研究背景

人類腸道微生物群是一個(gè)多樣而復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，大量微生物居住在胃腸道。腸道微生物在維持人類健康方面發(fā)揮著重要作用，并可以通過產(chǎn)生短鏈脂肪酸（SCFAs）和膽汁酸等功能代謝物來調(diào)節(jié)宿主的生理和疾病風(fēng)險(xiǎn)。這些代謝物要么直接來自微生物，要么來自外源性膳食殘留物，要么來自宿主產(chǎn)生的內(nèi)源性底物。腸道微生物相關(guān)代謝物是腸道微生物與宿主之間串?dāng)_的重要中間體，顯著影響心臟代謝性疾病的發(fā)展。目前，大多數(shù)腸道微生物-代謝組關(guān)聯(lián)研究都是使用糞便或血液進(jìn)行代謝組分析。但是直接比較配對(duì)的糞便和血液代謝組與腸道菌群和心臟代謝疾病的關(guān)系是罕見的。

2023年1月，中山大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院陳裕明、西湖大學(xué)鄭鉅圣共同通訊在《Nature Communications》期刊(IF:17.694)發(fā)表的題為的研究成果，本研究通過宏基因組測(cè)序、代謝組學(xué)研究方法對(duì)糞便、血液中的代謝物研究，探究腸道微生物群與心臟代謝性疾病之間的關(guān)聯(lián)。這些發(fā)現(xiàn)在涉及103名成年人的獨(dú)立驗(yàn)證隊(duì)列中得到重復(fù)?？傊撗芯拷Y(jié)果表明，從血液或糞便代謝組數(shù)據(jù)推斷微生物組-心臟代謝性疾病相關(guān)性時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎。

研究思路

圖1 | 工作流程

研究結(jié)果

1.配對(duì)的糞便和血液代謝物之間的相關(guān)性

首先作者評(píng)估了配對(duì)糞便和血液代謝物之間的表型相關(guān)性（直接比較糞便和血液之間每種代謝物的值），使用部分斯皮爾曼相關(guān)性調(diào)整了年齡、性別和BMI相關(guān)性。配對(duì)的糞便和血液代謝物之間的相關(guān)性普遍較低（表型相關(guān)系數(shù)[平均± sd]：0.05 ± 0.12）。糞便與血液之間只有8種顯著相關(guān)的代謝物（相關(guān)系數(shù)> 0.3和FDR < 0.05)，包括2-苯丙酸、3-氨基丙酸、二十碳五烯酸（EPA）、糖脫氧膽酸、乙脲脫氧膽酸、肉桂酸、甲基煙酰胺和苯乙酸（圖2a）。

然后，作者使用雙變量GREML分析檢測(cè)了配對(duì)糞便和血液代謝物之間的遺傳相關(guān)性（配對(duì)糞便和血液代謝物之間共享遺傳力的比例）。與表型相關(guān)性的結(jié)果，有低遺傳相關(guān)性在大多數(shù)配對(duì)糞便和血液代謝物(遺傳相關(guān)系數(shù)（平均± sd]：0.13 ± 0.75）其中，3種代謝物（3-氨基丙酸、乙脲去氧膽酸和苯乙酸）與表型相關(guān)的代謝物重疊（圖2b)。

圖2| 配對(duì)的糞便和血液代謝物之間的表型和遺傳相關(guān)性

2.比較成對(duì)的糞便和血液代謝組與分類學(xué)組成和微生物途徑的關(guān)系

考慮到大多數(shù)配對(duì)的糞便和血液代謝物之間的相關(guān)性較低，作者探討了分類組成或微生物途徑與配對(duì)的糞便和血液代謝物之間的關(guān)聯(lián)是否存在差異。作者使用兩種機(jī)器學(xué)習(xí)模型，隨機(jī)森林（RF）和光梯度增強(qiáng)機(jī)（LightGBM）與五倍交叉驗(yàn)證，獨(dú)立檢查分類組成/微生物途徑和每個(gè)代謝物之間的關(guān)聯(lián)，在糞便或血液樣本中，然后比較糞便和血液之間的關(guān)聯(lián)是否一致。糞便代謝物的可預(yù)測(cè)性基于分類組成或微生物途徑，這是由斯pearman測(cè)量之間的相關(guān)性和預(yù)測(cè)代謝物水平的機(jī)器學(xué)習(xí)管道，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于血液代謝物（圖3a，b）。

根據(jù)分類組成，作者鑒定了98種預(yù)測(cè)良好的糞便代謝物(圖3a、e)。有10種預(yù)測(cè)良好的血液代謝物(圖3b，e）。大多數(shù)預(yù)測(cè)良好的糞便代謝物比相應(yīng)的配對(duì)血液代謝物具有更高的可預(yù)測(cè)性，對(duì)于在糞便和血液中預(yù)測(cè)良好的代謝物，大多數(shù)預(yù)測(cè)良好的糞便代謝物模型顯著優(yōu)于各自預(yù)測(cè)良好的血液代謝物模型(FDR < 0.05，圖3d）。

