在開始和臨床表現中 IBD患者遺傳和腸道菌群的互作

此前小安已陸續為大家推送幾篇菌群移植與炎症性腸病（IBD）相關研究的文獻解讀，今天小安將繼續為大家帶來該專題的文獻解讀（文章較長，此處需要耐心）

一、摘要

目的：IBD患者的臨床特徵差別很大，本文認為人體基因組和腸道微生物複雜的互作的不同會導致IBD在初期和臨床表現上的差異。因此本文做了case-control分析，研究人體基因組、腸道菌群和臨床表型三者之間的關係。

設計：收集313個IBD患者和582個健康人的糞便、外周血和廣泛的臨床數據（表型數據）。採用16s測序分析腸道菌群組成，利用基因上11個與IBD有關的遺傳變異位點衡量遺傳風險，這些基因與細菌有關，包括NOD2, CARD9, ATG16L1, IRGM and FUT2。

結果：本文發現了具有高度遺傳風險的健康人其腸道菌群的顯著變化：在健康人中，遺傳風險值與羅斯氏菌屬Roseburia丰度下降顯著相關。此外，疾病發生位置是腸道菌群的重要決定因素：CD患者的腸道菌群與ileal CD的不同，ileal CD的α多樣性較低。

結論：本文首次展示了與IBD相關的遺傳變異可影響正常人的腸道菌群。Roseburia spp將醋酸鹽轉成丁酸鹽，其在IBD患者中減少。

二、背景

IBD包括CD和UC，是腸道中的一種慢性炎症性疾病，CD患者的炎症可以發生在整個腸道中，而UC只發生在結腸粘膜層。IBD患者之間的臨床特徵區別很大，人們對產生如此迥異的臨床表現的原因仍知之甚少。

IBD的發病機制包括遺傳易感宿主對腸道菌群過量的免疫反應。

之前的研究顯示，IBD患者腸道菌群多樣性下降，其特徵表現為，已知的有益菌丰度下降，如柔嫩梭菌Faecalibacterium prausnitzii,腸道羅斯氏菌 Roseburia intestinalis 和其他的產丁酸鹽的細菌，而病原體和致病菌（ pathogens or pathobionts ）丰度升高，如粘膜侵襲性大腸桿菌adherent-invasive Escherichia coli，志賀氏菌Shigella。這些研究樣品量相對較少，且選擇的樣品範圍有限，因此之前的研究結果可能受樣品選擇方法的影響。此處，研究較多的是CD的微生物組成，UC的則研究的比較少，而將腸道菌群和IBD的臨床特徵結合起來研究的則更少。

最近的也有研究開始揭開宿主遺傳特徵與腸道菌群的互作。特殊遺傳變異和特殊細菌丰度之間的聯繫稱為microbiotaQTLs。一項採用雙胞胎來分析的研究發現Ruminococcaceae 和 Lachnospiraceae具有遺傳性，它們能抑制丁酸鹽的產生和乙酸往丁酸的轉化。此外其他的研究也表明宿主的遺傳性能影響腸道微生物，在IBD患者中，NOD2基因的變異與Enterobacteriaceae 科丰度的改變有關。

三、方法

本文認為不同IBD患者間巨大的差異很可能是由於個體之間宿主基因組和腸道微生物不同的複雜互作引起的。本文採用大規模的單中心病例對照分析single-centre case–control analysis CD和UC的luminal腸道微生物、宿主遺傳性、臨床表型。本研究從同一家醫院收集了313份IBD患者的糞便，和582份（從1174個人中篩選出來）該地區健康人的糞便。

四、結果

（一）患者和健康人的臨床特徵

在313位患者（包括188位CD患者，107位UC患者，18位中級和未明確的IBD患者）和582位健康人中，CD患者比健康人年輕，UC與健康人年齡上相差不大。在取樣期間，81位患者處於疾病活躍期，23.7%的患者在最後3個月內有使用抗生素，患者使用PPI質子泵抑製劑比健康人更頻繁。

