综述 | J. Clin. Investig.：人类粪便代谢谱可以提供艰难梭状芽孢杆菌感染的诊断和治疗信息
编译：北越城主，编辑：Emma、江舜尧。
原创微文，欢迎转发转载。
艰难梭状芽胞杆菌感染在世界范围内是严重的公共卫生威胁，由于目前的诊断测试缺乏灵敏度，因此对该感染的诊断具有挑战性。Robinson等人使用基于粪便代谢组的逻辑回归模型，该模型能够区分非感染艰难梭菌腹泻患者、艰难梭菌感染患者和在一定程度上无症状地定殖艰难梭菌的患者。作者构建了人类艰难梭菌感染的代谢定义，该定义可以提高诊断准确性，并有助于开发针对这种病原体的靶向疗法。
论文ID
内容
1. 抗生素与CDI的兴起
艰难梭菌是一种形成孢子的厌氧细菌病原体。在美国，每年约有500,000例艰难梭菌感染（CDI）病例和29,000例死亡病例，这使CDI成为紧急的公共卫生威胁。CDI患者会经历多种临床疾病，从无症状到经历轻度至中度腹泻，假膜性结肠炎，更严重的结肠炎，巨结肠毒素和死亡。抗生素的使用仍然是造成CDI的主要风险因素；然而，一线治疗抗生素万古霉素和/或非达索霉素，平均复发率为20％。
抗生素对人类健康很重要，但也可能对本地肠道菌群造成附带损害，从而降低定植抗性，并使艰难梭菌等病原体在肠道定植。质谱技术的精度和分辨率提高的已开始揭示抗生素不仅改变肠道菌群，从而改变代谢组，包括整个生物系统中的小分子代谢变化。代谢物代表肠道中的生化足迹，包括宿主相关，细菌相关和外源性（例如饮食中的）小分子。
艰难梭菌生命周期的每个阶段都需要特定的代谢产物来驱动体外代谢。宿主相关的胆汁酸牛磺胆酸盐（TCA）和胆酸盐（CA）充当艰难梭菌孢子的诱导剂，而肠道菌群衍生的次级胆汁酸脱氧胆酸盐（DCA），石胆酸盐（LCA）和熊去氧胆酸盐（UDCA）可以抑制营养生长，在某些情况下可以抑制毒素的表达和活性。为了成功地定居肠道，艰难梭菌需要特定的养分才能生长，艰难梭菌对六个氨基酸（半胱氨酸，异亮氨酸，亮氨酸，脯氨酸，色氨酸和缬氨酸）是营养缺陷的。因此，艰难梭菌必须从周围环境中获取这些氨基酸。某些类型的厌氧细菌可以通过这些氨基酸的成对氧化和还原而生成ATP，这一过程称为斯蒂克兰反应。
一旦肠道中的艰难梭菌种群达到高细胞密度并耗尽了这些和其他营养物质，细菌就会产生两种毒素，即毒素A和毒素B，这是CDI中的主要毒力因子。毒素表达对养分利用率的变化非常敏感，将新陈代谢和发病机制紧密联系在一起。代谢组学已被用于研究CDI小鼠模型的变化，并显示对艰难梭菌的易感性与宿主衍生的初级胆汁酸的增加有关，这是艰难梭菌孢子萌发所必需的，而氨基酸是增长所必需的。人体研究集中于胆汁酸代谢组，并表明粪便微生物群移植（FMT）后CDI的恢复和清除与肠道微生物群衍生的次级胆汁酸的循环以及宿主衍生的艰难梭菌可用于发芽阶段的初级胆汁酸的减少有关。很少有研究对人类整个CDI过程中的肠道代谢组进行研究，迄今为止，还没有研究包括无症状携带患者。缺乏对无症状携带者的研究可能是由于目前的诊断测试缺乏敏感性，使得从这些患者人群中收集粪便样品具有挑战性。
2. CDI相关代谢物
在本期中，Robinson等人根据当前的诊断测试结果，从三个不同的患者人群中收集粪便样本，并确定被诊断为产毒培养阳性（Cx +）CDI，毒素酶免疫测定阳性（EIA +）CDI，无症状定居的患者的粪便代谢组学特征艰难梭菌（Cx + / EIA–）和非CDI腹泻（Cx– / EIA–）患。这项研究的目的是了解人体中肠道代谢组与CDI之间的关系，评估代谢组学是否可用于辅助更好的诊断方法以提高敏感性，并建立代谢组学模型来辅助CDI的治疗。
Robinson及其同事使用跨越多个平台的非靶向和靶向质谱方法，包括气相色谱-质谱（GC-MS）和液相色谱-串联质谱（LC-MS / MS），来捕获患者粪便中的一系列代谢物。他们检测了2463个不同的特征（代谢物），并使用统计模型仅定义了能够区分CDI患者和非CDI或非CDI腹泻患者的关键特征。包括两种短链脂肪酸（SCFA），一种氨基酸，一种胆汁酸，一种脂质，三种碳水化合物和一种芳香族醇在内的9种代谢物能够区分这些组。与CDI相关的最强代谢物之一是4-甲基戊酸（4-MPA），它是通过斯蒂克兰反应氨基酸发酵进行亮氨酸代谢的副产物。在CDI患者粪便中经常检测到百分之八十（8/10）的斯蒂克兰反应产物，这可能是由于人类肠道中的艰难梭菌代谢活动所致。使用靶向GC-MS，作者还检测了CDI患者中的异亮氨酸非对映异构体异亮氨酸，这是一种新型代谢物，现已与人类艰难梭菌发病机理相关。
