Gut|减肥手术后--严重肥胖症患者微生物失调引起代谢物改变

2018-12-27 11:57:04, 麦特绘谱麦特绘谱生物科技(上海)有限公司

严重肥胖（体重指数（BMI）> 35 kg /m²）和病态肥胖（BMI> 40 kg /m²）患者男女比例分别达到2.3％和5%，虽然部分严重肥胖患者仍可保持代谢健康，但一般BMI> 35 kg /m²会导致慢性疾病发病率显著增加，且健康的肥胖个体会随着时间推移而出现代谢改变和合并症。肠道微生物被认为是肥胖及其相关疾病（Ⅱ型糖尿病（T2D）和心脏代谢疾病）的重要诱因，在超重和中度肥胖中已发现肠道生态失调，如肠道微生物群组成（特定细菌群体富集或减少）和低微生物基因丰富度（MGR）发生显著改变，其与代谢改变（胰岛素抵抗、低程度炎症和脂肪细胞肥大）显著相关。严重/病态肥胖个体被认为是唯一符合条件进行减肥手术（BS）的群体，这种治疗方法在全球范围内急剧增加，因为它可降低心血管风险并改善代谢状况。

Karine Clément研究团队收集61例Microbaria(MB)、49例MICRO-Obes(MO)和10例ATOX、147例EROIC两个独立验证队列样本进行粪便鸟枪宏基因组学和血清代谢组学研究（Fig.1A），通过比较可调节胃束带（Adjustable gastric banding ，AGB）和胃旁路术（Roux-en-Y-Gastric，RYGB）两种BS对健康状态的改善能力，旨在探讨（1）MGR是否会在严重肥胖中出现恶化及它与合并症的恶化存在何种相关；（2）不同BS方法是否可以差异地纠正与肥胖相关的肠道微生物特征，包括MGR的变化、组成和功能。

肠道微生物群丰富度和严重肥胖临床表型的相关性

微生物基因丰富度（MGR）在61名肥胖女性（MB，BMI >35 kg/m²）中呈现双峰分布，以480000基因个体为Cut-off值，分为低基因数（LGC）/高基因数（HGC），绝大多数患者（75％）属于LGC组（Fig.1B），且AGB患者的MGR显著高于RYGB患者（Fig.1C）。此外，MGR被发现与不健康的身体指征（如躯干脂肪量（r =-0.27, p = 0.04））呈负相关。并且与正常血糖人群相比，T2D患者MGR显著下降（p = 0.014），同时血压升高患者的MGR也下降（p = 0.05）。B2肠型（一种肠道型）患者具有较低MGR，而具有Ruminococcaceae肠型的患者（尽管数量很少）却具有较高的MGR。

基因丰富度随着肥胖程度加重而恶化，在整个人群中（MB + MO，n = 110名受试者，BMI（26-61 kg /m²），脂肪量（16.5-81 kg）），MGR与脂肪量、瘦素、空腹胰岛素、稳态模型评估胰岛素抵抗、甘油三酯水平和全身炎症（IL6和CRP）均呈负相关。 MGR在MO、AGB、RYGB患者中逐渐降低，并且与BMI、总脂肪量和躯干脂肪量呈显著负相关（Fig.2A），与雌性脂肪分布呈正相关。MGR在高血压（HTA）及采用降压药人群、葡萄糖耐受不良和T2D人群中降低（Fig.2B）。MGR与葡萄糖不耐受相关参数（OGTT葡萄糖AUC和OGTT Stumvoll指数）和皮下脂肪细胞体积呈负相关，与脂联素呈正相关（Fig.2C）。从超重到病态肥胖，MGR的降低与不良的身体成分、脂肪细胞肥大和明显的代谢并发症有关。

