《Frontiers in Cellular and Infection Microbiology》：Integrative metagenomic and metabolomic analysis reveals a gut microbiota-metabolite-immune axis in pediatric allergic rhinitis with functional constipation
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目的：本研究旨在描绘共患过敏性鼻炎和功能性便秘（ARFC）儿童肠道微生物组及宿主氨基酸代谢的改变，并探讨其与临床过敏标志物的联系。方法：研究人员对 19 名 ARFC 儿童和 16 名年龄匹配的健康对照（HC）的粪便样本进行了鸟枪法宏基因组测序和靶向氨基酸代谢
目的：本研究旨在描绘共患过敏性鼻炎和功能性便秘（ARFC）儿童肠道微生物组及宿主氨基酸代谢的改变，并探讨其与临床过敏标志物的联系。方法：研究人员对 19 名 ARFC 儿童和 16 名年龄匹配的健康对照（HC）的粪便样本进行了鸟枪法宏基因组测序和靶向氨基酸代谢组学分析。分析了微生物群落结构、差异丰度分类群和代谢谱。采用包括相关性网络和机器学习建模在内的整合分析方法来调查菌群 - 代谢物 - 宿主相互作用。结果：发现 ARFC 与 HC 肠道菌群之间存在显著的β多样性差异（主坐标分析 PCoA R2=0.228，P = 0.001）。ARFC 儿童表现出降解粘蛋白的拟杆菌门（Bacteroidota，如拟杆菌属 Bacteroides、Phocaeicola）富集，以及有益厚壁菌门（Bacillota，如双歧杆菌属 Bifidobacterium、Blautia）耗竭。代谢组学鉴定出 50 种差异丰度代谢物，其中包括 L-谷氨酰胺和γ-氨基丁酸（GABA）在内的免疫调节氨基酸广泛下调。富集的通路涉及 mTOR 和 FoxO 信号传导以及神经递质突触。整合分析揭示了特定微生物属（如拟杆菌属 Bacteroides、变形杆菌属 Proteus）与代谢物（如犬尿氨酸）之间，以及肠道物种（如多形拟杆菌 Bacteroides thetaiotaomicron）与血清 IgE 水平之间的显著相关性。一个整合关键微生物和代谢特征并在严格的留一法交叉验证框架下评估的机器学习模型，在该队列中表现出稳健的判别性能（曲线下面积 AUC = 0.946）。结论：这项多组学研究揭示了 ARFC 儿童中独特的“肠道菌群失调 - 代谢物失调 - 免疫功能障碍”轴。向溶粘蛋白、促炎性菌群的协同转变伴随着免疫调节代谢物产生的缺陷，且与临床过敏标志物相关，这为该共病提供了新的机制框架，并突出了未来验证的潜在诊断生物标志物。
儿童过敏性鼻炎（AR）是儿科常见的慢性炎症性疾病，其发病率全球范围内持续上升，常与功能性便秘（FC）共患，形成 ARFC 共病状态，严重影响患儿生活质量并增加临床管理难度。尽管“肠 - 肺轴”理论已阐明肠道菌群在呼吸道过敏性疾病中的关键作用，且肠道菌群失调已被证实与 AR 和 FC 独立相关，但 ARFC 是否构成由共同微生物和代谢紊乱驱动的独特临床实体尚不清楚。既往研究多局限于单一组学或 16S rRNA 测序，缺乏对肠道生态系统及其功能产物的系统性多组学特征描述。特别是氨基酸作为微生物底物和免疫调节因子的双重角色，其在 ARFC 中的具体变化及与菌群的互作机制亟待阐明。因此，开展整合宏基因组学与靶向代谢组学的研究，旨在构建“菌群 - 代谢物 - 宿主”相互作用网络，对于揭示 ARFC 的病理生理机制及发现潜在诊疗靶点具有重要意义。该研究成果发表于《Frontiers in Cellular and Infection Microbiology》。
