Kwashiorkor, an enigmatic form of severe acute malnutrition, is the consequence of inadequate nutrient intake plus additional environmental insults. To investigate the role of the gut microbiome, we studied 317 Malawian twin pairs during the first 3 years of life. During this time, half of the twin pairs remained well nourished, whereas 43% became discordant, and 7% manifested concordance for acute malnutrition. Both children in twin pairs discordant for kwashiorkor were treated with a peanut-based, ready-to-use therapeutic food (RUTF). Time-series metagenomic studies revealed that RUTF produced a transient maturation of metabolic functions in kwashiorkor gut microbiomes that regressed when administration of RUTF was stopped. Previously frozen fecal communities from several discordant pairs were each transplanted into gnotobiotic mice. The combination of Malawian diet and kwashiorkor microbiome produced marked weight loss in recipient mice, accompanied by perturbations in amino acid, carbohydrate, and intermediary metabolism that were only transiently ameliorated with RUTF. These findings implicate the gut microbiome as a causal factor in kwashiorkor.

Summary

Background

 Most studies of the causes of diarrhoea in low-income and middle-income countries have looked at severe disease in people presenting for care, and there are few estimates of pathogen-specific diarrhoea burdens in the community. 

Methods

 We undertook a birth cohort study with not only intensive community surveillance for diarrhoea but also routine collection of non-diarrhoeal stools from eight sites in South America, Africa, and Asia. We enrolled children within 17 days of birth, and diarrhoeal episodes (defined as maternal report of three or more loose stools in 24 h, or one loose stool with visible blood) were identified through twice-weekly home visits by fieldworkers over a follow-up period of 24 months. Non-diarrhoeal stool specimens were also collected for surveillance for months 1–12, 15, 18, 21, and 24. Stools were analysed for a broad range of enteropathogens using culture, enzyme immunoassay, and PCR. We used the adjusted attributable fraction (AF) to estimate pathogen-specific burdens of diarrhoea. 

Findings

 Between November 26, 2009, and February 25, 2014, we tested 7318 diarrhoeal and 24 310 non-diarrhoeal stools collected from 2145 children aged 0–24 months. Pathogen detection was common in non-diarrhoeal stools but was higher with diarrhoea. Norovirus GII (AF 5·2%, 95% CI 3·0–7·1), rotavirus (4·8%, 4·5–5·0), Campylobacter spp (3·5%, 0·4–6·3), astrovirus (2·7%, 2·2–3·1), and Cryptosporidium spp (2·0%, 1·3–2·6) exhibited the highest attributable burdens of diarrhoea in the first year of life. The major pathogens associated with diarrhoea in the second year of life were Campylobacter spp (7·9%, 3·1–12·1), norovirus GII (5·4%, 2·1–7·8), rotavirus (4·9%, 4·4–5·2), astrovirus (4·2%, 3·5–4·7), and Shigella spp (4·0%, 3·6–4·3). Rotavirus had the highest AF for sites without rotavirus vaccination and the fifth highest AF for sites with the vaccination. There was substantial variation in pathogens according to geography, diarrhoea severity, and season. Bloody diarrhoea was primarily associated with Campylobacter spp and Shigella spp, fever and vomiting with rotavirus, and vomiting with norovirus GII. 

Interpretation

 There was substantial heterogeneity in pathogen-specific burdens of diarrhoea, with important determinants including age, geography, season, rotavirus vaccine usage, and symptoms. These findings suggest that although single-pathogen strategies have an important role in the reduction of the burden of severe diarrhoeal disease, the effect of such interventions on total diarrhoeal incidence at the community level might be limited. 

Funding

 Bill & Melinda Gates Foundation.

Summary

Background

 Diarrhoea is the second leading cause of mortality in children worldwide, but establishing the cause can be complicated by diverse diagnostic approaches and varying test characteristics. We used quantitative molecular diagnostic methods to reassess causes of diarrhoea in the Global Enteric Multicenter Study (GEMS). 

Methods

 GEMS was a study of moderate to severe diarrhoea in children younger than 5 years in Africa and Asia. We used quantitative real-time PCR (qPCR) to test for 32 enteropathogens in stool samples from cases and matched asymptomatic controls from GEMS, and compared pathogen-specific attributable incidences with those found with the original GEMS microbiological methods, including culture, EIA, and reverse-transcriptase PCR. We calculated revised pathogen-specific burdens of disease and assessed causes in individual children. 

