『COPD患者的肠道菌群及代谢产物变化』
● 发表期刊：Nature Communications
● 影响因子：12.121
● 发表时间：2020年11月
一、导语
染等引起，表现为持续的肺部炎症，尚缺乏有效治疗方案。已有大量研究报道肺部菌群能加剧疾病进展，但肠道菌群的作用仍不清楚。Nature Communications上发表的一篇文章，对COPD患者的肠道菌群及其代谢产物进行了多组学联合分析，发现患者和健康人的肠道菌群差异显著，链球菌科在COPD患者中显著富集，并找到了与其密切关联的N-乙酰谷氨酸等13种代谢产物。该研究首次在肺部菌群分析的基础上揭示了肠道菌群对于COPD疾病进展具有一定的贡献，助力于寻找疾病相关的生物标志物。
二、摘要
尚无有效治疗方案。肺部菌群能加剧疾病进展，但肠道菌群的作用仍不清楚。对COPD患者和健康对照组的粪便微生物组和代谢组进行检测，发现有146个菌种差异显著。链球菌属和毛螺菌科中的一些特定菌种与COPD患者肺功能减退密切相关。非靶向代谢组学鉴定到差异代谢物，46%为脂质，20%为外源物质，20%为氨基酸相关代谢物。并绘制出副血链球菌B与N-乙酰谷氨酸等13种COPD相关代谢产物的疾病相关网络。COPD患者的粪便微生物组和代谢组与健康个体不同，可能有助于寻找COPD的生物标志物。
三、研究思路
四、研究结果
1.16S多样性结果
28例COPD患者（女性54%）和29例健康对照者（女性66%）的粪便样本进行16S扩增子测序，发现COPD患者和健康人的肠道菌群组成差异显著（图a，PCA分析，PERMANOVA检验），α多样性无显著差异（pShannon = 0.329，pSimpsonInverse = 0.291）。通过偏最小二乘法判别分析PLS-DA分析鉴定可以区分COPD患者和健康对照的菌群（图b-d），其中链球菌属和罗氏菌属（常见的口腔细菌和肠道细菌），罗姆布茨菌属，肠杆菌属和埃希菌属在COPD患者中显著富集， COPD患者显著减少的属包括拟杆菌属，罗斯氏菌属，毛螺菌属以及瘤胃菌科的几个未命名属。
相同的57个样本进行宏基因组测序，并基于宏基因组测序结果进行基因组组装（metagenome-assembled genomes, MAG），组装出完整性> 80%及污染水平<7%共437个基因组MAG。基于MAG和公共数据库参考基因组，分析菌群组成，与16S rRNA分析结果一致，COPD患者和健康对照样本可显著区分开，多样性无显著差异（pShannon = 0.174，pSimpsonInverse = 0.345）。使用DESeq2软件进行差异菌群分析，107个属和146个种为显著差异菌群。一些物种在COPD患者中显著富集，包括罗氏菌属，链球菌属，罗姆布茨菌和肠杆菌，而其他物种在健康对照组中更丰富，与16S rRNA分析结果一致。通过PLS-DA分析，链球菌属以及毛螺菌科多个菌群可以区分COPD患者和健康对照。
将宏基因组测序数据与功能数据库（Pfam，TIGRFAM，KEGG和CAZy）比对进行功能注释，COPD患者和健康对照之间的整体功能没有显著差异，部分功能有显著差异，葡萄糖基转移酶在COPD患者显著富集：PF02324（Pfam），TIGR04035（TIGRFAM），K00689（KEGG）和GH70（CAZy）。这些酶从蔗糖合成高分子量的细胞外葡聚糖聚合物，如α-D-葡聚糖，这些聚合物吸附到细菌表面并有助于链球菌和其他菌群的粘附。注释到这些功能的测序数据比对到链球菌，对宿主组织的粘附能力可能有助于链球菌在COPD肠道微生物中富集。
3.菌群与肺功能
比较了COPD样本中与药物相关的亚组，发现服用类固醇，β-激动剂或抗胆碱药物的人与未服用这些药物的人之间的微生物组成没有显著差异。吸烟和不吸烟的COPD患者之间或稳定和频繁加重者之间也没有显著差异。将菌群和临床指标进行相关性分析，发现一些菌群与肺功能显著相关，链球菌sp000187445和前庭链球菌与一秒用力呼气容积（FEV1），毛螺菌科与用力肺活量（FVC）呈显著负相关；脱硫细菌和CAG-302 sp001916775与肺功能之间呈显著正相关。总之，这些数据支持了粪便微生物组与COPD之间的关联，从而确定了与健康和疾病相关的物种。