（二）患者和健康人腸道菌群的整體比較

菌群特徵

患者和健康人都是厚壁菌門Firmicutes 占多數（分別佔了73%和75%），接著是Actinobacteria（9%和13%）和Bacterioidetes（14%和8%），梭菌綱是占最多的綱，分別達到64%和68%

α多樣性（shannon index）

主坐標分析

在PCoA分析中，健康人的樣品聚集在一起，而IBD患者具有更大的不同。

（三）IBD的遺傳風險變異與腸道菌群變化呈負相關

在健康人的unweighted分析中，更多的IBD風險等位基因與Roseburia屬的降低有關，而在患者中，不論哪種類型，單遺傳風險變異、HLA-DRB1*01:03單倍體，遺傳風險等位基因 weighted 或 unweighted綜合得分都沒有顯著性影響腸道菌群組成。

（四）CD和UC患者中的失調：新的發現

CD

與健康人比較，69個taxa有顯著性變化：Bacteroidetes、Proteobacteria升高、Actinobacteria、Tenericutes降低；Bacteroidetes 門中 order Bacteroidales目 和 Parabacteroides 屬 （ Porphyromonadaceae 科）升高；Firmicutes 厚壁菌門中order Clostridiales的一些科降低：Mogibacteriaceae, Christensenellaceae, Clostridiaceae, Dehalobacteriaceae, Peptococcaceae, Peptostreptococcaceae 和 Ruminococcaceae；Proteobacteria 門中的Enterobacteriaceae升高；Bifidobacterium, Ruminococcus 和 Faecalibacterium也降低了。

UC

UC患者中，與健康人相比有38個taxa發生顯著性改變，與CD一樣，Bacteroidetes、Proteobacteria升高，而厚壁菌門則降低；Bacteroidetes門中，Bacteroidales目，Rikenellaceae科和Bacteroides屬升高； order Clostridiales of the phylum Firmicutes，梭菌目中的Lachnobacterium 和 Roseburia屬升高。

疾病發生位置是腸道菌群主要的決定因素

colonic disease（olonic CD and UC combined）和ileal disease，在PCoA圖中，健康人和colonic disease樣品之間有重疊，這也與α多樣性結果相符合，ileal disease則較偏離健康人。PCoA結果說明腸道菌群組成與疾病位置有關，colonic CD患者和ileal CD患者的腸道菌群組成不同，α多樣性也有類似的結論，colonic disease患者與健康人相比，α多樣性無顯著降低， ileal disease的α多樣性則顯著性降低。遺傳風險與疾病發生位置的分析中顯示，兩者之間關係不明顯。

腸道菌群組成影響IBD疾病的活躍性

CD的臨床HBI 值和UC的SCCAI 值，所有IBD的CRP和calprotectin水平，

CD患者中，高的HBI 值與Enterobacteriaceae科的增加有關，腸道菌群和UC的SCCAI 值沒有顯著性相關。CRP和鈣衛蛋白與腸道菌群丰度改變也沒有顯著性相關。

腸道菌群組成影響IBD疾病的持續時間

疾病持續更久，Proteobacteria丰度更高。

IBD患者 Pathway 預測和腸道菌群功能改變

與健康人群相比，在 IBD，CD，UC，ileal CD, ileocolonic CD 和colonic CD之間，多種代謝通路包括butyrate metabolism, endotoxin metabolism and antibiotic resistance pathways。IBD患者的短鏈脂肪酸代謝能力下降，（CD和UC中propanoate 丙酸鹽代謝降低，CD中丁酸鹽代謝降低，butyrate、propanoate 屬於短鏈脂肪酸，CD的脂肪酸代謝降低）；Lipopolysaccharide or endotoxin 生物合成能力在CD和UC患者中都提高；代謝通路的升降與CD的HBI 值沒有顯著性關係。

五、結論

本文發現了健康人中 IBD易感基因和腸道菌群組成之間的關係，揭示了疾病部位對腸道菌群的影響，此外，本文還報道了微生物與多個IBD亞型之間的聯繫。

IBD的發生：健康人中，IBD遺傳風險因子與促炎症反應腸道菌群改變相關

本文利用與腸道菌群相關的IBD風險變異構建風險評分

腸道菌群於腸道上皮細胞和宿主的免疫系統互作，最近的研究提出一種假設，腸道菌群與免疫系統的互作有兩種方面：一是好的腸道菌群可以改善免疫應答，二是腸道免疫系統也能幫助好的腸道菌群的生長，以維持免疫-微生物之間的動態平衡。本研究可支持這樣的假設：相關基因的變異與催化乙酸轉成丁酸的Roseburia spp. 有關。

