用户文章|IF=10，代谢组+微生物组联合揭示黄酒多酚化合物对心脏的保护作用|代谢组专题
期刊名称：Circulation: Heart Failure
影响因子：10.477
发表时间：2021年10月
发表单位：绍兴学院
所用组学：非靶代谢组+16S rDNA
今天这篇文章通过代谢组和16S rDNA测序技术解析了黄酒多酚化合物（YWPC）对阿霉素（DOX）诱导的心脏毒性具有肠道微生物依赖的保护作用机制。本文是由绍兴学院发表，下面是对本文的详细解读。
一、背景介绍
膳食多酚有助于预防心血管疾病，已知多酚与肠道菌群之间存在相互作用关系。在本研究中，作者推测肠道微生物介导的代谢物调节可能有助于YWPC在DOX处理大鼠中的抗心脏毒性作用。
二、研究结果
采用高效液相色谱法对黄酒中提取的YWPC进行色谱分析，YWPC包括没食子酸、表儿茶素、阿魏酸、槲皮苷、槲皮素、山奈酚、绿原酸、丁香酸和其他未定义的多酚。超声心动图结果显示，YWPC对DOX诱导的左心室射血分数降低、左心室缩短分数和左室后壁厚度增加均有显著改善作用（图1B至1E）。DOX组大鼠乳酸脱氢酶和肌酸激酶水平显著高于对照组；YWPC处理显著改善了DOX的这种效应。随后的Masson染色和WGA（麦胚凝集素）试验结果显示，DOX诱导胶原沉积和心肌肥厚，而YWPC显著减少胶原沉积和心肌细胞大小。
然后作者评估了线粒体结构和代谢是否参与了YWPC的保护作用。首先，作者发现YWPC能有效防止DOX诱导的心肌凋亡（图1F和1G）。随后，透射电镜结果显示DOX对线粒体造成了结构性损伤，其表现为线粒体嵴损伤。YWPC治疗显著减轻DOX诱导的线粒体损伤（图1H）。在线粒体功能方面，作者通过测定分离的新鲜线粒体耗氧量来检测大鼠心脏线粒体呼吸。III状态呼吸水平、呼吸控制率、ADP/O和ATP明显降低，而DOX治疗对IV状态呼吸几乎没有影响（图1I到1M）。然而，YWPC治疗可显著改善心脏线粒体功能的损伤。综上所述，YWPC可抑制DOX诱导的心肌细胞凋亡和线粒体功能障碍。
图1：YWPC通过线粒体途径对DOX诱导的心功能障碍具有心脏保护作用。
用ELISA试剂盒检测心脏促炎细胞因子分泌。DOX组TNF-α、TNF-β1、IL-1β、IL-6、IL-8水平均显著高于对照组。然而，YWPC治疗几乎完全抵消了显著升高的促炎细胞因子水平，除了IL-8外，显示出强大的抑制促炎细胞因子产生的能力。
为了探究肠道菌群在DOX诱导的心脏毒性中的潜在作用，以及YWPC对菌群组成的调节作用，作者对DOX或YWPC治疗的大鼠粪便进行了16S rDNA测序。结果显示，所有样品之间的物种丰度和均匀度没有显著差异（图2A）。DOX处理大鼠的细菌物种丰富度低于对照组。但从Chao1指数可以看出，DOX+YWPC组的细菌物种丰富度高于DOX组（图2B）。然而，尽管DOX治疗导致Shannon指数较低，但DOX+YWPC组的Shannon指数并不高（图2C）。主成分分析显示，在DOX、YWPC或两者治疗的大鼠中，微生物群组成有明显的聚类（图2D）。这些结果表明YWPC可以改善DOX对细菌菌群的影响，保留细菌组成，从而保护心脏。
图2：YWPC对DOX诱导的大鼠肠道菌群失调有抑制作用
为了确定不同条件下存在的特定细菌类群，采用线性判别分析效应量对各组菌群组成进行比较。分叶图显示，4个试验组共存在35个类群（图3A），各组间肠道菌群组成差异显著。此外，通过线性判别分析确定了DOX与对照组差异显著的主要类群（图3B，C）。
图3：4组肠道菌群LEfSe判别分析及功能预测。
