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導(dǎo)讀

心臟代謝疾病(CMDs)已成為全球發(fā)病率和死亡率的主要原因。它們與微生物組的分類和功能組成密切相關(guān)，而飲食可能調(diào)控其中的一部分相關(guān)性。微生物組和飲食都是可以改變的，這為新的治療策略開辟了道路。將高通量組學(xué)技術(shù)(即宏組學(xué))應(yīng)用于微生物組樣本具有前所未有的潛力，可以自上而下地揭示飲食、微生物組、代謝組和心臟代謝健康(CMH)之間的復(fù)雜聯(lián)系。然而，互補(bǔ)宏組學(xué)技術(shù)的有效整合是一個(gè)難題，它們?cè)诖笮完?duì)列中的應(yīng)用仍然有限。本篇綜述回顧了宏組學(xué)技術(shù)，并討論了它們?cè)谶@方面的潛力，重點(diǎn)介紹了最近的大規(guī)模研究及其提供的新見解。最后，作者展望了未來十年的宏組學(xué)研究，并討論了改善心臟代謝健康的各種轉(zhuǎn)化和臨床途徑。

論文ID

原名：Cardiometabolic health, diet and the gut microbiome: a meta-omics perspective

譯名：心臟代謝健康、飲食和腸道微生物組：宏組學(xué)視角

期刊：Nature Medicine

IF：82.9

發(fā)表時(shí)間：2023.3

通訊作者：Nicola Segata

通訊作者單位：意大利特倫托大學(xué)

DOI號(hào)：10.1038/s41591-023-02260-4

綜述目錄

1前言

2宏組學(xué)解開CMD中飲食-微生物組-代謝組軸

3大規(guī)模CMD宏組學(xué)研究

4飲食和腸道微生物組成之間的密切聯(lián)系

5飲食-宿主-微生物組相互作用導(dǎo)致的代謝物“交易”

6未來十年的宏組學(xué)和CMD

7結(jié)論  

主要內(nèi)容

1前言

心臟代謝疾病(CMDs) ，包括糖尿病、胰島素抵抗、心臟病發(fā)作、中風(fēng)和非酒精性脂肪肝，在老齡化社會(huì)中呈上升趨勢(shì)，是西方國家發(fā)病和死亡的主要原因。目前，有幾個(gè)公認(rèn)的與CMD相關(guān)的遺傳和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素：吸煙、腹部肥胖、胰島素抵抗、高血壓、高膽固醇和不健康飲食。此外，人類微生物組的組成與CMD的發(fā)展和進(jìn)展之間的聯(lián)系正受到關(guān)注。由于通過飲食和治療干預(yù)可以改變腸道微生物組，因此了解促進(jìn)或抑制從健康狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)镃MD的潛在飲食和微生物因素之間的相互作用，為預(yù)防和治療開辟了新的途徑。 然而，由于個(gè)體飲食、腸道微生物群和心臟代謝表型之間的關(guān)系具有多向性、多因素性和復(fù)雜性的特點(diǎn)，因此很難理解(圖1a)。因此，將已有知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)施靶向微生物依賴的調(diào)節(jié)策略(如個(gè)性化飲食指南)并非易事，而是需要對(duì)心臟代謝健康(CMH)和疾病中的微生物和宿主有系統(tǒng)性的理解。對(duì)特定微生物、代謝產(chǎn)物或食物進(jìn)行有針對(duì)性的、機(jī)制的、自下而上的研究有助于建立這樣的系統(tǒng)級(jí)模型，但只有通過自上而下的、無靶向性的、無需培養(yǎng)的宏組學(xué)方法，才能重建全面動(dòng)態(tài)圖景。到目前為止，少數(shù)開創(chuàng)性研究已經(jīng)開始鑒定潛在的CMH微生物標(biāo)志物，并已建立了證據(jù)基礎(chǔ)，為進(jìn)一步的研究提供信息(表1)。

本篇綜述總結(jié)了應(yīng)用于微生物群落的非靶向、高通量基因組和分子方法(宏組學(xué)方法)，并討論了它們?cè)诮忾_CMD中人類微生物組、宿主代謝和飲食之間復(fù)雜的相互作用方面的潛力。作者重點(diǎn)關(guān)注近期的大規(guī)模研究，以更好地理解飲食-微生物-代謝組軸和CMH之間的相互作用。最后，作者討論了如何將這些研究結(jié)果整合到旨在降低CMDs風(fēng)險(xiǎn)和嚴(yán)重程度的精準(zhǔn)營養(yǎng)策略中。

圖1. 飲食、生活方式、腸道微生物組和代謝組之間復(fù)雜的多向性關(guān)系及其對(duì)CMH的影響。

a，宿主CMH宏組學(xué)方法研究發(fā)生相互作用的微生物層面的效應(yīng)分子。注意，代謝組學(xué)針對(duì)的是整個(gè)代謝物庫，因此，可以檢測(cè)微生物、宿主及其共有的代謝物。

b，宏組學(xué)技術(shù)及其典型應(yīng)用的樣本類型。

表1. 整合多種宏組學(xué)技術(shù)來破譯飲食-微生物組-代謝組相互作用的研究案例。

2宏組學(xué)解開CMD中飲食-微生物組-代謝組軸

最近的研究迅速加速了我們對(duì)人類微生物組在CMD中的作用的理解。新方法已經(jīng)從簡(jiǎn)單地分析微生物組的高級(jí)分類組成，擴(kuò)展到在單個(gè)基因組層面表征微生物組組成。此外，最近的研究也在關(guān)注微生物基因表達(dá)情況和這些微生物產(chǎn)生的代謝物。

