文献解读|炎症性肠病肠道微生物组结构及代谢活性的研究

Gut microbiome structure and metabolic activity in inflammatory bowel disease

炎症性肠病肠道微生物组结构及代谢活性的研究

研究背景

炎症性肠病(IBD)是由于肠道微生物与肠道免疫系统相互作用的改变而引起的胃肠道慢性炎症。IBD主要有两种亚型，溃疡性结肠炎(UC)和克罗恩病(CD)，并具有独特的微生物特征。既往研究表明IBD患者肠道微生物组成发生了重大变化。同样，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。从广义上讲，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。共生微生物还可以改变可用代谢物的池，从而改变宿主产生的信号分子。然而，目前尚不清楚特定的微生物及其调节的小分子如何相互作用，从而导致、维持、减轻或预测炎症状况，如IBD。

研究样本

155人发现队列和65人验证队列的粪便样本，每个队列包含溃疡性结肠炎(UC)，克罗恩病(CD)和对照组

研究方法

非靶向代谢组学（LC-MS），宏基因组测序

研究结果

1. IBD的广泛代谢变化与宿主炎症有关

代谢组学研究结果显示，与CD患者相比，非IBD对照组差异较大，表明这两种表型之间存在较大的代谢差异（图1b）。UC患者的代谢谱分布更为广泛，在相应的元基因组的微生物分类谱中，疾病表型之间的变异模式相似（图1c）。

假设个体代谢谱的广泛变化，特别是UC患者的代谢谱，可以部分解释为个体活动性炎症的水平。通过比较代谢变化的第一个主成分和个体粪便钙保护素水平(一种IBD炎症严重程度的生物标志物)来评估这一点。在93名采用粪便钙保护素测定的个体中，代谢变化的第一个主成分与粪便钙保护素的相关性相当强，且具有高度统计学意义（图1d）。

仅对UC患者进行评估时，相关性仍然很强且显著。观察到粪便钙保护素测量值与宏基因组第一主成分变异之间有相似趋势（图1e）。由此得出结论:(1)本研究UC患者的炎症程度从控制性水平到活动性水平不等，(2)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。

图1

2.IBD患者对比对照组的代谢表型变化

代谢组学研究显示CD患者与对照组相比，有8类代谢物在CD患者中丰度增加，其中最显著的是鞘脂类、羧肟酸和胆汁酸类（图2a）。UC患者与对照组相比，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，但差异无统计学意义（图2b）。此外，在CD，UC和对照组之间存在明显差异的代谢物，例如鹅脱氧胆酸盐，C22:0-鞘磷脂，羟基十四烷酸，C54:6 TAG，乳酸和泛酸（图2c-2h）。

图2

3. IBD相关的微生物和代谢物之间假定的机制联系

如前所述，个体肠道微生物的分类图谱显示，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。为了确定代谢物与微生物物种之间的相关性，本研究运用聚类方法对代表性的差异代谢物和微生物物种进行了关联（图3a）。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机械上的联系(反之亦然)。CD相关化合物ETA和DPA与对照相关物种呈负相关，与IBD相关物种呈正相关。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。多不饱和LCFAs除了在免疫和炎症信号传递中发挥作用外，由于其疏水性和破坏细菌细胞膜的潜力，还具有杀菌活性。这一活动与ETA的负相关关系尤为一致（图3b）。其中一些具有互斥的特征，相反，DPA与IBD相关的物种呈正相关，最显著的是R. gnavus（图3c）。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R. gnavus的丰度呈显著负相关（图3d）。

图3

4. IBD相关的微生物功能变化及其代谢关联

为了了解IBD中微生物群落变化的功能后果，对所有元基因组中的基因家族进行功能上的分析，发现有568种酶的丰度存在差异。通过检查物种水平的功能归属数据，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。

在这些差异丰富的酶中，246种不受任何单一物种的支配，这表明它们在对照(或IBD)中的富集可以更好地用功能潜能的水平转移来解释，因此具有更大的机制意义。与对照组相比，CD和UC患者镁输入型ATPase (EC 3.6.3.2)均富集（图4a）。缺镁被认为是IBD的一个已知的副作用，这可以部分解释为IBD相关的微生物群对离子的隔离。乙醇胺解氨酶(EC 4.3.1.7)在IBD肠道中也有类似的富集（图4b）。这种酶参与了甘油磷脂的生产，这是CD和UC患者代谢产物中最显著富集的一类。IBD富集酶的最后一个例子是谷胱甘肽还原酶(GR;EC 1.8.1.7）（图4c）。GR催化谷胱甘肽的产生，谷胱甘肽是一种抗氧化应激的化合物。氧化应激是IBD患者肠道炎症的一个标志，因此编码GR的物种在该环境中具有选择性优势。另外，丙酮酸合成酶(EC 1.2.7.1)，一种催化丙酮酸和乙酰辅酶A相互转化的厌氧酶，在对照组中富集，在CD患者亚群中完全未检测到（图4d）。与合成钴胺素(维生素B12)有关的酶也在对照组中得到富集，包括前咕啉-2-脱氢酶(EC 1.3.1.76，图4e）。在标准代谢物和前面讨论的酶之间发生了一些联系。例如，镁输入型ATPase与2-羟基肉豆蔻酸呈强负相关（图5f）。相反，前咕啉-2-脱氢酶与己酸呈正相关（图5g）。

图4

5. 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以用于根据IBD表型对患者进行分类，对随机森林(RF)分类器进行了患者代谢和微生物物种谱的训练，通过对整个PRISM队列和独立的荷兰队列的验证，在PRISM队列内(使用5倍交叉验证)和队列之间评估分类性能。所有的RF分类器在区分IBD和非IBD对照组方面的表现都比随机分类好得多，曲线下面积为0.86-0.92（图5a）。代谢产物与微生物种类数据的整合，相对于代谢产物本身特征而言，分类准确率并没有明显提高，这与肠道微生物和代谢组学特征之间高度共享的信息是一致的。

预测IBD亚型(简单概括为CD和UC)相对来说更具挑战性。在PRISM队列中，代谢产物、物种及其组合预测UC、CD或非IBD对照的准确率为64-65%（图5b）。分类错误最常见的来源是将UC患者标记为非IBD或CD。这并不奇怪，因为UC患者的分布与CD和非IBD人群重叠(很大程度上不同)。相比之下，非IBD个体很少被划分为两种IBD亚型之一，而CD患者有时被错误地划分为UC（图5c）。

图5

研究结论

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经常减少。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。