代謝組學(xué)在繪制重癥先天性心臟病新生兒腸道微生態(tài)全景圖譜中的應(yīng)用

文章標(biāo)題：Mapping the early life gut microbiome in neonates with critical congenital heart disease: multiomics insights and implications for host metabolic and immunological health

發(fā)表期刊：Microbiome

影響因子：16.837

作者單位：中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院阜外醫(yī)院和上海交通大學(xué)附屬上海兒童醫(yī)學(xué)中心

百趣提供服務(wù)：非靶向代謝組學(xué)，短鏈‍脂肪酸
 

綜合機(jī)制概念圖

生命早期定植的腸道微生物群對(duì)宿主整個(gè)生命過(guò)程中的代謝和免疫穩(wěn)態(tài)影響深遠(yuǎn)。嚴(yán)重先天性心臟病(critical congenital heart disease, CCHD)的新生兒存在營(yíng)養(yǎng)不良和免疫失衡的重大風(fēng)險(xiǎn)，但這與腸道微生物的關(guān)聯(lián)仍不清楚。本研究對(duì)45名患有重癥先天性心臟病(CCHD)新生兒和50名健康對(duì)照(Healthy control group, HC)的糞便樣本進(jìn)行深度宏基因組測(cè)序和代謝組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)CCHD新生兒腸道菌群失調(diào)，表現(xiàn)為雙歧桿菌耗竭、腸球菌過(guò)度生長(zhǎng)，并與代謝紊亂高度相關(guān)；雙歧桿菌和腸球菌的遺傳變異導(dǎo)致CCHD代謝紊亂；以長(zhǎng)尾噬菌體為代表的溫和噬菌體病毒組通過(guò)改變菌群的適應(yīng)性塑造腸道細(xì)菌組成；腸球菌的過(guò)度生長(zhǎng)通過(guò)代謝物介導(dǎo)CCHD的腸道屏障損傷和炎癥反應(yīng)，并與全身炎癥和手術(shù)預(yù)后不良相關(guān)。研究表明重建最佳的腸道菌群對(duì)維持CCHD患兒的代謝和免疫平衡或有重要意義。

研究結(jié)果
1 基線特征
本研究納入了45例診斷為CCHD的足月新生兒和50例按年齡和性別相匹配的健康對(duì)照組，在出生體重、分娩方式和母乳喂養(yǎng)狀態(tài)等方面均無(wú)明顯差異。
 

圖1. 研究隊(duì)列登記的流程圖

表1. 研究隊(duì)列特征統(tǒng)計(jì)

2 腸道細(xì)菌的差異
作者對(duì)兩組的腸道細(xì)菌組成和多樣性進(jìn)行了分析（宏基因組），發(fā)現(xiàn)與HC相比CCHD組的α-多樣性顯著增加xq（圖2A）。主坐標(biāo)分析(PCoA)也表明兩組之間存在明顯的分離。腸型分析發(fā)現(xiàn)了基于腸球菌屬（腸型1）和雙歧桿菌屬（腸型2）的兩個(gè)集群（圖2C-E）。HC組以雙歧桿菌為主，而CCHD組以腸球菌為主。

圖2. CCHD患者和HC的腸道細(xì)菌特征

3 溫和噬菌體與CCHD早期生命細(xì)菌擾動(dòng)有關(guān)
腸道病毒的α-多樣性與科水平的PCoA也顯示了兩組間有明顯的差異。其中，長(zhǎng)尾噬菌體被認(rèn)為具有介導(dǎo)細(xì)菌之間的基因轉(zhuǎn)移并與宿主共同進(jìn)化的能力。作者從CCHD組中提取了腸球菌衍生的噬菌體序列，并使用Pfam數(shù)據(jù)庫(kù)注釋了基因功能。56%的注釋閱讀框被歸類為轉(zhuǎn)座酶、噬菌體整合酶和與轉(zhuǎn)錄調(diào)控和分解代謝相關(guān)的酶基因（包括轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子、甲基化酶、水解酶、肽酶和糖苷酶；圖3E），表明溫和噬菌體可以廣泛影響其細(xì)菌宿主的遺傳組成和代謝特征。相關(guān)性網(wǎng)絡(luò)（圖3J）展示了糞腸球菌與噬菌體之間存在正相關(guān)關(guān)系。
 

圖3. 細(xì)菌-噬菌體關(guān)聯(lián)分析

4 腸道微生物組與糞便代謝組之間的系統(tǒng)相互作用
非靶向代謝組學(xué)共鑒定了748種代謝物。與HC組相比，CCHD組有36種代謝物的上調(diào)和84種代謝物下調(diào)，主要涉及硫胺素代謝，亞油酸(LA)代謝，不飽和脂肪酸的生物合成，半乳糖代謝、苯丙氨酸代謝、酪氨酸代謝、花生四烯酸代謝和膽汁酸生物合成（圖4）。Spearman相關(guān)性網(wǎng)絡(luò)圖表明雙歧桿菌屬與氨基酸和碳水化合物代謝的糞便代謝物正相關(guān)（圖5）。
 

圖4. 腸道微生物特征以及與糞便代謝物的關(guān)聯(lián)
 

