脱氧胆酸相关肠道炎症中肠道菌群与代谢物特征的多组学分析

《Frontiers in Microbiology》：Multi-omics analyses unveil gut microbiota and metabolites signatures in deoxycholic acid-associated intestinal inflammation

　　

**摘要**

**目的：** 高脂饮食（HFD）与炎症性肠病（IBD）发病率的增加密切相关，由HFD诱导的过量粪便脱氧胆酸（DCA）对结肠炎症有显著促进作用。然而，其确切机制尚不清楚。本研究旨在探讨DCA诱导的肠道菌群及其相关代谢物改变与肠道炎症之间的关联。

**方法：** 野生型C57BL/6J小鼠经口给予或不给予0.2% DCA处理12周，分别通过宏基因组测序和广靶代谢组学分析肠道菌群特征及粪便代谢物的变化。通过组织病理学分析确认结肠组织损伤，并通过qPCR和ELISA检测促炎细胞因子的产生。

**结果：** DCA给药诱导了肠道菌群失调和粪便代谢组谱紊乱，伴随肠道中促炎细胞因子（包括TNF-α、IL-6和IL-1β）表达显著升高以及明显的组织损伤。具体而言，过量DCA大幅降低了肠道菌群的α多样性，丰度分析结合线性判别分析效应大小（LEfSe）鉴定出拟杆菌属（*Bacteroides*）和脱硫弧菌属（*Desulfovibrio*）为DCA暴露的潜在生物标志物。过量DCA显著降低了*Eubacterium plexicaudatum*、bacterium 1xD42-87和*Ruminococcus flavefaciens*的丰度，这些菌与多种具有抗炎活性的代谢物（尤其是吲哚类、维生素D3和α-CEHC）的下调呈正相关。同时，DCA给药显著增加了*Parabacteroides distasonis*和*Bacteroides acidifaciens*的丰度，这些菌与具有促炎特性的代谢物（包括鹅脱氧胆酸、甘氨鹅脱氧胆酸和石胆酸等多种胆汁酸代谢物）的上调呈正相关。Spearman相关性分析强调了上述菌群和代谢物在DCA与肠道炎症关联中的重要作用。

**结论：** 该研究揭示过量DCA导致肠道菌群和代谢物的同步改变，这些改变与肠道炎症显著相关，提示可能存在一种涉及肠道菌群的潜在间接调控途径。靶向DCA相关的肠道菌群或代谢物可能为HFD相关的结肠炎症提供有前景的干预策略。

**论文解读：脱氧胆酸相关肠道炎症中肠道菌群与代谢物特征的多组学分析**

**一、研究背景与科学问题**

西方化高脂饮食（HFD）的摄入与多种炎症性疾病密切相关，包括2型糖尿病、心血管疾病和炎症性肠病（IBD），其通常归因于结肠及后续系统性低度炎症的诱导。大量证据表明，长期HFD摄入与溃疡性结肠炎和克罗恩病的风险增加呈正相关，尤其凸显了HFD诱导的肠道胆汁酸代谢紊乱的关键作用。脱氧胆酸（DCA）是结肠中主要的次级胆汁酸，在HFD背景下与IBD的发生日益受到关注。HFD能够刺激初级胆汁酸（PBAs）的合成，并上调参与将PBAs转化为结肠中次级胆汁酸（SBAs）的关键肠道菌群丰度，从而导致SBAs（尤其是DCA）的产生增加。长期HFD暴露可使结肠DCA水平增加约十倍，而给予DCA补充饮食的小鼠可发展出与人类IBD相似的明显结肠炎症。此外，DCA还能显著加重DSS或TNBS诱导的实验性结肠炎。然而，DCA与肠道炎症关联的潜在机制仍不明确。

肠道栖息着数万亿微生物，菌群及其代谢物长期以来被认为是协调肠道稳态的组成部分。肠道菌群调节胆汁酸（BA）代谢，而胆汁酸反过来又能重塑菌群群落。HFD诱导的肠道内过量DCA可能影响菌群的组成、多样性及代谢活性，进而导致多种微生物代谢物（如短链脂肪酸和吲哚衍生物）的改变，最终促进肠道炎症的发生。因此，全面探究DCA如何通过操纵肠道菌群及相关代谢物创造肠道促炎环境，对于理解HFD相关肠道炎症的机制及寻找新的治疗靶点具有重要意义。

