腰椎椎间盘退变中的肠-脊柱轴：微生物与炎症特征

《The Spine Journal》：The Gut-Spine Axis in Lumbar Intervertebral Disc Degeneration: Microbial and Inflammatory Signatures

　　

摘要

背景

椎间盘退变（IDD）在慢性腰痛患者中十分常见。传统上，IDD被视为一种生物力学失败，但新兴证据表明系统性炎症在IDD发病机制中发挥作用。所提出的"肠-脊柱轴"概念——即肠道菌群失调可能促进炎症并可能导致椎间盘定植——代表了一种范式转变。为弥补人体数据方面的不足，我们开展了首个多隔室（肠-血-椎间盘）研究，对配对微生物组与系统性炎症生物标志物进行特征分析。

目的

通过刻画肠道微生物组失调、其与系统性炎症的关联以及退变椎间盘组织中是否存在独特的微生物特征，探讨肠-脊柱轴在椎间盘退变（IDD）中的作用。

研究设计/场所

在一家三级医疗中心开展的前瞻性临床病例对照研究。

患者样本

20例成年患者（年龄18-65岁），因症状性腰椎椎间盘退变（Pfirrmann分级≥3）接受手术椎间盘切除术，以及20例年龄匹配的健康对照，无腰痛或影像学IDD证据。

结局指标

主要结局包括肠道和椎间盘微生物多样性（α多样性指数：Shannon、Simpson、观察到的属数；β多样性：Bray-Curtis不相似度）、关键微生物属水平相对丰度，以及使用中性粒细胞与淋巴细胞比值（NLR）评估的系统性炎症状态。次要结局包括微生物与系统性炎症之间的关联。

方法

我们前瞻性地分析了接受腰椎IDD手术的患者及匹配的健康对照。配对粪便样本和手术切除的椎间盘样本进行了16S rRNA测序。通过外周中性粒细胞与淋巴细胞比值（NLR）量化系统性炎症。我们评估了α多样性和β多样性，并采用线性回归分析微生物丰度与NLR之间的功能关联。

结果

症状性IDD患者表现出明显的肠道菌群失调，包括链球菌属（Streptococcus）升高以及柯林斯氏菌属（Collinsella）富集7倍（IDD组10% vs. 对照组1.5%）。粪便中嗜血杆菌属（Acinetobacter）与系统性炎症（NLR）呈正相关（R2=0.326, p=0.009），而有益菌多雷亚氏菌属（Dorea）呈负相关（R2=0.230, p=0.032）。在局部，退变椎间盘内存在独特的低多样性微生物组（Simpson指数p=0.038），以兼性厌氧菌嗜血杆菌属（Acinetobacter）和嗜养障杆菌属（Stenotrophomonas）为主（相对丰度32% vs. 肠道中<1%）。β多样性分析证实椎间盘与肠道菌群在统计上存在显著差异（PERMANOVA R2=0.451, p=0.001），这一模式更符合隔室特异性微生物群落而非手术污染。

结论

本研究为症状性腰椎IDD中存在功能性肠-脊柱轴提供了初步证据。我们表明IDD与促炎性肠道菌群失调相关，且该失调与系统性炎症存在关联。此外，在退变椎间盘内发现独特的病原共生菌富集微生物组，挑战了IDD是无菌状态的观点。这些发现提示IDD可能具有全身性成分，并指向微生物组靶向的诊断和治疗作为未来干预的潜在途径。

章节摘要

引言

椎间盘退变（IDD）是慢性腰痛（LBP）患者中最主要的影像学发现，给全球带来了巨大的临床和社会经济负担[1]。IDD是一个复杂的生物学过程，表现为生化与形态学改变，包括蛋白聚糖水平降低、脱水、椎间盘高度降低和纤维环紊乱[2]。结构性改变可能损害负荷分布并触发细胞外基质的分解代谢性重塑。

方法

研究设计与参与者：本研究是一项前瞻性临床研究，于2023年1月至2024年1月在一家三级医疗中心纳入了因症状性腰椎IDD（以下简称IDD患者）接受手术椎间盘切除术的患者。纳入标准为年龄18-65岁，影像学证实IDD（Pfirrmann分级≥3）且有椎间盘切除术手术指征的成人。排除标准包括活动性感染、三个月内有全身性抗生素暴露史、炎症性

结果

初始评估了60名手术适应证患者及匹配对照组（n=60）的资格。其中10人因预定义标准被排除。在剩余手术候选人中，50人接受了手术并提供了椎间盘组织样本。从这50名参与者中采集了血液和粪便样本。在测序准备期间，30个椎间盘样本因DNA浓度低（n=23）及DNA提取失败而被排除。

讨论

本研究为症状性IDD发病机制中潜在功能性肠-脊柱轴提供了初步人体多隔室数据。我们证实了三个关键发现：(1)症状性IDD患者表现出肠道菌群失调，柯林斯氏菌属（Collinsella）富集7倍且有益菌减少；(2)肠道微生物组成与系统性炎症（NLR）相关，有益菌多雷亚氏菌属（Dorea）呈负相关（R2=0.230, p=0.032），促炎菌嗜血杆菌属（Acinetobacter）呈正相关。

结论

本多隔室研究为与症状性IDD发病机制相关的肠-脊柱轴微生物和炎症模式提供了初步人体证据。我们表明肠道菌群失调与系统性炎症相关，这符合一种有利于兼性厌氧菌定植椎间盘的生物学环境。退变椎间盘内存在独特微生物组的发现表明该微生物组不同于被动的手术污染，提示

数据可用性

本研究所使用的序列数据可在NCBI序列读段档案馆（SRA）上公开获取，BioProject登录号为PRJNA1332372。

作者贡献

作者的职责如下：BMR、AS和GD负责概念构思、审阅和设计；GD、KV、UC、MJ和AS负责患者招募、临床数据和样本采集；BMR、RD和PM负责样本处理和测序；RD、MM、AS、KV和BMR负责数据分析和稿件撰写。所有作者均无个人或财务利益冲突。

CRediT作者贡献声明

Ratnadeep Das：方法学、调查研究、形式化分析。Kavya Varshni：方法学、调查研究、形式化分析。Mrutyunjay Mohanty：可视化、软件、形式化分析、数据整理。Urmi Chakraborty：撰写——初稿、调查研究。Arunkumar Sekar：撰写——初稿、监督指导、调查研究、概念构思。Priyanka Mishra：方法学。Rishikesh Dash：可视化、软件、形式化分析、数据整理。Mantu jain：方法学、调查研究。Gurudip

利益冲突声明

作者声明与本研究的发表不存在利益冲突。

本研究是作为研究生学位论文的一部分完成的。本研究的资金支持由研究指导者直接提供。本研究未获得公共、商业或非营利领域任何外部资助机构的专门资助。

致谢

我们衷心感谢前主任Gitanjali Batmanabane博士和前主席Subrat Acharya博士在建立临床微生物组研究中心（CCMR）中的关键作用。我们也感谢现任执行董事Ashutosh Biswas博士的持续支持，以及印度布巴内什瓦尔全印度医学科学院提供的必要基础设施，使本研究得以开展。

Ratnadeep Das|Kavya Varshni|Mrutyunjay Mohanty|Urmi Chakraborty|Arunkumar Sekar|Priyanka Mishra|Rishikesh Dash|Mantu jain|Gurudip Das|Balamurugan Ramadass