摘要译文

目的：帕金森病(PD)的肠道微生物组改变已被反复报道，但其功能相关性尚不清楚。粪便代谢组学提供了微生物活性的功能指标，但很少被研究。我们考察了PD患者粪便微生物组和代谢组的变化及其临床相关性。

方法：200名受试者(104名患者，96名对照)进行了广泛的临床评估；粪便微生物组采用16S rRNA基因测序进行分析；粪便代谢组学使用两个平台进行检测：核磁共振(NMR)光谱和液相色谱-质谱联用。

结果：PD患者的粪便微生物组和代谢组成分与对照组显著不同，基于NMR的代谢组学差异效应最大；控制混杂因素后，微生物组和基于NMR的代谢组成分差异仍然显著。与对照组相比，PD患者有不同的粪便代谢物丰度特征和可预测的功能变化，包括具有神经保护作用的生物活性分子(例如短链脂肪酸[SCFAs]、泛醌和水杨酸盐)和其他与神经再生相关的化合物(例如神经酰胺、鞘氨醇和三甲胺N-氧化物)。在PD组，认知损害、低身体质量指数(BMI)、虚弱、便秘和低体力活动与粪便代谢组成分差异相关；尤其是低SCFAs水平与认知能力差和低BMI水平显著相关；较低的丁酸水平则与更严重的姿势不稳-步态障碍评分相关。

结论：PD患者肠道微生物功能发生改变，其特点是代谢物丰度改变，这为肠-脑病理生理学提供了重要的生物学见解。其临床相关性进一步支持肠道微生物代谢物作为PD新的生物标志物和疗法开发潜在靶点的作用。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ana.25982

Tan AH, Chong CW, Lim SY, et al. Ann Neurol. 2021;89(3):546-559.
 

解读人：宋承远   博士

l  山东大学齐鲁医院神经内科，主治医师

l  中国微循环学会神经变性病专业委员会青年委员，中国康复医学会帕金森病与运动障碍专业委员会委员，山东省医学会帕金森病及运动障碍学组秘书，山东省老年医学会帕金森病及运动障碍委员会常委，山东省健康管理协会神经病学专业委员会秘书

研究解读

2021年3月，马来亚大学医学院Ai Huey Tan和马来西亚莫纳什大学Chun Wie Chong等人在著名期刊Annals of Neurology (《神经病学年鉴》)上发表了题为“Gut Microbial Ecosystem in Parkinson Disease: New Clinicobiological Insights from Multi-Omics”(《帕金森病的肠道微生物生态系统：来自多组学的临床生物学新见解》)的研究。该研究整合并分析临床表型、微生物组和代谢组学数据，使用多变量模型探究肠道微生物系统及其与帕金森病(PD)的相关性。

PD是常见的中枢神经系统退行性疾病，其发病机制涉及遗传基础与环境暴露(包括毒素和感染因素)相互作用。由于胃肠道既是接触病原体的主要部位，也是抗帕金森药物的主要吸收部位，因此肠道感染和微生物-肠道-大脑轴在PD中的作用已成为该领域研究的热点。既往多项研究结果表明PD患者的肠道微生物组成与健康对照相比存在显著差异，但对于混杂因素的分析有限，且微生物组成变化的功能相关性仍不清楚。粪便代谢组学分析可以提供肠道微生物组如何影响疾病(或受其影响)的最可能的机制，并且是研究各种疾病中肠道微生物与宿主相互作用的最广泛使用的方法。不同的分析平台(气相色谱-质谱法(GC-MS)、液相色谱-质谱(LC-MS)、核磁共振(NMR)光谱具有互补性，多组学方法的必要性已被强调。

此研究共纳入200名受试者(104名患者，96名对照)，对其进行了广泛的临床资料收集及评估，采用16S rRNA基因测序分析粪便微生物组，NMR光谱和LC-MS联用检测粪便代谢组学。研究发现PD患者的粪便微生物组和代谢组与对照组成分、丰度显著不同，肠道代谢的改变涉及短链脂肪酸(SCFAs)、胆碱、三甲胺N-氧化物(TMAO)、鞘脂、生物能量途径、氨基酸和水杨酸。控制混杂因素后，微生物组和基于NMR的代谢组成分差异仍然显著，而基于LC-MS的代谢组成分无明显差异。差异显著的微生物和代谢物特征如图1所示： (A)10个细菌类群在PD中显著增加。在研究中发现的几个微生物特征与之前的报道是一致的，即Akkermansia, Bifidobacterium和Lactobacillus的增加。(B)预测功能(BioCyc)通路分析示，PD中水杨酸降解和糖基甘油酸生物合成通路上调，而胆碱生物合成和胆汁酸降解通路下调。(C)PD组基于LC-MS的代谢物包括长链饱和脂肪酸和鞘脂类增加，而泛醌等减少。(D)NMR光谱分析显示，PD患者粪便中丁酸盐、氨基酸(谷氨酸和酪氨酸)、胆碱代谢底物(胆碱、磷胆碱、三甲胺、TMAO)及能量代谢(丙酮酸和延胡索酸盐)水平降低，但糖酵解产物(乙醇和肌醇)水平升高。另一方面，认知障碍、虚弱、低BMI、低体力活动和便秘与粪便代谢组成分差异相关，尤其是认知障碍和低BMI的PD患者SCFAs水平显著降低(图2)。

