科研 | ISME J (IF:11.2): 代谢组和微生物组特征的改变为理解肠易激综合征和抑郁症共病提供了线索（国人佳作）

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编译：微科盟张嘻嘻，编辑：微科盟茗溪、江舜尧。

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导读   肠易激综合征（IBS）是一种功能性胃肠道疾病，其特征是慢性和/或反复出现腹痛和排便不规则症状。已有研究表明，肠道微生物群的改变是IBS的致病因素之一，然而，IBS特异性微生物群、代谢物和它们之间的相互作用仍不十分清楚。为了阐明这个问题，我们对发现队列（n=330）和验证队列（n=101）的粪便和血清样本进行了代谢组学和宏基因组分析，粪便宏基因组检测数据表明，与其它疾病相比，IBS存在肠道微生物群中度失调现象，同时，血清代谢物差异表达明显，更能较好地区分IBS患者和健康对照组。本研究共鉴定出726种差异性表达的血清代谢物，包括一组在IBS中富集的脂肪酸酰基辅酶A。我们还进一步鉴定出522种不同丰度的肠道细菌和粪便代谢物之间具有强相关性，其中包括内脏臭气杆菌（Odoribacter splanchnicus）、大肠杆菌（Escherichia coli）和活泼瘤胃球菌（Ruminococcus gnavus）与低水平二氢蝶啶显著相关。此外，结果还表明，在粪便和血清代谢组中，色氨酸/血清素代谢异常与IBS相关性抑郁的严重程度相关，其特征是随着抑郁程度加深，色氨酸代谢会向犬尿酸生成转换。总体来说，我们的研究揭示了血清/粪便代谢组变化及其与肠道微生物群的关系，鉴定出了有助于识别IBS患者的血清代谢物，提示了代谢失调在IBS发病机制中的潜在作用，并为理解IBS抑郁症共病提供了新的线索。本研究为未来研究提供了有价值的线索，并将促进IBS特征性菌群和/或代谢物的潜在临床应用。    

论文ID

原名：Altered metabolome and microbiome features provide clues in understanding irritable bowel syndrome and depression comorbidity

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抑郁症共病提供了线索

期刊：The ISME Journal

IF：11.217

发表时间：2021.11

通讯作者：方晓东，卞兆祥，李帅成

通讯作者单位：广州中医药大学，香港浸会大学，香港城市大学

DOI号：10.1038/s41396-021-01123-5

实验设计

结果

1. IBS患者的多组学特征与其本体因素和问卷结果相关

为了研究IBS的潜在发病机制，我们从由一个330人组成的发现队列中收集了330份粪便和325份血清样本，其中包括264名IBS患者和66名健康对照者（附图1），其中，将近30%（264人中有79人)的IBS患者还患有抑郁症或焦虑症（附表1）。我们收集了每个参试者的24个本体要素（包括症状评分和生化指标）和45个问卷要素（包括基本信息、饮食习惯、饮料消费、运动习惯、睡眠状态、吸烟、应激状态等），并分析了各要素之间的相关性（附图2）。

为了分析IBS患者的微生物组和代谢情况，我们对330份粪便样本进行了宏基因组测序和非靶向代谢组分析，结果共捕获了1788个已知和未鉴定的粪便代谢物（其中阳性模式856个，阴性模式932个），同时，我们利用高分辨率质谱对325份血清样本进行了非靶向代谢组学分析，结果共捕获了1769种已知和未鉴定的血清代谢物(其中阳性模式879种，阴性模式890种)。我们首先评估了IBS患者与健康对照组在粪便微生物组、粪便和血清代谢组方面的总体差异。与健康对照者相比，IBS患者血清代谢组的α和β多样性均显著升高（正和负电离模式的α多样性分别是p=1.04e-11和p=0.08；正和负电离模式的β多样性分别p=2.2e-16和p=2.2e-16；附图3a），粪便微生物组β多样性升高（p=8.6e-09，附图3c），而粪便代谢组学之间没有明显差异（附图3b）。我们发现IBS患者和健康志愿者之间的血清代谢物有显著差异，这表明血清代谢物有可能可用于IBS的实验室诊断（图1a），但这种差异可能是多种因素共同作用的结果，包括宿主疾病状况的区别、饮食习惯的差异和药物使用等。然而，在粪便代谢组和微生物组的主坐标分析（PCoA）图中，代表IBS患者和健康志愿者的图标均聚集在一起，这表明粪便相关数据对IBS患者的区分能力较弱（图1a）。随后，与其它菌群介导的疾病（包括IBD、LC、CRC和T2D）相比，我们分析了IBS相关菌群失调的程度。如图1b所示，IBS中只有0.5%的肠道菌群失调可以由疾病状态解释，这与T2D相似，但比LC或IBD比例小得多，表明与其它疾病相比，IBS的肠道菌群处于中度失调程度。