Findings

 We analysed 5304 sample pairs. For most pathogens, incidence was greater with qPCR than with the original methods, particularly for adenovirus 40/41 (around five times), Shigella spp or enteroinvasive Escherichia coli (EIEC) and Campylobactor jejuni o C coli (around two times), and heat-stable enterotoxin-producing E coli ([ST-ETEC] around 1·5 times). The six most attributable pathogens became, in descending order, Shigella spp, rotavirus, adenovirus 40/41, ST-ETEC, Cryptosporidium spp, and Campylobacter spp. Pathogen-attributable diarrhoeal burden was 89·3% (95% CI 83·2–96·0) at the population level, compared with 51·5% (48·0–55·0) in the original GEMS analysis. The top six pathogens accounted for 77·8% (74·6–80·9) of all attributable diarrhoea. With use of model-derived quantitative cutoffs to assess individual diarrhoeal cases, 2254 (42·5%) of 5304 cases had one diarrhoea-associated pathogen detected and 2063 (38·9%) had two or more, with Shigella spp and rotavirus being the pathogens most strongly associated with diarrhoea in children with mixed infections. 

Interpretation

 A quantitative molecular diagnostic approach improved population-level and case-level characterisation of the causes of diarrhoea and indicated a high burden of disease associated with six pathogens, for which targeted treatment should be prioritised. 

Funding

 Bill & Melinda Gates Foundation.

BackgroundShigella and enterotoxigenic Escherichia coli (ETEC) are bacterial pathogens that are frequently associated with diarrhoeal disease, and are a significant cause of mortality and morbidity worldwide. The Global Burden of Diseases, Injuries, and Risk Factors study 2016 (GBD 2016) is a systematic, scientific effort to quantify the morbidity and mortality due to over 300 causes of death and disability. We aimed to analyse the global burden of shigella and ETEC diarrhoea according to age, sex, geography, and year from 1990 to 2016.MethodsWe modelled shigella and ETEC-related mortality using a Bayesian hierarchical modelling platform that evaluates a wide range of covariates and model types on the basis of vital registration and verbal autopsy data. We used a compartmental meta-regression tool to model the incidence of shigella and ETEC, which enforces an association between incidence, prevalence, and remission on the basis of scientific literature, population representative surveys, and health-care data. We calculated 95% uncertainty intervals (UIs) for the point estimates.FindingsShigella was the second leading cause of diarrhoeal mortality in 2016 among all ages, accounting for 212 438 deaths (95% UI 136 979–326 913) and about 13·2% (9·2–17·4) of all diarrhoea deaths. Shigella was responsible for 63 713 deaths (41 191–93 611) among children younger than 5 years and was frequently associated with diarrhoea across all adult age groups, increasing in elderly people, with broad geographical distribution. ETEC was the eighth leading cause of diarrhoea mortality in 2016 among all age groups, accounting for 51 186 deaths (26 757–83 064) and about 3·2% (1·8–4·7) of diarrhoea deaths. ETEC was responsible for about 4·2% (2·2–6·8) of diarrhoea deaths in children younger than 5 years.InterpretationThe health burden of bacterial diarrhoeal pathogens is difficult to estimate. Despite existing prevention and treatment options, they remain a major cause of morbidity and mortality globally. Additional emphasis by public health officials is needed on a reduction in disease due to shigella and ETEC to reduce disease burden.FundingBill & Melinda Gates Foundation.

ABSTRACT The TaqMan Array Card (TAC) system is a 384-well singleplex real-time PCR format that has been used to detect multiple infection targets. Here we developed an enteric TaqMan Array Card to detect 19 enteropathogens, including viruses (adenovirus, astrovirus, norovirus GII, rotavirus, and sapovirus), bacteria ( Campylobacter jejuni/C. coli , Clostridium difficile , Salmonella , Vibrio cholerae , diarrheagenic Escherichia coli strains including enteroaggregative E. coli [EAEC], enterotoxigenic E. coli [ETEC], enteropathogenic E. coli [EPEC], and Shiga-toxigenic E. coli [STEC]), Shigella /enteroinvasive E. coli (EIEC), protozoa ( Cryptosporidium , Giardia lamblia , and Entamoeba histolytica ), and helminths ( Ascaris lumbricoides and Trichuris trichiura ), as well as two extrinsic controls to monitor extraction and amplification efficiency (the bacteriophage MS2 and phocine herpesvirus). Primers and probes were newly designed or adapted from published sources and spotted onto microfluidic cards. Fecal samples were spiked with extrinsic controls, and DNA and RNA were extracted using the QiaAmp Stool DNA minikit and the QuickGene RNA Tissue kit, respectively, and then mixed with Ag-Path-ID One Step real-time reverse transcription-PCR (RT-PCR) reagents and loaded into cards. PCR efficiencies were between 90% and 105%, with linearities of 0.988 to 1. The limit of detection of the assays in the TAC was within a 10-fold difference from the cognate assays performed on plates. Precision testing demonstrated a coefficient of variation of below 5% within a run and 14% between runs. Accuracy was evaluated for 109 selected clinical specimens and revealed an average sensitivity and specificity of 85% and 77%, respectively, compared with conventional methods (including microscopy, culture, and immunoassay) and 98% and 96%, respectively, compared with our laboratory-developed PCR-Luminex assays. This TAC allows fast, accurate, and quantitative detection of a broad spectrum of enteropathogens and is well suited for surveillance or clinical purposes.

