肠道微生物功能通路改变为肠易激综合征提供精准健康新见解

《BMC Gastroenterology》：Altered gut microbial functional pathways in people with irritable bowel syndrome enable precision health insights

本研究针对肠易激综合征（IBS）等功能性胃肠病诊断和治疗挑战，开发了一套基于粪便宏转录组的肠道微生物功能通路评分系统。研究人员通过对80,570例成人样本的分析，建立了8个与肠道生化活动相关的微生物功能通路评分，并在独立队列中验证了这些评分与IBS及其亚型的显著关联。该研究为通过微生物功能活动评估提供早期健康洞察和个性化营养干预奠定了基础，推动了精准健康管理在胃肠道疾病中的应用。

　　

在全球范围内，近40%的人口受到脑肠互动障碍（DGBIs）的影响，其中肠易激综合征（IBS）作为最常见的DGBIs之一，困扰着约11%的全球人口。IBS患者常表现为腹痛、腹胀、排便习惯改变等症状，且在不同亚型（IBS便秘型、IBS腹泻型、IBS混合型）间存在显著差异。这类疾病诊断复杂，治疗策略多样，且缺乏客观的生物学标志物，导致患者往往需要经历一系列排除性诊断过程，医疗负担沉重。

近年来，研究逐渐揭示IBS与肠道微生物组的改变密切相关。然而，大多数研究主要关注微生物的分类组成（如物种、属、门等），而越来越多的证据表明，微生物的功能活动（即基因表达）对人类健康的影响可能比单纯的物种组成更为重要。微生物群落通过其代谢活动产生多种生物活性分子，如短链脂肪酸、神经递质、维生素等，这些分子直接或间接影响宿主生理功能。因此，评估肠道微生物的功能状态而不仅仅是其组成，可能为理解IBS的发病机制和开发新的干预策略提供更为深入的见解。

在此背景下，Patridge等人开展了一项大规模研究，旨在开发并验证一套基于粪便宏转录组的肠道微生物功能通路评分系统。该研究发表于《BMC Gastroenterology》，通过分析80,570例成人粪便样本的宏转录组数据，建立了8个与肠道健康密切相关的微生物功能通路评分，包括丁酸盐生产通路、GABA生产通路、乳酸生产通路、LPS生物合成通路、产甲烷通路、草酸盐代谢通路、硫化物生产通路和尿酸生产通路评分。

研究团队采用五步法开发这些评分：领域探索、元数据整理、信号定义、特征选择和通路活性量化。首先通过领域探索确定与特定生理过程相关的关键概念和KEGG直系同源（KO）集合；然后进行元数据整理，创建案例/对照标签；接着通过信号定义确定能够区分健康状况的小型KO集合；通过特征选择迭代优化评分区分能力；最后通过通路活性量化将选定KO的表达水平加权整合为综合评分。

研究人员采用规范方法，在开发队列（n=9,350）中定义了每个评分的“良好”、“一般”和“非最佳”活动阈值。在独立验证队列（n=71,220）中，研究证实“非最佳”的功能通路评分与IBS及其亚型（IBS-C、IBS-D、IBS-M）之间存在显著关联，无论IBS表型是通过自我报告还是罗马IV诊断问卷定义。

关键技术方法包括：使用Viome全身体智能套件收集粪便样本，其中含有RNA保存缓冲液，可在室温和运输过程中保持所有RNA分子的完整性；在CLIA认证实验室中进行宏转录组测序，包括DNase处理、非信息性RNA去除、cDNA合成、大小选择和有限循环PCR添加双独特条形码；使用Illumina NovaSeq 6000平台进行2×150双端测序；使用自定义参考目录（包含32,599个微生物基因组和4,644个代表性人类肠道基因组）进行序列比对；通过Centrifuge进行 taxonomy分类和定量；使用eggNOG-mapper进行KEGG直系同源注释；通过期望最大化算法估计表达水平。

结果

队列特征

研究使用两个大型队列：评分开发队列（9,350例粪便样本）和独立验证队列（71,220例粪便样本）。两个队列在人口统计学特征、身体测量指标和药物使用情况方面具有可比性。IBS相关特征显示，IBS-C患者更常报告较慢的肠道传输时间，IBS-D患者更常报告较快的肠道传输时间，而IBS-M患者则报告混合型肠道传输时间。与非IBS个体相比，IBS患者报告的腹痛和腹胀频率更高。

评分开发

研究团队开发了八个肠道通路评分，每个评分代表一组与已知肠道生化活动相关的相互作用微生物功能特征。以尿酸生产通路评分为例，该评分包含19个KO，正负载荷分别代表尿酸降解/替代代谢和尿酸生产。评分通过主成分分析的第一主成分权重进行量化，在大型队列中计算时呈现高斯样曲线，代表了健康洞察的分层和人群中评分的分布。

评分验证

在独立验证队列中，研究人员通过比值比（ORs）评估了每个评分区分IBS及其亚型的能力。结果显示，“非最佳”评分与IBS及其亚型之间存在显著关联。特别是，GABA生产通路评分的“非最佳”状态与所有IBS亚型均显著相关；乳酸生产通路、草酸盐代谢通路和硫化物生产通路评分的“非最佳”状态与IBS-D显著相关；而丁酸盐生产通路和硫化物生产通路评分的“非最佳”状态与IBS-C呈负相关。

讨论与结论

本研究开发的肠道微生物功能通路评分系统为IBS的早期识别和干预提供了新工具。与传统的微生物组成分析不同，这些评分聚焦于微生物的功能活性，更能反映微生物群落的实际功能状态。研究结果显示，不同的IBS亚型具有独特的微生物功能特征，这为理解IBS的异质性提供了新的视角。

在转化应用方面，这些评分可用于指导个性化营养建议。例如，尿酸生产通路评分“非最佳”的个体可建议减少高嘌呤食物摄入，增加调节尿酸代谢的多酚类物质；GABA生产通路评分“非最佳”的个体可补充L-谷氨酸和维生素B₆等底物和辅因子；硫化物和甲烷产生过多的个体可限制含硫底物和促进甲烷产生的物质。

该研究的临床意义在于，这些评分可作为“早期健康洞察”工具，识别可能导致未来疾病状态的有害分子活动，而非用于诊断。通过早期发现微生物功能异常，可及时采取预防性营养或生活方式干预，避免疾病进展。

研究也存在一定局限性，包括无法确定因果关系、缺乏代谢物水平评估、队列可能无法完全代表所有人群，以及依赖自我报告数据可能存在的偏差。未来研究需要通过前瞻性干预试验明确特征因果关系，整合代谢组学数据，并在更广泛人群中进行验证。

总之，这项研究首次在大规模人群中开发并验证了基于粪便宏转录组的肠道微生物功能通路评分系统，为IBS的精准健康管理提供了新工具。这些评分能够识别IBS患者中异常的微生物功能活动，为开发个性化干预策略奠定了基础，推动了微生物组研究从描述性分析向功能活性评估的转变。