多組學(xué)分析揭示精神分裂癥的異常腸道-代謝-免疫網(wǎng)絡(luò)

精神分裂癥(SCZ)與多種免疫功能障礙相關(guān)，包括促炎細(xì)胞因子水平升高。微生物及其代謝產(chǎn)物對(duì)免疫系統(tǒng)具有調(diào)節(jié)作用，精神分裂癥患者腸道菌群明顯紊亂。為了系統(tǒng)地研究精神分裂癥患者異常的腸道-代謝組-免疫網(wǎng)絡(luò)，有研究者使用多組學(xué)策略對(duì)63例SCZ患者和57名健康對(duì)照的腸道菌群、血清代謝組和血清炎性細(xì)胞因子進(jìn)行了整合分析。該研究提示了微生物來源的代謝物調(diào)節(jié)炎性細(xì)胞因子的機(jī)制，并為未來從微生物-免疫系統(tǒng)診斷和治療精神障礙提供了見解。該研究發(fā)表在《Frontiers in Immunology》IF：8.786。

實(shí)驗(yàn)方法：非靶向LC-MS/MS分析、代謝組學(xué)數(shù)據(jù)分析、Shotgun宏基因組測(cè)序和全宏基因組關(guān)聯(lián)研究、多種細(xì)胞因子測(cè)量。

技術(shù)路線：

主要研究結(jié)果：

1. SCZ的差異代謝型紊亂

為了更深入地了解SCZ患者血清代謝組特征的組成，我們使用非靶向的LC-MS檢測(cè)空腹血清樣本中的代謝組特征。在獲得的原始數(shù)據(jù)中，兩種離子模式產(chǎn)生了8488個(gè)特征，近19%的特征發(fā)生了顯著改變(OPLS-DA VIP > 1.0, FDR < 0.05)。OPLS-DA評(píng)分圖顯示兩組之間有顯著的區(qū)分度(圖1A)，提示患者在病理狀態(tài)下存在明顯的代謝紊亂，驗(yàn)證圖證實(shí)了OPLS-DA模型的有效性(圖1B)。

通過注釋和檢索，有133個(gè)宿主源性或細(xì)菌源性代謝物特征在SCZ中存在顯著差異，其中大多數(shù)(89個(gè)[67%])在SCZ中顯著缺失。為了進(jìn)一步探索133個(gè)差異豐度(DA)代謝物的生物學(xué)模式，我們使用共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析將所有受試者的DA代謝物分為18個(gè)共豐度簇(圖1C)，其中5個(gè)代謝物沒有聚成任何簇。SCZ患者減少的5種代謝型(M10、11,13,14,15)與病程呈負(fù)相關(guān)(圖1C)。這些代謝類型的代謝物主要包括脂肪酸、吡啶羧酸及其衍生物。

圖1精神分裂癥相關(guān)差異代謝型的鑒定

2. SCZ微生物群落組成的共豐度群變化

考慮到SCZ的各種血清代謝產(chǎn)物可能來自腸道細(xì)菌，我們調(diào)查了SCZ患者腸道微生物的改變。我們通過糞便基因組測(cè)序分析了腸道微生物群，超過5%的樣本中有327個(gè)mOTUs。由于細(xì)菌在腸道生態(tài)系統(tǒng)中以被稱為“由于細(xì)菌在腸道生態(tài)系統(tǒng)中以被稱為“行會(huì)”的功能群工作，我們隨后通過構(gòu)建共豐度網(wǎng)絡(luò)將50個(gè)motu聚類為12個(gè)cag(圖2A)。每個(gè)CAG包含2-7個(gè)mOTUs。其中，SCZ患者的CAG1、CAG2和CAG12明顯低于HCs (圖2B)。

圖2 兩組間顯著不同的重要共豐度群(CAGs)的鑒定

3. 多組學(xué)分析揭示了SCZ中腸道菌群、血清代謝物和炎癥細(xì)胞因子之間的關(guān)系

腸道微生物和血清代謝物可能由于相互作用或雙向調(diào)節(jié)而共變。為了確定這種關(guān)聯(lián)，我們?cè)u(píng)估了所有受試者的代謝類型和cag之間的大規(guī)模關(guān)聯(lián)。在FDR為5%的情況下，9種cag和Shannon指數(shù)與15種代謝型顯著相關(guān)，有67種顯著相關(guān)(圖3A)。HC組富集的CAG1和CAG2與富HC的代謝類型(如脂肪酸、LysoPC/PC和碳水化合物綴合物)呈正相關(guān)，而與“富scz的代謝類型”(如脂肪酸和綴合物)呈負(fù)相關(guān)。在SCZ中富集的CAGs與代謝型的相關(guān)性與上述結(jié)果相反。其中，CAG5、CAG6與脂肪酸、磷脂等代謝產(chǎn)物也有顯著相關(guān)性。通過線性回歸，133種DA代謝產(chǎn)物中有36種與Shannon多樣性顯著相關(guān)(圖3C)。氨基酸和吡啶羧酸的代謝產(chǎn)物，如天冬酰胺-纈氨酸和MNA，表現(xiàn)出最強(qiáng)的相關(guān)性。與香農(nóng)指數(shù)相關(guān)的最豐富的代謝物是甘油磷脂。

