Integrated multi-omics analysis reveals gut dysbiosis and altered energy metabolism in Chinese ALS patients 研究主题：肠道菌群失调与能量代谢改变

《Microbiology Spectrum》：Integrated multi-omics analysis reveals gut dysbiosis and altered energy metabolism in Chinese ALS patients

　　

肌萎缩侧索硬化症（ALS）是一种病因复杂的致命性神经退行性疾病。新出现的证据表明，通过肠-脑轴，肠道微生物群失调与肌萎缩侧索硬化症的病理机制有关，然而，特别是在中国患者中，肠道微生物组、病毒组和代谢组的整合特征仍未得到完整描述。研究人员对肌萎缩侧索硬化症患者进行了宏基因组测序和非靶向代谢组学分析，以描绘肠道生态系统。虽然整体多样性指数没有显示出显著差异，但分类学分析揭示了不同的组成变化。肌萎缩侧索硬化症相关微生物组的特点是，有益的抗炎菌属（具体为Akkermansia和Faecalibacterium）显著减少，而机会性病原体（如Escherichia和口腔相关类群）则有所扩张。研究人员还观察到肠道病毒组的特定改变，肌萎缩侧索硬化症患者中包括Puppervirus和Donellivirus在内的病毒属富集。在功能上，肌萎缩侧索硬化症相关微生物组中，涉及L-抗坏血酸（维生素C）降解和脂肪酸生物合成的通路显著上调，表明微生物对系统性氧化应激有贡献。代谢组学分析证实了这些发现，鉴定出271种差异表达代谢物。肌萎缩侧索硬化症患者的炎症性脂质（例如LysoPC）和三羧酸循环代谢中间产物水平升高，同时抗氧化剂表达下调。整合分析突出了卟啉代谢、氧化磷酸化和能量稳态的严重失调。研究结果表明，肌萎缩侧索硬化症与一种特定的失调肠道生态系统相关，其特征是保护性共生菌的丧失、独特的病毒特征以及加剧宿主氧化应激和能量缺陷的功能性代谢重编程。这些结果为了解肠-脑相互作用提供了新的见解，并指出微生物抗氧化剂耗竭是一个潜在的治疗靶点。

研究背景与目的

肌萎缩侧索硬化症是一种致命的、进展性神经退行性疾病，主要影响大脑皮层、脑干和脊髓中的运动神经元。其病因复杂，涉及遗传、环境因素、氧化应激、线粒体功能障碍、神经炎症和蛋白质错误折叠等多种机制，目前尚无有效疗法。肠-脑轴是连接肠道微生物、肠神经系统、免疫系统和中枢神经系统的双向通讯网络，肠道菌群失调已被证明与包括帕金森病、阿尔茨海默病在内的多种神经系统疾病的发展和进展密切相关。尽管已有研究将肠道菌群改变与肌萎缩侧索硬化症联系起来，但大多数研究依赖于分辨率有限的16S rRNA测序。鉴于肠道微生物组受地理和饮食模式影响很大，针对中国肌萎缩侧索硬化症患者的、结合高分辨率宏基因组学和代谢组学的整合多组学数据仍然稀缺。为了解析肠道微生物与宿主代谢途径之间复杂的相互作用，并揭示新的生物标志物和治疗靶点，研究人员开展了此项研究。本研究发表在《Microbiology Spectrum》期刊上。

主要技术方法概述

本研究采用病例对照设计，招募了11名中国肌萎缩侧索硬化症患者和11名年龄、性别匹配的健康对照。采集粪便样本后，使用宏基因组鸟枪法测序和液相色谱-质谱非靶向代谢组学技术进行分析。在数据分析方面，使用Kraken2进行物种水平分类，使用HUMAnN3进行宏基因组功能注释。通过LEfSe和MaAsLin2分析鉴定差异丰度类群和功能通路。使用多元统计分析（如PLS-DA）和KEGG富集分析处理代谢组学数据，以识别和注释差异代谢物及相关通路。

