GUT | 重大进展！代谢组学+16S 揭示不同胆管炎差异
IgG4相关硬化性胆管炎(IgG4-SC)与原发性硬化性胆管炎(PSC)有多种临床相似之处，但皮质类固醇治疗对大多数 IgG4-SC 患者有效，而对 PSC 患者存在无效性，且两种疾病的预后也不同，PSC发生肝硬化、胆管癌和结直肠癌的风险高于IgG4-SC。这两种硬化性胆管炎的发病机制目前尚不清楚。虽然在PSC中肠道菌群失调已被广泛研究，但肠道菌群在IgG4-SC中的作用机制仍不清楚。来自上海交通大学唐茹琦/马雄等团队通过对IgG4-SC、PSC 和健康对照队列的粪便样本进行代谢组学和16S rRNA测序等技术揭示了IgG4-SC和PSC具有不同的宿主-菌群相互作用，且推测与疾病的发病机理有关，并进一步强调了IgG4-SC有别于PSC的独特性，相关研究成果发表于《Gut》。
IgG4相关硬化性胆管炎 (IgG4-SC)是IgG4相关疾病 (IgG4-RD)的肝胆表型，是一种多系统纤维炎性疾病，表现为血清IgG4水平升高和淋巴浆细胞浸润，并伴有大量 IgG4 阳性细胞。原发性硬化性胆管炎(PSC) 是一种进行性慢性肝病，其特征是多灶性胆道狭窄和炎症性肠病 (IBD) 的合并症。IgG4-SC、黄疸和瘙痒的主要临床表现与 PSC 相似，因此在某些情况下具有误导性。
一. IgG4-SC和PSC中的肠道菌群改变
纳入135名受试者，其中IgG4-SC (n=34)、PSC (n=37) 和健康对照 (n=64)，对其粪便样本进行了 16S rRNA测序。Simpson指数分析结果显示，与HC组相比，IgG4-SC和PSC中的α-多样性降低。PCoA（主坐标轴分析）结果显示，两个疾病组整体菌群结构均明显偏离HC组，然而，IgG4-SC和PSC之间无显著差异（图 1）。
图1. IgG4-SC 和 PSC 中的肠道菌群差异
比较 IgG4-SC 与 HC、PSC 与 HC、 IgG4-SC 与 PSC 之间的相对丰度来评估单个属与 IgG4-SC 或 PSC 的关联。在 IgG4-SC 与 HC 比较组中，经混杂因素校正后有17个属存在显著差异，包括Streptococcus升高和Lachnospiraceae ND3007、Blautia降低。在 PSC与 HC比较组中，经混杂因素校正后有13个属存在显著差异，包括Ruminococcus gnavus和 Turicibacter 升高，Oscillospiraceae UCG-005、Lachnospiraceae UCG-010 和 Eubacterium eligens 等降低。在 IgG4-SC 和 PSC 比较组间差异较小，经混杂因素校正后无差异。与 HC 相比，IgG4-SC 和 PSC 组菌群变化表现出大量重叠，包括Fusobacterium、Lactobacillus 、Veillonella升高，Oscillospiraceae UCG−002 、Faecalibacterium降低（图 2）。
图2. IgG4-SC和PSC患者的肠道菌群特征
二. IgG4-SC和PSC中的代谢组学改变
考虑到肠道菌群和宿主代谢之间的相互作用，随后对113个样本子集的粪便样本进行非靶向代谢组学分析，其中IgG4-SC（n=31）、PSC（n=37）和健康对照（n=45)，并对每个注释到的代谢物（n = 654）与IgG4-SC和PSC的关联进行分析，结果显示，校正包括抗生素和UDCA 使用在内的混杂因素后，与 HC 相比，IgG4-SC中有58种代谢物存在显著差异，PSC 中有98种代谢物存在显著差异。其中31种代谢物在 IgG4-SC和 PSC中发生一致改变。其中，琥珀酸在两种疾病中均显著增加。琥珀酸信号的改变与免疫细胞的激活和效应器功能有关，菌群产生的琥珀酸在肠道炎症中的作用已有详细报道。L-棕榈酰肉碱（长链酰基肉碱）也在疾病组中显著富集。先前的研究表明长链酰基肉碱可能对炎症激活产生影响。此外，菌群衍生的氨基酸衍生物，包括γ-氨基丁酸 (GABA)和苯乙胺在IgG4-SC和PSC也被上调。
在IgG4-SC中唯一改变的27种代谢物中，有23个代谢物在疾病组中增加，包括几种潜在的促炎介质，例如十四酸乙酯（一种长链酯）和多不饱和脂肪酸，包括二十二碳五烯酸 (22 n-3)、8,11,14-二十碳三烯酸和花生四烯酸。羟基异己酸、鞘氨醇也在 IgG4-SC 中升高。其中，羟基异己酸是宿主亮氨酸代谢的终产物，具有广谱杀菌活性；鞘氨醇是神经酰胺的前体，参与和细胞信号传导密切相关的鞘脂代谢。
共鉴定出67种代谢物仅在PSC中发生变化。与 IgG4-SC相比，大多数代谢物 (n=49, 73%) 在疾病组中表现出较低的水平。由肠道菌群代谢的次级胆汁酸，包括脱氧胆酸 (DCA)、石胆酸 (LCA) 和甘氨酸结合石胆酸 (GLCA)，在 PSC中显著降低。SCFA 中的戊酸在PSC中也降低，最近研究表明戊酸诱导Breg分化并抑制 Th17 细胞，从而预防结肠炎和多发性硬化症。此外，与IgG4-SC的变化相比，PSC中的中链脂肪酸 (MCFA)（包括壬二酸、十一烷酸和十二烷二酸）的降低更为显著，MCFA 具有多种作用，包括抗真菌和抗炎作用。相反，PSC 中多种氨基酸及其衍生物升高（图3）。
