnal  microbiota,  DNA):  comparison  to  known  funcConal  expression  of  similar  sequences.  

•  Metabolomics:  metabolomic  profile  (metabolites)  associated  with  microbiota.  

•  Metaproteomics:  catalyCc  potenCal  of  microbiota  (Proteins)  

•  Metatranscriptomics:  microbiota  responses  to  environmental  changes  (RNA)  

Murgas  Torrazza  R  et  al  Clin  Perinatol  2013   POZNAN  2016   9  

Gut  microbiome  

POZNAN  2016   10  Murgas  Torrazza  R  et  al  Clin  Perinatol  2013  

Gut  microbiome  

POZNAN  2016   11  

PotenIal  biological  funcIons  &  metabolites  

Murgas  Torrazza  R  et  al  Clin  Perinatol  2013  

Gut  microbiome  

POZNAN  2016   12  Collado  MC  Gut  Microbes  2012  

Changes  in  gut  microbiome  predisposes  to  specific  condiIons  

Page 3: MICROBIOME IN NICU - NEONATUSneonatus.org/wp-content/uploads/2016/10/Neonatal-microbiota-in-the... · 7/10/16& 2 16S&rRNA454pyrosequencing POZNAN2016 7 Collado&MC&et&al&Pediatr&Res&2015&

7/10/16  

3  

Gut  microbiome  

POZNAN  2016   13  Collado  MC  et  al  Pediatr  Res  2015  

Factors  predisposing  to  changes  in  microbiome  equilibrium  

Gut  Microbiome  

•  Low  diversity  bacterial  ecosystem  •  Retarded  Bidifdobacterium  colonizaCon  •  High  prevalence  of  Staphylococcus,  Enterobacteriaceae,  

Enterococcaceae,  Lactobacillus,  Weissella.  •  Generalized  inflammatory  response  associated  with  the  

presence  of:  –   Enterobacter,  Enterococcus,  Lactobacillus,  Phtorhabdus,  Tannerella  

spp  –  Exacerbated  immune  response  impacCng  intesCnal  barrier  enhancing  

bacterial  translocaCon  and  risk  of  sepsis,  NEC  and  other  inflammatory  condiCons  

POZNAN  2016   14  Deitch  EA  Surgeon  2012  

Prematurity  and  Gut  Microbiome  CharacterisIcs  

Gut  Microbiome  

•  Sepsis  remains  one  of  the  most  common  causes  of  neonatal  morbidity  and  mortality  in  the  preterm  populaCon.  

•  EOS  occurs  in  1.5-­‐1.9%  of  VLBW  infant  and  LOS  in  20%  •  Mortality  approaches  18%  •  Most  common  pathogens  are  Coagulase-­‐negaCve  

Staphylococci  (CONS)  followed  by  gram-­‐negaCve  bacteria  are  the  most  frequently  idenCfied  pathogens.  

•  Dysbiosis  and  lower  microbial  diversity  are  associated  with  increased  risk  of  sepsis  and  NEC.    

POZNAN  2016   15  Madan  JC  et  al  ADC  FNE  2012  

Prematurity,  Gut  Microbiome  and  Sepsis   Sepsis  in  preterm  alters  gene  expression  and  microbiota  profiles  

AIM  •  To  analyze  gut  microbiota  and  mucosal  gene  expression  using  

non-­‐invasively  obtained  samples  to  provide  an  integraCve  perspecCve  of  host-­‐microbe  interacCons  in  neonatal  sepsis.  

DESIGN  •  ProspecCve  observaConal  cohort  case  control  study  in  the  

NICU  of  the  UP  Hospital  La  Fe  (Valencia).  •  Eligible  paCents  were  twin  pairs  ≤1500  g  •  SepCc  twin  was  considered  case  and  non-­‐sepCc  twin  control.  

