腸道微生物組的組成和個體間變化受到宿主遺傳和一系列復雜的外部因素的影響，如棲息地、早期生活暴露、飲食、年齡、種族和城市化。其中，宿主棲息地是影響不同國家/地區(qū)腸道菌群組成的主要因素。由于飲食是塑造腸道微生物群的關鍵因素，不同地區(qū)的飲食差異可能是揭示不同棲息地腸道微生物特異性的重要因素。飲食等外部因素可以將腸道微生物和血清代謝物與多種臨床指標聯(lián)系起來。然而，目前對飲食、腸道微生物群、血清代謝物和宿主健康之間的因果關系認識還遠遠不夠。

2024年3月中國疾病預防控制中心營養(yǎng)與健康所在Advanced Science雜志（IF=14.3）上發(fā)表了題為“Diet Mediate the Impact of Host Habitat on Gut Microbiome and Influence Clinical Indexes by Modulating Gut Microbes and Serum Metabolites”的研究型論文。本文對中國3224名具有地理、飲食習慣、營養(yǎng)、血清代謝物（496名）和生理狀態(tài)信息綜合記錄的個體進行了腸道微生物群組成特征分析。此外，還表征了與腸道微生物變異顯著相關的變量，并闡明了中國人群中與地理、食物和年齡相關的腸道微生物群模式。并且評估了飲食、腸道微生物群、血清代謝物和宿主表型之間的相關性。本研究為系統(tǒng)揭示外部因素如何影響腸道微生物群，進而影響人體代謝和臨床參數(shù)提供了基礎。

技術路線圖

中國人群腸道微生物組相關變量

本研究采集了來自中國胡煥庸線以東15個省份89個市/縣330個社區(qū)的3224名健康參與者（年齡 18-80 歲，其中 51% 為女性）的糞便和空腹血液樣本，并通過問卷調(diào)查或生理檢查收集了地理、人口、食物、營養(yǎng)、生理和血液參數(shù)相關的109個變量信息。通過糞便16S測序分析發(fā)現(xiàn)，地理因素和食物攝入是影響腸道微生物組組成的重要變量，并且地理因素與各種食物密切相關。

圖1. 腸道微生物群組成和相關宿主因素概述

地理位置影響腸道微生物群的組成

相關性分析表明，地理距離與腸道微生物組的相似性呈負相關。多樣性分析表明，來自中國南方的個體保持著比來自中國北方的個體更高的α多樣性，生活在同一地方的個體其腸道微生物群更加相似。多變量分析（MaAsLin）發(fā)現(xiàn)，乳球菌屬和梭桿菌屬、不動桿菌屬和Asaccharobacter屬、棒狀桿菌和鞘氨醇單胞菌屬、鏈球菌屬和布勞特氏菌屬分別在華南、華北、西南和華東地區(qū)富集。

圖2. 地理特異性腸道微生物群特征的表征

飲食是影響地理位置和腸道菌群的主要因素

相關性分析表明，食物攝入與地理位置密切相關。例如，隨著緯度的增加，小麥攝入量增加，而大米、豬肉和蔬菜的攝量量減少。同時，食物攝入與腸道菌群顯著相關。例如，小麥攝入量與雙歧桿菌屬、Blautia屬和Eggerthella屬呈顯著相關性。由于食物的地理偏好，這些與食物相關的菌屬也表現(xiàn)出明顯的地理差異。

圖3. 地理位置、飲食和腸道微生物群之間的中介聯(lián)系

腸道菌群介導食物攝入對血清代謝物的影響

通過對河南（HN）和貴州（GZ）省 496 名居民的血清樣本進行非靶向代謝組檢測，共獲得了 824 種血清代謝物的豐度信息。相關性分析表明，代謝物與特定食物以及腸道細菌有顯著關聯(lián)。對緯度、食物攝入和腸道微生物進行中介分析，揭示了76個顯著的中介聯(lián)系。例如，來自高緯度地區(qū)（中國北方）的個體食用更多的小麥，而較少食用米和魚，這可能是保持更多雙歧桿菌和較少的Blautia屬和Lachnospiracea incertae sedis屬的原因。

圖4. 微生物組和飲食對血清代謝組個體間差異的影響

血清代謝物將腸道微生物與臨床指標聯(lián)系起來

相關性分析表明，26 種食物、79 種腸道細菌、20 種血清代謝物和 38 個臨床指標彼此顯著相關。例如，水果攝入量與Blautia的豐度呈正相關，而Blautia的豐度與血清蘇糖酸鹽threonate呈正相關，血清蘇糖酸鹽是一種與舒張壓呈負相關的代謝物。血清代謝物在腸道菌群和臨床指標之間存在中介作用。例如，Blautia可能通過降低血清1-palmitoyl-2-palmitoleoyl-GPC(16:0/16:1)的水平來降低收縮壓。

圖5. 食物、微生物組、代謝物和宿主生理參數(shù)之間的關聯(lián)

衰老與腸道微生物和血清代謝物有關

比較了青年（18-44歲）、中年（45-59歲）和老年人（60-80歲）的腸道菌群組成，發(fā)現(xiàn)三組間腸道菌群分布存在顯著差異。線性回歸分析表明，Bifidobacterium、Blautia和Lachnospiracea與年齡增加呈負相關，而Escherichia/Shigella和Clostridium sensu stricto與年齡呈正相關。在人類衰老過程中，與年齡相關的高血壓可能是由人體衰老過程中腸道Blautia減少和這些血清代謝物增加引起的。雙歧桿菌也隨著年齡的增長而減少，并與多個與年齡相關的臨床指標呈負相關。在與年齡相關的代謝產(chǎn)物中，發(fā)現(xiàn)磷脂酰甘油(16:0)和甘油磷酸膽堿(18:0/20:4)與年齡呈正相關。

圖6. 衰老相關臨床指標與年齡相關腸道微生物群、血清代謝物之間的關聯(lián)

小結(jié)

本研究在中國廣泛的地理范圍內(nèi)確定了一組與地理、食物和年齡相關的腸道微生物群。結(jié)果表明食物是地理位置對腸道菌群的主要中介因素，并調(diào)節(jié)人類血清代謝物。本研究驗證了地理、飲食和腸道菌群對中國人群血清代謝物和宿主健康的影響，并為指導旨在設計人類健康預防和治療策略的后續(xù)研究提供了綜合資源。

參考文獻

Zhang J, et al. Diet Mediate the Impact of Host Habitat on Gut Microbiome and Influence Clinical Indexes by Modulating Gut Microbes and Serum Metabolites. Adv Sci. 2024.

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