肌痛性脑脊髓炎/慢性疲劳综合征个体的肠道微生物组解析

发稿时间：2016-08-10来源：天昊生物

英文题目：Reduced diversity and altered composition of the gut microbiome in individuals with myalgic encephalomyelitis/chronic fatigue syndrome

中文题目：肌痛性脑脊髓炎/慢性疲劳综合征个体的肠道微生物多样性降低和组成改变

期刊名：Microbiome       发表时间： 2016.6.23           影响因子： 9.0

技术：16S rRNA扩增子测序（V4）；

测序平台：Illumina MiSeq测序平台

样本信息：

    48例患者和39例对照受试者中，34例患者和7例对照受试者自我报告有胃肠功能紊乱，如便秘、腹泻或肠道不适。具体样本信息如下表。

样本取材：参与者在家里用15毫升无菌锥形管收集粪便样品，样品立即储存在−80 °C。血液样品储存在含有EDTA、肝素的管中。分别记录每个个体的BMI，年龄和性别。ME / CFS受试者完成健康调查问卷和贝尔残疾量表。从同一地理区域筛选合适的健康对照，Case/Control的年龄和男女比例相近。

研究背景: 胃肠道障碍是肌痛性脑脊髓炎/慢性疲劳综合征（ME / CFS）患者常见的症状之一。然而肌痛性脑脊髓炎/慢性疲劳综合征（ME / CFS）是否与微生物组改变相关目前还不确定。本文通过对Case（n = 48）和Control（n = 39）的粪便以及血清炎症标志物进行16S rRNA扩增子测序来解析肠道微生物多样性。本文还研究了一组血液的炎症标志物的表达水平：C-反应蛋白（CRP），肠道脂肪酸结合蛋白（I-FABP）、脂多糖（LPS）、脂多糖结合蛋白（LBP），和可溶性CD14（sCD14）。

研究结果：

微生物易位相关血液标志物水平检测表明微生物发生易位

在Case/Control中检测了微生物易位相关血液标志物的水平，如C-反应蛋白（CRP）和脂多糖（LPS），并检测了胃肠道损害标志物的水平，如肠道脂肪酸结合蛋白（I-FABP），血液标志物水平分布请见图1。

相对于健康对照组，肌痛性脑脊髓炎/慢性疲劳综合征（ME / CFS）患者的血液CRP和I-FABP水平高，但是差异不是很显著（图1a,c）。相对于健康对照组，ME / CFS患者的血液LPS水平显著很高（图1b）。为了进一步获得关于血液LPS刺激的相关信息，本文检测了血液可溶性CD14（sCD14）和脂多糖结合蛋白（LBP）的水平，两者都是由消化道和肝上皮细胞产生的， LPS水平增加会促进肝脏LBP的合成，而LBP会促进更多LPS与CD14结合。相对于健康对照组， ME / CFS患者的血液sCD14和LBP水平显著增高（图1d,e）。

图1. 健康对照组和ME/CFS患者微生物易位标志物，胃肠道损坏标志物的表达水平：hsCRP (a), LPS (b), I-FABP (c), sCD14 (d), and LBP (e)

接下来分析了这些生物标志物之间的关联，从图2a, b可以看出LPS的水平与sCD14，LBP正相关。另外发现sCD14和LBP（图2c），sCD14和hsCRP（图2d）也存在较强的相关性。另外也分析了胃肠道损害标志物I-FABP水平与I-FAB微生物易位标记物（LPS、sCD14、LBP）水平是否相关，结果发现它们之间没有相关性。

图2：Fig. 2 ME/CFS患者血液标记物之间的相关性。LP和sCD14 (a)；LPS和LBP (b)；sCD14和LBP (c)；hsCRP和sCD14 (d)

与健康组相比ME / CFS患者肠道菌群多样性明显降低且组成有差异

系统发育多样性（PD）曲线分析表明健康组和ME / CFS患者几乎是相近的，但是两者还是有显著差异，说明两组群落的功能多样性是有差异的（图3a）。另外多样性指数分析（Shannon、Chao1、PD）都表明相对于健康组，ME / CFS患者肠道微生物物种多样性显著降低（图3b）。然而PCA分析表明健康组和ME / CFS患者不能明显分开。

