对人类的流行病学和遗传学研究以及对动物的实验研究表明，最常见的慢性非传染性疾病（如缺血性心脏病（IHD））的发病机制一般涉及多因素的复杂相互作用，而迄今为止的大部分研究往往忽视了这一点。来自丹麦哥本哈根大学Oluf Pedersen等团队在IHD的既往研究背景下，通过对处于心脏代谢疾病(CMD)谱系中不同阶段的中年人进行肠道宏基因组和血清和尿液代谢组的综合分析，获得疾病进程中的菌群和代谢组的变化特征。相关成果发表于《Nature Medicine》。
研究设计和表型分析
本研究招募1241 名欧洲中年人，包括372 名IHD患者，其中 112 名患有急性冠状动脉综合征 (ACS)、158 名患有慢性缺血性心脏病 (CIHD) 和 102 名伴有心力衰竭 (HF)的 IHD；此外还包括275 名在人口统计、年龄和性别方面匹配的健康对照 (HC)和222 名未经治疗的代谢匹配对照 (UMMC)（即具有代谢综合征特征的个体，IHD风险增加但未接受脂质-降低或抗糖尿病或抗高血压药物）。最后纳入372 名与IHD患者在T2D状态和体重指数 (BMI) 方面匹配的对照——代谢匹配对照 (MMC)（图1）。
结果显示，CMD 表型严重程度和相关药物摄入量从HC到经过治疗和未治疗的代谢匹配对照（分别为MMC和 UMMC）再到明显IHD病例的进展过程中不断增加。尽管国籍、年龄、性别、BMI和T2D状态相匹配，但IHD患者的表型仍然与MMC个体明显不同：IHD组表现出内脏脂肪增加、血糖升高、肝酶血浆浓度升高以及高血压患病率和严重程度增加。同时，不同研究组的饮食和身体活动存在差异。与IHD和MMC组相比，HC组的饮食更健康并且且体力活动水平也更高。
图1. 实验设计流程
与代谢紊乱相关的菌群和代谢组变化
肠道菌群的分类和功能以及代谢物在IHD和HC个体之间存在显著差异。与HCs与IHD两组间差异相比，HC与MMC显示出更多的差异特征（图2a）。此外，IHD 和HC组之间菌群和代谢物特征的区分潜力显著高于IHD和MMC个体之间的差异（图2b）。HC和IHD之间的结果与既往报道的IHD相关的肠道菌群研究结果一致。然而，大多数特征在MMC与HC比较中已经呈现显著差异，表明以前的研究可能错误地将代谢障碍特征报告为真正的IHD特征，这可能会增加IHD的风险，因为这些特征不是IHD特有的。
在较高的菌群结构水平下，随着疾病的恶化，从拟杆菌属1和瘤胃球菌属菌群向较低细菌细胞数的拟杆菌属2发生了显著转变（图2c），反映从MMC和IHD到HC个体中菌群基因丰富度（图2d）和菌群负荷的显著降低。相比之下，IHD组与MMC组之间未发现显著差异。在UMMCs中的菌群基因丰富度降低和拟杆菌属2的增加甚至更加严重，这可能是由于尚未使用药物以及该组中存在更肥胖的表型。
图2. IHD发展中肠道菌群和代谢特征变化
IHD的菌群和代谢组特征
根据CMD谱中的各个组比较中的特征对其进行分类，从而进一步区分 IHD 特征与其代谢发病率，定性地关注条件特异性，定量地关注效应大小（图3）。通过仅在相应条件下表现出的显著变化（即HC与MMC/ UMMC 的代谢异常特征（DMF）或MMC/UMMC 与IHD患者的IHD特异性特征 (IHDF)）来确定代谢异常（图3a，b）或IHD（图3a，c）。此外，根据它们是否在代谢异常和IHD中表现出典型的效应大小变化来识别特征，或者将其保持在从代谢异常到IHD的相同方向（升级特征(ESCF))或者保持在相反方向（降级特征（DSCF））进行识别（图3）。
