摘要

越来越多的证据表明，肠道菌群失调在各种肠-脑疾病[如阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）]中起着重要作用。然而，在针对中国AD患者的良好对照试验中，肠道微生物群的改变及其与认知评分和宿主免疫间的相关性仍不清楚。在本项研究中，我们从100例AD患者和71例年龄及性别匹配、认知正常的对照组中获取样本，利用MiSeq测序平台对16S rRNA基因V3-V4区进行测序以探讨粪便微生物群的结构性和功能性改变，并分析它们与临床特征的关系。我们的数据显示，AD患者粪便微生物群的细菌多样性明显减少，分类组成也发生了改变。有趣的是，产丁酸盐菌属（如粪杆菌）的丰度明显减少，这与AD患者的MMSE、WAIS和Barthel评分等临床指标呈正相关。相反，双歧杆菌等产乳酸菌属的丰度则显著增加，且与上述指标成负相关。肠道菌群失调（从产丁酸盐转变为产乳酸盐）的这种转变，导致宿主的免疫紊乱，这可作为非侵入性生物标志物来区分对照组和AD患者。此外，AD患者生物群中包括脂肪酸的生物合成和代谢在内的几个预测功能模块发生改变，这些预测模块可被细菌利用产生免疫调节代谢物。我们的研究建立了AD患者粪便微生物群的结构性和功能性失调，结果提示肠道细菌在AD早期、无创诊断、个性化治疗和开发针对中国AD患者的定制益生菌方面具有潜力。

原文链接：

https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fcell.2020.634069/full

Ling ZX, Zhu ML, Yan XM, et al. Front Cell Dev Biol. 2021 Feb 4;8:634069. doi: 10.3389/fcell.

研究解读

2021年2月，丽水市第二人民医院老年科吴绍长教授团队在国际知名期刊Frontiers in Cell and Developmental Biology（《细胞和发育生物学前沿》）上发表了研究论文“中国阿尔茨海默病患者粪便微生物群的结构性和功能性失调”。该研究应用测序技术分析了阿尔茨海默病（Alzheimer’s Disease ，AD）患者粪便微生物群的结构性和功能性改变，以及这种改变与临床特征的关系。证实了AD患者肠道菌群失调可以导致宿主的免疫紊乱，提示肠道细菌结构性和功能性失调可能作为AD无创诊断性标志物，为患者提供早期诊断及个性化治疗。

近年来，多项研究表明，肠道微生物群可能通过肠-脑轴发挥调节中枢神经系统多类化学递质、神经炎症物质的作用。研究者在AD患者中发现肠道微生物群改变，这表明肠道菌群可能参与 AD 的发生发展。然而，研究同时发现，肠道微生物群的组成和多样性在AD患者中并不完全一致，因种族、遗传背景、地理位置、饮食习惯等不同而产生区别，从而有差异性的患病率与临床表现。西方人和中国人之间宿主遗传背景和饮食构成的差异可能导致他们之间微生物群组成的基线差异，反过来又可能影响特定细菌在AD病理学中的作用。因此，该研究期望通过分析中国AD患者粪便微生物群的结构性和功能性改变，以及这种改变与临床特征的关系，为AD的早期、无创诊断及个体化治疗提供新的靶点，助力于为中国 AD 患者量身定制的益生菌等药物研发。

