【原】科研 | Gut：腸易激綜合征和膽汁酸吸收障礙患者與非腸易激綜合征患者糞便微生物組和代謝組的差異

微生態(tài) 2021-04-13

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編譯：莫沉，編輯：小菌菌、江舜堯。

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導讀

腸易激綜合征(Irritablebowel syndrome, IBS) 作為一種異質性疾病，其診斷和亞型的確定通常要基于癥狀。在本實驗中，研究者分析了IBS患者和非IBS患者的糞便微生物群落，以確定這種疾病的生物標志物。本研究共收集了80名IBS患者(RomeIV criteria; 年齡16-70歲)和65名匹配的非IBS患者(對照組)的糞便和尿液樣本，以及常規(guī)的醫(yī)學和飲食信息。分別對上述糞便樣本進行Shotgun和16S rRNA擴增子測序，并對尿液和糞便代謝物進行氣相色譜和液相色譜-質譜聯用分析。基于數據之間顯著的Spearman相關性生成同現網絡，同時通過對放射標記的硒-75牛磺膽酸，確定腹瀉患者存在明顯的膽汁酸吸收不良(Bile acidmalabsorption, BAM)。與對照組相比，IBS患者在飲食和糞便微生物之間的網絡關聯上有顯著差異，同時都伴隨著糞便代謝物的差異。此外，研究者并未發(fā)現不同IBS癥狀亞型患者的糞便微生物組成有顯著的差異，而糞便樣本的代謝譜則可以較好地區(qū)分IBS患者和對照組。盡管尿液代謝物在IBS患者和對照組之間也有顯著差異，但大多數差別代謝物與飲食或藥物有關。糞便代謝組，而不是微生物組，可以顯著區(qū)分患者IBS有和沒有BAM癥狀。盡管IBS具有較高的異質性，但患者的尿液和糞便代謝物及糞便菌群與對照組有著顯著的差異，且與IBS的癥狀亞型無關，同時糞便代謝組分析可用于區(qū)分有無BAM的IBS患者。上述研究可用來開發(fā)基于腸道微生物的針對IBS的治療策略。

論文ID

原名：Differences in Fecal Microbiomes and Metabolomes of People With vs Without Irritable Bowel Syndrome and Bile Acid Malabsorption

譯名：腸易激綜合征和膽汁酸吸收障礙患者與非腸易激綜合征患者糞便微生物組和代謝組的差異

期刊：Gastroenterology

IF：19.233

發(fā)表時間：2019.04

通訊作者：Paul W. O’Toole

作者單位：愛爾蘭科克大學微生物系

實驗設計

1 IBS和對照組的微生物組不同，但在IBS臨床亞型之間不存在差異。

表1中顯示了研究對象的描述性統計數據。通過16S rRNA基因擴增片段測序和微生物組的PCoA分析表明，IBS患者的微生物組與對照組有顯著差異(圖1A)。將這些菌株水平的變量進行分析，可以將IBS與對照組進行顯著的區(qū)分，如圖1b所示。將機器學習應用于宏基因組物種(metagenomic species, CAGs)數據集，根據136個預測特征，生成IBS預測模型，AUC為0.814(靈敏度為0.875，特異度為0.497)。在物種水平上，Ruminococcus gnavus 和Lachnospiraceaespp在IBS中的數量明顯較多，而Barnesiellaintestinihominis 和Coprococcus catus在IBS中的數量明顯較少，這些變化與以前的研究類似。然而，IBS的臨床亞型在來自16S rRNA基因圖譜數據的微生物組 (個體間) β多樣性的PCoA中沒有分離(圖1C)。此外，在屬和種水平上的宏基因組衍生的組成(使用shotgun序列數據進行分配)表明了IBS患者和對照組之間的微生物組成差異。

表1 對照組和IBS受試者的描述性統計

圖1 對照組和腸易激綜合征組的微生物組成分析。(A)微生物區(qū)系β多樣性的主坐標分析(PCoA)顯示對照組和IBS組之間存在顯著差異。在16s屬水平采用Spearman距離進行PCoA(p值=0.001；對照：n=63，IBS =78)。(B)后基因組物種分析(CAGS)的PCoA顯示對照組和IBS組之間存在顯著差異。(對照組：n=59；IBS =80)。(C)不同IBS臨床亞型間微生物區(qū)系組成的PCoA差異無統計學意義(P>0.05)。在16sOTU水平采用Spearman距離進行后交叉韌帶置換術(p值=0.976；IBS-C=29，IBS-D=20，IBS-M =29)。(D)對照組和IBS組的獵槍屬概況(對照組：58例，IBS組：78例)。(E)對照和IBS組微生物區(qū)系網絡的關聯性。

