中老年人群脑健康的血液代谢组及其受基因、肠道微生物群与外暴露组的影响

《Nature Aging》：The blood metabolome of brain health in midlife and influences of genes, microbiome and exposome

　　

代谢改变日益被认为与包括阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）在内的神经退行性疾病相关，这凸显了外周代谢组（受遗传变异和环境暴露塑造）对脑健康的重要性。研究人员在鹿特丹研究（Rotterdam Study）1,082名无痴呆的中年参与者中，横断面检测了991种血液代谢物与认知及磁共振成像（magnetic resonance imaging, MRI）指标的关联，并量化了遗传变异、生活方式、合并症、用药及肠道微生物群对代谢物方差的贡献。与认知相关的代谢物在两个独立的老年队列中得到复现，并在其中一个队列中检验了其与新发AD的纵向关联。22种代谢物与MRI指标相关；14种代谢物显示与认知的复现性关联，其中麦角硫因（ergothioneine）效应最大。认知的代谢特征镜像新发AD的代谢特征。生活方式、临床变量及用药是认知相关和MRI相关代谢物最强的决定因素，可解释其最高达28.6%的方差。抗酸药使用与较差认知及较低麦角硫因水平相关，后者介导了31.5%的用药负面效应，提示其对AD预防的意义。

论文解读：《Nature Aging》——中老年人群脑健康的血液代谢组及其受基因、肠道微生物群与外暴露组的影响

一、研究背景与立项依据

阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）具有漫长的临床前阶段，脑结构功能改变及神经心理标志物异常可在症状出现前多年即已发生，脑萎缩（皮质变薄、海马体积减小）及白质高信号（white matter hyperintensities, WML）是AD相关的神经退行性及血管性标志。既往研究表明外周血代谢物（氨基酸、脂质、脂蛋白等）与AD表型相关，但中年人群中早期代谢改变与AD前期脑结构及认知功能的关联、这些代谢物受可修饰因素（外暴露组exposome、肠道微生物群）影响的程度尚不清楚。本研究旨在填补这一空白：系统识别与中年脑健康早期改变相关的循环代谢物，并分析其受基因、肠道微生物群及外暴露组（生活方式、临床因素、药物）的影响，以寻找潜在干预靶点。

二、主要队列与技术方法

研究人员基于荷兰人群为基础的鹿特丹研究（Rotterdam Study）：发现队列为RSIII-2（第三批第二次随访，n=1,082，无痴呆，中年），采用非靶向代谢组学平台（Metabolon HD4）检测血浆中1,387种代谢物，质控后纳入991种频繁检出代谢物；认知采用一般认知因子（g factor，由Stroop测验、字母数字替换测验LDST、词语流畅性测验WFT、Purdue钉板测验PPB及15词听觉词语学习测验15-WWL延迟回忆提取）；MRI指标含总脑体积、海马体积及WML体积。复制队列一为RSI-4（第一批第四次随访，n=874无痴呆/卒中老年人）横断面验证认知相关代谢物；复制队列二为美国阿尔茨海默病研究中心阿尔茨海默肠道微生物组项目（Alzheimer Gut Microbiome Project, AGMP，n=512）验证认知相关代谢物与多维度认知评分关联；RSI-4扩展样本（n=1,229，含355例新发AD）做Cox比例风险回归检验代谢物与新发AD关联。影响因素解析采用梯度提升决策树（Gradient Boosting Decision Tree, GBDT/LightGBM）估算基因型（全基因组显著关联SNP）、16S rRNA测序所得肠道微生物分类单元（amplicon sequence variant, ASV）、生活方式（BMI、饮酒、吸烟、教育）、临床因素（糖尿病、高血压、血压）及31种药物使用对代谢物方差的解释度（explained variance, EV）；单因素关联分析采用线性回归；性别分层分析检验交互作用；中介分析（R包'mediation'）检验抗酸药→麦角硫因（ergothioneine）→认知的通路。

三、研究结果

General cognition and brain MRI markers are associated with distinct blood metabolites

在调整年龄、性别、体重指数（body mass index, BMI）及降脂药后（FDR<0.05），14种代谢物与一般认知显著相关：麦角硫因（ergothioneine，较高水平→较好认知）、尿苷（uridine）、2'-脱氧尿苷（2'-deoxyuridine）及两种未表征代谢物水平升高关联较好认知；7种硫酸化异源代谢产物（如4-乙烯基愈创木酚硫酸盐4-vinylguaiacol sulfate、邻甲酚硫酸盐o-cresol sulfate等）及2种未表征代谢物水平降低关联较好认知。22种代谢物与MRI标志相关（21种与总脑体积极显著关联，1种S-腺苷同型半胱氨酸（S-adenosylhomocysteine, SAH）与WML体积关联），海马体积无一单独达显著，但弹性网络模型可解释其17.5%方差。

