肌痛性腦脊髓炎/慢性疲勞綜合征個(gè)體的腸道微生物組解析

發(fā)稿時(shí)間：2016-08-10來(lái)源：天昊生物

英文題目：Reduced diversity and altered composition of the gut microbiome in individuals with myalgic encephalomyelitis/chronic fatigue syndrome

中文題目：肌痛性腦脊髓炎/慢性疲勞綜合征個(gè)體的腸道微生物多樣性降低和組成改變

期刊名：Microbiome       發(fā)表時(shí)間： 2016.6.23           影響因子： 9.0

技術(shù)：16S rRNA擴(kuò)增子測(cè)序（V4）；

測(cè)序平臺(tái)：Illumina MiSeq測(cè)序平臺(tái)

樣本信息：

    48例患者和39例對(duì)照受試者中，34例患者和7例對(duì)照受試者自我報(bào)告有胃腸功能紊亂，如便秘、腹瀉或腸道不適。具體樣本信息如下表。

樣本取材：參與者在家里用15毫升無(wú)菌錐形管收集糞便樣品，樣品立即儲(chǔ)存在?80 °C。血液樣品儲(chǔ)存在含有EDTA、肝素的管中。分別記錄每個(gè)個(gè)體的BMI，年齡和性別。ME / CFS受試者完成健康調(diào)查問(wèn)卷和貝爾殘疾量表。從同一地理區(qū)域篩選合適的健康對(duì)照，Case/Control的年齡和男女比例相近。

研究背景: 胃腸道障礙是肌痛性腦脊髓炎/慢性疲勞綜合征（ME / CFS）患者常見(jiàn)的癥狀之一。然而肌痛性腦脊髓炎/慢性疲勞綜合征（ME / CFS）是否與微生物組改變相關(guān)目前還不確定。本文通過(guò)對(duì)Case（n = 48）和Control（n = 39）的糞便以及血清炎癥標(biāo)志物進(jìn)行16S rRNA擴(kuò)增子測(cè)序來(lái)解析腸道微生物多樣性。本文還研究了一組血液的炎癥標(biāo)志物的表達(dá)水平：C-反應(yīng)蛋白（CRP），腸道脂肪酸結(jié)合蛋白（I-FABP）、脂多糖（LPS）、脂多糖結(jié)合蛋白（LBP），和可溶性CD14（sCD14）。

研究結(jié)果：

微生物易位相關(guān)血液標(biāo)志物水平檢測(cè)表明微生物發(fā)生易位

在Case/Control中檢測(cè)了微生物易位相關(guān)血液標(biāo)志物的水平，如C-反應(yīng)蛋白（CRP）和脂多糖（LPS），并檢測(cè)了胃腸道損害標(biāo)志物的水平，如腸道脂肪酸結(jié)合蛋白（I-FABP），血液標(biāo)志物水平分布請(qǐng)見(jiàn)圖1。

相對(duì)于健康對(duì)照組，肌痛性腦脊髓炎/慢性疲勞綜合征（ME / CFS）患者的血液CRP和I-FABP水平高，但是差異不是很顯著（圖1a,c）。相對(duì)于健康對(duì)照組，ME / CFS患者的血液LPS水平顯著很高（圖1b）。為了進(jìn)一步獲得關(guān)于血液LPS刺激的相關(guān)信息，本文檢測(cè)了血液可溶性CD14（sCD14）和脂多糖結(jié)合蛋白（LBP）的水平，兩者都是由消化道和肝上皮細(xì)胞產(chǎn)生的， LPS水平增加會(huì)促進(jìn)肝臟LBP的合成，而LBP會(huì)促進(jìn)更多LPS與CD14結(jié)合。相對(duì)于健康對(duì)照組， ME / CFS患者的血液sCD14和LBP水平顯著增高（圖1d,e）。

圖1. 健康對(duì)照組和ME/CFS患者微生物易位標(biāo)志物，胃腸道損壞標(biāo)志物的表達(dá)水平：hsCRP (a), LPS (b), I-FABP (c), sCD14 (d), and LBP (e)

接下來(lái)分析了這些生物標(biāo)志物之間的關(guān)聯(lián)，從圖2a, b可以看出LPS的水平與sCD14，LBP正相關(guān)。另外發(fā)現(xiàn)sCD14和LBP（圖2c），sCD14和hsCRP（圖2d）也存在較強(qiáng)的相關(guān)性。另外也分析了胃腸道損害標(biāo)志物I-FABP水平與I-FAB微生物易位標(biāo)記物（LPS、sCD14、LBP）水平是否相關(guān)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)它們之間沒(méi)有相關(guān)性。

圖2：Fig. 2 ME/CFS患者血液標(biāo)記物之間的相關(guān)性。LP和sCD14 (a)；LPS和LBP (b)；sCD14和LBP (c)；hsCRP和sCD14 (d)

與健康組相比ME / CFS患者腸道菌群多樣性明顯降低且組成有差異

系統(tǒng)發(fā)育多樣性（PD）曲線分析表明健康組和ME / CFS患者幾乎是相近的，但是兩者還是有顯著差異，說(shuō)明兩組群落的功能多樣性是有差異的（圖3a）。另外多樣性指數(shù)分析（Shannon、Chao1、PD）都表明相對(duì)于健康組，ME / CFS患者腸道微生物物種多樣性顯著降低（圖3b）。然而PCA分析表明健康組和ME / CFS患者不能明顯分開(kāi)。

