《Microorganisms》：Integrated Multi-Omics Reveals Complementary Luminal and Mucosal Host–Microbiome Interactions Associated with Disease Activity and Phenotype in Paediatric Inflammatory Bowel Disease
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炎症性肠病（inflammatory bowel disease, IBD）源于免疫系统、肠道微生物群与宿主代谢之间的复杂相互作用。然而，不同肠道区室在儿童IBD疾病活动度与表型中的贡献尚不完全清楚。研究人员根据疾病表型与炎症活动度对克罗恩病（Crohn’s
炎症性肠病（inflammatory bowel disease, IBD）源于免疫系统、肠道微生物群与宿主代谢之间的复杂相互作用。然而，不同肠道区室在儿童IBD疾病活动度与表型中的贡献尚不完全清楚。研究人员根据疾病表型与炎症活动度对克罗恩病（Crohn’s disease, CD）和溃疡性结肠炎（ulcerative colitis, UC）患儿进行分层，以区分疾病相关特征与动态炎症过程。研究人员开展了一项整合多组学分析，结合肠腔与黏膜细菌和真菌宏分类学（metataxonomy）、粪便代谢组学以及微生物与宿主来源的生物标志物，包括IgA、溶菌酶、胆汁酸和尿靛苷。肠腔细菌群落大体上保留了其生态结构，而疾病活动度与分类学、代谢及相互作用的协调重塑相关。这些变化伴随着微生物代谢物和宿主生物标志物的改变，与发酵、蛋白水解代谢及免疫–代谢耦联的变化一致。相比之下，表型相关的生态学差异在黏膜区室中更为明显，尤其是在真菌群落中，而黏膜细菌变化则较为有限。综上所述，这些发现表明肠腔和黏膜宿主–微生物组相互作用为儿童IBD的炎症活动度和疾病表型提供了互补信息，凸显了整合多组学方法在研究儿童IBD区室特异性宿主–微生物组相互作用中的价值。
论文解读：整合多组学揭示儿童炎症性肠病肠腔与黏膜宿主–微生物组相互作用的互补性
一、研究背景与问题
炎症性肠病（inflammatory bowel disease, IBD）是一类慢性复发性肠道炎症性疾病，主要包括克罗恩病（Crohn’s disease, CD）和溃疡性结肠炎（ulcerative colitis, UC），其发病机制涉及宿主遗传、环境暴露、免疫失调与肠道微生物群改变之间的复杂相互作用。在儿童患者中，早期生命阶段的免疫与微生物发育可能影响疾病的发生、进展及长期预后。尽管IBD研究已取得显著进展，但疾病活动度与表型分化的潜在机制仍未完全阐明。越来越多的证据表明，IBD更应被理解为肠道生态系统组织的紊乱，而非单一致病菌群的作用。然而，肠腔与黏膜微生物群落占据不同的生态位，其与宿主相互作用的差异在儿童IBD中尚缺乏系统研究。此外，肠道真菌群落在黏膜炎症与屏障功能障碍中的潜在贡献也日益受到关注，但相关研究仍相对不足。因此，亟需采用整合多组学策略，同时考察宿主、微生物与代谢组分，以揭示不同肠道区室在疾病活动度与表型中的差异化信息。
二、研究设计与主要结论
针对上述问题，研究人员整合了粪便16S rRNA微生物组谱、粪便代谢组学、黏膜（回肠活检）细菌与真菌测序，以及宿主和微生物相关生物标志物（包括分泌型IgA、溶菌酶、胆汁酸和尿靛苷），在系统框架内考察肠腔与黏膜生态系统如何差异化反映儿童IBD的炎症活动度与疾病表型。研究共纳入46例IBD患儿，其中UC 24例、CD 22例，16例（34.8%）处于临床活动期。研究得出以下核心结论：疾病活动度主要与肠腔生态系统相关，表现为协调的分类学、代谢及相互作用重塑；而表型相关特征在黏膜区室中更为明显，尤其是在真菌群落中。肠腔与黏膜宿主–微生物组相互作用为疾病活动度与表型提供了互补信息。
