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文献解读 ǀ ISME-肠易激综合征患者的菌群和代谢组变化

肠易激综合征(IBS)是一种功能性胃肠道疾病,其特征是慢性/复发性腹痛和排便不规则症状,在某些器官中没有观察到明确的发病机制。有研究提出改变肠道微生物群来介导IBS,然而IBS特异性微生物群、代谢物及其相互作用仍然知之甚少。本研究对两个队列共400余人的粪便和血清样本进行分析,揭示了肠易激综合征(IBS)患者中的血清/粪便代谢组的改变及其与肠道微生物组的关系。

 

 

 

文章标题:Altered metabolome and microbiome features provide clues in understanding irritable bowel syndrome and depression comorbidity

标题译名:代谢组和微生物组特征的改变为理解肠易激综合征和焦虑抑郁障碍共病提供了线索

发表期刊:ISME(IF:10.302)

发表时间:2021.11.08 

实验设计:

 




 

主要研究结果

 

1、与IBS患者内在因素和问卷调查因素相关的多组学分析

IBS患者的血清代谢物发生了显著变化,而粪便的代谢组和微生物组数据对IBS患者的区分能力较弱(图1a)。作者将IBS的菌群失调程度与其他菌群介导的疾病进行了比较,包括IBD、LC、CRC和T2D。如图1b所示,IBS中只有0.5%的肠道菌群失调可以通过疾病状态来解释。

 

内在和问卷因素与代谢和微生物特征的关联分析结果显示IBS亚型与粪便微生物组和血清代谢组的组成变化有关,与粪便代谢组无关(图1c)。有10个因素与粪便微生物组成变化显著相关,它们共同解释了9%的个体差异,最强关联是粪便TBA、C4等指标。

 

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图1. 肠易激综合征患者的多组学分析

 

2、IBS患者与健康对照组的代谢组改变

血清代谢组中共鉴定出101个差异的代谢物(图2a)。IBS患者和对照之间显著变化的化合物包括许多来自食物的代谢物,表明某些代谢物的变化归因于饮食差异(图2b)。无监督聚类结果显示,差异显著的血清代谢物聚集成78个簇,IBS患者的最大簇包含70种代谢物(图2c)。健康对照中富集的最大簇包含123种代谢物,并且在健康对照中均升高,另一个健康对照中富集的簇,包括Pyridoxamine-5-Phosphate、苯乙胺和二甲基色胺(图2d)。苯乙胺是一种单胺类神经递质,它可以刺激身体产生某些化学物质,而这些化学物质在抑郁症和其他精神疾病中起作用。

 

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图2. 差异丰富的血清代谢物及其簇

 

3、IBS患者与健康对照组之间的微生物组变化

IBS患者可能表现出不同的症状,例如腹泻与便秘,因此从肠道微生物组和代谢组方面找出亚型之间的异同非常重要。图3a概述了在所有IBS临床亚型中鉴定出的33种差异显著的肠道菌群,其中23种富集于IBS患者,10种富集于对照。与对照组相比,IBS-C和IBS-D患者在其肠道微生物组中细菌种类的相对丰度的增加和减少方面表现出大量重叠。LEfSe分析揭示了IBS患者和健康对照中差异显著的18条通路,其中8条通路在IBS患者中显著升高。

 

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图3. 肠易激综合征患者和健康对照组的肠道菌群变化

 

4、粪便/血清代谢物与肠道微生物群之间的关系

研究共揭示了113种差异显著的粪便代谢物和33种差异显著的肠道细菌之间的522种关联(图4a),然而血清代谢物与肠道细菌之间的关联没有显示出统计学差异。表明粪便代谢物可以直接与肠道微生物群相互作用,而血清代谢物受到更复杂和微妙的机制的调节。

与IBD一致,IBS中过度表达的Ruminococcus gnavus与低水平的二氢蝶酸密切相关,而二氢蝶酸是叶酸的重要中间产物。据报道,IBS患者的叶酸含量也相对较低。此外,还观察到Odoribacter splanchnicusEscherichia coli与二氢蝶酸相关(图4b-e)。

 

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图4. 差异显著的粪便代谢物与差异显著的物种之间的关联

 

5、与IBS抑郁症相关的微生物和代谢特征

为研究多组学特征与心理症状(尤其是抑郁症)严重程度之间的潜在关联,作者将样本分为四组:健康对照(HC)、无抑郁症的IBS患者(rIBS)、IBS轻度抑郁症患者(mIBS)和中度或重度抑郁症IBS患者(sIBS)。PLS-DA分析显示健康对照组和IBS抑郁组之间的血清代谢组存在巨大差异(图5a、b)。相比之下,对照组和抑郁组之间的粪便代谢组差异较小(图5c、d)。在肠道微生物群中观察到类似的现象,只有37个物种表现出异常改变(图5e)。然而,功能分析显示,在HC、rIBS、mIBS和sIBS组中,L-色氨酸生物合成途径的富集逐渐增加(图5f)。靶向代谢组学分析显示,与肠道微生物群中增强的TRP生物合成能力一致,血清中的TRP含量也显著增加(图5g)。此外,与健康对照组相比,抑郁症组还有一些其他升高的化合物,包括组胺、色胺、犬尿氨酸(KYN)。

 

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图5. 伴有和不伴有抑郁症的IBS患者异常的代谢组学和宏基因组学模式

 

6、多组学特征在肠易激综合征检测中的应用

目前,IBS基本上是根据症状来诊断的,缺乏有效的生物标志物。因此,本研究构建了RF模型,以探索使用微生物组/代谢物特征来区分IBS患者与健康对照并检测不同亚型的性能。根据粪便微生物组数据,发现队列中IBS检测的AUC为0.839,验证队列中为0.639(图6a)。根据粪便代谢组数据,发现队列中IBS检测的AUC为0.882,验证队列为0.709(图6b)。根据血清代谢组数据,发现队列中IBS患者的AUC为0.997(图6c),验证队列中的AUC为0.998,几乎完全可以从健康对照中检测到。而根据血清代谢组数据,预测患有抑郁症的IBS患者的AUC在阳性和阴性模式下分别为0.724和0.691(图6f)。表明代谢组数据可能不是IBS抑郁状态的良好预测指标。

 

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图6. 从多组学特征预测IBS患者的抑郁状态

 

全文总结

 

本文强调了IBS患者中的血清代谢物变化或能用于临床诊断,提示代谢失调或参与了IBS的发病机理,并为理解IBS抑郁症的合并症提供了新的线索。

 

参考文献

Han L, et al. Altered metabolome and microbiome features provide clues in understanding irritable bowel syndrome and depression comorbidity. ISME J, 2021.

 

 

 

 

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