Gut代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享:小小腸道菌群決定腎的“生死”

終末期腎�。‥SRD）是慢性腎臟�。–KD）的一種晚期并發(fā)癥，是全世界引起高死率亡的主要原因之一。目前，治療ESRD的費(fèi)用驚人，僅在美國(guó)每年大約需要花費(fèi)340億美元。

代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，阿趣生物協(xié)助客戶中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)任發(fā)政院士和于政權(quán)教授與團(tuán)隊(duì)在國(guó)際權(quán)威期刊《Gut》(IF:17.943)上發(fā)表過(guò)關(guān)于ESRD的最新研究成果，整合腸道菌群、血清和糞便代謝組多組學(xué)數(shù)據(jù)，建立223名血液透析患者和69名健康對(duì)照者的大規(guī)模隊(duì)列，以及24名個(gè)體的獨(dú)立驗(yàn)證隊(duì)列，表明產(chǎn)毒的腸道菌群通過(guò)產(chǎn)生有害代謝物加重ESRD臨床預(yù)后，揭示在未來(lái)的臨床對(duì)照實(shí)驗(yàn)（CCT）中可通過(guò)調(diào)節(jié)腸道菌群的方法降低患者的尿毒癥毒性，提高生存質(zhì)量或減少對(duì)透析治療和腎移植資源的需求。
 

題目：Aberrant gut microbiota alters host metabolome and impacts renal failure in humans and rodents
樣本類型：臨床血清、糞便
期刊：Gut
影響因子：17.943
發(fā)表時(shí)間：2020年4月2日
 

技術(shù)路線

采集235例ESRD患者和81例健康對(duì)照者臨床指標(biāo)信息，并進(jìn)行血清代謝組、糞便代謝組、糞便宏基因組的實(shí)驗(yàn)。代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，技術(shù)路線如下圖所示：

（A）組學(xué)類型；

（B）基于ESRD患者組和健康組數(shù)據(jù)的差異物篩選；

（C）多組學(xué)數(shù)據(jù)相關(guān)性分析；

（D）與代謝物相關(guān)的宏基因組預(yù)測(cè)模型建立和聚類的CAG（Co-abundance genes）分析；

（E）動(dòng)物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證ESRD患者腸道菌群和益生菌治療作用。
 

研究結(jié)果

1.ESRD患者與健康人的血清代謝譜不同
采用非靶代謝組技術(shù)檢測(cè)血清樣品，鑒定到180個(gè)血清代謝物，篩選到134個(gè)差異物（圖1A）。代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，ESRD組和對(duì)照組血清代謝譜明顯不同；鑒于患者群體相對(duì)于原發(fā)性疾病類型的異質(zhì)性，作者將其分為三種主要類型：腎小球腎炎（n=76）、糖尿病腎�。╪=73）和其他（n=74），并分別與對(duì)照組進(jìn)行比較。發(fā)現(xiàn)血清代謝物中占比≥97%的物質(zhì)在整個(gè)人群中顯示為不同，只有少量代謝物（<9%）在不同組中具有顯著不同的豐度。這表明ESRD血清代謝組在很大程度上與原發(fā)病無(wú)關(guān)。

ESRD血清代謝組的主要特征是9種尿毒癥毒素的富集和膽汁酸組成的不平衡（如結(jié)合膽汁酸與非結(jié)合膽汁酸、初級(jí)膽汁酸與次級(jí)膽汁酸（SBAs））（圖1C）。通過(guò)對(duì)隨機(jī)選擇的60名患者（ESRD患者，n=40；健康對(duì)照組，n=20）目標(biāo)代謝物檢測(cè)，證實(shí)了ESRD患者中尿毒癥毒素的累積。據(jù)報(bào)道，這類毒素是由腸道菌群通過(guò)降解芳香族氨基酸（AAAs）和多酚產(chǎn)生的，氧化三甲胺（TMAO）例外，它是由細(xì)菌降解膽堿和肉堿產(chǎn)生的。
 

