Environmental Exposures, Gut Microbiota and Child Health in Rural Malawi

Abstract

Lasten aliravitsemus on edelleen hyvin yleistä etenkin matalan tulotason ja keskitulon maissa. Aliravitsemus johtaa lisääntyneeseen sairastuvuuteen ja kuolleisuuteen lapsuudessa ja sillä on pitkäaikaisvaikutuksia, muun muassa lisääntynyt ei-tarttuvien tautien riski ja heikentynyt taloudellinen tuottavuus. Liian vähäisen ravinnonsaannin lisäksi tulehdustilat altistavat aliravitsemukselle. Sekä akuutit infektiot, että krooniset tulehdustilat voivat aiheuttaa aliravitsemusta vaikuttamalla aineenvaihduntaan ja kasvuhormonien toimintaan. Yleinen syy krooniselle tulehdustilalle aliravitsemuksen yhteydessä on ympäristöperäinen enteropatia, joka on subkliininen suolistotulehdus.

Tämän lisäksi suoliston mikrobiston on todettu vaikuttavan aliravitsemuksen syntyyn. Ensimmäiset elinvuodet ovat erityisen tärkeät mikrobiston kehityksen kannalta ja tänä aikana mikrobiston koostumus muuttuu nopeasti. Ympäristötekijöiden tiedetään vaikuttavan mikrobiston koostumukseen, mutta tarkempaa tietoa mikrobistoon vaikuttavista tekijöistä on vain vähän, varsinkin matalan tulotason maista. Suoliston mikrobiston on myös todettu olevan yhteydessä etenkin suoliston infektiosairauksiin. Lasten yleisen sairastuvuuden ja suoliston mikrobiston yhteyttä on kuitenkin tutkittu vain vähän. Ympäristöperäisen enteropatian oletetaan johtuvan huonon hygienian johdosta saaduista patogeenisistä bakteereista, jotka johtavat suoliston ja koko elimistön tulehdustilaan, sekä suoliston seinämän vaurioitumiseen ja epiteelin tiiviyden heikkenemiseen. Vaikka tiettyjen bakteerien yhteys ympäristöperäiseen enteropatiaan on todettu lukuisissa tutkimuksissa, suoliston mikrobiston ja ympäristöperäisen enteropatian yhteys on epäselvä.

Tämän tutkimuksen tavoite oli tutkia mahdollisia suoliston mikrobiston määrittäjiä, sekä yhteyttä mikrobiston ja lasten sairastuvuuden ja ympäristöperäisen enteropatian välillä populaatiossa, jossa lasten aliravitsemus on yleistä. Tässä tutkimuksessa käytetty data kerättiin osana iLiNS-DYAD –tutkimusta Malawin maaseudulla eteläisessä Afrikassa. iLiNS-DYAD:ssa tutkittiin maapähkinäpohjaisen lisäravinnon vaikutusta sikiöaikaiseen ja lasten kasvuun. Tutkimuksen aikana kerättiin sosioekonomista ja kliinistä dataa useina ajankohtina, lasten sairastuvuutta mittaavaa dataa kerättiin viikoittain syntymän ja 18 kuukauden iän välillä. Lisäksi ulostenäytteitä kerättiin 6, 12, 18 ja 30 kuukauden ikäisiltä lapsilta ja 16S rRNA sekvensointia käytettiin mikrobiston koostumuksen määritykseen. Mikrobiston koostumusta kuvaavat muuttujat olivat mikrobiston kypsyys, mikrobiston diversiteetti (Shannon Index), beetadiversiteetti mitattuna UniFrac-etäisyyksinä ja yksittäisten taksonomisten yksiköiden suhteellinen määrä. Ympäristöperäistä enteropatiaa mitattiin ulosteesta mitatuilla kalprotektiinin, alpha-1-antitrypsiinin ja REG1B:n –pitoisuuksilla.

Ympäristötekijöiden ja mikrobiston yhteyttä tutkivissa analyyseissä äitien koulutustaso oli kääntäen verrannollinen mikrobiston kypsyyteen ja diversiteettiin. Yhteyttä haitallisten ympäristötekijöiden ja alentuneen mikrobiston kypsyyden tai diversiteetin välillä ei havaittu. Vuodenaika oli yhteydessä UniFrac-etäisyyksiin ja useat ympäristötekijät, lähinnä vuodenaika, juomaveden lähde sekä sosioekonominen tausta olivat yhteydessä yksittäisten taksonomisten yksiköiden suhteelliseen määrään. Lasten sairastuvuus ei ollut johdonmukaisesti yhteydessä mikrobiston koostumukseen, mutta ripuli ulostenäytteen ottoa edeltävän kuukauden aikana oli käänteisesti verrannollinen mikrobiston kypsyyteen ja diversiteettiin 12 kuukauden iässä. Lisäksi ripuli oli yhteydessä UniFrac-etäisyyksiin 6 ja 12 kuukauden iässä ja suurempi mikrobiston kypsyys ja diversiteetti kuuden kuukauden iässä olivat yhteydessä vähäisempään kuumeen ilmaantumiseen. Mikrobiston kypsyys ja diversiteetti olivat käänteisesti verrannollisia kaikkiin kolmeen ympäristöperäistä enteropatiaa mittaavaan muuttujaan. Nämä muuttujat olivat myös yhteydessä UniFrac- etäisyyksiin 6 ja 30 kuukauden iässä ja useiden yksittäisten taksonomisten yksiköiden suhteelliseen määrään.

