医学研究专题|炎症性肠病肠道微生物组结构及代谢活性的宏基因组和宏代谢组研究

炎症性肠病（IBD）是胃肠道的一种慢性炎症性疾病，是由于肠道微生物与肠道免疫系统之间相互作用的改变引起的。IBD有两种主要的亚型：溃疡性结肠炎（UC）和克罗恩病（CD），并具有独特的微生物特征。研究表明IBD患者肠道微生物组成发生了重大变化。而微生物组成可以塑造结肠环境，因为微生物产生的代谢物可参与信号传递、免疫系统调节或具有抗生素活性。所以肠道代谢产物谱是由饮食、修饰过的人类代谢产物和微生物来源的化合物共同形成的，这些化合物决定了微生物群与宿主的相互作用。


为了进一步研究IBD患者肠道微生物变化，与宿主的相互作用，研究人员设计了代谢组学（LC-MS）和宏基因组学研究。拟解决的科学问题如下：
（1）确定个体微生物和代谢谱中IBD和疾病亚型的特异性变化；
（2）描述微生物与代谢物特征之间的关联；
（3）评估这些特征的功效对人群中IBD状况和亚型进行分类的功能。

研究设计


利用非靶向代谢组学（LC-MS）和宏基因组测序技术，研究了155人的检测组（discovery cohort，PRISM组）和65人验证组（validation cohort）的粪便样本，每个组包含溃疡性结肠炎（UC）、克罗恩病（CD）和对照组。每个样品都通过四种LC-MS方法进行了分析，分别测量了极性代谢物、脂质、游离脂肪酸和胆汁酸。

研究结果


1、IBD的广泛代谢变化与宿主炎症有关
研究155名PRISM患者对8,000多种代谢物的测量结果，与CD患者相比，非IBD对照与对照很大程度上分开，这表明这两种表型之间存在广泛的代谢差异。UC患者的代谢谱分布更为广泛，在相应的宏基因组的微生物分类谱中，疾病表型之间的变异模式相似。在93名采用粪便钙保护素测定的个体中，代谢变化与粪便钙保护素（一种IBD炎症严重程度的生物标志物）的相关性相当强。粪便钙保护素测量值与宏基因组变异之间有相似趋势（下图）。
由此得出结论：UC患者的炎症程度从控制性水平到活动性水平不等，而这种变化可能导致UC患者的代谢和宏基因组谱更加不均匀。

2、IBD患者对比对照组的代谢表型变化
为了以更高的分辨率剖析IBD的代谢变化，我们在控制其他协变量（年龄和药物使用等）的同时，通过多元线性模型以测试与IBD表型的关联。结果表明CD患者与对照组相比，有8类代谢物在CD患者中增加，最显著的是鞘脂类、羧肟酸和胆汁酸类；有7类代谢物在UC患者中水平显著升高，而苯乙酰胺虽然含量增加但差异无意义。在CD、UC和对照组之间存在明显差异的代谢物，如鹅脱氧胆酸盐、羟基十四烷酸、乳酸和泛酸等。


3、IBD相关的微生物和代谢物之间假定的机制联系
为了进一步探索2729种差异丰富的代谢物的生物学模式，我们根据先前描述的线性建模方法中残留差异的相似性，对差异丰富的代谢物进行了聚类。IBD患者中存在最大代谢物簇富集，包含39个代谢物特征，CD组中所有特征都富集，UC只有一个特征富集。所有这些代谢物在对照中均升高（下图）。
代谢研究同时表明，最大的变异来源于非IBD对照与CD表型的分离相对应，而UC患者的异质性更强。许多代谢物与一个或多个微生物物种有关，它们往往与大多数物种没有假定的联系（反之亦然）。ETA和DPA是真核细胞膜的重要组成部分，它们在IBD染病肠道中的升高可能是由于宿主细胞死亡率或周转率更高，或从饮食中吸收的减少。其中一些具有互斥的特征，如DPA与IBD相关的物种呈正相关。辛酸，是一种中链脂肪酸（MCFA），具有抗菌和抗病毒的特性，辛酸与Ruminococcus gnavus的丰度呈显著负相关。

4、IBD相关的微生物功能变化及其代谢关联
通过检查物种水平的功能分类数据，很明显，许多这些差异丰富的酶可以解释为单一IBD相关的物种主导了酶对群落的贡献，仅大肠杆菌就主导了220种差异丰富的酶。代谢物-酶的关联遵循与物种和酶相同的许多模式。缔合密度低（3％），表明大多数代谢产物仅与几种酶有关（反之亦然）；绝大多数相互作用（95％）与IBD发病机制一致。标准代谢物和前面讨论的酶之间存在几种关联，例如magnesium-importing ATPase与2-羟基肉豆蔻酸强烈负相关等等（下图）。

5、大多数IBD趋向于会在验证组中复制

为了验证以上检测结果，研究人员评估了荷兰人群中20名CD、23名UC患者和22名非IBD对照的验证组中差异丰富的代谢物特征和微生物种类。在UC中，差异丰富的1,049个代谢物特征中有865个（82％）趋向一致。因此，在PRISM人群中发现的大多数与IBD相关的变化方向都可推广到了荷兰人群中。

6、多组学特征可以区分不同群组中的IBD亚型
为了评估代谢物或微生物组成的差异是否可用于根据IBD表型对患者进行分类，研究接着进行了随机森林（RF）训练。PRISM组训练后的RF可以很好地推广到荷兰人群，尽管代谢物特征空间要大得多（数千个特征与数十个特征），但针对代谢物特征与微生物种类进行训练的RF性能相似。
由于UC患者的分布规律与CD和非IBD人群是重叠的，UC患者很大程度上被预测为非IBD或者CD患者；非IBD个体很少被归为两种IBD亚型之一。

总 结


IBD患者肠道微生物群落组成和代谢物研究表明，与非炎症性肠病对照组相比，炎症性肠病患者的代谢物和代谢物种类减少。这种模式暗示了炎症性肠病患者代谢多样性的丧失，类似于炎症性肠病患者微生物组中观察到的分类多样性的丧失。此外，本研究中发现的多组学筛查和关联也提供了许多可操作的假设，这些假设涉及特定的已知且尚未表征的代谢物及其相关微生物在IBD发病机理中的作用。尽管有许多变化可能是由于宿主方面的生理变化引起的，但可以确认是由于微生物活性导致的亚类将为基于微生物组的IBD诊断和治疗提供有希望的目标。

【参考文献】
Gut microbiome structure and metabolic activity in inflammatory bowel disease. Nature Microbiology, 2019.


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