Cell子刊双发 | 微生物学顶刊！多组学分析慢性疲劳综合征患者的肠道菌群失调和菌群-宿主互作~

2023-04-06 13:43:51, 多层组学定制服务上海欧易生物医学科技有限公司

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肌痛性脑脊髓炎/慢性疲劳综合征(ME/CFS)是一种复杂的、多系统的衰弱性疾病。其影响范围广泛，但对其相关的生理变化和潜在生物学机制的理解十分有限，人体微生物群——人体上万亿的细菌、真菌和病毒——最近已成为ME/CFS的重要潜在贡献者。

近期在Cell Host & Microbe期刊双连发，探究慢性疲劳综合征与肠道菌群之间的关系。首先是哥伦比亚大学梅尔曼公共卫生学院 Brent L. Williams团队发表的题为“Deficient butyrate-producing capacity in the gut microbiome is associated with bacterial network disturbances and fatigue symptoms in ME/CFS”研究，分析了不同地域的ME/CFS患者肠道菌群在多样性、丰度、功能途径和相互作用等方面与健康人的差异，发现普氏粪杆菌丰度在患者中降低，这与丁酸缺乏和症状严重程度相关。

本研究主要探究思路及结论：① 纳入美国5个地区的106例肌痛性脑脊髓炎/慢性疲劳综合征（ME/CFS）患者和91例健康对照，进行多组学分析；② ME/CFS患者的肠道菌群改变（部分与患者的IBS症状有关），产丁酸的普氏粪杆菌和直肠真杆菌减少；③ 功能宏基因组学、qPCR和粪便短链脂肪酸检测表明，患者菌群的丁酸合成能力不足；④ 基于差异丰度物种的机器学习模型可较好区分患者和对照，在不同地区队列中表现稳健，且在外部队列中得到验证；⑤ 普氏粪杆菌的丰度与疲劳严重程度负相关。

接下来，由于代谢是肠道微生物群的一个重要功能，微生物组可以通过直接刺激或通过与代谢过程耦合的次级途径调节宿主生理变化。因此，2023年2月，美国杰克逊实验Julia Oh教授同月在Cell Host & Microbe期刊发表的题为 “Multi-’omics of gut microbiome-host interactions in short- and long-term myalgic encephalomyelitis/chronic fatigue syndrome patients ”（IF：31.316）的研究成果，通过高分辨率剖面分析和对肠道微生物组和宿主代谢组的综合分析来推断。运用高分辨率、多队列和多组学分析，提供了ME/CFS中宿主-微生物组相互作用的机制假设，为ME/CFS与宿主微生物组机制提供了理论依据。

研究思路：① 纳入短期（<4年，n=75）和长期（>10年，n=79）肌痛性脑脊髓炎/慢性疲劳综合征（ME/CFS）患者和健康对照（n=79），分析粪便宏基因组、血浆代谢组和临床表型；② 短期患者菌群失调严重，微生物多样性下降、个体间异质性增加，丁酸合成减少，伴随血液中异丁酸等代谢物水平改变；③ 长期患者的菌群失调有所稳定，多样性恢复，但代谢和临床表型的异常更严重，如血浆鞘磷脂升高；④ 根据患者的表型、微生物和代谢特征构建了较准确的疾病分类器。

下面小编重点整理了本篇的研究结果~希望能给各位老师的研究带来帮助~~

研究结果

1.数据特征

实验共228名参与者:149名ME/CFS患者(74名短期患者和75名长期患者)和79名年龄和性别大致匹配的健康对照组(图1)。构建了多组学描述和预测疾病发作、阶段以及相关的肠道微生物组和血浆（LC-MS靶向）代谢组高分辨率表征模型。

图1 | 研究设计总结与分析示意图

研究收集了228人的详细临床元数据、粪便样本和血液样本，分为三个队列:健康对照组、短期(<4年)或长期(>10年)ME/CFS患者。利用多数据类型(分别为表型、宏基因组学和代谢组学)和多计算模型构建了一个全面的组学工作流程，以了解潜在的宿主-微生物相互作用。