2.1宏基因組和宏轉(zhuǎn)錄組

鳥槍宏基因組學(xué)是指對(duì)微生物群落(通常包括細(xì)菌、古菌、病毒和微型真核生物)的DNA進(jìn)行高通量測(cè)序。測(cè)序結(jié)果可以分析樣品的分類組成(即微生物分類群的存在情況及其相對(duì)豐度)及其功能代謝潛力(這些功能涵蓋抗生素耐藥譜、毒力因子、編碼分解特定營養(yǎng)化合物的酶的基因)，以及鑒定已知和未知的微生物。基于擴(kuò)增子的16S核糖體RNA(16S rRNA)基因測(cè)序，是指用PCR擴(kuò)增16S核糖體高變區(qū)，然后進(jìn)行測(cè)序。這是一種比宏基因組學(xué)更具成本效益的技術(shù)，但只能檢測(cè)細(xì)菌和古細(xì)菌，并且分類分辨率有限。此外，由于它沒有考慮16S rRNA基因以外的基因，因此不能提供微生物組功能潛力的信息，而只能預(yù)測(cè)。因此，雖然16S rRNA基因測(cè)序已用于許多開創(chuàng)性的微生物組CMD研究，但隨著測(cè)序成本的不斷降低，它正在被用于人類微生物組研究的鳥槍宏基因組學(xué)所取代。 宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)對(duì)微生物群落表達(dá)的RNA轉(zhuǎn)錄本庫進(jìn)行高通量測(cè)序。宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)提供微生物基因表達(dá)水平信息，可以發(fā)現(xiàn)活躍表達(dá)的基因功能，并在縱向研究設(shè)計(jì)中使用時(shí)，能夠監(jiān)測(cè)微生物基因表達(dá)隨時(shí)間的變化情況。與宏基因組分析相比，宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)仍然存在重大的技術(shù)挑戰(zhàn)(例如，保持RNA完整性和富集信使RNA)，但它在該領(lǐng)域的重要性越來越強(qiáng)。

2.2宏蛋白組和代謝組

宏蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)方法通過直接測(cè)定產(chǎn)生的蛋白質(zhì)和其他分子來進(jìn)一步分析微生物組的分子級(jí)聯(lián)反應(yīng)。宏蛋白質(zhì)組學(xué)可以大規(guī)模測(cè)定給定樣本中微生物群落編碼的功能產(chǎn)物(整個(gè)蛋白質(zhì)庫)，揭示正在進(jìn)行的代謝過程。宏蛋白質(zhì)組學(xué)使用高分辨率質(zhì)譜，或可選結(jié)合液相色譜法，分離并鑒定肽混合物。當(dāng)獲得肽序列后，可以與基因組數(shù)據(jù)庫相結(jié)合，將蛋白質(zhì)與編碼它們的微生物聯(lián)系起來。雖然目前只有一小部分蛋白質(zhì)物質(zhì)被可靠地鑒定出來，并且由宿主和微生物物質(zhì)的混合物組成，但標(biāo)準(zhǔn)化流程和編目工作正在增加其在宏組學(xué)研究中的應(yīng)用。 代謝組學(xué)針對(duì)微生物群落、宿主以及微生物和宿主結(jié)合通路產(chǎn)生的低分子量分子(代謝物)，提供總體代謝狀態(tài)和相互作用的信息。由于分子大小、極性和豐度的多樣性，整個(gè)代謝物庫的鑒定和定量仍然具有挑戰(zhàn)性。使用不同的技術(shù)，代謝組學(xué)方法既可以測(cè)量確定的特征小代謝物集(靶向代謝組學(xué))，也可以對(duì)代謝組進(jìn)行更具探索性和更全面的分析(非靶向代謝組學(xué))。前者具有更高的靈敏度，可以實(shí)現(xiàn)(半)絕對(duì)定量(使用內(nèi)標(biāo)和跨批次標(biāo)準(zhǔn)化)，并且可以通過使用特定的樣品制備方案來減少偏差，這取決于感興趣的代謝物陣列。相比之下，非靶向代謝組學(xué)方法具有檢測(cè)大量代謝物和尚未表征的代謝物的優(yōu)勢(shì)，這些代謝物難以分析，但能夠?qū)ρ芯緾MH相關(guān)通路提供新的思路。此外，也可以結(jié)合非靶向和靶向代謝組學(xué)，利用這兩種方法的優(yōu)勢(shì)。雖然處理和解釋高通量代謝組學(xué)的結(jié)果仍然具有挑戰(zhàn)性，但代謝組學(xué)提供了宿主生理狀態(tài)和宿主-微生物組相互作用層面的有效、直接的功能數(shù)據(jù)。

2.3單細(xì)胞基因組學(xué)和培養(yǎng)組學(xué)