我们进一步分别分析了内在要素和问卷要素与代谢和微生物谱的关系（图1c）。以往有研究表明，IBD和IBS患者肠道微生物群组成的变化受临床因素的影响。在本研究中，基于Bray-Curtis相异度，我们把24个内在要素和45个问卷要素分别与微生物和代谢物的总体组成进行关联，置换多变量方差分析（PERMANOVA）显示，IBS亚型与粪便微生物和血清代谢物的组成变化有关，但与粪便代谢物无关。根据粪便微生物谱，我们发现了10个因素与总体组成变化显著相关（FDR<0.1）,共解释了9%的个体间变异。与微生物组成相关性最强的是粪便TBA和C4等生化指标，这与以往研究一致。在正离子模式和负离子模式的粪便代谢组谱中也观察到类似的趋势（图1c和附图4a），其中粪便TBA解释了>6%的成分方差，远远大于其他因素。我们还发现粪便TBA与粪便代谢谱的α多样性呈负相关（Spearman’s r = -0.17，p=0.002）。而在血清代谢谱数据中，Zung焦虑自评量表（SAS）主要解释了>8%的成分方差，且与Shannon指数呈正相关（Spearman’s r = 0.22，p=0.0003）（图1c和附图4b），这一结果表明心理负担与血清代谢变化密切相关。此外，一些饮食因素也与代谢谱相关，其中饮茶频率与粪便代谢变异有显著关系（Spearman’s r = -0.14，p=0.016）（附图4a, c）。

图1 IBS患者的多组学谱。a.分别是基于330个肠道宏基因组（264个IBS和66个HC）、330个粪便代谢组（264个IBS和66个HC）和325个血清代谢组（259个IBS和66个HC）的主坐标分析（PCoA）（Bray-Curtis距离）。b.左图为不同疾病、不同亚型IBS肠道菌群失调程度的比较，本图基于其他疾病的肠道宏基因组数据，包括炎症性肠病（IBD，n=155，其中包括121个IBD和34个HC）、肝硬化（LC，n=237，其中包括123个LC和114个HC）、结直肠癌（CRC，n=128，其中包括74个CRC和54个HC）和2型糖尿病（T2D，n=363，其中包括178个T2D和185个HC），均由R包curatedMetagenomicData收集。右图为不同IBS亚型的肠道微生物群失调程度的比较，包括IBS-C（n=90，包括24个IBS-C和66个HC）、IBS-D（n=280，包括214个IBS-D和66个HC）、IBS-M（n=85，包括19个IBS-M和66个HC）和IBS-U（n=73，包括7个IBS-C和66个HC）。c. 显示了与330人组成的发现队列中肠道宏基因组、粪便代谢组(负电离模式)和血清代谢组(负电离模式)相关的因素。黑条代表有统计学意义(FDR < 0.1)。

  2. IBS患者和健康对照组之间的代谢组变化

为了阐明不同组间的代谢变化，我们对血清和粪便代谢组数据进行了PLS-DA分析，结果表明，血清样本在IBS和对照组之间是区分明显的，这与之前描述的血清代谢物谱的变化具有一致性（附图5b, 6b），然而，IBS和对照组的粪便代谢组是无法区分的（附图7c,d）。随后，我们使用了非参数单变量方法（Wilcoxon秩和检验）来鉴别了IBS患者和健康对照组之间血清代谢物含量的差异，经过FDR校正后，共有726个血清代谢物在IBS中有显著变化（FDR<0.5）（附图5a，6a，附表2），而粪便代谢物中只有8种发生了显著变化（附图7a,b）。当在验证队列中评估差异性表达的血清代谢物时，有635个（87.5%）富集于IBS组，其中628个也是FDR<0.5（附表3）。

