對人類的流行病學和遺傳學研究以及對動物的實驗研究表明，最常見的慢性非傳染性疾病（如缺血性心臟?。↖HD））的發病機制一般涉及多因素的復雜相互作用，而迄今為止的大部分研究往往忽視了這一點。來自丹麥哥本哈根大學Oluf Pedersen等團隊在IHD的既往研究背景下，通過對處于心臟代謝疾病(CMD)譜系中不同階段的中年人進行腸道宏基因組和血清和尿液代謝組的綜合分析，獲得疾病進程中的菌群和代謝組的變化特征。相關成果發表于《Nature Medicine》。
研究設計和表型分析
本研究招募1241 名歐洲中年人，包括372 名IHD患者，其中 112 名患有急性冠狀動脈綜合征 (ACS)、158 名患有慢性缺血性心臟病 (CIHD) 和 102 名伴有心力衰竭 (HF)的 IHD；此外還包括275 名在人口統計、年齡和性別方面匹配的健康對照 (HC)和222 名未經治療的代謝匹配對照 (UMMC)（即具有代謝綜合征特征的個體，IHD風險增加但未接受脂質-降低或抗糖尿病或抗高血壓藥物）。最后納入372 名與IHD患者在T2D狀態和體重指數 (BMI) 方面匹配的對照——代謝匹配對照 (MMC)（圖1）。
結果顯示，CMD 表型嚴重程度和相關藥物攝入量從HC到經過治療和未治療的代謝匹配對照（分別為MMC和 UMMC）再到明顯IHD病例的進展過程中不斷增加。盡管國籍、年齡、性別、BMI和T2D狀態相匹配，但IHD患者的表型仍然與MMC個體明顯不同：IHD組表現出內臟脂肪增加、血糖升高、肝酶血漿濃度升高以及高血壓患病率和嚴重程度增加。同時，不同研究組的飲食和身體活動存在差異。與IHD和MMC組相比，HC組的飲食更健康并且且體力活動水平也更高。
圖1. 實驗設計流程
與代謝紊亂相關的菌群和代謝組變化
腸道菌群的分類和功能以及代謝物在IHD和HC個體之間存在顯著差異。與HCs與IHD兩組間差異相比，HC與MMC顯示出更多的差異特征（圖2a）。此外，IHD 和HC組之間菌群和代謝物特征的區分潛力顯著高于IHD和MMC個體之間的差異（圖2b）。HC和IHD之間的結果與既往報道的IHD相關的腸道菌群研究結果一致。然而，大多數特征在MMC與HC比較中已經呈現顯著差異，表明以前的研究可能錯誤地將代謝障礙特征報告為真正的IHD特征，這可能會增加IHD的風險，因為這些特征不是IHD特有的。
在較高的菌群結構水平下，隨著疾病的惡化，從擬桿菌屬1和瘤胃球菌屬菌群向較低細菌細胞數的擬桿菌屬2發生了顯著轉變（圖2c），反映從MMC和IHD到HC個體中菌群基因豐富度（圖2d）和菌群負荷的顯著降低。相比之下，IHD組與MMC組之間未發現顯著差異。在UMMCs中的菌群基因豐富度降低和擬桿菌屬2的增加甚至更加嚴重，這可能是由于尚未使用藥物以及該組中存在更肥胖的表型。
圖2. IHD發展中腸道菌群和代謝特征變化
IHD的菌群和代謝組特征
根據CMD譜中的各個組比較中的特征對其進行分類，從而進一步區分 IHD 特征與其代謝發病率，定性地關注條件特異性，定量地關注效應大小（圖3）。通過僅在相應條件下表現出的顯著變化（即HC與MMC/ UMMC 的代謝異常特征（DMF）或MMC/UMMC 與IHD患者的IHD特異性特征 (IHDF)）來確定代謝異常（圖3a，b）或IHD（圖3a，c）。此外，根據它們是否在代謝異常和IHD中表現出典型的效應大小變化來識別特征，或者將其保持在從代謝異常到IHD的相同方向（升級特征(ESCF))或者保持在相反方向（降級特征（DSCF））進行識別（圖3）。
ESCF是IHD的早期特征，在代謝發病率（即HC與MMC/UMMC）到顯性IHD（即MMC/UMMC與IHD組）期間ESCF出現持續增加/較少；相比之下，當考慮HC與MMC/UMMC和MMC/UMMC 與IHD之間的效應大小時，DSCF 表現出相反的轉變模式?？傊瑢τ贛MC中已經異常的特征，DSCF代表那些在診斷和治療的IHD中恢復到HC水平的特征，可能與疾病穩定有關。IHD相關特征被歸類為一般代謝異常的特征，而非IHD特有的特征，其次是IHD特有特征，然后是降級和升級特征。