單細(xì)胞基因組方法可以通過在測(cè)序前分選和靶向特定微生物來提供更高分辨率的宏組學(xué)數(shù)據(jù)，以達(dá)到單細(xì)胞分辨率。這使得研究微生物組的異質(zhì)性和分析低豐度和未培養(yǎng)分類群成為可能。盡管分類的偏倚阻礙了精確的定量估計(jì)，但這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于揭示物種和菌株內(nèi)微生物的多樣性具有很大的希望。 培養(yǎng)人類微生物組仍然具有挑戰(zhàn)性，但從環(huán)境樣品中高通量分離和培養(yǎng)微生物分類群的新方法正在迅速發(fā)展。而且，組學(xué)技術(shù)可以應(yīng)用于單個(gè)菌落，以補(bǔ)充宏組學(xué)的發(fā)現(xiàn)，其優(yōu)勢(shì)是高通量分離和培養(yǎng)方法(培養(yǎng)組學(xué))允許以單個(gè)微生物組成分作為體外或體內(nèi)實(shí)驗(yàn)和轉(zhuǎn)化的一部分進(jìn)行進(jìn)一步表征，培養(yǎng)整個(gè)微生物群的嘗試也在進(jìn)行中。在這樣的系統(tǒng)中，微生物群接種量達(dá)到了類似于群落原始組成的生態(tài)平衡，并且更便于用宏組學(xué)方法進(jìn)行研究，也可以響應(yīng)明確的外部刺激。

2.4病毒組測(cè)序技術(shù)

宏組學(xué)技術(shù)也可以用于分析病毒組組成，已有研究證明在飲食干預(yù)后病毒組發(fā)生改變，與微生物組中細(xì)菌變化類似。噬菌體(只感染細(xì)菌的病毒)甚至比細(xì)菌更豐富，可以極大地改變目標(biāo)細(xì)菌宿主的種群和整個(gè)微生物群的生態(tài)。因此，如果在適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行病毒組研究，通過噬菌體調(diào)節(jié)微生物組的特定成分，可以為靶向治療干預(yù)開辟新的可能性，其優(yōu)點(diǎn)是可以避免廣譜藥物的副作用和抗生素耐藥性的傳播。

2.5其他方法和技術(shù)

最后，盡管不是本綜述的重點(diǎn)，但CMD的動(dòng)物模型已經(jīng)建立并被廣泛采用。宏組學(xué)可以應(yīng)用于這些微生物組，在收集、存儲(chǔ)和處理偏差方面的挑戰(zhàn)更少。因此，宏組學(xué)方法通用性很強(qiáng)，可以應(yīng)用于具有基本相同方法原理的廣泛場(chǎng)景；然而，獨(dú)立于應(yīng)用領(lǐng)域之外，仍然具有挑戰(zhàn)性的是它們產(chǎn)生的不同信息層的集成和解釋。隨著所有宏組學(xué)的不斷改進(jìn)和可用性的增加，我們認(rèn)為它們的整合是目前闡明微生物組-宿主-飲食相互作用的主要障礙。

3大規(guī)模CMD宏組學(xué)研究

考慮到人類微生物組固有的個(gè)體間差異(包括種群內(nèi)和種群間)以及組學(xué)數(shù)據(jù)的高維性，宏組學(xué)研究必然需要大樣本量和相對(duì)復(fù)雜的研究設(shè)計(jì)。因此，到目前為止，只有少數(shù)研究能夠提供對(duì)微生物組-飲食-宿主相互作用的初步系統(tǒng)級(jí)理解。這些研究大多使用了成熟的鳥槍宏基因組學(xué)方法(附表1)，但那些與代謝組學(xué)和其他技術(shù)相結(jié)合的研究(表1)展示了多組學(xué)方法的額外價(jià)值。 心臟代謝疾病的宏基因組學(xué)(MetaCardis)項(xiàng)目展示了大規(guī)模多元組學(xué)應(yīng)用于CMD的潛力(表1)。該項(xiàng)目應(yīng)用大規(guī)模宏基因組學(xué)和代謝組學(xué)(n=1241人)，比較了缺血性心臟病患者、代謝受損對(duì)照組(例如，糖尿病或肥胖癥患者)和健康對(duì)照組的特征。肥胖和2型糖尿病患者以及有心臟病早期和晚期臨床表現(xiàn)的患者出現(xiàn)多種微生物組、血清和尿代謝組改變。這些變化反映了不同的代謝通路，也與他們飲食的營養(yǎng)成分、整體能量攝入和生活方式有關(guān)。這表明，腸道微生物組和代謝組的巨大變化可能早在缺血性心臟病臨床發(fā)病之前就開始了。

在另一項(xiàng)大規(guī)模研究中，對(duì)膳食成分的個(gè)性化反應(yīng)試驗(yàn)(PREDICT 1)，對(duì)1102名受試者在禁食條件下和餐后多個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行了宏基因組學(xué)與血液代謝組學(xué)聯(lián)合分析。該研究還收集了短期和長(zhǎng)期的飲食信息，以檢測(cè)腸道微生物與特定營養(yǎng)素和食物組(尤其是植物性食物)之間的多種關(guān)聯(lián)。此外，作者還鑒定了微生物糞便生物標(biāo)志物，這些生物標(biāo)志物可作為餐后血糖、血脂、炎癥反應(yīng)和肥胖的指標(biāo)。與宏基因組學(xué)和代謝組學(xué)相比，到目前為止只有很少且相對(duì)小規(guī)模的宏組學(xué)研究使用了宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)和宏蛋白質(zhì)組學(xué)，以分析復(fù)雜的飲食-微生物-CMH相互作用 (表1)。

