纵向小鼠模型中肠道微生物组和代谢物谱与随后的组织学MASH相关

《mSystems》：Gut microbiome and metabolite profiles are associated with subsequent histologic MASH in a longitudinal mouse model

　　

在纤维化发生之前检测代谢功能障碍相关脂肪性肝炎（MASH）仍然是一项重大挑战。研究人员使用纵向链脲佐菌素/高脂饮食（STAM/HFD）小鼠模型，以识别在组织学MASH发生之前出现的微生物和代谢特征。整合性16S rRNA和非靶向LC-MS/MS分析揭示了疾病发展前数周的微生物和代谢物变化。毛螺菌科（Lachnospiraceae）和颤螺菌科（Oscillospiraceae）在非MASH小鼠中富集，并与MASH条件下升高的脂肪酸呈负相关。在MASH和非MASH状态下富集的胆汁酸和脂肪酸代谢物随采集时间而变化，表明昼夜变异强烈影响生物标志物谱。对人类代谢功能障碍相关脂肪性肝病（MAFLD）队列的分析证实，健康参与者中毛螺菌科细菌的丰度较高。研究结果识别了与随后的组织学MASH发生相关的早期微生物和代谢特征，并揭示了时间因素如何影响生物标志物检测。这些时间敏感的特征，连同人类MAFLD队列中的跨物种一致性，为开发和验证基于微生物组的诊断方法以及针对肠-肝轴的昼夜节律感知干预措施以预防代谢性肝病奠定了基础。重要意义：代谢功能障碍相关脂肪性肝炎（MASH）通常悄无声息地发展，限制了在纤维化发生前进行早期干预的机会。在这项研究中，研究人员在纵向小鼠模型中识别了与未来组织学MASH发展相关的肠道微生物分类群和粪便代谢物。研究显示，毛螺菌科（Lachnospiraceae）和颤螺菌科（Oscillospiraceae）的成员在保持无病状态的小鼠中富集，且毛螺菌科成员在人类MAFLD队列中表现出相似模式。重要的是，研究人员证明了样本采集时间对代谢组学谱有强烈影响，疾病相关的脂质和胆汁酸信号仅在特定采样时间可检测到。这些发现强调昼夜节律时机是微生物组生物标志物发现中的关键变量，并支持开发时间感知的诊断策略用于早期MASH风险评估。

代谢功能障碍相关脂肪性肝病（MAFLD）影响全球高达39%的人口，预计到2040年将影响超过55%的全球人口。MAFLD以肝细胞过度脂肪蓄积为特征，可进展为伴有炎症和纤维化的代谢功能障碍相关脂肪性肝炎（MASH），最终导致肝硬化和肝细胞癌（HCC），目前已成为肝移植的首要指征。然而，MASH缺乏特异性治疗手段，也缺乏能准确区分高风险MASH患者的非侵入性方法。虽然resmetirom和tirzepatide等新药对部分纤维化患者有效，但准确识别已发生纤维化或高风险进展的个体以优先分配这些昂贵疗法至关重要。近年来研究聚焦于识别捕捉早期病理变化的非侵入性生物标志物，其中肠道微生物组和代谢物谱因反映肠-肝轴在MASH发病中的核心作用而成为有前景的候选标志物。然而，既往大规模多组学研究多为横断面设计，且微生物和代谢物谱受合并症、饮食、昼夜节律、喂养状态、地理和宿主遗传等多种因素影响，导致结果一致性差。因此，亟需在纵向队列中识别MASH的早期预测因子。该论文发表在《mSystems》。

