Nature Microbiology文獻解析：腸道菌群揭開神經(jīng)性厭食癥的神秘面紗

神經(jīng)性厭食癥（Anorexia nervosa, AN）簡稱為厭食癥，是一種嚴重的精神疾病和進食失調癥，病例以女性為主。AN發(fā)病機制涉及遺傳和各種環(huán)境因素，已有研究推測異常的腸道微生物群可能與AN的發(fā)病機制有關，但確切的病因尚不清晰。

近日，哥本哈根大學等單位的相關研究人員通過對AN臨床隊列人群開展菌群測序與血清代謝組學，并結合動物實驗闡釋了AN腸道微生物群和相關代謝物在AN發(fā)病機制中的作用影響，揭示了AN中改變的腸道微生物群與AN表型之間的因果關系，將題為“The gut microbiota contributes to the pathogenesis of anorexia nervosa in humans and mice”的研究成果發(fā)表在Nature Microbiology（IF: 31.0）雜志。

圖1. 研究流程圖

AN患者改變的腸道微生物群組成與臨床變量相關

收集77名AN女性患者和70名健康女性（HC）糞便樣本進行宏基因測序，結果表明AN患者的腸道微生物群在屬水平上的β多樣性更高，且乳酸桿菌在AN中的富集最為顯著。腸型分析結果發(fā)現(xiàn)，與HC相比，AN中瘤胃球菌-腸型（R-腸型）的患病率更高，暴飲暴食或排泄型（AN-BP）中相同腸型的患病率高于限制型（AN-RS）亞型。在物種水平上，AN腸道微生物群同樣具有更高的β多樣性，且AN-BP亞型在物種水平上比AN-RS亞型具有更多的異質細菌群落。去除多種混雜干擾因素后篩選出AN和HC組間顯著差異物種，發(fā)現(xiàn)Roseburia intestinalis, Roseburia inulinivorans, Eisenbergiella以及產(chǎn)生丁酸的SS3/4 – (Clostridium) sp. CAG:81等菌種在HC組中擁有顯著高豐度；Erysipelatoclostridium ramosum, Enterocloster bolteae, (Clostridium) innocuum和Blautia sp. CAG:257在AN組中高度富集。

使用線性回歸模型調整包括年齡、吸煙和多種藥物攝入在內的混雜因素后，研究HC和AN聯(lián)合隊列中屬和物種水平上菌群絕對豐度與生物臨床變量之間的數(shù)值關聯(lián)。結果表明，梭狀芽胞桿菌物種與飲食失調評分呈正相關；在與飲食失調評分呈負相關的細菌物種中，嗜酸乳球菌的絕對豐度和糞桿菌都與抑郁癥狀和人際疏遠的評分有關；Parasutterella的絕對豐度與身體不滿意度正相關，雙歧桿菌的與完美主義的標志物相關。

菌群生長速率評估顯示，AN和HC的峰谷比中位值差異顯著，產(chǎn)生丁酸鹽的6種菌群在AN中的生長速度顯著降低。

圖2. AN患者腸道微生物群組成變化與臨床變量相關

預測的腸道微生物群功能與飲食行為和新陳代謝相關

使用腸道代謝模塊（GMM）和腸腦模塊（GBM）預測腸道菌群的功能潛力，最終確定了159個功能模塊，其中用于血清素生物合成的GBMs的豐度以及多巴胺、谷氨酸和色氨酸的降解（對情緒和食欲有影響的代謝物）在AN中富集；谷氨酸合成II和維生素K2途徑的豐度在HC中更高；血清素合成和谷氨酸降解途徑與葡萄糖和胰島素的循環(huán)濃度或胰島素敏感性呈負相關。

圖3. AN腸道微生物群功能預測

菌群基因組可能具有結構變異體（SVs），這些變異可能干擾影響微生物與宿主之間相互作用的功能基因。因此進一步分析所有樣本細菌基因組的SVs，最終在在56種細菌中發(fā)現(xiàn)了5056個缺失SVs和2423個可變SVs。古細菌微生物群中SVs的鑒定及菌群SVs譜的堪培拉距離、β多樣性等結果均指向了兩組間菌群SVs的組成不同。

進一步探索腸道細菌SVs與飲食行為標志物之間的關系，發(fā)現(xiàn)AN病例中的菌群SVs在去除混雜因素后與飲食失調評分顯著相關。在B. uniformis基因組中的SVs與宿主進食評分之間的關聯(lián)分析中，發(fā)現(xiàn)10-kbp缺失與貪食癥和自我否定的標志物直接相關，表明這種缺失SVs可能參與AN的調節(jié)進食障礙和心理特征。基因分析顯示，B. uniformis中特定基因組區(qū)域編碼參與硫胺素生物合成途徑的遠端酶。硫胺素缺乏與心理健康有關，大約三分之一的AN病例可能患有硫胺素缺乏癥，且缺乏這種菌群基因組區(qū)域的AN病例貪食癥（AN-BP亞型的關鍵特征）和自我否定的評分較高。

