代謝組學(xué)在探究帕金森和腸道菌群關(guān)系中的應(yīng)用
百趣代謝組學(xué)資訊: 帕金森和腸道菌群有關(guān)系？
帕金森病患者糞便和血漿短鏈脂肪酸水平與腸道菌群和臨床指標(biāo)的關(guān)系
文章標(biāo)題：Association of Fecal and Plasma Levels of Short-Chain Fatty Acids With Gut Microbiota and Clinical Severity in Parkinson Disease Patients
發(fā)表期刊：Neurology
影響因子：8.77
發(fā)表時(shí)間：2022年分組情況：PD患者（n=96）和對(duì)照組（n=85）
分析內(nèi)容：代謝組學(xué)+宏基因組學(xué)
研究背景
帕金森�。≒D）是一種常見的神經(jīng)系統(tǒng)疾病。研究表明，PD模型的α-突觸核蛋白聚集體可以通過迷走神經(jīng)從腸神經(jīng)系統(tǒng)傳播到腦干，胃腸道癥狀可能比運(yùn)動(dòng)癥狀早幾十年。與對(duì)照組相比，PD患者具有獨(dú)特的腸道微生物群結(jié)構(gòu)，并且腸道微生物群的變化與疾病的嚴(yán)重程度和進(jìn)展相關(guān)。短鏈脂肪酸（SCFAs）是腸道菌群發(fā)酵膳食纖維產(chǎn)生的主要代謝物，推測(cè)在腸-腦交叉對(duì)話中起關(guān)鍵作用。但目前仍缺乏關(guān)于檢測(cè)糞便和血漿中SCFAs水平的綜合研究。
本研究通過比較分析對(duì)照組和PD患者組糞便和血漿中SCFAs水平，以描述SCFAs的相互關(guān)系，并將腸道微生物群變化和臨床指標(biāo)聯(lián)系起來，來闡明它們之間的相互關(guān)系。
研究結(jié)果
1PD患者和對(duì)照組糞便和血漿中不同類型SCFAs水平
通過對(duì)糞便與血漿中的SCFAs檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)與對(duì)照組相比，PD患者糞便中乙酸、丙酸和丁酸濃度顯著降低（圖1）；血漿中丙酸、丁酸和戊酸的濃度顯著增加（圖2）。
通過ROC曲線分析預(yù)測(cè)PD的發(fā)生，發(fā)現(xiàn)隨著糞便中乙酸、丙酸和丁酸水平降低及血漿中丙酸、丁酸和戊酸水平增加，AUC預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度提高（圖3A）。
與早期疾病患者相比，晚期PD患者的糞便中乙酸、丙酸、丁酸和戊酸水平均顯著降低，血清中戊酸水平顯著增加。此外，將糞便和血漿中SCFAs水平與運(yùn)動(dòng)障礙嚴(yán)重程度做關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)糞便中乙酸、丙酸和丁酸的水平與運(yùn)動(dòng)能力呈負(fù)相關(guān)（圖3B-D），血漿中丙酸水平與運(yùn)動(dòng)能力呈正相關(guān)（圖4）。
圖3. 用于區(qū)分參與者中PD患者與對(duì)照組的ROC曲線及PD患者糞便中SCFAs水平與臨床運(yùn)動(dòng)癥狀嚴(yán)重程度之間的相關(guān)性
認(rèn)知正常的PD患者和患有癡呆癥的PD（PDD）患者的SCFAs差異分析顯示，糞便中SCFAs水平無顯著差異；血漿中，PDD患者異丁酸和戊酸水平顯著升高（圖5B)，將糞便和血漿中SCFAs水平與認(rèn)知能力做關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)血漿中異丁酸和戊酸水平與認(rèn)知能力呈負(fù)相關(guān)（圖5C）。
圖5 不同認(rèn)知嚴(yán)重程度的PD患者糞便和血漿中SCFAs濃度的比較及SCFAs水平與認(rèn)知能力之間的相關(guān)性
4腸道微生物種類與血漿和糞便中SCFAs水平相關(guān)
宏基因組分析表明，PD患者的菌群豐富度高于對(duì)照組（圖6）。進(jìn)一步分析腸道菌群與SCFAs的相關(guān)性，結(jié)果表明，與對(duì)照組相比，PD患者特定腸道微生物群豐度的改變與不同SCFAs的血漿和糞便水平相關(guān)，與PD患者的運(yùn)動(dòng)能力或認(rèn)知障礙嚴(yán)重程度相關(guān)（圖7）。
本文通過氣相色譜-質(zhì)譜（GC-MS）和液相色譜-質(zhì)譜（LC-MS/MS）對(duì)糞便和血漿中的SCFAs進(jìn)行定量分析，發(fā)現(xiàn)PD患者糞便和血漿中SCFAs水平存在差異。SCFAs與運(yùn)動(dòng)能力、認(rèn)知能力、腸道菌群關(guān)聯(lián)分析顯示：糞便中低水平SCFAs、血漿中高水平丙酸與PD患者的低運(yùn)動(dòng)能力相關(guān)；糞便中低水平SCFAs、血漿中高水平丁酸和戊酸與較差的認(rèn)知相關(guān)；PD患者部分菌群豐度的改變與血漿和糞便中SCFAs水平相關(guān)。結(jié)果表明，SCFAs可以作為區(qū)分PD患者和對(duì)照組以及反映疾病嚴(yán)重程度的腸道導(dǎo)向標(biāo)記物，有助于進(jìn)一步闡明PD患者復(fù)雜的腸-腦相互作用。
文/阿趣代謝組學(xué)
帕金森病患者糞便和血漿短鏈脂肪酸水平與腸道菌群和臨床指標(biāo)的關(guān)系