圖1 與ESRD患者明顯相關(guān)的血清和糞便代謝譜特征

2.ESRD患者的糞便代謝組的變化與血清代謝組相關(guān)

ESRD組和對(duì)照組的糞便代謝組實(shí)驗(yàn)共鑒定255個(gè)物質(zhì)，其中有98個(gè)差異代謝物（圖1D）。尿毒癥毒素前體和SBA在ESRD組表達(dá)量上調(diào)，初級(jí)膽汁酸，短酸（SCFAs）及其衍生物表達(dá)量下調(diào)。代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，這些代謝物占糞便代謝組差異物的49.6%。Procrustes分析表明血清和糞便代謝譜具有很強(qiáng)的協(xié)同性（圖1F）。

最重要的是，血清尿毒癥毒素與其糞便前體密切相關(guān)，這表明ESRD患者腸道代謝物的變化對(duì)血清中尿毒癥毒素的積累有顯著貢獻(xiàn)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證代謝組學(xué)結(jié)果，作者增加了一個(gè)獨(dú)立隊(duì)列，包括12名ESRD患者和12名健康對(duì)照。ESRD患者血清尿毒癥毒素的積累在新隊(duì)列中得到證實(shí)（補(bǔ)充圖7A）；同樣，在患者糞便中，觀察到毒素前體升高，并伴有明顯的SCFAs和SCFA衍生物減少的趨勢(shì)（補(bǔ)充圖7B）。 
 

補(bǔ)充圖7 獨(dú)立隊(duì)列中血清和糞便代謝物的驗(yàn)證

3.ESRD患者腸道菌群的分類和功能特征
為了研究腸道菌群是否介導(dǎo)了ESRD患者的代謝組變化，作者通應(yīng)用宏基因組（Illumina HiSeq平臺(tái)）測(cè)序技術(shù)進(jìn)行腸道菌群的研究，每個(gè)糞便樣本平均產(chǎn)生7470萬(wàn)次讀�。�11.2 Gb數(shù)據(jù)）。代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，鑒定900個(gè)宏基因組物種（MGS），其中約66%可以被鑒定到屬水平。利用基因圖譜，作者首先發(fā)現(xiàn)ESRD腸道菌群的微生物多樣性、分類組成和功能與健康人有顯著差異。

由于隊(duì)列中超過(guò)一半的物種發(fā)生了顯著變化（457/900 MGSs，51%），因而得出結(jié)論：ESRD可強(qiáng)烈影響腸道菌群�；颊唧w內(nèi)豐度上調(diào)的物種有Eggerthella lenta、Flavonifractor spp、Alistipes spp、Ruminococcus spp 和 Fusobacte rium spp（圖2B）。豐度下調(diào)的物種包括Prevotella spp , Clostridium spp 和幾種產(chǎn)丁酸鹽菌 (Roseburia spp, Faecalibacterium prausnitzii 和 Eubacterium rectale）。ESRD患者糞便中SCFAs的減少可能是由于產(chǎn)SCFA菌群的減少。與芳香族氨基酸（AAA）降解和SBA生物合成功能相關(guān)的菌群和基因在ESRD患者中高表達(dá)，與糞便代謝組的尿毒癥毒素前體和SBA結(jié)果一致。此外，這些功能與血清和糞便中相應(yīng)ESRD相關(guān)代謝物的濃度顯著相關(guān)（圖2C）�？梢缘贸龅慕Y(jié)論是，ESRD患者尿毒癥毒素的累積與腸道微生物群介導(dǎo)的AAA降解和微生物SBA生物合成有關(guān)。
 