圖3: ME / CFS患者和健康對(duì)照組的腸道菌群alpha多樣性分析。

ME / CFS患者和健康對(duì)照組的腸道菌群組成在門水平和科水平上有明顯差異(圖4a, b)。ME / CFS患者和健康對(duì)照組豐度比例最高的是厚壁菌門，擬桿菌門和變形菌門（圖4a, b）。在健康對(duì)照組，厚壁菌門的豐度比例是46%，而在ME / CFS患者中，厚壁菌門的豐度比例降到35 %，這可能是由于厚壁菌門中的瘤胃菌科和類桿菌科的豐度比例顯著下降造成的（圖4 b）。但是變形菌門在ME / CFS患者中的豐度比例相對(duì)于健康對(duì)照組有所上升（圖4 a），這可能是由于變形菌門中的腸桿菌科豐度比例顯著上升造成的（圖4 b）。

 

圖4: ME / CFS患者和健康對(duì)照組的腸道菌群組成分析。a,門水平；b,科水平

經(jīng)過(guò)多重檢驗(yàn)校正，在OTUs水平，厚壁菌門的大多數(shù)成員，例如顫螺菌屬(q = 0.016)、普拉梭菌屬(q = 0.014)、 瘤胃球菌屬(q = 0.014)、糞球菌屬(q = 0.014)在Case/Control組間存在顯著差異。

通過(guò)LEfSe分析找到了對(duì)Case/Control組間樣本劃分產(chǎn)生顯著性差異影響的24個(gè)物種（屬水平，LDA得分＞2）（圖5）。ME / CFS患者微生物主要集中在未分類的Desulfohalobacteriaceae和厚壁菌門下的顫螺菌屬、乳球菌屬等五個(gè)菌屬，而健康對(duì)照組主要富集在雙歧桿菌科等18個(gè)菌屬中。

圖5: ME / CFS患者和健康對(duì)照組屬水平的LEfSe分析。LDA的分?jǐn)?shù)表示每一個(gè)差異豐富的物種的影響大小和排名

使用炎癥標(biāo)志物和微生物組數(shù)據(jù)可將受試者分為ME / CFS患者和健康對(duì)照組

使用通過(guò)16S rRNA數(shù)據(jù)和炎癥標(biāo)志物數(shù)據(jù)得到的模型，ME/CFS患者和健康組可成功區(qū)分開(kāi)， 例如使用區(qū)分到屬水平上OTUs，個(gè)體鑒別為ME/CFS患者的正確率達(dá)到82.93%。另外使用通過(guò)16S rRNA數(shù)據(jù)和炎癥標(biāo)志物數(shù)據(jù)得到的數(shù)學(xué)模型鑒定ME/CFS患者的ROC曲線AUC值為0.89（圖6），說(shuō)明使用炎癥標(biāo)志物和微生物組數(shù)據(jù)得到的數(shù)據(jù)模型可有效地鑒定ME / CFS患者和健康對(duì)照組。

圖6: 使用通過(guò)16S rRNA數(shù)據(jù)和炎癥標(biāo)志物數(shù)據(jù)得到的數(shù)學(xué)模型鑒定健康組和ME/CFS患者的受試者工作特征曲線(a) 和隨機(jī)森林分析得到混淆矩陣（數(shù)值為百分比）和曲線下面積值（AUC）

總結(jié)：

l  觀察到ME/CFS患者的微生物易位相關(guān)血液標(biāo)志物水平升高。LPS、LBP和sCD14在ME / CFS患者中水平均升高。LBP的水平和sCD14和LPS相關(guān)而LPS水平與sCD14相關(guān)。

l  ME/CFS患者和健康組的腸道菌群結(jié)構(gòu)存在差異，相對(duì)于健康組，ME/CFS患者的微生物多樣性降低，特別是厚壁菌門的物種多樣性減少和菌群豐度降低。

l  使用通過(guò)16S rRNA數(shù)據(jù)和炎癥標(biāo)志物數(shù)據(jù)得到的模型，個(gè)體鑒別為ME/CFS患者的正確率達(dá)到82.93%。

亮點(diǎn):

    胃腸道障礙是肌痛性腦脊髓炎/慢性疲勞綜合征（ME / CFS）患者常見(jiàn)的癥狀之一。然而肌痛性腦脊髓炎/慢性疲勞綜合征（ME / CFS）是否與微生物組改變相關(guān)目前還不確定。文章首次研究了肌痛性腦脊髓炎/慢性疲勞綜合征個(gè)體微生物組成，不但對(duì)Case/Control微生物組成進(jìn)行了比較，還通過(guò)16S rRNA數(shù)據(jù)和炎癥標(biāo)志物數(shù)據(jù)得到的模型對(duì)ME / CFS患者和健康對(duì)照組進(jìn)行準(zhǔn)確區(qū)分鑒定，從而使有效預(yù)測(cè)一個(gè)人是否會(huì)患肌痛性腦脊髓炎/慢性疲勞綜合征成為可能。

關(guān)于天昊：

      天昊生物采用Miseq PE250測(cè)序策略對(duì)細(xì)菌16S rDNA區(qū)/真菌ITS區(qū)/真菌18S rDNA區(qū)的雙V區(qū)或多種單V區(qū)進(jìn)行測(cè)序，使用低循環(huán)數(shù)擴(kuò)增，保證每個(gè)樣品擴(kuò)增的循環(huán)數(shù)統(tǒng)一；采用特殊方法可有效避免系統(tǒng)內(nèi)誤差；數(shù)據(jù)質(zhì)量高，有效序列Q30達(dá)到80%以上；加上最新升級(jí)的分析內(nèi)容和解釋詳盡的結(jié)題報(bào)告，帶您享受極致的微生物擴(kuò)增子測(cè)序體驗(yàn)。