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主坐標(biāo)分析顯示第二主坐標(biāo)軸更能區(qū)分IBD，特別是CD，且大多數(shù)變異是由擬桿菌門(mén)和厚壁菌門(mén)之間的權(quán)衡引起的，IBD個(gè)體的α多樣性低于Non-IBD（圖1d）。大多數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)在受試者間、受試者內(nèi)橫斷面和縱向上存在相關(guān)性，從MGX，MTX和MPX中獲得的功能譜是聯(lián)系最緊密的（圖1e），IBD和Non-IBD患者間的橫斷面差異在代謝組中最為明顯(圖1f, 2a)。這可能是由于營(yíng)養(yǎng)吸收不良、腸內(nèi)水分或血液含量增加以及IBD個(gè)體腸內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間縮短造成的。IBD患者的多不飽和脂肪酸（腎上腺素和花生四烯酸）更為豐富，而IBD患者腸道中泛酸鹽和煙酸鹽(分別為維生素B5和B3)缺乏，而煙酸鹽在腸道中具有抗炎和抗凋亡的功能，此外，IBD患者血清很少存在B族維生素缺乏癥狀。

糞便鈣衛(wèi)蛋白和Harvey Bradshaw指數(shù)（HBI）是CD疾病嚴(yán)重程度的兩個(gè)指標(biāo)，UC中的簡(jiǎn)單臨床結(jié)腸炎活動(dòng)指數(shù)（SCCAI）與糞便鈣衛(wèi)蛋白水平相關(guān)性較弱（圖2b）。微生物失調(diào)評(píng)分通常作為疾病活動(dòng)的衡量指標(biāo)，通過(guò)測(cè)量血清ASCA（抗釀酒酵母抗體）、ANCA（抗中性粒細(xì)胞胞質(zhì)抗體）、OmpC（外膜蛋白C）和CBir1（抗鞭毛蛋白）抗體滴度的高低來(lái)評(píng)判。在生態(tài)失調(diào)期間的分類(lèi)學(xué)擾動(dòng)同樣反映了在IBD橫斷面觀察到的現(xiàn)象，如CD中的專(zhuān)性厭氧菌（Faecalibacterium prausnitzii, Roseburia hominis）的消耗以及大腸桿菌等兼性厭氧菌的富集（圖2f）。IBD中比較突出的兩種瘤胃球菌Ruminococcus torques, Ruminococcus gnavus在失調(diào)的CD和UC中的含量也存在顯著差異。

在代謝組中，SCFAs通常在生態(tài)失調(diào)組中減少，丁酸鹽的減少與丁酸鹽產(chǎn)生菌如F. prausnitzii和R. hominis的消耗相一致（圖2f）。CD生態(tài)失調(diào)組中初級(jí)膽酸鹽、甘氨酸/?；撬峤Y(jié)合型膽汁酸、甘氨鵝脫氧膽酸出現(xiàn)富集；次級(jí)膽汁酸石膽酸鹽和脫氧膽酸鹽的減少，表明產(chǎn)生次級(jí)膽汁酸的細(xì)菌在IBD生態(tài)失調(diào)中被耗盡或者通過(guò)結(jié)腸的轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間太短，這些化合物不能代謝。此外許多?；鈮A在生態(tài)失調(diào)中顯著富集，而基礎(chǔ)代謝物的水平通常會(huì)降低（圖2f）。然而花生四烯酰肉堿（C20:4肉毒堿）減少，游離花生四烯酸（參與炎癥的前列腺素的前體）增加（圖2a）。與膽汁酸一樣，肉毒堿也是微生物修飾的化合物，如左旋肉堿往往具有抗炎作用，而脂肪酸結(jié)合的肉毒堿對(duì)腸道炎癥不起作用。在失調(diào)的IBD個(gè)體中，許多其他代謝物也顯著改變（檢測(cè)到的548種代謝物中有117種具有顯著差異），代謝產(chǎn)物池的大規(guī)模失調(diào)與宿主和微生物的分類(lèi)學(xué)和分子特征相一致(圖2f)，微生物生態(tài)失調(diào)期間的顯著代謝組學(xué)差異與疾病期間預(yù)期的變化一致，進(jìn)一步表明生態(tài)失調(diào)與IBD相關(guān)。