我们对726个差异表达代谢片段中的101个进行了结构鉴定（图2a），IBS患者与健康对照组之间存在显著差异的化合物，很多都来自于食物，包括γ-生育三烯醇、肌醇1-磷酸、硬脂酸和猕猴桃碱，这表明部分代谢物变化与饮食习惯差异有关（图2b）。尽管IBS患者的总血清TBA水平升高（附表1），但我们检测到胆汁醇27-去胆甾醇和胆盐牛黄鹅去氧胆酸-3-硫酸盐的水平有所降低，这种差异可能是由于代谢和合成不同类型胆汁酸的酶不同。另一种在对照组中富集的代谢物，四氢去氧皮质酮（THDOC），是一种应激诱导的神经活性和抗氧化类固醇，有保护应激诱导反应的作用，结果显示，IBS患者的血清THDOC水平与SDS呈显著负相关（附图8a）。

考虑到IBS患者中四种脂肪酰辅酶A的水平同时升高，我们假设这类代谢物可能具有相似的化学和功能特性。我们利用Franzosa等人详细描述的基于线性模型残余丰度值的无监督聚类方式分析发现，726个差异表达的血清代谢物聚在78个聚类中，这些聚类还倾向于独立于它们与IBS表型和年龄的关系（附表2）。代谢物簇集可通过转化同类簇集代谢物的信息而预测未注释代谢物的性质，在IBS患者中最大的富集簇包括70个代谢物（图2c），其中包括3种脂肪酸辅酶A，这强调了IBS患者中存在脂肪酸代谢失调，这一富集簇中的其它代谢物包括一些固醇脂类和结构性变异的脂肪酸。此外，该簇中还包括了58个未标记的代谢物，而这些代谢物可能也与脂肪酸代谢相关。在健康对照组中最大的富集簇包括123个代谢物，而它们均在该组表达升高（附图8b）。在这一聚类中验证的标准代谢物包括各种甘油三酯（TG）代谢物和磷酸盐。在健康对照组中富集的另一组含有各种胺类，包括吡哆胺-5 '-磷酸、苯乙胺和二甲基色胺 (图2d)。吡哆胺-5 '-磷酸是维生素B6的一种形式，它可参与多种氨基酸代谢反应。二甲基色胺具有与神经递质血清素相似的化学结构，在哺乳动物的大脑和血液中起激动剂的作用。苯乙胺是一种单胺神经递质，它能刺激身体产生某些化学物质，在抑郁症和其他精神性疾病中起作用。这类有机化合物在IBS中的共同作用还有待研究，大多数聚类仍未确定，这将有利于与以往起源于微生物而未被定义的代谢物进行潜在性关联分析。

图2 差异表达的血清代谢物及其聚类。通过分析发现队列中259例IBS和66例HC的血清代谢组谱，我们鉴定出726种差异表达的血清代谢物（包括阳性模式下364种和阴性模式下362种），其中101种代谢物被结构式鉴定。a. 条形图显示了101个被结构式鉴定的血清代谢物的PLS-DA VIP结果。b. 在IBS患者和健康对照组中富集的与饮食相关的差异性表达代谢物，Y轴表示每个代谢物，X轴代表每个代谢物丰度的对数转换PPM单位。c. IBS中最大聚类包含70个代谢物，它们在IBS患者中均表达显著升高。d. 在健康对照组中包含46个代谢物的一个聚类，其中包含很多胺类，它们均在健康对照组中表达显著升高。丰度以对数转换PPM为单位。

3. IBS患者和健康对照组之间的微生物组变化

尽管之前的一些包括大队列的研究都探索了IBS的肠道微生物特征，但那些数据主要与西方国家的人群相关，这限制了它们在全球的应用。考虑到IBS具有异质性和复杂性，以及不同地域间IBS患病率具有巨大差异，因此，在不同的国家和地区进行类似研究显得十分必要。为了判断香港华人群体中IBS和健康对照者之间肠道微生物的差异，我们用LEfSe分析了高维分类图谱。结果共鉴定出33种差异表达的菌种，与对照组相比，其中23种在IBS中表达显著升高，包括活泼瘤胃球菌（Ruminococcus gnavus）、大肠杆菌（Escherichia coli）和平常拟杆菌（Bacteroides plebeius）。而另外10种，包括单形拟杆菌（Bacteroides uniformis）、粪普雷沃氏菌（Prevotella stercorea）和一种拟杆菌（Bacteroides coprocola），均在健康对照组中显著富集（附图9a，附表4a）。在发现队列中33个差异表达的物种中，有24个在验证队列中呈现相同的趋势，这表明在发现队列中大多数与IBS相关的变化均在验证队列中也普遍存在。另外，尽管差异表达的物种数量很少，也还检测到平常拟杆菌和毛螺菌科菌（Lachnospiraceae bacterium）2_1_58FAA在验证队列中富集（附表5）。