4.代谢组分析结果 相同的57个粪便样本进行非靶向代谢组检测，鉴定到934种可能源自微生物和宿主的代谢物，以及外源摄入的代谢物。主成分分析PCA显示COPD患者和健康对照之间存在明显但不完全的分离（p = 0.003，PERMANOVA）。COPD患者大部分代谢物降低，76%代谢物在健康对照中丰度更高。可以分离COPD患者和健康对照的前50种代谢物中，有46%为脂质，20%为氨基酸，20%为外源物质，表明在COPD患者中脂质代谢可能改变。使用线性模型校正协变量（年龄，性别和BMI）后，16种代谢物在COPD患者和健康对照间有显著差异（全部为脂质，氨基酸或外源物质）。与宏基因组结果一致，服用类固醇，β-激动剂或抗胆碱药物的人与未服用这些药物的人之间的代谢物组成没有显著差异，吸烟和不吸烟的COPD患者之间或稳定和频繁加重者之间也没有显著差异。
将宏基因组得到的差异菌群与16种差异代谢物进行相关性分析，用热图展示，红色代表在COPD患者富集，蓝色代表在健康对照富集，有253个显著关联的菌群-代谢物，其中较多为COPD患者丰度高的菌群。
使用10个样本以上检测到的物种和代谢物构建网络图，鉴定到3个不同的微生物-代谢物簇：第一个网络图中，副血链球菌，Ruthenibacterium sp.和Anaeromassilibacillus sp002159845与13种代谢物（N-乙酰谷氨酸等）有关联，均为差异代谢物。第二和第三个网络不包含任何COPD或健康对照富集的菌群或代谢物的节点，可能代表疾病状态以外的相互作用。因此，第一个网络图可能代表了与疾病相关的物种和代谢物，供将来在临床模型中进行测试。
6.验证队列
对另一包含16个COPD患者和22个健康对照的38个样本的验证队列粪便样本进行宏基因组测序，与发现队列一致，COPD患者和健康对照可以显著区分开（p = 0.037，PERMANOVA）。在发现队列中COPD患者或健康对照富集的210个基因组MAG，在验证队列中有59个（28%）表现出相似的趋势，其中33个（16%）达到显著水平，包括6个链球菌在COPD患者富集，再次证实了COPD患者肠道菌群中链球菌科的富集，以及RC9 spp.，CAG-302 spp.，UBA11524 sp000437595在健康对照中富集。在发现队列中被确定为COPD患者和健康样本的30个显著差异基因组中，在验证队列中有11个（37%）属于前30个可区分两组的菌群。在功能水平上，在验证队列中6个功能在COPD患者富集，和发现队列趋势相似，尽管不显著，表明可能需要更大的队列才能根据肠道宏基因组功能来明确区分COPD患者。然而，这些数据确实证实了肠道微生物组中特定菌群与COPD的关联，为在疾病模型中的测试提供进一步的证据。
五、研究结论
通过对COPD患者和健康对照组的粪便进行微生物组和代谢组检测，发现宏基因组和代谢组数据中都存在可显著区分COPD患者和健康人群的菌群和代谢物，这些数据支持肠道作为COPD疾病生物标记物的潜在来源，后续可以使用动物模型进一步评估这些菌群和代谢物参与COPD疾病机制。该研究首次在肺部菌群分析的基础上揭示了肠道菌群对于COPD疾病进展具有一定的贡献，助力于寻找疾病相关的生物标志物。
六、参考文献
Disease-associated gut microbiome and metabolome changes in patients with chronic obstructive pulmonary disease. Nature Communications. 2020, 11:5886.
原文链接：
总结： 文章针对57例样本进行16S+宏基因组+代谢组检测，并对另外38例样本宏基因组测序进行验证，发表在Nature Communications，性价比是不是很高呢？一般16S+宏基因组+代谢组的文章结构比较简单，主要分为四部分，第一部分16S分析结果（菌群结构及差异菌群），第二部分宏基因组分析结果（差异菌群及差异功能），第三部分代谢组学分析结果（差异代谢物），最后一部分是差异菌群/功能和差异代谢物的联合分析。若能对关键菌群和代谢物进行菌群移植或代谢物干预等验证实验，文章的影响因子会更高。迈维代谢提供肠道菌群全面研究方案。
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