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Nat Com| 陈敬洲团队揭示人类肠道菌群紊乱对颅内动脉瘤发生的作用及机制并提供新的干预策略

发布时间:2020-07-01 13:53:25

NatCom| 陈敬洲团队揭示人类肠道菌群紊乱对颅内动脉瘤发生的作用及机制并提供新的干预策略


颅内动脉瘤严重危害国人健康,非破裂颅内动脉瘤的全球患病率为3.2%,中国的社区调查表明中国成年人非破裂颅内动脉瘤患病率高达7%。颅内动脉瘤是一种极为凶险的脑血管疾病,一旦破裂其早期致死率为40-50%。对于破裂的颅内动脉瘤,必须进行血管内治疗或外科手术治疗已有共识,但对于非破裂颅内动脉瘤的治疗目前存在争议,即便对具有破裂风险的颅内动脉瘤进行了血管内治疗或外科手术治疗,仍存在较大的出血风险及并发症。因此,加强对非破裂颅内动脉瘤的临床与基础研究,识别颅内动脉瘤危险因素,解析发病机制并寻找新的干预措施十分重要。

颅内动脉瘤是环境因素与遗传因素共同作用的结果,目前大量证据表明,肠道菌群作为一种重要的媒介,代谢人体摄入的各类物质,产生小分子代谢物如TMAO、炎症因子等对复杂性疾病产生重要作用。到目前为止,人颅内动脉瘤的发生是否与肠道菌群相关?如相关是否可能以此为突破口寻找新的干预措施?以上问题均不清楚。

近日,NatureCommunications杂志在线发表了中国医学科学院阜外医院陈敬洲教授团队题为Alterations of gut microbiota contribute to theprogression of unruptured intracranial aneurysms的最新研究论文。该研究首次揭示了人颅内动脉瘤与肠道菌群的关系,解析了肠道菌群在颅内动脉瘤发生中的机制并提供了新的干预手段。

该研究团队首先在两个病例对照研究中对非破裂颅内动脉瘤与对照之间的肠道菌群进行了宏基因组测序分析,发现颅内动脉瘤患者肠道菌群结构异质性显著降低。两组间总共有145个属存在丰度差异。这其中Bacteroides,Parabacteroides, RuminococcusBlautia在颅内动脉瘤患者肠道中富集;而Faecalibacterium,Eubacterium, CollinsellaLactobacillus在正常对照人群肠道中富集。物种水平分析发现47个物种的丰度在两组间存在显著差异,这其中有38个物种在颅内动脉瘤组富集。Bacteroides属的物种例如B. thetaiotaomicron, B. massiliensis, B. nordii, B. intestinalisB.cellulosilyticus在颅内动脉瘤组显著富集。Odoribacter splanchnicus是一类被报道丰度与红肉摄取正相关分布、与蔬菜和水平摄取负相关分布的物种,也在颅内动脉瘤组富集。此外,该研究团队发现一群Clostridium的物种包括C.bartlettii, C.nexileC. bolteae在颅内动脉瘤组显著富集。然而,C. hathewayi(在2014年被正式更名为Hungatella hathewayi)却是唯一一个在颅内动脉瘤肠道中丰度降低的Clostridium属成员。在47个差异物种中,有8个物种(17.0%)在第二人群中依然存在显著差异。

为了进一步探究肠道菌群紊乱在颅内动脉瘤疾病中的诊断价值,该研究团队依据第一人群的肠道菌群改变构建了随机森林分类器。通过MetaPhlAn2法鉴定出的在两组中有丰度差异的47个物种在第一人群进行训练,曲线下面积(AUC)达到0.86。进而在第二人群中进行了测试,结果显示该47个物种在第二人群中仍具有较好的疾病预测价值,AUC达到0.72,提示肠道菌群差异具有诊断颅内动脉瘤的潜力。

对两组间的差异菌种进行功能注释及通路分析发现,不饱和脂肪酸生物合成、氨基酸(蛋氨酸、色氨酸、丙酮酸和异亮氨酸)代谢及糖酵解代谢通路可能与颅内动脉瘤相关。其中,异亮氨酸生物合成及蛋氨酸生物合成在正常对照组显著富集,提示两组样本在肠道菌群合成支链氨基酸和芳香族氨基酸的能力存在显著差异。这一发现与肥胖患者及肥胖小鼠肠道宏基因组的研究结果类似。这些结果提示颅内动脉瘤肠道菌群的紊乱很可能通过氨基酸和脂肪酸代谢的改变发挥作用。

因此,该团队进一步通过靶向代谢组学对两组样本血浆中的氨基酸及脂肪酸水平进行了定量检测,发现7种脂肪酸和12种氨基酸在两组血浆中存在显著差异。进一步分析这19种代谢物与47种差异肠道菌种的相关性发现苯丙胺酸在颅内动脉瘤患者血浆中丰度升高,牛磺酸、亚牛磺酸、L-组氨酸及瓜氨酸水平在颅内动脉瘤患者中显著降低,且与肠道中显著改变的菌种具有较强相关性。提示肠道菌群可能通过调节血浆氨基酸和脂肪酸水平,促进颅内动脉瘤疾病的发生发展。

