Microbiome and metabolome features of the cardiometabolic disease spectrum

心脏代谢性疾病谱系的微生物组和代谢组特征

作者：Sebastien Fromentin等

期刊：Nature Medicine

时间：2022.02.07

影响因子：87.241

DOI：10.1038/s41591-022-01688-4

文章摘要

以前，对于非传染性疾病的微生物组和代谢组的研究，很少关注研究结果的主要混杂因素，如常见的、发病前的和共发病的条件或多药治疗。该研究在缺血性心脏病(IHD)的背景下，进行了一项纵向研究设计，概括了随着时间的推移，疾病的开始、升级和对治疗的反应。实验共招募了1241名中年欧洲人，包括健康个体，患有代谢紊乱疾病（肥胖和2型糖尿病）但缺乏公开IHD诊断个体和处于三个不同临床阶段的IHD患者——急性冠状动脉综合征、慢性IHD和伴有心力衰竭的IHD患者，并对他们进行肠道宏基因组和血清和尿液代谢组的分析。

研究发现，调整药物和生活方式后，将IHD患者与健康人群区分的大约75%的微生物群和代谢群特征存在于出现代谢紊乱的个体中，这表明肠道微生物组和代谢组的重大改变可能早在IHD临床发病之前就开始了。研究人员又进一步分类了与前体代谢异常相关的微生物组和代谢组特征，并发现与传统的风险标记物相比，基于特定IHD微生物组和代谢组特征进行鉴别分析可以更好地区分IHD患者与健康个体或代谢匹配个体，并指出这些特征的病理生理学相关性。

主要结果

1.研究设计，深入的表型分析和多组学分析

本研究招募了372例IHD患者，包括112例急性冠状动脉综合征(ACS)，158例慢性缺血性心脏病(CIHD)和102 名伴有心力衰竭 (HF)的 IHD患者。此外，还招募了275名健康对照(HC)和222名未经过治疗的代谢匹配对照(UMMCs)——即具有代谢综合征特征，但没有接受降脂或抗糖尿病或抗高血压药物的个体。最后，还有372例在T2D状态和BMI方面与IHD个体相匹配的对照组(MMCs)（图1）。实验分析了它们的血清和尿液代谢组和肠道微生物组，发现从HC到MMCs和UMMCs再到具有明显的IHD病例的个体，CMD表型严重程度和相关药物摄入量不断增加。尽管在国家、年龄、性别、BMI和T2D状态上相匹配，但在表型上IHD患者仍然与MMC不同。比如IHD患者的内脏脂肪升高，血糖升高，血浆中肝酶的浓度增加，高血压患病率和严重程度升高。

图1. 研究设计概述

2. 不同研究小组的饮食和身体活动存在差异

饮食影响微生物组组成和IHD风险，通过研究不同组之间的饮食和身体活动差异发现。与IHD和MMC组相比，HC组的饮食更健康并且体力活动水平也更高。与HC相比，MMC和IHD个体之间的一些微生物组差异也可能反映了一种不太健康的生活方式。

3. 与代谢异常相关的微生物组和代谢组的变化

根据之前的报道，IHD和HC个体之间的肠道微生物组和代谢组的分类和功能潜力均存在显著差异。且HC与MMC之间比HC与IHD显示出更多的差异特征。此外，IHD和HC之间的微生物组和代谢组特征的区分潜力显著高于IHD和MMC之间。我们的发现与之前的发现相一致。然而，大多数特征在MMC和HC的比较中已经是显著差异了，这表明先前的研究可能错误地将代谢障碍特征报告为真正的IHD特征。这些可能导致了IHD风险的增加，但它们并不是IHD的特异性。在较高的微生物组结构水平上，随着疾病的恶化，拟杆菌1和瘤胃球菌向拟杆菌2显著转变。这些发现反映了MMCs和IHD到HC个体中微生物基因丰富度和微生物负荷的显著降低。相比之下，当IHD患者与MMC进行比较时，没有发现差异。在UMMCs中，细菌基因丰富度的降低和拟杆菌2的增加更加严重，可能是由于尚未开药物以及这一组中存在更肥胖的表型。同样，当HC与UMMCs相比，具有显著差异的肠道微生物组和代谢组特征的总数更高。

图2. IHD发展史中肠道微生物组和代谢组特征的变化

4. IHD的微生物组和代谢组特征

通过根据其在 CMD 谱中的各个组比较中的特征对其进行分类，从而进一步区分 IHD特征与其代谢发病率，定性地关注条件特异性，定量地关注效应大小。我们通过仅在相应条件下表现出显着变化来确定代谢障碍或 IHD 特有的特征，升级功能 代表 IHD 的早期标志物，在发病至明显 IHD 期间继续增加/减少，DSCFs代表了那些在诊断和治疗的IHD中恢复到HC水平的患者。大多数显著的IHD相关特征被归类为一般代谢障碍的主要指标，而不是IHD特有的，而按频率顺序是IHD特有的特征，然后是降级和升级特征。当分别考虑这三种IHD亚型时，这种模式在很大程度上仍然有效。

在121个代谢障碍标志物中，85%在 IHD患者中被消耗。23种IHD特异性标志物也有类似的趋势。它们包括三种变形菌门——不动杆菌、曲单胞菌和醋酸杆菌.在IHD中富集的8个物种中，有2个是β-变形菌门的伯克氏菌目。有趣的是，类鼻疽假单胞菌是心内膜炎的可能原因。一种瘤胃球菌（未被鉴定的单一物种，在IHD中被消耗），是 IHD 升级标志物；6种为降级标记；它们属于梭状芽孢杆菌目，除惰性真杆菌外，其他在种甚至属分类水平上均未分类。

