天昊項(xiàng)目新文：腸道菌群與人體骨礦物質(zhì)丟失有關(guān)

發(fā)稿時(shí)間：2019-05-14來(lái)源：天昊生物

 

華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院公共衛(wèi)生學(xué)院近期在《Osteoporosis International》上發(fā)表了腸道菌群組成與骨礦丟失相關(guān)研究的文章。在這項(xiàng)研究中天昊生物有幸承擔(dān)了樣品的擴(kuò)增子測(cè)序和生物信息學(xué)分析工作。在恭喜客戶發(fā)表文章同時(shí)，我們想跟大家分享一下文章的研究思路。

英文題目： Gut microbiota composition and bone mineral loss—epidemiologic evidence from individuals in Wuhan, China

中文題目：腸道菌群組成與骨礦物質(zhì)丟失—武漢人群流行病學(xué)證據(jù)

期刊名：Osteoporosis International    

5年影響因子： 4.609

研究概要：

腸道微生物群在人體健康中起著重要作用，并與多種疾病有關(guān)。然而，很少有研究探討其與人體骨礦物質(zhì)丟失之間的關(guān)系。本研究對(duì)低骨密度者和對(duì)照組的糞便樣本，進(jìn)行16S 擴(kuò)增子測(cè)序，研究了中國(guó)老年人腸道微生物群組成與骨礦物質(zhì)丟失的關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照組相比，低骨密度個(gè)體的OTU數(shù)量較少，數(shù)個(gè)微生物類(lèi)群的豐度和功能途徑也有所改變。本研究結(jié)果為闡明骨礦物質(zhì)丟失和骨質(zhì)疏松的相關(guān)微生物機(jī)制提供了新的流行病學(xué)證據(jù)。

研究背景：

較低的骨密度（BMD）是骨質(zhì)疏松癥（OP）的主要特征，導(dǎo)致骨脆性增加，甚至骨折。骨質(zhì)疏松癥是導(dǎo)致老年人死亡率增加和生活質(zhì)量下降的原因。在美國(guó)，年齡大于等于65歲的女性中有26%的人患骨質(zhì)疏松癥，年齡大于等于85歲的女性中有50%的人患骨質(zhì)疏松癥。在中國(guó)，由于人口老齡化，門(mén)診患病率急劇上升。骨量和骨質(zhì)量取決于骨形成（由成骨細(xì)胞調(diào)節(jié)）和骨吸收（由破骨細(xì)胞調(diào)節(jié)）之間的平衡。當(dāng)骨吸收超過(guò)骨形成時(shí)，骨質(zhì)量降低。骨代謝受可改變因素（如吸煙、缺乏體力活動(dòng)和低鈣攝入）和遺傳特征（如Wnt信號(hào)通路中的基因）的影響。

腸道微生物群是高度異質(zhì)的，由10¹⁴個(gè)細(xì)菌組成，由500萬(wàn)個(gè)基因編碼。人類(lèi)腸道微生物群包括1000多種不同的微生物物種，其中許多還沒(méi)有很好的特征。構(gòu)成腸道微生物群的微生物種類(lèi)約有三分之二是每個(gè)個(gè)體獨(dú)有的。腸道微生物群導(dǎo)致許多人類(lèi)慢性疾病，如肥胖、代謝病、營(yíng)養(yǎng)不良、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、心血管疾病和癌癥。

微生物群的改變也與骨量和骨質(zhì)量的維持有關(guān)。一項(xiàng)動(dòng)物研究表明，調(diào)控微生物群或其代謝產(chǎn)物可為優(yōu)化骨骼生長(zhǎng)和健康提供機(jī)會(huì)。另一項(xiàng)研究也觀察到腸道微生物群通過(guò)改變骨骼中的免疫狀態(tài)和影響破骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨吸收來(lái)調(diào)節(jié)小鼠的骨量。研究微生物群對(duì)骨骼影響的三個(gè)主要領(lǐng)域是營(yíng)養(yǎng)獲?。ㄢ}和磷酸鹽）、免疫調(diào)節(jié)以及通過(guò)產(chǎn)生小分子（如血清素或雌激素樣分子）的直接影響。迄今為止，關(guān)于腸道微生物群在骨礦丟失中作用的流行病學(xué)證據(jù)還不充分。只有一項(xiàng)研究使用16S擴(kuò)增子測(cè)序來(lái)研究人類(lèi)腸道微生物群和骨質(zhì)疏松癥之間的聯(lián)系，然而，此研究明顯受到小樣本量的限制（每組n=6）。因此，腸道微生物群與人體低骨密度的關(guān)系值得進(jìn)一步研究，為此，采用16S擴(kuò)增子測(cè)序法采集102例符合嚴(yán)格納入標(biāo)準(zhǔn)的老年人糞便樣本進(jìn)行分析，比較了對(duì)照組（51例）和低骨密度組（51例）的細(xì)菌群落組成和多樣性。

MiSeq測(cè)序：細(xì)菌測(cè)序區(qū)段（V3-V4）； 

研究結(jié)果：

本研究參與者的特征

與對(duì)照組相比，低骨密度組具有較低的BMD（骨密度），F(xiàn)N（股骨頸）、 LS（腰椎）和全髖關(guān)節(jié)的T評(píng)分和Z評(píng)分均較低（表1）。低骨密度組的女性和吸煙者比例高于對(duì)照組（均P<0.05）。其它變量，如年齡、體重指數(shù)、飲酒和常見(jiàn)慢性疾?。ㄈ绻钦邸⒛I臟疾病和骨關(guān)節(jié)炎）在兩組之間沒(méi)有達(dá)到顯著性。

