文章標(biāo)題：Mapping the?early life gut microbiome in?neonates with?critical congenital heart disease: multiomics insights and?implications for?host metabolic and?immunological health
發(fā)表期刊：Microbiome
影響因子：16.837
作者單位：中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院阜外醫(yī)院和上海交通大學(xué)附屬上海兒童醫(yī)學(xué)中心
百趣提供服務(wù)：非靶向代謝組學(xué)，短鏈?脂肪酸
代謝組學(xué)
生命早期定植的腸道微生物群對宿主整個(gè)生命過程中的代謝和免疫穩(wěn)態(tài)影響深遠(yuǎn)。嚴(yán)重先天性心臟病(critical congenital heart disease, CCHD)的新生兒存在營養(yǎng)不良和免疫失衡的重大風(fēng)險(xiǎn)，但這與腸道微生物的關(guān)聯(lián)仍不清楚。本研究對45名患有重癥先天性心臟病(CCHD)新生兒和50名健康對照(Healthy control group, HC)的糞便樣本進(jìn)行深度宏基因組測序和代謝組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)CCHD新生兒腸道菌群失調(diào)，表現(xiàn)為雙歧桿菌耗竭、腸球菌過度生長，并與代謝紊亂高度相關(guān)；雙歧桿菌和腸球菌的遺傳變異導(dǎo)致CCHD代謝紊亂；以長尾噬菌體為代表的溫和噬菌體病毒組通過改變菌群的適應(yīng)性塑造腸道細(xì)菌組成；腸球菌的過度生長通過代謝物介導(dǎo)CCHD的腸道屏障損傷和炎癥反應(yīng)，并與全身炎癥和手術(shù)預(yù)后不良相關(guān)。研究表明重建最佳的腸道菌群對維持CCHD患兒的代謝和免疫平衡或有重要意義。
研究結(jié)果
1代謝組學(xué)分享-基線特征
本研究納入了45例診斷為CCHD的足月新生兒和50例按年齡和性別相匹配的健康對照組，在出生體重、分娩方式和母乳喂養(yǎng)狀態(tài)等方面均無明顯差異。
圖1. 研究隊(duì)列登記的流程圖
表1. 研究隊(duì)列特征統(tǒng)計(jì)
2代謝組學(xué)分享-腸道細(xì)菌的差異
作者對兩組的腸道細(xì)菌組成和多樣性進(jìn)行了分析（宏基因組），發(fā)現(xiàn)與HC相比CCHD組的α-多樣性顯著增加xq（圖2A）。主坐標(biāo)分析(PCoA)也表明兩組之間存在明顯的分離。腸型分析發(fā)現(xiàn)了基于腸球菌屬（腸型1）和雙歧桿菌屬（腸型2）的兩個(gè)集群（圖2C-E）。HC組以雙歧桿菌為主，而CCHD組以腸球菌為主。
圖2. CCHD患者和HC的腸道細(xì)菌特征
3代謝組學(xué)分享-溫和噬菌體與CCHD早期生命細(xì)菌擾動(dòng)有關(guān)
腸道病毒的α-多樣性與科水平的PCoA也顯示了兩組間有明顯的差異。其中，長尾噬菌體被認(rèn)為具有介導(dǎo)細(xì)菌之間的基因轉(zhuǎn)移并與宿主共同進(jìn)化的能力。作者從CCHD組中提取了腸球菌衍生的噬菌體序列，并使用Pfam數(shù)據(jù)庫注釋了基因功能。56%的注釋閱讀框被歸類為轉(zhuǎn)座酶、噬菌體整合酶和與轉(zhuǎn)錄調(diào)控和分解代謝相關(guān)的酶基因（包括轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子、甲基化酶、水解酶、肽酶和糖苷酶；圖3E），表明溫和噬菌體可以廣泛影響其細(xì)菌宿主的遺傳組成和代謝特征。相關(guān)性網(wǎng)絡(luò)（圖3J）展示了糞腸球菌與噬菌體之間存在正相關(guān)關(guān)系。
圖3. 細(xì)菌-噬菌體關(guān)聯(lián)分析
4代謝組學(xué)分享-腸道微生物組與糞便代謝組之間的系統(tǒng)相互作用
非靶向代謝組學(xué)共鑒定了748種代謝物。與HC組相比，CCHD組有36種代謝物的上調(diào)和84種代謝物下調(diào)，主要涉及硫胺素代謝，亞油酸(LA)代謝，不飽和脂肪酸的生物合成，半乳糖代謝、苯丙氨酸代謝、酪氨酸代謝、花生四烯酸代謝和膽汁酸生物合成（圖4）。Spearman相關(guān)性網(wǎng)絡(luò)圖表明雙歧桿菌屬與氨基酸和碳水化合物代謝的糞便代謝物正相關(guān)（圖5）。
