天昊項目新文：腸道菌群與人體骨礦物質(zhì)丟失有關(guān)

發(fā)稿時間：2019-05-14來源：天昊生物

 

華中科技大學同濟醫(yī)學院公共衛(wèi)生學院近期在《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。在這項研究中天昊生物有幸承擔了樣品的擴增子測序和生物信息學分析工作。在恭喜客戶發(fā)表文章同時，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。本研究對低骨密度者和對照組的糞便樣本，進行16S 擴增子測序，研究了中國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)，與對照組相比，低骨密度個體的OTU數(shù)量較少，數(shù)個微生物類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)微生物機制提供了新的流行病學證據(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，導致骨脆性增加，甚至骨折。骨質(zhì)疏松癥是導致老年人死亡率增加和生活質(zhì)量下降的原因。在美國，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，由于人口老齡化，門診患病率急劇上升。骨量和骨質(zhì)量取決于骨形成（由成骨細胞調(diào)節(jié)）和骨吸收（由破骨細胞調(diào)節(jié)）之間的平衡。當骨吸收超過骨形成時，骨質(zhì)量降低。骨代謝受可改變因素（如吸煙、缺乏體力活動和低鈣攝入）和遺傳特征（如Wnt信號通路中的基因）的影響。

腸道微生物群是高度異質(zhì)的，由10¹⁴個細菌組成，由500萬個基因編碼。人類腸道微生物群包括1000多種不同的微生物物種，其中許多還沒有很好的特征。構(gòu)成腸道微生物群的微生物種類約有三分之二是每個個體獨有的。腸道微生物群導致許多人類慢性疾病，如肥胖、代謝病、營養(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)。一項動物研究表明，調(diào)控微生物群或其代謝產(chǎn)物可為優(yōu)化骨骼生長和健康提供機會。另一項研究也觀察到腸道微生物群通過改變骨骼中的免疫狀態(tài)和影響破骨細胞介導的骨吸收來調(diào)節(jié)小鼠的骨量。研究微生物群對骨骼影響的三個主要領域是營養(yǎng)獲?。ㄢ}和磷酸鹽）、免疫調(diào)節(jié)以及通過產(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證據(jù)還不充分。只有一項研究使用16S擴增子測序來研究人類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)系值得進一步研究，為此，采用16S擴增子測序法采集102例符合嚴格納入標準的老年人糞便樣本進行分析，比較了對照組（51例）和低骨密度組（51例）的細菌群落組成和多樣性。

MiSeq測序：細菌測序區(qū)段（V3-V4）； 

研究結(jié)果：

本研究參與者的特征

與對照組相比，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評分和Z評分均較低（表1）。低骨密度組的女性和吸煙者比例高于對照組（均P<0.05）。其它變量，如年齡、體重指數(shù)、飲酒和常見慢性疾?。ㄈ绻钦?、腎臟疾病和骨關(guān)節(jié)炎）在兩組之間沒有達到顯著性。

 

表1研究對象的特征

 

兩組腸道微生物多樣性比較

糞便細菌共有247個種，182個屬，75個科，37個目，24個綱，15個門。與對照組相比，低骨密度組的細菌類群數(shù)量較少。與對照組相比，低BMD組在各個水平（種、屬、科、目、綱和門）的細菌類群數(shù)量較少（表2）。

 

表2 各組不同水平的細菌組成

 

本研究共得到969個OUT，維恩圖顯示，低骨密度組（783）的OTU數(shù)量小于對照組（872）（圖1）。兩組共有70.8%的OTU，10.0%的OTU僅在低BMD個體中被檢測到，19.2%的OTU僅在對照組中被檢測到。兩組的α多樣性指數(shù)（ace、chao1、shannon和simpson）沒有顯著性差異。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，低骨密度個體中的類桿菌豐度在門、科和屬水平上都相對較高，厚壁菌門、毛螺菌科和羅斯氏菌屬在對照組中的豐度較高（圖2）。

 

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

腸道菌群組成

在門水平上，所有樣品的腸道微生物群均以類桿菌、厚壁菌、變形桿菌、梭桿菌和放線菌為主。相對于對照組，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，相對于對照組，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，相對于對照組，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量的相關(guān)性

• 在門水平上，厚壁菌和放線菌與BMD和T評分呈正相關(guān)，類桿菌與全髖骨、FN（股骨頸）、 LS（腰椎）的BMD以及LS（腰椎）的T評分呈負相關(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評分呈正相關(guān)，Bacteroidaceae與FN（股骨頸）的BMD呈負相關(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評分呈正相關(guān)，Bacteroides（類桿菌）, Anaerostipes（厭氧桿菌）, Clostridium_XlVb（梭菌）與BMD和T評分呈負相關(guān)。

 

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

腸道微生物群相對豐度與骨密度測量的相關(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評分和Z評分以及FN的Z評分均隨著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腸道微生物相對豐度對BMD測量影響的嶺回歸分析

功能預測代謝途徑

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)運體、信號轉(zhuǎn)導和分泌系統(tǒng)等26條途徑在對照組更豐富。

 

圖3（部分展示）兩組間的功能預測代謝途徑分析