導讀
炎癥性腸?。↖BD）是一種不明原因的胃腸道慢性炎癥疾病，主要包括克羅恩氏病（CD）和潰瘍性結腸炎（UC）兩種。近幾年，關于IBD與腸道菌群的研究成果頗多，皆證明腸道菌群組成能夠影響IBD的發(fā)生、發(fā)展。然而，腸道菌群紊亂與IBD發(fā)生的因果關系尚未有結論。多組學技術可以幫助人們從多層面、多角度研究問題，為此，本研究通過微生物組和代謝組學相結合的方法，對IBD病人和健康人的腸道菌群組成、代謝產(chǎn)物進行了檢測分析。
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文獻ID
題目：Cross sectional evaluation of the gut-microbiome metabolome axis in an Italian cohort of IBD patients
譯名：意大利炎癥性腸病患者腸道微生物代謝組軸的橫切面評價
雜志：Scientific Reports
發(fā)表時間：2017年 IF：4.259
通訊作者：Aldo Manzin
通訊單位：意大利卡利亞里大學
材料與方法
實驗設計
收集82名UC病人、50名CD病人和51名健康志愿者的糞便樣本，3小時內(nèi)轉移至實驗室，放于-80℃下保存直至DNA提取。
實驗對象的排除條件：1）年齡小于20歲或超過80歲；2）收樣前3個月內(nèi)使用過抗生素或者服用過益生元；3）孕婦。記錄實驗對象的年齡、性別、飲食、抽煙、喝酒、喝咖啡、治療和病變定位情況。
DNA提取試劑盒：QIAamp DNA stool MiniKit
測序區(qū)域及平臺
16S rRNA:：Illumina MiSeq ，V3-V4區(qū)
代謝組：GC-MS，H-NMR，LC-MS
研究成果
1
患病組和健康組人群腸道菌群香農(nóng)維納指數(shù)存在顯著差異。從菌群組成來看，IBD病人和健康人群腸道中的優(yōu)勢菌相同，都是厚壁菌門、擬桿菌門、放線菌門、變形菌門、疣微菌門、藍藻細菌和梭桿菌門。與健康人群相比，IBD病人厚壁菌門、變形菌門、疣微菌門、梭桿菌門相對豐度顯著提高，而擬桿菌門和藍藻細菌的相對豐度顯著下降。具體來看，CD病人和UC病人優(yōu)勢菌群差異變化情況各有不同：CD病人腸道中擬桿菌門、變形菌門、疣微菌門和藍藻細菌相對豐度發(fā)生顯著差異，UC病人腸道中只有變形菌門相對豐度未出現(xiàn)顯著性差異（圖1）。
圖1 IBD，UC，CD患者以及健康人群腸道菌群門水平組成分析
2
在屬水平上，IBD病人組埃希氏菌屬、糞桿菌屬、鏈球菌屬、薩特氏菌屬和韋永氏球菌屬相對豐度顯著提高；而擬桿菌屬、黃桿菌屬和顫螺菌屬的相對豐度則顯著降低。CD病人腸道中，只有埃希氏菌屬和韋永氏球菌屬相對豐度顯著增加，普氏菌屬顯著降低。UC病人腸道中，糞桿菌屬及顫螺菌屬相對豐度變化不顯著（圖2）。
圖2 CD、UC病人及其健康人腸道菌群屬水平分析
3
在種水平上，CD病人腸道中有25個物種相對豐度顯著提高，22個物種相對豐度顯著降低。UC病人腸道中有18個物種相對豐度顯著提高，17個物種相對豐度顯著減少（圖3）。
圖3 CD、UC病人腸道菌群種水平分析
4
本研究采用3種技術對代謝產(chǎn)物進行了檢測分析。GC-MS分析結果顯示，UC病人和CD病人與健康人群樣本存在組內(nèi)聚集和組間分離，表明腸道代謝產(chǎn)物組成存在差異（圖4a,b）。H-NMR分析結果同樣顯示UC及CD病人與健康人腸道代謝產(chǎn)物組成顯著不同（圖4c,d）。而LC-MS/MS QTOF分析結果展示出CD患者與健康人群代謝產(chǎn)物良好的區(qū)分性，但UC病人和健康人群之間并未得到很好的區(qū)分（圖4e,f）。
