考试应激与皮质醇反应性与肠道菌群物种水平变异相关，但未引起菌群整体结构重塑

《Neurobiology of Stress》：Not All Stress Is Equal: Examination Stress and Cortisol Reactivity Are Associated With Species-Level Variation but Not Broad Restructuring of the Gut Microbiome

　　

背景：心理应激被认为与肠道菌群变异相关，但人类研究证据尚不一致，且往往未区分应激情境暴露与个体间生理应激反应性的差异。这项重复测量研究考察了自然情境下的考试应激及觉醒后皮质醇反应性是否与肠道菌群多样性、群落组成及物种水平差异丰度相关。 方法：研究人员对39名健康大学生在考试期与非考试期进行了评估。在每个评估时点，参与者完成了经过验证的感知应激、焦虑、情感、自尊、睡眠、饮食及体力活动问卷；在觉醒时、觉醒后30分钟及45分钟提供唾液皮质醇样本；并收集粪便样本进行全宏基因组鸟枪法测序。觉醒后皮质醇反应性以相对于基线的曲线下面积（AUCi）为指标。 结果：考试应激与感知应激、状态及特质焦虑、负性情感、主观睡眠质量下降及觉醒后皮质醇反应性增强相关。肠道菌群的α多样性与β多样性在考试期与非考试期之间无差异，且个体内群落组成变化与皮质醇反应性变化无关。然而，探索性物种水平分析识别出选择性微生物差异。考试应激与Dialister massiliensis和Lawsonibacter asaccharolyticus相对丰度升高，以及Duodenibacillus massiliensis和Sutterella wadsworthensis相对丰度降低相关。皮质醇反应性与Roseburia hominis和Ruminococcus bicirculans升高及Methanobrevibacter smithii降低表现出不同的关联。个体内皮质醇反应性的增加还与Phascolarctobacterium succinatutens升高和Coprococcus catus降低共变。 结论：短期考试应激与显著的心理和内分泌反应相关，但并未伴随成人肠道菌群的广泛结构重塑。相反，探索性研究结果提示，考试应激和皮质醇反应性可能反映在选择性物种水平微生物变异中，支持对应激相关菌群动态开展进一步的纵向和功能研究。

论文解读

一、研究背景与问题提出

人体胃肠道栖息着数量庞大且代谢活跃的微生物生态系统，其集体基因含量远超人类基因组。这些菌群通过营养代谢、短链脂肪酸（SCFAs）产生、免疫调节及上皮屏障完整性维持等途径参与宿主生理功能。此外，肠道微生物还可通过产生或调节生物活性代谢物、与宿主免疫及神经通路相互作用，影响神经内分泌信号传导。在此背景下，微生物-肠-脑轴（MGBA）描述了肠道菌群与中枢神经系统（CNS）功能之间经由神经、内分泌和免疫机制形成的双向网络。心理应激激活下丘脑-垂体-肾上腺（HPA）轴，最终导致皮质醇释放，而糖皮质激素受体表达于肠道上皮细胞和免疫细胞，使皮质醇能够影响屏障功能、黏膜免疫信号及炎症状态，从而可能改变肠道环境并促成菌群组成的改变。然而，人类研究中的证据并不一致，且往往未区分应激情境暴露与个体间生理应激反应性的差异。皮质醇觉醒反应（CAR）是觉醒后30至45分钟内皮质醇浓度的快速上升，其被广泛解释为反映对日常需求的预期性生理动员，对HPA轴调节及应激反应性的个体差异敏感，因此适合作为考察HPA轴功能变异是否与免疫、代谢及微生物过程相关的标志物。本研究采用自然情境类实验的重复测量设计，比较考试应激期与非应激对照期，以区分情境性应激暴露对菌群整体结构的广泛效应与生理应激反应性相关的探索性物种水平关联。

二、研究设计与主要发现

研究人员从利物浦大学招募了40名本科生，最终39名参与者（23名女性，57.5%；平均年龄21.63岁，标准差3.93）完成两个条件的评估。研究采用纵向类实验重复测量设计，每个参与者在考试应激条件（距最近考试平均1.67天）和非应激条件（间隔约39天）各完成一次评估。条件顺序进行了平衡。在每个评估时点，参与者完成感知压力量表（PSS-10）、状态-特质焦虑量表（STAI）、正负性情感量表（PANAS）、匹兹堡睡眠质量指数（PSQI）、利兹大学短版食物频率问卷（SFFFQ）及全球体力活动问卷（GPAQ）；在觉醒时、觉醒后30分钟和45分钟采集唾液样本测定皮质醇；并在24小时内收集粪便样本进行全宏基因组鸟枪法测序。

研究发现，考试应激条件与感知应激、状态及特质焦虑、负性情感显著升高，正性情感显著降低相关，验证了应激操纵的有效性。睡眠质量在应激期显著下降，蔬菜摄入减少，久坐时间增加。皮质醇方面，应激条件下觉醒后30分钟皮质醇浓度显著升高，曲线下面积相对于基线的增加值（AUCi）、总皮质醇分泌量（AUCg）、峰值皮质醇及最大觉醒后增加值均显著增大，表明考试应激增强了觉醒后皮质醇反应性，而非普遍性皮质醇升高。然而，菌群α多样性（Shannon多样性、Simpson多样性、观测物种丰富度）和β多样性（基于Aitchison距离的群落组成）在条件间均无显著差异，个体内群落组成变化与皮质醇反应性变化亦无关联。

