生酮饮食相关功能性微生物组变化与多发性硬化T2病灶体积及色氨酸-吲哚代谢的关联：NAMS随机对照试验二次分析

《Scientific Reports》：Functional microbiome shifts are associated with neuroinflammatory outcomes under dietary interventions in multiple sclerosis

　　

多发性硬化（MS）是一种中枢神经系统（CNS）的慢性免疫介导疾病。尽管疾病修饰疗法（DMTs）可降低复发率，但其局限性促使研究人员关注空腹饮食（FD）和生酮饮食（KD）等辅助方法。在一项随机对照试验中，复发缓解型MS（RRMS）参与者接受FD、KD或对照饮食9个月，并进行多组学（multi-omics）和临床评估。研究人员的二次分析显示，KD与独特的肠道微生物功能谱相关，包括碳水化合物代谢模块富集，且与较低T₂病灶体积共现。然而，粪便丙酸水平与注释的丙酸产生II模块（annotated propionate production II module）丰度不相对应。关键贡献物种包括 Romboutsia timonensis、Roseburia intestinalis 和 Bacteroides thetaiotaomicron。这些微生物变化与循环色氨酸和吲哚代谢物的饮食相关变化同时发生，提示肠-脑轴沿线变化的系统级共现。研究人员提供证据表明，KD与协调的色氨酸相关代谢物变化和物种特异性功能差异同T₂病灶指标并行。这些探索性关联值得验证和机制研究。注册：ClinicalTrials.gov，TRN：NCT03508414，注册日期：2018年4月25日。

论文解读

多发性硬化（MS）是慢性免疫介导的中枢神经系统（CNS）疾病，以炎性脱髓鞘、轴突损伤和斑块形成为特征。全球约280万患者，女性占优势，通常约30岁发病。遗传易感与环境因素如EB病毒（EBV）感染、维生素D缺乏、吸烟和饮食模式影响发病与进展。病理上，自反应T细胞穿过血脑屏障（BBB）浸润CNS，破坏髓鞘，导致运动、感觉和认知损害。现有疾病修饰疗法（DMTs）可减少复发和病灶，但有副作用且疗效异质。饮食干预作为辅助治疗受到关注。既往观察性研究显示，高蔬菜/低蛋白饮食可改善复发缓解型MS（RRMS）患者的扩展残疾状况量表（EDSS）评分和复发率，并与产短链脂肪酸（SCFA）的Lachnospiraceae较高相关；FD和KD在实验性自身免疫性脑脊髓炎（EAE）中显示免疫调节和神经保护作用。KD可产生酮体3-羟基丁酸（3HB），FD可增加调节性T细胞、减少IL-17产生T细胞并增加肠道微生物多样性。SCFA和色氨酸代谢在MS中紊乱，可能参与肠-脑轴。然而，饮食干预对MS微生物代谢和代谢潜能的确切影响仍不清楚。因此，NAMS随机对照试验比较FD和KD与标准健康对照饮食（CD）。主要分析18个月时T₂病灶计数和体积组间无差异。该二次探索分析聚焦9个月，评估饮食相关肠道微生物组、血清代谢组及其与神经免疫结局的关系。

关键技术方法（≤250字）：研究基于NAMS随机对照试验（ClinicalTrials.gov NCT03508414），队列为RRMS患者，EDSS<4.5、近期疾病活动、稳定或未用DMT至少6个月，随机接受CD、FD或KD 9个月；二次分析纳入76例per-protocol患者及29例脱落者基线粪便。关键技术包括粪便宏基因组鸟枪法测序（Illumina NovaSeq 6000），mOTUs物种分类，KEGG KO聚合为肠道微生物模块（GMMs）；血清和粪便UHPLC-MS/MS靶向代谢组学检测SCFA、酮体和色氨酸代谢物；脑MRI评估T₂病灶计数和体积，血清神经丝轻链（NfL）等临床指标；统计采用线性混合模型、三向交互、FDR校正、MICE插补和中介分析。

