《Gut Microbes》：Plasma indole-3-propionic acid is a gut-derived metabolite and is associated with type 2 diabetes and cardiometabolic outcomes: Evidence from a human antibiotic intervention
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肠道微生物群通过多种代谢物影响宿主代谢，其中许多代谢物与葡萄糖稳态和2型糖尿病（type 2 diabetes, T2D）相关。理解微生物对代谢物生物合成的贡献，对于开发饮食和微生物群靶向的T2D防治策略至关重要。研究人员在T2D个体与健康对照中，于接受组氨酸
肠道微生物群通过多种代谢物影响宿主代谢，其中许多代谢物与葡萄糖稳态和2型糖尿病（type 2 diabetes, T2D）相关。理解微生物对代谢物生物合成的贡献，对于开发饮食和微生物群靶向的T2D防治策略至关重要。研究人员在T2D个体与健康对照中，于接受组氨酸（histidine）补充基础上，于广谱抗生素处理前后进行靶向血浆代谢组学分析；抗生素方案为7天广谱抗菌治疗以抑制肠道微生物群。研究人员采用共丰度网络分析与随机森林（Random Forest）建模，考察抗生素前代谢物水平与粪便宏基因组衍生的肠道微生物群组成之间的关联。结果显示，吲哚-3-丙酸（indole-3-propionic acid, IPA）是两组间抗生素前唯一存在差异的肠道来源代谢物，T2D中水平更低，而较高IPA水平与T2D优势比降低相关。抗生素治疗使两组IPA降至近检测不到水平，证实其主要由微生物来源。除已确立的与BMI和糖化指标反向关联外，研究人员发现IPA与血糖变异性（glycemic variability）呈新的负相关，符合对T2D的保护性关联。血浆IPA与肠道微生物群β多样性相关；IPA相关物种聚为单一共丰度模块，但不包含已知IPA产生菌，说明血浆IPA受更广微生物群落组成而非单菌种IPA产生能力影响。该研究提供直接人类证据：在T2D个体中血浆IPA几乎完全源于肠道微生物群，拓展健康人群既有发现，凸显IPA在代谢健康与T2D中的意义，并为饮食及微生物靶向调控IPA的研究指明方向。
研究背景方面，过去数十年糖尿病患病率持续上升，其中2型糖尿病（type 2 diabetes, T2D）占绝大多数。肠道微生物群被认为通过饮食来源代谢物参与心脏代谢疾病与T2D发生发展，短链脂肪酸（short-chain fatty acids, SCFAs）、支链氨基酸（branched-chain amino acids, BCAAs）、胆汁酸、氧化三甲胺（trimethylamine N-oxide, TMAO）及芳香氨基酸衍生物等均被报道与葡萄糖稳态、胰岛素敏感性和T2D风险有关。然而，现有认识多来自临床前与观察性研究，难以厘清宿主—微生物互作方向，也缺乏在T2D人群中证明代谢物微生物依赖性的直接人类干预证据。因此，研究人员利用广谱抗生素抑制肠道微生物群，在T2D个体与健康对照中鉴别微生物依赖性代谢物差异，并阐释与T2D及心脏代谢表型的关联。
该研究发表于《Gut Microbes》。研究人员开展的是INTENDED试验的事后分析，纳入40—70岁非胰岛素依赖T2D成人20例，以及年龄、性别匹配的健康对照19例；T2D者BMI 25—35 kg/m2且稳定使用二甲双胍（metformin）与他汀，健康对照BMI 19—25 kg/m2。所有参与者接受组氨酸补充，并给予7天广谱抗生素（ciprofloxacin、metronidazole、vancomycin）抑制肠道菌群，于抗生素前、后采集空腹血与粪便样本。
主要关键技术方法上，研究人员使用靶向血浆代谢组学（stable-isotope-dilution LC-MS/MS）定量色氨酸衍生物与TMAO；以闪速葡萄糖监测（flash glucose monitoring, FGM）获取血糖指标；通过粪便鸟枪宏基因组测序与MEDUSA/NGless流程进行物种与功能注释；采用线性混合效应模型、逻辑回归、α/β多样性分析、加权基因共表达网络分析（weighted gene co-expression network analysis, WGCNA）与随机森林回归鉴定IPA相关微生物特征。