 

表1研究對(duì)象的特征

 

兩組腸道微生物多樣性比較

糞便細(xì)菌共有247個(gè)種，182個(gè)屬，75個(gè)科，37個(gè)目，24個(gè)綱，15個(gè)門(mén)。與對(duì)照組相比，低骨密度組的細(xì)菌類(lèi)群數(shù)量較少。與對(duì)照組相比，低BMD組在各個(gè)水平（種、屬、科、目、綱和門(mén)）的細(xì)菌類(lèi)群數(shù)量較少（表2）。

 

表2 各組不同水平的細(xì)菌組成

 

本研究共得到969個(gè)OUT，維恩圖顯示，低骨密度組（783）的OTU數(shù)量小于對(duì)照組（872）（圖1）。兩組共有70.8%的OTU，10.0%的OTU僅在低BMD個(gè)體中被檢測(cè)到，19.2%的OTU僅在對(duì)照組中被檢測(cè)到。兩組的α多樣性指數(shù)（ace、chao1、shannon和simpson）沒(méi)有顯著性差異。PCA和PERMANOVA分析未能完全區(qū)分兩組。

 

圖1兩組腸道微生物群在OTU水平上的維恩圖比較

 

LEfSe分析顯示，低骨密度個(gè)體中的類(lèi)桿菌豐度在門(mén)、科和屬水平上都相對(duì)較高，厚壁菌門(mén)、毛螺菌科和羅斯氏菌屬在對(duì)照組中的豐度較高（圖2）。

 

圖2不同水平上細(xì)菌分類(lèi)群的Lefse分析（p，門(mén)；c，綱；o，目；f，科；g，屬；s，種）

腸道菌群組成

在門(mén)水平上，所有樣品的腸道微生物群均以類(lèi)桿菌、厚壁菌、變形桿菌、梭桿菌和放線菌為主。相對(duì)于對(duì)照組，低骨密度組的擬桿菌比例明顯較高，厚壁桿菌/擬桿菌比例明顯較低（表3）。在科水平上，相對(duì)于對(duì)照組，低骨密度組的擬桿菌科比例明顯較多，毛螺菌科比例明顯較少。在屬水平上，相對(duì)于對(duì)照組，低骨密度組的擬桿菌屬比例最高，羅斯氏菌屬比例明顯較少。

 

表3兩組腸道微生物群豐度比較

 

腸道微生物群豐度與骨密度測(cè)量的相關(guān)性

• 在門(mén)水平上，厚壁菌和放線菌與BMD和T評(píng)分呈正相關(guān)，類(lèi)桿菌與全髖骨、FN（股骨頸）、 LS（腰椎）的BMD以及LS（腰椎）的T評(píng)分呈負(fù)相關(guān)（表4）。
• 在科水平上，Lachnospirae（毛螺菌科）、Lactobacillae（乳酸桿菌科）和Bifidobacteriaceae（雙歧桿菌科）與BMD和T評(píng)分呈正相關(guān)，Bacteroidaceae與FN（股骨頸）的BMD呈負(fù)相關(guān)。
• 在屬水平上，Roseburia（羅斯氏菌）, Bifidobacterium（雙歧桿菌）, Anaerobacterium（厭氧菌）, Lactobacillus（乳酸桿菌）與BMD和T評(píng)分呈正相關(guān)，Bacteroides（類(lèi)桿菌）, Anaerostipes（厭氧桿菌）, Clostridium_XlVb（梭菌）與BMD和T評(píng)分呈負(fù)相關(guān)。

 

表4 門(mén)、科和屬水平下腸道微生物群豐度和骨密度測(cè)量的斯皮爾曼相關(guān)性分析

腸道微生物群相對(duì)豐度與骨密度測(cè)量的相關(guān)性

嶺回歸分析表明，在調(diào)整年齡、性別、吸煙和體重指數(shù)后，F(xiàn)N（股骨頸）的BMD隨著放線菌數(shù)量的增加而增加（表5）。在科水平上，F(xiàn)N（股骨頸）和 LS（腰椎）的BMD隨雙歧桿菌科豐度的增加而增加。屬水平上，在調(diào)整混雜因素后，全髖關(guān)節(jié)的T評(píng)分和Z評(píng)分以及FN的Z評(píng)分均隨著Clostridium_XlVb（梭形芽胞桿菌）豐度的增加而降低。校正年齡、性別、吸煙和體重指數(shù)后，F(xiàn)N（股骨頸）的BMD隨著雙歧桿菌豐度的增加而增加。

 

表5腸道微生物相對(duì)豐度對(duì)BMD測(cè)量影響的嶺回歸分析

功能預(yù)測(cè)代謝途徑

共鑒定出93條KEGG代謝途徑，顯示這兩組間微生物群豐度顯著不同（圖3）。約72.0%的途徑，特別是與脂多糖生物合成和聚糖降解有關(guān)的途徑，在低骨密度組比對(duì)照組更豐富。與低骨密度組相比，糖代謝和生物合成、脂代謝、轉(zhuǎn)運(yùn)體、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和分泌系統(tǒng)等26條途徑在對(duì)照組更豐富。

 

圖3（部分展示）兩組間的功能預(yù)測(cè)代謝途徑分析