2 膽汁酸吸收不良的腸易激綜合征患者糞便微生物群改變

由于一些IBS-D患者可能患有膽汁酸吸收不良(BAM)，這將影響轉運時間和可能的微生物組成，研究者測試了19/21名IBS-D患者，26/29名IBS-M患者和9/65名對照組的SeHCAT滯留，這是量化BAM的金標準。根據目前的指南，未能保留>15%的標記膽汁酸類似物被歸類為BAM，10-15%的保留被歸類為輕度BAM，5-10%的保留被歸類為中度BAM，<5%的保留被歸類為重度BAM。在45名接受測試的IBS患者中(圖2A)，18人被診斷為BAM，其中4人為重度BAM，7人為中度BAM，7人為輕度BAM。另有5例患者被分類為交界性BAM(保留16-20%)，在接受測試的IBS人群中，有40%的人報告BAM分類為陽性。正如預期的那樣，BAM陽性診斷在IBS-D(74%)比在IBS-M(35%)更常見(p值=0.03)(圖2A)。只有重度BAM類型的IBS患者的微生物組成與BAM診斷為正常、輕度、中度或臨界值的患者的微生物區(qū)系有明顯的分離(圖2B)。為了進一步研究BAM的生物學影響，我們進行了GC-MS和LC-MS的非靶向性糞便代謝物分析?；加袊乐?/span>BAM的IBS患者的糞便代謝組與接受SeHCAT的IBS患者的其他BAM級別的糞便代謝組有顯著不同(圖2C)。研究者將機器學習應用于接受SeHCAT的IBS受試者的糞便代謝組數據集。預測模型成功地識別了所有四個BAM等級中AUC為0.83(敏感性為0.88，特異性為0.67)的BAM受試者。該模型對重度和中度BAM的準確率為100%，對輕度BAM的準確率為71.4%，對交界性BAM的準確率為80%。BAM的主要預測代謝物是甘油磷脂、寡肽。這些化合物水平的升高與脂肪酸新陳代謝改變和疾病有關。

圖2 SeHCAT檢測受試者膽汁酸吸收不良的分布、微生物組和代謝組譜。(A)對照組和IBS患者的SeHCAT保留率。(B)在16s OTU水平上，使用Spearman距離測試的腸易激綜合征患者的微生物區(qū)系組成的PcoA顯示不同的BAM類型之間沒有顯著差異(p值=0.289)。(C)糞便代謝組學的PcoA分析顯示，腸易激綜合征患者的BAM分級之間存在顯著差異，采用Spearman距離(p值=0.001)。

3 腸易激綜合征患者的尿液和糞便代謝物改變

由于代謝分析對區(qū)分患有BAM的受試者很有幫助，我們將其應用擴展到所有受試者，最初將重點放在尿液作為非侵入性測試樣本。研究者比較了FAIMS分析揮發(fā)性有機物和GC/LC-MS聯用分析揮發(fā)性有機物的兩種方法。FAIMS技術不能直接識別鑒別代謝物，而是通過電離代謝物的特征流將樣品/受試者分開。在非監(jiān)督分析中，FAIMS很容易從對照組和IBS(圖3A)中識別出尿液樣本，但不能區(qū)分IBS臨床亞型。對尿液代謝物的GC/LC-MS分析也將IBS患者與對照組區(qū)分開來(圖3B)，并且比FAIMS具有更高的準確性。機器學習確定了可以預測腸易激綜合征的尿液代謝組學特征(AuC1.000；敏感性：1.000，特異性：0.9)。在IBS受試者中，89種尿代謝物的含量明顯減少，其中包括一些氨基酸，如L-精氨酸，它是一氧化氮生物合成的前體，與粘膜防御和IBS病理生理學都有關。另有38種代謝物在IBS中的水平明顯升高，包括酰甘氨酸(N-十一酰甘氨酸)和酰肉堿(癸酰肉堿)，這些群體的代謝物水平升高與脂肪酸氧化/新陳代謝改變和疾病有關。用GC/LC-MS分析IBS患者和對照組的糞便代謝物(圖3C)，臨床IBS亞型之間也沒有差異。

圖3 對照組與腸易激綜合征尿液和糞代謝產物的比較分析。(A)尿液揮發(fā)性有機化合物(FAIMS)代謝物的PCoA分析 (P值=0.001；對照組：n=65；IBS：n=80)。(B)使用Spearman距離對尿液MS代謝組學進行PCoA分析 (P值=0.001；對照組：n=63；IBS：n=80)。(C)利用Spearman距離進行糞便MS代謝組學的PCoA分析。(P值=0.001；對照組：n=63；IBS：n=80)。

