科研丨广医附属脑科医院: 运动对阈下抑郁症青少年肠道菌群的影响(国人佳作)

编译：微科盟煎蛋，编辑：微科盟居居、江舜尧。

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导读  

本研究为期3个月的随机心理教育对照试验(RCT)在患有阈下抑郁症的青少年中进行，以检测运动对肠道微生物群的影响。参与者(12-14岁)被随机分配到运动组或心理教育对照组。运动干预组进行中等强度的运动，包括每天30分钟的跑步，每周4天，持续3个月。心理教育干预包括6次小组活动，包括游戏、阅读和唱歌。通过宏基因组测序评估肠道微生物群。经过3个月的中等强度运动后，与心理教育对照组相比，干预组在属水平上增加了Coprococcus、Blautia、Dorea、Tyzzerella的相对丰度，在物种水平上增加了Tyzzerella nexilis、Ruminococcus obeum的相对丰度。此外，EggNOG分析表明，运动干预后防御和信号转导机制高度富集，且其变化与C-PHQ-9测量的抑郁症状改善相关。运动干预后，阈下抑郁症青少年的微生物组中神经退行性疾病的KEGG通路减少。这项为期3个月的随机对照试验表明，在属和种水平上，有氧团体运动干预改善了抑郁症状，并揭示了肠道菌群的变化，表明了有益的效果。  

论文ID

原名：Exercise effect on the gut microbiota in young adolescents with subthreshold depression: A randomized psychoeducation-controlled Trial

译名：运动对阈下抑郁症青少年肠道菌群的影响

期刊：Psychiatry Research

IF：11.225

发表时间：2022.12

通讯作者：林康广

通讯作者单位：广州医科大学附属脑科医院

DOI号：10.1016/j.psychres.2022.115005

实验设计

结果

1 人口统计、基线和后续措施

总共接触了233名12-14岁的青少年，其中9人拒绝参与(5人被诊断为重度抑郁症或双相情感障碍，正在接受药物治疗和/或心理治疗)。在其余224名青少年中，168名临床状况良好，26名和30名受试者分别被认为患有阈下轻躁狂和抑郁症。因此，本研究选取30名阈下抑郁症青少年进行二次分析。所有30名参与者均没有DSM-IV定义的精神疾病，其中25名参与者提供了粪便样本进行微生物群检测(图1)。

运动干预组和心理教育对照组在年龄、性别或受教育年份方面无显著组间差异(P >0.05)(表1)。在基线时，C-PHQ-9与阈下抑制和/或干预组无显著交互作用(P >0.05)(表1)。尽管我们的样本量不大，但根据Kolmogorov-Smirnov检验，C-PHQ-9评分(感兴趣的主要效应)的变化仍服从正态分布。在干预后的随访中，根据pauta准则(P<0.05)消除异常值(比平均值高>3个标准差)后，AE组通过C-PHQ-9测量的抑郁症状改善明显高于PC组(表1)。为了解决性别的潜在混杂效应，我们将性别作为一个协变量并重新进行了分析，仍然发现C-PHQ-9评分改善存在显著的组间差异(P = 0.043)。进一步的分析表明，AE组干预后C-PHQ-9评分与干预前相比存在显著差异(P =0.001)，但PC组(P >0.05)没有，这表明即使在控制性别比后，运动干预也能显著改善青少年的抑郁症状。

食物频率问卷(FFQ)用于评估参与者的饮食。AE和PC组之间SD青少年的平均每日摄入量没有显著差异(P >0.05，补充表1)。

图1 试验资料。SD=阈下抑郁症，AE=有氧运动，PC=心理教育对照，MSS=宏基因组测序研究。 

表1 有氧运动(AE)干预组和心理教育对照组(PC)阈下抑郁症青少年的统计学特征和基线测量。给出了均值和均值的标准误差。四组比较的单因素方差分析或卡方检验的P值，以及干预后AE组与PC组抑郁症状改善的t检验。

