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NC: 国家心血管病中心利用肠道菌群-代谢物-靶器官策略探索关键菌潜在作用机制

来源: 上海中科新生命生物科技有限公司   2020-6-30   访问量:806评论(0)

未破裂颅内动脉瘤(UIA)是一种危及生命的脑血管疾病,但肠道微生物组成的变化是否参与UIAs的发生,目前尚不清楚。

2020年6月25日,中国医学科学院阜外医院国家心血管中心的研究团队对此进行了研究,相关研究成果以“Alterations of gut microbiota contribute to the progression of unruptured intracranial aneurysms” 在线发表在Nature Communications杂志上。通过宏基因组+代谢组+转录组(肠道菌群-代谢物-靶器官策略)等技术手段,揭示了肠道菌群在

UIAs发病机制中的潜在作用,补充H.hathewayi和牛磺酸,可能是预防UIA发展的一种新的治疗策略。

实验设计

实验材料:

人:粪便、血清;

小鼠:粪便、血清、组织样本

实验分组:

2个人群队列:共280份粪便样本。第一个人群队列200份(UIA和对照,各100);第二个人群80份(UIA和对照,各40)

粪便移植小鼠、动脉瘤诱导手术小鼠、灌胃实验小鼠等

实验技术:

宏基因组(微生物组分析技术)+靶向代谢组学分析(脂肪酸和氨基酸分析)+转录组+粪便移植+关键菌灌胃实验等

研究路线

研究结果

1.人群队列肠道菌群组成分析

采用宏基因组技术对280份粪便样本(来自2个人群队列,第一个人群队列200份(UIA和对照,各100);第二个人群80份(UIA和对照,各40))进行分析。PCoA分析显示两组之间存在区分和差异,揭示群落组成存在差异,145个菌属在两组间存在差异。

2.种水平菌群差异分析:筛选与UIA相关的肠道微生物

进一步鉴定与UIA相关的微生物。在第一个人群队列中,共有47种在UIA和对照之间的丰度存在显著差异,其中38种在UIA中更为丰富。47个差异丰富的物种中,有8个物种(17。0%)在第二个人群队列的UIA患者中也存在显著差异富集。

3. 肠道菌群作为无创生物标志物的潜力:准确鉴定UIA

进一步探讨肠道微生物群组成对UIA的诊断价值。利用第一个队列的200份样本构建了一个随机森林分类器。47种差异菌种能够准确地判断UIA患者(AUC= 0。86)。第二个队列(80例UIA和对照样本)的诊断误差仍然相对较低(AUC=0。72)。总的来说,肠道菌群具有作为生物标志物无创诊断UIAs人群的潜力。

4. 种水平的菌群功能差异分析:脂肪酸和氨基酸代谢受到干扰

46条代谢途径在UIA患者和对照组之间存在差异。不饱和脂肪酸的生物合成在UIA占主要功能。苏氨酸、异亮氨酸、赖氨酸和蛋氨酸等氨基酸的生物合成在对照占主要功能。结果表明,UIA肠道菌群变化可能通过干扰生理代谢功能,尤其是脂肪酸和氨基酸代谢,引发疾病相关状态。

5. 人群队列肠道微生物种类与血清代谢产物的相关性分析:具有相关性

靶向代谢组学分析第一组60名参与者(30名UIA患者和30名对照组)血清中脂肪酸和氨基酸代谢的代谢特征。血清中9种脂肪酸中的7种和32种氨基酸中的12种的浓度有很大差异。进一步调查19种差异代谢物是否与47种差异菌种是否具有相关性,结果表明肠道微生物可以调节循环氨基酸和脂肪酸的水平。

