多組學分析之：微生物組和代謝組揭示克羅恩病疾病活動的相關機制

克羅恩病（CD）是胃腸道的一種緩解緩慢和複發性的炎性疾病。疾病的發病機制被提示是透過基因的複雜相互作用、環境、免疫和微生物因素來驅動的。這種疾病固有的複雜性表現在廣泛變化的臨床過程中，這使得難以根據患者最初診斷時的狀況來剖析疾病機制和預測疾病進展。微生物組的代謝活性在維持宿主的重要生理過程中起著核心作用，包括能量收集、對病原體的抵抗、以及宿主免疫調節。

研究者利用自體造血幹細胞移植（HSCT）使部分嚴重和高度難治的CD患者獲得了無藥物緩解，其中一部分患者隨著時間復發。爲了在功能上將糞便微生物組和代謝組的變化與29位CD患者進行HSCT治療後的臨床反應聯絡起來，研究者採用了一種綜合多組學方法，並在人源化限菌小鼠中進行了實驗驗證。在表型特徵明確的HSCT患者佇列中使用這種方法，能夠識別與疾病進展過程中治療失敗或成功相關的功能指紋，並增進腸道微生物失調對嚴重CD病理學貢獻的瞭解。

雜誌：Nature Communications

影響因子：12.121

發表時間：August 2020

連結：https://www.nature.com/articles/s41467-020-17956-1

摘要

腸道微生物和代謝物的改變與炎症性腸病的發病機理有關。本文中，研究者對接受HSCT的CD患者的縱向佇列進行了多組學微生物組和代謝物分析，並對一組患者進行了研究性治療，以誘導無藥物緩解。透過比較反應性緩解和維持緩解患者，緩解但經歷過疾病復發和對治療無效的患者，研究者發現與疾病活動相關的共享功能特徵，儘管腸道微生物菌群在分類學水平上存在差異。當這些菌群移植到限菌小鼠時，其特徵反映了疾病狀態。總之，人類佇列和小鼠的微生物組和代謝產物譜的整合，改善了疾病結果的預測模型，並鑑定出涉及硫代謝的細菌代謝物相互作用網路是克羅恩病中與疾病活動相關的關鍵機制。

主要結果

研究者表徵了29位CD患者在進行HSCT移植後5年內在不同時間點的糞便微生物群特徵，對收集的133個糞便樣本進行了16S rRNA測序。透過疾病活動對微生物譜分層，顯示患有活動性疾病（無緩解或復發的）的CD患者的群落豐富度和α多樣性降低。Beta多樣性分析顯示，活動性疾病患者（HSCT之前和之後）和非活動性疾病（緩解的）患者（HSCT之後）之間的微生物分佈顯著分離。透過觀察患者之間功能元件丰度的差異，發現參與硫轉運系統和其他離子轉運系統（例如，鉬酸鹽和鎳）的代謝途徑在活動性疾病（HSCT之後）中豐富，而基本的生物合成過程則在非活動性疾病（HSCT之後）中豐富。爲了表徵HSCT後活動性疾病期間CD患者微生物組成改變的功能後果，研究檢測了代謝產物。患有活動性或非活動性疾病的患者分別具有332個和119個丰度有差異的代謝特徵。人源化小鼠的腸道微生物非靶向代謝組學發現硫代謝失調與人源化小鼠炎症的發生有關，這與在CD患者中觀察到的一致。

克羅恩病個體腸道微生物的變化

人源化小鼠中硫代謝將疾病活性與人類微生物組聯絡起來

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