血液循环微生物特征与代谢疾病及其缓解相关 | 血液微生物组

论文标题：Circulating bacterial signature is linked to metabolic disease and shifts with metabolic alleviation after bariatric surgery刊登日期：2021年06月发表杂志：Genome Medicine影响因子：15.27技术手段：16S rRNA基因测序



（一）研究背景
微生物组已成为导致肥胖和2型糖尿病（T2D）的重要环境因素，循环微生物的组成与心脏代谢疾病和代谢干预响应之间存在联系。然而，是否存在与肥胖相关的血液细菌特征，以及减肥手术后体重减轻和代谢缓解后血液细菌特征是如何动态变化的却鲜有报道。

（二）研究发现

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血液核心细菌特征

图1 血液核心细菌特征

为探究与肥胖和糖尿病缓解相关的细菌特征，并描述出细菌在减肥（体重减轻）后和代谢缓解后的潜在动态变化。作者从62名受试者中过滤掉没有随访信息的受试者，最终选择48名受试者（24名T2D患者，24名健康对照NGT），在减肥手术前及减肥手术后3个月和12个月收集每个时间点受试者的全血样本检测相应临床生理指标。作者通过16S rRNA基因测序（设置阴性对照以去除污染菌）从全血样本中检测到的关键菌门：变形菌门（Proteobacteria）、厚壁菌门（Firmicutes）、髌骨细菌门(Patescibacteria)、蓝藻门（Cyanobacteria）和放线菌门（Actinobacteria）；最丰富的菌属是来自三个优势菌门的Aliterella、厌氧芽孢杆菌（Anoxybacillus）、乳酸杆菌（Lactobacillus）和鞘氨醇单胞菌（Sphingomonas）(图1A)。另外在每个时间点都具有由10个门和120个属组成的核心细菌特征，其总体丰度超过10%(图1B-C)。

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血液细菌特征可区分MetS患者

图2 血液细菌特征衍生的MetS分类指数由于MetS状态与细菌组成显著相关，作者进一步探究血液细菌组成是否可以预测MetS。作者对属和门水平的丰度(20个门和314个属)采用随机森林建立分类指标(MetS-I_genus和MetS-I_phylum)，在属水平上的表现优于门水平(AUC_genus = 0.816和AUC_phylum = 0.740)(图2A-D)。基线期时属和门水平的MetS-I与所有时间点的肥胖、内脏脂肪分布、HOMA-IR和炎症相关的几个标志物相关，但与血液中细菌DNA负荷呈负相关。与宿主变量相关性最大的是MetS-I_genus，它与肥胖和胰岛素抵抗相关的人体测量标志物(如总脂肪量、腰围)呈正相关；与白细胞数量、炎症反应指标以及与肥胖和HOMA-IR相关的代谢标志物呈正相关；MetS-I_genus进一步与血脂异常和高血压相关，与甘油三酯水平和抗高血压药物数量呈正相关，而与高密度脂蛋白胆固醇呈负相关。MetS-I_genus和MetS-I_phylum均与细菌数量呈负相关(图2E-F)。
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T2D患者的健康相关菌属减少图3 T2D患者的健康相关菌属减少细菌α多样性分析表明基线期时T2D患者(n = 24)的丰富度明显低于对照组(n = 24)(图3A)。与对照组相比，T2D与几个属的显著变化相关：在基线期时，在T2D中发现Anoxybacillus、杜檊氏菌（Duganella）、Acidibacter、金黄微杆菌（Chryseomicrobium）以及Sphingomonas的丰度显著降低(图B)。基线期与在12个月之间，T2D患者和对照组之间的ASV丰度无显著差异，但T2D患者和对照组之间的差异似乎在逐渐转移。基线期和3个月T2D患者中的Sphingomonas丰度降低，而3个月和12个月T2D患者中主要特征是假单胞菌（Pseudomonas）减少。T2D患者中一些减少的属与代谢疾病和炎症标志物呈负相关，如在基线期时分别与白细胞数量和血压呈负相关的Anoxybacillus和Sphingomonas等(图C)；在第3和12个月时T2D患者中Sphingomonas与BMI呈显著的正相关，Acidibacter与血脂和血压呈显著的正相关(图C）。
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减肥手术后体重减轻和葡萄糖代谢的差异反应

表1 研究队列在减肥手术前、3个月和12个月的临床和生物学特征

T2D减肥手术后3个月对BMI、身体成分(腰臀比、总脂肪量和内脏脂肪比例)、代谢和炎症有显著影响(表1)。基线期24名T2D患者经过减肥手术3个月后仍有9名患者仍是T2D患者,在 12个月后仍有4名是T2D患者。减肥手术12个月后无T2D的患者中存在8例空腹血糖受损，因此在减肥手术后被视为T2D没有缓解的受试者。