研究人员利用纵向链脲佐菌素/高脂饮食（STAM/HFD）小鼠模型，该模型具有不完全外显率，约40%的高脂饮食小鼠不发展为MASH，为识别疾病相关特征提供了天然对照。实验设置三种条件：STAM+高脂饮食+限时进食（FT，ZT13-21）、STAM+高脂饮食+自由进食（FA）、STAM+正常饮食+自由进食（NA）。在干预后第4周和第7周于ZT1和ZT13两个时间点采集粪便样本，分别进行16S rRNA基因扩增子测序和非靶向LC-MS/MS代谢组学分析。差异丰度分析采用BIRDMAn贝叶斯框架，多样性分析采用基于稳健Aitchison距离的稳健主成分分析（RPCA，DEICODE），代谢物注释通过GNPS分子网络和谱库匹配（3级注释），微生物来源代谢物通过microbeMASST检索。此外，研究人员分析了涵盖MAFLD全谱的人类双胞胎/家系队列（98例先证者，源自Caussy等研究）的16S rRNA和粪便代谢组数据。

饮食和TRF对肠道微生物组组成影响最大：16S rRNA扩增子测序和RPCA分析显示，饮食是驱动微生物组成差异的最主要因素（PC1），TRF是第二驱动因素（PC2），而采集时间对微生物多样性的影响较小（仅在第7周显著）。这表明在STAM/HFD模型中，喂养条件对微生物组的影响大于昼夜采集时间。

毛螺菌科富集与组织学发生前的非MASH状态相关：BIRDMAn差异丰度分析显示，FA条件下有7个微生物分类群在第4周和第7周均存在差异丰度，FT条件下有4个。其中毛螺菌科（Lachnospiraceae）和颤螺菌科（Oscillospiraceae）的成员在非MASH小鼠中于第4周（组织学疾病发生前）和第7周均一致富集，提示这些分类群与MASH风险降低相关，可作为后续MASH分类的候选早期标志物。

采集时间对粪便代谢组组成的影响大于TRF：与微生物组不同，代谢组学RPCA分析显示TRF未显著改变代谢物组成（FA vs FT P = 0.162），而采集时间（ZT1 vs ZT13）强烈影响代谢物多样性（第4周和第7周均P = 0.001）。这归因于FA和FT小鼠在该模型中的时间性进食行为相似。

光照期微生物脂肪酸可能在疾病发生前数周指示MASH：按ZT时间分层分析发现，ZT1（光照期）有29种、ZT13（黑暗期）有15种代谢物在非MASH和MASH小鼠间存在差异丰度，其中约半数可能源自微生物。5种脂肪酸衍生物（FA 18:2、FA 20:3;O、FA 20:4;O、FA 12:2;O3等）在ZT1时点于MASH条件下一致富集，支持其与后续MASH发展的关联。这些脂肪酸仅在ZT1富集，凸显了采集时间对代谢标志物检测的关键影响。

毛螺菌科与小鼠非MASH状态和人类非MAFLD状态相关：整合相关性分析显示，f__Lachnospiraceae（e6136）和f__Oscillospiraceae_88309（a6c1d）与5种MASH相关脂肪酸代谢物在疾病发生前后均呈一致负相关。人类队列分析证实Lachnospiraceae分类群在非MAFLD个体中富集，脂质相关代谢物也表现出差异丰度，但特定的微生物-代谢物配对与小鼠并不完全一致。

讨论指出，研究发现识别了先于组织学MASH发生的早期微生物和代谢特征：Lachnospiraceae和Oscillospiraceae与更健康的表型相关，时间因素（尤其是昼夜节律/采集时间）强烈影响生物标志物检测。MASH相关的胆汁酸信号仅在ZT1时点可检测，提示昼夜节律时机是生物标志物发现的关键变量。在STAM/HFD模型中，TRF未能预防MASH，且TRF相关的微生物和代谢变化可能部分依赖于完整的胰岛素信号。研究局限性包括：16S rRNA分辨率有限无法捕获微生物功能、代谢物注释仅达3级、STAM模型不伴肥胖和胰岛素抵抗、人类队列为横断面设计。研究结论：研究人员识别了先于组织学MASH发生的早期微生物和代谢特征，突出了与更健康表型相关的Lachnospiraceae和Oscillospiraceae分类群，并提供了人类数据佐证Lachnospiraceae在非疾病状态下的富集，为开发基于微生物组或饮食的早期检测和干预策略奠定了基础。