可以說，它們還沒有展示全部潛力，但隨著它們的發(fā)展，可能會(huì)補(bǔ)充那些常用的宏組學(xué)技術(shù)。宏蛋白組的研究還很不充分，但大規(guī)模的研究迅速提高了我們對(duì)微生物“暗物質(zhì)“組成的認(rèn)識(shí)。 將這些和其他宏組學(xué)與宿主組學(xué)結(jié)合起來，以深入了解宿主-微生物組的關(guān)系及其與CMD的聯(lián)系也很重要。整合微生物組學(xué)和宿主組學(xué)的研究之一是人類微生物組計(jì)劃(HMP2)的第二階段，該計(jì)劃將宏基因組學(xué)和代謝組學(xué)與宿主轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)相結(jié)合。在其中一項(xiàng)HMP2研究中，對(duì)106名健康個(gè)體和糖尿病前期個(gè)體的腸道和鼻腔微生物組進(jìn)行了為期4年的縱向采樣，以評(píng)估宿主-微生物群動(dòng)態(tài)變化并識(shí)別胰島素抵抗的特征。通過整合典型途徑分析進(jìn)行的多組學(xué)數(shù)據(jù)整合顯示，病毒感染后，健康參與者的宿主免疫系統(tǒng)和微生物組組成發(fā)生了協(xié)調(diào)變化，而糖尿病前期患者暴露于病毒后，免疫反應(yīng)受損，微生物組在分類和功能水平上發(fā)生了改變。

在另一項(xiàng)涉及炎癥性腸病(IBD)患者的HMP2研究中，綜合宏組學(xué)分析(包括宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)、宏蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)以及宏基因組學(xué))用于在功能水平上識(shí)別IBD期間生態(tài)失調(diào)的特征，這也可以應(yīng)用于CMD患者。其他新興的宏組學(xué)，如表觀基因組學(xué)(分析微生物群落中的DNA甲基化模式；例如，使用單分子實(shí)時(shí)和循環(huán)一致性測(cè)序技術(shù))也可以在未來用于補(bǔ)充常用的宏組學(xué)方法。

4飲食和腸道微生物組成之間的密切聯(lián)系

飲食是CMH的一個(gè)重要決定因素，但它也比宿主基因更能塑造腸道微生物群的組成和特征。腸道微生物表現(xiàn)出特定的營養(yǎng)偏好性。一些細(xì)菌種類(主要是厚壁菌門)可以利用腸道中多種主要營養(yǎng)物質(zhì)(即多糖、蛋白質(zhì)和脂類)，而其他許多細(xì)菌則專門利用特定的營養(yǎng)物質(zhì)。雙歧桿菌(Bifidobacterium，放線菌門)主要是糖分解菌(這意味著它們主要代謝碳水化合物)，而另枝菌屬(Alistipes)細(xì)菌主要代謝蛋白質(zhì)，普雷沃氏菌(Prevotella)主要代謝復(fù)合碳水化合物和植物纖維。從長(zhǎng)期來看，飲食習(xí)慣會(huì)影響微生物組，但短期飲食干預(yù)也能迅速改變微生物組的組成。David等人連續(xù)5天為10名研究參與者提供植物性或動(dòng)物性飲食，然后評(píng)估了微生物組的分類組成(宏基因組學(xué))和基因表達(dá)(宏轉(zhuǎn)錄組學(xué))。動(dòng)物性飲食模式降低了代謝植物多糖的微生物物種的豐度，同時(shí)增加了耐膽汁細(xì)菌的豐度，這一特征反映在宏轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)上，顯示了碳水化合物和蛋白質(zhì)代謝之間的平衡。另一項(xiàng)研究對(duì)34個(gè)人進(jìn)行了為期17天的每日糞便采樣、宏基因組學(xué)和24小時(shí)食物記錄，發(fā)現(xiàn)飲食多樣性與微生物組的穩(wěn)定性有關(guān)。 宏組學(xué)技術(shù)正在迅速提高我們捕捉此類干預(yù)措施影響的能力，但由于數(shù)據(jù)的高維性，這些數(shù)據(jù)需要密集的縱向抽樣和大樣本量，而現(xiàn)在這些研究才剛起步。此外，由于收集和分析食物頻率問卷和營養(yǎng)日記中的信息并不簡(jiǎn)單，因此有必要改進(jìn)個(gè)人飲食分析方法。在解決了這些問題后，飲食干預(yù)似乎是一種很有前景的治療策略，可以調(diào)節(jié)微生物組，使其朝著與降低CMD風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)的更有利的方向發(fā)展。

4.1飲食干預(yù)研究中的宏組學(xué)