圖2 ESRD患者血清和糞便中菌群特征及其與代謝物的變化關(guān)系

4.ESRD患者腸道菌群的改變介導(dǎo)代謝組的變化
為了進(jìn)一步探討腸道菌群與代謝物之間的關(guān)系，作者對(duì)宏基因組、血清和糞便代謝組進(jìn)行多組學(xué)關(guān)聯(lián)分析。在ESRD患者和健康對(duì)照組中都發(fā)現(xiàn)了緊密的聯(lián)系（圖3A，B）。代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，ESRD患者與健康對(duì)照組相關(guān)性網(wǎng)絡(luò)明顯不同，只有約12%的相關(guān)性是常見(jiàn)的。值得注意的是，尿毒癥毒素和膽汁酸占ESRD患者血清代謝物相關(guān)性的95.0%，明顯高于健康對(duì)照組（69.3%）。同樣，ESRD患者的血清尿毒癥毒素和膽汁酸也受到腸道菌群和糞便代謝組的顯著影響（圖3C）。

腸道菌群對(duì)ESRD患者代謝譜的影響相當(dāng)大，分別占血清和糞便代謝組變異的31.3%和39.0%（圖3D）。這些結(jié)果表明，腸道菌群除了影響腎功能外，似乎是對(duì)宿主的糞便和血清代謝組的也具有一定的影響作用。
 

圖3 腸道菌群對(duì)ESRD患者血清和糞便代謝組的影響

5.ESRD患者的腸道菌群對(duì)毒素積累作用
為了進(jìn)一步證實(shí)腸道菌群在尿毒癥毒素和SBA產(chǎn)生中的作用，作者重點(diǎn)關(guān)注預(yù)測(cè)編碼這些化合物的合成途徑中關(guān)鍵酶基因。鑒定了5134個(gè)編碼6種尿毒癥毒素和SBA關(guān)鍵合成酶的基因。代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，這些基因在ESRD患者中明顯更豐富。在此發(fā)現(xiàn)的指導(dǎo)下，作者應(yīng)用隨機(jī)森林模型來(lái)確定每個(gè)毒素或SBA與包含毒素/SBA合成酶編碼基因的物種豐富度之間的相關(guān)性。

血清或糞便中毒素強(qiáng)度和SBAs濃度預(yù)測(cè)最大化的隨機(jī)森林模型確定了大約83種菌群（圖4）。與ESRD患者中尿毒癥毒素和收縮壓的增加一致，大多數(shù)（59%）菌群在患者中比在對(duì)照組中更豐富（圖4）。重要的是，與尿毒癥毒素或SBA產(chǎn)生相關(guān)的菌群與ESRD臨床指標(biāo)直接且顯著相關(guān)。因此，作者假設(shè)至少部分腸道菌群通過(guò)尿毒癥毒素和SBAs加重ESRD�；�于上述發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)尿毒癥毒素和SBA的腸道菌群可作為ESRD的診斷標(biāo)志物。
 

圖4 ESRD患者的腸道菌群有助于尿毒癥毒素
的產(chǎn)生及膽汁酸的生物合成

6.CDK（慢性腎臟�。┬∈髣�(dòng)物模型的腸道菌群影響毒素積累和腎病發(fā)展
為了驗(yàn)證以上假設(shè)，即腸道菌群至少部分通過(guò)尿毒癥導(dǎo)致腎衰竭，作者將來(lái)自ESRD患者或健康供體的新鮮腸道菌群移植到腺嘌呤誘導(dǎo)的CKD模型無(wú)菌小鼠體內(nèi)。代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，發(fā)現(xiàn)接受ESRD腸道菌群移植的小鼠表現(xiàn)出更嚴(yán)重的腎纖維化、腎小球硬化和氧化應(yīng)激，以及血清尿素和肌酐水平的升高趨勢(shì)。尿毒癥毒素（包括對(duì)甲酚硫酸鹽、苯乙酰甘氨酸、硫酸苯酯和硫酸吲哚酚）的血清水平顯著升高（圖5D）。這些結(jié)果表明ESRD患者腸道菌群的尿毒癥毒素的調(diào)節(jié)對(duì)腎臟疾病的發(fā)展起到了一定的作用。