严重肥胖人群中宏基因组物种变化与代谢恶化相关

在受试者中，786个宏基因组物种（MGS）在丰度水平上与严重肥胖表型相关。大多数MGR相关MGS（n = 78，FDR <0.001，Fig.3A）与MGR呈正相关（r>0.47），但有三个MGS相关性为负（r <-0.51），其中19个在物种层面得到注释。与整体MGS目录（n = 786）相比，富集分析（Fisher''s检验）表明Firmicutes（FDR <6.7e-05）是与MGR相关最常见的菌属，而在目水平最常见的是梭菌目。此外，在ATOX独立队列中证实了大多数MGS（50/78）的低MGR特征，该队列由接受RYGB的严重肥胖个体组成（Fig.1A）。同时还证实了低MGR与BMI和躯干脂肪量的增加存在显著相关性，同时合并症患者（T2D，HTA，使用抗高血压药物）的MGR也显著降低。

78个MGR相关MGS与临床变量存在关联：5个MGS与BMI、7个MGS与脂肪量存在显著相关，16个MGS与躯干脂肪分布相关，包括两个BMI相关MGS，GU:373 Coprococcus_sp5和GU:115 Eubacterium_sp_CAG_115（Fig.3A），还有一些与T2D、HTA或代谢综合征有关（Fig.3B）。观察MGS-表型关联总图，发现与代谢参数、肥胖表型（总脂肪、躯干脂肪量、甘油三酯和血红蛋白A1c（Hba1c））正相关的MGS（GU:6 Bacteroides vulgates, GU:183 Erysipelatoclostridium ramosum和GU:373 Coprococcus_sp5）子集，且（GU:115 Eubacterium_sp_CAG_115，GU:121 Ruminococcaceae bacterium和GU:82 Faecalibacterium_6）与BMI、总脂肪和躯干脂肪、甘油三酯和 Hba1c呈负相关（Fig.3A）。来自厚壁菌门的5个MGS(GU: 373 Coprococcus_sp5, GU: 195 Faecalibacterium 1，GU: 66 Lachnospiraceae, GU: 82 Faecalibacterium 6, GU: 86 Eubacterium sp CAG: 86和GU: 163 Clostridiales与三种不同的代谢改变（T2D，代谢综合征和HTA）相关。在验证队列（ATOX组）中，MGR相关的MGS和代谢临床变量之间的关联：GU：6 Bacteroides vulgatus与Hba1c呈正相关。在MGR最相关的MGS严重肥胖中，50％与代谢变量相关，其中20.5％与不良身体成分和代谢改变相关。

术后干预使部分微生物恢复

MB队列BS术后患者（10 AGB和14 RYGB），在BS后1(M1), 3(M3)和12(M12)个月进行随访，研究MGR是否发生改变（Fig.1A）。两种手术中MGR从M3开始增加，并且均在M12出现统计学显著性（Fig.4A, B）。尽管RYGB后代谢改善比AGB后更大，但在1年随访期间，即使在M12，MGR仍显著低于RYGB（Fig.4B, C）。在基线时，与AGB患者相比，RYGB患者具有更多失调菌群（平均AGB-MGR = 430 322个基因，SE = 32 556;平均RYGB-MGR = 340 743，SE = 30 347），并且这种差异维持在M12（平均AGB-MGR = 526 922个基因，SE = 19 899;平均RYGB-MGR = 418 822，SE = 13 650）（Fig.4B）。由此表明两种手术后MGR恢复存在相似模式（M12，平均MGR分别显示在RYGB和AGB后增加1.39倍和1.27倍），随后，BS后MGR增加在独立的减重组（ATOX）中也得到证实。MGR在RYGB后1～5年内稳定，表明术后第一年出现的主要肠道微生物群的改变不会持续发生。与MB患者一样，尽管MGR增加，但很少有患者在1或5年时转为高MGR（图4D）。RYGB患者彼此之间的相似性均高于AGB患者，在整个随访过程中BS改变了肠道微生态系统，从M1到M12的轨迹可以看出，AGB和RYGB之间存在显著差异，RYGB组比AGB组微生物调节程度更高。