研究还分析了PD患者粪便微生物和代谢组改变可能的临床意义。与细菌类群、LC-MS代谢物或预测的功能通路相比，临床变量与基于NMR的代谢物之间存在更直接和显著的相关性(见图3和图4)。丁酸与姿势不稳-步态障碍(PIGD)评分和便秘严重程度(PAC-SYM)呈负相关。包括丙酮酸、胆碱和乙醇在内的几种粪便代谢物与运动波动和运动障碍的严重程度相关。与无运动并发症(MRCs)的患者相比，有MRCs的患者粪中丙酮酸水平显著降低，而乙醇和胆碱水平较高。

总之，肠道代谢产物的改变为理解肠道微生物群变化对PD功能的影响提供了一个关键环节。与PD特征的相关性进一步强调了PD中肠道代谢产物变化的临床相关性。然而，仍然存在许多知识空白，需要机制实验模型、纵向研究和针对特定微生物/代谢特征的人类干预研究，以揭示它们如何促进患者的生理功能和病理结果。

(图据Annals of Neurology)

图1. PD组与对照组之间的微生物组和代谢组学特征差异丰富。微生物类群(A)、预测功能(BioCyc)通路(B)和基于LC-MS的粪便代谢产物(C)的组间差异用log2倍变化的条形图来说明(红色条形图表示PD比对照组的丰度较高，蓝色条形图表示丰度较低)。基于NMR的粪便代谢物的组间差异通过1H NMR光谱衍生的协方差图(D)进行说明，以颜色编码显著性(从蓝色到红色代表显著性阈值为0.05-0.01)。只有组间差异显著(p< 0.01)的代谢物被标注。(B)deg =降解；biosyn =生物合成。(C)星号表示化合物的中性质量；该化合物的串联质谱在METLIN库中无法用于代谢物注释。(D)关键词：1=丁酸；2=乙醇；3=谷氨酸；4=丙酮酸；5=三甲胺；6=胆碱；7=磷胆碱；8=三甲胺N-氧化物；9=肌醇；10=富马酸；11=酪氨酸。

(图据Annals of Neurology)

图2. PD患者不同亚组中不同丰度的基于NMR的代谢组学特征。四个协方差图显示了粪便代谢物图谱的彩色编码意义(从蓝色到红色，代表显著性阈值为0.05-0.01)，用于比较根据虚弱状态、认知评分、BMI和体力活动进行二分法分类的患者。蒙特利尔认知评估(MoCA)≤25(低认知得分)的患者与MOCA>25的患者相比，丁酸盐(由3个光谱峰代表)、丙酸盐(2个峰)和乙酸盐(单峰)减少。BMI<20kg/m2(低BMI)的患者与BMI≥20kg/m2的患者相比，乙酸盐也会减少。虚弱和非虚弱以及低体力活动和正常体力活动的患者相比，没有发现任何明显或一致的代谢物光谱模式；在虚弱或不爱运动的患者中，3个丁酸盐谱峰只有其中一个明显减少。

(图据Annals of Neurology)

图3. PD中微生物类群、代谢物、预测功能通路和临床特征之间的相关性。相关网络分析显示了PD的微生物类群、代谢物特征、预测途径以及运动和非运动特征之间的联系。蓝线表示显著正相关，而橙色线表示显著负相关，伪发现率-调整P值阈值<0.05以及Spearman ρ阈值>0.1(粗线表示相关性更强)。biosyn=生物合成；deg=退化；LC-MS=液相色谱-质谱联用；MDS-UPDRS=运动障碍协会-统一帕金森病评定量表；MoCA=蒙特利尔认知评估；NMR=核磁共振；PAC-SYM=便秘患者症状自评量表。

(图据Annals of Neurology)

图4. PD粪便代谢物与临床特征的关系。散点图描述了相关网络分析中粪便代谢物与临床特征显著相关(伪发现率p< 0.05)的数据分布。对每个图给出了Spearman统计量。底部的水平轴和左边的垂直轴分别表示x轴和y轴的Spearman等级(0-70)。右纵轴表示临床变量的严重程度评分，而顶部横轴表示代谢物的相对浓度(表示为光谱信号峰面积与肌酐的平均比值)。神经酰胺水平与Hoehn和Yahr (H&Y)分期(如图3所示)的相关性无法进一步探究，因为大多数患者处于H&Y 2期和2.5期。PIGD =姿势不稳定-步态障碍。