三、关键技术方法
研究人员采用多组学整合策略，样本来源于意大利罗马萨皮恩扎大学儿科胃肠与肝脏科及Bambino Gesù儿童医院。主要技术方法包括：粪便与黏膜活检样本的细菌16S rRNA基因（V3–V4区）和真菌ITS2区扩增子测序，基于DADA2流程进行生物信息学分析，采用累积和缩放（cumulative sum scaling, CSS）归一化，通过MicrobiomeAnalyst 2.0进行α多样性（Shannon、Chao1指数）、β多样性（Bray–Curtis、Unweighted UniFrac距离及PERMANOVA检验）及差异丰度分析（edgeR，FDR < 0.05）；粪便挥发性有机化合物（volatile organic compounds, VOCs）采用固相微萃取-气相色谱-质谱联用（SPME-GC-MS）检测，经MetaboAnalyst 6.0进行多变量统计与差异代谢物分析；宿主生物标志物（溶菌酶、分泌型IgA、连蛋白、胆汁酸、尿靛苷）采用ELISA或荧光法检测；微生物共现网络采用SparCC推断，整合网络采用Spearman相关分析（|ρ| ≥ 0.7，p < 0.05）并通过Gephi可视化。
四、研究结果
4.1 粪便与尿液生物标志物提示活动度依赖性炎症信号
粪便胆汁酸在CD和UC的非活动期均显著高于活动期（p = 0.0164和p = 0.0001）。UC非活动期溶菌酶水平显著高于活动期（p = 0.0014）。尿靛苷在UC活动期显著升高（p = 0.0464 vs. UC非活动期；p = 0.0123 vs. CD活动期）。连蛋白与IgA未显示组间差异。相关分析显示胆汁酸与溶菌酶（ρ = 0.525，p = 0.002）及IgA（ρ = 0.621，p < 0.001）相关，溶菌酶与IgA强相关（ρ = 0.584，p < 0.001），提示黏膜免疫激活的协调性。回归分析确认了胆汁酸与溶菌酶、溶菌酶与IgA之间的显著关联，连蛋白与尿靛苷的关联则提示肠道通透性与微生物代谢产物产生之间的联系。所有生物标志物均未与临床活动指数相关，表明其捕捉的生物学过程仅部分反映于临床评分系统。
4.2 肠腔生态系统显示功能适应而无重大结构破坏
粪便样本中，α多样性在各组间无显著差异，β多样性分析未显示按疾病类型或活动度的聚类（PERMANOVA p = 0.70和p = 0.25），表明全球生态系统结构得以保留。差异丰度分析仍识别出活动度相关菌群变化：活动期CD显示Turicibacter、Clostridium_A_51961、Enterococcus_H_360604和Anaerostipes减少，Akkermansia、Otoolea_134252和Phascolarctobacterium_A_40086富集；活动期UC以Sarcina_200052增加及Roseburia_A_166204和Clostridium_R_135822减少为特征。粪便代谢组学多变量分析显示各组间广泛重叠（PERMANOVA p = 0.59），但定向差异分析识别出活动度相关代谢变化：活动期CD丁酸丁酯增加，活动期UC多种醇类、酮类、芳香族化合物及乙酸富集。整合微生物–代谢物网络分析识别出协调的关联模块，包括Enterococcus与发酵衍生酮类的关联、经典厌氧发酵菌与乙酸和丁酸的保守短链脂肪酸（short-chain fatty acids, SCFA）模块、以Hominenteromicrobium为中心的氨基酸分解代谢模块，以及连接二甲基三硫化物与Roseburia（ρ = 0.970）和Negativibacillus（ρ = 0.868）的硫代谢轴。