IBD中微生物群的時(shí)間變化更頻繁，通過(guò)宏基因組學(xué)、宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)譜分析，每個(gè)受試者的微生物組隨時(shí)間偏離基線（Fia.3a）。作者通過(guò)尋找連續(xù)時(shí)間點(diǎn)之間微生物群的‘shifts’（Bray Curtis差異，用于描述不同個(gè)體的差異而非個(gè)體內(nèi)部差異）來(lái)表征大規(guī)模的時(shí)間差異（圖3a）。首先，僅考慮宏基因組分類(lèi)學(xué)特征，發(fā)現(xiàn)166個(gè)‘shifts’（Non-IBD, 39; UC, 44; CD, 83），CD或UC患者的轉(zhuǎn)換率略高于Non-IBD（2.09，1.83，1.79/年）。相對(duì)豐度變化最大的物種差異顯著（圖3b），Non-IBD個(gè)體的移位主要發(fā)生在豐度高的普氏菌屬（Prevotella copri）個(gè)體中，其在數(shù)周至數(shù)月豐度反復(fù)波動(dòng)，IBD患者的相對(duì)豐度更穩(wěn)定（圖3c）。IBD的分類(lèi)學(xué)變化反映了早期觀察到的專(zhuān)性厭氧菌的相對(duì)減少和兼性厭氧菌的過(guò)度生長(zhǎng)（圖3b），并與進(jìn)入和退出生態(tài)失調(diào)相對(duì)應(yīng)，如大腸桿菌促成了IBD的大量轉(zhuǎn)移。

代謝組學(xué)的轉(zhuǎn)換率大約是宏基因組的一半（Non-IBD, 1.05; UC, 0.99; CD, 1.36），檢測(cè)了相同受試者相鄰樣本之間代謝物譜的差異，并通過(guò)診斷發(fā)現(xiàn)了顯著的分離(圖3d)。尿膽素在Non-IBD的個(gè)體中具有最大差異，CD患者中差異大的尿酸鹽，及m/z 152.0354且RT為4.16 min的feature（可能吡啶醛的甲酸加合物）很大程度上與UC有關(guān)。其中甲咪唑乙酸和尿酸鹽是最主要的轉(zhuǎn)移因子（圖3 e），當(dāng)然未知代謝物是導(dǎo)致差異的主要原因，需要進(jìn)一步的開(kāi)展代謝物注釋來(lái)確定未知代謝物在IBD中的重要性，如HILp_QI22918, m/z值為648.43067, RT為5.03 min的feature在IBD患者中貢獻(xiàn)最為顯著。

作者將基線時(shí)結(jié)腸鏡下的腸道活檢結(jié)果納入IBD中微生物組的分析，對(duì)每個(gè)活檢取樣部位進(jìn)行單獨(dú)的微生物組和表型關(guān)聯(lián)分析。相比Non-IBD，在CD回腸炎癥部位鑒定了305個(gè)基因，其中IL-17信號(hào)富集最強(qiáng)；CD和UC直腸炎癥部位鑒定了920個(gè)存在顯著差異表達(dá)的基因(DEGs)（Fig.4a），包括可直接影響共生微生物的基因如抗菌CXCL6（細(xì)胞膜破壞因子），SAA2（抑制革蘭氏陰性菌的生長(zhǎng)）及間接微生物調(diào)節(jié)劑如DUOX2（雙氧酶，產(chǎn)生活性氧），LCN2（通過(guò)隔離誘導(dǎo)微生物鐵饑餓）（圖4b）。為了確定微生物組中與這些變化最相關(guān)的成分，相同的樣本進(jìn)行16S測(cè)序，分別在回腸和直腸中鑒定出31和106對(duì)顯著的OTU對(duì)，Spearman相關(guān)性分析顯示DUOX2及其成熟因子DUOXA2均與回腸中瘤胃球菌科UCG 005 (OTU 89)的豐度呈負(fù)相關(guān)。幾種趨化因子基因的表達(dá)顯示抗菌劑(CXCL6,  CCL20)與直腸中的短桿菌 (OTU 120)、鏈球菌(OTU 37) 和Eikenella (OTU 39) 的相對(duì)豐度呈負(fù)相關(guān)，表明這些物種對(duì)上述趨化因子的活性最敏感。