地中海飲食(也稱為MedDiet)的特點(diǎn)是植物性、加工程度低的食品攝入高，而動(dòng)物源性、高度加工的食品攝入量少。已有縱向觀察和干預(yù)研究探究了地中海飲食對(duì)腸道微生物組組成的積極影響。一個(gè)長(zhǎng)期觀察性衛(wèi)生專業(yè)人員隨訪研究的子研究，在6個(gè)月內(nèi)分析了925個(gè)宏基因組和340個(gè)宏轉(zhuǎn)錄組。在這項(xiàng)研究中，MedDiet指數(shù)(衡量飲食依從性)在微生物組組成的變化中占第三(僅次于甘油三酯水平和質(zhì)子泵抑制劑的使用)，因此甚至比抗生素的使用更重要。較高的MedDiet依從性與腸道微生物組中短鏈脂肪酸(SCFA)產(chǎn)生菌的豐度呈正相關(guān)。相反，較低的MedDiet依從性與次級(jí)膽汁酸生物合成潛力的升高有關(guān)。MedDiet與心臟代謝風(fēng)險(xiǎn)之間的保護(hù)性關(guān)聯(lián)在腸道菌群缺乏Prevotella copri的參與者中明顯更強(qiáng)。有趣的是，與工業(yè)化和城市化程度較低的社會(huì)相比，在典型西化生活方式的社會(huì)中P. copri的流行率顯著降低，這可能是由于復(fù)合植物纖維的飲食攝入量不同。P. copri還可以調(diào)節(jié)葡萄糖代謝的改善，并與空腹和餐后心臟代謝和炎癥標(biāo)志物(如內(nèi)臟脂肪、極低密度脂蛋白膽固醇和GlycA)呈負(fù)相關(guān)。P. copri仍然是一種了解不足的細(xì)菌，其物種多樣性不斷擴(kuò)大，在健康方面發(fā)揮著環(huán)境依賴性作用，并且是一個(gè)明確的例子，表明單一物種的存在不足以驅(qū)動(dòng)與宿主健康和飲食的強(qiáng)烈關(guān)聯(lián)，因此應(yīng)該研究微生物組的完整多類群潛力。 幾項(xiàng)干預(yù)性研究證實(shí)了MedDiet的有益作用及其與微生物組的關(guān)系。Meslier及其同事在一項(xiàng)隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)中招募了健康超重和肥胖參與者，發(fā)現(xiàn)與對(duì)照組(常規(guī)飲食)相比，MedDiet組的Faecalibacterium prausnitzii和羅氏菌屬(Roseburia)物種的豐度增加，而Ruminococcus gnavus和Ruminococcus torques的豐度較低。作者發(fā)現(xiàn)胰島素抵抗的改善與特定的細(xì)菌有關(guān)，包括P. copri相對(duì)豐度較低以及基線時(shí)單形擬桿菌(Bacteroides uniformis)和普通擬桿菌(Bacteroides vulgatus)豐度增加。因此，越來越多的證據(jù)支持富含纖維的飲食(如MedDiet)通過腸道微生物群的可重復(fù)變化對(duì)CMH產(chǎn)生有益影響。其他已被探索用于改善CMH的飲食包括限時(shí)飲食(即間歇性禁食)和生酮飲食(減少碳水化合物攝入)，但它們對(duì)微生物組的積極影響尚不清楚。隨著對(duì)飲食-微生物組-CMH聯(lián)系的了解程度逐漸升高，可能有助于設(shè)計(jì)更具體的飲食方案來調(diào)節(jié)微生物組，使其朝著促進(jìn)CMH的最佳組合方向發(fā)展。

5飲食-宿主-微生物組相互作用導(dǎo)致的代謝物“交易”

除了影響微生物組的組成外，高度復(fù)雜的人類飲食(包含數(shù)千種迄今尚未表征的膳食化合物)在被宿主消化和微生物代謝時(shí)還導(dǎo)致復(fù)雜的分子“交易”。代謝物是高度動(dòng)態(tài)的，因此可以為診斷、預(yù)后和監(jiān)測(cè)治療效果提供信息。鑒于代謝組學(xué)方法通常只能識(shí)別具有可接受置信度范圍內(nèi)的有限部分代謝物，因此準(zhǔn)確區(qū)分CMH中重要的不同類型代謝物至關(guān)重要。這些不同類型的代謝物(圖2)包括膳食代謝物、由膳食底物或宿主衍生化合物產(chǎn)生的大量微生物來源代謝物、藥物化合物和微生物組修飾藥物，以及宿主代謝物(盡管宿主代謝物不是本文的重點(diǎn))。因此，通過代謝組學(xué)檢測(cè)到的代謝物通常是由攝入飲食和藥物產(chǎn)生的分子、身體產(chǎn)生的代謝物、微生物途徑產(chǎn)生的代謝物以及宿主和菌群都可以產(chǎn)生的代謝物的混合物。根據(jù)樣品的性質(zhì)，這些大類代謝物以不同的比例存在(圖1b)。事實(shí)上，由于代謝組學(xué)可以在多種生物樣本上進(jìn)行(包括尿液、血液、糞便和唾液)，因此追蹤各器官的代謝物對(duì)于揭示系統(tǒng)機(jī)制非常重要。

圖2. 代謝物交換及其代謝組學(xué)檢測(cè)。

(1)膳食代謝產(chǎn)物被宿主和/或其微生物組消化。

(2)微生物組的成員從膳食底物或宿主產(chǎn)生的其他代謝物中產(chǎn)生一個(gè)代謝物池。

(3)藥物化合物也可以被微生物組改變(例如，滅活或生物積累)。

(4)代謝組學(xué)技術(shù)檢測(cè)宿主產(chǎn)生的代謝物，以及微生物組產(chǎn)生的代謝物。所有類型的代謝物都會(huì)影響CMH狀態(tài)。

