Microbial landscape in female reproductive health: unravelling its composition and host-microbe interactions

Abstract

The human body is colonised by more microbes than its own cells, and as more knowledge about the human microbiome is obtained, the clearer its significance in human physiology becomes. Most bacterial communities in humans coexist synergistically with their host. However, an imbalance in this relationship can lead to a disease. In the context of human reproductive health, it is well known that the female reproductive tract, specifically the vaginal milieu, possesses a highly active microbiota dominated by Lactobacillus. Despite the evidence, the complete influence of the microbes of adjacent sites and its association with female fertility remains still unclear. Recent studies have shown that the endometrium (i.e., the inner layer of the uterus) has its own microbial profile. Furthermore, it has been shown that microorganisms of the upper reproductive tract not only influence the functions of the uterus but may also play an important role in the embryo implantation and gynaecological complications such as recurrent implantation failure (RIF). This Doctoral Thesis studies the relationship between the microbiome and the female reproductive health. The objectives of this Doctoral Thesis were: 1) to summarise the existing knowledge of the endometrial microbiome studies, the current treatments offered in the clinical setting and the future possibilities for modifying the uterine microbial composition; 2) to highlight the methodological considerations in meta-transcriptome analyses when applying either the poly(A) enrichment or random hexamer primer protocols for RNA sequencing (metatranscriptomic analysis); 3) to detect the entire cartography of functionally active microorganisms in the endometrium from healthy women and whether there are changes in its composition throughout the menstrual cycle; 4) to determine functionally active microorganisms in the receptive phase endometria in women with RIF vs. healthy control women; and 5) to summarise and meta-analyse the current knowledge of the composition and diversity of the microbiome in polycystic ovary syndrome (PCOS). Five studies were carried out to address the objectives, with the main findings being: 1) uterus harbours its own microbial composition that is dysregulated in different gynaecological conditions like infertility, endometriosis, chronic endometritis, endometrial polyps, dysfunctional menstrual bleeding, and endometrial cancer. Nevertheless, the core/consensus endometrial microbiome has not been established. Modulation of the endometrial microbiome by antibiotics, pro- and prebiotics is a promising field with high clinical relevance, but it is too early to offer these treatment options for patients today (Study I). 2) Many microorganisms are able to generate poly(A) tails in the process of transcription (similar to the host), while several microbes may lack poly(A) tails, therefore the wide application of microbial RNA sequence analysis (meta-RNAseq) must be supported by a well-prepared protocol for a comprehensive understanding of the entire microbial atlas (Study II). 3) The analysis of the functionally active endometrial microbiota shows that >5000 microorganisms (bacteria, fungi, viruses, and archaea) are present in the endometrium of healthy women and changes in composition and function along the menstrual cycle are detected. Microbes have possible metabolic activity in the host-microbiota crosstalk in receptive phase endometrium related to prostanoid biosynthesis pathway and L-tryptophan metabolism. Our study confirms the presence of active microbes in the human endometrium with implications in receptive phase endometrial functions, meaning that microbial dysfunction could impair the metabolic pathways important for endometrial receptivity (Study III). 4) Women suffering RIF have significantly different functionally active microbial profile, where retinol biosynthesis and serotonin degradation metabolic pathways in the host-microbe interactions were dysregulated when compared to healthy controls. Our study confirms the presence of the core microbiota in the human endometrium in health and that in women with implantation failures the microbial composition demonstrates less richness which could impair the metabolic pathways important for endometrial functions (Study IV). 5) The relation between the microbial composition and the aetiology of PCOS is an active field of research. Most of the studies performed in the field focus on gut microbiome analysis, nevertheless the studies are barely comparable and findings inconsistent. Our meta-analysis gathers 17 studies with microbiome data of 1868 women (737 women with PCOS and 631 controls) were metaanalysed, with a special focus on alpha diversity indexes and demonstrates that women with PCOS possess lower richness in the gut microbial composition when compared to control women. These findings support the potential importance of microbiome in PCOS development with possible future biomarker/treatment options (Study V).

