The origin of the first colonizers of the human infant gut

Abstract

Several discoveries have unraveled the correlation of the human gut microbiota with both diseases and health. The first colonizers of the infant’s gut are crucial for gut microbiota development, immune system, and health later in life. Microbes are shared between mother and child. Hence, it is unclear whether the colonization starts inside the uterus or after the rapture of the amniotic membrane. There still lacks detailed information about the time and mechanisms for bacterial transfer and whether the transmitted bacteria stable colonizes the gut. Previous studies have shown association of Bacteroides in mother-child pairs. Thereby, this study aimed to identify the direct mother-child transmission of Bacteroides species. Meconium samples from 464 newborns were screened for Bacteroides. For the Bacteroides-positive infants (n=51), the bacterial composition was analyzed in meconium and from skin samples. In addition, their respective mother’s stool was screened (n=48). The overlap of Bacteroides was investigated in 48 mother-child pairs. The samples included in this study were received from the PreventADALL cohort. The bacterial composition in stool and on the skin was studied by multilocus sequence typing (MLST), 16S rRNA sequencing, and quantitative PCR. Further amplicon sequence variant (ASV) profiles were used to study the overlap in the Bacteroides species in mothers and children. Bacteroides were present in meconium, on newborn’s skin, and in mother’s stool. Bacteroides vulgatus was the predominant species. Several species of Bacteroides were observed in mother-children pairs and B. vulgatus has a significant (p<0.05) association between mother and infant. The ASV profiles indicated the presence of one abundant sequence variant of B. vulgatus. All Bacteroides-positive infants were delivered vaginally. B. vulgatus discovered in infants was directly linked to the mother’s stool, which may indicate her gut is an important plausible reservoir of the initial colonizers of the infant’s gut. In conclusion, B. vulgatus is transferred from mother to child, and one sequence variant of this species was predominant in the pairs. The increase in content of B. vulgatus in three days indicates the ability of B. vulgatus to proliferate in the gut. In addition, the amount of B. vulgatus was significantly (p<0.05) higher compared to most other Bacteroides species. These findings point towards that B. vulgatus possibly form stable colonies in infants’ gut. Further research is essential to investigate if the sequence variant of B. vulgatus is stable in the gut over a longer time period and if the transferred bacteria perform important functions for the development of the gut microbiota and the immune system.

Flere studier har avdekket korrelasjon mellom menneskets tarmmikrobiota med sykdom og helse. De første koloniserende mikrobene i nyfødtes tarm er essensielt for utviklingen av tarmmikrobiotaen, immunsystemet og helse senere i livet. Mikrober overføres fra mor til barn. Det er likevel uklart om koloniseringen starter når barnet er inni livmoren, eller om det skjer når fostervannsmembranen er brutt. Det mangler fortsatt detaljert informasjon om tidspunkt og mekanismene for bakteriell overføring, og om de overførte bakteriene stabilt koloniserer tarmen. Tidligere studier har vist en sammenheng av Bacteroides i mor-barn par. Derfor er målet med denne studien å identifisere direkte mor-barn overføring av Bacteroides-arter. Mekonium (barnebek) fra 464 nyfødte ble screenet for Bacteroides. For de Bacteroides-positive barna (n=51), ble den bakterielle komposisjonen analysert i mekonium og fra hudprøver. I tillegg ble avføringsprøven fra deres respektive mødre screenet (n=48). Overlapp av Bacteroides ble studert i 48 mor-barn par. Prøvene inkludert i denne studien er en del av «PreventADALL» kohorten. Den bakterielle komposisjonen i avføring og på hud ble studert ved multilokus sekvensering (MLST), 16S rRNA sekvensering og kvantitativ PCR. Videre ble amplikon sekvensvariant (ASV) profiler brukt for å studere overlapp av Bacteroides-arter hos mødre og hennes barn. Bacteroides-arter ble påvist i de nyfødtes mekonium, deres hud, og i avføringsprøvene hos deres mødre. Bacteroides vulgatus var den dominerende arten. Flere Bacteroides-arter ble observert i mor-barn parene hvor B. vulgatus viste en signifikant (p<0.05) sammenheng mellom mødrene og hennes nyfødte barn. ASV profilene resulterte i en dominant sekvensvariant av B. vulgatus. Alle de Bacteroides-positive barna var født vaginalt. B. vulgatus hos de nyfødte var direkte linket til mødrenes avføring, noe som indikerer at morens tarm sannsynligvis er en viktig kilde for de første koloniserende bakteriene i nyfødtes tarm. Konklusjonen er at B. vulgatus overføres fra mor til barn, og at en sekvensvariant av denne arten ser ut til å dominere i mor-barn parene. I mekonium ble det observert en økende mengde av B. vulgatus i en tidsperiode på tre dager, noe som indikerer evnen bakterien har til å formere seg i tarmen. I tillegg var mengden B. vulgatus signifikant høyere (p<0.05) sammenlignet med de fleste andre Bacteroides-arter. Dette peker mot at B. vulgatus selekteres for og kan danne stabile kolonier i nyfødtes tarm. Videre studier er nødvendig for å undersøke om sekvensvarianten av B. vulgatus er konsistent i tarmen over tid og om overførte bakterier utfører viktige funksjoner for videre utviklingen av tarmmikrobiotaen og immunsystemet.