4.3 黏膜细菌微生物群显示表型相关生态重塑
黏膜细菌α多样性和β多样性在各组间均无显著差异。差异丰度分析显示CD变化极小，而UC表现出显著的活动度相关重塑：活动期UC以Alistipes_A_871400、Parabacteroides_B_862066、Ruthenibacterium富集及Haemophilus_D_735815、Veillonella_A、Ruminococcus_B和Streptococcus减少为特征。活动期CD与活动期UC之间无差异菌群。缓解期CD与UC相比，Ruthenibacterium、Faecalimonas和Alistipes_A_871400减少。相关分析显示活动期与缓解期存在不同的相互作用模式，提示炎症相关的黏膜微生物群落重构。
4.4 黏膜真菌群落定义组织特异性失调
黏膜真菌α多样性在各组间无显著差异，但Bray–Curtis分析显示群落结构存在显著差异（p = 0.011），表明存在多样性指标无法捕捉的活动度相关组成变化。活动期CD以Aspergillus富集为特征；活动期UC以Aspergillus和Malassezia富集及Meyerozyma和Cladosporium减少为特征。Meyerozyma在活动期CD中显著高于活动期UC。
4.5 跨界微生物网络揭示黏膜生态位
跨界相关分析识别出回肠黏膜内细菌与真菌分类群之间的结构化关联，网络包含约52个节点和41条边，呈现模块化结构，包括黏膜生物膜样群落、厌氧发酵联合体和炎症相关相互作用模块。Cladosporium和Aspergillus等真菌与口腔相关、黏蛋白相关及发酵性细菌分类群相关联。
4.6 肠腔与黏膜细菌群落整合凸显区室特异性生态模式
肠腔与黏膜细菌群落直接比较显示，117个属共享（Jaccard相似性 = 0.55；S?rensen指数 = 0.71），89.3%的黏膜分类群可在粪便中检测到，而仅58.8%的肠腔分类群定植于黏膜。功能分类显示，肠腔独有分类群富集SCFA产生菌和促炎菌群，而黏膜群落中机会性及炎症相关细菌比例更高。活动期UC与黏蛋白降解菌和SCFA产生菌减少及促炎分类群增加相关，提示活动性炎症期间肠腔和黏膜生态系统组织的协调性破坏。
五、讨论与结论
讨论部分指出，宿主来源生物标志物与炎症负担的相关性强于与疾病表型的相关性，且在校正主要临床协变量后仍保持稳健。肠腔细菌群落结构相对稳定，提示儿童IBD更多表现为功能重塑而非群落组成的广泛破坏。活动期CD中丁酸产生菌的耗竭及黏蛋白相关和琥珀酸相关分类群的富集，提示抗炎代谢潜力降低及对底物可用性改变的适应。UC中的变化更为局限，主要为丁酸产生菌耗竭及炎症适应型微生物的扩增。CD缓解期仍维持丁酸产生菌的耗竭，提示临床静止期生态恢复不完全。代谢组学分析显示活动期UC富集多种与肠道炎症相关的醇类和酮类，而具有抗炎特性的代谢物（如β-石竹烯和1-丙醇）在活动期减少。黏膜真菌群落中，Aspergillus在CD和UC中均为炎症活动度的一致标志物，活动期UC还以Malassezia富集和Meyerozyma及Cladosporium减少为特征，Meyerozyma在活动期CD中的较高丰度支持其潜在保护作用。研究结论指出，整合肠腔与黏膜细菌和真菌群落、代谢组学谱及宿主来源生物标志物可为儿童IBD生物学提供互补性见解：疾病活动度更一致地与肠腔生态系统相关，通过动态免疫–代谢相互作用体现；而表型相关特征在黏膜区室中更为明显，尤其是在真菌群落中。该研究支持整合多组学分析不同肠道区室可为儿童IBD宿主–微生物组相互作用提供互补信息，并可能促进生物学意义明确的微生物特征的识别。研究局限性包括横断面设计无法评估时间动态与因果关系、队列规模适中、治疗方案异质性可能影响微生物组成，以及UC中回肠黏膜发现应解释为疾病相关的回肠生态系统改变而非原发结肠炎症部位。