为了揭示与DOX诱导的心脏毒性相关的肠道微生物组的代谢表型，作者对DOX处理大鼠的血清进行了代谢谱分析。主成分分析显示，4组间血清代谢物差异有统计学意义（图4A，B）。差异代谢物功能富集分析显示，DOX和YWPC处理显著影响了12种生物途径，包括花生四烯酸代谢、血清素能突触功能和亚油酸代谢等（图4E，4F）。作者进一步分析了花生四烯酸代谢、亚油酸代谢和色氨酸代谢等微生物代谢产物的优先定义子集，以研究YWPC治疗、肠道菌群和代谢组之间的直接联系。花生四烯酸、二十二碳五烯酸、二十二碳六烯酸、前列腺素A2、前列腺素B2、血栓烷B2、环氧二碳三烯酸、12-DHET、20-HETE、白三烯E4和白三烯B4在DOX处理后明显升高，但当YWPC与DOX同时处理时，这种作用发生逆转。此外，作者还发现，与对照组相比，YWPC治疗可有效控制DOX诱导的亚油酸代谢失调。
图4：YWPC对DOX处理大鼠血浆代谢物谱的调节作用
作者进一步通过基于Pearson相关系数的分析探讨了肠道菌群紊乱与循环微生物相关代谢产物之间的功能相关性，结果显示几种特定肠道细菌与典型代谢产物之间存在较强的相关性（图5）。例如，α-亚麻酸、血清素、色氨酸、吲哚乳酸和吲哚-3-丙酸与Bacteroidetes呈正相关，与Proteobacteria呈负相关。花生四烯酸代谢物大部分与变形菌门呈正相关，与拟杆菌门呈负相关。亚油酸代谢物和色氨酸代谢物与Muribaculaceae_unclassified、Rikenellaceae_RC9_gut_group和Ralstonia呈正相关，与Allobaculum、Dubosiella和Escherichia-Shigella呈负相关。这些数据表明肠道细菌组成和血清微生物相关代谢物之间存在潜在的相关性。
进一步的作者建立了心脏毒性标记物和肠道细菌之间的相关性与显著改变属水平丰度。Spearman相关分析显示，大部分花生四烯酸代谢物水平与促炎细胞因子和心脏损伤标志物水平呈正相关，与心功能标志物水平呈负相关。同时，亚油酸代谢物和色氨酸代谢物水平与促炎细胞因子和心脏损伤标志物的变化呈负相关，与心功能标志物呈正相关（图5D）。
图5：肠道菌群、代谢物和代谢参数的相关性分析
为了进一步证实ywpc诱导的肠道菌群调节是否对抗心脏毒性作用至关重要，作者使用4种广谱抗生素的混合物来抑制或清除DOX处理大鼠的大部分肠道微生物。结果表明，抗生素的使用可以有效地消除YWPC引起的肠道菌群的改变（图6）。
为了确定YWPC对DOX介导的心脏毒性的作用是否依赖于肠道菌群，作者评估了DOX+Abs组的心功能和线粒体损伤。超声心动图显示DOX+Abs组左心室射血分数和左心室缩短分数较DOX组低，左室后壁较DOX组厚。抗生素的加入部分消除了YWPC对心功能的保护作用（图7A至7C）。苏木精、伊红和Masson染色显示，抗生素治疗加重了心脏损伤和胶原蛋白积累，显著削弱了YWPC的心脏保护作用（图7D和7E）。作者还发现DOX+Abs组的心脏凋亡率高于DOX组，而DOX+YWPC+Abs组比DOX+YWPC组低（图7F和7G）。透射电镜结果显示，抗生素治疗加剧了线粒体的结构损伤，并抵消了YWPC对DOX诱导线粒体损伤的保护作用（图7H）。这些结果与以往的研究结果一致，表明YWPC的抗心毒性作用是由肠道菌群介导的。
图6：添加抗生素显著影响了肠道菌群
图7：抗生素治疗消除了YWPC介导的对DOX诱导心脏毒性的保护作用
Guo HY, et al. Yellow Wine Polyphenolic Compound Protects Against Doxorubicin-Induced Cardiotoxicity by Modulating the Composition and Metabolic Function of the Gut Microbiota. Circ Heart Fail. 2021;14:e008220.
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