圖5. 腸道細(xì)菌與糞便代謝物的共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖
 

5 微生物豐度、功能、基因組結(jié)構(gòu)變化與宿主代謝綜合網(wǎng)絡(luò)分析
該分析發(fā)現(xiàn)與雙歧桿菌和腸球菌關(guān)聯(lián)的“互斥”特征（圖6C）。大多數(shù)腸球菌與花生四烯酸代謝物水平呈正相關(guān)，而腸球菌與多不飽和脂肪酸(polyunsaturated fatty acid, PUFA)水平同時(shí)存在負(fù)相關(guān)。所有這些代謝物都是參與炎癥級(jí)聯(lián)的活性化合物，而ω-3和ω-6 PUFAs能夠減輕炎癥和氧化應(yīng)激。另外，大多數(shù)雙歧桿菌種類的豐度與芳香族乳酸呈正相關(guān)（圖6C）。綜上所述，這些結(jié)果表明新生兒CCHD腸道微生物組成異常（腸球菌增多和雙歧桿菌減少，微生物功能和基因組成的改變），顯著影響早期生命的免疫發(fā)育和代謝。
 

圖6. CCHD患者中失調(diào)的腸道微生物群與腸道屏障損傷和全身炎癥相關(guān)

6 腸球菌的過(guò)度生長(zhǎng)與炎癥反應(yīng)和預(yù)后不良有關(guān)
作者檢測(cè)了HC組與手術(shù)預(yù)后良好和較差的患者（分別稱為CCHD-G和CCHD-P）亞組之間的腸道微生物組成。在CCHD-P和CCHD-G之間共鑒定出19種鑒別細(xì)菌，其中14種富集于CCHD-P中，主要屬于腸球菌屬（圖4B），推測(cè)腸球菌的過(guò)度生長(zhǎng)是驅(qū)動(dòng)CCHD-P和CCHD-G分離的一個(gè)關(guān)鍵微生物。炎癥指標(biāo)表明預(yù)后不良的新生兒在手術(shù)前已存在炎癥和腸道屏障損傷。腸球菌豐度與血清中多種促炎細(xì)胞因子和腸道通透性的生物標(biāo)志物水平之間存在很強(qiáng)的正相關(guān)性（圖6F），ROC分析表明（圖7）糞腸球菌豐度可以是一個(gè)獨(dú)立的預(yù)測(cè)新生兒手術(shù)預(yù)后的CCHD。
 

圖7. ROC曲線顯示了研究隊(duì)列中預(yù)后分層預(yù)測(cè)模型的鑒別準(zhǔn)確性

7 微生物與代謝物關(guān)聯(lián)將腸球菌與免疫-炎癥失衡聯(lián)系起來(lái)
兩個(gè)亞組之間的總體代謝特征具有顯著差異，在CCHD-P組中，與氨基酸、維生素和不飽和脂肪酸相關(guān)的代謝通路均被抑制。細(xì)菌和代謝物之間的相互作用很大程度上歸因于負(fù)相關(guān)關(guān)系中CCHD-P組富集的腸球菌物種和代謝物參與脂質(zhì)和維生素代謝。綜合結(jié)果表明，腸球菌的過(guò)度生長(zhǎng)和遺傳變異與益生菌相關(guān)代謝物的消耗，特別是芳香乳酸、LA衍生物和維生素B的消耗高度相關(guān)（圖9），這提示了一種積極的炎癥反應(yīng)。
 

圖8. CCHD-P和CCHD-G中鑒定的不同細(xì)菌種類與糞便代謝物的共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖
 

圖9. 亞組之間（CCHD-P與CCHD-G）的腸道微生物特征與糞便代謝物的綜合關(guān)聯(lián)

8 微生物群通過(guò)代謝物促進(jìn)宿主的炎癥反應(yīng)和腸道屏障的損傷
作者進(jìn)一步評(píng)估了代謝物是否能介導(dǎo)微生物對(duì)CCHD新生兒炎癥反應(yīng)和腸道屏障損傷。結(jié)果表明糞腸球菌可能通過(guò)降低LA衍生物（糞便13-HODE和α-二甲基酚酸，圖10C）損傷腸道屏障。此外，微生物脂肪酸降解途徑也可能通過(guò)消耗糞便中花生四烯酸水平來(lái)降低腸道通透性。
 

圖10. 腸道微生物組、代謝物與腸道通透性和炎癥的血清生物標(biāo)志物之間的調(diào)控關(guān)系

總結(jié)
重癥先天性心臟病新生兒存在腸道微生態(tài)紊亂失調(diào)與代謝紊亂，并通過(guò)誘導(dǎo)宿主代謝穩(wěn)態(tài)失衡，促進(jìn)了患兒免疫炎癥失衡與腸屏障功能損傷，進(jìn)而影響患兒臨床結(jié)局。研究結(jié)果提示：未來(lái)可通過(guò)制定靶向重癥先天性心臟病新生兒腸道菌群的個(gè)性化干預(yù)策略，如補(bǔ)充特定益生菌等來(lái)恢復(fù)重癥先天性心臟病患兒的代謝與免疫穩(wěn)態(tài)，進(jìn)而改善患兒臨床結(jié)局。