Nature Microbiology文獻(xiàn)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(yán)重的精神疾病和進(jìn)食失調(diào)癥，病例以女性為主。AN發(fā)病機(jī)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(jī)制有關(guān)，但確切的病因尚不清晰。

近日，哥本哈根大學(xué)等單位的相關(guān)研究人員通過對AN臨床隊(duì)列人群開展菌群測序與血清代謝組學(xué)，并結(jié)合動(dòng)物實(shí)驗(yàn)闡釋了AN腸道微生物群和相關(guān)代謝物在AN發(fā)病機(jī)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(guān)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(guān)

收集77名AN女性患者和70名健康女性（HC）糞便樣本進(jìn)行宏基因測序，結(jié)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(jié)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(zhì)細(xì)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(diào)整包括年齡、吸煙和多種藥物攝入在內(nèi)的混雜因素后，研究HC和AN聯(lián)合隊(duì)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(guān)聯(lián)。結(jié)果表明，梭狀芽胞桿菌物種與飲食失調(diào)評(píng)分呈正相關(guān)；在與飲食失調(diào)評(píng)分呈負(fù)相關(guān)的細(xì)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(yuǎn)的評(píng)分有關(guān)；Parasutterella的絕對豐度與身體不滿意度正相關(guān)，雙歧桿菌的與完美主義的標(biāo)志物相關(guān)。

菌群生長速率評(píng)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(guān)

預(yù)測的腸道微生物群功能與飲食行為和新陳代謝相關(guān)

使用腸道代謝模塊（GMM）和腸腦模塊（GBM）預(yù)測腸道菌群的功能潛力，最終確定了159個(gè)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(fù)相關(guān)。

圖3. AN腸道微生物群功能預(yù)測

菌群基因組可能具有結(jié)構(gòu)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(jìn)一步分析所有樣本細(xì)菌基因組的SVs，最終在在56種細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)了5056個(gè)缺失SVs和2423個(gè)可變SVs。古細(xì)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(jié)果均指向了兩組間菌群SVs的組成不同。

進(jìn)一步探索腸道細(xì)菌SVs與飲食行為標(biāo)志物之間的關(guān)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(diào)評(píng)分顯著相關(guān)。在B. uniformis基因組中的SVs與宿主進(jìn)食評(píng)分之間的關(guān)聯(lián)分析中，發(fā)現(xiàn)10-kbp缺失與貪食癥和自我否定的標(biāo)志物直接相關(guān)，表明這種缺失SVs可能參與AN的調(diào)節(jié)進(jìn)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(yuǎn)端酶。硫胺素缺乏與心理健康有關(guān)，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(guān)鍵特征）和自我否定的評(píng)分較高。

圖4. AN與HC組的腸道菌群結(jié)構(gòu)變化

血清代謝物與腸道菌群和進(jìn)食障礙特征有關(guān)

對AN和HC組的血清樣本進(jìn)行非靶向代謝組學(xué)分析，最終共計(jì)鑒定了28種極性代謝物和35種微生物群相關(guān)代謝物。AN和HC組之間代謝輪廓存在顯著差異，而兩個(gè)AN亞型之間僅略有變化。在調(diào)整混雜因素后，進(jìn)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(jí)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(diào)節(jié)的AN相關(guān)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(guān)；AN組中的纈氨酸與飽和及長鏈不飽和脂肪酸的失調(diào)有關(guān)。

構(gòu)建雙向介導(dǎo)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(xiàn)，最終推斷出“瘦身驅(qū)動(dòng)”為AN患者富含細(xì)菌物種C. paraputrificum和血清IPA水平的結(jié)果；AN患者中富集的硫酸吲哚酯在身體不滿意評(píng)分中被鑒定為與富含Clostridium sp. CAG:269有關(guān)。繪制由14個(gè)微生物特征、10個(gè)代謝物和5個(gè)代謝性狀組成的因果網(wǎng)絡(luò)，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(dǎo)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(jìn)食障礙特征有關(guān)

腸道微生物群誘導(dǎo)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(guān)表型之間的潛在因果關(guān)系，將三個(gè)隨機(jī)選擇的AN-RS病例和三個(gè)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(jié)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(dá)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(dá)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(qiáng)。

16S菌群測序顯示人供體糞便和GF小鼠受體盲腸內(nèi)容物測序鑒定出85個(gè)重疊擴(kuò)增子序列變異，其中45個(gè)序列在供體中被轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移到了小鼠。三種擬桿菌數(shù)量與Ucp1表達(dá)正相關(guān)，表明這些序列通過增強(qiáng)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(fù)相關(guān)，提示ASV_122在食欲調(diào)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(dá)的改變以及體重隨時(shí)間的變化揭示了人類AN中腸道微生物群的破壞可能促進(jìn)AN發(fā)病。

圖6. AN與HC菌糞移植后小鼠的表型變化

小結(jié)

綜上所述，本研究運(yùn)用菌群測序和代謝組學(xué)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(fù)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(hào)通路起作用，進(jìn)而影響大腦對食欲、情緒和行為的調(diào)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(guān)基因有關(guān)，且這些基因的異常表達(dá)、體重改變與異常的能量代謝和飲食行為有關(guān)。整體研究表明，嚴(yán)重破壞的腸道微生物組可能導(dǎo)致了AN發(fā)病。

參考文獻(xiàn)

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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