**二、研究内容概述**

该研究对DCA给药小鼠与对照小鼠进行了结合微生物宏基因组测序和广靶代谢组学的综合分析。研究结果表明，过量DCA导致*P. distasonis*和*B. acidifaciens*物种丰度显著增加，并大幅降低*E. plexicaudatum*、bacterium 1xD42-87和*R. flavefaciens*物种的丰度。这些菌群变化与具有促炎活性的胆汁酸代谢物的上调和具有抗炎活性的代谢物（包括吲哚类、维生素和激素样代谢物）的下调密切相关，从而提示与肠道炎症发生的潜在相关性。这些发现有助于全面理解HFD诱导肠道炎症的机制，并识别新的治疗靶点。该研究成果发表在《Frontiers in Microbiology》。

**三、主要技术方法**

该研究使用了以下关键技术方法：动物实验采用野生型C57BL/6J雄性小鼠（8周龄，购自上海吉辉实验动物饲养有限公司），随机分为对照组（CON）和DCA给药组（DCA），每组5只，DCA组经饮水给予0.2% DCA持续12周。主要分析手段包括：粪便样本的宏基因组测序（基于Illumina NovaSeq X Plus平台，经宿主序列过滤、质控后进行组装、基因预测、物种分类和功能注释）和广靶代谢组学分析（基于UPLC-TQ-MS平台，采用多反应监测模式）。此外，通过苏木精-伊红（H&E）染色进行组织病理学分析，利用实时荧光定量PCR（qPCR）和酶联免疫吸附测定（ELISA）检测促炎细胞因子表达，并通过Spearman相关分析、LEfSe分析及共现网络分析整合多组学数据。

**四、研究结果**

**4.1 DCA降低肠道菌群多样性并改变菌群组成**

通过宏基因组测序分析DCA对肠道菌群多样性和组成的影响，结果显示：与对照组相比，DCA处理组的α多样性（Chao1、ACE和observed species指数）显著降低；主坐标分析（PCoA）显示两组间呈现明显分离聚类模式。在门水平上，两组肠道微生物主要由芽孢杆菌门（Bacillota，原厚壁菌门）、拟杆菌门（Bacteroidota）和假单胞菌门（Pseudomonadota，原变形菌门）组成。在属水平上，DCA组中拟杆菌属（*Bacteroides*）和脱硫弧菌属（*Desulfovibrio*）的相对丰度显著升高，而罗斯氏菌属（*Roseburia*）的相对丰度显著降低。LEfSe分析（LDA>3）进一步鉴定出拟杆菌属和脱硫弧菌属为DCA暴露的潜在生物标志物。在物种水平上，共注释到11个差异丰度细菌，其中*P. distasonis*、*B. acidifaciens*等在DCA组富集，而*Bifidobacterium pseudolongum*、*E. plexicaudatum*、bacterium 1xD42-87、*R. flavefaciens*等在对照组富集。这些结果表明过量DCA导致肠道菌群失调。

**4.2 DCA干扰粪便代谢组谱**

通过广靶代谢组学分析DCA处理对肠道代谢物的影响。主成分分析（PCA）和聚类分析显示对照组与DCA组间显著分离。共鉴定到25个类别的代谢物，包括氨基酸、核苷酸、有机酸、脂肪酸、胆汁酸、维生素、类固醇和酚酸等。以差异倍数（FC）>2且p<0.05为阈值，共鉴定出129个差异表达代谢物（DEMs），其中53个上调和76个下调。KEGG通路富集分析显示，逆行内源性大麻素信号、胆汁分泌、维生素消化吸收、产热、脂肪消化吸收是DCA处理响应的主要显著富集通路。这些数据表明过量DCA重塑了肠道代谢组。

**4.3 DCA重塑菌群-代谢网络**

基于已发表的炎症相关研究及DCA给药的促炎表型，筛选出23个与DCA相关肠道炎症相关的候选DEMs，包括13个水平降低的抗炎相关代谢物和10个水平升高的促炎相关代谢物。菌群-代谢物相关性分析揭示了核心菌群与候选差异代谢物之间的两个相反关联模块。在DCA组中显著减少的菌种（尤其是*E. plexicaudatum*、bacterium 1xD42-87和*R. flavefaciens*）主要与抗炎相关代谢物呈正相关；相反，在DCA组中增加的*P. distasonis*和*B. acidifaciens*主要与促炎相关代谢物呈正相关。菌群-代谢物共现网络分析（|Spearman r|≥0.75，p<0.05）进一步支持*E. plexicaudatum*、*B. acidifaciens*、*P. distasonis*、bacterium 1xD42-87和*R. flavefaciens*是主要枢纽菌群。这些数据表明过量DCA通过重塑菌群相关代谢网络实现肠道代谢组的显著重编程。