图3. PSC和IgG4-SC组与 HC 的粪便代谢组差异
三. 疾病相关菌群与代谢物之间的关联
粪便代谢组学和肠道微生物特征在所有受试者中都具有很强的相关性，证实了粪便微生物和粪便代谢物之间的密切联系。随后，差异菌属和差异代谢物进行相关性分析，同时调整整个队列中的协变量。结果显示，在对照组中增加的菌属和代谢物之间呈显著正相关，而对照组中富集的菌属与疾病组中升高的代谢物之间则呈负相关，比如，L-棕榈酰肉碱在两个疾病组中均升高，与对照组中富集的属（例如Eubacterium coprostanoligenes和Lachnospiraceae NK4A136）呈负相关。在IgG4-SC组观察到富集的链球菌与增加的羟基异己酸呈正相关。而在IgG4-SC 组降低的菌Blautia，与在两种疾病中都显著升高的琥珀酸呈负相关。在 PSC中戊酸和 MCFA（壬二酸和十一烷酸）的水平降低伴随着对照富集属的丰度降低。此外，LCA与PSC中减少的菌群（Eubacterium eligens、Eubacterium hallii 和 Eubacterium coprostanoligenes）呈正相关。已报道Eubacterium参与次级胆汁酸的代谢。
图4. 疾病相关菌群和代谢物的关联
四. 菌群和代谢物与临床表型之间的关联
使用偏相关分析探究菌群和代谢物与临床参数的相关性，结果显示，在 IgG4-SC 中，差异菌群和代谢物表现出与转氨酶水平的更多关联。Blautia 与谷丙转氨酶 (ALT) 水平呈现负相关；然而，经过多次检测校正后许多关联并不显著。较高水平的琥珀酸与ALT和谷草转氨酶(AST)均呈显著正相关；Blautia 的降低和琥珀酸的升高可能是 IgG4-SC 中肝脏炎症的基础。而且在PSC中确定了微生物、代谢物和宿主表型之间的新关系。PSC中改变的许多代谢特征与胆汁淤积有关，如PSC中降低的次级胆汁酸DCA与碱性磷酸酶 (ALP)和 TB 呈显著负相关（图 5）。
图5. 宿主-菌群相互作用的整体关联
五. 随机森林建模
建立基于菌群或代谢物的随机森林模型来区分IgG4-SC、PSC和HC，以探究肠道菌群和代谢物在疾病预测中的潜在作用。采用五折交叉验证的随机森林模型来选择关键的菌群或代谢物，该方法鉴定了由10个属组成的菌群特征，该特征将IgG4-SC与HC区分开来，AUC为 0.81；基于7个代谢物的模型表现优于菌群模型，AUC为0.94；且代谢物和菌群的组合模型的AUC也是0.94。同样，代谢物模型在区分PSC和HC方面也比基于菌群的模型更准确（AUC：分别为0.99和0.85）。使用代谢物模型或菌群和代谢物组合模型在区分IgG4-SC和PSC方面表现出相似的效果（AUC：分别为0.82和0.80），而仅用菌群获得的模型效果最差（AUC：0.64）。总之，这些数据表明基于粪便代谢物的预测模型在区分疾病状态方面比基于菌群的预测模型表现更好。
图6 基于菌群或代谢物的随机森林模型ROC
小结
本研究对IgG4-SC、PSC和健康对照组的肠道菌群、代谢组和宿主表型进行了综合多组学分析。整合分析揭示了 IgG4-SC 和 PSC 中存在不同的宿主-菌群互作。在IgG4-SC患者中，差异菌群和代谢物与转氨酶显著相关。Blautia 的显著降低和琥珀酸的显著升高可能是 IgG4-SC 中肝脏炎症的基础。相比之下，在 PSC 中，菌群和代谢特征的改变与胆汁淤积表型相关，尤其是Eubacterium和菌群代谢物（包括次级胆汁酸）在PSC中均显著降低。而且，基于代谢物的预测模型在区分疾病状态方面比基于菌群的预测模型更有效。该研究揭示了两种疾病在宿主-微生物互作中的相似和不同之处，为深入探索发病机理提供了新线索。
参考文献
Qiaoyan Liu, et al. Altered faecal microbiome and metabolome in IgG4-related sclerosing cholangitis and primary sclerosing cholangitis. GUT. 2021. https://doi.org/ 10.1136/gutjnl-2020-323565.
原文阅读，请长按识别下方二维码
绘谱帮你测
通过代谢组学和16S测序技术的结合，上述研究发现IgG4-SC和PSC具有不同的宿主-菌群相互作用。质谱代谢组学可对生物样品中的数千个小分子进行全面、系统的分析，可以灵敏捕捉到机体代谢的细微变化，是寻找疾病的理想生物标志物或药物靶标的最新技术。麦特绘谱拥有成熟的代谢物定性和定量平台，开发出Q300全定量代谢组、宏代谢组等不同的代谢组检测方法，以及菌群16S测序和宏基因组等技术，还有联合分析等全套解决方案，详情欢迎咨询麦特绘谱热线400-867-2686。
精彩推荐
1. Gut | 地中海饮食降低超重和肥胖患者胆固醇水平，改变其肠道菌群和代谢
3. Protein&Cell | 胆汁酸替代合成途径与代谢性疾病
5. British Journal of Pharmacology | 熊胆与熊去氧胆酸
6. Gut | 菌群色氨酸代谢激活芳烃受体并改善酒精性肝损伤
7. Nature Reviews 重磅 | 菌群及代谢物与疾病最全解读
| 标签： | 代谢组 16S 胆管炎 菌群 |