Abstract

The human gut microbiota is comprised of a variety of microbes, such as bacteria, fungi, viruses, and archaea. Furthermore, the gut contains bacterial extracellular vesicles (bEVs), small particles secreted by bacteria. The health effects of the gut microbiota have been explored but it is yet unclear when the gut microbiota starts developing. The womb was earlier assumed to be sterile, but recent studies imply that the fetus may already be exposed to microbes in the womb. Colonization of the gut is usually assessed from the first-pass meconium, the first stool passed after birth, which is assumed to serve as a proxy for the fetal gut microbiota.

This cohort study of 513 mother-infant pairs was undertaken to elucidate the timing of gut microbiota development and factors affecting it. The first-pass meconium and later stool samples were collected from the infants and placenta and amniotic fluid from the mothers. 16S rRNA gene sequencing was performed to characterize the bacteriome and bEVs in the samples and internal transcribed spacer (ITS) gene sequencing to characterize the mycobiome. Questionnaires were used to collect information from the families on environmental and lifestyle conditions during pregnancy in order to assess the effect of prenatal factors on the microbial composition of the initial gut microbiota.

A detectable meconium bacteriome and mycobiome were characterized, but no detectable placenta or amniotic fluid microbiota could be identified. The meconium microbiota was mainly affected by birth factors, including the mode of delivery and use of intrapartum antibiotics. Prenatal factors had little effect on the composition of the meconium bacteriome. The bEVs characterized in the meconium were found to be unaffected by the birth factors. Birth factors affected gut mycobiome development in the infants at least until the age of 18 months.

It is concluded that the neonatal gut is probably colonized during birth, and that the birth factors influence its microbiota development even after birth. Future research is required to understand the health effects of the alteration of the gut microbiota by birth factors in early infancy and to develop therapies to restore a healthy gut microbiota and avoid adverse health effects at an early age.

Tiivistelmä

Ihmisen suoliston mikrobiomi koostuu monenlaisista mikrobeista, kuten bakteereista, sienistä, viruksista ja arkeista. Lisäksi suolisto sisältää bakteeriperäisiä ekstrasellulaarisia vesikkeleitä (bEV), jotka ovat pieniä partikkeleita, joita bakteerit erittävät. Suoliston mikrobiomin terveysvaikutuksia on tutkittu jo laajasti, mutta suoliston mikrobiomin alkuperää ei vielä tunneta tarkkaan. Aikaisemmin kohtua on pidetty sikiölle steriilinä kasvuympäristönä, mutta viimeaikainen tutkimus osoittaa, että sikiö saattaa altistua mikrobeille kohdussa. Suoliston kolonisointia on tutkittu lapsenpihkan eli mekoniumin, lapsen elämän ensimmäisen ulosteen avulla, jonka uskotaan kuvaavan sikiön suoliston mikrobiomia.

Tutkimus koostui 513 äiti-lapsiparin kohortista, ja tutkimuksen tarkoituksena oli havainnollistaa suoliston mikrobiomin kolonisointiaikaa sekä sen kehitykseen vaikuttavia tekijöitä. Keräsimme mekonium- ja ulostenäytteitä lapsilta sekä istukka- ja lapsivesinäytteitä äideiltä, ja suoritimme 16S rRNA -geenisekvensoinnin tutkimaan bakteriomia ja bEV:itä ja ITS-geenisekvensoinnin tutkimaan mykobiomia näytteissä. Lisäksi suoritimme kyselytutkimuksen perheille heidän elinympäristöstään ja elintavoistaan raskauden aikana tutkiaksemme prenataalisia ja synnytyksenaikaisia tekijöitä, jotka ovat voineet vaikuttaa varhaisen suoliston mikrobiomin kehitykseen.

Mekoniumista löytyi havaittava bakteriomi ja mykobiomi, mutta istukasta ja lapsivedestä havaittavaa mikrobiomia ei löytynyt. Mekoniumin mikrobiomiin vaikuttivat eritoten synnytyksenaikaiset tekijät, mukaan lukien synnytystapa ja synnytyksenaikaiset antibiootit. Prenataalisilla tekijöillä oli pieni vaikutus mekonium bakteriomiin. Löysimme myös mekoniumista bEV:itä, joihin synnytyksenaikaiset tekijät eivät vaikuttaneet. Lisäksi totesimme, että synnytyksenaikaiset tekijät vaikuttivat suoliston mykobiomin kehitykseen lapsilla vähintään 18 kk ikäisiksi asti.

Tämä tutkimus osoitti, että varhainen suoliston mikrobiomi todennäköisesti kehittyy syntymän aikana, ja synnytyksenaikaiset tekijät vaikuttavat mikrobiomin kehitykseen jopa syntymän jälkeen. Lisää tutkimuksia tarvitaan ymmärtämään synnytyksenaikaisten tekijöiden aiheuttaman suoliston mikrobiomin muutosten terveysvaikutukset sekä kehittämään hoitomuotoja terveellisen suoliston mikrobiomin tukemiseksi ja haitallisten terveysvaikutusten ehkäisemiseksi.

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon. / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

1. Turunen, J., Tejesvi, M. V., Paalanne, N., Hekkala, J., Lindgren, O., Kaakinen, M., Pokka, T., Kaisanlahti, A., Reunanen, J., & Tapiainen, T. (2021). Presence of distinctive microbiome in the first-pass meconium of newborn infants. Scientific Reports, 11(1), 19449. https://doi.org/10.1038/s41598-021-98951-4

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

2. Turunen, J., Tejesvi, M. V., Paalanne, N., Pokka, T., Amatya, S. B., Mishra, S., Kaisanlahti, A., Reunanen, J., & Tapiainen, T. (2023). Investigating prenatal and perinatal factors on meconium microbiota: a systematic review and cohort study. Pediatric Research. Advance online publication. https://doi.org/10.1038/s41390-023-02783-z

3. Turunen, J., Tejesvi, M. V., Suokas, M., Virtanen, N., Paalanne, N., Kaisanlahti, A., Reunanen, J., & Tapiainen, T. (2023). Bacterial extracellular vesicles in the microbiome of first-pass meconium in newborn infants. Pediatric Research, 93(4), 887–896. https://doi.org/10.1038/s41390-022-02242-1

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

4. Turunen, J., Paalanne, N., Reunanen, J., Tapiainen, T., & Tejesvi, M. V. (2023). Development of gut mycobiome in infants and young children: a prospective cohort study. Pediatric Research, 94(2), 486–494. https://doi.org/10.1038/s41390-023-02471-y

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version