ESCF是IHD的早期特征，在代谢发病率（即HC与MMC/UMMC）到显性IHD（即MMC/UMMC与IHD组）期间ESCF出现持续增加/较少；相比之下，当考虑HC与MMC/UMMC和MMC/UMMC 与IHD之间的效应大小时，DSCF 表现出相反的转变模式。总之，对于MMC中已经异常的特征，DSCF代表那些在诊断和治疗的IHD中恢复到HC水平的特征，可能与疾病稳定有关。IHD相关特征被归类为一般代谢异常的特征，而非IHD特有的特征，其次是IHD特有特征，然后是降级和升级特征。
图3. 横断面研究中用于菌群和代谢特征分类的方法
在121种作为代谢异常标志物的物种（DMF）中，绝大多数（85%）在IHD中被消耗，IHD特异性特征有23个物种（图4a和5），在患者中具有相似的消耗趋势（65%），包括之前报道的在IHD中消耗的三种变形菌（Acinetobacter、Turcimonas 和 Acetobacter）。在IHD组富集的8个物种中，有2个是Burkholderiales目的Betaproteobacteria菌，而已报道Burkolderia pseudomallei是心内膜炎的一个可能原因。Ruminococcus（在IHD中消耗的未被鉴定的一个单一物种）是IHD的升级标记（图4b）；ruminococci包括丁酸生成者，其消耗可能导致IHD中短链脂肪酸 (SCFA) 的生成潜力降低。6个物种是IHD的降级特征（图4c），它们属于Clostridiales目，除了Eubacterium siraeum之外，其他的都没有在物种甚至属分类水平上分类。据报道Eubacterium在动脉粥样硬化中被消耗。相比之下，菌群功能（GMMS）和KEGG模块大多富集在在IHD中。
在代谢物方面，大多数IHD特异性特征代谢物被显著富集：相对于HC，在203个IHD特异性特征中，只有50个（25%）被消耗（图4）。还发现一系列IHD特异性代谢物的富集，包括胆碱和肉碱途径的中间体（即胆碱、甜菜碱醛、三甲胺氮氧化物（TMAO）等物质的前体），已知可调节IHD风险。还发现花生四烯酸 (C20:4) 来源的促炎脂质（5-羟基二十碳四烯酸（5-HETE）、白三烯B4等）升高。相比之下，脂肪酸甲酯（十六烷酸甲酯、亚麻酸甲酯和油酸甲酯以及α-生育酚）是最主要的一类代谢物，其消耗构成IHD的特异性标记（图4a）。
代谢组所代表的大多数IHD升级特征在代谢异常时表现出最初消耗，在IHD诊断后持续消耗（图4b）。除了包括鞘磷脂和甘油磷脂在内的几种复杂磷脂外，已知能改善心血管健康的几种类胡萝卜素(例如胡萝卜素二醇和β-隐黄质)和**硫素，也表现出上述消耗模式。相比之下，4-甲酚和苯乙酰谷氨酰胺表现出从代谢异常到IHD的富集模式（图4b）。上述代谢物是早期干预的关键目标，尤其是 4-甲酚，在本研究中作为ACS和 CIHD 升级特征出现，它也是HF患者血液中特异性富集的最重要的标志物之一，可能与其在尿毒症中的作用有关。
大多数DSCF（代谢物和菌群功能分别为 89% 和 100%）在代谢障碍阶段表现出初始消耗模式，但在IHD治疗阶段表现出明显逆转（图4c）。表明菌群和代谢物特征对长期多因素治疗的反应，可能有助于IHD的稳定。此外，实现稳定的IHD状态似乎涉及恢复损失的肠道菌群细胞密度（图4c），以及降解支链氨基酸和半乳糖的能力，同时恢复损失的丁酸和乙酸生产能力。
图4. 与IHD及其代谢障碍阶段的菌群和代谢特征
IHD 亚型的菌群和代谢组特征
