通过宏基因组和代谢组分析发现的人类升主动脉瘤潜在生物标志物：一项病例对照研究

《Journal of Advanced Research》：Potential biomarkers for human Ascending aortic aneurysm identified through metagenomic and metabolomic Analyses: A case-control study

肠道菌群失调与代谢物谱改变在升主动脉瘤形成中的作用及潜在生物标志物研究。

　　
该研究聚焦于肠道菌群与血浆代谢物在主动脉夹层（ascending aortic aneurysm, AsAA）中的系统性关联，旨在通过多组学整合分析揭示潜在生物标志物。研究团队以72名参与者（44名AsAA患者、28名健康对照）为样本，结合宏基因组学、代谢组学及临床数据分析，发现AsAA患者存在显著的肠道菌群组成失衡和血浆代谢紊乱，并进一步揭示了菌群-代谢-炎症的协同作用机制。

**一、研究背景与意义**
主动脉夹层（AsAA）作为心血管急症，其发病机制复杂，涉及炎症反应、氧化应激、血管内皮功能障碍及平滑肌细胞死亡等多因素交互作用。传统诊断依赖影像学检查（如超声心动图、CTA等），存在操作者依赖性强、成本高且难以捕捉动态病理变化等问题。近年来，肠道菌群与宿主代谢的互作关系被证实与多种心血管疾病相关，但针对AsAA的菌群-代谢关联研究仍存在显著空白。本研究通过整合宏基因组学与代谢组学技术，系统解析AsAA患者的肠道菌群特征与代谢物谱变化，为早期诊断和精准干预提供新依据。

**二、研究方法与设计**
研究采用病例对照设计，病例组为计划接受手术的AsAA患者（44例），对照组来自同一医院健康体检人群（28例）。样本采集严格遵循伦理规范，所有参与者签署知情同意书。研究流程包括：
1. **临床数据采集**：涵盖人口学特征（年龄、性别、BMI）、共病史（高血压、冠心病、二叶瓣主动脉瓣畸形）、炎症标志物（CRP、免疫球蛋白、补体C3/C4）及生活方式因素（吸烟史）。
2. **多组学分析**：
- **宏基因组学**：通过Illumina NovaSeq 6000平台对粪便样本进行测序，利用MetaPhlAn3进行 taxonomy分类，结合SparCC算法构建微生物共丰网络（CAGs），分析菌群结构特征。
- **代谢组学**：采用UPLC-MS/MS技术检测血浆代谢物，通过KEGG通路富集分析挖掘代谢功能异常。
3. **统计学验证**：采用5折交叉验证的随机森林模型评估生物标志物组合的诊断效能，通过倾向得分匹配（PSM）平衡病例组与对照组的混杂因素。

**三、主要研究发现**
1. **肠道菌群组成特征**
- **菌群多样性**：AsAA患者与对照组的α多样性（Chao1、Shannon指数）无显著差异，但β多样性分析（PCoA）显示菌群结构存在显著分离（p<0.001）。
- **关键菌群差异**：
- **减少菌群**：包括双歧杆菌属（*Bifidobacterium*）、乳酸乳杆菌属（*Lactiplantibacillus*）、肠球菌属（*Enterococcus*）等共23种细菌（FDR<0.05）。其中，肠球菌属的降低可能削弱肠道屏障功能，而双歧杆菌属的减少或影响抗炎代谢物（如短链脂肪酸）的合成。
- **增多菌群**：以拟杆菌门（Bacteroidota）、芽孢杆菌门（Bacillota）为主，其中*Prevotella* copri、*Phascolarctobacterium* faecium、*Eubacterium* ventriosum等52种细菌显著富集（FDR<0.05）。值得注意的是，*Prevotella* copri的升高与血管炎症进展存在剂量效应关系。
- **共丰网络（CAGs）分析**：将菌群划分为7个功能模块（CAG1-CAG7），其中CAG4（以*Roseburia*为主）、CAG5（以*Agathobacter*为主）、CAG6（以*Prevotella*为主）在患者组显著富集，而CAG7（以*Escherichia*为主）显著降低。这提示AsAA患者的肠道菌群可能通过调控SCFAs合成、炎症信号通路（如NF-κB）及脂质代谢等途径参与疾病进展。

