基于机器学习与纵向分析揭示SAMP8小鼠肠道菌群动态变化及衰老生物标志物Peptococcus的发现

本研究通过16S rRNA测序与机器学习方法，系统揭示了加速衰老模型SAMP8小鼠肠道菌群随年龄的动态变化规律。研究发现α多样性（Shannon指数）随衰老显著降低，β多样性分析显示年轻组（1/3月龄）与老年组（7/10月龄）菌群结构分离。通过随机森林（Random Forest）模型鉴定出11个关键分类单元，其中Peptococcus（曲线下面积AUC=0.78）展现出最高衰老诊断效能，为衰老相关菌群干预提供了新型生物标志物和潜在治疗靶点。

　　

引言

衰老是一种不可避免的生物学过程，其特征是多个系统功能的渐进性衰退，包括大脑认知功能下降，可能进一步发展为阿尔茨海默病（AD）等神经退行性疾病。近年来，肠道菌群作为调节衰老和AD发病机制的关键因素受到广泛关注。SAMP8（Senescence-Accelerated Mouse Prone 8）小鼠因其加速衰老特性，被广泛用于研究衰老相关的学习记忆缺陷。尽管已有研究关注SAMP8小鼠菌群的横断面特征，但结合纵向设计与机器学习方法的全面研究仍较为缺乏。

材料与方法

研究使用24只雄性SAMP8小鼠，分为1、3、7和10月龄四组（每组n=6）。收集粪便样本后，通过16S rRNA测序（V4区，引物515F/806R）分析菌群组成。数据预处理采用FLASH和QIIME软件，OTU聚类以97%相似度为阈值。统计分析包括α多样性（Shannon/Chao指数）、β多样性（PCoA/NMDS）、LEfSe差异分析以及时间序列聚类。机器学习方面，使用随机森林算法（五折交叉验证）筛选年轻组（1+3月龄）与老年组（7+10月龄）的区分性菌属，并通过ROC曲线评估诊断效能。

结果

衰老相关的微生物多样性变化

α多样性分析显示，Shannon指数在7和10月龄小鼠中显著低于1月龄组，表明菌群多样性随衰老下降；而Chao指数（物种丰富度）无显著变化。β多样性（加权UniFrac PCoA和NMDS）分析揭示年轻组（1/3月龄）与老年组（7/10月龄）菌群结构明显分离，形成两个独立簇群。

衰老相关的菌群组成改变

在门水平，Bacteroidetes和Firmicutes为优势菌门，但随衰老呈现动态变化：Firmicutes、Actinobacteria、Deferribacteres和Tenericutes丰度下降，而Proteobacteria和Bacteroidetes增加。10月龄组Verrucomicrobia丰度显著升高。F/B比值（Firmicutes/Bacteroidetes）在10月龄显著低于1月龄。属水平上，Allobaculum和unclassified_f_Lachnospiraceae丰度随年龄下降，而Ruminiclostridium_5和Akkermansia在老年组中增加。

衰老相关的菌群轨迹

通过时间序列聚类，128个菌属被划分为4种动态模式：持续下降后部分恢复型（C1，37属）、持续上升型（C2，26属）、先升后降型（C3，27属）及早期峰值后下降型（C4，38属）。线性回归分析发现7个菌属与年龄显著相关：Anaerococcus、Escherichia-Shigella、norank_f_Peptococcaceae、Peptococcus和Lachnospiraceae_UCG.004丰度随年龄下降；Ammoniibacillus和Family_XIII_AD3011_group则随年龄上升。

衰老相关特征菌群

LEfSe分析比较年轻组与老年组，发现15个菌属（如Allobaculum、Enterococcus、Peptococcus、Bifidobacterium）在年轻组富集，9个菌属（如Ruminiclostridium_5、Parabacteroides、Akkermansia）在老年组富集。

机器学习鉴定关键衰老相关菌属

基于随机森林模型，以LEfSe显著菌属为特征，训练年轻与老年分类器，模型交叉验证准确率达79.00%，AUC为0.81。特征重要性排名前11的菌属中，前5为Enterococcus、Ruminiclostridium_5、Allobaculum、Escherichia-Shigella和Peptococcus。ROC曲线分析显示，Peptococcus单独使用即达到最高诊断效能（AUC=0.78），其与Ruminiclostridium_5、Allobaculum等的组合并未显著提升AUC。

讨论

本研究通过纵向分析结合机器学习，系统描绘了SAMP8小鼠肠道菌群随衰老的动态变化。菌群多样性（Shannon指数）的下降与人类衰老研究一致，而F/B比值的降低进一步支持其作为衰老标志的可靠性。值得注意的是，Verrucomicrobia在老年组的增加与部分人类研究相符，但其在衰老中的具体角色需进一步验证。

菌群轨迹分析提示，C4簇菌属（如Family_XIII_AD3011_group）在3月龄的峰值可能与炎症信号（如IL-5）相关，而C1簇菌属（如Erysipelatoclostridium）在7月龄的下降可能影响短链脂肪酸（SCFA） production，与SAMP8小鼠此阶段出现的记忆损伤吻合。

最重要的发现是Peptococcus作为区分年轻与老年菌群的高效生物标志物（AUC=0.78）。该菌属属Firmicutes门，既往研究提示其与抗氧化（负相关于丙二醛水平）和抗炎作用相关，可能通过缓解氧化应激与神经炎症延缓AD样病理进展。

结论

本研究揭示了SAMP8小鼠衰老过程中肠道菌群的动态演变，确定了多样性下降、菌群结构重组及关键菌属（如Peptococcus）的变化模式。这些发现为理解菌群-衰老互作提供了新视角，并为开发菌群靶向干预策略（如益生菌、膳食调节）以延缓年龄相关认知衰退奠定了理论基础。未来需通过功能实验（如菌株移植）验证Peptococcus的因果作用，并拓展至多性别及人类研究以确认普适性。