三、关键技术与方法

研究采用的关键技术方法包括：唾液皮质醇通过高灵敏度竞争性酶联免疫吸附测定（ELISA）进行双份定量；粪便样本使用OMNIgene·GUT OM-200采集系统自采，DNA提取后通过Illumina NovaSeq X Plus平台进行2×150 bp双端全宏基因组鸟枪法测序；宿主序列使用HoCoRT去除，物种分类采用Kraken2（置信阈值0.2）结合Bracken丰度估计；菌群α多样性使用vegan包计算，β多样性采用中心对数比（CLR）转换后的Aitchison距离，物种水平差异丰度分析使用MaAsLin3混合效应模型，重复观测通过参与者随机截距处理，多重检验采用Benjamini-Hochberg错误发现率（FDR）校正。

四、研究结果

主观应激、焦虑与情感：考试应激条件与感知应激、状态焦虑、特质焦虑及负性情感显著升高，正性情感显著降低相关，而自尊无显著差异。条件×性别分析未发现显著交互作用，表明主观心理反应不存在显著性别差异。

睡眠、饮食与体力活动：应激期全球PSQI评分显著升高，表明主观睡眠质量下降；蔬菜摄入评分降低；久坐时间增加；其余饮食和体力活动指标无显著条件差异。

皮质醇觉醒反应（CAR）：重复测量方差分析显示显著的时间主效应和显著的时间×条件交互作用。应激条件下觉醒后30分钟皮质醇浓度显著高于非应激条件，AUCg、AUCi、峰值皮质醇及最大觉醒后增加值均显著增大。性别敏感性分析未发现显著的条件×性别或时间×条件×性别交互作用。

α多样性：Shannon多样性、Simpson多样性和观测物种丰富度在应激与非应激条件间均无显著差异。个体内α多样性变化与皮质醇反应性（ΔAUCi）变化无显著关联。

β多样性：基于Aitchison距离的PERMANOVA显示条件与群落组成无显著关联，PERMDISP未发现条件间多元离散度差异。个体内Aitchison距离与ΔAUCi的符号变化或绝对值变化均无显著关联。

应激条件相关的差异丰度：探索性MaAsLin3模型（Model 1）识别出多个名义显著（p < .05）的物种水平关联。应激条件下Dialister massiliensis、Lawsonibacter asaccharolyticus、Dialister hominis、Oscillibacter hominis和Oscillibacter sp. PEA192相对丰度升高，而Duodenibacillus massiliensis、Sutterella wadsworthensis、Phocaeicola coprophilus、Blautia obeum和Phascolarctobacterium sp. Marseille-Q4147相对丰度降低。其中多个菌种在补充的单变量模型中与感知应激和焦虑相关，提示条件相关菌群差异与自我报告的应激心理测量存在部分收敛。所有关联经FDR校正后均未达到q < .05的显著性阈值。

皮质醇反应性（AUCi）相关的差异丰度：在调整应激条件后（Model 2），AUCi与Dabirmavirus hominis、Culoivirus americanus、Ruminococcus bicirculans、Roseburia hominis和Blautia hydrogenotrophica正相关，与Methanobrevibacter smithii负相关。应激条件相关菌种与AUCi相关菌种重叠有限，提示皮质醇反应性捕捉了不同于考试暴露本身的独立生理维度。

皮质醇反应性的调节作用：应激条件×AUCi交互模型（Model 3）识别出Oscillibacter hominis、Eubacterium ramulus和Oscillibacter sp. PEA192的负向交互效应，表明这些菌种的应激相关丰度差异在高皮质醇反应性个体中被削弱。

个体内变化分析：ΔCLR变化模型（Model 4）识别出12个名义显著的物种水平关联。ΔAUCi增加与Dabirmavirus hominis、Phascolarctobacterium succinatutens、Simiaoa sunii、Phocaeicola vulgatus、Bacteroides finegoldii、Catenibacterium sp. co_0103、Pseudoflavonifractor gallinarum、Faecalibacillus intestinalis、Bacteroides stercoris和Roseburia hominis升高相关，与Haemophilus parainfluenzae和Coprococcus catus降低相关。仅Dabirmavirus hominis通过FDR校正（q = .046）。

敏感性分析：物种水平敏感性分析表明，在完整配对、年龄/性别/BMI调整、睡眠/久坐/蔬菜摄入调整及联合生活方式调整的模型中，所有10个主要应激条件系数均保持原始方向，部分估计值在高度调整模型中有所减弱。

五、讨论与结论

本研究表明，短期考试应激虽伴随显著的心理和内分泌反应，但未导致成人肠道菌群的广泛结构重塑，而是反映在选择性物种水平微生物变异中。应激条件相关菌种与皮质醇反应性相关菌种的重叠有限，提示情境性应激暴露与生理应激反应性代表了菌群变异的不同维度。多个应激相关菌种涉及发酵或SCFA相关生态过程，包括产戊酸的Oscillibacter属、利用琥珀酸产丙酸的Phascolarctobacterium属、产丁酸的Roseburia hominis及植物葡聚糖降解菌Ruminococcus bicirculans，提示应激相关菌群变异可能部分涉及底物降解、琥珀酸利用、SCFA产生及微生物交叉喂养等与宿主应激生理相关的通路。SCFAs被视为微生物-肠-脑轴中的机制界面，可通过影响上皮屏障完整性、免疫信号、迷走传入通路及神经内分泌调节连接微生物代谢与宿主应激生理。研究结论为：考试相关应激在健康成人中可能更易于反映在靶向微生物变异中，而非群落结构的广泛破坏，支持对应激相关菌群动态开展进一步的纵向和功能研究。需要指出的是，所有物种水平关联除Dabirmavirus hominis的个体内变化关联外均为名义显著，未通过FDR校正，应视为探索性信号而非确证性证据。