微生物多样性揭示：治疗炎症性肠病竟然靠它！

前言

炎症性肠病（Inflammatory Bowel Disease，IBD）是累及回肠、直肠、结肠的一种病因尚不明确的特发性肠道炎症性疾病，主要包括溃疡性结肠炎（Ulcerative Colitis，UC）和克罗恩病（Crohn's Disease，CD）。近几十年来，IBD发病率不断攀升，影响了350多万人的身体健康。炎症性肠病（IBD）与肠道微生物的相关研究历史悠久，多项临床研究曾深入探讨肠道微生物在IBD鉴别诊断、疾病活动度、肠外表现中的特征性变化。目前在IBD患者中，不同的治疗方法和不同的反应对临床治疗有着重要的提示。其中，生物治疗（生物制剂）则常用于治疗炎症性肠病（IBD），但患者应答存在个体差异，目前仍缺乏预测治疗效果的标志物。

2021年8月11日，美国麻省理工学院哈佛大学博德研究所Jonathan Wei Jie Lee等人在Cell Host and Microbe（IF=21.023）杂志发表了题为“Multi-omics reveal microbial determinants impacting responses to biologic therapies in inflammatory bowel disease”的多组学前瞻性研究论文，该文章通过微生物组、蛋白质组以及代谢组的联合分析，确定了微生物组对生物治疗影响的潜在功能机制，这对IBD患者的临床治疗成功有着重要的意义。

研究内容

本文采用抗TNF或抗IL12/23（统称为抗细胞因子）和抗整合素疗法对UC和CD患者进行治疗，通过对患者粪便宏基因组学、血清的代谢组学和蛋白质组学进行联合分析，结果表明抗细胞因子疗法患者的肠道微生物更具有多样性，并且由特征微生物介导的胆汁酸次级代谢物的增加也决定了抗细胞因子疗法的缓解效果；通过微生物多样性与血清免疫蛋白联合分析的结果表明，患者更有可能通过抗细胞因子治疗获得缓解。

综上所述，该研究确定了预测IBD患者对一种或多种治疗类型反应的特征微生物，揭示了菌群的胆汁酸次级代谢产物是影响抗细胞因子治疗效果的关键，这对IBD患者的临床治疗成功有着重要意义。

研究内容

粪便宏基因组学预测抗细胞因子和抗整合素疗法的差异反应

通过对185例（108例CD，77例UC）进行抗生物治疗的中重度IBD患者的粪便样本进行宏基因组测序，然后分析微生物群落的分类组成和潜在功能。使用Dirichlet多项式混合物（DMM）模型算法，确定了两个不同的亚群落，分别命名为“DMM1”和“DMM2”。宏基因组的PCoA分析和α多样性分析等结果表明，亚群落DMM1组和DMM2组有明显的差异，且DMM1组微生物多样性更加丰富，其主要由厚壁菌门的微生物代表，包括粪杆菌和瘤胃球菌；亚群落DMM2由卵形拟杆菌、大叶拟杆菌和细小脉内拉菌为代表性微生物（图2A-C）。

根据IBD亚型（即CD和UC）和初始疾病的严重程度，作者猜想IBD患者的微生物群特征可能会有显著差异。因此，作者根据不同IBD亚型（疾病严重程度）及其相应的宏基因组DMM组，发现微生物物种是临床结果的重要决定因素，并且接受抗细胞因子治疗的患者在14周、1年以及1年内视镜缓解后的患者，其粪便中微生物丰度较高。值得注意的是，DMM1组患者对抗细胞因子治疗和抗整合素治疗的缓解更加明显，这也与DMM1组更高的α多样性有关（图2D-E）。

