昼夜节律失调与肥胖人群炎症、肠道屏障及微生物组组成的关联研究

《iScience》：Circadian misalignment associates with inflammation, gut barrier, and microbiome composition in humans with obesity

　　

专业术语翻译摘要 昼夜节律紊乱（circadian disruption）已被证实与代谢综合征（metabolic syndrome, MetS）相关，但昼夜节律表型与人类代谢性炎症之间的生物学联系仍未得到充分阐明。研究人员对来自一项随机临床试验的87名肥胖成人进行了分析，以探究肠道微生物组特征和肠道通透性是否与昼夜节律失调及代谢性炎症相关。昼夜节律表型通过睡眠时相型（chronotype）和进餐时间进行评估，代谢性炎症通过多项生物学指标构成的综合评分进行评估，肠道通透性则采用糖吸收试验进行测定。晚睡型（late chronotype）与较高的代谢综合征负担相关，而昼夜节律失调与肠道通透性增加及炎症水平升高相关，且该关联在肠道通透性较高的参与者中更为显著。这些模式与产短链脂肪酸（short-chain fatty acids, SCFA）相关细菌丰度降低同时出现，且干预相关的通透性变化与这些菌群的变化相对应。上述发现将昼夜节律表型与肥胖代谢风险相关的肠道屏障及微生物特征联系起来。

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一、研究背景与目的

代谢综合征（metabolic syndrome, MetS）已成为全球重大公共卫生问题。MetS是一组相互关联的代谢紊乱的集合，以肥胖、胰岛素抵抗、血脂异常和高血压为特征，显著增加心血管疾病、卒中、2型糖尿病、肝脏疾病等健康并发症的风险。MetS病理的一个关键方面是慢性系统性炎症，这种炎症常因肠道屏障完整性受损所驱动的肠道源性炎症而加剧。

现代生活方式因素，如饮食习惯，被认为是肠道源性炎症和MetS患病率上升的主要贡献者。然而，一个相对未受到足够关注的生活方式因素是昼夜节律对代谢健康的影响。昼夜节律是内源性24小时周期，调控睡眠-觉醒周期、激素释放和代谢等多种生理过程。这些节律由大脑视交叉上核中的中枢“主时钟”协调，同时肠道等器官系统内存在外周时钟，响应中枢起搏器的信号调节生理功能。值得注意的是，肠道的昼夜节律还受食物摄入时间的影响。

越来越多的证据表明，食物摄入时间通过影响肠道昼夜时钟在代谢调节中发挥重要作用。昼夜节律失调可因破坏中枢时钟（如轮班工作）或外周时钟（如在生理休息时间附近进食）的生活方式习惯而发生。既往动物模型研究表明，无论是通过基因修饰还是环境改变（如错位的进食时间）破坏昼夜节律时钟，都会增加代谢功能障碍的易感性，这些代谢效应伴随肠道源性信号的变化，包括肠道微生物组组成的改变。然而，这些相互作用尚未在人类中得到系统研究。

本研究利用一个特征明确的人类队列，探究中枢和外周昼夜节律表型与MetS之间的关联，整合临床评估与系统性代谢失调标志物，利用多组学数据探索相关模式和生物学关联，并进一步检验肠道屏障功能受损和肠道微生物组特征与昼夜节律表型及代谢失调的关系。

二、研究设计与主要结论

研究人员分析了来自一项随机、双盲、安慰剂对照临床试验（ClinicalTrials.gov标识符NCT02355210）的87名肥胖成人（BMI>30 kg/m2）的数据。参与者中，晚睡型是最常见的中枢昼夜节律表型（59/87，67.8%）。研究发现，晚睡型个体显著更可能属于高代谢风险（MetS-H）组（42/59，71.2% vs. 13/28，46.4%，p=0.025）。结合中枢（睡眠时相型）和外周（进餐时间）表型后，从早睡型/早进食组到晚睡型/晚进食组，MetS-H患病率呈现渐进上升趋势（42.9%至72.7%，趋势检验p=0.07）。

研究人员开发了代谢-炎症（metabolic-inflammatory, MI）综合评分，通过Lasso回归从224个生物标志物中筛选出15个关键变量，该评分能有效区分MetS-H与MetS-L组，交叉验证AUC达0.918，准确率85.5%。MetS-H组表现出促炎细胞因子（TNF-α、IL-6）升高、β-葡聚糖（真菌易位标志物）升高、促炎性IgG糖基化谱偏移，以及氨基酸代谢紊乱（L-丙氨酸、L-谷氨酸升高）和抗氧化剂（2,6-二叔丁基-1,4-苯醌）降低。

肠道通透性评估显示，MetS-H组在多个标志物上表现出通透性增加。晚进食与外周及远端肠道通透性升高相关。关键发现是，肠道屏障完整性显著调节昼夜节律表型与MI评分之间的关联——仅在肠道通透性较高的个体（24小时甘露醇排泄>32.1%）中，昼夜节律失调才与更高的代谢性炎症显著相关。

微生物组分析显示，MetS-H组α多样性显著降低，且产SCFA相关菌群（如Christensenellaceae、Ruminococcus）丰度降低。晚睡型个体表现出与肠道屏障健康相关的菌科（Oscillospiraceae、Christensenellaceae、Rikenellaceae、Akkermansiaceae）显著耗竭。微生物干预的探索性分析表明，肠道屏障弹性改善的应答者中，产SCFA相关菌群（Faecalibacterium、Roseburia、Ruminococcus等）显著富集。