圖4. 腸道微生物特征以及與糞便代謝物的關(guān)聯(lián)
圖5. 腸道細(xì)菌與糞便代謝物的共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖
5代謝組學(xué)分享-微生物豐度、功能、基因組結(jié)構(gòu)變化與宿主代謝綜合網(wǎng)絡(luò)分析
該分析發(fā)現(xiàn)與雙歧桿菌和腸球菌關(guān)聯(lián)的“互斥”特征（圖6C）。大多數(shù)腸球菌與花生四烯酸代謝物水平呈正相關(guān)，而腸球菌與多不飽和脂肪酸(polyunsaturated fatty acid, PUFA)水平同時(shí)存在負(fù)相關(guān)。所有這些代謝物都是參與炎癥級(jí)聯(lián)的活性化合物，而ω-3和ω-6 PUFAs能夠減輕炎癥和氧化應(yīng)激。另外，大多數(shù)雙歧桿菌種類的豐度與芳香族乳酸呈正相關(guān)（圖6C）。綜上所述，這些結(jié)果表明新生兒CCHD腸道微生物組成異常（腸球菌增多和雙歧桿菌減少，微生物功能和基因組成的改變），顯著影響早期生命的免疫發(fā)育和代謝。
圖6. CCHD患者中失調(diào)的腸道微生物群與腸道屏障損傷和全身炎癥相關(guān)
6代謝組學(xué)分享-腸球菌的過度生長與炎癥反應(yīng)和預(yù)后不良有關(guān)
作者檢測了HC組與手術(shù)預(yù)后良好和較差的患者（分別稱為CCHD-G和CCHD-P）亞組之間的腸道微生物組成。在CCHD-P和CCHD-G之間共鑒定出19種鑒別細(xì)菌，其中14種富集于CCHD-P中，主要屬于腸球菌屬（圖4B），推測腸球菌的過度生長是驅(qū)動(dòng)CCHD-P和CCHD-G分離的一個(gè)關(guān)鍵微生物。炎癥指標(biāo)表明預(yù)后不良的新生兒在手術(shù)前已存在炎癥和腸道屏障損傷。腸球菌豐度與血清中多種促炎細(xì)胞因子和腸道通透性的生物標(biāo)志物水平之間存在很強(qiáng)的正相關(guān)性（圖6F），ROC分析表明（圖7）糞腸球菌豐度可以是一個(gè)獨(dú)立的預(yù)測新生兒手術(shù)預(yù)后的CCHD。
圖7. ROC曲線顯示了研究隊(duì)列中預(yù)后分層預(yù)測模型的鑒別準(zhǔn)確性
7代謝組學(xué)分享-微生物與代謝物關(guān)聯(lián)將腸球菌與免疫-炎癥失衡聯(lián)系起來
兩個(gè)亞組之間的總體代謝特征具有顯著差異，在CCHD-P組中，與氨基酸、維生素和不飽和脂肪酸相關(guān)的代謝通路均被抑制。細(xì)菌和代謝物之間的相互作用很大程度上歸因于負(fù)相關(guān)關(guān)系中CCHD-P組富集的腸球菌物種和代謝物參與脂質(zhì)和維生素代謝。綜合結(jié)果表明，腸球菌的過度生長和遺傳變異與益生菌相關(guān)代謝物的消耗，特別是芳香乳酸、LA衍生物和維生素B的消耗高度相關(guān)（圖9），這提示了一種積極的炎癥反應(yīng)。
圖8. CCHD-P和CCHD-G中鑒定的不同細(xì)菌種類與糞便代謝物的共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖
圖9. 亞組之間（CCHD-P與CCHD-G）的腸道微生物特征與糞便代謝物的綜合關(guān)聯(lián)
8代謝組學(xué)分享-微生物群通過代謝物促進(jìn)宿主的炎癥反應(yīng)和腸道屏障的損傷
作者進(jìn)一步評(píng)估了代謝物是否能介導(dǎo)微生物對CCHD新生兒炎癥反應(yīng)和腸道屏障損傷。結(jié)果表明糞腸球菌可能通過降低LA衍生物（糞便13-HODE和α-二甲基酚酸，圖10C）損傷腸道屏障。此外，微生物脂肪酸降解途徑也可能通過消耗糞便中花生四烯酸水平來降低腸道通透性。
圖10. 腸道微生物組、代謝物與腸道通透性和炎癥的血清生物標(biāo)志物之間的調(diào)控關(guān)系
代謝組學(xué)分享-總結(jié)
重癥先天性心臟病新生兒存在腸道微生態(tài)紊亂失調(diào)與代謝紊亂，并通過誘導(dǎo)宿主代謝穩(wěn)態(tài)失衡，促進(jìn)了患兒免疫炎癥失衡與腸屏障功能損傷，進(jìn)而影響患兒臨床結(jié)局。研究結(jié)果提示：未來可通過制定靶向重癥先天性心臟病新生兒腸道菌群的個(gè)性化干預(yù)策略，如補(bǔ)充特定益生菌等來恢復(fù)重癥先天性心臟病患兒的代謝與免疫穩(wěn)態(tài)，進(jìn)而改善患兒臨床結(jié)局。