其他代谢物，包括胆汁酸，胆酸（CE）和一羟基胆酸（MHCE），能够区分CDI阳性和CDI阴性样品。附加的LC-MS/MS分析表明CDI与胆汁酸相关，具有降低的硫酸化，脱羟基和不饱和度。Robinson及其同事还研究了碳水化合物，发现减少的单糖，二糖和糖醇与CDI之间存在关联，其中果糖具有负相关性，这可能是由于艰难梭菌代谢所致。作者再次提出了海藻糖是病毒更有利的底物的假设，借用艰难梭菌菌株，使用稳定同位素标记检测粪便样品中的海藻糖，他们发现这些组中与海藻糖的存在没有关联，因为在189个样品中的115个（61％）中检测到了海藻糖。同时海藻糖与来自027型核糖体的艰难梭菌菌株的定殖之间也没有关联。
接下来，罗宾逊等测试了代谢组学是否可用于区分三个不同的患者人群。作者使用最有区别的代谢物，斯蒂克兰反应产物4-MPA和胆汁酸群落分析来构建CDI代谢组的逻辑回归模型。当该模型应用于无症状定居患者的粪便代谢组时，只有38％的代谢组与CDI相关的代谢组相似。该结果表明，通过区分无症状携带者和CDI患者，代谢组学特征和该模型可能能够提高当前诊断测试的敏感性。
斯蒂克兰反应产物与CDI相关联也就不足为奇了。艰难梭菌以其在体外和体内使用该方法发酵氨基酸的能力而闻名。艰难梭菌的代谢通过多种营养敏感的转录抑制因子（包括变构调节因子CodY）的活性与毒素基因的表达紧密相关，当与GTP或支链氨基酸结合时，其抑制毒素基因的表达。对于艰难梭菌培养阳性和毒素EIA阳性的患者，4-MPA作为生物标志物的发现与艰难梭菌主动发酵亮氨酸以及随后由于包括亮氨酸在内的支链氨基酸较少而导致的毒素基因表达的抑制是一致的。然而，正如在非CDI腹泻粪便样本中所见，除艰难梭菌外，还有其他厌氧性肠细菌会产生斯蒂克兰反应产物。
代谢组学研究使用抗生素治疗的小鼠感染模型强烈暗示了斯蒂克兰反应是艰难梭菌定殖和生长的重要因素，尽管脯氨酸发酵在这些研究中更为常见。罗宾逊等在CDI样品中检测到脯氨酸和5-氨基戊酸酯；但是，它不如信号为亮氨酸和4-MPA。这可能是由于人类和小鼠肠道微生物生态系统的差异，但这也表明了小鼠模型在无限接近于人类CDI代谢组的变化。而人类饮食，抗生素种类以及这些因素如何改变肠道菌群也是CDI中非常重要的因素。例如，脯氨酸发酵产生的5-氨基戊酸酯是抗生素处理的小鼠中艰难梭菌活性代谢的强烈信号。然而，在该模型中，肠道菌群显着减少，因此除艰难梭菌外，几乎没有或没有能够发酵脯氨酸的物种。
胆汁酸代谢组学数据与在小鼠模型和人体研究中发现的其他数据密切相关。CDI患者缺乏次级胆汁酸可能是由于肠道菌群改变和共生梭状芽孢杆菌缺乏所致，这与许多文献一致。罗宾逊等，使用整个胆汁酸谱，而不只是一个或两个胆汁酸，作为预测值。有趣的是对硫酸化胆汁酸的关注是有趣的，因为它们没有像其他胆汁酸一样得到审查，并且可以提供一类新的代谢物作为CDI的靶标。
碳水化合物不如氨基酸和胆汁酸那样可预测，这可能是由于艰难梭菌可以利用碳水化合物这一事实，但是它们并不是生长所必需的。CDI患者肠道中缺乏与海藻糖的结合不足为奇，因为艰难梭菌不需要海藻糖，而是可以利用海藻糖。尚不清楚艰难梭菌在肠道中优先利用的是哪种碳水化合物，但很显然它有很多可供选择。
总结
随着代谢物检测技术的进步，代谢组学将成为生物医学研究领域的宝贵工具需要注意特定的代谢组学平台，因为结果会因方法而异。由于肠道菌群负责斯蒂克兰反应产物和次级胆汁酸的产生，因此重要的是要使用互补组学方法16S rRNA测序或宏基因组学来确定存在的细菌群落。这可能会增加诊断的敏感性，并导致新颖的基于个人现有的微生物组和代谢组的疗法。如果我们知道艰难梭菌需要哪些代谢物才能诱导，定殖和产生毒素，我们就可以合理地选择能够将初级胆酸转化为次级胆汁酸的特定细菌，并竞争艰难梭菌定殖所需的斯蒂克兰反应氨基酸。
最后，使用计算和统计模型为CDI和其他疾病的诊断和治疗提供信息是重要的工具。我们可以建立艰难杆菌的斯蒂克兰反应通量并控制体内毒素表达。我们可以靶向肠道中的氨基酸和胆汁酸来控制定植和毒素产生，从而预防疾病。通过利用数据驱动的建模方法来定义CDI微生物组和代谢组，我们可以开始回答这些问题。