IBS患者可表现出不同的症状，例如腹泻和便秘，因此，从肠道微生物组和代谢组的角度找出不同亚型之间的相似性和差异性是很有必要的。图3a展现了所有IBS临床亚型中鉴别出的肠道微生物群的总体概况，描述了每个科增加和减少的物种数量。结果表明，共有16、29、9和7个非冗余分类分别与IBS-C、IBS-D、IBS-M和IBS-U患者相关（附图9b-e，附表4b-e）。与健康对照相比，IBS-C或IBS-D患者的肠道微生物组中细菌种类相对丰度的增加和减少有大量重叠，有10个类群同时与IBS-D和IBS-C相关（附表6），其中包括几种革兰氏阴性细菌的增加，如粪拟杆菌（Bacteroides faecis）、大肠杆菌和肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）。此外，Bacteroides clarus和Bacteroides coprocola表现出相反的变化方向，这可能与IBS-C和IBS-D有不同症状相关。我们还发现了一些特定疾病的关联，例如，变形梭杆菌（Fusobacterium varium）的丰度仅在IBS-D患者中表达升高，而在IBS-C患者中没有变化，而梭状芽孢杆菌（Clostridium）有仅在IBS-C患者中表达升高，包括共生梭状芽胞杆菌（Clostridium symbiosum）和巴氏梭状芽胞杆菌（Clostridium bartlettii）的增加。

为了了解IBS中微生物群落变化的功能结局，我们使用HUMAnN2分析了所有宏基因组中的功能途径。我们利用LEfSe对丰度数据进行了分析，揭示了IBS患者和健康对照组中存在差异表达的18条功能通路（附表7），其中有8条在IBS患者中表达显著升高。糖酵解VI (哺乳动物) 是在IBS中富集最显著的功能途径，以拟杆菌属(Bacteroides)为主（图3b），硬脂酸盐、雄激素和L-酪氨酸的合成也在IBS中增强（附图10a,b和附表7）。在健康对照组中最显著富集的通路包括L-赖氨酸（PWY_5097, PWY_2941, PWY_2942和PWY_724）、异亮氨酸和苏氨酸的生物合成（附图10c-e和附表7）。我们的功能分析揭示了IBS患者和健康对照组之间有不同的代谢途径，这些结果可能有助于解释两组间血清代谢物的显著差异。 图3 IBS患者和健康对照组的肠道微生物群变化。通过分析来自发现队列的264个IBS和66个HC的肠道宏基因组谱，我们鉴定出33个差异表达的肠道菌群，其中23个在IBS中富集，10个在HC中富集。a. 在科水平上差异表达的肠道微生物种类及其所属分类单位。X轴标签# Species”表示差异表达物种的数量，Y轴代表科水平上的归属分类单元。在IBS和IBS亚型中富集的物种用红色表示，在HC中富集的物种用蓝色表示。b. IBS和HC之间差异表达途径的一个例子，由分类进行注释，Y轴代表MetaCyc途径的相对丰度，而X轴代表330人发现队列中的有序个体。 4. 粪便/血清代谢物与肠道微生物群之间的关系 我们使用多组学结合测定的数据，使我们能够识别IBS中差异表达的微生物和代谢特征之间的动态相互作用关系。微生物和代谢物之间存在正相关关系，表明代谢物促进某一菌种的生长或某一菌种产生某种代谢物，而负相关可能意味着存在竞争或抑制关系。在本研究中，我们分析了菌种和粪便/血清代谢物之间的关系。结果发现，在113种差异表达的粪便代谢物和33种差异表达的肠道细菌之间存在522种关联（q<0.05）（图4a），然而，差异表达的血清代谢物和肠道细菌之间的关联没有统计学差异。这些结果表明，粪便代谢物可直接与肠道细菌相互作用，而血清代谢物的调节机制可能更为复杂。为了进一步证实IBS的潜在关联性机制，我们特别关注了表达显著（p<0.05）且在健康对照组中有相同方向变化的关联子集。分析结果显示，30%（522个关联中的155个）的关联在对照组中得以验证，包括43个与已知结构代谢物的关联（附表8）。在43个关联中，33个差异表达的菌种中有13个至少存在于一个关联中。活泼瘤胃球菌与8种代谢物有关联，其次是内脏臭气杆菌（Odoribacter splanchnicus）和大肠杆菌与7种代谢物有关联（附表8）。与IBD一致，跟健康对照组相比，活泼瘤胃球菌在IBS中表达丰度增高，并且与二氢蝶酸、皮脂酸、2-甲基戊酸和可的松等代谢物呈负相关，而活泼瘤胃球菌与二氢蝶酸之间格外相关（Spearman’s r=-0.60）, 二氢蝶酸是叶酸的重要中间产物，据报道，在IBS患者中叶酸含量相对较低，本研究结果表明，IBS中富含的活泼瘤胃球菌与低叶酸水平密切相关。此外，还发现内脏臭气杆菌和大肠杆菌也与二氢蝶酸相关（图4b-e，Spearman’s r=0.41和-0.35）。我们的数据表明了整合肠道微生物组和代谢组的重要性，因为它提供了一个解释IBS发病机制和并发症的思路，并确定了候选微生物和代谢物，以便进一步研究和应用。