图3: ME / CFS患者和健康对照组的肠道菌群alpha多样性分析。

ME / CFS患者和健康对照组的肠道菌群组成在门水平和科水平上有明显差异(图4a, b)。ME / CFS患者和健康对照组丰度比例最高的是厚壁菌门，拟杆菌门和变形菌门（图4a, b）。在健康对照组，厚壁菌门的丰度比例是46%，而在ME / CFS患者中，厚壁菌门的丰度比例降到35 %，这可能是由于厚壁菌门中的瘤胃菌科和类杆菌科的丰度比例显著下降造成的（图4 b）。但是变形菌门在ME / CFS患者中的丰度比例相对于健康对照组有所上升（图4 a），这可能是由于变形菌门中的肠杆菌科丰度比例显著上升造成的（图4 b）。

 

图4: ME / CFS患者和健康对照组的肠道菌群组成分析。a,门水平；b,科水平

经过多重检验校正，在OTUs水平，厚壁菌门的大多数成员，例如颤螺菌属(q = 0.016)、普拉梭菌属(q = 0.014)、 瘤胃球菌属(q = 0.014)、粪球菌属(q = 0.014)在Case/Control组间存在显著差异。

通过LEfSe分析找到了对Case/Control组间样本划分产生显著性差异影响的24个物种（属水平，LDA得分＞2）（图5）。ME / CFS患者微生物主要集中在未分类的Desulfohalobacteriaceae和厚壁菌门下的颤螺菌属、乳球菌属等五个菌属，而健康对照组主要富集在双歧杆菌科等18个菌属中。

图5: ME / CFS患者和健康对照组属水平的LEfSe分析。LDA的分数表示每一个差异丰富的物种的影响大小和排名

使用炎症标志物和微生物组数据可将受试者分为ME / CFS患者和健康对照组

使用通过16S rRNA数据和炎症标志物数据得到的模型，ME/CFS患者和健康组可成功区分开， 例如使用区分到属水平上OTUs，个体鉴别为ME/CFS患者的正确率达到82.93%。另外使用通过16S rRNA数据和炎症标志物数据得到的数学模型鉴定ME/CFS患者的ROC曲线AUC值为0.89（图6），说明使用炎症标志物和微生物组数据得到的数据模型可有效地鉴定ME / CFS患者和健康对照组。

图6: 使用通过16S rRNA数据和炎症标志物数据得到的数学模型鉴定健康组和ME/CFS患者的受试者工作特征曲线(a) 和随机森林分析得到混淆矩阵（数值为百分比）和曲线下面积值（AUC）

总结：

l  观察到ME/CFS患者的微生物易位相关血液标志物水平升高。LPS、LBP和sCD14在ME / CFS患者中水平均升高。LBP的水平和sCD14和LPS相关而LPS水平与sCD14相关。

l  ME/CFS患者和健康组的肠道菌群结构存在差异，相对于健康组，ME/CFS患者的微生物多样性降低，特别是厚壁菌门的物种多样性减少和菌群丰度降低。

l  使用通过16S rRNA数据和炎症标志物数据得到的模型，个体鉴别为ME/CFS患者的正确率达到82.93%。

亮点:

    胃肠道障碍是肌痛性脑脊髓炎/慢性疲劳综合征（ME / CFS）患者常见的症状之一。然而肌痛性脑脊髓炎/慢性疲劳综合征（ME / CFS）是否与微生物组改变相关目前还不确定。文章首次研究了肌痛性脑脊髓炎/慢性疲劳综合征个体微生物组成，不但对Case/Control微生物组成进行了比较，还通过16S rRNA数据和炎症标志物数据得到的模型对ME / CFS患者和健康对照组进行准确区分鉴定，从而使有效预测一个人是否会患肌痛性脑脊髓炎/慢性疲劳综合征成为可能。

关于天昊：

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