Abstract Globally, 149 million children under 5 years of age are estimated to be stunted (length more than 2 standard deviations below international growth standards) 1,2 . Stunting, a form of linear growth faltering, increases the risk of illness, impaired cognitive development and mortality. Global stunting estimates rely on cross-sectional surveys, which cannot provide direct information about the timing of onset or persistence of growth faltering—a key consideration for defining critical windows to deliver preventive interventions. Here we completed a pooled analysis of longitudinal studies in low- and middle-income countries ( n = 32 cohorts, 52,640 children, ages 0–24 months), allowing us to identify the typical age of onset of linear growth faltering and to investigate recurrent faltering in early life. The highest incidence of stunting onset occurred from birth to the age of 3 months, with substantially higher stunting at birth in South Asia. From 0 to 15 months, stunting reversal was rare; children who reversed their stunting status frequently relapsed, and relapse rates were substantially higher among children born stunted. Early onset and low reversal rates suggest that improving children’s linear growth will require life course interventions for women of childbearing age and a greater emphasis on interventions for children under 6 months of age.

Abstract Growth faltering in children (low length for age or low weight for length) during the first 1,000 days of life (from conception to 2 years of age) influences short-term and long-term health and survival 1,2 . Interventions such as nutritional supplementation during pregnancy and the postnatal period could help prevent growth faltering, but programmatic action has been insufficient to eliminate the high burden of stunting and wasting in low- and middle-income countries. Identification of age windows and population subgroups on which to focus will benefit future preventive efforts. Here we use a population intervention effects analysis of 33 longitudinal cohorts (83,671 children, 662,763 measurements) and 30 separate exposures to show that improving maternal anthropometry and child condition at birth accounted for population increases in length-for-age z -scores of up to 0.40 and weight-for-length z -scores of up to 0.15 by 24 months of age. Boys had consistently higher risk of all forms of growth faltering than girls. Early postnatal growth faltering predisposed children to subsequent and persistent growth faltering. Children with multiple growth deficits exhibited higher mortality rates from birth to 2 years of age than children without growth deficits (hazard ratios 1.9 to 8.7). The importance of prenatal causes and severe consequences for children who experienced early growth faltering support a focus on pre-conception and pregnancy as a key opportunity for new preventive interventions.

Environmental Enteric Dysfunction (EED) is an acquired disorder of asymptomatic altered gut function, the etiology of which is unknown. EED is postulated to be a major contributor to growth faltering in early childhood in regions where early-life enteropathogenic carriage is prevalent. Few studies have examined the critical organ (the upper small bowel) with enteropathogens in the evolution of small bowel disease.

To evaluate in a rural Tanzanian birth cohort the association between birth timing in relation to the preharvest lean season and early-life growth and cognitive development.

Attributing infectious causes of diarrhea is critical to inform treatment and burden estimates. The attributable fraction (AF) approach based on the association between pathogen quantity and diarrhea has been frequently used but may underestimate incidence. We leveraged data from the multisite birth-cohort Malnutrition and Enteric Disease (MAL-ED) Study, where diarrheal and non-diarrheal stools were collected from 1,715 children from 0-2 years. We compared attribution using a longitudinal AF (LAF) method that considers the temporal association between pathogen quantity and diarrhea symptoms to previously-published AF estimates. For rotavirus and Shigella, attribution did not meaningfully change. For others like adenovirus 40 & 41, astrovirus, norovirus GII, sapovirus, Campylobacter jejuni or C coli, ST ETEC, typical EPEC, and Cryptosporidium, attribution increased, demonstrating longitudinal data may be informative for pathogens with weak associations between quantity and diarrhea. We further derived accuracy-based, pathogen-specific quantity cut-offs that may improve attribution in the absence of longitudinal data.