⁎ = 使用Bonferroni事后试验干预后，AE组基线和AE组之间的平均值差异显著，P<0.05；

# = 干预后AE组和PC组的平均值差异显著， P <0.05。

2 肠道微生物群的组成

共有25名患有阈下抑郁症的青少年提供了粪便样本，进行宏基因组测序检测微生物群。AE组和PC组在年龄、性别、教育和饮食方面匹配(P >0.05)。在干预后的随访中，我们首先比较了AE组和PC组之间的微生物差异，发现基因计数、α多样性或β多样性(P >0.05)没有显著差异(图2C，D，E; PCA图如图2B所示)。

为了进一步在精细水平上了解各组之间的差异，对平均相对丰度大于1%的门、平均相对丰度大于0.1%的属、平均相对丰度大于0.2%的种进行分析表明，拟杆菌门、厚壁菌门、变形菌门和放线菌门是两组中最常见的四个优势类群(图3A)。在门水平上，AE组和PC组之间的分类群丰度没有统计学差异。在属水平上，与PC组相比，AE组的Coprococcus(P = 0.016)、Blautia(P = 0.0016)、Dorea(P = 0.0051)、Tyzzerella(P = 0.035)增加( 图3 B)。在物种水平上，前50个富集物种如图 3 C所示。我们还发现，与PC组相比，AE组的Tyzzerella nexilis(P= 0.0051)和Ruminococcus obeum(P = 0.026)的丰度显著增加。

图2 AE组和PC组中阈下抑郁症(SD)青少年的肠道微生物改变。对AE(n = 12)组和PC(n = 13)组粪便样本的鸟枪法测序数据进行了比较。

(A)基于AE和PC组中基因计数的稀疏曲线。(B)使用两组中的基因进行主成分分析(红色为AE，蓝色为PC)。(C)AE组和PC组基因计数的箱线图。(D、E)两组在基因水平上的α多样性(Shannon指数；D)和β多样性(Bray-Curtis相似性指数；E)。对于A-E，使用Kruskal-Wallis秩和检验来确定显著性。* P < 0.05，** P < 0.01，*** P< 0.001。

图3 AE组和PC组在门、属和种水平上的系统发育丰度及其与中文版病人健康问卷抑郁量表(C-PHQ-9)改善的相关性。

(A)显示了AE组和PC组在门水平上的系统发育丰度变化箱图及其与C-PHQ-9改善的相关性。在属(B)和种(C)水平上显示了AE和PC组中50个最丰富的系统类型，以及它们与C-PHQ-9改善之间的相关性。*P < 0.05，** P < 0.01，*** P < 0.001，红点表示P < 0.05。

3 功能分析结果

分析了两组38个KEGG和23个EggNOG直系同源物，其中前22个EggNOG和37个KEGG直系同源物的详细结果如图4A和图4B所示。EggNOG分析结果显示，与PC组相比，AE组微生物组中防御通路(P =0.04)和信号转导通路(P =0.03)高度富集。此外，Spearman相关分析显示，信号转导通路与抑郁症状改善呈显著正相关(图4A)。与PC组相比，AE组的微生物组中属于神经退行性疾病的KEGG通路减少(P =0.03)。

图4 EggNOG直系同源群和KEGG功能类别的分布及其与C-PHQ-9改善的相关性。使用Spearman相关分析确定相关性。* P < 0.05，** P < 0.01，*** P < 0.001，红点表示P < 0.05。

讨论

据我们所知，这是第一项运动干预训练在调节阈下抑郁症青少年肠道微生物群谱方面效果的RCT研究。在本研究中发现，为期12周的中等强度有氧运动干预在属水平上增加了Coprococcus、Blautia、Dorea、Tyzzerella的相对丰度，在物种水平上增加了Tyzzerella nexilis、Ruminococcus obeum的相对丰度，同时改善了抑郁症状，而营养摄入量没有任何变化。此外，EggNOG和KEGG分析结果显示，12周中等强度有氧运动干预对青少年阈下抑郁症的改善作用可能与防御机制和信号转导机制的基因功能以及神经退行性疾病的通路有关。