此外研究者还探讨了具体的MGS变化。在786个MGS中，分别有11个MGS在RYGB后12个月和2个MGS在AGB后12个月出现显著改变（p <0.01）; 其中GU：225 Butyricimonas virosa均被上述两种干预措施改变（Fig.5A）。在78个与MGR相关的MGS中，只有3个（GU：99 Roseburia，GU：225 Butyricimonas virosa，GU：359 Butyricimonas）在组内M12阶段显著增加，MB的RYGB组11个MGS中有10个出现显著调节，该调节模式在ATOX验证队列中得到验证。在BS后改变的12个MGS中，发现BS后其变化与M12和基线临床变量有显著关联（Fig.5B），这些MGS中有一半与至少两种肥胖和身体成分变量存在相关性。此外，GU：224 Hungatella hathewayi，GU：649 Fusobacterium nucleatum和GU：588 Dialister sp与BMI、雌性或躯干脂肪变化显示出最强的负相关，而GU：203 Bacteroides finegoldii，GU：25 Anaerostipes hadrus和GU：235 Coprobacillus sp与上述表型的变化呈正相关性。GU：224 Hungatella hathewayi的变化也与HbA1c水平相关，而GU：235 Coprobacillus sp随HTA分辨率降低。更重要的是基线MGR相关MGS中有5个在BS后发生变化。

与MGR和细菌功能相关的代谢物

在基线时，对58例MB患者进行血清代谢组学研究，注释到242种代谢物，确定了9种与MGR显著相关的血清代谢物（4％的测量代谢物），其中一种代谢物（戊二酸）呈负相关（r = -0.4; p <0.0017），而八种代谢物（3-甲氧基苯乙酸，氯酸盐，马尿酸盐，3-羟基苯乙酸盐，L-组氨酸和三种未知）与MGR呈正相关（0.4 <r <0.66）。与临床变量相关分析中，3-甲氧基苯乙酸与雌性脂肪分布呈正相关，而与躯干脂肪和甘油三酯呈负相关。HTA和/或代谢综合征患者的L-组氨酸减少。戊二酸随着HbA1c升高而升高，在糖尿病患者和葡萄糖受损患者也是如此（Fig.3C）。本研究显示了严重肥胖中低MGR、相关MGS、全身代谢物浓度和相关MGS代谢途径之间的新联系。

在循环代谢物中， 30个代谢物在BS后M12阶段降低50％，（主要与氨基酸，支链氨基酸，苯丙氨酸和色氨酸途径代谢物有关），只有一个Unk_107.0486与基线时的MGR显著相关。在验证组（EROIC）中，30个代谢物中有18个在MB群组中显著调节。BS（MB组）1年后这些代谢物的变化与生物学参数的变化显著相关，其中一组代谢物（如甘氨酸，乙酰甘氨酸，甲基丙二酸酯）在RYGB后水平增加，与身体肥胖和脂肪细胞直径的减少呈显著负相关。甲基丙二酸和甘氨酸的变化也与两种BS调节的MGS（即GU：203 Bacteroides finegoldii和GU：235 Coprobacillus_sp）存在显著相关。在BS后增加的乙酰甘氨酸和甘氨酸与两组中体重和身体组成的改善呈负相关。在EROIC验证队列中，确认了RYGB术后1年18种代谢物的变化与临床变量改善之间的相关趋势。

小结

Karine Clément研究团队通过对4个队列样本进行粪便鸟枪宏基因组学和血清代谢组学研究，探讨MGR与肥胖临床表型的相关性。结果显示严重肥胖的特征是低MGR，而低MGR的特性在于特定的MGS，其与临床特征相关，例如内脏肥胖、脂肪细胞肥大以及代谢和炎症后果；同时本研究确定了与MGR降低相关的宏基因组特征、功能修饰和血清代谢物，通过代谢组学筛选出与MGS相关代谢物，并进行共功能分析。低MGR到底是肥胖及其持续时间的原因还是结果目前仍不清楚，但它代表了肠道微生物群改变的良好生物标志物。与宿主遗传相比，饮食和肥胖等因素解释了大多数微生物组组成的变异，在BS之后虽观察到肠型修饰，但是大多数患者仍具有非常低的MGR。粪便转移实验等干预措施显示，代谢综合征患者的MGR和代谢改善增加，基线时MGR较低。因此，该研究团队将在BS干预之前或期间采用恢复肠道微生物群生态系统的策略，进一步观察这些干预措施是否可以进一步改善BS后的MGR或临床结果。