El cuerpo humano está colonizado por más microorganismos que por células propias, y a medida que se adquiere más conocimiento sobre el microbioma humano, más evidente resulta su significativo efecto en la fisiología humana. La mayoría de las comunidades bacterianas presentes en humanos coexisten de manera sinérgica con su hospedador. Sin embargo, un desequilibrio en esta relación puede contribuir al desarrollo de enfermedades. En el contexto de la fertilidad humana, se ha demostrado que el tracto reproductor femenino, especialmente el medio vaginal, posee un microbioma altamente activo, formado fundamentalmente por Lactobacillus. Por el contrario, la influencia del microbioma de sitios adyacentes y su relación con la fertilidad femenina está por conocer. Estudios recientes han demostrado que el endometrio (capa interna del útero) tiene su propio perfil microbiano. Además, se ha demostrado que los microorganismos del tracto reproductor superior no solo influyen en las funciones del útero, sino que además podrían desempeñar un papel importante en la implantación embrionaria y en ciertas complicaciones ginecológicas, entre las que se incluye el fallo recurrente de implantación. La presente Tesis Doctoral estudia la relación del microbioma con la salud femenina. Así, los objetivos de esta Tesis Doctoral fueron: 1) resumir el conocimiento actual acerca del microbioma endometrial, los tratamientos actuales ofrecidos en el ámbito clínico y las posibilidades futuras de modificar la composición microbiana uterina; 2) poner de manifiesto las consideraciones metodológicas en los análisis del meta-transcriptoma cuando se aplican los protocolos de enriquecimiento de poli(A) o cebadores hexámeros aleatorios para la secuenciación del ARN (análisis meta-transcriptómico) 3) detectar toda la composición microbiana funcionalmente activa en el endometrio de mujeres sanas y si hay cambios a lo largo del ciclo menstrual; 4) determinar los microorganismos funcionalmente activos en el endometrio durante la fase receptiva en mujeres con fallo de implantación recurrente frente a mujeres control; y 5) resumir y metaanalizar los conocimientos actuales sobre la composición y la diversidad del microbioma en el síndrome de ovario poliquístico. Para el abordaje de los objetivos planteados se realizaron cincos estudios, obteniéndose como principales hallazgos: 1) el útero alberga su propia composición microbiana, diferente en determinadas condiciones ginecológicas como la infertilidad, la endometriosis, la endometritis crónica, los pólipos endometriales, la hemorragia menstrual disfuncional y el cáncer de endometrio. Sin embargo, no se ha establecido el núcleo/consenso del microbioma endometrial. Por tanto, la modulación del microbioma endometrial mediante antibióticos y pro y prebióticos es un campo prometedor con gran relevancia clínica, pero es demasiado pronto para ofrecer esta opción de tratamiento a las pacientes (Estudio I). 2) Muchos microorganismos son capaces de generar colas de poli(A) en el proceso de transcripción (de forma similar al huésped), mientras que varios microbios pueden carecer de colas de poli(A), por lo que la aplicación del análisis de la secuencia del ARN microbiano (meta-ARN-seq) debe estar respaldada por un protocolo bien preparado para una comprensión integral de todo el atlas microbiano (Estudio II). 3) El análisis de la microbiota endometrial funcionalmente activa muestra que >5000 microorganismos (bacterias, hongos, virus y arqueas) habitan en el endometrio de mujeres sanas y se detectan cambios en su composición y función a lo largo del ciclo menstrual. Los microorganismos tienen una posible actividad metabólica en la interacción huésped-microbiota en el endometrio en fase receptiva relacionada con la ruta de biosíntesis de prostanoides y el metabolismo del L-triptófano. Nuestro estudio confirma la presencia de microbios activos en el endometrio humano con implicaciones en las funciones endometriales de la fase receptiva al embrión, lo que significa que la disfunción microbiana podría perjudicar a rutas metabólicas importantes para el establecimiento de la receptividad endometrial (Estudio III). 4) Las mujeres que padecen de fallo recurrente de implantación tienen un perfil de microbiota funcionalmente activo significativamente diferente, donde las rutas metabólicas de biosíntesis de retinol y degradación de serotonina en las interacciones huésped-microbio estaban alteradas en comparación con las controles fértiles. Nuestro estudio confirma la microbiota en el endometrio humano sano y que en las mujeres con fallos de implantación la composición de microorganismos demuestra una menor riqueza que podría perjudicar rutas metabólicas importantes para las funciones endometriales (Estudio IV). 5) La relación entre el microbioma y la etiología del síndrome de ovario poliquístico es un campo de investigación muy activo. La mayoría de los estudios realizados en este ámbito se centran en el análisis del microbioma intestinal, pero los estudios son poco comparables y los resultados son inconsistentes. Nuestro metaanálisis reúne 17 estudios y en total 1368 mujeres (737 con síndrome de ovario poliquísticos y 631 controles) y demuestra que las mujeres con este síndrome metabólico poseen una menor riqueza en la composición microbiana intestinal en comparación con las mujeres de control. Estos hallazgos apoyan la importancia potencial del microbioma en el desarrollo del síndrome de ovario poliquístico con posibles opciones futuras de biomarcadores/tratamiento (Estudio V).