Features of the oropharyngeal microbiota of healthy children and those with acute respiratory infections. A prospective single-center randomized study

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Background. The oropharyngeal microbiota is involved in the development of colonization resistance, affecting viral adhesion and metabolism. Any deviations in the stability of the environmental microbial niches of the oropharynx alter the local immune response and can trigger severe chronic somatic disorders.

Aim. To compare the composition of the microbiota of children during an episode of respiratory infection and healthy volunteers examined in different periods of convalescence. The obtained data can be used to predict the course of the disease, analyze the risk of complications, and assess the frequency of the diseases in the future.

Materials and methods. From 20.01.2022 to 23.12.2022, an open-label prospective single-center randomized comparative study was conducted, which included 120 children aged 5-10 who presented with symptoms of acute respiratory infection. The control group consisted of 15 asymptomatic children examined at different periods of convalescence. The study compared changes in the oral microbiota composition of patients and healthy children. The evaluation was performed using complete 16S rRNA gene sequencing on the Oxford Nanopore platform. Taxonometric analysis at the species and genera level was performed using the Knomics-Biota platform. The R programming language was used for statistical processing. In addition, the parameters of α- and β-diversity of the microbiota were assessed. The Chao1 and Shannon indices were calculated to assess α-diversity (diversity within one community). The Chao1 index is based on the number of species found in the sample and also rare species that are found only 1 or 2 times, thus preventing underestimation of diversity. The Shannon index includes both the number of species and their uniformity in the community. A change in the index indicates the dominance of one or more species. The following indicators were used to assess the β-diversity describing the differences between two microbiota samples at the species and genera level: Bray–Curtis dissimilarity (characterizing the ratios of common and different microorganisms between the samples) and the Aitchison distance (reflecting the differences in the proportions of microorganisms). In addition, the balance between the two groups of microorganisms was evaluated using the NearesBalance method, which characterizes the differences between the microbiota of the main and control groups.

Results. The results of our study show that during respiratory infection, the state of the oropharyngeal microbiota is characterized by an increase in α-diversity, which is associated with an increase in the proportion of species of Streptococcus salivarius, Streptococcus pneumoniae, Streptococcus pseudopneumoniae, Streptococcus pyogenes, Streptococcus thermophilus and A12 versus the proportion of Streptococcus mitis, Streptococcus oralis, Streptococcus gwangjuense, Streptococcus sanguinis, Streptococcus gordonii and FDAARGOS_192. In the control group, the oropharyngeal microbiota was divided into two clusters. The dominance of streptococci was observed in the first group (control), while the second group had a more uniform representation. Analysis of the changes in microbial communities in the main and control groups can show the stages of oral microbiota recovery after an acute respiratory infection episode.

Conclusion. More research is needed in the field of the oropharyngeal microbiome on a larger sample of healthy children, to standardize the communities of the oropharyngeal microbiota, to study the interaction within communities and with the body as a whole. Analysis of the impact of the microbiota on the frequency and course of respiratory infections and the rate of complications opens up new prospects in treating, rehabilitating, and preventing diseases. These research areas can contribute to improving children's health and quality of life and introducing new approaches into clinical practice.

About the authors

Irina S. Kuznetsova

Russian Medical Academy of Continuous Professional Education

Author for correspondence.
Email: doctor_irina_kuznetsova@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5164-682X

Assistant

Russian Federation, Moscow

Irina V. Berezhnaya

Russian Medical Academy of Continuous Professional Education

Email: doctor_irina_kuznetsova@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-2847-6268

Cand. Sci. (Med.)

Russian Federation, Moscow

Stanislav I. Koshechkin

Nobias Technologies LLC

Email: st.koshechkin@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-7389-0476

Cand. Sci. (Biol.)

Russian Federation, Moscow

Vladimir A. Romanov

Nobias Technologies LLC

Email: romanov@nobiastech.com
ORCID iD: 0000-0002-7540-5884

Clinical Research Manager

Russian Federation, Moscow

Tatyana A. Cherednikova

Children's City Polyclinic №140

Email: tcherednikova@list.ru
ORCID iD: 0009-0004-7784-7055

Chief Doctor

Russian Federation, Moscow

Irina N. Zakharova

Russian Medical Academy of Continuous Professional Education

Email: zakharova-rmapo@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-4200-4598