图4 差异表达的粪便代谢物和差异表达的菌种之间的关联。通过分析发现队列中264个IBS和66个HC的粪便代谢组和肠道代谢组谱，我们鉴定出113个差异表达的粪便代谢物(包括21个结构鉴定的代谢物)和33个差异表达的菌种。a. 热图显示了33种差异表达的菌种和113种差异表达的粪便代谢物(包括21种结构已知的代谢物)之间的关联。b.条形图显示了二氢蝶酸与33种差异表达菌种之间的关联，每一行代表一个差异表达的菌种，左侧为发现队列中Spearman秩相关系数的绝对值，右侧为IBS患者对应的q值和健康对照组对应的p值。c-e 展现了3种差异表达最显著的菌种（活泼瘤胃球菌、内脏臭气杆菌和大肠杆菌）及其与二氢蝶酸的Spearman秩相关系数。

  5. 与IBS抑郁症相关的微生物和代谢特征

为了研究多组学特征与心理症状（尤其是抑郁）严重程度之间的潜在关联，我们将样本分为了4组：健康对照组（HC）、正常IBS无抑郁患者（rIBS:HAMD<7和SDS<3）、IBS患者伴轻度抑郁（mIBS: 7≤HAMD<17和SDS≥53）和IBS患者伴中、重度抑郁（sIBS: HAMD≥17和SDS≥53）。通过PLS-DA分析，我们揭示了HC和IBS抑郁组（包括rIBS、mIBS和sIBS）之间的巨大差异（图5a,b）。mIBS和sIBS组中分别有836和754种血清代谢物改变（附表9），其中有693种是共有的变化，有显著变化的化合物包括鸟嘌呤、硬脂酰胺和大麻素。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和附表10）。在肠道菌群中也观察到类似的现象，只有37种菌群有异常表达（图5e和附表11），另外，功能分析显示，L-色氨酸生物合成途径在HC、rIBS、mIBS和sIBS中逐层富集增多（图5f和附表12）。

为了识别可将抑郁-IBS与正常受试者区分开来的代谢和宏基因组特征，我们进一步对rIBS、mIBS组和sIBS组进行了比较。与健康对照组相比，rIBS和抑郁组之间的多组学差异较小，而值得注意的是，mIBS和sIBS组患者之间表现出较大的差异（附图11和附表13-15）。与rIBS组相比，sIBS组患者中L-色氨酸生物合成的比例较高（附表16）。我们还使用靶向代谢谱对抑郁症相关分子进行了量化分析，结果表明，与肠道菌群中TRP生物合成能力的增强相一致，血清中TRP强度也显著增加（图5g）。此外，我们还注意到，与HC组相比，抑郁组的其他一些化合物含量也有所升高，包括组胺、色胺和犬尿氨酸（KYN）（附图12）。