丽水位于浙江省西南部，也被称为中国的长寿之乡，拥有近200名百岁老人。丽水市居民平均寿命80.06岁，比全国平均水平高2.76岁。吴绍长教授团队在丽水招募了100名AD患者及71名认知功能正常的健康对照者，应用有着更高的测序深度和覆盖度的MiSeq测序平台对16S rRNA基因V3-V4区进行测序，对比AD患者与健康对照者的AD 相关粪便微生物群信息。研究者发现，AD患者粪便微生物群的细菌多样性明显减少，分类组成也从产丁酸盐菌属转变为产乳酸盐菌属，这两者都与宿主的促炎和抗炎过程显著相关。研究者在AD患者的粪便微生物群中确定了几个不同的分类群，并基于这些粪便微生物分类群的特征来区分AD患者与健康对照。并进一步探讨了使用双歧杆菌、粪杆菌、罗氏杆菌、阿克曼菌、乳杆菌和肠球菌这六种丰富的菌属作为AD生物标志物的价值（见图1）。这些菌属的差异特征显示了显著的人际差异。研究者首先仅使用一种差异细菌作为预测因子来生成接收操作特征曲线（ROC）下的面积，以获得合适范围的曲线下面积 (AUC)。图1显示富集的粪杆菌是健康对照的最佳判别预测因子（AUC：0.797）。此外，研究者发现使用所有六个丰富的菌属显著提高了预测性能（AUC：0.836），以及粪杆菌/双歧杆菌比率的预测值可以帮助区分健康对照和 AD 患者（AUC：0.788）。以上结果表明，这些关键的菌属差异可作为区分健康对照和 AD 患者的潜在生物标志物。研究者进一步发现，这种肠道菌群的转变与AD患者的简易智力状态检查量表（MMSE）、韦氏成人智力测验（WAIS）和日常生活活动能力评定量表（Barthel评分）等临床指标呈正相关，表明肠道菌群失调导致宿主的免疫紊乱，可作为AD早期诊断的非侵入性生物标志物。

为了确定AD患者和对照组之间粪便微生物群的代谢和功能变化，研究使用 PiCRUSt 分析基于封闭式参考OTU分类（closed-reference OTU picking）的微生物群功能。研究者发现，AD患者的碳水化合物代谢、异生物质的生物降解和代谢、以及运输和分解代谢显著增加，而转录、免疫系统、环境适应和细胞运动性显著降低（图2）。此外，AD患者肠道菌群中包括脂肪酸的生物合成和代谢在内的几个预测功能模块也发生了改变。在AD患者中，脂肪酸和硫辛酸代谢、叶酸的生物合成显著增加，而细菌趋化性和脂肪酸的生物合成，在AD 患者微生物群中显著减少。这些预测模块可被细菌利用从而产生有免疫调节功能的代谢物，说明粪便微生物群组的功能失调可能参与AD的发生和发展。

综上，该研究提示，针对AD患者肠道菌群的分析，可以通过个性化饮食或有益微生物群的干预，将肠道微生物群从产乳酸盐菌属转化为产丁酸盐菌属，有助于针对不同AD患者进行个性化的早期干预及治疗。此外，AD相关粪便微生物群的功能失调也表明粪便微生物群的变化与患者免疫功能和代谢活动的改变有关，提示该过程可能在AD的发病和发展中起重要作用。因此，吴绍长教授团队的研究发现了中国AD患者粪便微生物群的结构性和功能性失调的特征，以及这种改变与AD临床特征的关系，为AD的早期、无创诊断及个体化治疗提供新的靶点，为通过调节肠道微生物群来管理AD疾病进程的科学探索提供了新的途径。

图1. 不同菌属用作AD诊断标记物。每一样本中不同菌属的相对丰度和最佳截断值，如双歧杆菌属（A）、 粪杆菌属（B） 、罗氏菌属（C） 、阿克曼菌属（D）、 乳酸杆菌属（E）、肠球菌属（F）。利用不同菌属单一或联合（G）以及粪杆菌属/双歧杆菌属的受试者工作特征曲线来区分AD患者和健康对照。AUC，受试者工作特征曲线下面积（H）。

图2. 基于 PiCRUSt（重建未观察到的状态对群落进行系统发育研究） 的中国 AD 患者和健康对照的粪便微生物组检测。基于双侧Welch t检验评估两组间的不同细菌功能。每个KEGG功能类别（级别2和3）的组间比较以百分比显示。Benjamini-Hochberg方法用于通过STAMP基于错误发现率 (FDR) 进行多次测试校正。