POZNAN  2016   16  Cernada  M  et  al  Sci  Reports  2016  

Flow  diagram  

POZNAN  2016   17  Cernada  M  et  al  Sci  Reports  2016  

Eligible  twin  

Clinical  suspicion  of  sepsis/non  sepIc  control  

2  blood  cultures  

RNA  extracIon  and  hybridizaIon  (28000  annotated  genes)  Three  dimensional  unsupervised  PCA  (PRINCIPAL  COMPONENT  ANALYSIS)  

Unsupervised  hierarchical  clustering    FuncIonal  annotaIons,  upstream  regulators  &  signaling  pathways  

Microbial  diversity  and  composiIon  AssociaIon  between  microbes  and  neonatal  intesInal  gene  expression  

Feces  sampling  IsolaIon  of  EIC  

Sepsis  in  preterm  alters  gene  expression  and  microbiota  profiles  

POZNAN  2016   18  Cernada  M  et  al  Sci  Reports  2016  

CharacterisIcs  of  the  populaIon  

Page 4: MICROBIOME IN NICU - NEONATUSneonatus.org/wp-content/uploads/2016/10/Neonatal-microbiota-in-the... · 7/10/16& 2 16S&rRNA454pyrosequencing POZNAN2016 7 Collado&MC&et&al&Pediatr&Res&2015&

7/10/16  

4  

Sepsis  in  preterm  alters  gene  expression  and  microbiota  profiles  

ORGAN  or  SYSTEM  affected   SEPTIC  SYMPTOMS  CARDIOVASCULAR     Hypotension  (BP<5th  cenIle)  

Tachycardia  (HR>180  bpm)  Bradycardia  (HR<100  bpm)  Poor  perfusion  

TEMPERATURE  INSTABILITY   >38ºC  or  >36ºC  RESPIRATORY   Distress;  Apnoea,  Cyanosis  NEUROLOGICAL   Seizures;  hypotonia;  letargy  GASTROINTESTINAL   Abdominal  distension;  vomiIng;  

poor  feeding;  feeding  intolerance  

POZNAN  2016   19  Cernada  M  et  al  Sci  Reports  2016  

Suspicion  of  Clinical  Sepsis    

Sepsis  in  preterm  alters  gene  expression  and  microbiota  profiles  

POZNAN  2016   20  

PCA  of  the  gene  expression  of  EIC  SepCc:  red;  Non  sepCc:  green  

Unsupervised  hierarchical  cluster  analysis  for  significantly  regulated  genes  (p<0.05)  Upregulated:  red;  downregulated:  blue  

Cernada  M  et  al  Sci  Reports  2016  

Sepsis  in  preterm  alters  gene  expression  and  microbiota  profiles  

POZNAN  2016   21  Cernada  M  et  al  Sci  Reports  2016  

Pathway  Studio  Analysis  Protein-­‐Protein  interacIon  network  Genes  related  to  oxidaIve  stress    

Sepsis  in  preterm  alters  gene  expression  and  microbiota  profiles  

POZNAN  2016   22  Cernada  M  et  al  Sci  Reports  2016  

Pathway  Studio  Analysis  Protein-­‐Protein  interacIon  network  Genes  related  to  NFkB  and  NrF2    

Sepsis  in  preterm  alters  gene  expression  and  microbiota  profiles  

POZNAN  2016   23  Cernada  M  et  al  Sci  Reports  2016  

a)  Genes  related  to  cell  death  &  survival,  inflammatory  response  b)  Upstream  regulaIon:  evidence  of  acIvaIon  of  IL1B  pathways  

a   b  

Sepsis  in  preterm  alters  gene  expression  and  microbiota  profiles  

POZNAN  2016   24  Cernada  M  et  al  Sci  Reports  2016  

RelaIve  abundance  of  bacterial  distribuIon  at  class  level  in  the  Sepsis  and  Control  groups.  

Page 5: MICROBIOME IN NICU - NEONATUSneonatus.org/wp-content/uploads/2016/10/Neonatal-microbiota-in-the... · 7/10/16& 2 16S&rRNA454pyrosequencing POZNAN2016 7 Collado&MC&et&al&Pediatr&Res&2015&

7/10/16  

5  

Sepsis  in  preterm  alters  gene  expression  and  microbiota  profiles  

POZNAN  2016   25  Cernada  M  et  al  Sci  Reports  2016  

Conclusions  •  Gene  expression  of  EIC  in  sepCc  preterm  showed  an  

inducCon  of  inflammatory  and  oxidaCve  stress  pathways  in  the  gut  and  pro-­‐oxidant  profile.  

•  As  a  consequence  dysbiosis  in  the  gut  microbiota  with  predominance  of  Enterobacteria  and  reducCon  of  Bacteroides  and  Bifidobacterium  spp  was  reported.  

