Almost immediately after a human being is born, so too is a new microbial ecosystem, one that resides in that person's gastrointestinal tract. Although it is a universal and integral part of human biology, the temporal progression of this process, the sources of the microbes that make up the ecosystem, how and why it varies from one infant to another, and how the composition of this ecosystem influences human physiology, development, and disease are still poorly understood. As a step toward systematically investigating these questions, we designed a microarray to detect and quantitate the small subunit ribosomal RNA (SSU rRNA) gene sequences of most currently recognized species and taxonomic groups of bacteria. We used this microarray, along with sequencing of cloned libraries of PCR-amplified SSU rDNA, to profile the microbial communities in an average of 26 stool samples each from 14 healthy, full-term human infants, including a pair of dizygotic twins, beginning with the first stool after birth and continuing at defined intervals throughout the first year of life. To investigate possible origins of the infant microbiota, we also profiled vaginal and milk samples from most of the mothers, and stool samples from all of the mothers, most of the fathers, and two siblings. The composition and temporal patterns of the microbial communities varied widely from baby to baby. Despite considerable temporal variation, the distinct features of each baby's microbial community were recognizable for intervals of weeks to months. The strikingly parallel temporal patterns of the twins suggested that incidental environmental exposures play a major role in determining the distinctive characteristics of the microbial community in each baby. By the end of the first year of life, the idiosyncratic microbial ecosystems in each baby, although still distinct, had converged toward a profile characteristic of the adult gastrointestinal tract.

Significance The human indigenous microbial communities (microbiota) play critical roles in health and may be especially important for mother and fetus during pregnancy. Using a case-control cohort of 40 women, we characterized weekly variation in the vaginal, gut, and oral microbiota during and after pregnancy. Microbiota membership remained relatively stable at each body site during pregnancy. An altered vaginal microbial community was associated with preterm birth; this finding was corroborated by an analysis of samples from an additional cohort of nine women. We also discovered an abrupt change in the vaginal microbiota at delivery that persisted in some cases for at least 1 y. Our findings suggest that pregnancy outcomes might be predicted by features of the microbiota early in gestation.

Background Preterm delivery causes substantial neonatal mortality and morbidity. Unrecognized intra-amniotic infections caused by cultivation-resistant microbes may play a role. Molecular methods can detect, characterize and quantify microbes independently of traditional culture techniques. However, molecular studies that define the diversity and abundance of microbes invading the amniotic cavity, and evaluate their clinical significance within a causal framework, are lacking. Methods and Findings In parallel with culture, we used broad-range end-point and real-time PCR assays to amplify, identify and quantify ribosomal DNA (rDNA) of bacteria, fungi and archaea from amniotic fluid of 166 women in preterm labor with intact membranes. We sequenced up to 24 rRNA clones per positive specimen and assigned taxonomic designations to approximately the species level. Microbial prevalence, diversity and abundance were correlated with host inflammation and with gestational and neonatal outcomes. Study subjects who delivered at term served as controls. The combined use of molecular and culture methods revealed a greater prevalence (15% of subjects) and diversity (18 taxa) of microbes in amniotic fluid than did culture alone (9.6% of subjects; 11 taxa). The taxa detected only by PCR included a related group of fastidious bacteria, comprised of Sneathia sanguinegens, Leptotrichia amnionii and an unassigned, uncultivated, and previously-uncharacterized bacterium; one or more members of this group were detected in 25% of positive specimens. A positive PCR was associated with histologic chorioamnionitis (adjusted odds ratio [OR] 20; 95% CI, 2.4 to 172), and funisitis (adjusted OR 18; 95% CI, 3.1 to 99). The positive predictive value of PCR for preterm delivery was 100 percent. A temporal association between a positive PCR and delivery was supported by a shortened amniocentesis-to-delivery interval (adjusted hazard ratio 4.6; 95% CI, 2.2 to 9.5). A dose-response association was demonstrated between bacterial rDNA abundance and gestational age at delivery (r2 = 0.42; P<0.002). Conclusions The amniotic cavity of women in preterm labor harbors DNA from a greater diversity of microbes than previously suspected, including as-yet uncultivated, previously-uncharacterized taxa. The strength, temporality and gradient with which these microbial sequence types are associated with preterm delivery support a causal relationship.

