用户文章∣代谢组+微生物揭示中国地方性骨关节炎大骨节病患者肠道菌群和代谢物的变化-代谢组学专题

文章标题：Alterations in the gut microbiota and metabolite profiles of patients with Kashin-Beck disease, an endemic osteoarthritis in China

发表期刊：Cell Death& Disease

影响因子：9.685

所用组学：16S、宏基因组、代谢组

样本类型：32名大骨节病患者，35名健康对照

前言

大骨节病 (KBD) 是一种地方性退行性骨软骨病，具有不可逆的病理和临床发展，包括手指缩短和增大、四肢关节变形和活动受限。越来越多的证据表明，KBD患者的软骨损伤是由遗传和环境因素之间的相互作用驱动的。最近，有研究指出肠道微生物组组成和代谢活动的变化可以改变免疫反应和代谢物水平，导致持续的低度炎症会导致软骨损伤和虚弱。

因此，微生物组在软骨健康中的作用现在被认为很重要，对这种新的软骨-肠道-微生物组轴的研究无疑将为KBD等关节疾病带来新的治疗选择。研究表明，多种微生物代谢物可能会影响骨软骨疾病的发展，表明多样化的肠道微生物组可能会影响肠道微生物与其宿主之间代谢关系的改善。

肠道微生物群易位可能发生在软骨下骨髓和软骨更深的区域，膳食和宿主营养物质呈现的复杂化学物质可以转化为代谢物。这些代谢物可以通过影响软骨代谢发挥毒性或损伤功能，例如通过在软骨细胞中逐渐产生低度炎症。上述肠道微生物群向软骨下骨髓/软骨深层的短暂易位也可能有助于解释KBD的发病机制。

结果

01KBD 患者肠道菌群组成的变化

为了评估与 KBD 相关的肠道微生物组的特征，比较了KBD受试者和正常对照之间的 α多样性和β多样性。香农指数、观察物种指数和Chao1指数在统计学上没有显着差异（图1）。维恩图显示了 KBD 组中的 2987 个独特特征和正常对照组 (NC) 组中的 2229 个独特特征。两组共有 1205 个特征，使用主坐标分析（PCoA）来研究两组之间微生物群落的相似程度。

在KBD组和NC组中，进行微生物分类群分配，以评估在门水平上优势类群的相对比例。每组样本的肠道微生物区系都有相当大的变异性。每组共鉴定出18个门。大骨节病组和正常对照组的特征分别占45.88%和65.06%，是最主要的类群。此外，与NC组相比，大骨节病组的放线杆菌(25.66%比24.78%)和类杆菌(21.18%比7.98%)更丰富

图1 肠道微生物群多样性和结构分析

作者进行了线性判别分析(LDA)和效应大小(LEFSE)相结合的方法来生成分支图，以识别与KBD有关的特定细菌。LDA分布图分析(LDA评分>3)显示，KBD组的微生物区系发生了明显的变化，其特征是类杆菌和普雷沃特氏菌9水平较高。然而，KBD组的Firmiuments水平显著降低。KBD组以别杆菌属、Robinsoniella、Megamonas、Eschericia_Shigella较丰富，而NC组以Clostridium_senu_Stricto_1、Agathbacter、Coprorics_3、Fusicatenibacter、Lachnospira、Roseburia、Faecaliba、Ruminiodiccaceae_UCG_013、Ruminiods_2、Subdoliganulum较丰富。

图2 肠道微生物组差异和功能分析
02

肠道菌群生物标志物在 KBD 风险评估中的潜在作用

作者进行了基于不同丰富属的随机森林模型，以检测几个潜在的诊断生物标志物，这些标志物可以用来预测KBD和NC组。最优模型利用了20个属，提供了最好的判别力(图2C)。根据上述分析，KBD患者和正常对照人群的微生物群落分布存在显著差异。然后，为了探索识别的细菌生物标志物在区分两组(KBD和NC)方面的潜在价值，制作了受试者工作特征(ROC)曲线，并计算了曲线下面积(AUC)值。AUC值最高的3种细菌分别为：假单胞菌3型(80.40%)、嗜酸杆菌属(78.57%)和根状芽孢杆菌(78.39%)