三、主要关键技术方法

本研究采用以下关键技术方法：第一，昼夜节律表型评估，使用慕尼黑睡眠时相型问卷（Munich Chronotype Questionnaire, MCTQ）评估中枢昼夜节律表型，使用食物时间问卷（Food Timing Questionnaire, FTQ）评估外周昼夜节律表型；第二，肠道通透性测定，采用糖吸收试验（含甘露醇、乳果糖、蔗糖和三氯蔗糖的混合糖溶液），通过分时段尿液收集评估不同肠段通透性，并使用阿司匹林激发试验评估肠道屏障弹性；第三，多组学分析，包括血浆炎症标志物检测（MSD U-PLEX多重检测和ELISA）、非靶向代谢组学和脂质组学分析、IgG N-聚糖分析（毛细管电泳）；第四，16S rRNA基因扩增子测序（V5-V6区域）进行微生物组分析；第五，Lasso回归、主成分分析（PCA）、t-SNE可视化、分层聚类、介导分析等生物信息学和统计方法。样本队列来自Rush University Medical Center的随机临床试验（NCT02355210），共87名肥胖成人。

四、研究结果

参与者人口统计学和临床特征：87名肥胖受试者中，MetS-H组（≥2个MetS特征，n=55）参与者年龄更大（44.9±10.7 vs. 38.2±12.2岁，p=0.009）且BMI更高（38.8±6.5 vs. 35.3±4.3 kg/m2，p=0.008）。

昼夜节律表型与MetS：晚睡型个体显著更可能属于MetS-H组（71.2% vs. 46.4%，p=0.025）。晚进食者在MetS-H组中比例较高（59.1% vs. 40.9%，p=0.05）。从早睡型/早进食到晚睡型/晚进食，MetS-H患病率呈渐进上升趋势（p=0.07）。

代谢-炎症评分的开发：通过Lasso回归鉴定出15个变量的多组学特征签名，整合为MI评分。该评分有效区分MetS-H与MetS-L组（p<0.001），交叉验证AUC为0.918，准确率85.5%。高MI聚类包含显著更高比例的MetS负担较重个体。

昼夜节律表型与MetS系统性标志物：晚睡型与促炎状态相关（IFN-γ升高），伴随色氨酸通路改变（L-色氨酸降低）和L-谷氨酸、肌酸升高。晚进食与趋化因子CCL8升高及特定IgG糖基化谱（岩藻糖基化升高、A2聚糖降低）相关。

肠道通透性、MI评分与昼夜节律表型：MetS-H组在多个标志物上表现出肠道通透性增加。晚进食与近端和远端小肠及大肠通透性升高相关。MI评分与多种肠道通透性标志物显著正相关。介导分析证实，肠道屏障完整性显著调节昼夜节律表型对MI评分的影响，仅在24小时甘露醇排泄>32.1%的个体中观察到显著关联。

肠道微生物组、昼夜节律表型与肠道通透性：MetS-H组α多样性显著降低（Shannon指数，p=0.009），Christensenellaceae和Ruminococcus等菌群耗竭。晚睡型个体α多样性较低，且Oscillospiraceae、Christensenellaceae、Rikenellaceae和Akkermansiaceae等与肠道屏障健康相关的菌科显著耗竭。结合昼夜节律表型分析显示，Oscillospiraceae的耗竭与晚睡型一致相关。研究支持一个有序模型：昼夜节律失调表型→特定菌群变化（产SCFA菌群减少）→肠道通透性增加→代谢性炎症加重。

微生物干预与肠道屏障弹性：在微生物干预后，肠道屏障弹性改善的应答者中，产SCFA相关菌群（scfa_sum）显著富集。远端肠道弹性（24小时三氯蔗糖）应答者中，Faecalibacterium、Ruminococcus和Christensenellaceae显著增加；总肠道通透性（24小时乳果糖）应答者中，scfa_sum和Roseburia显著升高。晚睡型亚组分析显示，屏障弹性改善者同样表现出产SCFA菌群的显著扩增。

五、讨论与结论总结

讨论部分总结：本研究在肥胖高风险个体中提供了人类证据，表明昼夜节律表型与系统性代谢和炎症失调、肠道微生物组改变及肠道屏障完整性受损之间存在关联。晚睡型和延迟进食行为与更高的MetS负担相关。多组学分析揭示了代谢性炎症的独特分子特征，包括促炎细胞因子升高、β-葡聚糖增加、促炎性IgG糖基化谱偏移以及氨基酸代谢紊乱。肠道屏障功能是昼夜节律相关代谢功能障碍易感性的重要修饰因子——在肠道屏障较健康的个体中，昼夜节律失调与MI评分无显著关联，但一旦肠道通透性超过临界阈值，昼夜节律失调便与更高的代谢性炎症显著相关。微生物干预的探索性分析表明，靶向调节肠道微生物组可能与增强屏障弹性及产SCFA菌群富集相关。

研究结论翻译：研究人员描绘了一个全面的多组学框架，将人类昼夜节律表型与代谢疾病联系起来。晚睡型和延迟进食行为与更高的MetS负担相关，并伴随微生物失调、肠道屏障完整性受损和系统性炎症的序贯模式。肠道屏障功能是昼夜节律相关代谢功能障碍易感性的重要修饰因子。此外，微生物干预提示，靶向调节肠道微生物组可能与增强屏障弹性及富集与SCFA产生和屏障健康相关的菌群有关。综上所述，这些发现提供了证据，表明肠道微生物组和肠道屏障是生活方式驱动的昼夜节律失调与代谢健康之间的关键界面。