研究结果：
1. NAMS试验：RRMS患者随机接受CD、FD、KD 9个月，依从性通过会议、食物记录和酮体确认；76例per-protocol患者和29例脱落者基线粪便纳入。基线人口学无差异，CD组病程较短。粪便测SCFA、色氨酸代谢物和微生物组，血样测代谢组和NfL。结论：该二次分析数据集可用于多组学关联分析。
2. 饮食相关代谢物变化与基线代谢物水平：3HB与外部诊断值一致。乙酰乙酸（AA）和3HB在KD组增加强于FD和CD。饮食相关变化幅度随基线水平变化；低于均值1个标准差时，KD组AA、3HB和HMB升高大于FD组；AA在均值时也高于CD和FD。绝对AUC变化敏感性分析中，AA主要对比保留，3HB在KD与CD/FD间所有基线水平显著，HMB方向一致但FDR后不显著，己酸不显著；绝对AUC变化的omnibus交互FDR后不显著。结论：KD相关酮体/代谢物反应受基线水平影响，但证据具有尺度依赖性。
3. 循环色氨酸和吲哚代谢物：KD组血清色氨酸和犬尿氨酸降低，吲哚-3-乙酸（I3A）增加大于其他两组。3-羟基犬尿氨酸无组依赖变化；5-羟色氨酸在CD和KD降低、FD稳定但不显著；血清素无组依赖变化；吲哚-3-乳酸（ILA）和氧化三甲胺（TMAO）无显著饮食依赖。探索性事后分析显示，I3A/色氨酸和ILA/色氨酸比值在KD增加更强。膳食色氨酸不影响血清色氨酸。结论：KD与协调的色氨酸相关代谢物变化相关，但不建立吲哚产生增加或色氨酸优先路由。
4. 尽管存在脱落偏倚，微生物组多样性保持稳定：KD组per-protocol患者基线Shannon多样性低于CD和FD。9个月脱落率CD为32%、FD为6%、KD为44%；脱落者与per-protocol患者基线Shannon无差异，MICE估计的多样性变化也无差异。β多样性未显示饮食相关转移。KD组Bifidobacterium相对丰度较FD和CD降低。结论：α和β多样性总体稳定，但KD伴随特定组成变化。
5. 微生物组功能和组成对T₂病灶结局的贡献因饮食而异：KD增加甘油降解III（MF0062）和丙酸产生II（MF0094），降低淀粉降解（MF0005）和蔗糖降解II（MF0011）。MF0005增加与FD组T₂病灶计数减少相关；MF0094增加与KD组T₂病灶体积更陡下降相关。Romboutsia timonensis、Roseburia intestinalis和Bacteroides thetaiotaomicron在KD组与MF0094正相关更强；Intestinibacter bartlettii在KD组与MF0005正相关更强，且在FD组与T₂病灶计数下降相关。结论：饮食特异微生物功能模块和物种与T₂病灶指标存在关联，非因果。
6. 微生物丙酸途径动态因饮食而异：MF0094仅含一个KEGG直系同源物（KO）K01026（EC:2.8.3.1），即丙酸CoA转移酶。粪便乙酸、丁酸和丙酸无显著组间差异，但KD组丙酸有较低趋势，FD组丁酸有较低趋势。粪便SCFA与MF0094无时间关联，与T₂病灶体积无组依赖关联。丙酸与R. intestinalis和B. thetaiotaomicron存在时间相关，KD组中与MF0094正相关更强；乙酸仅与R. intestinalis呈现该模式。色氨酸和犬尿氨酸降低与MF0094上升同时发生，且其与T₂病灶体积关系在KD组更正向。中介分析提示MF0094模式与KD对T₂病灶体积效应一致。结论：MF0094是注释微生物功能特征，不能直接等同于丙酸产生或代谢通量。

讨论部分总结：研究指出KD与肠道微生物功能和病灶结局存在同时关联。KD组富集MF0062，其包含甘油脱水酶和1,3-丙二醇脱氢酶，参与甘油转化和NAD⁺再生；淀粉和蔗糖降解模块耗竭可能反映碳水化合物稀缺。三种厌氧SCFA产生菌与MF0094-T₂病灶体积关联兼容，但属假设生成。丙酸可能通过调节性/效应T细胞平衡、游离脂肪酸受体（FFAR）信号和组蛋白去乙酰化酶（HDAC）抑制影响炎症。FD周期性营养短缺可能改变微生物动态，I. bartlettii对碳水化合物可用性敏感。粪便SCFA是净残余池，不能直接反映微生物产生。MF0094单KO定义限制其通路水平解释，且该酶可作用于多种羧酸。3HB也是FFAR配体。基线×饮食交互证据具有尺度依赖性。I3A和ILA可有哺乳动物来源。局限包括二次分析、样本量小、女性为主、KD组部分使用fingolimod、种族单一、缺乏直接炎症表型、T₂病灶非特异、AUC和秩模型限制等。

研究结论翻译：总体而言，研究人员的发现表明，KD和FD等饮食干预在MS中的效应可能与复杂、饮食特异的微生物代谢功能和宿主代谢转变相关，而非仅与单一分类群或SCFA水平变化相关。据研究人员所知，这是MS中首次报告注释的丙酸产生II模块（MF0094）丰度与MRI衍生病灶指标之间的饮食依赖性关联。MF0094在KD下增加，较高MF0094丰度与KD下T₂病灶体积更大幅度降低相关。然而，粪便丙酸和其他所测SCFA未显示与MF0094相应的正相关。因此，这些数据不能证明微生物丙酸产生增加或丙酸介导病灶结局效应。相反，MF0094识别出一个与饮食和病灶动态均相关的微生物功能特征，其生化意义尚未解决，值得靶向验证。饮食干预的疗效和安全性可能进一步取决于个体基线微生物群组成、代谢和炎症状态以及对营养应激的适应能力。对这些个体化反应的细致理解可能有助于优化饮食建议并利用肠道微生物组功能改善临床结局。