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文献分享 | 减肥手术能否一劳永逸?宏基因组学和代谢组学联合技术解开谜团

分类:
阿趣动态
发布时间:
2019/11/07 16:13
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肥胖一直是世界医学界的热点话题,目前中国的肥胖人口数量超过美国,高居全球第一。5.7%的新发癌症病例和肥胖、糖尿病有关,不仅威胁人类的健康,也是爱美人士的困扰。故而减肥手术因为速效并可以避免运动减肥和控制饮食的痛苦,成为很受欢迎的一种减肥方式。但是通过这种方式进行减重是否可以真正的一劳永逸呢?
 
宏基因组学(Metagenomics):
 
亦称元基因组学,利用新一代高通量测序技术(NGS)以特定环境下微生物群体基因组为研究对象,在分析微生物多样性、种群结构、进化关系的基础上,可进一步探究微生物群体功能活性、相互协作关系及环境之间的关系,发掘潜在的生物学意义。
 
与传统微生物研究方法相比,宏基因组测序技术规避了绝大部分微生物不能培养、痕量菌无法检测的缺点。
 
国际知名杂志《Gut》在2018年5月发表了题为《Major microbiota dysbiosis in severe obesity: fate after bariatric surgery》(IF:17.016)的文章,阐述减重手术对机体的肠道微生物丰富度和代谢物所造成的影响。(文末有原文下载链接)
 
 
研究背景
 
在中度肥胖和重度肥胖人群中证明了肠道菌群的失调,肠道微生物成为肥胖的重要因素。减肥手术(BS)可以长期有效减重,具有降低多种恶性肿瘤发生风险,有效治疗多种肥胖并发症等优势。常见的减肥手术有可调节胃束带术(AGB)和胃旁路术(RYGB),AGB通过缩小胃的容积,易产生饱腹感而达到减肥的目的,RYGB则是改变肠道结构、关闭大部分胃功能的手段来控制热量的摄入值。
 
本文作者设置4个临床队列:重度肥胖(MB)、中度肥胖(MO)、独立队列Atox和Eroic,队列的患者分别经历了AGB或是RYGB手术,随后进行术后不同时期的回访,运用粪便宏基因组和LC-MS/MS血清非靶代谢组学技术研究微生物基因丰度以及代谢物的变化。
 
 
研究结果
 
1.重度肥胖患者肠道菌群基因丰度和临床表型
 
MB队列中的RYGB和AGB患者有着相似的临床特征与体重指数,但是RYGB患者的躯干脂肪量和阻塞性睡眠呼吸暂停的患病率较高。粪便宏基因组检测后发现AGB患者的MGR(微生物基因丰富度)较RYGB患者显著增高。
 
为了进一步了解MGR以外的微生物组成,作者应用DMM(狄利克雷-多项式分布)方法描述MB队列的肠型组成,发现组成和BSS(布里斯托大便分类法)没有显著的相关性,更有趣的是,作者观察到B2肠型的患者的MGR也较低,而B2肠型多见于T2D(2型糖尿病)患者。
 
 
2.微生物基因丰富度随肥胖程度增加而降低
 
MB(超重)和MO(中度)肥胖队列临床数据表明,MB患者更年轻,所有女性表现出更糟糕的健康状况(总脂肪与躯干脂肪质量增加),并伴有高频率的心脏代谢并发症,包括T2D、HTA(高血压)、C反应蛋白和IL6(白细胞介素-6)的增加。
 
MGR从MO到AGR,再到RYGB患者分别降低,与BMI、总脂肪质量和躯干脂肪质量呈显著负相关,并随着HTA严重程度、葡萄糖不耐受和T2D而降低。在这些受试者中,作者考虑了所有的786个MGS(宏基因组)物种,它们代表了至少500个基因的基因簇,通过主成分分析(PCoA)在MGS丰度水平上观察到肥胖与肠道微生物群之间的关联。从超重到病态肥胖,脂肪细胞肥大和显著的代谢并发症有关。
 
 
3.与超重肥胖代谢恶化相关的宏基因组物种
 
作者检测这786个MGS是否与超重肥胖症的临床表型相关,发现约29%(n=226)与MGR显著相关(FDR<0.05),极显著相关(FDR<0.01)的微生物有78种,其中19种微生物在种水平上被注释。富集分析结果表明厚壁菌门是MGR最普遍的门。更重要的是,作者通过Atox独立队列证实了低MGR的MGS特征,该队列由接受RYGB治疗的超重个体组成。大多数MGS与低MGR相关,MGR与增加BMI和躯干脂肪质量之间具有显著的相关性。同样,并发症T2D、HTA、抗高血压药物的使用会也使患者的MGR显著降低。
 