同时，大多数 IHD 特异性标志物的代谢组显示出明显的富集，相对于 HC，203 个 IHD 特异性标志物中只有 50 个（25%）在 IHD 中被消耗。我们鉴定了一系列富集的IHD 特异性代谢物，包括通过超高效液相色谱和串联质谱法量化的胆碱和肉毒碱途径的中间体，已知他们可调节 IHD 风险。其他此类肉碱代谢物，通过肉碱穿梭系统进入线粒体的转运增加，其通常用于 β-氧化。诸如苯乙酸或苯甲酸的微生物芳香酸遵循类似的过程，产生苯乙酰肉碱或苯甲酰肉碱。它们与氨基酸结合形成例如苯乙酰谷氨酸或马尿酸盐，其中苯乙酰肉碱和苯乙酰谷氨酸都是我们研究中的 IHD 特异性标志物。

我们观察到源自花生四烯酸的促炎脂质增加，包括5-5-HETE、白三烯B4和9-HODE/13-HODE等，他们是已知的发生炎症和动脉粥样硬化的介质。相比之下，脂肪酸甲酯以及α-生育酚，是顶级代谢产物，其消耗是IHD的特异性特征。值得注意的是，在IHD亚型特异性分析中仍然存在类似的模式。

以代谢组为代表的大多数 IHD 升级特征在代谢异常时表现出初始消耗，在 IHD 诊断后继续消耗。比如一些复杂的磷脂、麦角硫因等。而谷胱甘肽代谢和氧化应激标志物反而增加。同样，在本研究中，在ACS和HF患者中也观察到麦角硫因循环水平相对于HCs呈现降低趋势。

相比之下，从代谢障碍到IHD，4-甲酚与苯乙酰谷氨酰胺表现出富集模式。研究发现表明，这些代谢物是早期干预的关键目标。特别是甲酚，其在ACS和CIHD中做为升级特征出现。同时，它也是心衰患者的血液中最重要的标志物之一。

大多数DSCFs在代谢障碍阶段表现出初始消耗的模式，但在IHD治疗阶段表现出明显的逆转.该结果可能表明微生物组和代谢组特征对长期多因素治疗的反应，似乎有助于IHD的稳定。此外，实现稳定的 IHD 状态似乎涉及恢复失去的肠道微生物细胞密度以及降解 BCAA 和半乳糖的能力，同时恢复丁酸盐和乙酸生产能力。

图3. 横断面研究中用于微生物组和代谢组特征分类的方法

图4. 与IHD及其代谢障碍阶段的菌群和代谢特征

5. IHD亚表型的微生物组和代谢组标记物

与对照组相比，各IHD亚组中CIHD的典型特征总数最高，其次是HF和ACS。CIHD在肠道微生物组功能方面表现出最大的差异变化，而ACS在代谢组特征方面表现出主要的差异变化。通过IHD与HC的比较表明与代谢功能障碍有关的菌群紊乱可能发生在IHD的各个阶段。

在考虑 ACS 特有的代谢组标志物时，前 10 位代谢物中有8个是与阿司匹林、美托洛尔和阿托伐他汀有关的药物分析物或药物代谢物。促炎代谢物以及菌群-宿主苯丙氨酸共代谢产物有所增加，其次是吲哚硫酸和 TMA，与已确定的IHD的总体特异性特征一致。一些ACS特异性消耗代谢物在IHD中的含量较低，如α-生育酚等。

CIHD和HF分别发现了19个和31个特异性标志物，表明在IHD的慢性期微生物菌群就发生了变化。大多数CIHD特异性特征在对照组中更丰富。特别是微生物菌群的氨基酸生物合成的能力，包括BCAA、蛋氨酸和赖氨酸。类似地，苯乙酸代谢物丰度的增加反映了芳香族氨基酸苯丙氨酸和酪氨酸的降解增强。此外，在CIHD中，多种肉碱的丰度均有所升高。

一些代谢物，如：4-甲酚、4-甲酚硫酸盐、TMA以及一些肉碱等表现出HF特异性富集。而某些代谢物，如α-生育酚等，表现出HF特异性消耗。这些发现表明了脂肪酸代谢的改变，其在HF发病机制中起关键作用。

图5. IHD及其亚型的代谢组和微生物组特征发生独特改变

6. 临床亚组分类

通过O-PLS-DA模型将MetaCardis研究人群随机分为70%和30%，使用前者进行训练，后者进行测试；在所有病例中，特异性组学标记物在测试集中产生的曲线下面积(AUC)值均大于0.7，并且高于临床标记物，特别是相对于MMC组的分类。

为了进一步验证我们的分类模型，我们利用了另一套独立数据集，重点关注ACS亚组，以匹配研究样本的病理。两项研究中的ACS特异性代谢组学标记物高度相关，证实了在两项研究中观察到类似的变化，并验证了大部分ACS特异性代谢组特征。基于ACS特异性代谢组标记物的临床变量的模型明显优于单独基于临床变量的模型。总之，该研究证实了校正混杂因素后，微生物组和代谢组标记物在临床环境中的鉴别潜力的稳健性。

图6. ACS标志物的验证

总结讨论

本研究对健康和患病个体进行微生物组及代谢组分析发现，在调整药物和生活方式的影响后，将 IHD 个体与健康个体区分开来的约 75% 的微生物组和代谢组特征存在于表现出代谢障碍的个体中，表明肠道微生物组和代谢组的重大改变可能在IHD临床发作之前很久就开始了。此外，本研究还对于IHD及其亚型代谢异常、升级、降级相关的微生物组和代谢组特征进行分类，并指出这些特征的病理生理学相关性，此可能为未来研究预防IHD的机制做贡献。