Nature Medcine | IF: 87.241哥本哈根大学基于特定IHD微生物组和代谢组特征鉴别探索心脏代谢疾病机制

2022-09-06 09:06:51, 多层组学定制服务上海欧易生物医学科技有限公司

前言

对人类的流行病学和遗传学及对动物的实验研究表明，最常见的慢性非传染性疾病的发病机制涉及多基因易感性、衰老、性别和多种环境暴露之间的复杂相互作用。而环境成分，如饮食、体育活动和吸烟，可能通过改变肠道微生物群来发挥其一些致病作用，因此，探索肠道微生物群作为慢性疾病的触发因素是其中的一种方式。

目前，缺血性心脏病（IHD）是造成病理性死亡的主要原因。与以往比较，IHD病例和对照组的微生物组和代谢组标记物研究并不能全面揭示多药治疗与代谢异常发生的关系。迄今为止，通常研究者们比较IHD患者、健康和瘦的个体样本，并不关注IHD本身，而是关注各种形式的动脉粥样硬化器官损伤。因此，从肠道微生物和代谢组学特征中分离IHD特异性变化和这些潜在的混杂因素仍然是最合理的。

2022年2月，哥本哈根大学Oluf Pedersen课题组在《Nature Medcine》期刊发表了题为“Microbiome and metabolome features of the cardiometabolic disease spectrum”的研究成果，研究捕获了心脏代谢疾病(CMDs)的肠道微生物组、血浆和尿液代谢组特征，与传统的风险标记物相比，基于特定IHD微生物组和代谢组特征的鉴别分析可以更好地区分IHD个体与健康个体或代谢匹配个体，指出这些特征的病理生理学相关性。

研究思路

实验方法

研究材料：

275名人口统计学、年龄和性别匹配的健康对照(hc)和222名未治疗的代谢匹配对照(UMMCs)

372例IHD患者：112例急性冠状动脉综合征(ACS)患者，158例慢性缺血性心脏病(CIHD)患者和102例IHD和心力衰竭(HF)患者

1、流式细胞术测定微生物负荷

2、粪便样本处理和宏基因组

3、核磁共振(1H-NMR)光谱、非靶向代谢组学

4、靶向代谢组学

研究结果

1、与代谢异常相关的微生物组和代谢组的变化

根据之前的报道，IHD和hc个体之间的肠道微生物组和代谢组的分类和功能潜力均存在显著差异。在较高的微生物组结构水平上，随着疾病的恶化，拟杆菌1和瘤胃球菌的肠道型向低细菌细胞计数相关的拟杆菌2显著转变(图2c)。这些发现反映了MMCs和IHD到hc个体的微生物基因丰富度(图2d)和绝对肠道细菌细胞负荷（即微生物负荷）的显著损失。

图2 | IHD自然史中肠道微生物组和代谢组特征的改变

2、IHD的微生物组和代谢组特征

作者进一步区分IHD特征与其代谢发病率，根据CMD谱中各组比较的特征进行分类，定性关注条件特异性，定量关注效应大小（图3）。作者发现了代谢异常(图3a，b)或IHD(图3a，c)的特定特征，仅在各自的条件下才表现出显著的变化。相比之下，当考虑到hcs与MMCs/UMMCs和MMCs/UMMCs与IHD个体之间的效应大小时，DSCFs表现出相反的转移模式(图4c)。简而言之，对于mmc中已经异常的特征，dSCFs代表了那些在诊断和治疗的IHD中恢复到HC水平的特征，似乎与疾病稳定相关。

在代谢异常标记物(即DMFs)的121个物种中，绝大多数（85%）在IHD中被耗尽，其中23种为IHD特异性标记（图4a和5)。在IHD中富集的8个物种中，有2个是伯克霍尔德氏目双变形菌门。有趣的是，假马利伯氏菌是心内膜炎的可能原因。一个单一物种，即IHD中未耗尽的瘤胃球菌，是IHD升级标记(图4b)。瘤胃球菌包括丁酸生产者，它们的消耗可能导致IHD中短链脂肪酸(SCFAs)的生产潜力降低。6种为降级标记(图4c)，它们属于梭状芽孢杆菌目，除1种外，在种甚至属分类水平上均未分类。

图3 | 在横断面研究中用于微生物组和代谢组特征分类的方法

图4 | 与IHD及其代谢异常前疾病相关的微生物组和代谢组特征

3、IHD亚表型的微生物组和代谢组标记物

对ACS-、CIHD-和IHD引起的HF组的详细分析为微生物组和代谢组特征的相对变化提供了更多的粒度(图5)。与对照组相比，CIHD中各IHD亚组的典型特征总数最高，其次是HF和ACS。CIHD在肠道微生物组功能电位方面表现出差异的变化，而ACS在代谢组特征上表现出主要差异的变化(图5)。

图5 | IHD及其亚型的代谢组和微生物组特征发生了独特的改变

4、将参与者分为临床亚组

为了进一步验证作者的分类模型作者利用了以前实验的独立数据集，重点关注ACS亚组。研究中的acs特异性代谢组学标记高度相关(相对于HC计算的Cliffdelta值见图6a)，证实了两项研究中观察到类似的变化，并验证了作者的大部分acs特异性代谢组特征。基于acs特异性代谢组标记物(模型3，受试者工作特征曲线下面积(AUROC)=0.87)(模型2，AUROC=0.85)的模型明显优于单独基于临床变量的模型(AUROC=0.764)(图6c)。总之，作者的工作证实了在临床环境中未建立基础的微生物组和代谢组标记物的鉴别潜力的稳健性(图6）。

图6 | ACS标记物的验证

研究讨论

(1)低肠道细菌细胞计数是与IHD的微生物组特征相关，这在经过治疗过的IHD病例中似乎会逆转。

(2)与健康个体相比，在诊断为IHD和治疗诱导的血管、炎症和脂质健康标志物中异常的微生物组和代谢组谱更少。

(3)肠道微生物群的改变发生在IHD发病前的前驱期。相比之下，ACS患者中大量宿主代谢物的改变（45%）与代谢障碍无关。

(4)除了减少微生物-宿主的TMAO产量外，未来在延迟或预防IHD的干预措施可能会指向增加微生物SCFA的生物合成，降低微生物的芳香族氨基酸和BCCAs的产量。

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以前探索非传染性疾病的微生物组和代谢组分析很少关注研究结果的主要混杂因素，如常见疾病、病前疾病、共病疾病和多药治疗。本研究中，在缺血性心脏病的背景下，作者设计了横断面研究，包括健康个体、代谢异常疾病个体和三个不同临床阶段的IHD个体，利用GC-MS代谢组学和非靶向代谢组学、靶向代谢组学捕获了心脏代谢疾病(CMDs)的肠道微生物组和血浆和尿液代谢组特征。通过非靶向代谢组学等数据进行整合分析的方法，使用了一项研究设计来概括随着时间的推移，疾病的起始、升级和对治疗的反应，反映了一项纵向研究，解决了由于IHD发病机制的长期性质的难题。

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