Roseburia intestinales是20種丰度最高的腸道微生物之一，IBD患者腸道菌群中的Roseburia spp.降低，一開始Roseburia spp.特異性的與粘蛋白結合，介導粘膜產生丁酸鹽。產自於Clostridium clusters IV, VIII and XIVa （屬於Roseburia spp.）的丁酸鹽誘導Treg cells產生，從而阻止和改善腸道炎症。屬於Roseburia spp.的Lachnospiraceae的丰度在同卵雙胞胎中的相似性比在異卵雙胞胎中高，此外，未患有CD的CD患者的兄弟姐妹，其Roseburia spp.也降低了。

攜帶IBD風險變異的健康個體可證明本文對IBD發生的理解：腸道免疫系統的遺傳風險因子促使腸道』豢養』更多的的促炎症反應的腸道微生物，增加了IBD的患病風險，隨後不利的腸道菌群擾動進一步破壞了免疫-微生物的動態平台，最終導致IBD的發生。

除了這11個明確功能的基因外，還做了200個與IBD有關、但功能位置的易感位點的遺傳風險評估，這一分析無論在IBD患者還是健康人中，都沒有統計學顯著的結果產生。

CD和UC患者腸道菌群的失調

CD和UC分別有69個和38個taxa 丰度發生變化，與之前兩項研究結果做了對比，發現在本研究中，Bacteroidetes門丰度在CD和UC中都升高了，Bacteroidetes的增加也在IBS患者中發現。由於之前IBD研究的對照組中，也有一些功能性腸胃病（如IBS），這會對IBD患者和對照組的Bacteroidetes 比較造成困擾，覆蓋掉IBD中一些有顯著性的富集。

Bacteroidetes 門中的Bacteroides在UC患者中增加，在一些動物研究中有提到Bacteroides spp 涉及到IBD的發病機制。NOD2敲除的小鼠，小腸中的炎症響應增大於Bacteroides vulgatus有關。

之前研究報道Streptococcaceae, Micrococcaceae and Veillonellaceae,丰度增加與IBD有關，在本研究中與PPI有關，IBD患者會使用過量的PPI。因為之前的研究未涉及到PPI的使用，本文認為這些物種的改變錯誤地與IBD聯繫在了一起。

Tenericutes門的降低與UC有關。

疾病發生位置是IBD腸道菌群構成的主要決定因素

PCoA的分析顯示，colonic CD患者的腸道菌群與UC患者的更相似，而不是與ileal CD患者的更相似，結合之前IBD的宏基因組研究結論，本文認為可將這一聚類結果與病灶位置聯繫起來。病灶位置的重要性也與之前宿主遺傳學研究結果相符，colonic CD的遺傳風險性介於UC 和 ileal CD之間。雖然，本文發現腸道菌群的組成可以反應IBD患病位置的不同，但在本文的研究群體中遺傳風險變異未能與疾病位置有關。不過，colonic CD和UC在臨床表現上有很多相似的地方，比如colonic CD發展成結直腸癌的風險與UC類似，但與 ileal CD不同。這些結果清楚地表明，在IBD中， colonic CD和ileal CD是不同的疾病。

得益於仔細的篩選健康組和標準化糞便樣品，大量的表型和基因型，本研究成功地分析並對腸道微生物在IBD表型中重要的作用有了深入了解。本研究第一次發現了在IBD發生初始腸道菌群的作用：具有高遺傳風險的健康個體，其腸道菌群結構也發生了不利的改變，這一關係的發現為進一步的研究提供了基礎：不僅可以作為潛在的治療靶點，也為具有遺傳易感性的人群及其家人預防IBD提供了可能。

文章來源：安捷致善技術研發部，轉載請註明來源！

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