基于宏基因组和代谢组测序研究合生元对狼疮性肾炎肠道菌群的作用

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目的:系统性红斑狼疮(systemic lupus erythematosus,SLE)是由不同影响因素相互作用引发的全身性自身免疫性疾病。狼疮性肾炎(Lupus Nephritis,LN)是SLE的严重并发症。迄今为止,尚未完全了解SLE和LN的发病机制,近年来研究发现肠道菌群参与了LN的发病。益生菌或益生元已被证明对免疫反应具有抗炎和调节作用。相关研究指出合生元(益生菌+益生元)疗效较单独使用一种成分效果佳。本实验旨在通过宏基因组测序和非靶向代谢组学研究初发LN患者在常规治疗基础上添加合生元后的肠道微生物及其代谢物改变,从而为寻找LN新的诊治靶点提供理论依据。方法:本研究共纳入12例研究对象,随机分为狼疮组(n=6)和合生元组(n=6),狼疮组及合生元组同用足量醋酸泼尼松1.0mg/kg/d及环磷酰胺治疗。另外合生元组加服合生元5×1010菌落形成单位/天,共30天。收集以上研究对象治疗前后的实验室指标及临床症状等资料行统计学分析,收集治疗前后的粪便样本进行微生物组(宏基因测序)和非靶向代谢组(液相色谱-质谱)分析,并使用各种生物信息学方法进行了联合分析。结果:(1)肠道微生物Alpha多样性在狼疮组及合生元组治疗前后比较无显著性差异(P>0.05)。β多样性分析说明两组治疗前后的肠道微生物群落构成存在显著差异。在门(Phylumn)水平上,Bacteroidetes(拟杆菌门)、Firmicutes(厚壁菌门)、Bacteria_unclassified(未分类拟杆菌门)、Proteobacteria(变形菌门)为主要优势物种。在合生元处理30天后比较分析,发现狼疮组治疗后Bacteroidetes(拟杆菌门)的丰度上升,Firmicutes(厚壁菌门)的丰度下降。而合生元组治疗后Bacteroidetes(拟杆菌门)的丰度下降,Firmicutes(厚壁菌门)的丰度上升,但两组的厚壁菌门/拟杆菌门(F/B)比率均无显著性差异(P>0.05)。而Proteobacteria(变形菌门)在两组的治疗后较治疗前丰度相对含量明显下降,且在合生元组治疗前后比较有统计学差异(P=0.02<0.05)。在属(Genus)水平上,主要优势物种包括Bacteroides(拟杆菌属)、Prevotella(普氏菌属)、Faecalibacterium(柔嫩梭菌属)、Bacteroidales_unclassified(未分类拟杆菌目)、Parabacteroides(副拟杆菌属),其在两组治疗前后比较无统计学差异(P>0.05)。(2)本实验线性判别分析(LDA)效应大小(LEf Se)用于识别两组治疗前后的特征微生物群(P<0.05),使用3.0的LDA截止值进行了不同的表征。分析显示狼疮组治疗前后对比发现15种生物标志物,其中得分最高(LDA=4.90)的是Prevotellaceae(普氏菌科)。合生元组治疗前后对比发现35种生物标志物,其中得分最高(LDA=4.84)的是Bacteroides_unclassified(未分类拟杆菌属)。狼疮组治疗后与合生元组治疗后比较,仅在狼疮组治疗后发现3种生物标志物,得分最高(LDA=4.87)的是Bacteroides_unclassified(未分类拟杆菌属)。根据上述结果,我们对筛选出的潜在生物标志物利用ROC曲线评估潜在生物标志物的工作预测效能,发现Enterobacteriaceae_unclassified(未分类肠杆菌科)可作为合生元组治疗前后的最佳预测效能(AUC=0.9722),Negativicutes可作为狼疮组治疗前后的最佳预测效能(AUC=0.9722)。(3)、非靶向代谢组学研究提狼疮性肾炎患者添加合生元后调节了肠道微生物,增强了肠道微生物的代谢功能,结合宏基因组测序及非靶向代谢组学的数据进行KEGG富集联合分析,发现狼疮性肾炎患者添加合生元后主要可能是通过丁酸代谢、谷胱甘肽代谢、嘌呤代谢、ABC转运蛋白、次生代谢物的生物合成等生物途径共同调节肠道微生物代谢功能发生变化的。对代谢通路与两种最佳预测效能模型菌群进行Spearman相关性分析,结果可知ABC transporters与Enterobacteriaceae_unclassified显著正相关(P<0.01)。(4)、本研究结果发现在狼疮组治疗前后及合生元组治疗前后的SLEDAI、24小时尿蛋白、WBC等指标值有所下降,ALB、HB、GFR等指标值有所上升。SLEDAI、24小时尿蛋白、PLT、ALB在合生元组治疗前后比较有统计学差异(P<0.05),补体C4在狼疮组治疗前后有统计学差异(P<0.05),SLEDAI在狼疮组治疗后与合生元组治疗后比较有统计学差异(P<0.05)。其潜在生物标志物与临床特征的相关性分析结果表示24小时尿蛋白、SLEDAI、补体C4、胆固醇、IgG、尿常规、GFR、Scr、HB等指标与多种菌群显著相关,而ALB未发现与其显著相关的菌群,以下几种指标与唯一的差异菌群呈正相关或负相关,补体C3与c__Bacteria_unclassified显著正相关、IgG与s__Prevotella显著负相关、GFR与c__Negativicutes显著负相关、Scr与s__Bacteroides_dorei显著负相关、抗ds-DNA-Ab与c__Bacteria_unclassified显著正相关。临床特征资料的相关性分析提示临床特征之间也相互交叉影响,差异菌群与差异菌群的相关性分析提示菌群之间共建复杂的生物网络调控关系。结论:肠道微生物参与了狼疮性肾炎的发病,合生元能调节狼疮性肾炎患者肠道微生物的代谢功能并通过多种生物学功能发挥作用,主要是通过丁酸代谢、谷胱甘肽代谢、嘌呤代谢、ABC转运蛋白、次生代谢物的生物合成等生物途径共同调节。建立了以Negativicutes(阴性菌)、Enterobacteriaceae_unclassified(未分类肠杆菌科)为最佳预测效能模型,且ABC转运蛋白与Enterobacteriaceae_unclassified显著正相关。这为今后LN的临床诊断决策和治疗提供了新的思路。
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