缺乏体育锻炼与抑郁症患病率增加之间存在明确的联系。流行病学和临床研究表明，体育活动通常对情绪有积极影响。例如，一项为期25年的纵向研究发现，男性的体育活动水平与抑郁症之间存在负相关关系。此外，有越来越多的对照研究调查了一定的锻炼对抑郁症治疗的效果。Dunn等人研究了各种有氧运动方案对20-45岁成年人轻度至中度重度抑郁症的影响。作者得出的结论是，按照公共卫生建议的剂量进行锻炼，是治疗轻度至中度重度抑郁症症状的有效方法，而且能量消耗越多，抑郁症症状的减轻就越明显。另一项研究支持体育活动对改善情绪的作用，参与者参加了为期六个月的定期锻炼。研究发现，那些在开始体育锻炼计划之前报告抑郁症状的人的情绪改善明显更大。在Hughes等人的研究中，在干预后检测时，体育活动组中86%的抑郁症青少年不再表现出抑郁症的临床症状，而对照组的缓解率为50%。体育活动治疗结束后十四周，体育活动组的所有参与者均表现出完全缓解。这一结果在运动治疗结束40周后保持稳定。Wunram等人的研究报告称，在干预后，测力计组29.9%的抑郁症青少年、全身振动强度训练组50%的抑郁症青少年、对照组17.6%的抑郁症青少年达到缓解标准。在5个月的随访中，缓解率分别增加到71.4%、61.5和25%。最近的两项荟萃分析研究表明，无论是作为一种替代还是额外的治疗选择，体育活动治疗都能有效缓解抑郁症青少年的抑郁症状。此外，研究表明，体育活动应至少达到中等强度，以缓解受影响青少年的抑郁症状。有趣的是，在我们的研究中发现，运动干预降低了患有阈下抑郁症青少年的抑郁水平。

尽管运动干预与抑郁缓解之间的关系已经得到了很好的证实，但情绪与运动干预之间关系的背后机制仍然知之甚少。越来越多的证据表明，成人的运动、抑郁症和肠道微生物群之间存在联系，而青少年的证据则不太可靠。新兴研究表明，运动会影响肠道微生物群。此外，肠道微生物群在抑郁样行为的发展中发挥了因果作用，并可能在抑郁症相关病理学中发挥关键作用。因此，我们研究了运动干预训练对阈下抑郁青少年微生物群的影响。在属水平上，AE组4个属(Coprococcus、Blautia、Dorea和Tyzzerella)与PC组相比有所增加。在几项研究中发现，抑郁症患者的Coprococcus和Blautia丰度较低。此外，由Coprococcus和Blautia产生的短链脂肪酸(例如丁酸盐)可能作为与抑郁症相关的信号分子，并对肠道炎症起到保护作用。一项动物研究发现，抗抑郁药物治疗后，Coprococcus的丰度显著增加，抑郁水平降低。同样，本研究发现，运动干预也增加了Coprococcus的丰度，并改善了阈下抑郁症青少年的抑郁症状。炎症在抑郁症的病理生理学中起着关键作用，抗抑郁药具有抗炎作用。此外，Macedo等人发现抗抑郁药物显示出神经保护和抗菌作用。我们推测，运动干预的一种可能的抗抑郁机制是通过抗炎作用恢复肠道微生物群的平衡。尽管将Dorea与抑郁症联系起来的相关证据相对缺乏，但一项调查发现，在诱导抑郁行为的动物模型中显示了Dorea属的减少。一项关于产后抑郁症的研究观察到Tyzzerella水平与抑郁症状严重程度之间存在相关性。此外，在具有较高抑郁症风险的超重/肥胖个体中，Dorea和Tyzzerella水平总是异常。然而，运动干预可能会改善Dorea，并对肥胖产生积极影响。与16S rRNA测序相比，SMS(鸟枪法宏基因组测序)具有多重优势，例如检测细菌种类和多样性的能力增强，以及预测基因功能的能力增强。一般来说，通过使用SMS，我们可以在更精细的分类学尺度上研究细菌。如上所述，本研究发现，与PC组相比，AE组Tyzzerella属的丰度增加。然而，通过SMS我们发现，属于Tyzzerella的亚种Tyzzerella nexilis和Ruminococcus obeum在AE组和PC组之间存在显著差异。AE组这两个类群的相对丰度显著高于PC组。革兰氏阳性细菌诱导的炎症失调(炎性细胞因子和脂多糖)已被建议用于成人抑郁症患者，但尚未在青少年中进行研究。因此，在我们的研究中，Tyzzerella和Ruminococcus属的亚种显示出作为运动干预对抑郁症治疗或保护作用的生物标志物的潜力。

