前言

炎癥性腸病（Inflammatory Bowel Disease，IBD）是累及回腸、直腸、結(jié)腸的一種病因尚不明確的特發(fā)性腸道炎癥性疾病，主要包括潰瘍性結(jié)腸炎（Ulcerative Colitis，UC）和克羅恩?。–rohn's Disease，CD）。近幾十年來，IBD發(fā)病率不斷攀升，影響了350多萬人的身體健康。炎癥性腸?。↖BD）與腸道微生物的相關(guān)研究歷史悠久，多項臨床研究曾深入探討腸道微生物在IBD鑒別診斷、疾病活動度、腸外表現(xiàn)中的特征性變化。目前在IBD患者中，不同的治療方法和不同的反應(yīng)對臨床治療有著重要的提示。其中，生物治療（生物制劑）則常用于治療炎癥性腸?。↖BD），但患者應(yīng)答存在個體差異，目前仍缺乏預(yù)測治療效果的標志物。

2021年8月11日，美國麻省理工學(xué)院哈佛大學(xué)博德研究所Jonathan Wei Jie Lee等人在Cell Host and Microbe（IF=21.023）雜志發(fā)表了題為“Multi-omics reveal microbial determinants impacting responses to biologic therapies in inflammatory bowel disease”的多組學(xué)前瞻性研究論文，該文章通過微生物組、蛋白質(zhì)組以及代謝組的聯(lián)合分析，確定了微生物組對生物治療影響的潛在功能機制，這對IBD患者的臨床治療成功有著重要的意義。

研究內(nèi)容

本文采用抗TNF或抗IL12/23（統(tǒng)稱為抗細胞因子）和抗整合素療法對UC和CD患者進行治療，通過對患者糞便宏基因組學(xué)、血清的代謝組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)進行聯(lián)合分析，結(jié)果表明抗細胞因子療法患者的腸道微生物更具有多樣性，并且由特征微生物介導(dǎo)的膽汁酸次級代謝物的增加也決定了抗細胞因子療法的緩解效果；通過微生物多樣性與血清免疫蛋白聯(lián)合分析的結(jié)果表明，患者更有可能通過抗細胞因子治療獲得緩解。

綜上所述，該研究確定了預(yù)測IBD患者對一種或多種治療類型反應(yīng)的特征微生物，揭示了菌群的膽汁酸次級代謝產(chǎn)物是影響抗細胞因子治療效果的關(guān)鍵，這對IBD患者的臨床治療成功有著重要意義。

研究內(nèi)容

糞便宏基因組學(xué)預(yù)測抗細胞因子和抗整合素療法的差異反應(yīng)

通過對185例（108例CD，77例UC）進行抗生物治療的中重度IBD患者的糞便樣本進行宏基因組測序，然后分析微生物群落的分類組成和潛在功能。使用Dirichlet多項式混合物（DMM）模型算法，確定了兩個不同的亞群落，分別命名為“DMM1”和“DMM2”。宏基因組的PCoA分析和α多樣性分析等結(jié)果表明，亞群落DMM1組和DMM2組有明顯的差異，且DMM1組微生物多樣性更加豐富，其主要由厚壁菌門的微生物代表，包括糞桿菌和瘤胃球菌；亞群落DMM2由卵形擬桿菌、大葉擬桿菌和細小脈內(nèi)拉菌為代表性微生物（圖2A-C）。

根據(jù)IBD亞型（即CD和UC）和初始疾病的嚴重程度，作者猜想IBD患者的微生物群特征可能會有顯著差異。因此，作者根據(jù)不同IBD亞型（疾病嚴重程度）及其相應(yīng)的宏基因組DMM組，發(fā)現(xiàn)微生物物種是臨床結(jié)果的重要決定因素，并且接受抗細胞因子治療的患者在14周、1年以及1年內(nèi)視鏡緩解后的患者，其糞便中微生物豐度較高。值得注意的是，DMM1組患者對抗細胞因子治療和抗整合素治療的緩解更加明顯，這也與DMM1組更高的α多樣性有關(guān)（圖2D-E）。

圖1｜糞便宏基因組學(xué)預(yù)測抗細胞因子和抗整合素治療的不同反應(yīng)

