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【合作文章发表】2型糖尿病患者肠道菌群特征及其潜在应用

2021-08-24

       作为中国首家专注于人体微生态移植,承葛生物秉持“整合微生态、复兴大健康”的使命,在微生态领域做了深入的研究,如今业务领域横跨了微生态诊断、微生态治疗、微生态药物和微生态医疗大数据挖掘。

       承葛生物目前与国内各大高校、科研院所均进行深度合作,针对糖尿病领域,承葛生物做了不少应用探索(【病例分享】菌群移植在1型糖尿病中的应用龙湖医院11岁糖尿病男童菌群移植后,成功脱离胰岛素依赖),其中肠道微生态与糖尿病的关系也一直是承葛生物众多深耕方向之一。

       目前与厦门大学附属中山医院、南昌大学、福建中医药大学、厦门大学医学院、汕头大学医学院第一附属医院等众多单位,合著文章“Gut Bacterial Characteristics of Patients with Type 2 Diabetes Mellitus and the Application Potential”,顺利在期刊《Frontiers in Immunology 》 发表,现在就让小编带大家一起来学习学习吧~

文献简介

2型糖尿病患者肠道菌群特征及其潜在应用

Gut Bacterial Characteristics ofPatients with Type 2 Diabetes Mellitus and the Application Potential

期刊名称:Frontiers in Immunology  时间:2021 年8 月12日  IF:7.561

1、摘要

       2 型糖尿病 (T2DM) 是一种受遗传和环境风险综合影响的复杂疾病,越来越多的研究表明微生物失调在T2DM 发病机制中的作用。然而,比较 T2DM 和健康对照之间微生物组特征的研究报告了不一致的结果。为了进一步识别和描述T2DM患者肠道菌群的特征,我们对其相关研究进行了系统回顾和荟萃分析,并探讨7项研究之间的异质性(600 名 T2DM,543 名对照, 共 1143 个样本)。在随机效应模型和固定效应模型中,我们观察到 T2DM 个体和对照组之间的 beta 多样性存在显著差异,但 alpha 多样性没有显著差异。同时,我们识别了不同的有显著优势比的物种分类单元(OTU) 和菌属。基于逐步特征选择进行多项研究的模型训练, T2DM 的检测准确性和疾病特异性显著提高。此外还讨论了T2DM富集或缺失的属与益生菌之间的关系,并为糖尿病的预防和改善提供了新的思路

2、研究背景

       根据2019年第九届国际糖尿病联合会糖尿病图谱,全球约有4.63亿糖尿病患者。预计到2045年,糖尿病患者的数量将从2030年的5.784亿增加到7.002亿人,这意味着世界各地的公共卫生威胁日益增加。在流行病学上,以葡萄糖耐量异常为特征的2型糖尿病(T2DM)约占全球所有糖尿病患者的90%,它是一种复杂的多因素代谢紊乱,涉及遗传(例如,Tcf7l2, Kcnq1等基因的突变)和环境生活方式因素(如摄取高能量精制食物、久坐行为)等。同时,免疫细胞之间的失衡导致产生过多的趋化因子和促炎细胞因子,促进全身炎症,导致外周胰岛素抵抗。随后,这种免疫功能障碍导致糖尿病患者更容易患多种感染性疾病(糖尿病足、糖尿病肾病等)。因此,我们系统地回顾、收集和分析了7项研究T2DM患者与对照组肠道微生物组的16SrRNA基因原始测序数据,并对肠道菌群alpha-多样性、beta-多样性、群落组成、分类模型分析以及相关益生菌关联分析。我们的目标是更全面地了解不同国家T2DM患者和对照者的肠道微生物差异, 开发一种辅助性的T2DM风险评估方法,并从肠道微生态学的角度揭示益生菌治疗T2DM的潜力。

3、研究方法

       根据系统评论和荟萃分析(PRISMA)指南,到2020年10月,对PubMed、EMBASE和Web ofScience进行了系统检索。此外,对已确定的原始文章和综述的参考文献列表进行手动审查,以查找可能在搜索过程中遗漏的潜在研究。在概述了标题和摘要之后,保留了22份出版物以供进一步审查全文。由于序列、条形码或元数据信息不完整而排除其他15项研究,最后7篇研究用于Meta分析(Table1)。

Table1 基于粪便样本的分析中包含的数据集的特征

4、研究结果

       4.1 纳入的7篇研究的微生物学特征

       经过质量筛选后,7项研究共得到了1143个样本(543名健康对照组和600名T2DM患者)用于下游分析。当将7个独立研究的所有样本合并在一起时,T2DM患者的总体肠道微生物群落结构与健康人有显著差异(PERMANOVA, F=16.706,P<0.001)。然而,PCoA的样本主要是由个体研究明显聚集的(Figure 1),这可能是由于不同的人群(种族),以及研究方法的不同,如DNA提取方法,16S rRNA测序区域,以及个体研究采用的测序平台。因此,不同研究中肠道菌群的显著差异促使我们进行了进一步的荟萃分析。