4 飲食、微生物組和代謝組的綜合分析揭示IBS的主要變化

研究者利用加權相關網絡分析(Weighted Correlation Network Analysis, WGCNA)探討IBS和對照組中飲食、微生物組和代謝組之間的相互作用(圖4)。與兩個IBS相關子網中的稀疏連接相比，控制主體子網具有連接密度高、特征類型多樣的特點。IBS患者控制子網絡中被耗竭的物種包括Paraprevotella and Bacteroides species (B4), Barnesiellaintestinihominis , Eubacteriumeligens , Ruminococcus lactaris , Eubacterium biforme , Desulfovibriodesulfuricans 以及Coprococcus和Eubacterium species (B1). 與IBS相關的物種包括IBS子網I中的Ruminococcaceae ,Lachnospiraceae, Alistipes 和 Bacteroides species (B3)以及IBS子網II中的Bifidobacteriumadolescentis 和Streptococcusspecies (B2)?？傮w而言，Bacteroidetes spp的降低與之前的研究結果類似。此外，與飲食的不同關聯是對照組和IBS子網的一個主要區(qū)別特征?？刂谱泳W絡的主體結構由嵌入在子網絡中的5個膳食數據節(jié)點(節(jié)點D1、D3-6)和外圍的一個節(jié)點(節(jié)點D7)支撐，代表了正常微生物組成與習性飲食的協變。膳食節(jié)點D6，代表高纖維飲食，明顯減少了IBS受試者的頻率，這與先前對IBS患者纖維攝入量的薈萃分析中的發(fā)現一致。這個D6節(jié)點與細菌分類以及控制子網絡中的糞便和尿液代謝物都有很好的聯系。唯一遠離對照組(D2)的飲食節(jié)點與IBS人群相關，主要是加工過的和高血糖指數的食物，但其與細菌功能的相關性非常弱，也不是IBS相關亞網絡的組成部分，這些觀察結果反映在對IBS患者和對照組人群飲食成分的成對比較中。

圖4 跨多個基因組數據集的結構和共豐度的可視化。節(jié)點表示來自基于加權相關網絡分析(WGCNA)的聚類的數據集中的共同豐富變量。邊緣(線條)表示IBS組和對照組中飲食、微生物組和代謝組之間的顯著交互作用?？傮w結構顯示了一個大型的單個控制關聯子網絡和兩個IBS關聯子網絡

結論

本研究表明，IBS患者的腸道微生物組成與對照組不同，并反映在糞便代謝物中。然而，宏基因組和代謝組構型并不能有效區(qū)分IBS的臨床亞型(IBS-C，-D，-M)。同時，研究者還發(fā)現，患有膽汁酸吸收不良的IBS-D和IBS-M患者的糞便代謝物發(fā)生了改變，可以在不需要SeHCAT(75 Selenium (Se) homocholic acid taurine)檢測的情況下區(qū)分這些患者。對飲食-微生物-代謝軸的綜合分析顯示，與對照組相比，IBS患者的飲食成分與腸道微生物的相互作用，并揭示了一組不同的糞便代謝物，這些代謝物可能驅動或延續(xù)IBS綜合征。

評論

與大多數慢性非傳染性疾病類似，腸易激綜合征具有高度的異質性，其嚴重程度從妨害性腸障礙到社會功能障礙不等，并伴有明顯的癥狀異質性。雖然通常被認為是由于腦腸軸的紊亂，但目前尚不清楚腸易激綜合征是始于腸道還是始于大腦，還是兩者兼而有之。感染后的IBS的癥狀表明，盡管有易感危險因素，但有一部分病例是從終末器官開始的，其中一些可能是心理因素。隨著微生物組研究的進步，越來越多的證據表明，腸道微生物組對神經發(fā)育，甚至可能對行為產生了改變的影響，拓寬了頭腦/身體聯系的概念，使之涵蓋了微生物組-腸道-大腦軸。然而，由于缺乏可靠的生物標志物，理解和治療IBS一直受到限制，其分型和診斷仍然是由癥狀來定義的。此外，目前根據主要癥狀(腹瀉為主(IBS-D)或便秘為主(IBS-C))將患者分層為臨床亞型的方法也有很大的局限性。而設計用來治療相反癥狀的藥物，如果給錯誤分類的患者開處方，則可能會產生嚴重的不良反應。因此，為了對IBS患者進行循證分層，研究者對80名IBS患者(羅馬IV標準)和65名對照進行了糞便樣本的宏基因組研究以及尿液和糞便的代謝組學分析。結果發(fā)現，在IBS中有明顯的微生物群和代謝特征，但這些特征獨立于IBS的傳統臨床癥狀亞群(IBS-D與IBS-C，IBS交替或混合)，也不同于BAM的微生物群和代謝特征。

上述研究結果具有重要的臨床指導意義。

① 腸道微生物組以及糞便、尿液代謝組入手研究，可以為IBS提供客觀的生物標記物，很容易轉化為臨床實踐。

② 糞便代謝譜與BAM相關聯，這可以將其與非BAM相關的IBS區(qū)分開來。

③ IBS的傳統Rome亞型不受微生物組和代謝組差異的支持，因此是時候尋找另一種疾病分類的依據。

④ 雖然這些結果并沒有以任何方式影響IBS腦-腸軸改變的概念，但其指出了在IBS發(fā)病過程中飲食-微生物-代謝軸的紊亂，這與許多患者的表型相一致，可以為將來IBS治療干預的設計提供參考依據。

此外，研究者認為，目前對IBS臨床亞型的分層不應該成為治療決定的基礎，因為腸道微生物的改變 (與對照對象相比)在亞型上是相似的，與許多患者在便秘和腹瀉形式之間的交替是一致的。通過糞便菌群和代謝組學分析(因此排除了BAM患者，他們將被規(guī)定使用膽汁酸螯合劑)，然后通過治療糾正改變的微生物組、代謝組和飲食相互作用網絡，可以實現更詳細的分層。此外，將IBS患者與對照人群區(qū)分開來的宏基因組和代謝組學特征可能是這些微生物定向治療的靶點。

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