为了探索神经活性氨基酸/神经递质与肠道微生物群之间的关系，我们选择了8种最能区分患有抑郁症的IBS患者与健康对照组的代表性菌种(附图13a, b)，并检测了它们与这些分子化合物的关系。在粪便和血清样本中均检测到罗氏菌（Roseburia inulinivorans）与组胺呈正相关（附图13c），表明罗氏菌对组胺的产生有促进作用。在血清样本中，罗氏菌还与褪黑激素、色胺、3-HAA、KYN、谷氨酰胺和多巴胺相关，而这些相关性在粪便样本中不存在。此外，在IBS中富集的系结梭菌（Clostridium nexile）与众多代谢物变化相关，例如NAS、TRP和5-HIAA。综上所述，我们的数据表明，肠道微生物产生的氨基酸和胺，如色氨酸、血清素和组胺，可能参与许多神经递质的合成和降解，从而影响宿主的情绪和心理状况。宏基因组和代谢组数据的整合，使我们能够将某些细菌和相关代谢产物联系起来，为理解IBS抑郁症共病状态提供新的线索。 图5 伴有和不伴有抑郁的IBS患者的异常代谢组和宏基因组模式。a,b. 基于259例IBS患者(包括181例rIBS、62例mIBS和16例sIBS)和66例健康对照形成发现队列的血清代谢组学的PLS-DA评分图，分别是正离子模式和负离子模式。c,d. 基于264名IBS患者(包括185例rIBS、63个mIBS和16个sIBS)和66名健康对照形成发现队列的粪便代谢组的PLS-DA评分图，分别是正离子和负离子模式。e. 利用LEfSe分析发现队列中个体的肠道宏基因组谱，发现在rIBS、mIBS、sIBS和HC之间存在表达差异的肠道微生物物种。f. L-色氨酸生物合成途径在rIBS、mIBS、sIBS和HC中的相对丰度，其中，TRP的丰度是通过分析发现队列中264个IBS和66个HC的粪便宏基因组谱推断出来的，而没有原始测量。g.发现队列中个体的血清和粪便靶向代谢谱中rIBS、mIBS、sIBS和HC患者血清和粪便中色氨酸的信号强度。6. 多组学特征在IBS检测中的应用

目前，IBS的诊断主要基于症状，而缺乏有效的生物标记物，因此，我们探索了利用微生物组和/或代谢物特征来区分IBS患者与健康对照组，并检测不同亚型的表现。我们使用经过过滤的微生物组和代谢物特征的相对丰度，再在发现和独立验证队列中进行10倍交叉验证，从而建立RF模型。

基于粪便微生物数据，发现队列中鉴别IBS的AUC值为0.839[95%置信区间(CI): 79.2−88.69]，验证队列中AUC为0.639[95% CI: 58.93-68.99]（图6a），而发现队列中鉴别IBS-D的AUC值为0.855[95% CI: 80.81−90.14]，验证队列中AUC为0.746[95% CI: 70.52-78.6]（附图14a,b）。IBS-C、IBS-M和IBS-U的检测方法相同，但由于IBS-M和IBS-U的样本量有限，只展示了IBS-C的检测结果。基于粪便代谢组数据，发现队列中鉴别IBS的AUC值为0.882[95% CI: 83.37−92.93]，验证队列中AUC为0.709[95% CI: 64.33-677.46]（图6b），而发现队列中鉴别IBS-D的AUC值为0.880[95% CI: 82.66−93.29]，验证队列中AUC为0.671[95% CI: 60.08-74.15]（附图14c,d）。基于血清代谢组数据，发现队列中鉴别IBS的AUC值为0.997[95% CI: 99.17−100]（图6c），验证队列中AUC为0.998[95% CI: 99.67-99.95]，而发现队列中鉴别IBS-D的AUC值为0.996[95% CI: 99.15−100]，验证队列中AUC为0.997[95% CI: 99.49-99.92]（IBS-D=57,control=15）（附图14e,f）。尽管样本数量有限，但在IBS-C、IBS-M和IBS-U中也可以看到类似的趋势。所有这些监督学习结果都与我们使用血清代谢物进行的无监督PCoA分析一致（附图5c和6c），提示血清代谢物是区分IBS患者与健康对照组的良好预测指标。然而，亚型之间的样本量不均衡削弱了识别亚型特异性微生物组/代谢组特征的有效性，以及它们诊断不同亚型的潜力，因此，我们发现代谢组数据用于鉴别亚型的模型 (如IBS-D与IBS-C) 表现较弱（附图14e,f）。

由于IBS通常伴有焦虑和抑郁，，因此有研究试图利用微生物区分开抑郁状态，在本研究中，基于粪便微生物数据，预测IBS伴有抑郁的AUC为0.691[95% CI: 62.31−75.89]（图6d）。将IBS患者分为rIBS（n=162）、mIBS（n=81）和sIBS（n=17）后，鉴别各亚型IBS的AUC均大于0.8（附图15a），此外，从mIBS中区分出rIBS的AUC为0.639[95% CI: 56.76−70.96]，表明从rIBS转向mIBS只有轻微的微生物改变（附图15b），使用粪便代谢组数据也能检测出相同的趋势（图6e和附图15c,d）。基于血清代谢组数据，在正模式和负模式下，预测IBS伴有抑郁的AUC分别为0.724[95% CI: 65.73−79.07]和0.691[95% CI: 62.24−75.93]（图6f）。所有亚型均能与健康对照区分开来，其AUC均高达0.990（附图15e）。这些结果表明，代谢组数据可能不是IBS抑郁状态的良好预测因子，尽管它可以清楚地区分IBS患者与健康对照组。