緊接著，作者驗(yàn)證了一個(gè)假設(shè)，即在腸道菌群中存在產(chǎn)尿毒素癥毒素前體的菌群，會(huì)加重腎病的發(fā)展。為此，作者移植ESRD患者菌群中高豐度的 E. lenta（預(yù)測(cè)參與馬尿酸和苯乙酰谷氨酰胺生成）和 Fusobacterium nucleatum（預(yù)測(cè)參與吲哚和苯酚的生成），發(fā)現(xiàn)可使CDK模型小鼠或大鼠的血清尿毒癥毒素升高，并加劇腎纖維化和氧化應(yīng)激，這些結(jié)果表明菌群產(chǎn)生的尿毒癥毒素可加重腎臟疾病。那么可得到一個(gè)推論，減少相應(yīng)菌群豐度會(huì)減輕疾病的嚴(yán)重程度。故而，作者給CKD大鼠灌胃動(dòng)物雙歧桿菌A6（一種促進(jìn)健康的益生菌），發(fā)現(xiàn)這兩種產(chǎn)毒素菌群E. lenta和 Fusobacterium nucleatum的豐度顯著降低。同時(shí)，血清尿毒癥毒素、肌酐和尿素濃度也顯著降低，腎纖維化和腎小球硬化程度降低。因而可通過(guò)動(dòng)物雙歧桿菌調(diào)節(jié)產(chǎn)毒腸道菌群的作用治療CKD大鼠，減輕腎臟疾病的發(fā)展。
 

圖5 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)ESRD患者腸道菌群促腎病發(fā)展
 

研究結(jié)論

在這項(xiàng)研究中，作者證明腎衰竭患者的腸道菌群具有加速一些有毒化合物生物合成的功能，導(dǎo)致尿毒癥毒素的濃度升高和加重腎臟疾病。ESRD患者產(chǎn)毒菌群對(duì)血清中尿毒癥毒素的積累有著重要的貢獻(xiàn)。這項(xiàng)工作有助于在人類受試者中建立腸道菌群與腎臟疾病發(fā)展之間的因果關(guān)系。代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，ESRD患者腸屏障容易受損，促進(jìn)尿毒癥毒素前體進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)。這將有助于血清毒素的積累。近期的研究結(jié)果表明，ESRD患者的腸道菌群可通過(guò)產(chǎn)生過(guò)量的苯酚來(lái)破壞腸屏障。

在腸屏障受損或破壞的情況下，更多的尿毒癥毒素可滲透到ESRD患者的循環(huán)中，加重腎臟疾病及其并發(fā)癥的發(fā)展。ESRD患者體內(nèi)毒素積累的一個(gè)原因是傳統(tǒng)透析法不能有效地去除微生物衍生的尿毒癥毒素。因此，在未來(lái)臨床對(duì)照試驗(yàn)中，對(duì)不同程度腎功能受損的患者，需要探索通過(guò)飲食、益生菌或其他治療手段調(diào)節(jié)腸道菌群能否減少解尿毒癥毒素的積累，提高患者的生存和生活質(zhì)量，減少對(duì)透析治療或腎移植資源的需求。
 

文章延伸

阿趣生物為本研究提供了VOCs非靶標(biāo)代謝組學(xué)檢測(cè)分析以及靶標(biāo)代謝組學(xué)檢測(cè)分析服務(wù)。

代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs, Volatile organic compounds）通常是指常壓下，沸點(diǎn)在50℃-260℃的各種有機(jī)化合物。VOCs按其化學(xué)結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步分為烷類、芳烴類、酯類、醛類和其他等。常見(jiàn)的有苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯、苯乙醇、三氯甲烷、丁酸丙酯、2-壬酮、2-辛酮等。研究表明，VOCs與人體神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育、肝臟毒性、血液系統(tǒng)等方面有重大關(guān)系。