学术成果 | 肠道微生物多组学探索儿童哮喘表型差异机制

哮喘是一种发病机制复杂、表型多样的异质性疾病，而过敏性哮喘和非过敏性哮喘是最常见的哮喘表型^[1]。儿童哮喘是全世界儿童最常见的慢性疾病之一，研究表明约80%的哮喘儿童有过敏反应，主要与过敏原导致的血清总免疫球蛋白E水平升高相关的免疫反应有关；而非过敏性哮喘的发生发病机制尚未完全阐明^[2]。最近的研究表明，哮喘的发生可能受到肠道微生物的调节^[3]。为探究过敏性和非过敏性哮喘儿童肠道微生物组成和功能差异，中国疾病预防控制中心环境卫生研究所王强研究团队结合16S rRNA微生物组和粪便代谢组学方法，从功能组学层面解释不同儿童哮喘表型差异机制。

本研究总计收集了57例5-14岁儿童粪便样本，其中过敏性哮喘27例、非过敏性哮喘10例，健康对照20例。哮喘儿童的诊断依据全球哮喘防治创议（Global Initiative for Asthma, GINA, http://ginasthma.org）标准，采用皮肤点刺试验确定哮喘患者的过敏和非过敏状态。

一、 哮喘患者肠道微生物组成及特征差异

对过敏性和非过敏性哮喘患者的肠道细菌进行16S rRNA基因测序分析，采用Kruskal–Wallis test对三组样本分析发现Chao1指数(p =0.025)和Simpson指数(p =0.024)均有显著差异。然后分别对各组进行alpha多样性比较（图1A,B），进一步反映了哮喘组细菌丰富度较高，而多样性较低。分析发现在所有检测到的35个菌门中，厚壁菌门、拟杆菌门、放线菌门和变形菌门是受试儿童的优势菌群。与健康组相比，在所有哮喘患者中，梭菌属（Clostridia）等7个菌属普遍减少，乳杆菌属（Lactobacillus）显著增加。而如果将哮喘细分比较发现，在top50的菌属中有9个菌属在过敏性哮喘组和健康对照组之间存在显著差异（8个菌属减少，1个菌属增加），14个菌属在非过敏性哮喘组和健康对照组之间存在显著差异（13个菌属减少，1个菌属增加），其中Eggerthella仅在过敏性哮喘中增加，Megamonas等3个菌属在过敏性哮喘中减少；Coprobacillus等6个菌属仅在非过敏性哮喘中增加，Intestinibacter等10个菌属在非过敏性哮喘中减少（图1E,F,G）。

图1 健康儿童与哮喘儿童肠道菌群特征

进一步对入组粪便样本进行非靶向代谢组学检测，共检测到811种代谢物。控制年龄、性别、BMI等因素，采用多元线性回归分析代谢物与哮喘的关系。其中42种代谢物与过敏性哮喘显著相关（其中14种升高，28种下调），58种代谢物与非过敏性哮喘显著相关（其中9种升高，49种下调）；只有6种代谢物同时与过敏性、非过敏性哮喘显著相关。主要涉及到氨基酸与脂质相关代谢过程。

表1. 过敏性和非过敏性哮喘患者特征性代谢物参与的代谢途径

对肠道菌群和代谢组学检测的样本进行Spearman相关性分析，验证哮喘在发病过程中肠道菌群和代谢物改变之间的关系。研究发现氨基酸和脂质代谢物与肠道微生物有有着密切的相关性，比如Candidatus Accumulib的相对丰度与组胺的上调显著相关，Clostridia的相对丰度与脂质和色氨酸代谢的下调显著相关（图2）。

过敏性哮喘和非过敏性哮喘儿童肠道菌群改变可通过代谢产物作用于哮喘的发病。研究结果表明，肠道菌群对过敏性和非过敏性哮喘的发展都有影响。非过敏性哮喘儿童不同的肠道菌群和菌群衍生的代谢物表明，肠道菌群可能在哮喘表型的调节中发挥重要作用。