6. 粪便移植实验证明肠道菌群影响颅内动脉瘤的发生

为进一步确定肠道菌群变化是否是UIA在体内进展的直接因素,将UIA患者和对照组的粪便移植到无菌小鼠体内。对供体和受体的粪便样品进行宏基因组分析,14种菌在接受粪便移植的小鼠之间显著差异,其中5种菌(35.7%)分别是H.hathewayi、O.splannicus、A.putredinis、B.intestinalis、A和B.nordii,在人群队列UIA患者中也观察到富集。

对20只移植UIA和20只移植对照粪便的小鼠进行动脉瘤诱导手术。与对照组粪便(Con-FMT)相比,使用UIA患者粪便(UIA-FMT)治疗的小鼠动脉瘤的总体发病率和动脉瘤破裂显著增加。这些发现提供了直接证据,表明肠道微生物群可以影响宿主颅内动脉瘤的形成和破裂。

7. UIA肠道菌群改变宿主靶器官转录表达谱

为深入了解UIA肠道微生物群对颅内动脉瘤形成和破裂的影响,对脑血管进行了全转录组学分析。RNA-seq数据显示,UIA肠道菌群显著加剧了脑血管基因转录谱的变化,UIA肠道菌群诱发颅内动脉瘤的机制可能涉及炎症、脑血管细胞外基质的调节以及细胞凋亡。

8. 血清差异代谢物功能研究:牛磺酸可降低颅内动脉瘤的发生率

为了验证UIA患者体内血清循环代谢物的改变以及进一步评估肠道微生物和循环代谢物之间的关系,采用靶向代谢组学分析粪便移植后的小鼠血清中的脂肪酸和氨基酸。这些改变的代谢物中,牛磺酸、L-组氨酸和亚油酸也证实了临床人群队列分析结果:UIA患者的含量低于对照组。补充牛磺酸使血清牛磺酸水平正常化,并显著降低动脉瘤的总体发病率和破裂率,降低了牛磺酸的血浆浓度后,总体发病率和破裂率增加,在减缓炎症过程、减少细胞外基质重塑、维持脑动脉结构完整性方面的重要作用。然而没有发现L-组氨酸或亚油酸在降低颅内动脉瘤形成和破裂发生率方面的保护作用。这些数据表明UIA牛磺酸水平的降低增加了小鼠颅内动脉瘤形成和破裂的发生率。

9. 探索关键菌功能:补充H.hathewayi可预防颅内动脉瘤

为进一步研究UIA微生物群的变化与宿主体内循环牛磺酸水平的变化之间的关系。对粪便移植后小鼠的差异菌和牛磺酸进行Spearman相关性分析,其中H.hathewayi是唯一在人群队列中相关性和丰度均表现一致的菌。经口灌胃1×109单位的活H.hathewayi足以恢复UIA患者粪便移植引起的降低水平,牛磺酸的血浆浓度也显著增加,显著降低了动脉瘤的总体发病率和破裂率。总体而言, 补充H.hathewayi对小鼠颅内动脉瘤的形成和破裂具有保护作用。

小编总结

宏基因组分析两组人群队列的粪便样本发现菌群结构与功能在UIA和对照之间存在显著差异,与血清中的循环代谢物存在相关性,同时还有作为无创生物标志物的潜能。进一步通过粪便移植实验,证实肠道菌群影响颅内动脉瘤的发生,影响靶器官的转录表达水平。通过相关性分析确定UIA相关的肠道微生物种类与循环牛磺酸的变化有关,补充牛磺酸和H.hathewayi可预防UIA发展,保护小鼠免受颅内动脉瘤的形成和破裂。

高分文章首选:

菌群-代谢物-靶器官研究策略

研究肠道微生物的核心思想是找到菌群-代谢物-靶器官之间的逻辑链,其中会涉及多种样本类型,多种组学技术,还会涉及验证环节。可以按照逻辑关系层层递进,也可以跳过其中的某些部分,具体可以根据实际情况判断,但研究思路越完整,越有助于冲击高水平文章。中科新生命的自建代谢组学、蛋白组、转录组平台,能为各位老师提供一站式服务,欢迎电话咨询。

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