同時(shí)，對(duì)病例和對(duì)照組之間的DA細(xì)菌門進(jìn)行Mantel試驗(yàn)，以確定門相關(guān)的代謝類型。值得注意的是，三個(gè)門和總mOTUs均與m1、10和14顯著相關(guān)，主要為脂肪酸、甘油磷脂和二羧酸(圖4A)。

擬桿菌門和總mOTU與代謝物的相關(guān)性趨勢(shì)更相似，表明擬桿菌門在代謝調(diào)節(jié)中可能比其他細(xì)菌發(fā)揮更重要的作用。此外，我們發(fā)現(xiàn)腸道細(xì)菌與血清代謝物的相關(guān)性明顯高于與血清細(xì)胞因子的相關(guān)性。除了CAG11和CCL2顯著正相關(guān)外(圖3B)，我們沒有發(fā)現(xiàn)任何CAG與這六種細(xì)胞因子直接相關(guān)。相反，血清代謝產(chǎn)物與炎癥標(biāo)志物水平顯著相關(guān)。此外，富含scz的代謝類型與促炎細(xì)胞因子呈正相關(guān)，而富含HC的代謝類型與促炎細(xì)胞因子呈負(fù)相關(guān)(圖3A)。

在31個(gè)與代謝物或細(xì)胞因子相關(guān)的mOTUs中，CAG11中有兩個(gè)mOTUs與代謝物和細(xì)胞因子同時(shí)相關(guān)(圖4B)。為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)代謝產(chǎn)物在調(diào)節(jié)微生物對(duì)細(xì)胞因子的影響中的作用，我們進(jìn)行了定向中介分析，發(fā)現(xiàn)了三個(gè)中介鏈接。例如，共生梭菌(Clostridium symbiosum)可能通過降低血清膽酸水平而導(dǎo)致CCL2水平升高(圖4C)，而Eggerthella lenta可能通過影響血清膽酸和天冬酰胺-纈氨酸水平而導(dǎo)致CCL2水平升高(圖4D, E)。CAGs、SCZ相關(guān)代謝物和細(xì)胞因子之間的相互作用網(wǎng)絡(luò)表明，非生物腸道細(xì)菌可能通過與宿主代謝物相互作用來改變炎癥細(xì)胞因子。

圖3 腸道菌群組成、宿主代謝特征和炎癥因子之間的相互關(guān)系

圖4 多組學(xué)相關(guān)分析

4. 基于腸道菌群代謝產(chǎn)物的SCZ診斷

以往的研究?jī)H使用單一組學(xué)數(shù)據(jù)、腸道菌群或代謝物建立了SCZ的診斷模型。為了提高診斷效率，我們將50個(gè)DA mOTUs和133個(gè)血清代謝產(chǎn)物結(jié)合起來構(gòu)建疾病分類器。在訓(xùn)練集內(nèi)的隨機(jī)森林交叉驗(yàn)證中，7種血清代謝產(chǎn)物的分類誤差最小，訓(xùn)練集和測(cè)試集的ROC曲線下面積分別為99.17%和99.45% (圖5A, B)。在分類器中包含的鑒別特征中，膽酸的影響最大，其次是代謝產(chǎn)物如4,8-二甲基壬基肉堿、3-羥基癸酸和前列腺素A2(圖5C)?？傮w而言，血清代謝物診斷SCZ的潛力優(yōu)于腸道細(xì)菌，尤其是腸道微生物來源的代謝物。

圖5代謝產(chǎn)物將精神分裂癥與健康對(duì)照區(qū)分開來

圖6所示，與HC相比，SCZ患者的血清代謝物譜、腸道微生物群和異常血液細(xì)胞因子水平存在顯著差異。我們發(fā)現(xiàn)，代謝類型與腸道微生物cag和炎癥因子顯著相關(guān)，腸道菌群可能通過調(diào)節(jié)宿主代謝過程來影響免疫應(yīng)答。

圖6精神分裂癥與健康對(duì)照組腸道菌群組成、代謝及細(xì)胞因子分析綜述

結(jié)論：

總體而言，通過多組學(xué)相關(guān)性分析，我們發(fā)現(xiàn)SCZ患者中多個(gè)代謝型與腸道微生物代謝密切相關(guān)，并與血清炎癥因子顯著相關(guān)。利用多組學(xué)分析系統(tǒng)了解機(jī)體協(xié)同調(diào)節(jié)機(jī)制的研究將深化對(duì)SCZ系統(tǒng)生物學(xué)的認(rèn)識(shí)，促進(jìn)個(gè)性化多模式SCZ干預(yù)的發(fā)展。此外，已經(jīng)證實(shí)膽汁酸代謝紊亂可能導(dǎo)致認(rèn)知改變，我們的研究也證明了膽酸在調(diào)節(jié)微生物和免疫之間關(guān)系中的重要性。未來需要進(jìn)一步研究膽汁酸代謝在腸-腦軸中的作用，腸道微生物-膽汁酸代謝通路-免疫激活可能是精神分裂癥的潛在治療靶點(diǎn)。