图1｜粪便宏基因组学预测抗细胞因子和抗整合素治疗的不同反应

血清代谢物-次级胆汁酸可预测抗细胞因子疗法的早期缓解

通过对不同疗法患者粪便样本的宏基因组分析发现，抗细胞因子疗法的患者微生物具有显著差异性，因此选择对接受抗细胞因子治疗的患者血清样本进行代谢组学分析。结果发现，在541个代谢物中有27个差异代谢物是与临床结果呈显著相关的生物标志物（pval<0.05，qval<0.2），与早期缓解相关的替诺夫脱烯代谢组物分别为羧酸（n=4）、类固醇衍生物（n=4）和四（n=2）（图3A）。通过代谢物功能富集分析发现，第14周病情缓解的患者血清胆汁酸显著富集，尤其是次级胆汁酸，如基甘胆酸、甘脱氧胆酸和熊去氧胆酸（图3B-C）。

先前的研究表明，初级胆汁酸向次级胆汁酸的转化是一种由7a/b-脱羟基酶介导的局限于梭状芽孢杆菌种类范围的功能，揭示了一些有助于次级胆汁酸合成的微生物特征，并且发现这些微生物在通过抗细胞因子治疗获得早期缓解的患者中显著增多，因此作者更详细地研究了肠道微生物组在确定胆汁酸代谢物浓度中的作用。

通过对同源蛋白质簇进行分组研究，结果发现7a/b-脱羟基Bai酶的同源蛋白质丰度与血清次级胆汁酸甘胆酸和甘脱氧胆酸的相对强度之间存在显著相关性（R>0.5，pval<0.01）；作者又基于粪便宏基因组学数据将患者分成了bai+阳性组和bai-阴性组，发现DMM1组阳性比例更高，并且阳性组对抗细胞因子有缓解的比例也更高（图3D-F）。

总之，这些结果证明了由微生物介导的初级胆汁酸到次级胆汁酸的7α/β去羟化反应，决定了抗细胞因子治疗的早期缓解。

图2｜血清代谢物次级胆汁酸可预测抗细胞因子疗法的早期缓解

肠道微生物相关的血清细胞因子可以影响IBD缓解

作者为了找到更多的的生物标记物，分析了104种独特的血清蛋白生物标记物，发现至少一个患者组的有9种血清蛋白与缓解结果显著相关（图4A），并且大多数推测的蛋白质仅与接受抗细胞因子治疗（即CD6、CD244、TRAIL、IL18、ADA）或抗整合素治疗（即NT3、IFNLR1、PIK3AP1）的患者显著相关，只有CASP8与这两类疗法均显著相关。由于微生物多样性是抗细胞因子反应的指标，作者将血清免疫蛋白与宏基因组进行了联合分析，结果表明有27种独特的蛋白质与至少一种微生物相关（FDR为0.1时）（图4B）。通过先前的一些研究可知，有4种蛋白质与IBD的炎症或免疫反应有关，因此，对这四种蛋白进行了多样性分析，发现在DMM分组群体患者之间也有显著差异表达（图4C-D）。

为了进一步验证抗细胞因子疗法缓解的预测能力，作者通过ROC曲线在临床指标的基础上分别增加添加宏基因组学、代谢组学或蛋白质组学特征指标进行分析，结果发现临床指标+宏基因组指标最能提高抗细胞因子治疗缓解的预测能力（图4E）。

图3｜ 与微生物多样性和临床缓解相关的血清蛋白标志物

研究结论

（1）通过多组学揭示了与不同IBD疗法缓解相关的微生物组机制

（2）由微生物介导的初级胆汁酸到次级胆汁酸的7α/β去羟化反应，决定了抗细胞因子治疗反应

（3）27种血清免疫蛋白与肠道微生物群相关

（4）基于临床指标与宏基因组数据的联合，可以提高抗细胞因子治疗缓解的预测能力

参考文献：

Lee, JWJ., Plichta, D., Hogstrom, L., Borren, NZ., Lau, H., Gregory, SM., Tan, W., Khalili, H., Clish, C., Vlamakis, H., Xavier, RJ., & Ananthakrishnan, AN. Multi-omics reveal microbial determinants impacting responses to biologic therapies in inflammatory bowel disease. Cell Host Microbe. 2021 Aug 11;29(8):1294-1304.e4. doi: 10.1016/j.chom.2021.06.019.