症状性退行性肩袖肌腱病患者的肠道菌群与血浆代谢物变化

《Frontiers in Microbiology》：Changes in gut microbiota and plasma metabolites in patients with symptomatic degenerative rotator cuff tendinopathy

　　

摘要
目的：探究症状性退行性肩袖肌腱病（dRCT）患者肠道菌群与血浆代谢物的变化，并探讨可能参与肌腱退变的菌群介导的代谢机制。
方法：开展了一项按年龄、性别和体质指数（BMI）进行组间匹配的病例对照研究，纳入经临床检查和磁共振成像（MRI）确诊的61例症状性dRCT患者，以及61例在年龄、性别和体质指数方面匹配的健康对照者。由于样本量不足，随后有1例RCT受试者被排除在最终分析之外。收集粪便和血浆样本，进行16S rRNA扩增子测序和非靶向代谢组学分析。采用基于PICRUSt2的微生物功能预测以及菌群-代谢物相关性分析，以表征与dRCT相关的肠道菌群及代谢改变。
结果：dRCT患者与对照者之间肠道菌群β多样性差异显著（P = 0.014）。LEfSe分析显示，dRCT组富集了拟杆菌门（Bacteroidota）和假单胞菌门（Pseudomonadota），以及包括Segatella、Megamonas、Klebsiella、Desulfovibrio、Agathobacter和Alistipes在内的属。相比之下，对照者富集了芽孢杆菌门（Bacillota）以及产短链脂肪酸（SCFA）的菌属，包括Gemmiger和真杆菌_瘤胃菌群（Eubacterium_ruminantium group）。PICRUSt2预测显示，dRCT中促炎微生物通路上调，包括脂多糖生物合成、鞭毛组装、维生素B₆代谢和核黄素代谢，而对照者则在氨基酸合成和组织修复相关通路中表现出更高活性，包括缬氨酸/亮氨酸/异亮氨酸生物合成、赖氨酸生物合成以及半胱氨酸和甲硫氨酸代谢。非靶向代谢组学在正离子模式下鉴定出309种差异代谢物，在负离子模式下鉴定出226种。KEGG富集分析显示，正离子模式下色氨酸代谢和铁死亡通路发生显著改变，负离子模式下不饱和脂肪酸生物合成、胆汁分泌、色氨酸代谢和类固醇激素生物合成发生改变。相关性分析显示，Segatella和Megamonas与吲哚-3-乙醛和维生素E呈负相关，而Gemmiger与奎宁酸呈正相关。
结论：据研究人员所知，这是首个系统探讨潜在“肠道-肌腱轴”的人体多组学研究。dRCT患者表现出肠道菌群失调，其特征为促炎菌富集、产SCFA/丁酸菌群出现分化性转变，且优势菌群净耗竭。这些改变可能通过肠道源性内毒素产生增加、色氨酸向吲哚转化能力降低以及铁死亡相关氧化应激与肌腱退变相关。

论文解读

**研究背景与问题**

退行性肩袖肌腱病（degenerative rotator cuff tendinopathy, dRCT）是临床最常见的肩关节疾病之一，以肩痛、活动受限和肌力下降为主要表现，严重影响患者生活质量和工作能力。流行病学数据显示，60岁以上人群中该病患病率超过15%，且随年龄增长显著升高。尽管手术技术不断改进，术后再撕裂率仍高达20%–60%，提示单纯局部修复无法解决该病的系统性致病机制。近年研究认为，dRCT的病理生理机制涉及机械磨损、年龄相关退变、局部缺血、氧化应激和系统性慢性炎症等多因素协同作用，但对其病因机制的全面系统理解仍十分缺乏。与此同时，肠道菌群在肌肉骨骼系统疾病中的调控作用日益受到关注。已有证据表明，肠道菌群失调与骨质疏松、骨关节炎、类风湿关节炎和肌少症密切相关，其机制涉及免疫调节、炎症信号和短链脂肪酸（SCFA）介导的代谢调控。肠道菌群可通过产生丁酸、丙酸等SCFA、次级胆汁酸和色氨酸代谢物等生物活性分子，调节宿主系统性炎症状态、氧化应激水平和营养代谢，从而对远端组织稳态产生深远影响。肌腱作为力学敏感的致密结缔组织，其细胞外基质（ECM）稳态依赖胶原合成与降解的精细平衡。系统性炎症介质可激活肌腱细胞中NF-κB和MAPK信号通路，促进基质金属蛋白酶（MMPs）过度表达，加速ECM降解并诱导肌腱退变。肠源性内毒素脂多糖（LPS）可穿过受损肠道屏障进入体循环，激活Toll样受体4（TLR4）介导的炎症通路，构成“肠源性系统性炎症”的核心驱动因素。然而，目前关于肠道菌群与肌腱疾病关系的研究极为有限，现有证据主要来自动物模型。为填补这一知识空白，研究人员开展了本研究。

**研究设计与技术方法**

该研究采用按年龄、性别和BMI进行组间匹配的病例对照设计。病例组（RCT组，n=61）为经临床检查和MRI确诊的症状性dRCT患者，对照组（n=61）为年龄、性别和BMI分布相近的健康志愿者。最终分析样本为121名参与者（1例RCT受试者因样本量不足被排除）。研究经山东省淄博市中医医院伦理委员会批准。主要关键技术方法包括：①粪便样本16S rRNA基因V3–V4区扩增子测序（Illumina NovaSeq平台），经DADA2降噪生成扩增子序列变异体（ASVs），基于SILVA 138.2数据库进行物种注释；②血浆样本非靶向液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）代谢组学分析（正负离子模式）；③PICRUSt2微生物功能通路预测；④菌群-代谢物Spearman相关性分析。统计分析使用R软件和SPSS 25.0。