2.ME/CFS的宿主表型

为了解释ME/CFS与健康对照组相比的宿主表型，实验收集了全面的临床元数据，排除了可能的饮食偏差，然后确定所有组的饮食习惯具有可比性。朴素贝叶斯分类模型分析显示除了一些已宣布的功能障碍，如直立不耐受和纤维肌痛，大多数ME/CFS患者还患有其他并发症，如抑郁、头痛、便秘和焦虑。这些高分辨率的数据反映了ME/CFS的已知病理生理学，并建立了临床特征。

3.ME/CFS患者肠道微生物多样性降低，异质性增大

为了开始识别与这些症状相关的潜在微生物机制，文章首先解码ME/CFS患者的微生物群。主坐标分析聚类显示：

(1)大多数样本变异是由ME/CFS的发病引起的(图2F），不受对照组和患者组之间年龄差异的影响。

(2)患者样本作为一个总体与对照组相比具有更高的异质性(图2G）。

对35、36岁的虚弱老年人的研究中同样也观察到高度异质性，这表明对宿主不断变化的生理条件的调整是不均匀的。

为了了解患者是否缺乏特定的物种，文章计算了一个稀有度和优势度指数。同时测定厚壁菌门(Firmicutes)与拟杆菌门(Bacteroidetes phyla)总体相对丰度变化(图2E)，比较包括IBD和其他炎症性疾病在内的微生物群之间广泛组成差异指标。综上所述，ME/CFS的肠道微生物群与衰老和其他慢性炎症性疾病的肠道微生物群相似，其特征是轻度但广泛的异常。

图2 | ME/CFS中微生物生态失调的特征表现为多样性降低和异质性增加

4.微生物失调在短期ME/CFS中发生，在长期疾病中稳定

研究分析了数据集，比较了短期组和长期组。首先，作者评估了年龄作为混杂因素的影响，但没有发现显著差异。患者队列之间的总体微生物组成存在差异(图3A)。与长期患者和对照组相比，在疾病早期，肠道微生物组的差异更加明显和多变(图3C - 3F）。其中拟杆菌门(77.5%)与厚壁菌门(19.4%)比例的显著变化仅在短期患者中观察到，而在长期患者中没有观察到(图3B），这也解释了之前观察到的适度差异(图2E)。

为了进一步解决短期和长期患者之间的物种水平差异，文章对前五个最丰富的门中每个物种的平均相对丰度进行了成对比较(图3F)，发现在短期患者中具有非典型相对丰度的物种相，区别于健康对照，晚期患者趋于稳定，即变得相对接近。

综上所述，研究发现微生物生态失调最为严重在ME/CFS疾病早期表现明显，其特征是由高异质性的低丰度细菌引起的多样性损失。随着时间的推移，作者推测微生物群会稳定下来并恢复到一个更具有健康对照特征的生态系统，重新获得一些低丰度物种和多样性的正常化。这些结果凸显了其重要性通过疾病病程进行分层以确定相关特征。

图3 | 在短期ME/CFS中观察到明显的微生物失调

5.ME/CFS可通过微生物组和代谢组学特征进行区分

文章基于(1)物种和(2)KEGG基因相对丰度，(3)血浆代谢物标准化丰度，(4)三者的组合构建了四个模型。其中多组学数据获得的结果优于任何单个数据集（图4B）。且通过各项验证发现微生物组和代谢组学分析在很大程度上不受个体临床和行为特征的影响。

图4 | 与对照组相比，表现出色的多组学模型识别ME/CFS的微生物、宏基因组和代谢生物标志物

6.长期ME/CFS的严重表型和代谢异常

通过以上研究构建了用于区分疾病持续时间和对照的个体组学和多组学模型。其中51个被鉴定为潜在的生物标志物。代谢组学模型还识别出两种胆固醇和几种脂质代谢物(图5A)，与表型分类器一致，识别出许多代谢相关异常(图5C) ，在长期ME/CFS中更具预测性。