03

宏基因组测序显示 I 级和 II 级 KBD 和 NC 组之间存在显着差异

对16名I级KBD、16名II级KBD和35名NC受试者的粪便样本进行宏基因组测序。Ⅰ级KBD组样本中含有15467个特定基因，而KBDⅡ级组样本中发现了9879个特定基因。与 I 级和 II 级 KBD 样本相比，NC 组的样本分别包含 16,069 和 21,657 个特定基因。与 NC 组相比，在I级KBD组中鉴定出101,153个差异表达的unigenes（11,655 个上调和 89,498 个下调的 unigenes），在II级KBD组中鉴定出60,925个差异表达的unigenes（5199 个上调和 55,726 个下调的 unigenes）。在I级和II级KBD组之间共鉴定出 21,875 个差异表达的 unigenes（11,643 个上调和 10,232 个下调的 unigenes）。

根据香农指数、观察物种指数、辛普森指数和 Chao1 指数，I 级和 II 级 KBD 组的 α 多样性显着低于 NC 组。基于 Bray-Curtis 距离矩阵PCoA 揭示了 I 级和 II 级 KBD 和 NC 组在物种水平上微生物组成的显着差异。

图3 基于宏基因组测序数据的 I、II 级 KBD 和 NC 组的肠道微生物群差异
04

代谢组学分析显示 I 级和 II 级 KBD 患者的异常代谢改变

确定了 KBD 和 NC 组之间的 178 个差异调节代谢物 (DRM)，I 级 KBD 和 NC 组之间的 285 个DRM，II 级KBD 和 NC 组之间的 191 个 DRM，以及 I 级 KBD 和 II 级 KBD 之间的 305 个DRM组。DRM 被映射到差异丰富的 KEGG 代谢途径，包括不饱和脂肪酸的生物合成（4 种代谢物）、甘油磷脂代谢（3）和亚油酸代谢（2）。根据上述DRM和差异 KEGG 代谢途径，本研究中脂质和脂质样分子的代谢差异最为显着，这表明 KBD 患者可能发生脂质紊乱。使用 Spearman 相关和相关网络分析创建相关矩阵，以探索肠道微生物组变化与代谢产物之间的潜在关系。在 I 级 KBD 和 NC 组中，二十二碳五烯酸、棕榈酸、γ-亚麻酸、油酸和 (E)-13-hydroxy-10-oxo-11-octadecenoic 酸等不饱和脂肪酸的含量，与蒙大尼类芽孢杆菌的丰度呈负相关，与布氏布氏布氏杆菌的丰度呈正相关。

图4 与正常对照相比，KBD（I 级和 II 级）的异常代谢模式

结论

从 KBD 患者和正常对照 (NC) 收集的粪便和血清样本使用 16S rDNA和通过液相色谱-质谱 (LC/MS) 进行的代谢组学测序来表征肠道微生物群和代谢物。为了确定物种水平的肠道微生物变化是否与 KBD 患者肠道细菌的基因或功能相关，对来自 I 级 KBD、II 级 KBD 和 NC 受试者的粪便样本进行了宏基因组测序。微生物组学分析得知，KBD受试者中大多数差异丰富的物种属于普氏菌属。血清代谢组学分析确定了参与脂质代谢代谢网络的 I 级和 II 级 KBD 和 NC 组中的一些差异丰富的代谢物，例如不饱和脂肪酸和甘油磷脂的代谢物。此外，作者发现代谢物水平的这些差异与特定物种丰度的改变有关。本文提供了KBD 患者肠道微生物群和代谢物的综合概况，并为肠道微生物组和代谢组在 KBD 发病机制中的新相互作用提供了大量证据。

参考文献

Wang X, Ning Y, Li C, et al. Alterations in the gut microbiota and metabolite profiles of patients with Kashin-Beck disease, an endemic osteoarthritis in China. Cell Death Dis. 2021;12(11):1015. Published 2021 Oct 28. doi:10.1038/s41419-021-04322-2

相关阅读

点击下方图片进入云平台资料汇总：

所见即所得，绘图高规格联川云平台，让科研更自由