圖4. AN與HC組的腸道菌群結構變化

血清代謝物與腸道菌群和進食障礙特征有關

對AN和HC組的血清樣本進行非靶向代謝組學分析，最終共計鑒定了28種極性代謝物和35種微生物群相關代謝物。AN和HC組之間代謝輪廓存在顯著差異，而兩個AN亞型之間僅略有變化。在調整混雜因素后，進一步篩選出25種血清差異代謝物。其中，膽酸（CA）、甘膽酸（GCA）和次級膽汁酸中的甘氧膽酸（GHCA）、7-氧代-莨菪膽酸（7-氧代-HCA）、糖代脫氧膽酸（GHDCA）、7-氧代脫氧膽酸（7-氧代-DCA）、ω/α-穆里膽酸（ω/α-MCA）、熊去氧膽酸（UDCA））的血清濃度較高，表明腸道菌群在繼發(fā)膽汁酸合成和代謝以及飽腹感調節(jié)的AN相關變化中的潛在作用。此外，與HC相比，AN中兩種色氨酸代謝物吲哚-3-乙酸和吲哚-3-丙酸（IPA）的血清濃度更高，其中IPA與胰高血糖素樣肽1的分泌有關；AN組中的纈氨酸與飽和及長鏈不飽和脂肪酸的失調有關。

構建雙向介導模型以探索血清代謝物在腸道菌群與宿主表型互作中的貢獻，最終推斷出“瘦身驅動”為AN患者富含細菌物種C. paraputrificum和血清IPA水平的結果；AN患者中富集的硫酸吲哚酯在身體不滿意評分中被鑒定為與富含Clostridium sp. CAG:269有關。繪制由14個微生物特征、10個代謝物和5個代謝性狀組成的因果網(wǎng)絡，發(fā)現(xiàn)血清素合成模塊通過繼發(fā)性膽汁酸糖脫氧膽酸對宿主BMI產(chǎn)生因果影響，血清亮氨酸介導了B. vulgatus對葡萄糖穩(wěn)態(tài)的影響。

圖5. 血清代謝物與腸道菌群和進食障礙特征有關

腸道微生物群誘導小鼠體重增加減少和能量代謝改變

為了研究AN中改變的腸道微生物群與相關表型之間的潛在因果關系，將三個隨機選擇的AN-RS病例和三個年齡匹配的HC參與者的糞便微生物群移植到雌性無菌（GF）小鼠中，限制喂養(yǎng)小鼠以模擬人類AN中食物攝入量的減少。結果發(fā)現(xiàn)，21天后，與接受HC菌糞移植的小鼠相比，接受AN病例糞便移植的GF小鼠顯示出更明顯的體重初始下降和較慢的體重增加。下丘腦基因表達分析顯示AN和HC移植受者在參與控制飲食行為和能量消耗的幾種下丘腦基因的表達上存在差異，且AN移植小鼠腹股溝脂肪中Ucp1、Elovl3和Pgc1α的mRNA豐度增加，表明該組小鼠的脂肪組織產(chǎn)熱增強。

16S菌群測序顯示人供體糞便和GF小鼠受體盲腸內容物測序鑒定出85個重疊擴增子序列變異，其中45個序列在供體中被轉移到受體。血清代謝組分析檢測到31種代謝物，其中19種從人轉移到了小鼠。三種擬桿菌數(shù)量與Ucp1表達正相關，表明這些序列通過增強脂肪褐變在體重減輕或降低體重增加方面具有潛在作用。ASV_122的相對豐度（注釋為Akkermansia屬）與下丘腦食欲抑制基因Htr1b之間的負相關，提示ASV_122在食欲調節(jié)中的潛在作用。整體而言，通過小鼠下丘腦和脂肪組織基因表達的改變以及體重隨時間的變化揭示了人類AN中腸道微生物群的破壞可能促進AN發(fā)病。

圖6. AN與HC菌糞移植后小鼠的表型變化

小結

綜上所述，本研究運用菌群測序和代謝組學綜合表征了人類和小鼠的腸道微生物組和代謝組圖譜，揭示了AN患者腸道微生物群的深刻而復雜的破壞及具有功能意義的血清代謝物改變，小分子代謝物可能通過血液循環(huán)或通過腸道-微生物群-腦神經(jīng)元信號通路起作用，進而影響大腦對食欲、情緒和行為的調節(jié)。在能量限制喂養(yǎng)模式下，下丘腦中食欲抑制基因和AN移植小鼠脂肪組織中產(chǎn)熱相關基因有關，且這些基因的異常表達、體重改變與異常的能量代謝和飲食行為有關。整體研究表明，嚴重破壞的腸道微生物組可能導致了AN發(fā)病。

參考文獻

Fan Y, Støving RK, Berreira Ibraim S, et al. The gut microbiota contributes to the pathogenesis of anorexia nervosa in humans and mice. Nature Microbiology. 2023.

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