血清代謝物-次級膽汁酸可預(yù)測抗細胞因子療法的早期緩解

通過對不同療法患者糞便樣本的宏基因組分析發(fā)現(xiàn)，抗細胞因子療法的患者微生物具有顯著差異性，因此選擇對接受抗細胞因子治療的患者血清樣本進行代謝組學(xué)分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在541個代謝物中有27個差異代謝物是與臨床結(jié)果呈顯著相關(guān)的生物標志物（pval<0.05，qval<0.2），與早期緩解相關(guān)的替諾夫脫烯代謝組物分別為羧酸（n=4）、類固醇衍生物（n=4）和四吡咯（n=2）（圖3A）。通過代謝物功能富集分析發(fā)現(xiàn)，第14周病情緩解的患者血清膽汁酸顯著富集，尤其是次級膽汁酸，如基甘膽酸、甘脫氧膽酸和熊去氧膽酸（圖3B-C）。

先前的研究表明，初級膽汁酸向次級膽汁酸的轉(zhuǎn)化是一種由7a/b-脫羥基酶介導(dǎo)的局限于梭狀芽孢桿菌種類范圍的功能，揭示了一些有助于次級膽汁酸合成的微生物特征，并且發(fā)現(xiàn)這些微生物在通過抗細胞因子治療獲得早期緩解的患者中顯著增多，因此作者更詳細地研究了腸道微生物組在確定膽汁酸代謝物濃度中的作用。

通過對同源蛋白質(zhì)簇進行分組研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)7a/b-脫羥基Bai酶的同源蛋白質(zhì)豐度與血清次級膽汁酸甘膽酸和甘脫氧膽酸的相對強度之間存在顯著相關(guān)性（R>0.5，pval<0.01）；作者又基于糞便宏基因組學(xué)數(shù)據(jù)將患者分成了bai+陽性組和bai-陰性組，發(fā)現(xiàn)DMM1組陽性比例更高，并且陽性組對抗細胞因子有緩解的比例也更高（圖3D-F）。

總之，這些結(jié)果證明了由微生物介導(dǎo)的初級膽汁酸到次級膽汁酸的7α/β去羥化反應(yīng)，決定了抗細胞因子治療的早期緩解。

圖2｜血清代謝物次級膽汁酸可預(yù)測抗細胞因子療法的早期緩解

腸道微生物相關(guān)的血清細胞因子可以影響IBD緩解

作者為了找到更多的的生物標記物，分析了104種獨特的血清蛋白生物標記物，發(fā)現(xiàn)至少一個患者組的有9種血清蛋白與緩解結(jié)果顯著相關(guān)（圖4A），并且大多數(shù)推測的蛋白質(zhì)僅與接受抗細胞因子治療（即CD6、CD244、TRAIL、IL18、ADA）或抗整合素治療（即NT3、IFNLR1、PIK3AP1）的患者顯著相關(guān)，只有CASP8與這兩類療法均顯著相關(guān)。由于微生物多樣性是抗細胞因子反應(yīng)的指標，作者將血清免疫蛋白與宏基因組進行了聯(lián)合分析，結(jié)果表明有27種獨特的蛋白質(zhì)與至少一種微生物相關(guān)（FDR為0.1時）（圖4B）。通過先前的一些研究可知，有4種蛋白質(zhì)與IBD的炎癥或免疫反應(yīng)有關(guān)，因此，對這四種蛋白進行了多樣性分析，發(fā)現(xiàn)在DMM分組群體患者之間也有顯著差異表達（圖4C-D）。

為了進一步驗證抗細胞因子療法緩解的預(yù)測能力，作者通過ROC曲線在臨床指標的基礎(chǔ)上分別增加添加宏基因組學(xué)、代謝組學(xué)或蛋白質(zhì)組學(xué)特征指標進行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)臨床指標+宏基因組指標最能提高抗細胞因子治療緩解的預(yù)測能力（圖4E）。

圖3｜ 與微生物多樣性和臨床緩解相關(guān)的血清蛋白標志物

研究結(jié)論

（1）通過多組學(xué)揭示了與不同IBD療法緩解相關(guān)的微生物組機制

（2）由微生物介導(dǎo)的初級膽汁酸到次級膽汁酸的7α/β去羥化反應(yīng)，決定了抗細胞因子治療反應(yīng)

（3）27種血清免疫蛋白與腸道微生物群相關(guān)

（4）基于臨床指標與宏基因組數(shù)據(jù)的聯(lián)合，可以提高抗細胞因子治療緩解的預(yù)測能力

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