研究结果部分，第一项小标题为“Gut microbiota-derived plasma indole-3-propionic acid is negatively associated with T2D in humans”。研究人员通过抗生素前代谢物比较与抗生素后追踪发现，IPA是唯一种群间差异的代谢物，健康对照中位1.56 [1.08—2.02] μM，T2D仅0.56 [0.47—085] μM；抗生素后近消失。调整年龄、性别和总体脂百分比后，logIPA每增一单位T2D优势比0.20（95% CI 0.05—0.81），说明血浆IPA与T2D负相关的微生物来源背景。
第二项小标题为“Plasma IPA inversely correlates with markers of metabolic dysfunction including glycemic variability”。研究人员以Spearman相关分析发现，IPA与HbA1c（ρ=-0.64）、FGM平均葡萄糖（ρ=-0.62）、空腹血糖（ρ=-0.58）、BMI（ρ=-0.57）、γ-谷氨酰转移酶（gamma-glutamyl transferase, GGT）（ρ=-0.45）、白细胞计数（ρ=-0.44）、C肽（ρ=-0.39）及血糖振幅均值（mean amplitude of glycemic excursions, MAGE）（ρ=-0.38）均呈负相关，其中MAGE关联为新增证据，提示IPA或具稳定血糖的保护作用。
第三项小标题为“Fasting plasma IPA levels are associated with differential gut microbiota composition and species co-abundance patterns”。研究人员按IPA三分位比较发现α多样性无差，而β多样性（Bray–Curtis）在高低三分位间显著不同（R2=0.069, p=0.006）；WGCNA中turquoise模块与IPA显著正相关，表明特定共丰度物种组合与循环IPA水平有关。
第四项小标题为“Identification of IPA-associated microbial species through network analysis and Random Forest modeling”。研究人员以kME>0.5与gene significance（GS）>0.4定义hub物种，得24个turquoise模块物种，主要属毛螺菌科（Lachnospiraceae）、颤螺菌科（Oscillospiraceae）、梭菌科（Clostridiaceae）；随机森林前15重要物种中8个与网络分析重叠，如Coprococcus eutactus、Clostridium sp. AF20-17LB等，但均非已知fldABC携带的IPA产生菌，支持群落结构而非单菌合成能力决定血浆IPA。
讨论部分，研究人员指出本研究首次在T2D中以抗生素干预证明血浆IPA近乎完全肠道微生物来源；较高IPA此前关联更低胰岛素抵抗与T2D风险，本研究补充其对血糖变异性保护关联，并与肥胖、低度炎症、肝脂肪性炎症的实验证据一致。机制上IPA可通过孕烷X受体（pregnane X receptor, PXR）与芳烃受体（aryl hydrocarbon receptor, AhR）信号增强肠屏障与免疫稳态。虽已知Clostridium sporogenes等含fldABC基因簇，但本研究发现的相关分类群多为厌氧发酵菌，可能通过调节色氨酸可用性、肠屏障与植物基饮食相关纤维和多酚环境间接影响IPA。组氨酸补充与二甲双胍为潜在混杂，但前者前后一致、后者可能上调IPA，故不解释T2D中IPA偏低。局限性为样本小、抗生素腹泻改变转运与吸收、未测色氨酸/犬尿氨酸途径、饮食微量成分未细分。
结论部分翻译如下：该研究将IPA鉴定为在T2D个体中低于健康对照的代谢物，并提供其几乎专属肠道微生物来源的直接人类证据，把健康人群结论扩展至临床相关人群。较高IPA与包括闪速葡萄糖监测衍生的血糖变异性在内的更优心脏代谢指标相关，支持IPA对T2D的潜在保护性关联。所识别的微生物关联提示循环IPA反映更广肠道微生物群落特征，而非单个分类群IPA合成潜力。基于既往文献，研究人员假设IPA相关物种通过调节色氨酸可用性、维持肠屏障完整性与肠道稳态间接贡献于血浆IPA。鉴于队列规模有限，这些微生物发现需在更大独立队列验证。总之，本研究强调肠道微生物来源IPA在代谢健康与T2D中的相关性，并为未来探索饮食或微生物组靶向策略调控IPA以助力T2D防治的干预研究提供方向。