BIOTREE 小课堂 | 宏基因组学的运用方向
 
医学领域:代谢病研究、肿瘤癌症研究等;
畜牧领域:肠道、瘤胃(如产甲烷菌类群)与动物健康/营养消化研究等;
农业领域:根际微生物与植物互作、农业耕作、土壤微生物群落等;
环境领域:雾霾处理、污水治理、石油降解、酸性矿水处理及海洋环境研究等;
生物能源:特殊功能的菌株、基因挖掘、工程菌的开发等;
特殊极端环境:极端环境条件下的微生物类群研究。
 
4.与MGR相关的代谢产物及菌种功能
 
经过血清代谢组检测后发现,9种血清代谢物(占检测物质数量的4%)与MGR显著相关(Spearman相关性,FDR<0.05),一种代谢物(戊二酸)与MGR呈负相关,8种代谢物(3-甲氧基苯乙酸、根皮酸、马尿酸、3-羟基苯乙酸、L-组氨酸和三种未知代谢物)与MGR呈正相关,3-甲氧基苯乙酸表现出最强的相关性,特别是与GU:6 B. vulgatus, GU:183 Erysipela-toclostridium ramosum 和 GU:373 Coprococcus_sp5 这些菌株的相关性。
 
KEGG分析显示这些MGS与谷胱甘肽、马尿酸盐和L-组氨酸的功能相关。琥珀酸半醛脱氢酶/戊二醛半醛脱氢酶(K0135),它将戊二醛半醛氧化成戊二酸,仅在MGS中编码3个。GU:347编码两种与d-赖氨酸降解为己二酸酮(k00128,k00832)有关的酶,根据在恶臭假单胞菌中的c-13标记实验,这些酶可通过脱羧反应生成戊二酸乙酰辅酶A。
 
在MGS中,有27个MGS编码马尿酸水解酶,负责将马尿酸降解为甘氨酸和苯甲酸盐。在假定马尿酸盐是微生物来源的情况下,血清的马尿酸盐水平与MGR呈正相关,符合MGS在降低LGC(低基因丰富度)患者马尿酸盐中的作用。
 
从临床变量的相关性来看,3-甲氧基苯乙酸与女性脂肪分布呈正相关,与躯干脂肪质量和甘油三酯呈负相关,HTA和代谢综合征患者的L-组氨酸降低。随着糖化血红蛋白的升高,糖尿病耐受患者的谷胱甘肽水平也升高。总的来说,作者发现了超重肥胖患者低MGR、相关MGS、代谢物浓度和MGS代谢途径之间存在新的关系。
 
 
5.减肥干预后部分微生物的恢复
 
MB队列患者进行BS手术后1(M1)、3(M3)和12(M12)个月随访,与AGB患者相比,RYGB患者在1年后身体状况、代谢和炎症有所改善。RYGB患者体内的益生菌数量略高于AGB患者,此差异维持在M12(在M12时,MGR在RYGB和AGB分别增加1.39倍和1.27倍),这表明两种手术后机体的微生物菌群丰富度恢复模式相似。
 
独立队列Atox证实BS后MGR的增加。有趣的是,MGR在RYGB后的1-5年稳定下来,遵循与MB患者相似的模式。BS改变了肠道微生物生态系统,从M1到M12的轨迹来看,这些变化是在整个随访过程中发生的,AGB与RYGB之间存在显著差异(P<0.013),与AGB相比,RYGB对微生物的改变程度较高。
 
代谢检测后发现,有30种代谢物在M12时期发生了显著变化,减少了50%(主要与氨基酸、支链氨基酸、苯丙氨酸和色氨酸途径代谢物有关)。MB队列在M12时期发现有一组代谢产物(如甘氨酸、乙酰甘氨酸、甲基丙二酸)在RYGB后增加,与体重和脂肪细胞直径的减少呈显著负相关。丙二酸甲酯和甘氨酸的变化也与两种BS后MGS(即GU:203 Bacteroides finegoldii 和 GU:235 coprobacillus_sp)的变化显著相关。在Eroic队列中,确认了18种代谢物在RYGB后1年的代谢产物变化与临床变量改变具有相同趋势。
 
 
 
文章总结
 
重度肥胖症的特点是MGR很低。此外,一个特定的MGS与临床特征相关,如内脏肥胖,脂肪细胞肥大,代谢和炎症。作者发现了新的宏基因组特征、相关功能和MGR降低相关的血清代谢物。目前尚不清楚这种低MGR是否是肥胖及其持续时间的原因或结果,但它代表了肠道微生物群变化的良好生物标记物,对疾病分型有重要作用。在BS后,观察到肠型改变,但大多数患者仍然保持很低的MGR。干预措施,如粪便转移实验,使得代谢综合征患者的MGR和代谢得到改善。因此,这项工作旨在BS之前或期间通过干预来恢复肠道微生物的生态系统,并验证这些干预是能否进一步改善BS后的MGR以及相关临床指标。
 
原文下载链接
https://pan.baidu.com/s/1ktO77bGDNEJNnKZfw_vBGA 
 
提取码
kx5x
 
 
 
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