图6 从多组学特征预测IBS患者的抑郁状态。a. 在发现和验证队列中，使用肠道微生物谱对IBS患者与健康对照组进行分类的RF模型的受试者工作特征曲线 (ROC)。b. 在发现和验证队列中，使用粪便代谢组特征对IBS患者与健康对照组进行分类的RF模型的ROC。c. 在发现和验证队列中，使用血清代谢组数据对IBS患者与健康对照组进行分类的RF模型的ROC。d-f. 分别使用肠道微生物群、粪便代谢组学和血清代谢组学数据进行RF模型的ROC，以预测IBS患者的抑郁状态。AUC值以95%置信区间的形式表示。对于血清和粪便代谢组学数据，仅给出了由非靶向正离子模式导出的可能性分布。

讨论

本研究首次大规模综合分析了IBS患者的微生物组和粪/血清代谢组变化。与其他疾病与微生物组的关系相比，IBS患者的肠道微生物组和粪便代谢组均较健康对照组出现中度改变，且IBS患者与健康对照组之间没有明显的分离。虽然我们没有观察到IBS患者的微生物组发生显著变化，但我们检测到在IBS中富集的23种菌种和8种功能通路，升高的糖酵解VI (哺乳动物) 途径可能参与IBS的能量代谢异常，而硬脂酸盐、雄激素和L-酪氨酸合成途径的升高可能会增加酪氨酸受体激酶受体的敏感性，它们与神经元传递强度的调节有关。L-赖氨酸的生物合成途径在健康对照组中显著富集，而在IBS患者中下调，据报道，L-赖氨酸作为部分5 -羟色胺受体4拮抗剂，可抑制5 -羟色胺介导的肠道病理改变和焦虑。此外，本研究发现喝茶与IBS的粪便微生物群和代谢产物有关，这与之前的一项研究一致，即茶可能对肠道微生物群有影响，然而，喝茶与IBS之间的确切作用关系还需要进一步研究。与粪便微生物组和代谢组相比，血清代谢物可将IBS患者与健康对照组明显区分我们观察到血清代谢产物THDOC在健康对照组中富集，而在IBS中耗尽，并发现血清THDOC水平与IBS中SDS呈负相关。这一现象与之前的一项研究相似，该研究报告了月经性癫痫伴抑郁的女性THDOC血清浓度降低，表明该代谢物可能参与了抑郁和IBS之间的相互作用。此外，我们的数据还显示，即使在调整了饮食习惯的线性影响后，近50%的血清代谢物仍表现出显著变化，这些数据可能为IBS的诊断提供重要的启示。尽管我们使用线性模型测试了饮食习惯的影响，但由于饮食和血清代谢组之间的相互作用是复杂的，我们还不能排除非线性的影响。

本研究结果表明，代谢失调与IBS发病有一定的相关性。例如，鸟嘌呤是IBS患者中含量最丰富的代谢物，鸟嘌呤参与了一种特殊的鸟嘌呤嘌呤能系统，该系统能够影响中枢神经系统神经细胞的发育和构成，并与记忆和焦虑相关。在IBS中富集最多的血清代谢产物聚类包括三种脂肪酰基CoAs (十四烷酰辅酶A，肉豆蔻酰辅酶A和月桂酰辅酶A)，这提示脂肪酸代谢失调可能与IBS和抑郁有关。Chua等人发现IBS中omega-3多不饱和脂肪酸缺乏，这对神经系统有实质性的影响。Clarke等人认为，omega-3补充剂可能是IBS的候选治疗方法。此前，一项基于人群IBS的横断面研究发现，IBS与代谢综合征呈正相关，加强了IBS存在代谢失调的可能性。此外，我们还发现了与叶酸的中间产物二氢蝶酸相关的肠道微生物群，在33种差异丰富的菌种中，有11种与二氢蝶酸有关，因此，具有IBS特征的微生物组有可能通过调节叶酸的代谢来影响疾病，然而，这只是基于数据分析的推断，尚未在队列研究中进行验证。这些菌种、叶酸与IBS发病机制之间的潜在关系和生物学机制还有待进一步研究。

