nature子刊：用血液预测个体肠道微生物多样性
9月2日，西雅图Systems Biology研究所的科学家在《Nature Biotechnolog》报道，通过检测血液中的代谢物，能够预测个体的肠道微生物多样性。
研究人员对399个健康人队列、约1000个血液分析物（实验室测试、蛋白质组学和代谢组学）中发现：肠道α多样性中45%的变异，可由40种血浆代谢物解释。
并且，这40种代谢物的预测能力已在另一个540人的队列中成功验证。
研究表明，识别个体的肠道多样性，也许将能通过快速、廉价和可靠的血液检测来完成。
血液代谢组预测香农多样性（一种肠道α多样性指标）
研究名称：Blood metabolome predicts gut microbiome α-diversity in humans
期刊：NATURE BIOTECHNOLOGY
发表时间：2019年9月2日
IF：31.864
DOI:10.1038/s41587-019-0233-9
肠道α多样性是一个用来衡量个体内肠道菌群多样性的概念，而香农多样性（Shannon Diversity）则是最常见的肠道α多样性指标。
一般来说，与健康人相比，存在肠道感染（IBD、艰难梭菌感染等）、肥胖、喜欢吃加工食品的人，香农多样性就较低——也就是说，肠道不太健康。
香农多样性也有阈值。过往有报告称，超出这个阈值的多样性或对健康不利（比如，便秘与较高的香农多样性有关）。
然而，定义这种“健康”阈值的前提，需要大量的数据。
“如果没有关于宿主健康和微生物组分的详细信息，很难去定义一个健康的肠道微生物组”，作者之一、ISB副主任Nathan Price博士说。
两位联合作者：Nathan Price博士（左）和Sean Gibbons（右）博士
虽然粪便代谢物更能反映微生物群的直接代谢产物，但Price等人的研究表明，血液代谢物同样提供了一个“窗口”：宿主-微生物群的互作，也反映在血液中的少数小分子上。
40种代谢物和11种最强代谢物预测因子
为了预测肠道α-多样性，Systems Biology研究所的科学家们使用一个名为“LASSO”、可对40种循环血液代谢物进行训练的模型。在399个美国健康成年人队列中，针对约1000个血液分析物进行了实验室测试、蛋白质组学和代谢组学分析。
他们发现，40种代谢物对香农多样性有很强的预测能力，它们主要属于异生物素、脂质和氨基酸超家族，解释了平均45%的变异（如下表）。
其中，11种宿主与微生物的共同代谢物拥有最强的预测能力，有可能作为肠道微生物多样性的生物标记物（下表加粗部分），在临床中用于肠道多样性低的患者分类，而这些人可能是艰难梭菌的易感人群。
40种代谢物清单
11种最强代谢物预测因子与10个最丰富微生物属的相关性
为了证实这些预测因子的效力，研究小组还在另一个540人的队列中进行了验证。这支队列也成功确认了上述已鉴定代谢物和肠道微生物多样性之间紧密关系。
“快速确定患者肠道微生物群多样性的能力很重要。因为肠道多样性的耗尽，是常见院感（如艰难梭菌感染）的危险因素”，Price说。
除此之外，还有一些重要发现
1.现有的临床血检不能预测α多样性
在研究小组的实验中，没有临床分析物能够单独解释香农多样性中超过6%的变异，代谢健康标志物（脂蛋白胰岛素抵抗LPIR评分、甘油三酯和胰岛素）在所有分析物中排名最高。
相比之下，BMI单独解释了香农多样性的7.5%的变异，比任何单一临床分析物都要大。
2.这种预测能力对极度肥胖人群无效
肥胖一直与代谢紊乱以及血液代谢组的实质性变化有关。存在一些研究报告，与正常体重者相比，肥胖者的香农多样性降低。
研究小组证实了这一结论，他们发现，随着BMI的增加，肠道α多样性的三个指标都显著降低。而且，那些更胖（二级和三级肥胖）参与者也表现出更大的β分散，说明他们的肠道微生物群稳定性更差。
但是，通过对BMI更细的分层，研究人员发现：不同BMI等级的血浆代谢组和微生物组多样性之间的联系是不同的——特别是，性类固醇5α-雄甾烷-3β-17α-二醇二硫酸盐作为香农多样性最强的预测因子之一，在更胖的志愿者者中与香农多样性无显著相关性。
ISB的助理教授、论文的合著者Sean Gibbons博士说：“对病态肥胖参与者预测能力的丧失，表明他们可能处于不同的代谢状态，这可能是因为存在炎症或肠漏”。
更多样的肠道微生物群，通常被认为更为“健康”。然而，微生物群落结构与人类健康之间的联系可能高度复杂，关联因素可能包括饮食、行为、病原体接触、抗生素暴露、遗传学和其他因素。
总的来说，这项研究将宿主代谢组描述为肠道生态系统与人类健康之间的重要交互媒介，报告了血液代谢组可用于预肠道α多样性的证据。
Systems Biology研究所的专家们认为，下一个合乎逻辑的步骤似乎是：开发一种临床血液测试，可快速对肠道微生物多样性低的患者进行分类。
封面图源 Kateryna Kon/Shutterstock
相关阅读
【文献汇编】艰难梭菌感染外，粪菌移植适应症的当下和未来
【文献汇编】80%住院患儿会出现抗生素相关腹泻，但被推荐用于治疗的益生菌只有两种
【研究解读】Cell子刊500份大便样本分析：每个人的肠道菌对食物的反应不一样
【研究解读】Nature重磅：全面解读人类微生物组计划第二阶段，详解微生物群在妊娠和早产、炎症性肠病、Ⅱ型糖尿病中的作用
【研究解读】麻省研究：改变肠道微生物组成的“功臣”是膳食纤维
【研究解读】两篇Science同期重磅：营养不良儿童的肠道菌群重建