然而，这些表型中的一些也会随着年龄的增长而增加，这在队列中基本匹配，但可能会导致这些差异。此外，纤维肌痛是区分短期和长期疾病的一个关键特征，也是在疾病后期睡眠问题恶化和更明显的PEM的趋势(图5B)。食欲差是短期组中最易区分的表型，这与早期胃肠道紊乱的趋势是一致的(图3A和5B)。具有代谢组学特征的ORA确定了短期和长期患者与对照组之间最显著的差异。与在微生物组数据中观察到的短期患者最大的生态失调趋势不同，长期患者有更多的代谢物将其与健康对照组区分开来，特别是鞘脂和二酰甘油代谢物(图5C)，证实了先前的代谢组学发现。

此外，大多数代谢物种在实验组中减少或增加表明ME/ CFS相关的代谢异常可能随着时间的推移而逐渐恶化(图5D)。综上所述，长期ME/CFS患者可能已经发展出一种独特但稳定的病理生理学，其特征是更严重的临床症状和一系列改变的宿主代谢反应。

图5 | 表型和代谢异常在长期患者中最为明显

7.肠道和血浆丁酸盐在疾病早期降低，并与宿主异常生理有关

丁酸盐是结肠上皮细胞的主要能量来源，也是肠道主要抗炎代谢产物之一。因此，通过丁酸通路的集中宏基因组和代谢组学分析，能够更好地了解其在ME/CFS中肠道微生物群和宿主生理学之间的相互作用中的潜在作用。实验发现短期组血浆异丁酸盐存在耗损(图6A），KEGG基因基质差异丰度分析发现丁酸盐合成(KEGG map00650)在患者和对照组之间存在差异(图6C-D）。

在没有匹配的肠道代谢组数据的情况下，研究者使用马尔科夫链蒙特卡罗(MCMC)代谢物预测算法从宏基因组数据推断出肠道丁酸丰度。发现在ME/CFS中，异丁酸的推测浓度显著降低，特别是在短期组(图6B）。

从检测的数千种血浆代谢物中，确定了24种正相关，包括丙酸盐、琥珀酸盐、色氨酸和海马酸盐，这与差异丰富度分析结果一致。以及12种负相关，包括硫酸盐和熊脱氧胆酸盐部分。这进一步表明，肠道微生物组代谢或合成SFCAs能力的变化反映在这些代谢产物和血浆中相关代谢产物的失调上。

图6 | 微生物丁酸盐生物合成能力有限与血浆异丁酸盐和多种血液代谢物减少有关

8.微生物组和代谢组生物标志物普适于其他ME/CFS病例

为了验证本研究的普遍性，研究者将这项研究与另一个时间点进行了比较，发现虽然在实验设计上存在显著的生物学差异。但ME/CFS中的主要结论和所识别的生物标志物在所有分组中基本相同，这支持了模型的稳定性和研究结果的有效性。

ME/CFS患者肠道微生物多样性的丧失在外部微生物组和第二个时间点都被观察到(图2B)。第一个时间点的大多数微生物组特征在一年后仍相似(图7A和7B)。这些表明ME/CFS中微生物丁酸生物合成能力降低。通过GC-MS代谢组学测量粪便SCFAs(乙酸、丙酸和丁酸)，发现ME/CFS中乙酸和丁酸显著降低(图7G)，两个时间点的血浆代谢组学数据验证了模型的准确性(图7 d)。第一时间点鉴定的10个代谢生物标志物中，有6个在另一时间点也存在(图7E)。

综上所述，研究发现微生物和代谢生物标记物对研究是稳定的，这支持了ME/CFS中结论的可重复性。