为开展此项研究，研究人员采用了病例对照设计，招募了来自中国深圳龙岗区妇幼保健院的 19 名 ARFC 患儿和 16 名健康对照（HC）儿童，两组在年龄、性别及饮食习惯上匹配。关键技术方法包括：利用鸟枪法宏基因组测序技术（Shotgun metagenomic sequencing）深度解析粪便样本中的微生物群落结构及功能基因谱；采用靶向液相色谱 - 串联质谱（LC-MS/MS）技术对粪便中的氨基酸及相关代谢物进行精确定量分析；结合生物信息学进行差异分析、KEGG 通路富集分析；运用 Procrustes 分析、Spearman 相关性分析及随机森林算法构建微生物 - 代谢物 - 临床指标的多维关联网络；最后通过留一法交叉验证（LOOCV）下的 L2 正则化逻辑回归模型评估联合特征的诊断效能。
研究结果主要包含以下几个方面：
首先，在肠道菌群多样性与组成方面，研究发现 ARFC 组与健康对照组在α多样性上无显著差异，但在β多样性上存在显著分离。在分类学组成上，ARFC 组表现为拟杆菌门（Bacteroidota）显著富集，特别是具有粘蛋白降解特性的拟杆菌属（Bacteroides）和 Phocaeicola 属；相反，有益菌厚壁菌门（Bacillota）中的双歧杆菌属（Bifidobacterium）和 Blautia 属显著减少。物种水平上，多形拟杆菌（Bacteroides thetaiotaomicron）等溶菌物种丰度升高，而长双歧杆菌（Bifidobacterium longum）等保护性物种丰度降低。
其次，在氨基酸代谢谱分析方面，代谢组学鉴定出 50 种差异代谢物。ARFC 组中多种具有免疫调节作用的氨基酸显著下调，包括 L-谷氨酸、L-谷氨酰胺、L-脯氨酸及γ-氨基丁酸（GABA）。通路富集分析显示，mTOR 信号通路、FoxO 信号通路以及 GABA 能和谷氨酸能突触通路显著富集，提示氨基酸代谢紊乱可能通过影响营养感应和神经免疫调节进而参与疾病发生。
再次，在菌群与代谢物及临床指标的相关性方面，整合分析显示特定菌群与代谢物存在显著关联，例如拟杆菌属与色氨酸代谢产物犬尿氨酸呈正相关。更重要的是，多形拟杆菌的丰度与尘螨特异性 IgE 及总 IgE 水平呈显著正相关，而短双歧杆菌则呈负相关，直接建立了肠道微生态与全身过敏状态的联系。基于关键菌群和代谢特征构建的机器学习模型显示出优异的诊断判别能力（AUC = 0.946）。
讨论部分总结指出，本研究提出 ARFC 患儿存在一种协同性的菌群失调模式，即溶粘蛋白菌群扩张与产短链脂肪酸（SCFAs）菌群耗竭并存，并伴随免疫调节性氨基酸代谢物的缺乏。这种“肠道菌群失调 - 代谢物失调 - 免疫功能障碍”轴可能导致肠道屏障受损，促进抗原易位，进而通过 mTOR 等通路加剧 Th2 型免疫反应和 IgE 介导的炎症。尽管研究存在横断面设计无法推断因果、样本量较小及未涵盖所有代谢类别等局限性，但该研究首次从多组学角度系统描绘了 ARFC 的肠道生态特征，为理解该共病的发病机制提供了新视角，并提示针对特定菌种（如补充双歧杆菌）和代谢物（如谷氨酰胺）的干预策略可能具有潜在治疗价值。
研究结论部分翻译如下：综上所述，这项整合宏基因组学和代谢组学的分析首次全面表征了共患过敏性鼻炎和功能性便秘儿童的肠道生态系统。研究人员确定了一个潜在的“肠道菌群 - 代谢 - 免疫”轴作为 ARFC 发病的基础。该病症的特征是协同性的菌群失调，表现为溶粘蛋白拟杆菌门的扩张和产短链脂肪酸厚壁菌门的收缩，同时伴有粪便氨基酸稳态的严重破坏。关键的免疫调节代谢物（如谷氨酰胺和 GABA）被消耗，其相关的营养感应（mTOR、FoxO）和神经免疫通路显著富集。至关重要的是，强大的相关性网络直接将这种菌群失调 - 代谢景观与临床过敏致敏（如 IgE 水平）联系起来。联合微生物和代谢模型表现出的卓越判别力强调了其转化潜力。总体而言，这些发现推进了“肠 - 肺 - 肠”轴的概念，提供了一个新的多组学框架，不仅阐明了 ARFC 的病理生理学，还确定了未来基于微生物组的诊断和干预措施的候选靶点。
