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(fù)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(guān)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(biāo)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(guān)系認(rèn)識還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

2024年3月中國疾病預(yù)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(xí)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(jìn)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(guān)的變量，并闡明了中國人群中與地理、食物和年齡相關(guān)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(guān)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(jìn)而影響人體代謝和臨床參數(shù)提供了基礎(chǔ)。

技術(shù)路線圖

中國人群腸道微生物組相關(guān)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(guān)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(guān)。

圖1. 腸道微生物群組成和相關(guān)宿主因素概述

地理位置影響腸道微生物群的組成

相關(guān)性分析表明，地理距離與腸道微生物組的相似性呈負(fù)相關(guān)。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(guān)性分析表明，食物攝入與地理位置密切相關(guān)。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(guān)。例如，小麥攝入量與雙歧桿菌屬、Blautia屬和Eggerthella屬呈顯著相關(guān)性。由于食物的地理偏好，這些與食物相關(guān)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(dǎo)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(jìn)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(guān)性分析表明，代謝物與特定食物以及腸道細(xì)菌有顯著關(guān)聯(lián)。對緯度、食物攝入和腸道微生物進(jìn)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(biāo)聯(lián)系起來

相關(guān)性分析表明，26 種食物、79 種腸道細(xì)菌、20 種血清代謝物和 38 個臨床指標(biāo)彼此顯著相關(guān)。例如，水果攝入量與Blautia的豐度呈正相關(guān)，而Blautia的豐度與血清蘇糖酸鹽threonate呈正相關(guān)，血清蘇糖酸鹽是一種與舒張壓呈負(fù)相關(guān)的代謝物。血清代謝物在腸道菌群和臨床指標(biāo)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(guān)聯(lián)

衰老與腸道微生物和血清代謝物有關(guān)

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(fù)相關(guān)，而Escherichia/Shigella和Clostridium sensu stricto與年齡呈正相關(guān)。在人類衰老過程中，與年齡相關(guān)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(guān)的臨床指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)。在與年齡相關(guān)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(guān)。

圖6. 衰老相關(guān)臨床指標(biāo)與年齡相關(guān)腸道微生物群、血清代謝物之間的關(guān)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(guān)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(yàn)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(dǎo)旨在設(shè)計人類健康預(yù)防和治療策略的后續(xù)研究提供了綜合資源。

參考文獻(xiàn)

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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