本研究还发现，运动干预组和对照组之间功能宏基因组的变化是不同的。有趣的是，与神经退行性疾病相关的预测宏基因组功能在运动期间较低，这表明运动干预可能调节细菌DNA的转换和蛋白质合成，这可能是对运动干预引起的肠道环境变化的适应。在过去的几十年中，已经阐明了导致这些疾病的一些病理生理学和分子机制。这些发现表明，导致重度抑郁症的神经生物学改变与阿尔茨海默病(AD)、帕金森病(PD)和亨廷顿病(HD)的神经退行性病变之间存在一些相似之处。例如，单胺能传递和下丘脑-垂体-肾上腺（HPA）轴的紊乱增加了氧化和神经炎症事件，以及营养支持受损被认为是所有这些疾病神经元萎缩和死亡的原因。此外，神经影像学的发现有助于阐明与抑郁症和神经变性之间关系相关的结构和功能变化。此外，我们还发现AE组信号转导机制的基因功能高度富集，这与抑郁症状的改善相关。越来越多的证据表明，某些蛋白质(例如哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR))通过其与蛋白质翻译、自噬和突触重塑相关的信号转导机制，在抑郁症和神经退行性疾病的治疗中发挥关键作用。需要进一步的研究来检验运动干预诱导的宏基因组变化是否对抑郁症障碍和风险有有益的影响。

这项研究存在一些局限性。首先，样本量相对较小，并且必须排除一个异常值。该样本量可能不足以检测肠道微生物群组成的细微差异。其次，运动干预组和对照组显示出一定水平的性别比和C-PHQ-9评分差异(尽管不显著)。第三，我们在干预期间没有控制饮食，尽管我们使用问卷评估了营养摄入量，但没有发现这会影响本研究的结果。未来需要一项饮食控制的研究来确定运动干预对肠道微生物群的影响。第四，由于担心干扰运动干预组，我们没有在运动干预期间测量心率，这可能是一个限制。此外，所有参与者都负责记录自己的心率数据，这可能会导致测量不准确。未来的研究可以实施运动中心率测量，并由成年工作人员进行数据记录，以与我们的研究结果进行比较。第五，AE组和PC组接受干预的总次数不同，这可能导致社会化和/或常规正规化的总体水平不同，这反过来可能部分解释了结果。未来的研究应该平衡干预程度，并明确衡量干预期间的社交水平。第六，在使用Mann-Whitney-Wilcoxon检验分析宏基因组数据后，我们没有进一步校正P值，我们将在未来的动物和人类研究中验证此发现。此外，我们的RCT设计没有零干预对照组。最后，由于定期运动干预对肠道微生物群的潜在变化可能需要数年时间才能显现出来，因此未来应检查运动干预对肠道微生物群的长期影响。

综上所述，本研究的数据提供了初步证据，表明为期12周的中等强度有氧运动干预可能对患有阈下抑郁症的青少年肠道微生物群的组成产生显著的有益影响，并在营养摄入没有任何变化的情况下改善其抑郁症状。此外，本研究的初步分析表明，运动干预后，患有阈下抑郁症的青少年中，微生物群的基因功能和宏基因组通路发生了一些变化。这项研究的结果为肠道微生物群提供了新的功能见解，并强调了肠道微生物群作为治疗阈下抑郁症青少年的潜在生物标志物和介质。需要进一步的大规模和长期研究来阐明运动干预与肠道微生物群之间的关系，并揭示肠道微生物群在预防青少年抑郁症中的有益作用。