**4.4 DCA给药与肠道炎症增加相关**

结肠组织切片的HE染色和病理学评分显示，DCA给药与结肠中明显的炎症细胞浸润和组织损伤相关。体重监测结果显示DCA暴露对小鼠体重增长无显著影响。然而，与对照组相比，DCA处理小鼠结肠组织中多种促炎细胞因子（包括IL-1β、TNF-α和IL-6）的mRNA和蛋白表达水平均显著升高。这些数据表明过量DCA确实与肠道炎症的发生相关。

**4.5 DCA暴露下肠道菌群、关键代谢物与炎症标志物的整合相关性分析**

Spearman相关分析结果显示，具有抗炎活性的代谢物（尤其是维生素D3、α-CEHC、L-甲状腺原氨酸、16-羟基雌酮和2,3-二羟基苯甲酸）与IL-6、IL-1β和TNF-α呈负相关，而具有促炎特性的代谢物（特别是1-羟基蒽醌、N-乙酰尸胺、DCA、CDCA）与炎症细胞因子呈正相关。Sankey图整合了DCA、核心菌群、候选代谢物和炎症标志物之间的关联（|Spearman r|≥0.30，p<0.05），直观展示了DCA暴露如何通过上调促炎相关菌群（*B. acidifaciens*和*P. distasonis*）及其相关的促炎代谢物（胆汁酸、脂质和多胺），同时下调保护性菌群（*E. plexicaudatum*、bacterium 1xD42-87和*R. flavefaciens*）及其相关的抗炎代谢物（吲哚类、维生素和激素），协同促进DCA相关的肠道炎症。

**五、讨论与结论**

该研究发现DCA暴露导致肠道菌群和代谢物的同步改变，其中某些改变与肠道炎症显著相关。研究提出了一个潜在的机制：高水平的DCA通过重塑肠道菌群-代谢物系统与肠道炎症相关联。具体而言，DCA处理增强了某些促炎性菌群-代谢轴，同时损害了多种抗炎性菌群-代谢屏障，这些变化可能共同促进肠道炎症的发展。

讨论部分还深入分析了多个影响DCA生物学效应的因素。DCA具有双向生物学效应，剂量是决定其促炎或抗炎活性的关键因素。高剂量DCA通常与促炎效应相关，而生理相关低浓度DCA可能引发抗炎或稳态反应。暴露持续时间也会影响表型结果，给药途径会强烈影响局部生物利用度。此外，实验动物的基线疾病背景（包括预先存在的肠道损伤和遗传易感性）可进一步改变DCA介导的表型。

该研究还特别关注了氨基酸代谢和维生素代谢在其中的作用。研究发现微生物色氨酸代谢的主要产物吲哚类（包括吲哚-3-乙酸、吲哚-3-丙酸和吲哚-3-羧酸）在DCA暴露后显著下调。吲哚类的抗炎作用已被广泛研究，IBD患者粪便中吲哚类显著减少。维生素D3在DCA处理后也显著下调，而流行病学研究表明维生素D水平与IBD呈负相关。α-CEHC（维生素E的水溶性末端降解产物）也具有强抗炎能力，在DCA处理组中显著降低。

该研究也承认了其局限性。虽然研究支持DCA、肠道菌群、代谢物和炎症标志物之间存在显著的相关网络，但无法严格建立单个微生物分类群或特定代谢物与观察到的肠道炎症表型之间的明确因果关系。研究中提出的菌群-代谢物轴是DCA相关肠道炎症的潜在间接调控途径。实际上，DCA可能通过两种潜在途径发挥促炎作用：一是对免疫细胞和肠道上皮细胞的直接作用；二是通过重塑肠道菌群和下游代谢物的间接途径。未来需要通过功能干预研究（如抗生素介导的菌群清除、粪菌移植、DCA抑制或外源代谢物补充）来区分DCA的直接效应与菌群介导的间接效应，验证候选代谢物在DCA相关结肠炎症中的生物学作用。

研究结论部分可翻译为：总之，该研究发现DCA暴露导致肠道菌群和代谢物的同步改变，其中某些改变与肠道炎症显著相关。考虑到饮食因素对炎症性疾病的重要性，研究人员的发现提示靶向DCA相关的肠道菌群或代谢物可能是HFD诱导结肠炎的潜在干预方法。