Microbiome客戶案例：運(yùn)動(dòng)改善心功能不全，腸道菌群發(fā)揮重要作用

心肌梗塞（MI）是全世界的主要死因，隨著機(jī)械再灌注治療方法如經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入治療（PCI）的進(jìn)步，MI的急性死亡率已顯著降低，而梗死后心臟重塑和心力衰竭已成為巨大的醫(yī)療保健和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。心臟康復(fù) (CR) 是 MI 患者推薦的有效輔助療法，而運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練是 CR 的有力方式。腸道微生物基因數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過宿主基因的總數(shù)，腸道微生物組對(duì)于通過底物的代謝交換和共代謝來(lái)維持宿主生理和體內(nèi)平衡至關(guān)重要。體育鍛煉已被證明能夠調(diào)節(jié)腸道微生物群，然而，腸道微生物在運(yùn)動(dòng)保護(hù)MI中的潛在作用仍不清楚。

2022年5月31日，上海大學(xué)肖俊杰教授團(tuán)隊(duì)在Microbiome（IF=16.837）在線發(fā)表題為“Gut microbiome mediates the protective effects of exercise after myocardial infarction”的論文，該研究發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可以改善心功能不全，并改變 MI 后腸道微生物的豐度和群落結(jié)構(gòu)，同時(shí)提供了通過運(yùn)動(dòng)、微生物組和腸道菌群衍生的 3-羥基苯乙酸（3-HPA）和 4-羥基苯甲酸 （4-HBA）調(diào)節(jié)心血管疾病可能性。該研究為腸道菌群在運(yùn)動(dòng)保護(hù) MI 中的作用提供了新的見解。（麥特繪譜提供Q200宏代謝組檢測(cè)服務(wù)）

研究人員首先利用小鼠模型證實(shí)了運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可減輕MI后的心功能不全。通過對(duì)小鼠糞便16S rDNA測(cè)序分析發(fā)現(xiàn)，MI后運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練導(dǎo)致腸道菌群豐度和群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，其中擬桿菌門豐度增加，厚壁菌門豐度降低；屬水平上，Alistipe、Lachnospiraceae_UCG-001、Ruminococcus、Allobaculum和Oscillospiraceae UCG-005豐度發(fā)生改變。Alistipe和Ruminococcus與心功能指標(biāo)EF左心室射血分?jǐn)?shù)和左心室縮短分?jǐn)?shù)FS顯著正相關(guān)，Lachnospiraceae_UCG-001與心功能指標(biāo)EF和FS顯著負(fù)相關(guān)。

圖1. 運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可預(yù)防MI后的心功能不全

為了研究腸道菌群是否與運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對(duì)MI后心功能障礙的有益影響有關(guān)，研究人員通過抗生素處理預(yù)消耗腸道微生物，結(jié)果消除了運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對(duì) MI 小鼠的保護(hù)作用。此外，與接受非運(yùn)動(dòng)MI小鼠菌群移植的小鼠相比，接受運(yùn)動(dòng)MI小鼠菌群移植的小鼠心臟功能更好。這些結(jié)果表明腸道菌群參與了運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對(duì)MI后心功能障礙的保護(hù)作用。

圖2. 糞菌移植恢復(fù)運(yùn)動(dòng)對(duì)MI的保護(hù)作用

進(jìn)一步基于UPLC-MS/MS平臺(tái)對(duì)菌群相關(guān)代謝物水平進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，與MI組相比，MI+運(yùn)動(dòng)組的主要酚類物質(zhì)3-羥基苯乙酸（3-HPA）和4-羥基苯乙酸（4-HPA）水平升高，正常組和MI+運(yùn)動(dòng)組的4-羥基苯甲酸（4-HBA）顯著改變。菌群-代謝物相關(guān)分析顯示，4-HPA、3-HPA和4-HBA分別與6個(gè)屬、5個(gè)屬和1個(gè)屬有顯著的相關(guān)性，說明這幾個(gè)代謝物可能介導(dǎo)了MI后運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的保護(hù)作用。隨后驗(yàn)證它們對(duì)MI后心功能的保護(hù)作用是否可以直接轉(zhuǎn)移，以兩種不同劑量的處理發(fā)現(xiàn)，3-HPA和4-HBA可單獨(dú)應(yīng)用于通過 NRF2（酚類物質(zhì)的靶點(diǎn)，可保護(hù)建模的MI小鼠和細(xì)胞凋亡）保護(hù) MI 后心功能不全和細(xì)胞凋亡。

圖3. 3-HPA和4-HBA保護(hù)MI后的心功能不全

綜上，本研究通過Q200宏代謝組學(xué)、16SrRNA測(cè)序分析、抗生素使用和糞菌移植，發(fā)現(xiàn)腸道菌群介導(dǎo)了運(yùn)動(dòng)對(duì)心肌梗塞后的保護(hù)作用，菌群相關(guān)代謝物3-羥基苯乙酸和 4-羥基苯甲酸可通過NRF2保護(hù)心肌梗塞后的心功能障礙和細(xì)胞凋亡，揭示了通過運(yùn)動(dòng)、微生物組及其相關(guān)代謝物調(diào)節(jié)心血管疾病的潛在價(jià)值。

腸道菌群與代謝研究經(jīng)典思路

原文文獻(xiàn)

Gut microbiome mediates the protective effects of exercise after myocardial infarction. Microbiome. 2022.

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上述研究中腸道菌群相關(guān)代謝物（Q200宏代謝組）檢測(cè)由麥特繪譜提供。大量研究表明腸道菌群及其代謝物與糖尿病、肝病、心腦血管疾病、腎病、腫瘤、神經(jīng)系統(tǒng)疾病等多種疾病密切相關(guān)，在人類健康和疾病中發(fā)揮著至關(guān)重要的作⽤。截至2022年9月，Q200宏代謝組技術(shù)已協(xié)助客戶在Cell Metabolism、Gut、Diabetes Care、Science Translational Medicine等高影響力期刊發(fā)表34篇SCI論文（平均IF>10）。

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