本研究结果表明TRP/ 5-羟色胺代谢与IBS抑郁症共病之间存在相关性，血清中TRP的不规则性在IBS-D中已被注意到，但其在IBS相关抑郁和相关肠道微生物群改变中的作用仍不清楚。我们确定了某些肠道细菌菌株，如系结梭菌和罗氏菌在患有抑郁的IBS患者中显著富集，并与血清中神经活性TRP代谢物改变相关。系结梭菌可以产生神经递质色胺，而其他梭状芽胞杆菌，如艰难梭状芽胞杆菌，据报道在重度抑郁症患者中表达增加。我们的功能分析显示，L-酪氨酸通路的丰度随抑郁症的程度加重而升高，此外，与健康对照组相比，抑郁组中还有一些其他化合物含量也升高，包括KYN、色胺和组胺。虽然人体90%以上的血清素是在肠道菌群的影响下由肠嗜铬细胞在肠道中产生的，但在正常生理条件下，外周血清素不会穿过血脑屏障。神经递质血清素是通过TRP羟化酶2 (TpH2)在大脑局部产生的，然而，值得注意的是，某些肠道细菌菌株可以直接调节色氨酸的吸收和利用，从而改变其对宿主的影响，这不仅可影响周围的血清素水平，还可影响大脑的血清素水平。人们普遍认为，TRP在肠道中主要有3种代谢途径，分别生成血清素、KYN和吲哚衍生物。在KYN产生途径过度激活的情况下，TRP大量生成KYN，导致大脑TRP和神经递质血清素缺乏，进而导致抑郁症。可横跨血脑屏障的KYN也被认为是中枢神经系统疾病的关键，这在多种疾病中有所报道。例如，在一项关于肥胖抑郁症的研究中，作者报告了一种以慢性炎症和KYN激活为特征的状态而导致了抑郁症。在对自闭症儿童的研究中检测到TRP异常，且TRP优先向犬尿氨酸转化。我们发现抑郁组的KYN水平高于健康对照组，进一步支持了KYN生成途径的过度激活，表明肠道微生物可能通过调节色氨酸的可用性，从而间接影响中枢5 -羟色胺能途径。

我们承认这项研究存在一些局限性。首先，在进行受试者招募时，我们没有设置匹配IBS亚型患者数量的策略。由于IBS-D在发现队列中占据巨大优势，分析结果显示出了一定的偏倚，从而削弱了识别亚型特异性微生物组和代谢组特征的可能性，特别是针对IBS-M和IBS-U，亚型特异性特征识别需要更均衡的样本大小。其次，在发现队列中发现的大多数差异表达的菌种只趋向于相同的方向，而在验证队列中没有表现出显著性。考虑到肠道菌群受多种因素影响，发现和验证队列均代表了不同IBS亚型的组合，其异质性高，腹泻和便秘时不同的粪便性状可能会影响IBS相关菌群特征的稳健性，从而影响其在疾病分类中的应用。相比之下，血清代谢组在发现队列和验证队列中均表现出更稳定的IBS特异性特征，对IBS患者与健康对照组有很大的鉴别能力，更大的队列将有助于更好地描述复杂的肠道微生物群改变。第三，我们的结果表明TRP/ 5 -羟色胺代谢与IBS抑郁症共病之间存在相关性。我们提出一个假设，IBS抑郁症患者的肠道菌群可能沿着KYN产生途径促进TRP/ 5 -羟色胺代谢，从而影响大脑中TRP的利用度和5 -羟色胺水平，然而，这只是一个基于文献的推论。考虑到TRP/5 -羟色胺介导的肠-脑交互作用是复杂的，目前尚不完全清楚，还需要基于体外和体内模型的广泛研究来揭示其确切的机制。

最后，IBS是一系列胃肠道综合征的集合，还没有明确的发病机制。由于对病理生理学的部分理解，以及生物标志物的缺乏，从而严重限制了其有效的诊断和治疗方法。我们的多组学研究揭示了IBS特异性血清/粪便代谢组变化及其与肠道微生物组的关系，突出了血清代谢组的巨大变化，这有助于识别IBS患者，提示脂肪酸和叶酸代谢失调在IBS发病机制中的潜在作用，并为理解IBS抑郁症共病提供了新的线索。我们的研究为进一步了解IBS的宿主-肠道菌群关系提供了有价值的资源，并将促进IBS特征菌群和 (或) 代谢物的潜在临床应用。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41396-021-01123-5 获取此篇微文原文pdf请扫描下方二维码联系微科盟多组学老师即可。

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