基于宏基因组学和代谢组学分析的慢性心力衰竭患者肠道菌群研究

摘要

目的:慢性心力衰竭是多种心血管疾病的终末阶段，肠道在慢性心力衰竭中的角色已受到长期讨论。经典的学说包括，肠壁血流低灌注、肠道屏障功能受损、细菌及内毒素移位。近年来的研究结果表明，肠道细菌依赖的代谢物——氧化三甲胺可以作为慢性心力衰竭的生物标志物，慢性心力衰竭患者的粪便样本中可培养出更多的病原菌。然而，肠道细菌代谢物改变并非肠道菌群紊乱的直接证据，并且约80％的肠道细菌目前尚无法用细菌培养的方法培养出来。慢性心力衰竭患者是否存在肠道菌群紊乱尚缺乏直接证据。本研究旨在通过宏基因组学和代谢组学分析，为慢性心力衰竭患者是否存在肠道菌群紊乱提供直接的证据以及全面的认识。 方法:本研究连续入组了53名慢性心力衰竭组受试者（缺血性心肌病29名;扩张型心肌病24名）及41名对照组受试者，其中慢性心力衰竭组受试者为来自于阜外医院（37名）、北京朝阳医院（9名）及天津平津医院（7名）就诊的患者，对照组受试者为来自开滦社区的体检人群。收集受试者人口学及临床特征资料，收集受试者的粪便样本进行宏基因组学测序分析，收集受试者的粪便样本及血浆样本进行了代谢组学检测分析，并对宏基因组学数据和代谢组学数据进行了联合分析。 结果:首先，基于Bray Curtis距离的β-多样性分析结果显示，较之对照组，慢性心力衰竭患者组的肠道菌群结构存在显著改变(F=5.66，p=0.003，R2=0.0580)，而不同的病因即扩张型心肌病与缺血性心肌病所引发的慢性心力衰竭患者的肠道菌群结构则无显著性差异(F=2.01，p=0.101，R2=0.0380)。第二，标志性共丰度基因组(co-abundance gene group，CAG)的共现网络提示，普拉梭菌（Faecalibacterium prausnitzii）减少而活泼瘤胃球菌（Ruminococcus gnavus）增加是慢性心力衰竭患者肠道菌群的最重要的特征。第三，宏基因组学数据的功能学注释结果显示，慢性心力衰竭患者的肠道菌群存在多种重要的功能学改变。如，慢性心力衰竭患者组的肠道菌群中参与保护性代谢物如丁酸盐代谢的细菌与参与有害性代谢物如氧化三甲胺的细菌之间存在失衡。第四，基于液相色谱质谱技术的代谢组学检测分析结果表明，慢性心力衰竭组与对照组的粪便及血浆代谢组学特征均存在明显差异。基于正交偏最小二乘法判别分析鉴定出多种在慢性心力衰竭患者组与对照组的粪便样本及血浆样本中差异富集的代谢物。如，慢性心力衰竭患者组心血管有害性代谢物如1-磷酸神经鞘氨醇(sphingosine1-phosphate)增加，而心血管保护性代谢物如乳清酸减少。最后，宏基因组学及代谢组学联合分析结果显示，慢性心力衰竭患者粪便中及血浆中的代谢物的改变与其肠道细菌之间存在显著性关联。如，慢性心力衰竭患者粪便中显著减低的代谢物如烟酸、肉桂酸和乳清酸与其肠道中富集的细菌如韦荣球菌属呈显著负相关，其血浆中显著升高的代谢物1-磷酸鞘氨醇则与其肠道中富集的细菌如韦荣球菌属、链球菌属等呈显著正相关。 结论:基于宏基因组学和代谢组学分析，本研究表明慢性心力衰竭患者存在显著的肠道菌群紊乱，同时具体地指出了慢性心力衰竭患者肠道菌群中特定核心的肠道细菌之间的失衡和重要的功能学改变，并且分析了慢性心力衰竭代谢组学改变与肠道细菌改变之间的关系。这些发现不仅为慢性心力衰竭患者存在肠道菌群紊乱提供了直接的证据，而且为慢性心力衰竭与肠道菌群紊乱之间的关系提供了全面的认知，为关于肠道菌群与慢性心力衰竭相互作用的进一步研究提供了重要基础。

目录

摘要

引言

方法

1．研究队列

2．样本采集及DNA提取

3．宏基因组测序及组装

4．物种注释及丰度分析

5．共丰度基因组(co-abundance gene groups，CAGs)

6．功能注释

7．基于液相色谱-质谱联用的代谢组学分析

8．数据分析

1．受试者的临床资料特征

2．慢性心力衰竭患者肠道菌群的结构改变

3．慢性心力衰竭患者的核心肠道细菌

4．慢性心力衰竭患者肠道菌群的功能学改变

5．慢性心力衰竭患者粪便及血浆代谢组学

6．代谢物改变与肠道细菌改变的联合分析

讨论

参考文献

附录

文献综述肠道菌群与慢性心力衰竭研究进展

个人简历

致谢

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