在48名随访数据完整的受试者中，24名受试者被归为良好应答者(即在12个月内减掉超过60%的BMI)，13名受试者被归为不良应答者。不良应答者不仅体重减轻较少，而且在脂质代谢、HOMA-IR或炎症方面等改变较少。

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减肥手术后T2D患者的血液细菌负荷减少得到改善

图4 减肥手术后T2D患者的血液细菌负荷变化

在基线期、减肥手术后3个月和12个月受试者的144份全血样本中，有127份血液样本可检测到细菌DNA, 200 μl血液中的细菌DNA含量为4.63 - 140.4 fg(中位数为21.6 fg)。尽管使用相同的程序和相同的试剂盒，但样品之间提取的DNA总量差异很大，从12.7到98.2 ng 总DNA/μl血液。阴性对照组中检出的细菌DNA是每µg总DNA中有0.162 pg，总DNA量不超过1.2 ng/μl，导致细菌DNA总量低于1.5 fg(中位数= 0.4 fg)。综上，基线期时血液细菌负荷与细菌丰富度呈正相关(图4A)，与白细胞呈负相关(图B)，基线期时T2D患者显示出较低的细菌数量(图4C)。

减肥手术后3个月，血液细菌载量下降，但在手术后12个月显著增加(图4D)，评估相关生理指标与基线时的T2D状态无关。根据减肥效果，受试者被评为“良好应答者”和“不良应答者”，两者在基线时显示出相似的血液细菌载量（图4E)。另一方面，不良应答者的细菌多样性在3个月时出现短暂的显著下降，但在12个月恢复到基线水平，而良好应答者持续且显著地减少(图4F)。

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减肥手术后受试者代谢能力改善伴随着微生物差异丰度的早期变化

图5 受试者微生物丰度差异

除血液细菌负荷随时间的变化外，整个队列的菌属发生了显著且相似的变化。与基线相比在减肥手术后的第3个月至12个月下降的属有Anoxybacillus、根瘤杆菌属（Rhizobacter）、Sphingomonas、不动杆属菌（Acinetobacter）、颗粒链菌（Granulicatella）、Pseudomonas。比较在12个月和基线期时的细菌易位显示，大多数在减肥手术后3个月观察到的细菌在12个月仍有保留(图5A)。

减肥手术后的T2D症状缓解与伯克霍氏菌（Burkholderiacae）、韦荣氏球菌（Veilonellaceae）、乳酸杆菌（Lactobacillaceae）比例显著降低及红杆菌（Rhodobacteraceae）和 Pseudomonales比例增高相关(图5B)。此外，减肥手术后变化的属与代谢控制密切相关：减肥手术后丰度较低的属（Anoxybacillus, Rhizobacter和Sphingomonas等）与总脂肪量和内脏脂肪量、BMI和（C-反应蛋白）CRP显著正相关。上述菌属与HOMA-IR、抗糖尿病药物数量、尿酸、甘油三酯、低密度脂蛋白胆固醇等代谢控制标志物均呈显著正相关(图5D)。在减肥手术后丰度较高的属中，CM1G08和Acinetobacter与肥胖、代谢性疾病和炎症等标志物呈负相关，而与低密度脂蛋白胆固醇和血液细菌数量呈正相关。 

与基线期相比，Granulicatella在减肥手术后12个月的含量更高，而GM1G08和Acinetobacter的增加随减重时间增加(图5A)，且与炎症、甘油三酯、HOMA-IR和脂多糖结合蛋白（LBP）呈负相关(图5D)。良好应答者在所有时间点的链球菌（Streptococcaceae）、Burkholderiacae、 Rhodobacteraceae、芽孢杆菌（Bacillaceae）的丰度增加，在反应良好和经历T2D缓解的受试者中与良好健康代谢呈正相关(图5B-D)。最后，作者通过荧光原位杂交技术（CARD-FISH）进一步证实了减肥手术后血液中存在活细菌。

（三）研究总结

   该研究发现血液循环微生物特征能够反映代谢疾病及其在减肥手术后的改善情况，为深入探索健康和促进疾病发生发展奠定基础。

（1）血液细菌特征与代谢健康有关，基于血液中检测到的菌门和菌属计算的评分可较准确地区分代谢综合征患者与非代谢综合征患者；

（2）T2D患者的血液细菌负荷降低，且健康相关菌属减少；

（3）减肥手术后的体重减轻和代谢改善与健康相关菌属的早期稳定增加相关

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