圖3 |?比較成對(duì)的糞便和血液代謝物與分類學(xué)組成的關(guān)系

3.預(yù)測(cè)良好的代謝物與心臟代謝性疾病的關(guān)系

通過探討上述在發(fā)現(xiàn)隊(duì)列中發(fā)現(xiàn)的預(yù)測(cè)良好的糞便和血液代謝物與流行的心臟代謝疾病（T2D、肥胖、NAFLD和高血壓）之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)有12種預(yù)測(cè)良好的糞便代謝物與幾種心臟代謝疾病顯著相關(guān)，包括T2D（7顯著相關(guān)種）、肥胖（4顯著相關(guān)種）和NAFLD（1顯著相關(guān)種）（圖4a）。然而，并沒有發(fā)現(xiàn)與預(yù)測(cè)良好的血液代謝物有任何顯著的關(guān)聯(lián)（圖4b）。

這些發(fā)現(xiàn)對(duì)于在血液和糞便中都可以充分預(yù)測(cè)的代謝物是有趣的。圖4c中所示的低復(fù)制率在很大程度上是一個(gè)問題，因?yàn)轵?yàn)證隊(duì)列的樣本量是很小的。然而，作者發(fā)現(xiàn)，在預(yù)測(cè)良好的糞便代謝物的11個(gè)關(guān)聯(lián)中有8個(gè)具有相同的效應(yīng)方向，并且從發(fā)現(xiàn)和驗(yàn)證隊(duì)列中獲得的部分回歸系數(shù)之間有很強(qiáng)的相關(guān)性（圖4c，d），這表明作者確定的大多數(shù)預(yù)測(cè)良好的糞便代謝物和心臟代謝疾病之間的關(guān)聯(lián)在發(fā)現(xiàn)和驗(yàn)證隊(duì)列中是一致的。

圖4 | 預(yù)測(cè)良好的糞便和血液代謝物與心臟代謝性疾病的關(guān)系

4.配對(duì)的糞便和血液短鏈脂肪酸在腸道微生物群和T2D關(guān)聯(lián)中的比較

短鏈脂肪酸，如醋酸、丙酸和丁酸，是眾所周知的腸道微生物衍生代謝物，由膳食纖維的微生物發(fā)酵產(chǎn)生。糞便和血液中對(duì)短鏈脂肪酸的影響水平已被廣泛用于探索短鏈脂肪酸在人類健康中的作用。通過比較配對(duì)糞便和血液短鏈脂肪酸與分類成分的關(guān)聯(lián)，作者發(fā)現(xiàn)腸道微生物與糞便乙酸（圖5a）和丁酸（圖5c）密切相關(guān)，但與血乙酸（圖5b）或丁酸（圖5d）不相關(guān)。此外，作者發(fā)現(xiàn)糞便丁酸水平與普遍存在的T2D呈負(fù)相關(guān)（圖5e），而血液丁酸水平則不相關(guān)（圖5f）。

圖5 | 比較配對(duì)的糞便和血液短鏈脂肪酸在分類組成與2型糖尿病之間的關(guān)系

研究結(jié)論

1. 研究確定了幾種已知的與心臟代謝性疾病相關(guān)的腸道微生物衍生相關(guān)代謝物。丁酸是由人體腸道微生物群衍生的三種主要的短鏈脂肪酸（乙酸、丙酸和丁酸）之一。

2. 發(fā)現(xiàn)糞便中的肉桂酸水平與T2D呈負(fù)相關(guān)，這與Vangipurapu等人的研究一致，作者測(cè)量了該代謝物的血液水平。

3. 研究發(fā)現(xiàn)糞便中2-苯丙酸鹽與T2D呈負(fù)相關(guān)。

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目前，大多數(shù)腸道微生物-代謝組關(guān)聯(lián)研究都是使用糞便或血液進(jìn)行代謝組分析。盡管在之前的幾項(xiàng)研究中都使用了糞便和血液代謝組學(xué)數(shù)據(jù)來探索腸道菌群-代謝組的關(guān)聯(lián)，但糞便和血液樣本不是在同一時(shí)間點(diǎn)收集的，而是從不同的參與者亞群中獲得的。

本文直接比較配對(duì)的糞便和血液代謝組與腸道菌群和心臟代謝疾病的關(guān)系是罕見的，但非常有必要，這有助于幫助指導(dǎo)糞便和血液代謝組學(xué)的實(shí)際應(yīng)用技術(shù)在研究腸道微生物群的關(guān)聯(lián)與心臟代謝疾病的人類研究。為后續(xù)流行病學(xué)研究警示應(yīng)謹(jǐn)慎通過從血液或糞便代謝組數(shù)據(jù)推斷微生物心臟代謝疾病相關(guān)性。

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