全新视角肠道菌群的节律性紊乱特征或可预测

肠道菌群对人体健康的影响已被广泛研究和认可，且有越来越多的证据将人类肠道微生物组与代谢健康联系起来。

研究显示，肠道微生物的节律性运动会影响宿主的昼夜节律，进而影响人体代谢。糖尿病作为一种典型的代谢性疾病，肠道微生物的节律性变化与其又有何关联呢？

近期，德国慕尼黑工业大学DirkHaller团队发表于CellHostMicrobe上的一项研究，对肠道微生物的节律性变化与II型糖尿病的相关性进行了分析，该研究涉及德国多人的粪便菌群数据，是该领域第一个基于大量前瞻性人类队列的研究。

研究结果显示，肠道菌群多样性和特定成员的相对丰度在一天中呈现节律性震荡，其中一些细菌的节律性在II型糖尿病患者中出现紊乱，且利用基于失去节律性变化的菌株可较准确地在德国人群中鉴定和预测II型糖尿病。

这些发现提示肠道菌群组成的昼夜震荡及其相关节律性功能，可能是代谢性疾病发生发展中不可忽视的因素，其特征或可用于II型糖尿病的辅助诊断和预测，但应注意人群特异性。

该研究涉及3个队列（KORA、FoCus和Enable），共计例受试者，其中发现集为KORA队列（N=，年）和Enable队列（N=93，至年），验证集为FoCus队列（N=，至年）和KORA队列（N=，年），样本时间点涵盖每天0、2、5、7、9、11、13、15、17、19、21、23点。

图1人体肠道菌群的昼夜节律

该研究首先对KORA队列（N=）的粪便样本进行分析发现（图1），肠道菌群α多样性（物种丰富度和香农指数）在一天中波动较大，且拟杆菌门和厚壁菌门这两个最主要的门水平的相对丰度也表现出明显的昼夜节律，且两者呈现相反的节律性变化：拟杆菌门在夜间的平均相对丰度高出6％，而厚壁菌门则白天较高。进一步对OTU的分析发现，约15.2％的OUT具有节律性变化，且此规律同样适用于Enable队列（N=93，受试者共计份粪便样本）。此外，即使是同一个体（连续3年共收集58个样本），也证明了菌群的以上节律性振荡规律。

由于KORA最适合研究代谢状况，因此作者专注于肥胖、前驱糖尿病和II型糖尿病受试者的分析（图2），发现患有II型糖尿病和肥胖症（BMI≥30）的个体的物种丰富度及α多样性较低，而厚壁菌门与拟杆菌的丰度与健康受试者相比则保持不变。

图2肥胖和II型糖尿病肠道菌群节律性震荡缺失

在非II型糖尿病（N=）和BMI30（N=）的KORA受试者中，α多样性、门水平丰度和OTU依然呈现出昼夜节律性，但相比之下，患有II型糖尿病（N=）或BMI≥30（N=）的受试者缺失α多样性和门水平丰度的节律性（拟杆菌门和厚壁菌门），且无论BMI如何，II型糖尿病患者的节律性均受到破坏，且在非II型糖尿病受试者中振荡的所有10.4％的OTU在II型糖尿病受试者中均失去了节律性。

有趣的是，前驱糖尿病受试者（N=）呈现中间表型：两个主要门水平的节律性丧失，但α多样性则未丧失，且失去节律性的OTU的比例从10.4％降至7.6％。

此外，作者进一步的分析还表明，饮食习惯和饮食摄入很可能并非II型糖尿病患者节律性丢失的根本原因。

接下来，他们基于这些节律性丢失的OTU进行了II型糖尿病的疾病预测和独立队列验证（图3）。

图3利用节律性紊乱的OTU特征进行II型糖尿病疾病预测

在87个节律性丢失的OTU中，利用DODR（DetectionofDifferentialRhythmicity）R包进一步筛选出13个OTU，这13个OUT与在II型糖尿病中丰度分布差异的30个OTU重合。

基于这个13个OTU进行了广义线性模型构建，以对II型糖尿病进行鉴定，该模型的性能明显好于同等数量的随机选择的对照OTU（重复次，平均AUC=0.79vs0.59）。