Yhteenvetona voidaan todeta, että tässä tutkimuspopulaatiossa, joka koostui eteläisessä Afrikassa maaseudulla elävistä nuorista lapsista, haitalliset ympäristötekijät eivät ole yhteydessä alentuneeseen mikrobiston kypsyyteen tai diversiteettiin. Mikrobiston koostumus tosin vaihtelee vuodenajan mukaan. Lasten sairastuvuus ei yleisesti ottaen ole yhteydessä mikrobiston koostumukseen, mutta ripuli saattaa vaikuttaa mikrobiston kypsyyteen, diversiteettiin ja yleiseen koostumukseen 12 kuukauden iässä tässä populaatiossa. Mikrobiston kypsyys ja diversiteetti ovat yhteydessä matalampiin ympäristöperäistä enteropatiaa mittavien muuttujien pitoisuuksiin ja nämä muuttujat ovat yhteydessä lukuisiin yksittäisiin taksonomisiin yksiköihin. On kuitenkin epäselvää, onko havaituissa yhteyksissä kyse syy-seuraussuhteista ja lisätutkimuksia tarvitaan näiden yhteyksien arvioimiseksi eri populaatioissa.

Childhood undernutrition remains a critical public health issue, especially in low- and middle-income countries. It leads to increased morbidity and mortality in childhood and has long-term consequences including an increased risk of non-communicable diseases and reduced economic productivity. Apart from inadequate nutrient intake, inflammation is a major underlying factor of childhood undernutrition. Both acute inflammation caused by infections and chronic inflammation can cause undernutrition through metabolic effects and disruptions of the growth-hormone axis. A common cause of chronic inflammation in populations affected by undernutrition is a subclinical inflammatory condition of the intestine called environmental enteric dysfunction (EED).

In addition, the composition of the gut microbiota has been implicated in the pathogenesis of different forms of undernutrition. The first years of life are a critical period for the development of the gut microbiota and its composition changes rapidly during this time. Environmental factors are known to influence the microbiota composition, but the exact determinants of gut microbiota, especially in low-income settings are poorly understood. Associations between gut microbiota and infectious diseases, especially gastrointestinal infections have also been reported. However, limited research has been conducted on the association between gut microbiota and general child morbidity. EED is thought to be caused by a high bacterial load and ingested pathogens, which lead to intestinal and systemic inflammation as well as intestinal damage and increased intestinal permeability. Though the role of bacteria as triggers of EED is supported by previous research, interactions between the commensal gut microbiota and EED are not well understood.

The aim of the research presented in this thesis was to study potential determinants of gut microbiota and associations between the microbiota and child morbidity and EED in a population with a high prevalence of childhood undernutrition. To this end, data collected during a nutrition intervention trial (iLiNS-DYAD) in rural Malawi were used. The main objective of the iLiNS-DYAD trial was to test the effect of a lipid-based nutrient supplement on fetal and child growth. During the trial, socioeconomic and clinical data were collected at various time points, including weekly data collection on child morbidity between birth and 18 months. Further, fecal samples were collected at 6, 12, 18 and 30 months and microbiota data were obtained from these samples through 16S rRNA sequencing. Microbiota variables used in the analyses included microbiota maturity, microbiota diversity measured by Shannon Index, beta diversity measured by UniFrac- distances and relative abundances of bacterial taxa. Fecal biomarkers of EED used in this study included calprotectin, alpha-1-antitrypsin and REG1B.

In analyses of environmental exposures and gut microbiota, maternal education was inversely associated with microbiota maturity and diversity and no inverse associations between adverse environmental exposures and microbiota maturity or diversity were found. Season of fecal sample collection was associated with UniFrac distances and several environmental exposures, mostly season, drinking water source and socioeconomic status were associated with relative abundances of individual taxa. Child morbidity was not consistently associated with microbiota outcomes, but diarrhea in the month preceding fecal sample collection was inversely associated with microbiota maturity and diversity at 12 months. Further, diarrhea was associated with UniFrac distances at 6 and 12 months and microbiota maturity and diversity at 6 months were inversely associated with subsequent fever incidence. Microbiota maturity and diversity were inversely associated with levels of all three EED-biomarkers studied. EED-biomarkers were also associated with UniFrac distances at 6 and 30 months and several associations with relative abundances of individual taxa were found.

In conclusion, in this population of young children in rural Southern Africa, adverse environmental exposures are not associated with impaired microbiota maturation or reduced diversity, but there seem to be seasonal changes in microbiota composition. Common morbidity symptoms are not generally associated with differences in microbiota composition, but diarrhea may influence the maturity, diversity and overall composition of the microbiota at 12 months in this population. Microbiota maturity and diversity are inversely associated with EED-biomarkers and there are several associations between EED biomarkers and relative abundances of individual bacterial taxa. However, it is unclear whether the observed findings are causal and further studies are needed to assess these associations in different populations.