**研究结果**

*总体肠道菌群结构差异*：所有样本测序共获得12,872,646条原始双端读长，经质控和DADA2降噪后得到6,630个ASVs。Alpha多样性分析显示RCT组与对照组在Shannon和Simpson指数上无显著差异。基于加权UniFrac距离的主坐标分析（PCoA）显示两组样本存在分离趋势（ANOSIM R=0.026, P=0.014；PERMANOVA R2=1.45%, F=1.745, P=0.007），表明dRCT患者与对照者肠道菌群整体组成存在统计学显著但程度较小的差异。

*LEfSe分析与功能预测*：LEfSe分析（LDA>2）显示，RCT组在门水平富集假单胞菌门和拟杆菌门；属水平富集Segatella、Megamonas、Klebsiella、Desulfovibrio、Agathobacter和Alistipes。对照组在门水平富集芽孢杆菌门，属水平富集Gemmiger、真杆菌_瘤胃菌群和Thomasclavelia。PICRUSt2预测识别出28条显著差异KEGG代谢通路。RCT组富集脂多糖生物合成、鞭毛组装、维生素B₆代谢和核黄素代谢等促炎通路；对照组富集缬氨酸/亮氨酸/异亮氨酸生物合成、赖氨酸生物合成、肽聚糖生物合成、磷酸戊糖途径、氨酰-tRNA生物合成、嘧啶代谢、嘌呤代谢、半胱氨酸和甲硫氨酸代谢及DNA错配修复等氨基酸合成和组织修复相关通路。

*非靶向代谢组学分析*：正离子模式鉴定出1,853个代谢物特征，其中309个为差异代谢物（99个上调，210个下调）；负离子模式鉴定出1,137个代谢物特征，其中226个为差异代谢物（114个上调，112个下调）。Benjamini-Hochberg FDR校正确认正离子模式71.2%（220/309）和负离子模式57.5%（130/226）的差异代谢物仍显著。OPLS-DA模型显示两组代谢谱明显分离。KEGG富集分析显示正离子模式中最显著改变的pathways集中在色氨酸代谢、铁死亡、药物代谢-细胞色素P450、维生素B₆代谢和维生素消化吸收；负离子模式中最显著通路包括不饱和脂肪酸生物合成、胆汁分泌、色氨酸代谢和类固醇激素生物合成。值得注意的是，RCT组中一组色氨酸衍生吲哚化合物显著下调，包括吲哚-3-乙醛（FC=0.76）、吲哚-3-甲醛（FC=0.82）、吲哚乳酸（FC=0.82）、吲哚丙烯酸（FC=0.81）、3-甲基吲哚（FC=0.82）、吲哚（FC=0.83）和吲哚乙酸（FC=0.76），维生素E也显著下调（FC=0.65），犬尿氨酸通路中间体黄尿酸显著下调（FC=0.79）。

*差异菌群-代谢物相关性分析*：正离子模式下，RCT组富集的Segatella和Megamonas与吲哚-3-乙醛及维生素E呈负相关；负离子模式下，对照组富集的Gemmiger与奎宁酸呈正相关。

**讨论与结论**

研究人员认为，这是首个系统探讨“肠道-肌腱轴”的多组学研究。dRCT患者表现出特征性肠道菌群失调：促炎菌富集、产丁酸菌群出现分化性转变且优势菌群净耗竭。RCT组富集的Klebsiella作为革兰阴性条件致病菌，其LPS可穿过受损肠道屏障进入循环，与促炎细胞因子升高和产SCFA菌属耗竭相关。Segatella可能通过刺激Th17细胞和诱导IL-6、IL-23等促炎因子参与炎症。Desulfovibrio产生的硫化氢可损害肠道黏液层完整性、加剧肠道通透性。对照组富集的Gemmiger和真杆菌_瘤胃菌群是重要产丁酸菌，其减少导致SCFA产生能力净下降，肠道通透性增加，形成“肠道通透性-内毒素血症-系统性炎症”恶性循环。PICRUSt2预测的LPS生物合成和鞭毛组装通路上调支持“肠源性内毒素血症”假说。对照组富集的氨基酸合成通路（赖氨酸、支链氨基酸等）为肌腱胶原交联和蛋白合成提供底物支持。代谢组学中色氨酸代谢通路显著富集，RCT组吲哚类衍生物下调，且Segatella和Megamonas与吲哚-3-乙醛负相关，提示促炎菌富集可能降低色氨酸向吲哚代谢物的转化能力。铁死亡通路显著富集以及不饱和脂肪酸代谢异常，提示铁死亡相关氧化应激可能参与不可逆肌腱退变。维生素E下调与氧化应激机制相关。Gemmiger与奎宁酸的正相关虽统计稳健但机制不明。研究局限性包括横断面设计无法确立因果关系、单中心样本量有限、16S rRNA功能预测需宏基因组验证，以及未实施标准化NSAID/镇痛药洗脱方案。

结论：这是首次对“肠道-肌腱轴”进行的多组学系统研究，揭示症状性dRCT患者存在特异性肠道菌群失调，表现为促炎菌富集、产SCFA/丁酸菌群分化性转变且优势菌群净耗竭。这种失调可能通过肠源性LPS（内毒素）产生增加、色氨酸向吲哚转化能力降低及铁死亡相关氧化应激等多条途径与肌腱退变相关。研究提出了“肠道-肌腱轴”相关致病假说，为dRCT的预防和辅助治疗提供了新视角。通过SCFA补充、益生菌和饮食干预靶向调控肠道菌群可能成为dRCT预防和辅助治疗的新策略，有待未来干预研究进一步验证。