作者还进一步进行了随机森林和回归模型训练，进一步证实了这13个OTU的预测效果，其中OTU包括Bifidobacteriumlongum(OTU37)、Clostridiumcelatum(OTU)、Intestinibacterbartlettii(OTU63)、Romboutsiailealis(OTU76)、Fecalibacteriumprausnitzii的类似菌群(OTU4,OTU,OTU,OTU和OTU)以及Escherichiacoli(OTU12和OTU)。

此外，在另一个独立于KORA的人群队列FoCus（非II型糖尿病例,II型糖尿病例)中进一步进行验证，首先证实了II型糖尿病中的菌群节律性丢失，且利用以上发现的13个OTU进行II型糖尿病风险预测的AUC达到了0.76，灵敏度和特异度分别为75％和69％。但有趣的是，与FoCus不同，使用来自英国的双生子队列（TwinsUK，N=）进行II型糖尿病风险预测效果不佳（AUC=0.69），说明存在人群地域差异。

这13个OTU是否也能够预测KORA队列分支（包括年和年的个配对样本）中的II型糖尿病，结果显示结合BMI信息，预测AUC值达到0.78，进一步表明肠道菌群的节律性紊乱特征或可预测II型糖尿病。

最后该研究还通过宏基因组学方法鉴定出与II型糖尿病和肠道细菌节律变化相关的菌群代谢通路，涉及氨基酸、芳香族化合物和脂肪酸的代谢功能等。

可借鉴之处和局限性：

1、该研究视角独特，从肠道菌群昼夜节律性变化角度展开研究，提示肠道菌群组成的昼夜震荡及其相关节律性功能，可能是代谢疾病发生发展中不可忽视的因素，当某些肠道细菌不遵循昼夜节律时，如其数量和功能在一天中并无变化，则可能是潜在的II型糖尿病指标，其特征或可用于II型糖尿病的辅助诊断和预测，但应注意人群特异性。

2、该研究从前瞻性KORA人群队列入手，并结合同一个体的样本追踪分析，独立队列的验证分析，对肠道菌群昼夜节律性变化与II型糖尿病的相关性进行了不同广度和多维度的分析和验证，实验设计思路和研究方法值得借鉴。

3、在既往未追踪粪便采样时间的肠道微生物组研究中，这种肠道微生物组的波动可能已被很大程度上被遗漏了，这可能会导致肠道微生物群落个体间和区域差异。因此，考虑昼夜节律性微生物的振荡可能很重要，可更好地了解与疾病相关的微生物组改变的潜在机制，并验证潜在人群的风险状况。然而具体哪些因素会对肠道菌群的节律性变化产生影响，仍有待进一步研究。

关键词：前瞻性队列研究

前瞻性队列研究是队列研究的基本形式。

研究对象的分组根据研究对象现时的暴露状况而定，此时研究的结果还没有出现，需要前瞻性观察一段时间才能得到。

优点是在前瞻性队列研究中，由于研究者可直接获取关于暴露和结局的第一手资料，因而资料的偏倚较小，结果可信。

缺点是所观察的人群样本量很大，观察时间长、花费大，因而影响其可行性。

参考文献：

ReitmeierS,KiesslingS,ClavelT,etal.ArrhythmicGutMicrobiomeSignaturesPredictRiskofType2Diabetes[J].CellHostMicrobe,,28(2):-.e6.

本期嘉宾：

贾鑫淼，博士，生物信息学，医院-医研中心-医学信息与生物统计平台。

医院-中心实验室-统计与生信平台基于循证医学、医学统计学、临床流行病学、生物信息学理论与前沿技术，在院内外开展方法学咨询服务与大数据分析技术支持。从疾病的病因、诊断、治疗、预后多角度开展临床研究，为疾病预防、早期干预、新药和新治疗方法的临床应用提供科学的证据支持，促进转化医学发展与科研成果转化。

栏目策划：吴志宏教授

医院骨科教授、博导、中心实验室副主任、实验动物管理委员会主任、骨骼畸形的遗传学研究北京市重点实验室副主任、北京市生物医学工程高精尖中心学术委员会委员、医工整合联盟副理事长、中华医学会骨科分会基础学组委员。

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