肠道菌群紊乱遍及早期帕金森病、REM睡眠行为障碍及其一级亲属

栏目:最新研究动态 发布时间:2023-10-09
研究发现RBD和RBD-FDR中已经出现了产丁酸盐细菌的耗竭和促炎柯林斯氏菌的富集......

       微生物-肠-脑轴被认为在帕金森病(Parkinson ' s disease,PD)中发挥重要作用。在本研究中,作者对早期PD、REM睡眠行为障碍(RBD)、RBD一级亲属(RBD-FDR)和健康对照人群进行了肠道菌群的横断面研究,以反映PD的肠-脑分期模式。结果发现,与对照组和RBD-FDR相比,早期PD和RBD的肠道菌群组成发生了显著变化。在控制了抗抑郁药、渗透性泻药和排便频率等潜在的混杂因素后,RBD和RBD-FDR中已经出现了产CH3(CH2)2COOH盐细菌的耗竭和促炎柯林斯氏菌的富集。随机森林模型确定了12个有效区分RBD和对照的微生物标记。这些发现表明,PD样肠道菌群失调发生在RBD发生时的PD前驱期,并在较年轻的RBD-FDR受试者中开始出现。该研究将具有病因学和诊断意义。本研究于2023年5月发表于期刊《Nature Communications》上,IF:16.6。
技术路线


主要研究内容
1、社会人口学和临床特征
       本研究包括来自香港地区v-PSG诊断的RBD及RBD家系队列的452例受试者的粪便样本。在剔除11个低read count的样本后,共有441个样本留作进一步分析(图1)。所有早期PD患者均为临床确诊的PD,运动症状起病时间小于5年。控制(n = 108,年龄67.3 ± 7.0岁,男性占63.9%)与RBD(n = 170,年龄68.6 ± 7.6岁,男性占73.5%)及早期PD组(n = 36,67.8 ± 5.6岁,男性占86.1%)进行年龄、性别匹配。与RBD-FDR(n=127,q值< 0.05)组相比,三组患者年龄均较大,男性均较多。RBDQ-HK问卷所捕获的RBD特征的严重程度从对照、RBD-FDR到RBD和PD早期(RBDQ-HK总分,6.3 ± 7.0 vs 9.2 ± 8.4 vs 39.2 ± 17.7 vs 32.8 ± 16.1,P值< 0.001)均显著增加。127例RBD-FDR中,11例(8.7%)经结构化临床访谈确诊为疑似RBD。前驱期PD的总似然比(LR)是用于识别有前驱期PD风险的受试者的研究标准。
       胃肠道症状采用成人罗马Ⅳ诊断问卷和帕金森病自主神经量表进行评估。从对照、RBD-FDR、RBD到早期PD患者(8.3 vs 9.4 vs 45.3 vs 69.4%,P值< 0.001),功能性便秘的患病率呈增加趋势。排便费力是功能性便秘的核心特征,即使在调整了年龄和性别(8.8 vs 15.8 vs 45.4 vs 68.6%,P值< 0.001)后,四组人群的排便费力程度仍呈进行性增加。此外,作者使用排便频率评分[ BMF,取值范围为1(大便次数> 1次/天)~ 6(≤1 /周)]和大便性状一致性(Bristol粪便性状量表(Bristol Stool Form Scale,BSFS)反向计分,分数越高表示粪便越硬)作为结肠传输时间的代理指标,这两个指标在四组(P值均< 0.001)中均表现出增加的趋势。其他胃肠功能紊乱,如肠易激综合征和功能性腹泻,各组间无差异。
       在临床特征方面,与对照组和RBD-FDR(所有q值均< 0.05)28相比,RBD患者报告了更多的终生重性抑郁障碍和焦虑障碍。其他潜在的混杂人类疾病,如糖尿病和血脂异常,在四组人群中分布相似。用药情况指在大便收集期间服用的任何药物。结果发现,超过一半的RBD和早期PD患者服用苯二氮卓类药物,而分别有30.6%和13.9%的早期PD患者和5.3%和25.3%的RBD患者服用渗透性泻药和抗抑郁药。在PD特异性药物中,47.2%的早期PD患者接受了卡比多巴/左旋多巴,其次为单胺氧化酶B抑制剂(41.7%)、多巴胺激动剂(8.3%)、盐酸苯海索(5.6%)、儿茶酚- O-甲基转移酶抑制剂(2.8%)。


图1 课题选择和招募流程图


2、肠道菌群组成随α-突触核蛋白病的进展而改变
       从441份粪便样品中共鉴定出84个科,249个属。作者观察到属水平的alpha多样性(Chao 1、Gini Simpson和Shannon指数)在组间具有可比性。使用变调的多变量方差分析(PERMANOVA,99,999个置换),调整年龄和性别,评估每对组间微生物组成(即β多样性)的个体间差异。与对照组(R2 = 0.035,q值< 0.001)相比,早期PD组呈现明显的菌群聚集模式。同样,RBD的菌群组成与早期PD(R2 = 0.008,q值= 0.066)相似,但与对照组和RBD-FDR(所有q值< 0.001)差异显著。微生物组成分析发现,对照组和RBD-FDR之间没有显著差异(图2b)。尽管如此,早期PD、RBD和对照组的肠道菌群组成仍将得到组间主成分比较和主坐标(PCo A)分析的不同聚类模式的支持,分别如图2所示。


