多組學(xué)分析揭示精神分裂癥的異常腸道-代謝-免疫網(wǎng)絡(luò)

精神分裂癥(SCZ)與多種免疫功能障礙相關(guān)，包括促炎細胞因子水平升高。微生物及其代謝產(chǎn)物對免疫系統(tǒng)具有調(diào)節(jié)作用，精神分裂癥患者腸道菌群明顯紊亂。為了系統(tǒng)地研究精神分裂癥患者異常的腸道-代謝組-免疫網(wǎng)絡(luò)，有研究者使用多組學(xué)策略對63例SCZ患者和57名健康對照的腸道菌群、血清代謝組和血清炎性細胞因子進行了整合分析。該研究提示了微生物來源的代謝物調(diào)節(jié)炎性細胞因子的機制，并為未來從微生物-免疫系統(tǒng)診斷和治療精神障礙提供了見解。該研究發(fā)表在《Frontiers in Immunology》IF：8.786。

實驗方法：非靶向LC-MS/MS分析、代謝組學(xué)數(shù)據(jù)分析、Shotgun宏基因組測序和全宏基因組關(guān)聯(lián)研究、多種細胞因子測量。

技術(shù)路線：

主要研究結(jié)果：

1. SCZ的差異代謝型紊亂

為了更深入地了解SCZ患者血清代謝組特征的組成，我們使用非靶向的LC-MS檢測空腹血清樣本中的代謝組特征。在獲得的原始數(shù)據(jù)中，兩種離子模式產(chǎn)生了8488個特征，近19%的特征發(fā)生了顯著改變(OPLS-DA VIP > 1.0, FDR < 0.05)。OPLS-DA評分圖顯示兩組之間有顯著的區(qū)分度(圖1A)，提示患者在病理狀態(tài)下存在明顯的代謝紊亂，驗證圖證實了OPLS-DA模型的有效性(圖1B)。

通過注釋和檢索，有133個宿主源性或細菌源性代謝物特征在SCZ中存在顯著差異，其中大多數(shù)(89個[67%])在SCZ中顯著缺失。為了進一步探索133個差異豐度(DA)代謝物的生物學(xué)模式，我們使用共表達網(wǎng)絡(luò)分析將所有受試者的DA代謝物分為18個共豐度簇(圖1C)，其中5個代謝物沒有聚成任何簇。SCZ患者減少的5種代謝型(M10、11,13,14,15)與病程呈負相關(guān)(圖1C)。這些代謝類型的代謝物主要包括脂肪酸、吡啶羧酸及其衍生物。

圖1精神分裂癥相關(guān)差異代謝型的鑒定

2. SCZ微生物群落組成的共豐度群變化

考慮到SCZ的各種血清代謝產(chǎn)物可能來自腸道細菌，我們調(diào)查了SCZ患者腸道微生物的改變。我們通過糞便基因組測序分析了腸道微生物群，超過5%的樣本中有327個mOTUs。由于細菌在腸道生態(tài)系統(tǒng)中以被稱為“由于細菌在腸道生態(tài)系統(tǒng)中以被稱為“行會”的功能群工作，我們隨后通過構(gòu)建共豐度網(wǎng)絡(luò)將50個motu聚類為12個cag(圖2A)。每個CAG包含2-7個mOTUs。其中，SCZ患者的CAG1、CAG2和CAG12明顯低于HCs (圖2B)。

圖2 兩組間顯著不同的重要共豐度群(CAGs)的鑒定

3. 多組學(xué)分析揭示了SCZ中腸道菌群、血清代謝物和炎癥細胞因子之間的關(guān)系

腸道微生物和血清代謝物可能由于相互作用或雙向調(diào)節(jié)而共變。為了確定這種關(guān)聯(lián)，我們評估了所有受試者的代謝類型和cag之間的大規(guī)模關(guān)聯(lián)。在FDR為5%的情況下，9種cag和Shannon指數(shù)與15種代謝型顯著相關(guān)，有67種顯著相關(guān)(圖3A)。HC組富集的CAG1和CAG2與富HC的代謝類型(如脂肪酸、LysoPC/PC和碳水化合物綴合物)呈正相關(guān)，而與“富scz的代謝類型”(如脂肪酸和綴合物)呈負相關(guān)。在SCZ中富集的CAGs與代謝型的相關(guān)性與上述結(jié)果相反。其中，CAG5、CAG6與脂肪酸、磷脂等代謝產(chǎn)物也有顯著相關(guān)性。通過線性回歸，133種DA代謝產(chǎn)物中有36種與Shannon多樣性顯著相關(guān)(圖3C)。氨基酸和吡啶羧酸的代謝產(chǎn)物，如天冬酰胺-纈氨酸和MNA，表現(xiàn)出最強的相關(guān)性。與香農(nóng)指數(shù)相關(guān)的最豐富的代謝物是甘油磷脂。