Citation DiGiulio DB, Romero R, Kusanovic JP, Gómez R, Kim CJ, Seok K, Gotsch F, Mazaki‐Tovi S, Vaisbuch E, Sanders K, Bik EM, Chaiworapongsa T, Oyarzún E, Relman DA. Prevalence and diversity of microbes in the amniotic fluid, the fetal inflammatory response, and pregnancy outcome in women with preterm pre‐labor rupture of membranes. Am J Reprod Immunol 2010; 64: 38–57 Problem The role played by microbial invasion of the amniotic cavity (MIAC) in preterm pre‐labor rupture of membranes (pPROM) is inadequately characterized, in part because of reliance on cultivation‐based methods. Method of study Amniotic fluid from 204 subjects with pPROM was analyzed with both cultivation and molecular methods in a retrospective cohort study. Broad‐range and group‐specific polymerase chain reaction (PCR) assays targeted small subunit ribosomal DNA (rDNA), or other gene sequences, from bacteria, fungi, and archaea. Results were correlated with measurements of host inflammation, as well as pregnancy and perinatal outcomes. Results The prevalence of MIAC was 34% (70/204) by culture, 45% (92/204) by PCR, and 50% (101/204) by both methods combined. The number of bacterial species revealed by PCR (44 species‐level phylotypes) was greater than that by culture (14 species) and included as‐yet uncultivated taxa. Some taxa detected by PCR have been previously associated with the gastrointestinal tract (e.g., Coprobacillus sp.), the mouth (e.g., Rothia dentocariosa ), or the vagina in the setting of bacterial vaginosis (e.g., Atopobium vaginae ). The relative risk for histologic chorioamnionitis was 2.1 for a positive PCR [95% confidence interval (CI), 1.4–3.0] and 2.0 for a positive culture (95% CI, 1.4–2.7). Bacterial rDNA abundance exhibited a dose relationship with gestational age at delivery ( R 2 = 0.26; P < 0.01). A positive PCR was associated with lower mean birthweight, and with higher rates of respiratory distress syndrome and necrotizing enterocolitis ( P < 0.05 for each outcome). Conclusion MIAC in pPROM is more common than previously recognized and is associated in some cases with uncultivated taxa, some of which are typically associated with the gastrointestinal tract. The detection of MIAC by molecular methods has clinical significance.

Significance Premature birth (PTB) is a major global public health burden. Previous studies have suggested an association between altered vaginal microbiota composition and PTB, although findings across studies have been inconsistent. To address these inconsistencies, improve upon our previous signature, and better understand the vaginal microbiota’s role in PTB, we conducted a case-control study in two cohorts of pregnant women: one predominantly Caucasian at low risk of PTB, the second predominantly African American at high risk. With the results, we were able to replicate our signature in the first cohort and refine our signature of PTB for both cohorts. Our findings elucidate the ecology of the vaginal microbiota and advance our ability to predict and understand the causes of PTB.

Abstract The vaginal ecosystem is closely tied to human health and reproductive outcomes. However, its dynamics in the wake of childbirth remain poorly characterized. Here, we profiled the vaginal microbiota and cytokine milieu of subjects sampled throughout pregnancy (two cohorts; n = 196 pregnancies) and, in a subset, for one year postpartum (one cohort; n = 72 pregnancies). Delivery was associated with a vaginal pro-inflammatory cytokine response and the depletion of dominant taxa – typically, Lactobacillus species. By contrast, neither the progression of gestation nor the approach of labor strongly altered the vaginal ecosystem. At ~9.5 months postpartum (the latest timepoint at which cytokines were analyzed), elevated inflammation was associated with vaginal bacterial communities that had remained perturbed (i.e., highly diverse) from the time of delivery. Using time-to-event analysis, we found that the one-year postpartum probability of transitioning to Lactobacillus dominance was 49.4% (95% confidence interval (CI) [33.6%, 61.5%]; n = 58 at-risk cases, 86.2% of whom experienced this state prior to delivery). As diversity and inflammation declined postpartum, dominance by L. crispatus , the quintessential health-associated state, failed to recover: its prevalence before, immediately after, and one year after delivery was 41%, 4%, and 9%, respectively. Over the same period, states quasi-dominated by non- Lactobacillus species grew more common. Prompted by these findings, we revisited our pre-delivery data, discovering that a history of prior live birth was associated with a lower odds of L. crispatus dominance in pregnant subjects (odds ratio (OR) 0.14; 95% CI [0.06, 0.32]; P < 0.001) – an outcome modestly tempered by a longer (>18-month) interpregnancy interval. Our results suggest that reproductive history and childbirth in particular remodel the vaginal ecosystem and that the timing and degree of recovery from delivery may help determine the subsequent health of the woman and of future pregnancies.

ABSTRACT Recent studies suggest that the microbiome has an impact on gestational health and outcome. However, characterization of the pregnancy-associated microbiome has largely relied on 16S rRNA gene amplicon-based surveys. Here, we describe an assembly-driven, metagenomics-based, longitudinal study of the vaginal, gut, and oral microbiomes in 292 samples from ten subjects sampled every three weeks throughout pregnancy. 1.53 Gb of non-human sequence was assembled into scaffolds, and functional genes were predicted for gene-and pathway-based analyses. Vaginal assemblies were binned into 97 draft quality genomes. Redundancy analysis (RDA) of microbial community composition at all three body sites revealed gestational age to be a significant source of variation in patterns of gene abundance. In addition, health complications were associated with variation in community functional gene composition in the mouth and gut. The diversity of Lactobacillus iners -dominated communities in the vagina, unlike most other vaginal community types, significantly increased with gestational age. The genomes of co-occurring Gardnerella vaginalis strains with predicted distinct functions were recovered in samples from two subjects. In seven subjects, gut samples contained strains of the same Lactobacillus species that dominated the vaginal community of that same subject, and not other Lactobacillus species; however, these within-host strains were divergent. CRISPR spacer analysis suggested shared phage and plasmid populations across body sites and individuals. This work underscores the dynamic behavior of the microbiome during pregnancy and suggests the potential importance of understanding the sources of this behavior for fetal development and gestational outcome.