5.1膳食化合物

飲食是各種化合物的主要來源，例如咖啡等簡(jiǎn)單的食物含有數(shù)千種不同的分子，其中許多未知的或依賴于特定類型的咖啡或制備方法。雖然討論膳食化合物的多樣性是一份艱巨的任務(wù)，并且超出了本綜述的范圍，但有一類因其對(duì)CMH的潛在益處而受到廣泛研究的膳食代謝物是多酚。這是由數(shù)千種分子(酚酸、類黃酮、木脂素、木質(zhì)素、香豆素和二苯乙烯)組成的復(fù)雜分子群，存在于漿果、蔬菜、茶、咖啡、葡萄酒、可可、橄欖油、堅(jiān)果和種子中，是植物的防御化學(xué)物質(zhì)?，F(xiàn)有的靶向代謝組學(xué)可以檢測(cè)到許多多酚，并發(fā)現(xiàn)它們與降低微生物介導(dǎo)的心臟代謝風(fēng)險(xiǎn)有關(guān)。據(jù)估計(jì)，只有10%的膳食多酚在小腸中被代謝和吸收，而其余的多酚則進(jìn)入結(jié)腸，在結(jié)腸中被腸道微生物代謝。與此相一致的是，多酚的攝入與特定類群的相對(duì)豐度和微生物組多樣性的增加有關(guān)。 共軛亞油酸(CLAs)是另一組膳食來源的代謝物(主要存在于反芻動(dòng)物的肉類和乳制品中)，與改善CMH標(biāo)志物相關(guān)性特別顯著，包括減輕體重和脂肪量，改善粘膜屏障完整性。共軛亞油酸也可以由腸道微生物合成，這一事實(shí)凸顯了識(shí)別CLAs和一般代謝物的來源和類型的難度。口服產(chǎn)生共軛亞油酸的短雙歧桿菌菌株可調(diào)節(jié)小鼠脂肪組織的脂肪酸組成。然而，雖然對(duì)富含CLAs的食物或產(chǎn)生CLAs的細(xì)菌的干預(yù)產(chǎn)生積極反應(yīng)的決定因素尚不完全清楚，但某些代謝物的基線水平(由非靶向代謝組學(xué)確定)可以預(yù)測(cè)對(duì)CLA補(bǔ)充的積極反應(yīng)，從而允許對(duì)其功能進(jìn)行機(jī)制假設(shè)。

5.2微生物代謝物

腸道微生物產(chǎn)生數(shù)百到數(shù)千種代謝物，這些代謝物進(jìn)入血液后甚至?xí)┻^血腦屏障對(duì)宿主產(chǎn)生系統(tǒng)性影響。所產(chǎn)生的代謝物的性質(zhì)取決于飲食和宿主提供的底物，這些底物到達(dá)大腸并被微生物群進(jìn)一步轉(zhuǎn)化，以及微生物組本身的組成，這決定了它們編碼的特定酶途徑。 例如，三甲胺(TMA)由多種微生物(包括梭菌、腸桿菌科和真桿菌科的微生物)合成，在動(dòng)物源性食物中的營養(yǎng)物質(zhì)(包括肉堿、膽堿和卵磷脂)降解后產(chǎn)生的。當(dāng)TMA被肝臟吸收后，被肝酶氧化為氧化三甲胺，這是一種與心血管風(fēng)險(xiǎn)增加有關(guān)的尿毒癥毒素。目前研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了三種TMA合成途徑，宏基因組學(xué)詳細(xì)探究了它們?cè)诩?xì)菌界的系統(tǒng)發(fā)育分布。此外，宏基因組數(shù)據(jù)挖掘發(fā)現(xiàn)了膽堿TMA-裂解酶(CutC)和肉堿加氧酶(CntA)合成途徑的變異，并通過代謝組學(xué)(使用液相色譜-質(zhì)譜)進(jìn)行了驗(yàn)證。與抗生素不同，抗生素非特異性地影響腸道細(xì)菌并可能導(dǎo)致不良副作用和耐藥性，靶向特定微生物基因產(chǎn)物的化合物(例如CutC抑制)具有治療潛力，而不會(huì)損害與健康表型相關(guān)的腸道微生物。 其他已知對(duì)CMH有影響的微生物代謝物是短鏈脂肪酸(尤其是乙酸、丁酸和丙酸)，它們是通過發(fā)酵復(fù)雜的抗性碳水化合物和氨基酸產(chǎn)生的，這些碳水化合物和氨基酸在近端腸道中無法消化和吸收。丁酸鹽和丙酸鹽是發(fā)揮CMH促進(jìn)作用的主要SCFAs。丁酸占結(jié)腸細(xì)胞(結(jié)腸上皮細(xì)胞)能量來源的70-80%，有助于維持有利于健康腸道微生物群的厭氧環(huán)境，而丙酸有助于肝臟中的糖異生。丁酸和丙酸的生物合成途徑是眾所周知的，它們?cè)谀c道微生物中的分布可以通過宏基因組學(xué)來追蹤。腸道存在許多其他類型的潛在相關(guān)微生物代謝物，但它們尚未得到充分研究或仍有待發(fā)現(xiàn)。到目前為止，整合糞便宏基因組學(xué)和代謝組學(xué)分析是填補(bǔ)這一重要空白的最有前景的方法。 最后，膽汁酸是宿主產(chǎn)生的代謝物，然后被微生物組改變。初級(jí)膽汁酸在肝臟中由膽固醇合成，并在食物攝入后釋放到小腸中，在那里它們協(xié)助消化和吸收膳食脂肪。雖然大多數(shù)初級(jí)膽汁酸在回腸被重新吸收并返回肝臟，但仍有一小部分到達(dá)結(jié)腸。然后，這些膽汁酸被細(xì)菌修飾成次級(jí)膽汁酸(如脫氧膽酸和石膽酸)，被被動(dòng)地重新吸收進(jìn)入循環(huán)或隨糞便排出。膽汁酸的微生物代謝改變了它們的生物利用度，從而影響了它們所涉及的代謝反應(yīng)。最近一項(xiàng)針對(duì)百歲老人的研究表明，通過產(chǎn)生獨(dú)特的次級(jí)膽汁酸，腸道微生物組譜可能在一定程度上解釋了這些人對(duì)年齡相關(guān)疾病、慢性炎癥和傳染病的易感性降低。微生物組產(chǎn)生的代謝物的范圍不斷擴(kuò)大，而以前認(rèn)為這些代謝物僅由宿主產(chǎn)生，從而擴(kuò)大了潛在治療發(fā)現(xiàn)和開發(fā)的空間。