圖3. 橫斷面研究中用于菌群和代謝特征分類的方法
在121種作為代謝異常標志物的物種（DMF）中，絕大多數（85%）在IHD中被消耗，IHD特異性特征有23個物種（圖4a和5），在患者中具有相似的消耗趨勢（65%），包括之前報道的在IHD中消耗的三種變形菌（Acinetobacter、Turcimonas 和 Acetobacter）。在IHD組富集的8個物種中，有2個是Burkholderiales目的Betaproteobacteria菌，而已報道Burkolderia pseudomallei是心內膜炎的一個可能原因。Ruminococcus（在IHD中消耗的未被鑒定的一個單一物種）是IHD的升級標記（圖4b）；ruminococci包括丁酸生成者，其消耗可能導致IHD中短鏈脂肪酸 (SCFA) 的生成潛力降低。6個物種是IHD的降級特征（圖4c），它們屬于Clostridiales目，除了Eubacterium siraeum之外，其他的都沒有在物種甚至屬分類水平上分類。據報道Eubacterium在動脈粥樣硬化中被消耗。相比之下，菌群功能（GMMS）和KEGG模塊大多富集在在IHD中。
在代謝物方面，大多數IHD特異性特征代謝物被顯著富集：相對于HC，在203個IHD特異性特征中，只有50個（25%）被消耗（圖4）。還發現一系列IHD特異性代謝物的富集，包括膽堿和肉堿途徑的中間體（即膽堿、甜菜堿醛、三甲胺氮氧化物（TMAO）等物質的前體），已知可調節IHD風險。還發現花生四烯酸 (C20:4) 來源的促炎脂質（5-羥基二十碳四烯酸（5-HETE）、白三烯B4等）升高。相比之下，脂肪酸甲酯（十六烷酸甲酯、亞麻酸甲酯和油酸甲酯以及α-生育酚）是最主要的一類代謝物，其消耗構成IHD的特異性標記（圖4a）。
代謝組所代表的大多數IHD升級特征在代謝異常時表現出最初消耗，在IHD診斷后持續消耗（圖4b）。除了包括鞘磷脂和甘油磷脂在內的幾種復雜磷脂外，已知能改善心血管健康的幾種類胡蘿卜素(例如胡蘿卜素二醇和β-隱黃質)和**硫素，也表現出上述消耗模式。相比之下，4-甲酚和苯乙酰谷氨酰胺表現出從代謝異常到IHD的富集模式（圖4b）。上述代謝物是早期干預的關鍵目標，尤其是 4-甲酚，在本研究中作為ACS和 CIHD 升級特征出現，它也是HF患者血液中特異性富集的最重要的標志物之一，可能與其在尿毒癥中的作用有關。
大多數DSCF（代謝物和菌群功能分別為 89% 和 100%）在代謝障礙階段表現出初始消耗模式，但在IHD治療階段表現出明顯逆轉（圖4c）。表明菌群和代謝物特征對長期多因素治療的反應，可能有助于IHD的穩定。此外，實現穩定的IHD狀態似乎涉及恢復損失的腸道菌群細胞密度（圖4c），以及降解支鏈氨基酸和半乳糖的能力，同時恢復損失的丁酸和乙酸生產能力。
圖4. 與IHD及其代謝障礙階段的菌群和代謝特征
IHD 亞型的菌群和代謝組特征
對ACS、CIHD和HF組的綜合分析為菌群和代謝物特征的相對變化提供了更多理解：與對照組相比，每個IHD亞組的典型特征總數在CIHD中最高，其次是HF和ACS。CIHD在腸道菌群功能上表現出最大的差異變化，而ACS在代謝物特征上表現出主要的差異變化（圖 5）。通過IHD與HC比較發現，大多數（69%）與代謝障礙相關的物種也存在于IHD亞組與HC比較中，這表明似乎與代謝功能障礙有關的菌群紊亂可能在整個過程中持續存在于IHD的各個階段。
