人类肠道微生物群是一个多样而复杂的生态系统，大量微生物居住在胃肠道。肠道微生物在维持人类健康方面发挥着重要作用，并可以通过产生短链脂肪酸（SCFAs）和胆汁酸等功能代谢物来调节宿主的生理和疾病风险。这些代谢物要么直接来自微生物，要么来自外源性膳食残留物，要么来自宿主产生的内源性底物。肠道微生物相关代谢物是肠道微生物与宿主之间串扰的重要中间体，显著影响心脏代谢性疾病的发展。目前，大多数肠道微生物-代谢组关联研究都是使用粪便或血液进行代谢组分析。但是直接比较配对的粪便和血液代谢组与肠道菌群和心脏代谢疾病的关系是罕见的。

2023年1月，中山大学公共卫生学院陈裕明、西湖大学郑钜圣共同通讯在《Nature Communications》期刊(IF:17.694)发表的题为的研究成果，本研究通过宏基因组测序、代谢组学研究方法对粪便、血液中的代谢物研究，探究肠道微生物群与心脏代谢性疾病之间的关联。这些发现在涉及103名成年人的独立验证队列中得到重复。总之，该研究结果表明，从血液或粪便代谢组数据推断微生物组-心脏代谢性疾病相关性时应谨慎。

(资料图片)

研究思路

图1 | 工作流程

研究结果

1.配对的粪便和血液代谢物之间的相关性

首先作者评估了配对粪便和血液代谢物之间的表型相关性（直接比较粪便和血液之间每种代谢物的值），使用部分斯皮尔曼相关性调整了年龄、性别和BMI相关性。配对的粪便和血液代谢物之间的相关性普遍较低（表型相关系数[平均± sd]：0.05 ± 0.12）。粪便与血液之间只有8种显著相关的代谢物（相关系数> 0.3和FDR < 0.05)，包括2-苯丙酸、3-氨基丙酸、二十碳五烯酸（EPA）、糖脱氧胆酸、乙脲脱氧胆酸、肉桂酸、甲基烟酰胺和苯乙酸（图2a）。

然后，作者使用双变量GREML分析检测了配对粪便和血液代谢物之间的遗传相关性（配对粪便和血液代谢物之间共享遗传力的比例）。与表型相关性的结果，有低遗传相关性在大多数配对粪便和血液代谢物(遗传相关系数（平均± sd]：0.13 ± 0.75）其中，3种代谢物（3-氨基丙酸、乙脲去氧胆酸和苯乙酸）与表型相关的代谢物重叠（图2b)。

图2| 配对的粪便和血液代谢物之间的表型和遗传相关性

2.比较成对的粪便和血液代谢组与分类学组成和微生物途径的关系

考虑到大多数配对的粪便和血液代谢物之间的相关性较低，作者探讨了分类组成或微生物途径与配对的粪便和血液代谢物之间的关联是否存在差异。作者使用两种机器学习模型，随机森林（RF）和光梯度增强机（LightGBM）与五倍交叉验证，独立检查分类组成/微生物途径和每个代谢物之间的关联，在粪便或血液样本中，然后比较粪便和血液之间的关联是否一致。粪便代谢物的可预测性基于分类组成或微生物途径，这是由斯pearman测量之间的相关性和预测代谢物水平的机器学习管道，远远高于血液代谢物（图3a，b）。

根据分类组成，作者鉴定了98种预测良好的粪便代谢物(图3a、e)。有10种预测良好的血液代谢物(图3b，e）。大多数预测良好的粪便代谢物比相应的配对血液代谢物具有更高的可预测性，对于在粪便和血液中预测良好的代谢物，大多数预测良好的粪便代谢物模型显著优于各自预测良好的血液代谢物模型(FDR < 0.05，图3d）。

图3 | 比较成对的粪便和血液代谢物与分类学组成的关系

3.预测良好的代谢物与心脏代谢性疾病的关系

通过探讨上述在发现队列中发现的预测良好的粪便和血液代谢物与流行的心脏代谢疾病（T2D、肥胖、NAFLD和高血压）之间的关系，发现有12种预测良好的粪便代谢物与几种心脏代谢疾病显著相关，包括T2D（7显著相关种）、肥胖（4显著相关种）和NAFLD（1显著相关种）（图4a）。然而，并没有发现与预测良好的血液代谢物有任何显著的关联（图4b）。

这些发现对于在血液和粪便中都可以充分预测的代谢物是有趣的。图4c中所示的低复制率在很大程度上是一个问题，因为验证队列的样本量是很小的。然而，作者发现，在预测良好的粪便代谢物的11个关联中有8个具有相同的效应方向，并且从发现和验证队列中获得的部分回归系数之间有很强的相关性（图4c，d），这表明作者确定的大多数预测良好的粪便代谢物和心脏代谢疾病之间的关联在发现和验证队列中是一致的。

图4 | 预测良好的粪便和血液代谢物与心脏代谢性疾病的关系

4.配对的粪便和血液短链脂肪酸在肠道微生物群和T2D关联中的比较

短链脂肪酸，如醋酸、丙酸和丁酸，是众所周知的肠道微生物衍生代谢物，由膳食纤维的微生物发酵产生。粪便和血液中对短链脂肪酸的影响水平已被广泛用于探索短链脂肪酸在人类健康中的作用。通过比较配对粪便和血液短链脂肪酸与分类成分的关联，作者发现肠道微生物与粪便乙酸（图5a）和丁酸（图5c）密切相关，但与血乙酸（图5b）或丁酸（图5d）不相关。此外，作者发现粪便丁酸水平与普遍存在的T2D呈负相关（图5e），而血液丁酸水平则不相关（图5f）。

图5 | 比较配对的粪便和血液短链脂肪酸在分类组成与2型糖尿病之间的关系

研究结论

1. 研究确定了几种已知的与心脏代谢性疾病相关的肠道微生物衍生相关代谢物。丁酸是由人体肠道微生物群衍生的三种主要的短链脂肪酸（乙酸、丙酸和丁酸）之一。

2. 发现粪便中的肉桂酸水平与T2D呈负相关，这与Vangipurapu等人的研究一致，作者测量了该代谢物的血液水平。

3. 研究发现粪便中2-苯丙酸盐与T2D呈负相关。

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目前，大多数肠道微生物-代谢组关联研究都是使用粪便或血液进行代谢组分析。尽管在之前的几项研究中都使用了粪便和血液代谢组学数据来探索肠道菌群-代谢组的关联，但粪便和血液样本不是在同一时间点收集的，而是从不同的参与者亚群中获得的。

本文直接比较配对的粪便和血液代谢组与肠道菌群和心脏代谢疾病的关系是罕见的，但非常有必要，这有助于帮助指导粪便和血液代谢组学的实际应用技术在研究肠道微生物群的关联与心脏代谢疾病的人类研究。为后续流行病学研究警示应谨慎通过从血液或粪便代谢组数据推断微生物心脏代谢疾病相关性。

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