D. Sci. (Med.), Prof.

Russian Federation, Moscow

References

  1. Григорьевская З.В., Терещенко И.В., Казимов А.Э., и др. Микробиота полости рта и ее значение в генезе рака орофарингеальной зоны. Зло-качественные опухоли. 2020;10(3s1):54-9 [Grigorievskaia ZV, Tereshchenko IV, Kazimov AE, et al. Mikrobiota polosti rta i ee znacheniie v geneze raka orofaringealnoi zony. Malignant Tumours. 2020;10(3s1):54-9 (in Russian)]. doi: 10.18027/2224-5057-2020-10-3s1-54-59
  2. Бурбела Е.И., Волянская Л.А., Романюк Л.Б., Стеценко В.В. Сравнительный анализ колонизирующей микрофлоры ротоглотки у детей, больных ОРИ и бронхиальной астмой. Журнал Гродненского государственного медицинского университета. 2016;4:69-72 [Burbela EI, Volyanskaya LA, Romanyuk LB, Stetsenko VV. Sravnitelnyi analiz koloniziruiushchei mikroflory rotoglotki u detei, bolnykh ORI i bronkhialnoi astmoy. Zhurnal Grodnenskogo Gosudarstvennogo Meditsinskogo Universiteta. 2016;4:69-72 (in Russian)].
  3. Плотникова Е.Ю., Захарова Ю.В. Иммуномодулирующие эффекты пробиотиков. Медицинский Совет. 2020;(15):135-44 [Plotnikova EYu, Zakharova YuV. Immunomodulatory effects of probiotics. Medical Council. 2020;(15):135-44 (in Russian)]. doi: 10.21518/2079-701X-2020-15-135-144
  4. Гуров А.В., Юшкина М.А., Мужичкова А.В. Микробиоценоз-регулирующая терапия воспалительной патологии ротоглотки. Вестник оториноларингологии. 2021;86(6):51-6 [Gurov AV, Yushkina MA, Muzhichkova AV. Microbiocenosis-regulating therapy of inflammatory pathology of the oropharynx. Russian Bulletin of Otorhinolaryngology. 2021;86(6):51-6 (in Russian)]. doi: 10.17116/otorino20218606151
  5. Бурмистрова А.Л., Филиппова Ю.Ю., Нохрин Д.Ю., Тимофеева А.В. Микробный социум экологической ниши: ротовая полость здоровых детей. Инфекция и иммунитет. 2018;8(1):54-60 [Burmistrova AL, Filippova YuYu, Nokhrin DYu, Timofeeva AV. Society of environmental niche: oral cavity of the healthy children. Infection and Immunity. 2018;8(1):54-60 (in Russian)]. doi: 10.15789/2220-7619-2018-1-54-60
  6. Габитова А.Э., Галынкин В.А. Биологические основы резистентности. Монография. СПб.: Проспект Науки, 2019 [Gabitova AE, Galynkin VA. Biologicheskiie osnovy rezistentnosti. Monografiia. Saint Petersburg: Prospekt Nauki, 2019 (in Russian)].
  7. Li X, Liu Y, Yang X, et al. The Oral Microbiota: Community Composition, Influencing Factors, Pathogenesis, and Interventions. Front Microbiol. 2022;13:895537. doi: 10.3389/fmicb.2022.895537
  8. Jacob KM, Reguera G. Competitive advantage of oral streptococci for colonization of the middle ear mucosa. Biofilm. 2022;4:100067. doi: 10.1016/j.bioflm.2022.100067
  9. Zaslavskaya MI, Makhrova TV, Aleksandrova NA, et al. Prospects for Using Bacteriocins of Normal Microbiota in Antibacterial Therapy (Review). STM. 2019;11(3):136. doi: 10.17691/stm2019.11.3.17
  10. Gomez A, Nelson KE. The Oral Microbiome of Children: Development, Disease, and Implications Beyond Oral Health. Microb Ecol. 2017;73(2):492-503. doi: 10.1007/s00248-016-0854-1
  11. Lee KH, Foxman B, Kuan G, et al. The respiratory microbiota: associations with influenza symptomatology and viral shedding. Ann Epidemiol. 2019:37:51-6.e6. doi: 10.1016/j.annepidem.2019.07.013
  12. Dinwiddie DL, Denson JL, Kennedy JL. Role of the Airway Microbiome in Respiratory Infections and Asthma in Children. Pediatr Allergy Immunol Pulmonol. 2018;31(4):236-40. doi: 10.1089/ped.2018.0958
  13. Куликова Н.Г., Плоскирева А.А., Акимкин В.Г. Микробиоценоз кишечника с позиции теории саморегуляции. Медицинский оппонент. 2022;3(19):14-20 [Kulikova NG, Ploskireva AA, Akimkin VG. Mikrobiotsenoz kishechnika s pozitsii teorii samoreguliatsii. Meditsinskii Opponent. 2022;3(19):14-20 (in Russian)].
  14. Willis JR, González-Torres P, Pittis AA, et al. Citizen science identifies two major “stomatotypes” in the adolescent oral microbiome and reveals associations with drinking water habits and composition. Microbiome. 2018;6:218. DOI:10/1186/s40168-018-0592-3