图2 在α-突触核蛋白病的前驱和早期阶段改变了微生物组成


3、肠道微生物在α-突触核蛋白病的前驱期和早期阶段逐渐发生改变
       在过滤掉低丰度(< 10%)和丰度(< 0.05%)的类群后,共剩余36科88属用于差异丰度分析。属的Read count表通过中心对数比(CLR)变换被重新框定为组成型数据。作者发现35.2%的属(n = 31)与α-突触核蛋白病(Kendall ' s tau-b相关性,q值< 0.05)的4个阶段显著相关。在这些菌属中,Butyricicoccus和Faecalibacterium与疾病进展(Kendall ' s τb =-0.204和- 0.198,q值< 0.001,图3c)的相关性最强,而Faecalibacterium也是第一主成分变异的主要贡献者,如图3d所示。
       采用克鲁斯卡尔- Wallis检验对差异类群进行分析,发现4个类群(q值< 0.05)之间存在显著差异的有16科26属。应用微生物组多变量线性模型(MaAsLin 2)进一步评估对照、RBD-FDR、RBD和早期PD之间的关联。模型包括四个阶段,(参照=对照)为固定效应,家庭id为随机效应。与对照(未经校正的MaAsLin 2,所有q值< 0.05,图3a)相比,42个差异类群中有19个(45.2%),包括产CH3(CH2)2COOH菌(如罗斯氏菌、毛螺菌科_ND3007_group、毛螺菌属、[真细菌]_Ventriosum_group、Butyricicoccus、Faecalibacterium和家族毛螺菌科等)、产H2S菌脱硫弧菌属、粘蛋白降解菌Akkermansia、柯林斯菌属、Oscillospiraceae_UCG-002和- 005,在RBD和早期PD中显著改变。当进一步将年龄和性别作为固定效应纳入Ma As Lin 2模型(调整后的MaAsLin 2)时,这些关联仍然在q值< 0.1时显著。
       有趣的是,在调整的(β = 0.58,q值= 0.035)和未调整的(β = 0.49,q值= 0.038)模型中,促炎柯林斯氏菌的富集已经出现在α-突触核蛋白病的早期前驱阶段RBD-FDR中(图3a、e)。此外,与对照组(β =-0.54,q值= 0.069)相比,作者观察到RBD-FDR中产CH3(CH2)2COOH盐的[真细菌]_Ventriosum_group边缘减少。进一步分析发现,与不具有可能RBD特征(CLR丰度,-0.36 ± 1.8 vs 0.35 ± 1.7,q值= 0.028,补充图3)的RBD-FDR相比,具有可能RBD特征(n = 11)的RBD-FDR在[真细菌]_ventriosum_group中出现了更明显的下降。


图3 α-突触核蛋白病前驱和早期肠道微生物的差异


4、肠道微生物群作为RBD的潜在诊断生物标志物
       基于RBD患者体内的微生物变化,作者进一步研究了利用微生物标志物预测RBD状态。在训练集(占整个数据库的80%)中用随机森林算法搭建机器学习模型,在剩余数据(即测试集)中测试训练好的模型的性能。特征矩阵由88个筛选属的CLR丰度组成,特征选择基于10折交叉验证的25次重复的递归特征消除(RFE)算法。在训练集中,微生物标记物可以区分RBD和对照,其受试者工作特征曲线下的平均面积(AUC)为0.79([ 95% CI ] = [ 0.78,0.80 ],见图4b)。对于独立测试集,预测模型的平均准确率为0.68([ 95% CI ] = [ 0.66,0.70 ]),AUC为0.75([ 95% CI ] = [ 0.73,0.78 ],见图4c)。特征选择显示,88个属中有12个至少出现在训练好的模型最终特征集中的60%(15/25)。
       基于肠道菌群的分类器在区分RBD和RBD-FDR方面也表现出良好的性能,在测试集中的平均准确率为0.67([ 95% CI ] = [ 0.66,0.69 ]),AUC为0.72([ 95% CI ] = [ 0.69,0.74 ],图4d)。


