科研|Gut：异常肠道微生物群改变宿主代谢组并影响人类和啮齿动物的肾功能衰竭（国人佳作）

编译：杨丽军，编辑：Emma、江舜尧。

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导读

终末期肾病（ESRD）是慢性肾脏病（CKD）的一种晚期并发症，是世界范围内发病率和死亡率的主要原因之一。CKD进展为ESRD及其并发症与血液及其他代谢室中有毒代谢物的积累密切相关，这些毒素中很大一部分是肠道微生物群衍生的，通常不能通过透析有效清除。CKD患者肠道微生物群结构的显著改变和ESRD血液透析患者血液和粪便代谢成分的破坏表明CKD中存在基于微生物组的代谢失调。然而，ESRD相关代谢物（如尿毒症毒素）的微生物来源以及肠道微生物群介导的ESRD代谢物变化的机制尚未完全研究。因此，作者整合了肠道微生物组、血清和粪便代谢的多维数据集，并通过建立CKD啮齿动物模型，探讨ESRD患者肠道微生物组分、尿毒症毒素与肾功能衰竭症状之间的关系。

论文ID

原名：Aberrant gut microbiota alters hostmetabolome and impacts renal failure in humans and rodents

译名：异常肠道微生物群改变宿主代谢组并影响人类和啮齿动物的肾功能衰竭

期刊：Gut

IF：19.819

发表时间：2020.04

通讯作者：任发政

通讯作者单位：中国农业大学

实验设计

实验结果

1. ESRD患者和正常人血清和粪便代谢组的比较及相关性分析

实验采用非靶向质谱法（MS）分别对ESRD患者和对照组的血清和粪便进行了分析，ESRD患者和对照组血清和粪便代谢组均有较好的分离（图1A为血清代谢组PCA，1D为粪便代谢组PCA）。鉴于患者群体相对于原发性疾病（原病）类型的异质性，实验将其分为三种主要类型：肾小球肾炎（n=76）、糖尿病肾病（n=73）和其他（n=74），并分别与对照组进行比较，发现ESRD血清代谢组在很大程度上与原发病无关。粪便代谢组对于三个原发病疾病组中，肾小球肾炎和其他组与对照组有非常相似的差异。不同于血清代谢组的是，性别对ESRD患者的粪便代谢组无显著性影响（p=0.463）。同样的是，ESRD状态是导致患者和对照血清和粪便代谢组差异的主要原因（图1B、1E）。

ESRD血清代谢组的特征主要是九种尿毒症毒素的富集和胆汁酸组成的不平衡（例如，结合胆汁酸与非结合胆汁酸以及一级胆汁酸与二级胆汁酸（SBA）。这些毒素是由肠道微生物群通过降解饮食衍生的芳香族氨基酸和多酚而产生的，但由胆碱和肉碱产生的细菌产生的三甲胺氮氧化物（TMAO）除外，胆汁酸循环曲线的改变与肾脏疾病有关，已知可被肠道微生物所改变。作者对血清代谢物进行了聚类分析，并研究了聚类丰度与用于评价CKD进展的临床变量（如血肌酐和肾小球滤过率（eGFR）的相关性，eGFR是总体肾功能水平的指标）。重要的是，包括尿毒症毒素和胆汁酸在内的集群与整个队列中的相关临床变量密切相关；在单独的患者和对照组中也观察到显著的相关性。这些发现，与以前的报告一致，说明了这些循环代谢物对患者临床状态的生理重要性。尿毒症毒素前体和SBA在患者粪便中富集，而原代胆汁酸、短链脂肪酸（SCFAs）和SCFA衍生物（如甲基丁酸和甲基丙酸）明显减少。

通过对血清微生物和粪便微生物组的比较分析，发现血清和粪便的代谢谱具有很强的协同性（如图F）。最重要的是，血清尿毒症毒素与其粪便前体密切相关，这表明ESRD患者肠道的代谢变化对血清中尿毒症毒素的积累有显著贡献。为了进一步验证代谢组的结果，建立一组验证集（12名ESRD患者和12名健康对照组），ESRD患者血清尿毒症毒素的积累得到验证，患者粪便中毒素前体升高，并伴有明显的SCFAs和SCFA衍生物减少的趋势,但可能由于验证集数量有限，大多数（8/13）但并非所有代谢物均达到统计学显著性(q<0.1)。

图1  ESRD患者血清和粪便微生物组的特征

2. ESRD微生物组的分类和功能特征

为了研究肠道微生物群是否介导了ESRD患者的代谢组变化，实验通过亚基因组鸟枪测序分析了肠道微生物群，发现ESDR微生物组的微生物多样性、分类组成和功能潜力与健康对照组明显不同。患者中约有269个亚基因组物种（MGSs）被富集，188个MGS被耗尽（如图2A所示）。由于队列中超过一半的物种发生了显著变化（457/900 MGSs，51%），因此得出结论ESDR对微生物有强烈的影响。患者体内最富集的物种包括迟缓埃格特菌、黄酮类化合物、阿利斯提普斯、瘤胃球菌属、梭杆菌等（如图2B）。

ESDR微生物组在氧化应激抵抗中的功能明显丰富，这可能是由于患者炎症反应程度较高所致。氨基酸生物合成和降解所需的功能分别被耗尽和富集，可能反映了ESRD患者氨基酸利用率的增加。与AAA降解和SBA生物合成相关的功能模块和酶被富集，与尿毒症毒素前体和SBA在粪便代谢组中的富集一致。通过比较ESRD和健康对照的代谢产物浓度与微生物功能的关系，发现这些功能与血清和粪便中相应ESRD相关代谢物的浓度显著相关（图2C）。因此得出的结论是，ESRD患者尿毒症毒素的富集与肠道微生物群介导的AAA降解和微生物SBA生物合成有关。