5.3微生物組藥物代謝產(chǎn)物

除抗菌藥物外，許多其他藥物也會(huì)影響微生物群。在一項(xiàng)高通量培養(yǎng)組學(xué)研究中，Maier等人發(fā)現(xiàn)，高達(dá)24%的非抗生素上市藥物能抑制至少一種細(xì)菌菌株的生長(zhǎng)。此外，微生物在藥物代謝中也起著關(guān)鍵作用。例如，二甲雙胍影響某些微生物分類群的相對(duì)豐度，反過來，微生物似乎介導(dǎo)了該藥對(duì)2型糖尿病患者的一些治療效果(二甲雙胍促進(jìn)SCFAs的產(chǎn)生，調(diào)節(jié)膽汁酸代謝并改善葡萄糖穩(wěn)態(tài))。雖然二甲雙胍的作用機(jī)制仍有爭(zhēng)議，但該藥物通過降低脆弱擬桿菌(Bacteroides fragilis)的豐度(從而降低膽鹽水解酶活性)，增加膽汁酸甘氨熊去氧膽酸(受體的內(nèi)源性拮抗劑)的水平來抑制腸道膽汁酸受體。他汀類藥物也被確定為微生物組組成的重要協(xié)變量，其攝入量與較低的失調(diào)微生物組有關(guān)。反過來，基線微生物組組成與對(duì)他汀類藥物的反應(yīng)有關(guān)。 微生物組改變治療藥物可用性的另一種機(jī)制是生物積累(即在細(xì)胞內(nèi)儲(chǔ)存藥物化合物而不改變其結(jié)構(gòu))。細(xì)菌生物積累可以限制對(duì)抗抑郁藥度洛西汀的反應(yīng)。除了生物積累外，某些微生物組成員也可以直接代謝藥物。一種常見的腸道微生物Eggerthella lenta，在不與氨基酸精氨酸共同使用時(shí)可以使心臟藥物地高辛失活。此外，L-DOPA是治療帕金森病的常用藥物，可由糞腸球菌(Enterococcus faecalis)和E. lenta代謝，抑制代謝通路可導(dǎo)致生物利用度增加。因此，腸道微生物組可能至少部分解釋了在不同個(gè)體中觀察到的廣泛藥物反應(yīng)，而根據(jù)微生物組組成或環(huán)境改進(jìn)治療可能改善患者結(jié)局。更好地揭示藥物-微生物相互作用最終可以提高藥物療效。因此，藥物開發(fā)需要仔細(xì)考慮微生物組，并且需要高通量方法來系統(tǒng)地研究這一點(diǎn)。

6未來十年的宏組學(xué)和CMD

本綜述中描述的宏組學(xué)方法，以及越來越大規(guī)模的臨床研究和CMH監(jiān)測(cè)設(shè)備的發(fā)展(例如，連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)設(shè)備和食物記錄應(yīng)用程序)，都使科學(xué)家和臨床醫(yī)生組成的多學(xué)科團(tuán)隊(duì)能夠識(shí)別CMD的新特征，并具有改善CMH的轉(zhuǎn)化應(yīng)用潛力。為了實(shí)現(xiàn)臨床轉(zhuǎn)化，推進(jìn)宏組學(xué)數(shù)據(jù)的有效分析以及在研究?jī)?nèi)部和跨研究之間更好地整合這些數(shù)據(jù)至關(guān)重要。事實(shí)上，到目前為止，大多數(shù)研究都集中在單一的宏組學(xué)方法上(主要是宏基因組學(xué)或宏蛋白質(zhì)組學(xué)；附表1)，或者其中幾種方法，但很少整合不同的信息層。商業(yè)計(jì)劃已經(jīng)開始使用不太常見的宏組學(xué)向消費(fèi)者提供微生物組檢查(例如，宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)提供基于微生物組的個(gè)性化健康評(píng)分)，但仍然缺乏多組學(xué)和綜合方法。隨著單一宏組學(xué)方法的發(fā)展，它們的整合和解釋可能會(huì)變得更容易。宏組學(xué)數(shù)據(jù)整合可能受益于應(yīng)用通常用于集成多個(gè)宿主組學(xué)數(shù)據(jù)集的相同統(tǒng)計(jì)方法和工具，包括監(jiān)督方法，如網(wǎng)絡(luò)、多核和基于多步驟的方法。隨著幾項(xiàng)涉及數(shù)千名參與者的研究的完成，未來預(yù)計(jì)會(huì)有更多的研究跟進(jìn)，并且樣本量和宏組學(xué)深度和分辨率都會(huì)增加。

6.1人群健康

十多年的宏組學(xué)研究中積累的成果表明，只有在大規(guī)模隊(duì)列(至少在數(shù)千個(gè)人的數(shù)量級(jí))才有可能開始識(shí)別CMH的強(qiáng)微生物組特征。然而，可能需要在樣本量上增加另一個(gè)數(shù)量級(jí)(達(dá)到數(shù)萬個(gè)個(gè)體，類似于全基因組關(guān)聯(lián)研究中的樣本數(shù))，才可以獲得可重復(fù)和可推廣到亞人群的微生物組特征。事實(shí)上，本綜述中討論的一些倡議的后續(xù)研究(附表1)正在開始達(dá)到這些數(shù)字，包括PREDICT 3，現(xiàn)在包括5萬多人。除了規(guī)模的增加，還需要精心設(shè)計(jì)具有密集縱向采樣和廣泛元數(shù)據(jù)的研究，以解釋微生物組組成的許多協(xié)變量和潛在混雜因素，以便發(fā)布旨在降低微生物組介導(dǎo)的、急劇上升的CMD風(fēng)險(xiǎn)的一般性建議。