2. **血浆代谢物谱异常**
- **代谢组学特征**：PCoA分析显示AsAA患者代谢谱显著偏离对照组（p<0.001）。
- **差异代谢物**：共发现30种差异代谢物（FDR<0.05），其中22种在患者组升高，8种降低。关键代谢物包括：
- **升高代谢物**：前列腺素D3（PGD3）、多种 ceramides（如d18:0/24:1(15Z)型）。PGD3具有抗炎和调节内皮功能特性，可能通过抑制血小板聚集和改善血管弹性延缓AsAA进展；ceramides作为膜脂信号分子，其升高与血管内皮功能障碍、炎症细胞浸润直接相关。
- **降低代谢物**：丝氨酸（threonine）、磷脂酰胆碱（PC）。丝氨酸的缺乏可能影响胶原蛋白合成和免疫调节，而PC的降低可能削弱血管膜流动性，加速动脉壁纤维化。

3. **菌群-代谢-炎症的协同机制**
- **临床指标关联**：AsAA患者CRP、C3、C4水平显著升高（p<0.01），提示系统性炎症激活。
- **微生物与代谢物互作**：
- *Streptococcus*属与炎症标志物及ceramides正相关，其代谢产物（如LPS）可能通过激活TLR4/NF-κB通路加剧血管炎症。
- *Prevotella* copri与炎症标志物负相关，但其代谢产物（如丁酸、TMAO）可能通过促进血管钙化和氧化应激间接促进AsAA进展。
- **关键生物标志物**：
- **单标志物**：*Prevotella* copri（AUC=0.795）和ceramides（AUC=0.839）均能区分AsAA患者与对照组，AUC值均超过0.7，具备临床诊断潜力。
- **联合标志物**：*Prevotella* copri与ceramides的组合模型AUC达0.895，显著优于单一指标，提示菌群代谢互作可能成为疾病分型的核心特征。

4. **机制解析与临床启示**
- **菌群功能异常**：CAG4（*Roseburia*）和CAG5（*Agathobacter*）的富集可能通过产SCFAs（如丁酸）抑制肠道炎症，而CAG6（*Prevotella*）的升高可能加剧血管壁氧化损伤。
- **代谢紊乱核心通路**：KEGG分析显示“不饱和脂肪酸合成”通路最显著富集（p<0.001）。该通路产物（如二十碳五烯酸）具有抗炎、抗氧化及维持血管弹性作用，其代谢异常可能通过影响VSMC凋亡和基质降解促进AsAA形成。
- **治疗靶点预测**： ceramides代谢通路（如鞘氨醇合成）和*Prevotella*相关SCFAs通路可能成为干预重点。动物实验已证实抑制ceramides合成可改善主动脉炎性和纤维化病变，而益生菌干预（如减少*Prevotella*）可能通过调控SCFAs代谢逆转血管损伤。

**四、研究局限性及未来方向**
1. **样本局限性**：病例组以男性为主（88.6%），且样本量较小（n=44），可能影响结果的性别特异性和普适性。后续需纳入多中心、大样本队列（尤其女性患者）进行验证。
2. **机制验证不足**：当前研究为相关性分析，缺乏对菌群-代谢互作因果关系的直接证据。建议通过粪菌移植（FMT）动物模型或基因敲除技术验证关键菌属（如*Prevotella*）和代谢通路（如鞘氨醇合成）的功能。
3. **代谢物谱扩展需求**：未纳入传统心血管代谢指标（如血脂、血糖、胰岛素），未来需结合多组学数据构建更全面的生物标志物网络。
4. **动态监测缺失**：研究聚焦于单时间点样本，而AsAA进展具有动态性。建议开展纵向队列研究，追踪菌群和代谢物随疾病阶段的变化规律。

**五、总结与转化潜力**
本研究首次系统揭示AsAA患者肠道菌群（以*Prevotella*和*Roseburia*为核心）与血浆代谢物（ceramides、PGD3）的共变模式，并证实其作为独立生物标志物的诊断价值。联合标志物（*Prevotella* + ceramides）的AUC达0.895，敏感性和特异性分别为89.3%和82.1%，可辅助临床早期筛查高危人群。此外，研究提出的“菌群-代谢-炎症”三角模型为AsAA的机制研究提供了新框架，可能推动以下转化应用：
- **诊断工具开发**：基于*Prevotella*丰度及ceramides浓度的快速检测 kit，适用于社区筛查和术后监测。
- **靶向干预策略**：益生菌（如抑制*Prevotella*的菌株）联合ceramides合成抑制剂（如鞘氨醇合成酶抑制剂），或可延缓动脉壁重构。
- **预防医学延伸**：通过调节饮食（如富含丁酸纤维）改善菌群结构，降低AsAA风险。

该研究为心血管疾病从“微生物组-代谢组-宿主”多维度诊疗模式提供了重要参考，其方法论（如CAGs网络分析、PSM校正）可为其他复杂疾病的精准医学研究提供范式。