同時，對病例和對照組之間的DA細菌門進行Mantel試驗，以確定門相關(guān)的代謝類型。值得注意的是，三個門和總mOTUs均與m1、10和14顯著相關(guān)，主要為脂肪酸、甘油磷脂和二羧酸(圖4A)。

擬桿菌門和總mOTU與代謝物的相關(guān)性趨勢更相似，表明擬桿菌門在代謝調(diào)節(jié)中可能比其他細菌發(fā)揮更重要的作用。此外，我們發(fā)現(xiàn)腸道細菌與血清代謝物的相關(guān)性明顯高于與血清細胞因子的相關(guān)性。除了CAG11和CCL2顯著正相關(guān)外(圖3B)，我們沒有發(fā)現(xiàn)任何CAG與這六種細胞因子直接相關(guān)。相反，血清代謝產(chǎn)物與炎癥標志物水平顯著相關(guān)。此外，富含scz的代謝類型與促炎細胞因子呈正相關(guān)，而富含HC的代謝類型與促炎細胞因子呈負相關(guān)(圖3A)。

在31個與代謝物或細胞因子相關(guān)的mOTUs中，CAG11中有兩個mOTUs與代謝物和細胞因子同時相關(guān)(圖4B)。為了進一步評價代謝產(chǎn)物在調(diào)節(jié)微生物對細胞因子的影響中的作用，我們進行了定向中介分析，發(fā)現(xiàn)了三個中介鏈接。例如，共生梭菌(Clostridium symbiosum)可能通過降低血清膽酸水平而導(dǎo)致CCL2水平升高(圖4C)，而Eggerthella lenta可能通過影響血清膽酸和天冬酰胺-纈氨酸水平而導(dǎo)致CCL2水平升高(圖4D, E)。CAGs、SCZ相關(guān)代謝物和細胞因子之間的相互作用網(wǎng)絡(luò)表明，非生物腸道細菌可能通過與宿主代謝物相互作用來改變炎癥細胞因子。

圖3 腸道菌群組成、宿主代謝特征和炎癥因子之間的相互關(guān)系

圖4 多組學(xué)相關(guān)分析

4. 基于腸道菌群代謝產(chǎn)物的SCZ診斷

以往的研究僅使用單一組學(xué)數(shù)據(jù)、腸道菌群或代謝物建立了SCZ的診斷模型。為了提高診斷效率，我們將50個DA mOTUs和133個血清代謝產(chǎn)物結(jié)合起來構(gòu)建疾病分類器。在訓(xùn)練集內(nèi)的隨機森林交叉驗證中，7種血清代謝產(chǎn)物的分類誤差最小，訓(xùn)練集和測試集的ROC曲線下面積分別為99.17%和99.45% (圖5A, B)。在分類器中包含的鑒別特征中，膽酸的影響最大，其次是代謝產(chǎn)物如4,8-二甲基壬基肉堿、3-羥基癸酸和前列腺素A2(圖5C)?？傮w而言，血清代謝物診斷SCZ的潛力優(yōu)于腸道細菌，尤其是腸道微生物來源的代謝物。

圖5代謝產(chǎn)物將精神分裂癥與健康對照區(qū)分開來

圖6所示，與HC相比，SCZ患者的血清代謝物譜、腸道微生物群和異常血液細胞因子水平存在顯著差異。我們發(fā)現(xiàn)，代謝類型與腸道微生物cag和炎癥因子顯著相關(guān)，腸道菌群可能通過調(diào)節(jié)宿主代謝過程來影響免疫應(yīng)答。

圖6精神分裂癥與健康對照組腸道菌群組成、代謝及細胞因子分析綜述

結(jié)論：

總體而言，通過多組學(xué)相關(guān)性分析，我們發(fā)現(xiàn)SCZ患者中多個代謝型與腸道微生物代謝密切相關(guān)，并與血清炎癥因子顯著相關(guān)。利用多組學(xué)分析系統(tǒng)了解機體協(xié)同調(diào)節(jié)機制的研究將深化對SCZ系統(tǒng)生物學(xué)的認識，促進個性化多模式SCZ干預(yù)的發(fā)展。此外，已經(jīng)證實膽汁酸代謝紊亂可能導(dǎo)致認知改變，我們的研究也證明了膽酸在調(diào)節(jié)微生物和免疫之間關(guān)系中的重要性。未來需要進一步研究膽汁酸代謝在腸-腦軸中的作用，腸道微生物-膽汁酸代謝通路-免疫激活可能是精神分裂癥的潛在治療靶點。