•  This  lead  to  a  global  reducCon  of  beneficial  anaerobic  bacteria.    

•  Sepsis  in  preterm  infants  induced  low-­‐grade  inflammaCon  and  oxidaCve  stress  in  the  gut  mucosa,  and  also  changes  in  the  gut  microbiota.    

•  This  study  highlights  the  role  of  inflammaCon  and  oxidaCve  stress  in  neonatal  sepsis  on  gut  microbial  profiles.  

POZNAN  2016   26  Cernada  M  et  al  Sci  Reports  2016  

Gut  microbiome  &  NEC  

•  PRENATAL  FACTORS  –  PCR-­‐  based  studies  reveal  microbial  invasion  of  the  amnioCc  cavity  in  fetal  life  especially  CulCvaCon-­‐resistant  anaerobes  Fusobacteriaceae  are  prevalent.  

– An  associaCon  between  PCR  posiCve  microbes  and  preterm  birth  has  been  assessed.  

– Microbial  DNA  present  in  meconium  (swallowed  AF)  may  trigger  intesCnal  inflammaCon  in  utero  and  exposure  to  TLR  agonists  may  tolerize  for  further  inflammatory  sCmuli.  

POZNAN  2016   27  Di  Julio  DB  et  al  J  Perinatol  2010  

Gut  microbiome  &  NEC  

•  POSTNATAL  FACTORS:  C-­‐secIon  vs.  vaginal  – Vaginal  à  Lactobacillus    – C-­‐secCon  à  Staphylococcus;  Acinetobacter  –  Increased  incidence  of:  •  Type  1  diabetes  •  Allergic  diseases  (asthma,  riniCs,  atopic  dermaCCs)  •  Crohn’s  disease  •  MulCple  sclerosis  

– Not  associated  with  NEC!  

POZNAN  2016   28  Dominguez  Bello  MG  et  al  Gastroenterology  2011  

Gut  microbiome  and  NEC  

•  POSTNATAL  FACTORS:  HM  vs.  formula  – Beneficial  factors  in  HM  reduce  the  incidence  of  NEC.  

– HM  fed  have  predominance  of  Firmicutes  (Lactobacillus,  Bacteroides,  AcCnobacteria)  

– FORMULA  fed  have  predominance  of  Proteobacteria  (E  Coli,  Clostridia,  Staphylococcus)  

– Human  milk  significantly  reduces  clinical  NEC  (50%)  and  surgical  NEC  (90%)  (NNT=10)  

POZNAN  2016   29  Le  Huerou-­‐Luron  I  et  al  Nutr  Res  Rev  2010  

Gut  microbiome  &  NEC  

•  POSTNATAL  FACTORS:  AnIbioIcs  – Reduces  de  diversity  of  intesCnal  microbiota  – Delays  colonizaCon  of  beneficial  bacteria  – PotenCally  predisposes  to  NEC  and/or  death  

POZNAN  2016   30  Le  Huerou-­‐Luron  I  et  al  Nutr  Res  Rev  2010  

Page 6: MICROBIOME IN NICU - NEONATUSneonatus.org/wp-content/uploads/2016/10/Neonatal-microbiota-in-the... · 7/10/16& 2 16S&rRNA454pyrosequencing POZNAN2016 7 Collado&MC&et&al&Pediatr&Res&2015&

7/10/16  

6  

Gut  microbiome  &  NEC  

POZNAN  2016   31  Murgas  Torrazza  R  et  al  Clin  Perinatol  2013  

Gut  microbiome  &  NEC  

•  IntesCnal  microbiota  exists  in  a  commensal  or  symbioCc  relaConship  with  the  host;  however  in  preterm  this  relaCon  needs  to  develop.  

•  AlteraCons  of  the  microbiota  in  preterm  favors  NEC.  •  ComposiCon  of  microbiota  depends  on  perinatal  factors,  type  of  delivery,  feeding  and  anCbioCcs.  

•  New  molecular  technologies  are  capable  of  idenCfying  specific  organisms  not  detectable  by  classical  microbiological  techniques.  

•  This  novel  approach  has  enhanced  our  understanding  of  the  microbial  environment  that  may  predispose  to  NEC.  

POZNAN  2016   32  Murgas  Torrazza  R  et  al  Clin  Perinatol  2013