接下來(lái)作者采用宏基因組物種、物種水平轉(zhuǎn)錄率、酶基因家族（MGX, MTX, MPX）功能譜、代謝物、宿主轉(zhuǎn)錄（直腸和回腸），血清學(xué)和糞便鈣衛(wèi)蛋白的數(shù)據(jù)構(gòu)建關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)來(lái)搜索可能構(gòu)成IBD疾病活動(dòng)的宿主和微生物分子相互作用。為了確定與炎癥和疾病狀態(tài)密切相關(guān)的共變異，首先使用混合效應(yīng)模型對(duì)每種測(cè)量類(lèi)型進(jìn)行殘差分析確定差異豐度，得到53161條邊和2916個(gè)節(jié)點(diǎn)，再構(gòu)建過(guò)濾子網(wǎng)對(duì)每個(gè)測(cè)量類(lèi)型的前300條邊（按P值）進(jìn)行可視化，其中至少一個(gè)連接節(jié)點(diǎn)與生態(tài)失調(diào)相關(guān)（圖4c）。具有至少20個(gè)連接的節(jié)點(diǎn)作為該網(wǎng)絡(luò)的中心（Hubs），認(rèn)為在生態(tài)失調(diào)中差異豐富。F. prausnitzii是關(guān)聯(lián)最強(qiáng)的分類(lèi)學(xué)特征，還有未被分類(lèi)的Subdoligranulum，均與膽固醇和肌苷的豐度相關(guān)，許多ECs的表達(dá)在失調(diào)中被下調(diào)。

?；鈮A和膽汁酸在網(wǎng)絡(luò)中占據(jù)突出地位。大腸桿菌占上調(diào)ECs的大部分，Roseburia（與Subdoligranulum一起）參與IBD中肉毒堿和膽汁酸的失調(diào)。酰基肉堿與許多物種生態(tài)失調(diào)相關(guān)如人葡萄球菌（9種?；鈮A），肺炎克雷伯氏菌（3種）和副流感嗜血桿菌（3種），C. bolteae（3種）的表達(dá)。C8肉毒堿是網(wǎng)絡(luò)中特別值得關(guān)注的生物化學(xué)中心，另一種在失調(diào)CD中顯著增加的?；鈮A，和膽酸鹽、鵝脫氧膽酸鹽、?；撬崦撗跄懰猁}共占了107個(gè)邊緣（6％；圖4c）。其他重要的代謝物關(guān)聯(lián)包括幾個(gè)長(zhǎng)鏈脂質(zhì)中樞和SCFA丙酸鹽; 抗OmpC抗體與眾多ECs的宏基因組豐度密切相關(guān)；鈣衛(wèi)蛋白與生態(tài)失調(diào)中含量差異不顯著的代謝物及ECs的宏基因組豐度弱相關(guān)。在這個(gè)重要的子網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)了三個(gè)宿主基因（GIP，NXPE4，ANXA10）的回腸表達(dá)。RNA聚合酶的表達(dá)也是網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)突出節(jié)點(diǎn)，在生態(tài)失調(diào)中被上調(diào)。本研究將IBD中多種類(lèi)型的微生物群破壞與許多分子特征聯(lián)系起來(lái)，這些分子特征將成為后續(xù)研究IBD和胃腸道炎癥機(jī)制的潛在目標(biāo)。

本研究開(kāi)發(fā)的IBDMDB是對(duì)IBD動(dòng)力學(xué)中涉及的腸道微生物組的多個(gè)分子特征的首批綜合研究之一。作為整合人類(lèi)微生物組項(xiàng)目(HMP2或iHMP)的一部分，作者對(duì)132名受試者進(jìn)行了為期一年的跟蹤研究，以獲得疾病期間宿主和微生物活動(dòng)的縱向綜合分子譜(各24個(gè)時(shí)間點(diǎn)，共2965例糞便、活檢和血液標(biāo)本)。在腸道炎癥疾病活動(dòng)期間腸道微生物功能失調(diào)，證明了兼性厭氧菌的特征性增加是以犧牲專(zhuān)性厭氧菌為代價(jià)，微生物轉(zhuǎn)錄(例如梭狀芽孢桿菌)、代謝產(chǎn)物池(酰基肉堿、膽汁酸和短鏈脂肪酸)和宿主血清抗體水平的分子紊亂。在確定代謝物池的變化是宿主驅(qū)動(dòng)的還是微生物驅(qū)動(dòng)的之后，?；鈮A失調(diào)也可能成為IBD治療的潛在新靶點(diǎn)，疾病活動(dòng)期以時(shí)間變異性的增加為特征，具有特征性的分類(lèi)、功能和生化變化。最后，綜合分析確定了導(dǎo)致這種失調(diào)的微生物、生化和宿主因素。本文提供了迄今為止最全面的炎癥性腸病宿主和微生物的測(cè)量數(shù)據(jù)，最重要的是將這些分子結(jié)果帶回臨床，以更好地預(yù)測(cè)IBD進(jìn)展和結(jié)果的生物標(biāo)志物，并作為一組新的宿主微生物相互作用靶點(diǎn)，從而開(kāi)發(fā)出治療IBD的方法。