6.2精準(zhǔn)營養(yǎng)

大量研究表明，即使在同卵雙胞胎之間，對(duì)相同食物的代謝反應(yīng)也存在很大差異。這強(qiáng)調(diào)了以個(gè)性化的方式提供飲食建議的可能性，該建議考慮了將CMD風(fēng)險(xiǎn)的餐后代謝結(jié)果降至最低的食物。雖然開發(fā)基于微生物組信息的精準(zhǔn)營養(yǎng)策略已開始商業(yè)化，并且非常有前景，但也有一些主要限制因素，如飲食-微生物群-CMH標(biāo)志物的高度個(gè)體差異性，在我們復(fù)雜的飲食攝入中識(shí)別單一食物或化合物的影響的難度，以及宿主-微生物組界面上大量未知的相互作用因素。在大多數(shù)情況下，公共科學(xué)和轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)無法在經(jīng)濟(jì)上支持克服這些限制所需的研究基礎(chǔ)設(shè)施。為了推進(jìn)這一領(lǐng)域的發(fā)展，很可能需要聯(lián)合公共項(xiàng)目與商業(yè)項(xiàng)目，類似于探索人類遺傳學(xué)的商業(yè)項(xiàng)目取得的不同成功。

6.3新的益生元、益生菌和后生元

通過調(diào)節(jié)微生物組和宿主-微生物組來改善CMH的非膳食方法是一個(gè)發(fā)展迅速的領(lǐng)域。這種類型的治療干預(yù)包括益生元(旨在改變微生物群的組成和/或活性的化合物或化合物混合物)、益生菌(通過短暫或穩(wěn)定定殖對(duì)宿主健康有益的活微生物)、合生元(益生元和益生菌的組合)和后生元(體外產(chǎn)生的微生物代謝物、無生命微生物和/或其成分)。這些干預(yù)最初旨在減少腸道炎癥，但越來越多的研究評(píng)估其調(diào)節(jié)宿主CMH的潛力。例如，益生菌正在從發(fā)酵食品中常見的一組經(jīng)過充分研究的分類群，發(fā)展為基于宏組學(xué)研究確定的更多樣化分類群的下一代益生菌。最近的一個(gè)案例是嗜黏蛋白阿克曼氏菌(Akkermansia muciniphila)，它與肥胖呈負(fù)相關(guān)。一項(xiàng)試點(diǎn)試驗(yàn)成功將其作為一種后生元干預(yù)措施進(jìn)行了測(cè)試，在該試驗(yàn)中，巴氏殺菌形式的細(xì)菌被證明可以提高胰島素敏感性，降低胰島素血癥和血漿總膽固醇。宏組學(xué)方法一直促進(jìn)識(shí)別候選益生菌，并為設(shè)計(jì)更有效、更有針對(duì)性的新一代CMD益生菌提供支持，一些新一代益生菌正在進(jìn)行試點(diǎn)臨床試驗(yàn)(如NCT05114018和NCT04797442)。除A. muciniphila外，其他候選菌還包括F. prausnitzii、Eubacterium hallii、P. copri和Bacteroides。

6.4糞便菌群移植

從健康供體獲得糞便并通過糞便微生物群移植(FMT)，是一種顯著調(diào)節(jié)患者腸道微生物群走向更健康狀態(tài)的成功策略。FMT現(xiàn)在是復(fù)發(fā)性艱難梭菌感染的一種公認(rèn)的治療方法(已被歐洲和美國批準(zhǔn))，它還用于平衡潰瘍性結(jié)腸炎的腸道生態(tài)失調(diào)，并改善癌癥(特別是晚期黑色素瘤)的免疫治療反應(yīng)。研究表明，在CMD的背景下，使用瘦人供體進(jìn)行FMT會(huì)增加患有代謝綜合征的肥胖個(gè)體的胰島素敏感性。然而，迄今為止報(bào)道的瘦人供體FMT的有益作用是短暫的，由基線腸道微生物組組成驅(qū)動(dòng)，而胰島素敏感性的改善與血漿代謝物的變化有關(guān)。事實(shí)上，迄今為止，F(xiàn)MT治療CMD的效果有限，根據(jù)目前有限的治療或保護(hù)作用，應(yīng)仔細(xì)評(píng)估FMT的潛在副作用。由臨床醫(yī)生和宏組學(xué)專家合作開發(fā)的個(gè)性化供體選擇和方案，以及供體糞便樣本的培養(yǎng)微生物混合物替代品，都有潛力利用整個(gè)微生物組促進(jìn)CMH。正如我們現(xiàn)在所理解的那樣，微生物組的傳播是巨大的，即使是個(gè)體在同一屋檐下生活幾年的結(jié)果，并且與微生物群相關(guān)的CMDs風(fēng)險(xiǎn)因素部分可傳播，因此未來可能會(huì)出現(xiàn)基于非FMT的新型微生物群調(diào)節(jié)策略。

結(jié)論

宏組學(xué)方法在解析飲食、腸道微生物組、代謝組之間的復(fù)雜相互作用及其在CMH和疾病中的作用方面具有巨大潛力。雖然只有少數(shù)大規(guī)模研究在CMD研究的背景下整合了多種宏組學(xué)(與一般人群或IBD等其他疾病的研究形成對(duì)比，表1)，但這些研究已經(jīng)確定了有希望的特征，在解決當(dāng)前的挑戰(zhàn)并使用更大的樣本量后，在不久的將來設(shè)計(jì)有效的下一代治療策略具有很大的希望。

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