Figure 1. OTU水平下所有样本的PCoA聚类分析结果

       4.2 2型糖尿病和对照组的微生物组差异

       在计算比值比(ORs)时,无论是在低异质性的随机效应(RE)模型还是固定效应(FE)模型中,T2DM患者的α多样性指标的OR值均未显著高于1.0(Figure 2A),表明T2DM患者与对照组之间的微生物α多样性无显著差异。通过计算每项研究中基于Bray-Curtis指标的ORs,我们发现,在RE模型和FE模型中,T2DM与对照组之间的细菌群落差异显著,异质性很高(Figure 2B)。为了进一步识别健康对照组和2型糖尿病患者之间的显著差异,我们计算了每个研究中所有共有菌属的ORs和相对丰度,共有24个属被鉴定为与T2DM显著相关(Figure 2C)。BarnesiellaButyrivibrioCoprobacterTyzzerella_3Paraprevotella等6个属的OR值显著高于1.0。18个属的OR值显著低于1.0,其中3个属被认为对人类有害,包括Desulfovibrio, EnterobacterNeisseria。此外,还有一些属对人体有益,如LactobacillusPrevotella_6Eubacteria。这些结果表明,糖尿病患者的肠道微生物群落有显著的变化。

       4.3. 2型糖尿病分类模型

       为了确定独有的OTUs或属是否可以作为生物标志物对糖尿病患者进行分类,我们采用两步方法构建了两个独立的随机森林分类器。7项研究中,共有OTUs和属的预测AUC值随维度的减小而不同程度地增大(Figure3A)。值得注意的是,每项研究的AUC值都有所提高,OTUs和属的AUC分别达到16%(PRJNA607849)和27% (PRJNA325931)的峰值。随后,我们评估了在一项研究中训练的分类器在其他六项研究中的验证效果。通过AUC量化的交叉验证表现表明,相比单一研究的测试集(OTUs,median(AUC)= 0.94 (0.77,1.0);属,median(AUC)= 0.95 (0.73,1.0)),其他研究对单一研究预测器的预测性能较差(OTUs, median(AUC)= 0.58 (0.45,0.78);属,median(AUC)= 0.59 (0.44,0.77)) (Figure 3B)。


Figure3. (A)基于共有OTUs进行特征选择前后模型的性能情况。(B) T2DM分类模型在每个研究中的交叉验证(对角线上的框)和研究-研究之间验证(对角线外的外部验证)的AUC值。

       4.4 T2DM相关菌属与益生菌关联分析

       研究表明,不同种类的细菌可以减少氧化应激,显示出抗糖尿病作用。为了进一步探讨益生菌对T2DM患者代谢控制的影响,我们研究了特征菌属与益生菌之间的相互作用。基于149个差异富集属和基于特征选择的OTUs重要性排序前30个属,选择24个重叠属进行下游分析。例如Clostridium_sensu_stricto_1BlautiaDorea等在糖尿病患者中缺失的属与Bifidobacterium breveBifidobacteriumadolescnts呈正相关,与Lactobacillus acidophils呈负相关。T2DM患者中富集的LactobacillusLactobacillusdelbruecki、 B. breve、 Lactobacillussalivarius呈正相关。通过观察与益生菌的相关性,提示补充特定益生菌可能会有效调节肠道菌群,改善T2DM,平衡肠道微生态,可为T2DM患者提供新的预防和治疗策略。


Figure 4. 对差异富集的24个属(q <0.05)与益生菌的相关性进行分析。选取相关性(p<0.05,abs(r)>0.1)显著的24个属中的22个进行可视化。T2DM富集属用红色圆圈表示,对照组富集属用青色圆圈表示。每个圆的大小表示连接性。绿线表示正相关,红线表示负相关。

5、研究结论


       1. 分析表明2型糖尿病患者的肠道菌群β多样性与对照组存在显著差异,而肠道菌群α多样性无显著差异;

       2. 分析共鉴定出24个与2型糖尿病显著相关的菌属,同时2型糖尿病患者的厚壁菌门及放线菌门富集而拟杆菌门的丰度降低;

       3. 基于特征选择对OTUs及属的建模结果,发现综合多项研究的数据区分2型糖尿病及对照的效果优于1项研究的,同时识别出具有潜力的前3个优势菌属:Clostridium_sensu_stricto_1LactobacillusDorea;

       4. 基于其他疾病数据集的验证结果与T2DM相比显著降低。

       5. 基于T2DM中富集或缺失菌属与益生菌的关联分析,发现补充特定益生菌可有效调节肠道菌群,改善T2DM,提示平衡肠道微生态可为T2DM患者提供新的防治方法。

       DOI:10.3389/fimmu.2021.722206