图4 随机森林模型预测RBD状态


5、宿主因素对α-突触核蛋白病前驱和早期的微生物群有影响
       进一步,作者检测了宿主因素对α-突触核蛋白病不同阶段微生物变化的影响。评估社会人口学(年龄和性别)、BMF评分和对微生物群具有混杂效应的药物(包括抗抑郁药和苯二氮卓类药物)。精神疾病与抗抑郁药物使用(卡方检验,P值= 5.3 × 10-22)高度相关,不作为协变量纳入。建立包括每对分组和所有协变量的多元统计模型(PERMANOVA,99,999个置换),而PD特异性药物(卡比多巴/左旋多巴、MAO-B抑制剂和多巴胺激动剂)仅在涉及早期PD组的比较中进行评估。在目前的模型中,作者仍然观察到与对照(所有q值均< 0.001)相比,RBD和早期PD中的微生物组成发生了显著的变化。除分组因素外,BMF评分、性别、渗透性泻剂和质子泵抑制剂(PPIs)使用等协变量与微生物组成的相关性较强,而年龄、他汀类药物、抗抑郁药、苯二氮卓类药物和PD特异性药物对组成变化的影响较小(图5b)。
       应用Ma As Lin 2检验分类单元丰度与协变量的相关性。模型包括四个阶段(参照=对照)和所有协变量作为固定效应,家庭id作为随机效应。此外,对早期PD组的分类群丰度进行单独建模,以评估单个分类群对PD特异性药物的反应。将Ma As Lin 2检验得到的显著关联(q值< 0.25)绘制在图5a中。作者发现产CH3(CH2)2COOH菌(如毛螺菌属、[真细菌]_Ventriosum_group、Butyricicoccus等)的耗竭在RBD和早期PD中仍然显著。同样,与对照相比,RBDFDR中柯林斯菌属增加,[真细菌]_Ventriosum_group显著减少。在协变量方面,BMF得分与分类单元丰度之间的关联是广泛的,类似于疾病进展。特别是BMF(较慢的结肠转运)得分较高与Butyricicoccus(β=-0.34,q值= 0.009)和Oscillospiraceae_UCG-005(β = 0.32,q值= 0.003)丰度较低和较高分别与强相关(图5a-c)。特别地,作者观察到在作者的数据中抗抑郁药的使用和RBD /早期PD富集的属(例如Akkermansia和UBA1819)有很强的共现性(图5c)。


图5 α-突触核蛋白病前驱和早期宿主-微生物组相互作用


6、便秘(排便频率)介导菌群对α-突触核蛋白病的影响
       既往研究提示肠道菌群失调与便秘之间存在双向因果关系30。考虑到即使在调整了排便频率后,RBD和RBD-FDR中不同的微生物变化仍然存在,作者进一步假设便秘可能并不完全是一个混杂因素,而是连接肠道微生物群和α-突触核蛋白病的潜在因果通路中的一个中介因素。因此,作者在控制、RBD-FDR和RBD患者(n = 405)中进行了中介分析。以前驱期PD(排除RBD、便秘等条目)的总似然比为结局,第一主成分(由PCo A分析得)的值和BMF score分别为暴露和中介建立模型。作者发现大约30%的肠道菌群对前驱期PD的总效应通过中介物(即BMF评分),表明了从肠道菌群失调、便秘到α-突触核蛋白病的潜在因果关系方向(图6)。


图6 排便频率的中介作用


7、前驱期和早期α-突触核蛋白病的微生物代谢变化
       最后,作者使用PICRUSt2(通过重建未观测状态对群落进行系统发育研究)分析来识别在α-突触核蛋白病前驱期和早期阶段存在差异的MetaCyc通路。克鲁斯卡尔- Wallis检验显示四组(q值< 0.05)之间有18条代谢通路存在显著差异。与之前在PD患者中的研究结果一致,作者观察到在前驱期和早期α-突触核蛋白病(即RBD或早期PD)(MaAsLin2,q值< 0.05)中,短链脂肪酸代谢(发酵产乳酸、乙醇和乙酸)和碳水化合物生物合成途径富集,而辅因子和维生素生物合成(B1、B2、B12)减少。
       进一步的多变量关联分析显示,前驱期和早期α-突触核蛋白病中碳水化合物生物合成的富集似乎受到BMF评分、年龄和他汀类药物使用的显著影响。类似地,B族维生素合成途径的耗竭与性别、苯二氮卓类药物和渗透性泻剂使用密切相关。然而,在RBD-FDR、RBD和早期PD中,改变的微生物脂肪酸代谢(SCFA转化为乳酸和乙醇)和pre Q0生物合成(7-去氮嘌呤生物合成),即使在调整了所有潜在的协变量后,仍然相对于对照显著。此外,与RBD-FDR组相比,对照组中维生素B12生物合成的补救途径和从头合成途径显著富集。


图7 前驱期和早期α-突触核蛋白病的微生物代谢变化


实验方法
16S V3-V4 rRNA数据处理,差异丰度分析,Random forest classification,宿主-微生物相互作用分析,Mediation analysis,16S标记序列的功能预测
参考文献
Huang B, Chau SWH, Liu Y, Chan JWY, Wang J, Ma SL, Zhang J, Chan PKS, Yeoh YK, Chen Z, Zhou L, Wong SH, Mok VCT, To KF, Lai HM, Ng S, Trenkwalder C, Chan FKL, Wing YK (2023) Gut microbiome dysbiosis across early Parkinson's disease, REM sleep behavior disorder and their first-degree relatives. Nat Commun.;14(1):2501. doi: 10.1038/s41467-023-38248-4.


请您留言

感谢您的关注,当前客服人员不在线,请填写一下您的信息,我们会尽快和您联系。

提交