对ACS、CIHD和HF组的综合分析为菌群和代谢物特征的相对变化提供了更多理解：与对照组相比，每个IHD亚组的典型特征总数在CIHD中最高，其次是HF和ACS。CIHD在肠道菌群功能上表现出最大的差异变化，而ACS在代谢物特征上表现出主要的差异变化（图 5）。通过IHD与HC比较发现，大多数（69%）与代谢障碍相关的物种也存在于IHD亚组与HC比较中，这表明似乎与代谢功能障碍有关的菌群紊乱可能在整个过程中持续存在于IHD的各个阶段。
在考虑ACS特有的代谢特征时，前10个代谢物中有8个是药物分析物或药物代谢物，与阿司匹林、美托洛尔和阿托伐他汀有关。促炎代谢物（5-和12-羟基二十碳四烯酸 (HETE)、白三烯B4和B5）以及菌群宿主苯丙氨酸共代谢产物（苯乙酰肉碱、苯乙酰谷氨酸和 2-羟基苯乙酸）也有所增加，其次是吲哚硫酸和 TMA，与已确定的IHD的总体特异性特征一致。同样，一些ACS特异性消耗代谢物在IHD中的含量也较低，包括α-生育酚、油酸甲酯和十六烷酸甲酯。
与ACS的发现相反，CIHD和HF分别发现了19个和31个特异物种标志物，表明IHD慢性期的菌群发生了其他的变化，且这些变化影响的菌属种类不多。大多数CIHD特异性特征在对照组中富集，尤其是氨基酸生物合成的菌群功能显著富集，包括BCAA、蛋氨酸和赖氨酸模块。苯乙酸代谢物的升高反映了苯丙氨酸和酪氨酸的降解的增强。
一些代谢物特征表现出HF特异性富集，包括4-甲酚、4-甲酚硫酸、4-甲酚葡糖苷酸、胆碱和TMA以及几种肉碱；相反，一些代谢物在HF特异性消耗，如α-生育酚和3-吲哚乙醛酸，提示脂肪酸代谢改变，已报道脂肪酸代谢在HF发病机制中起关键作用。
图5. IHD及其亚型中的代谢和菌群特征发生独特变化
临床亚组分类
通过将MetaCardis研究人群随机分成70%和30%的组构建模型，前者用于训练，后者用于测试；在所有病例中，组学标志物在测试集上产生曲线下面积（AUC）值均大于0.7，并且高于仅临床标志物的AUC值，尤其是相对于MMC组的分类。
为了进一步验证分类模型，利用了另一独立数据集，重点关注的ACS亚组以匹配研究样本的病理。来自两项研究的ACS特异性代谢组学标志物高度相关（图6a），证实在两项研究中观察到类似的变化并验证了大部分的ACS特异性代谢物特征。而且，当上述标志物用于在人群中训练并在独立的另一人群中测试的 OPLS-DA模型中时，表现出很强的区分潜力。基于具有临床变量（模型3）或没有临床变量（模型2）的ACS特异性组学标志物的模型的性能明显优于仅基于临床的模型（图6c）。总之，本研究证实了的校正混杂因素后的菌群和代谢组标志物在临床环境中的鉴别潜力的稳健性（图6）。
图6. ACS标志物的验证
小结
本研究对健康个体、代谢异常疾病个体和处于三个不同临床阶段的IHD个体进行横断面研究，获取心脏代谢疾病的广泛肠道菌群和血浆和尿液代谢组特征。通过对组学数据进行综合分析，调整了多种药物的混杂因素以及在诊断IHD前的前驱期发生的代谢异常的影响。此外，本研究还对与IHD及其亚型代谢异常或升级、降级或稳定相关的菌群和代谢组病理生理特征进行了分类。
参考文献
Microbiome and metabolome features of the cardiometabolic disease spectrum. Nature Medicine. 2022. https://doi.org/10.1038/s41591-022-01688-4.
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