圖4 OPLS-DA散點圖
5
14種代謝產(chǎn)物可以很好地區(qū)分CD病人和健康人群。其中8種（丙氨酸、β-丙氨酸、苯乙酸、4-羥基苯乙酸、甘油酸、苯基乙胺、丁二胺、尸胺）在CD病人中顯著增加，另外6種（煙酸、泛酸、甲基已二酸、羥基丁酸、糞甾醇、氫化肉桂酸）在CD病人中顯著降低。此外，16種代謝產(chǎn)物能夠?qū)C病人和健康人群進行很好地區(qū)分。4-鄰羥基苯乙酸、葡萄糖、尸胺和氨基戊酸等6種代謝物在UC病人體內(nèi)顯著增加，而另外10種代謝產(chǎn)物（煙酸、泛酸、甲基己二酸、焦谷氨酸、糞甾醇、3-羥基丁酸、氫化肉桂酸、亞油酸、皮脂酸、丙三酸）在UC病人體內(nèi)顯著減少。
6
圖5展示了CD和UC患者的代謝物是如何參與苯丙氨酸、谷胱甘肽和β-丙氨酸代謝、泛酸鹽和CoA生物合成等不同途徑的。前三種途徑是氨基酸代謝的一部分，后三種途徑參與輔因子和維生素的代謝。此外，分析表明UC患者的代謝物也參與甲烷代謝和賴氨酸降解。前者再次構成氨基酸代謝，而后者被分類為能量代謝的一部分。
圖5 CD（a）和UC（b）病人相關代謝通路分析
7
斯皮爾曼相關分析揭示了CD病人體內(nèi)5種微生物與10種代謝產(chǎn)物之間的顯著聯(lián)系（圖6a）。最相關的微生物屬是顫螺菌屬，它與氫化肉桂酸、3-甲基已二酸、5β-糞醇、檸檬酸、甲胺、2-羥基-3-甲基酸、PC、尿膽素之間存在顯著正相關關系，而與尸胺和腐胺之間呈負相關。此外，糞桿菌屬與兩種生物胺（尸胺、腐胺）呈顯著負相關，與煙酸呈正相關關系。埃希氏菌屬與煙酸、檸檬酸、PC之間呈負相關，與尸胺呈正相關。黃桿菌屬與5β-糞醇呈顯著正相關，韋永氏球菌屬與尸胺呈顯著正相關。與CD患者相比，UC患者在菌群和代謝物之間表現(xiàn)出較弱的斯皮爾曼相關性（圖6b），只有3個菌屬與6種代謝物之間存在相關性。
從種水平來看，CD患者有15種微生物與14種代謝物存在相關性（圖6c），涉及的主要菌種包括Faecalibacterium prausnitzii，Oscillospira eae，Oscillospira guillermondii，Anaerobranca zavarzinii等。UC患者有4種微生物與6種代謝物之間存在相關性，涉及的主要菌種包括Pedobacter kwangyangensisvs，Dysgonomonas wimpennyi，Akkermansia muciniphila。
圖6 代謝產(chǎn)物與屬水平及種水平腸道菌群斯皮爾曼相關分析
研究結論
文中結合了CD和UC患者糞便樣本中代謝物和微生物組的定量分析，表明該方法可以用于健康和患病受試者的區(qū)分。結果表明，腸道菌群生物標志物的檢測與比較分析微生物新陳代謝相關的代謝物或微生物-宿主共同產(chǎn)生的代謝物有助于更好地理解炎癥性腸病的發(fā)病機制，并促進疾病早期預測策略的發(fā)展和新型靶向治療的發(fā)展。
亮點
微生物組（門、屬、種水平分析）與代謝組聯(lián)合分析，有助于更好地區(qū)分IBD患者和健康人群。
銳翌基因科服產(chǎn)品
銳翌基因科服產(chǎn)品多元化，包括微生物組測序產(chǎn)品（16S/ITS擴增子、宏基因組、宏轉錄組和單菌基因組）、轉錄調(diào)控產(chǎn)品（原核轉錄組和真核轉錄組）和代謝組產(chǎn)品（非靶向代謝組和靶向代謝組），多組學結合分析，有助于高等院校、科研機構或醫(yī)院的科研工作者多角度、全面的探究和解決科學問題，助力更多優(yōu)質(zhì)科研成果發(fā)表。
供稿：王穎穎
編輯：魯淑妮
