多组学分析揭示精神分裂症的异常肠道-代谢-免疫网络

精神分裂症(SCZ)与多种免疫功能障碍相关，包括促炎细胞因子水平升高。微生物及其代谢产物对免疫系统具有调节作用，精神分裂症患者肠道菌群明显紊乱。为了系统地研究精神分裂症患者异常的肠道-代谢组-免疫网络，有研究者使用多组学策略对63例SCZ患者和57名健康对照的肠道菌群、血清代谢组和血清炎性细胞因子进行了整合分析。该研究提示了微生物来源的代谢物调节炎性细胞因子的机制，并为未来从微生物-免疫系统诊断和治疗精神障碍提供了见解。该研究发表在《Frontiers in Immunology》IF：8.786。

实验方法：非靶向LC-MS/MS分析、代谢组学数据分析、Shotgun宏基因组测序和全宏基因组关联研究、多种细胞因子测量。

技术路线：

主要研究结果：

1. SCZ的差异代谢型紊乱

为了更深入地了解SCZ患者血清代谢组特征的组成，我们使用非靶向的LC-MS检测空腹血清样本中的代谢组特征。在获得的原始数据中，两种离子模式产生了8488个特征，近19%的特征发生了显著改变(OPLS-DA VIP > 1.0, FDR < 0.05)。OPLS-DA评分图显示两组之间有显著的区分度(图1A)，提示患者在病理状态下存在明显的代谢紊乱，验证图证实了OPLS-DA模型的有效性(图1B)。

通过注释和检索，有133个宿主源性或细菌源性代谢物特征在SCZ中存在显著差异，其中大多数(89个[67%])在SCZ中显著缺失。为了进一步探索133个差异丰度(DA)代谢物的生物学模式，我们使用共表达网络分析将所有受试者的DA代谢物分为18个共丰度簇(图1C)，其中5个代谢物没有聚成任何簇。SCZ患者减少的5种代谢型(M10、11,13,14,15)与病程呈负相关(图1C)。这些代谢类型的代谢物主要包括脂肪酸、吡啶羧酸及其衍生物。

图1精神分裂症相关差异代谢型的鉴定

2. SCZ微生物群落组成的共丰度群变化

考虑到SCZ的各种血清代谢产物可能来自肠道细菌，我们调查了SCZ患者肠道微生物的改变。我们通过粪便基因组测序分析了肠道微生物群，超过5%的样本中有327个mOTUs。由于细菌在肠道生态系统中以被称为“由于细菌在肠道生态系统中以被称为“行会”的功能群工作，我们随后通过构建共丰度网络将50个motu聚类为12个cag(图2A)。每个CAG包含2-7个mOTUs。其中，SCZ患者的CAG1、CAG2和CAG12明显低于HCs (图2B)。

图2 两组间显著不同的重要共丰度群(CAGs)的鉴定

3. 多组学分析揭示了SCZ中肠道菌群、血清代谢物和炎症细胞因子之间的关系

肠道微生物和血清代谢物可能由于相互作用或双向调节而共变。为了确定这种关联，我们评估了所有受试者的代谢类型和cag之间的大规模关联。在FDR为5%的情况下，9种cag和Shannon指数与15种代谢型显著相关，有67种显著相关(图3A)。HC组富集的CAG1和CAG2与富HC的代谢类型(如脂肪酸、LysoPC/PC和碳水化合物缀合物)呈正相关，而与“富scz的代谢类型”(如脂肪酸和缀合物)呈负相关。在SCZ中富集的CAGs与代谢型的相关性与上述结果相反。其中，CAG5、CAG6与脂肪酸、磷脂等代谢产物也有显著相关性。通过线性回归，133种DA代谢产物中有36种与Shannon多样性显著相关(图3C)。氨基酸和吡啶羧酸的代谢产物，如天冬酰胺-缬氨酸和MNA，表现出最强的相关性。与香农指数相关的最丰富的代谢物是甘油磷脂。

同时，对病例和对照组之间的DA细菌门进行Mantel试验，以确定门相关的代谢类型。值得注意的是，三个门和总mOTUs均与m1、10和14显著相关，主要为脂肪酸、甘油磷脂和二羧酸(图4A)。

拟杆菌门和总mOTU与代谢物的相关性趋势更相似，表明拟杆菌门在代谢调节中可能比其他细菌发挥更重要的作用。此外，我们发现肠道细菌与血清代谢物的相关性明显高于与血清细胞因子的相关性。除了CAG11和CCL2显著正相关外(图3B)，我们没有发现任何CAG与这六种细胞因子直接相关。相反，血清代谢产物与炎症标志物水平显著相关。此外，富含scz的代谢类型与促炎细胞因子呈正相关，而富含HC的代谢类型与促炎细胞因子呈负相关(图3A)。

在31个与代谢物或细胞因子相关的mOTUs中，CAG11中有两个mOTUs与代谢物和细胞因子同时相关(图4B)。为了进一步评价代谢产物在调节微生物对细胞因子的影响中的作用，我们进行了定向中介分析，发现了三个中介链接。例如，共生梭菌(Clostridium symbiosum)可能通过降低血清胆酸水平而导致CCL2水平升高(图4C)，而Eggerthella lenta可能通过影响血清胆酸和天冬酰胺-缬氨酸水平而导致CCL2水平升高(图4D, E)。CAGs、SCZ相关代谢物和细胞因子之间的相互作用网络表明，非生物肠道细菌可能通过与宿主代谢物相互作用来改变炎症细胞因子。

图3 肠道菌群组成、宿主代谢特征和炎症因子之间的相互关系

图4 多组学相关分析

4. 基于肠道菌群代谢产物的SCZ诊断

以往的研究仅使用单一组学数据、肠道菌群或代谢物建立了SCZ的诊断模型。为了提高诊断效率，我们将50个DA mOTUs和133个血清代谢产物结合起来构建疾病分类器。在训练集内的随机森林交叉验证中，7种血清代谢产物的分类误差最小，训练集和测试集的ROC曲线下面积分别为99.17%和99.45% (图5A, B)。在分类器中包含的鉴别特征中，胆酸的影响最大，其次是代谢产物如4,8-二甲基壬基肉碱、3-羟基癸酸和前列腺素A2(图5C)。总体而言，血清代谢物诊断SCZ的潜力优于肠道细菌，尤其是肠道微生物来源的代谢物。

图5代谢产物将精神分裂症与健康对照区分开来

图6所示，与HC相比，SCZ患者的血清代谢物谱、肠道微生物群和异常血液细胞因子水平存在显著差异。我们发现，代谢类型与肠道微生物cag和炎症因子显著相关，肠道菌群可能通过调节宿主代谢过程来影响免疫应答。

图6精神分裂症与健康对照组肠道菌群组成、代谢及细胞因子分析综述

结论：

总体而言，通过多组学相关性分析，我们发现SCZ患者中多个代谢型与肠道微生物代谢密切相关，并与血清炎症因子显著相关。利用多组学分析系统了解机体协同调节机制的研究将深化对SCZ系统生物学的认识，促进个性化多模式SCZ干预的发展。此外，已经证实胆汁酸代谢紊乱可能导致认知改变，我们的研究也证明了胆酸在调节微生物和免疫之间关系中的重要性。未来需要进一步研究胆汁酸代谢在肠-脑轴中的作用，肠道微生物-胆汁酸代谢通路-免疫激活可能是精神分裂症的潜在治疗靶点。