Metabolite signatures of cognition and MRI markers are concordant

虽认知与MRI相关代谢物集合无重叠，但回归系数显著相关（与总脑体积r=0.33，与海马体积r=0.27，与WML体积r=-0.49，均P<0.05），表明整体代谢特征方向一致。3-乙酰苯酚硫酸盐（3-acetylphenol sulfate）同时与认知及三个MRI表型有显著/边缘显著关联。

Metabolite signature of cognition replicates in two cohorts and overlaps with AD signature

14种认知相关代谢物中9种在RSI-4队列获复现（同向效应P<0.05）；AGMP队列中10种可用代谢物里7种与至少一项认知评分显著相关；所有14种至少在一项复现检验中显著。认知相关代谢物在RSIII-2的横断面回归系数与新发AD的Cox回归系数显著负相关（r=-0.73, P=1.03×10^-13），表明认知代谢特征与AD发病风险代谢特征相符，β-隐黄质（β-cryptoxanthin）及咪唑丙酸（imidazole propionate）与新发AD关联最强。

Sex-stratified analysis suggests association of bile acids with brain health in females

22和61种代谢物分别显示认知与MRI关联的性别交互作用（P_interaction<0.05）。女性中5种结合胆汁酸（牛磺胆酸taurocholate、甘氨胆酸glycocholate等）较低水平关联较好认知；男性中N-乙酰天冬氨酰谷氨酸（N-acetyl-aspartyl-glutamate, NAAG）较高水平关联较好认知。性别分层结果未在RSI-4中复现。

Exposome has strongest influences on metabolites associated with brain health

对认知相关代谢物，生活方式因素解释最高方差达28.6%（如2-萘酚硫酸盐2-naphthol sulfate 28.6%，邻甲酚硫酸盐21.0%），药物使用解释最高3.6%（麦角硫因），肠道微生物群最高5.4%（3-羟基-2-甲基吡啶硫酸盐3-hydroxy-2-methylpyridine sulfate），遗传变异<1.2%。MRI相关代谢物方差主要由生活方式、临床因素及药物使用解释（药物最高17.7%）。整体而言，认知与MRI相关代谢物在生活方式因素（P=6.48×10^-3）及临床因素（P=1.48×10^-2）影响上具有显著富集性。

Link of brain health-associated metabolites and individual microbial or exposomal features

单因素分析示13/14认知相关代谢物关联生活方式：吸烟升硫酸化异源代谢物降尿苷/2'-脱氧尿苷（匹配差认知方向）；麦角硫因关联高酒精摄入、高教育及低BMI。临床/药物中糖尿病及降糖药关联多种硫酸盐及2'-脱氧尿苷低水平；抗酸药（尤其是质子泵抑制剂proton pump inhibitor, PPI）强关联低麦角硫因（调整后均值差=-0.45, P=4.27×10^-9）。22/36脑健康相关代谢物关联特定肠道微生物属（如麦角硫因关联Lachnospiraceae ND3007等6属丰度高及Clostridium innocuum group等6属丰度低）。

Ergothioneine mediates the association between antacid medication and cognition

抗酸药使用关联较差认知（总效应-0.235, P<2×10^-16），麦角硫因部分介导此负向效应，中介比例为31.5%（95%CI:15.5–71%）。AGMP队列中PPI使用亦关联低麦角硫因水平（效应量=-0.159, P<0.002）。

四、讨论与结论总结（翻译浓缩）

本研究整合了中年无痴呆人群认知及MRI标志与循环代谢物的全代谢组关联分析，并系统评估了基因、肠道微生物群及外暴露组对其水平的塑造作用，阐明可修饰因素可能经代谢途径影响AD早期脑改变。14种代谢物与认知、22种与MRI标志显著相关；认知相关代谢物在两独立老年队列复现，且认知代谢特征镜像新发AD风险特征，证实其中年关联对AD病因学的意义。这些代谢物方差主要由生活方式、临床因素及药物使用解释。麦角硫因（ergothioneine）与认知及新发AD最强相关，抗酸药（尤PPI）降低其血浓度并部分经其介导损害认知，提示维护麦角硫因水平或为潜在可干预通路。7种硫酸化异源代谢物（尤其吸烟相关者）低水平关联好认知，部分在非吸烟者中仍显著。N-乳酰酪氨酸（N-lactoyltyrosine）高关联低脑体积且与降糖治疗强相关。肠道微生物源代谢物（如咪唑丙酸、β-隐黄质）与新发AD强关联但在中年仅名义显著，提示微生物相关代谢物或更参与后期致病。综上，生活方式是中年脑健康相关血代谢物的主要塑造因素；抗酸药经由降低神经保护性麦角硫因水平潜在影响脑健康，为AD预防策略提供新切入点，未来需在纵向队列确认麦角硫因的中介作用及因果性。