在考慮ACS特有的代謝特征時，前10個代謝物中有8個是藥物分析物或藥物代謝物，與阿司匹林、美托洛爾和阿托伐他汀有關。促炎代謝物（5-和12-羥基二十碳四烯酸 (HETE)、白三烯B4和B5）以及菌群宿主苯丙氨酸共代謝產物（苯乙酰肉堿、苯乙酰谷氨酸和 2-羥基苯乙酸）也有所增加，其次是吲哚硫酸和 TMA，與已確定的IHD的總體特異性特征一致。同樣，一些ACS特異性消耗代謝物在IHD中的含量也較低，包括α-生育酚、油酸甲酯和十六烷酸甲酯。
與ACS的發現相反，CIHD和HF分別發現了19個和31個特異物種標志物，表明IHD慢性期的菌群發生了其他的變化，且這些變化影響的菌屬種類不多。大多數CIHD特異性特征在對照組中富集，尤其是氨基酸生物合成的菌群功能顯著富集，包括BCAA、蛋氨酸和賴氨酸模塊。苯乙酸代謝物的升高反映了苯丙氨酸和酪氨酸的降解的增強。
一些代謝物特征表現出HF特異性富集，包括4-甲酚、4-甲酚硫酸、4-甲酚葡糖苷酸、膽堿和TMA以及幾種肉堿；相反，一些代謝物在HF特異性消耗，如α-生育酚和3-吲哚乙醛酸，提示脂肪酸代謝改變，已報道脂肪酸代謝在HF發病機制中起關鍵作用。
圖5. IHD及其亞型中的代謝和菌群特征發生獨特變化
臨床亞組分類
通過將MetaCardis研究人群隨機分成70%和30%的組構建模型，前者用于訓練，后者用于測試；在所有病例中，組學標志物在測試集上產生曲線下面積（AUC）值均大于0.7，并且高于僅臨床標志物的AUC值，尤其是相對于MMC組的分類。
為了進一步驗證分類模型，利用了另一獨立數據集，重點關注的ACS亞組以匹配研究樣本的病理。來自兩項研究的ACS特異性代謝組學標志物高度相關（圖6a），證實在兩項研究中觀察到類似的變化并驗證了大部分的ACS特異性代謝物特征。而且，當上述標志物用于在人群中訓練并在獨立的另一人群中測試的 OPLS-DA模型中時，表現出很強的區分潛力?；诰哂信R床變量（模型3）或沒有臨床變量（模型2）的ACS特異性組學標志物的模型的性能明顯優于僅基于臨床的模型（圖6c）。總之，本研究證實了的校正混雜因素后的菌群和代謝組標志物在臨床環境中的鑒別潛力的穩健性（圖6）。
圖6. ACS標志物的驗證
小結
本研究對健康個體、代謝異常疾病個體和處于三個不同臨床階段的IHD個體進行橫斷面研究，獲取心臟代謝疾病的廣泛腸道菌群和血漿和尿液代謝組特征。通過對組學數據進行綜合分析，調整了多種藥物的混雜因素以及在診斷IHD前的前驅期發生的代謝異常的影響。此外，本研究還對與IHD及其亞型代謝異?；蛏墶⒔导壔蚍€定相關的菌群和代謝組病理生理特征進行了分類。
參考文獻
Microbiome and metabolome features of the cardiometabolic disease spectrum. Nature Medicine. 2022. https://doi.org/10.1038/s41591-022-01688-4.
原文閱讀，請點擊下方二維碼?
繪譜幫你測
本研究對處于心血管代謝疾病譜系中不同階段的中年人進行腸道菌群和代謝組分析，最終獲得疾病進程中的菌群和代謝組的變化特征。麥特繪譜擁有業內強大的Q600全定量代謝組、Q300全定量代謝組、Q200宏代謝組以及菌群相關的16S rDNA測序和宏基因組等方法，可提供代謝組學一站式整體解決方案，獨家的檢測技術、全面的數據報告以及專業的售后探討，助力您的科研探索之路不斷創新和突破。詳情歡迎咨詢麥特繪譜熱線400-867-2686，獲取詳細資料！
往期推薦
2. 客戶案例 | 中藥篇（五）：從代謝組學角度探究三七總皂苷聯合阿司匹林對心血管疾病的治療作用
3. Cell︱菌群代謝物-苯乙酰谷氨酰胺-心血管疾病又一推手
4. EHJ | 琥珀酸或是主動脈瘤和夾層的標志物及治療靶點
5. Cell Metabolism︱丙酮酸-乳酸代謝軸異常誘發心肌肥大和心衰
6. Circulation | 短鏈脂肪酸–丙酸鹽預防高血壓心血管損害