为了进一步探究是否肠道菌群的变化直接导致了颅内动脉瘤的进展,该团队进行了小鼠粪便移植实验。与移植正常对照粪便的小鼠相比,移植颅内动脉瘤患者粪便的小鼠颅内动脉瘤的总体发生率显著增加。此外,Kaplan-Meier分析提示两组之间无症状生存曲线亦存在显著差异,这表明肠道菌群紊乱能够直接影响宿主颅内动脉瘤的形成和破裂。对受体小鼠的脑血管进行转录组测序发现850个基因在动脉瘤受体小鼠中显著上调,362个基因在正常对照受体小鼠中显著上调。进而将这些差异基因与另外一个人颅内动脉瘤转录组数据(GSE26969)进行了交叉比对,发现移植肠道菌群导致的小鼠脑血管转录组变化具有与人颅内动脉瘤脑血管表达谱变化相似的特征,提示具有较大的转化医学价值。此外,生物信息学分析发现这些差异基因能够富集到与颅内动脉瘤密切相关的信号通路,比如凋亡和炎症相关通路等,提示肠道菌群可能通过这些通路影响颅内动脉瘤血管病变。

为了明确肠道菌群对小鼠血浆代谢产物的影响,该团队对两组粪便移植后小鼠进行了血浆代谢组学检测。结果发现2个脂肪酸及8个氨基酸在两组小鼠血浆中存在显著差异。其中,牛磺酸、L-组氨酸和亚油酸与人颅内动脉瘤及对照变化一致。基于此,该团队进一步探究了给予小鼠分别外源性补充上述三种代谢物能否降低颅内动脉瘤的形成及破裂。结果显示,与移植动脉瘤患者粪便的小鼠相比,在移植后外源性补充牛磺酸能够显著降低颅内动脉瘤总体发生率。Kaplan-Meier分析进一步证实了补充牛磺酸确实降低了颅内动脉瘤的破裂风险。值得注意的是,补充牛磺酸并没有显著降低小鼠血压,提示牛磺酸的保护作用并非依靠调节血压来实现。补充L-组氨酸和亚油酸却并没有观察到任何保护效果。机制研究发现补充牛磺酸通过减轻炎症反应、减少细胞外基质重塑、维持脑血管结构完整性降低了颅内动脉瘤的形成率和破裂率。

为了进一步明确哪些肠道菌群与血浆牛磺酸水平相关,通过Spearman’s相关性分析对粪便移植后两组小鼠差异肠道菌种和差异血浆代谢物进行了关联性研究。结果发现5个菌种的丰度与牛磺酸含量存在正相关关系,1个菌种的丰度与牛磺酸含量存在负相关关系。在这6个与牛磺酸密切相关的菌种中,H. hathewayi是唯一一个在颅内动脉瘤人群研究中也与牛磺酸存在相关性的菌种,并且H. hathewayi在两个人群、粪便移植人类供体、移植受体小鼠中的改变趋势相同即在颅内动脉瘤疾病状态下丰度显著降低。据此,为了最终阐明H. hathewayi是否与血浆牛磺酸水平的变化及颅内动脉瘤疾病发生存在因果关系,该团队在小鼠粪便移植后给予H. hathewayi灌胃处理发现H. hathewayi喂养能够恢复H. hathewayi水平。至关重要的是,H. hathewayi的补充同样能够显著恢复血浆牛磺酸水平。此外,与单纯移植动脉瘤患者粪便的小鼠相比,补充H. hathewayi能够显著降低颅内动脉瘤总体发生率。Kaplan-Meier分析进一步证实了补充H. hathewayi降低了颅内动脉瘤的破裂风险。此外,补充H. hathewayi能够抑制脑血管炎症反应、细胞外基质重塑及MMP-9活性及脑血管平滑肌细胞凋亡。以上结果充分说明,H.hathewayi参与了牛磺酸的合成,增加了血浆牛磺酸水平,最终降低了颅内动脉瘤发生率及破裂率。

本研究结果首次明确了人颅内动脉瘤与肠道菌群的关系,解析了肠道菌群在颅内动脉瘤发生中的机制并提供了新的干预手段(补充牛磺酸或H. hathewayi),有助于进一步理解颅内动脉瘤的发生机制并可能提升防治效果,尤其是对于不适于手术(包括介入及外科治疗)的或手术并发症风险高的非破裂颅内动脉瘤患者,该研究团队的研究结果提供了新的可能有效的干预手段。

该研究由中国医学科学院阜外医院、首都医科大学附属天坛医院、沧州市中心医院、清华大学、北京诺禾致源科技股份有限公司及中国人民解放军总医院共同合作完成。中国医学科学院阜外医院陈敬洲教授为该论文通讯作者,阜外医院李昊副研究员、徐昊辰博士后及天坛医院李佑祥主任医师、江裕华副主任医师为本文共同第一作者。


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