  15. Rothman JA, Riis JL, Hamilton KR, et al. Oral microbial communities in children, caregivers, and associations with salivary biomeasures and environmental tobacco smoke exposure. mSystems. 2023;8(4):e0003623. doi: 10.1128/msystems.00036-23
  16. Walker AW, Hoyles L. Human microbiome myths and misconceptions Microbiol. 2023;8(8):1392-6. doi: 10.1038/s41564-023-01426-7
  17. Wang B, Cleary PP. Intracellular Invasion byStreptococcus pyogenes: Invasins, Host Receptors, and Relevance to Human Disease. Microbiol Spectr. 2019;7(4). doi: 10.1128/microbiolspec.GPP3-0049-2018
  18. Пикуза О.И., Закирова А.М., Воленюк Е.В., и др. Функциональный потенциал колонизационной защиты буккальных эпителиоцитов как индикатор клинического течения заболеваний респираторного тракта. Практическая медицина. 2023;21(1):76-80 [Pikuza OI, Zakirova AM, Volenyuk EV, et al. Funktsionalnyi potentsial kolonizatsionnoi zashchity bukkalnykh epiteliotsitov kak indikator klinicheskogo techeniya zabolevanii respiratornogo trakta. Prakticheskaia Meditsina. 2023;21(1):76-80 (in Russian)]. DOI:10.32000.2072-1757-2023-1-76-80
  19. Kitten T, Munro CL, Zollar NQ, et al. Oral streptococcal bacteremia in hospitalized patoents :taxonomic identification and clinical characterization. J Clin Microbiol. 2012;50:1039-42.
  20. Libertucci J, Young VB. The role of the microbiota in infectious diseases. Nat Microbiol. 2019;4(1):35-45. doi: 10.1038/s41564-018-0278-4
  21. Дубинин С.И., Зайцев А.В., Ваценко А.В., и др. Межмикробные взаимодействия орального биотопа. Медицинские новости Грузии. 2020;2(299):131-6 [Dubinin SI, Zaitsev AV, Vatsenko AV, et al. Intermicrobial interactions of the oral biotope.Georgian Medical News. 2020;2(299):131-6 (in Russian)].
  22. Детушева Е.В., Слукаин П.В., Фурсова Н.К. Молекулярно-генетические методы изучения биопленок микроорганизмов. Бактериология .2020;5(2):49-55 [Detusheva EV, Slukain PV, Fursova NK. Molekuliarno-geneticheskiie metody izucheniia bioplenok mikroorganizmov. Bakteriologiia .2020;5(2):49-55 (in Russian)]. doi: 10.20953/2500-2020-2-49-55
  23. Wang H, Dai W, Feng X, et al. Microbiota Composition in Upper Respiratory Tracts of Healthy Children in Shenzhen, China, Differed with Respiratory Sites and Ages Biomed Res Int. 2018:2018:6515670. doi: 10.1155/2018/6515670
  24. Феклисова Л.В., Хадисова М.К., Каражас М.К., и др. Пневмоцистная инфекция у часто болеющих детей: что важно учесть. StatusPraesens. Педиатрия и неонатология. 2020;2(68):30-7 [Feklisova LV, Khadisova MK, Karazhas MK, et al. Pnevmotsistnaia infektsiia u chasto boleyushchikh detei: chto vazhno uchest’. StatusPraesens. Pediatriia i Neonatologiia. 2020;2(68):30-7 (in Russian)].
  25. Sharma N, Bhatia S, Sodhi AS, Batra N. Oral microbiome and health. AIMS Microbiol. 2018;4(1):42-66.
  26. Курдюкова Т.И., Красноруцкая О.Н. Микробиом верхних дыхательных путей у детей раннего и дошкольного возраста. Педиатрия им. Г.Н. Сперанского. 2023;102(1):98-105 [Kurdiukova TI, Krasnorutskaia ON. Microbiome of the upper respiratory tract in infants and preschool children. Pediatria n.a. GN Speransky. 2023;102(1):98-105 (in Russian)]. doi: 10.24110/0031-403X-2023-102-1-98-105

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. Shannon index and the Chao1 index in the main group and the control group.

Download (48KB)
3. Fig. 2. β-Diversity represented by the Aitchison distance (bacterial proportions) and by the Bray–Curtis dissimilarity.

Download (85KB)
4. Fig. 3. Balance between groups of microbes: a – at the species level; b – at the genus level; c – among streptococcal species.

Download (55KB)
5. Fig. 4. Heat maps for the first and second control groups: a – at the species level; b – at the genera level; c – by streptococci proportions.

Download (433KB)
6. Fig. 5. Heat maps for groups of microbes, the balance between which distinguishes groups of samples of the first control, second control and main group: a, b – at the species level; c, d – by streptococci proportions.

Download (864KB)

Copyright (c) 2024 Consilium Medicum

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.
 


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».