文章標(biāo)題：Association of Fecal and Plasma Levels of Short-Chain Fatty Acids With Gut Microbiota and Clinical Severity in Parkinson Disease Patients
發(fā)表期刊：Neurology
影響因子：8.77
發(fā)表時(shí)間：2022年分組情況：PD患者（n=96）和對(duì)照組（n=85）
分析內(nèi)容：代謝組學(xué)+宏基因組學(xué)
研究背景
帕金森�。≒D）是一種常見的神經(jīng)系統(tǒng)疾病。研究表明，PD模型的α-突觸核蛋白聚集體可以通過迷走神經(jīng)從腸神經(jīng)系統(tǒng)傳播到腦干，胃腸道癥狀可能比運(yùn)動(dòng)癥狀早幾十年。與對(duì)照組相比，PD患者具有獨(dú)特的腸道微生物群結(jié)構(gòu)，并且腸道微生物群的變化與疾病的嚴(yán)重程度和進(jìn)展相關(guān)。短鏈脂肪酸（SCFAs）是腸道菌群發(fā)酵膳食纖維產(chǎn)生的主要代謝物，推測(cè)在腸-腦交叉對(duì)話中起關(guān)鍵作用。但目前仍缺乏關(guān)于檢測(cè)糞便和血漿中SCFAs水平的綜合研究。
本研究通過比較分析對(duì)照組和PD患者組糞便和血漿中SCFAs水平，以描述SCFAs的相互關(guān)系，并將腸道微生物群變化和臨床指標(biāo)聯(lián)系起來，來闡明它們之間的相互關(guān)系。
研究結(jié)果
1PD患者和對(duì)照組糞便和血漿中不同類型SCFAs水平
通過對(duì)糞便與血漿中的SCFAs檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)與對(duì)照組相比，PD患者糞便中乙酸、丙酸和丁酸濃度顯著降低（圖1）；血漿中丙酸、丁酸和戊酸的濃度顯著增加（圖2）。
圖1. PD患者和健康對(duì)照者糞便中SCFAs水平的比較
圖2. PD患者和健康對(duì)照者血漿SCFAs濃度的比較
2糞便和血漿中SCFAs水平與運(yùn)動(dòng)癥狀嚴(yán)重程度的相關(guān)性通過ROC曲線分析預(yù)測(cè)PD的發(fā)生，發(fā)現(xiàn)隨著糞便中乙酸、丙酸和丁酸水平降低及血漿中丙酸、丁酸和戊酸水平增加，AUC預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度提高（圖3A）。
與早期疾病患者相比，晚期PD患者的糞便中乙酸、丙酸、丁酸和戊酸水平均顯著降低，血清中戊酸水平顯著增加。此外，將糞便和血漿中SCFAs水平與運(yùn)動(dòng)障礙嚴(yán)重程度做關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)糞便中乙酸、丙酸和丁酸的水平與運(yùn)動(dòng)能力呈負(fù)相關(guān)（圖3B-D），血漿中丙酸水平與運(yùn)動(dòng)能力呈正相關(guān)（圖4）。
圖4. PD患者血漿中SCFAs水平與臨床運(yùn)動(dòng)癥狀嚴(yán)重程度之間的相關(guān)性
3糞便和血漿中SCFAs水平與認(rèn)知障礙程度的相關(guān)性認(rèn)知正常的PD患者和患有癡呆癥的PD（PDD）患者的SCFAs差異分析顯示，糞便中SCFAs水平無顯著差異；血漿中，PDD患者異丁酸和戊酸水平顯著升高（圖5B)，將糞便和血漿中SCFAs水平與認(rèn)知能力做關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)血漿中異丁酸和戊酸水平與認(rèn)知能力呈負(fù)相關(guān)（圖5C）。
4腸道微生物種類與血漿和糞便中SCFAs水平相關(guān)
宏基因組分析表明，PD患者的菌群豐富度高于對(duì)照組（圖6）。進(jìn)一步分析腸道菌群與SCFAs的相關(guān)性，結(jié)果表明，與對(duì)照組相比，PD患者特定腸道微生物群豐度的改變與不同SCFAs的血漿和糞便水平相關(guān)，與PD患者的運(yùn)動(dòng)能力或認(rèn)知障礙嚴(yán)重程度相關(guān)（圖7）。
圖6. PD組和對(duì)照組糞便微生物的 α-多樣性和 β-多樣性指數(shù)
圖7. 表示不同細(xì)菌相對(duì)豐度與糞便或血漿中 SCFAs濃度的相關(guān)性熱圖
結(jié)論本文通過氣相色譜-質(zhì)譜（GC-MS）和液相色譜-質(zhì)譜（LC-MS/MS）對(duì)糞便和血漿中的SCFAs進(jìn)行定量分析，發(fā)現(xiàn)PD患者糞便和血漿中SCFAs水平存在差異。SCFAs與運(yùn)動(dòng)能力、認(rèn)知能力、腸道菌群關(guān)聯(lián)分析顯示：糞便中低水平SCFAs、血漿中高水平丙酸與PD患者的低運(yùn)動(dòng)能力相關(guān)；糞便中低水平SCFAs、血漿中高水平丁酸和戊酸與較差的認(rèn)知相關(guān)；PD患者部分菌群豐度的改變與血漿和糞便中SCFAs水平相關(guān)。結(jié)果表明，SCFAs可以作為區(qū)分PD患者和對(duì)照組以及反映疾病嚴(yán)重程度的腸道導(dǎo)向標(biāo)記物，有助于進(jìn)一步闡明PD患者復(fù)雜的腸-腦相互作用。
文/阿趣代謝組學(xué)
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