图2 ESRD患者血清和粪便中微生物群特征及其与代谢产物变化的关系

3. 微生物群改变介导ESRD患者的代谢组学改变

为了进一步探讨肠道微生物群与代谢组分之间的关系，实验对肠道MGSs、血清和粪便代谢物的丰度进行了组间相关分析。在ESRD患者和健康对照组中都发现了紧密的联系（图3A，B）。ESRD患者的血清尿毒症毒素和胆汁酸也受到肠道微生物组和粪便代谢组的显著影响（图3C）。无论是ESRD患者还是健康对照组，宿主物候群对代谢组分的影响都显著小于肠道微生物组分（图3D）。这些结果表明，肠道微生物群除了肾功能外，似乎是宿主粪便和血清代谢的重要决定因素。

图3 肠道微生物群影响ESRD患者的宿主血清和粪便代谢

4. ESRD相关细菌对患者体内毒素积累的影响及其与临床特征的关系

为了进一步证实肠道微生物在尿毒症毒素和SBA产生中的潜在作用，本实验重点关注预测编码这些化合物主要合成途径中关键酶的微生物基因,从基因目录共鉴定了5134个编码6种显性尿毒症毒素和SBA关键合成酶的基因，且在ESRD患者和富含ESRD的微生物物种中明显更丰富（图4）。而且，与尿毒症毒素或SBA产生相关的物种与ESRD重要的临床变量直接且强烈相关，特别是eGFR的高比例变异（平均50.8%）和肌酐、尿素、C反应蛋白和血红蛋白的循环水平由物种丰度决定,因此假设肠道微生物群至少部分通过尿毒症毒素和SBAs加重ESRD。

图4 ESRD患者肠道微生物组成的改变有助于尿毒症毒素的产生和继发胆汁酸的生物合成

5. CKD啮齿动物模型肠道菌群的调节对毒素积累和肾脏疾病严重程度的影响

为了验证肠道微生物群至少部分通过尿毒症导致肾衰竭，实验将来自ESRD患者或健康供体的新鲜肠道微生物群移植到腺嘌呤诱导的CKD模型的无菌小鼠体内，受体小鼠有效地重新获得患者或对照供体微生物组的分类特征（图5A）。与来自健康供体的微生物群受体小鼠相比，接受ESRD微生物群的小鼠表现出更严重的肾纤维化、肾小球硬化和氧化应激，以及血清尿素和肌酐水平的升高趋势（图5B，C）。同时，在接受ESRD微生物群的小鼠中，几种尿毒症毒素（包括对甲酚硫酸盐、苯乙酰甘氨酸、苯硫酸盐和吲哚硫酸盐）的血清水平显著升高（图5D）。因此，表明ESRD患者肠道菌群的异常通过尿毒症毒素的调节对肾脏疾病的发展起到了一定的作用。

同时，在5/6肾切除CKD大鼠模型，灌胃E.lenta或F.nucleatum，与假喂饲大鼠相比，尿毒症毒素的血清水平显著升高（图5E），同时氧化应激、肾小球樱花、肾纤维化和血清肌酐和尿素水平升高（图5F,G），经灌胃双歧杆菌后，各指征均有回调，证明在未改变肠道微生物群中存在能够产生尿毒症毒前体的物种会加重肾脏疾病的进展。

图5 动物实验证实了ESRD微生物群和Eggerthella lenta和Fusobacterium nucleatum产生血清尿毒症毒素和加重肾脏疾病发展中的作用

讨论

在这项研究中，证明肾衰竭患者严重异常的肠道微生物群具有加速许多有毒化合物生物合成的功能潜力，导致血浆尿毒症毒素浓度升高和肾脏疾病加重（图6）。蛋黄杆菌、核梭杆菌和阿利斯底普斯沙希菌等物种的富集会引起肠道AAA降解、SBA和TMAO生物合成增加，导致ESRD患者粪便和血液中尿毒症毒素和SBA水平升高。同时，粪便细菌、玫瑰囊菌和普雷沃菌等物种的减少导致肠道微生物SCFA生物合成减少。这种肠道微生物驱动的不良代谢可能会加重CKD的进展，诱发并发症和全身炎症，并增加ESRD患者的死亡率。大多数产毒细菌都富含ESRD，并且与患者的临床参数有关，如E.lenta，F . nucleatum。通过实验证明富含ESRD的产毒物种是导致ESRD患者肠道来源尿毒症毒素积聚的原因。

这项工作有助于在人类受试者中建立异常肠道微生物群与肾脏疾病进展之间的因果关系。一些肠道微生物衍生的尿毒症毒素，包括硫酸吲哚酯、硫酸对甲酚、苯乙酰谷氨酰胺和TMAO在CKD和ESRD患者中均升高，并与CKD进展、死亡率、主要心血管不良事件和其他严重临床终点相关实验证明IS和PCS可诱导CKD大鼠肾纤维化，引起肾小管损伤。ESRD患者的微生物群可以通过产生过量的苯酚来破坏肠屏障，促使更多尿毒症毒素可以渗透到患者的血液循环当中，加重肾脏疾病的发展及其并发症。

ESRD患者体内毒素积聚的一个原因是，传统透析不能有效地清除某些肠道微生物来源的尿毒症毒素。因此，在未来的临床对照试验中，需要对不同程度的受损患者探讨通过饮食、益生菌或其他治疗手段调节肠道微生物群是否能缓解残存综合征的破坏性症状，提高生存质量和生活质量，或延缓对透析治疗或肾移植资源的需求。

图6 肠道菌群改变引起ESRD加重的机制

原文链接：https://gut.bmj.com/content/early/2020/04/16/gutjnl-2019-319766.long