研究结果

1. 微生物群落多样性和丰富度

通过α多样性（如Chao1、Shannon、Simpson指数）和β多样性（PCoA分析）评估，结果显示肌萎缩侧索硬化症组与健康对照组之间在肠道微生物群落的整体丰富度、多样性及群落结构上均无显著差异（P> 0.05）。

2. 肌萎缩侧索硬化症微生物组的分类学变化

在门水平，Bacillota和Bacteroidetes是两组中最主要的菌门。然而，肌萎缩侧索硬化症组中Pseudomonadota相对丰度更高，而Verrucomicrobiota在健康对照组中更丰富。在属水平，肌萎缩侧索硬化症组中，Bacteroides和Phocaeicola更丰富，而具有抗炎作用和肠道屏障保护功能的有益菌属Faecalibacterium和Akkermansia则显著减少。LEfSe分析鉴定出Escherichia是肌萎缩侧索硬化症组的生物标志物。

在种水平，机会性病原体如Escherichia coli、Shigellaspp.以及口腔细菌如Streptococcus sanguinis、Schaalia odontolytica在肌萎缩侧索硬化症组显著富集。

3. 肠道病毒组的改变

研究发现肌萎缩侧索硬化症样本中，包括Puppervirus、Donellivirus在内的多个病毒属特异性富集，而健康对照组中则不存在或丰度较低，这表明了与肌萎缩侧索硬化症相关的病毒群落结构特异性改变。

4. 肌萎缩侧索硬化症微生物组的功能基因特征

基于功能通路的PCA和PERMANOVA分析显示两组间存在显著差异（P= 0.0325）。功能分析发现，肌萎缩侧索硬化症患者微生物组中L-抗坏血酸降解I通路（维生素C降解）的效应值最高，表明其降解维生素C的能力增强。此外，涉及TCA循环、脂肪酸生物合成/氧化以及L-甲硫氨酸生物合成的通路也显著上调，提示微生物组可能通过加剧氧化应激和破坏代谢稳态来促进病理过程。物种贡献分析表明，这些差异通路主要由Escherichia coli和Klebsiella pneumoniae驱动。

5. 肌萎缩侧索硬化症患者的粪便代谢组学变化

非靶向代谢组学分析从22份粪便样本中鉴定出6,408种代谢物。PLS-DA分析显示两组间代谢谱存在明显分离。共鉴定出271种差异表达代谢物（148种上调，123种下调）。肌萎缩侧索硬化症组中，与炎症和细胞膜损伤相关的代谢物如LysoPC(18:3)水平升高。同时，与能量代谢和内源性保护相关的代谢物，如D-半乳糖-6-硫酸盐、蓖麻油酸等则显著减少。KEGG富集分析显示，在肌萎缩侧索硬化症患者中，卟啉代谢、核苷酸代谢、赖氨酸降解以及氧化磷酸化、柠檬酸循环等能量相关通路均发生显著失调。

6. 肠道菌群失调、代谢改变与临床严重程度的相关性

相关性分析显示，一些细菌属（如Verminephrobacter）与ALSFRS-R评分呈负相关，而代谢物N-棕榈酰精氨酸则与ALSFRS-R评分呈最强正相关，表明其减少与患者更差的功能结局密切相关。此外，N-棕榈酰精氨酸与Bifidobacterium呈显著正相关，提示了特定肠道共生菌与有益脂质代谢物之间的潜在联系。

讨论与结论总结

本研究首次对中国肌萎缩侧索硬化症患者的肠道微生物组和代谢组进行了整合多组学分析。尽管整体多样性无显著差异，但研究人员在分类组成、功能基因潜力和代谢谱方面发现了深刻变化。研究发现，肌萎缩侧索硬化症患者的肠道生态系统呈现出抗炎共生菌（特别是Faecalibacterium和Akkermansia）的减少，机会性病原体（如Escherichia、Shigella）的扩张，以及口腔细菌（如Streptococcus sanguinis）的异位定植。功能宏基因组分析揭示了一个关键发现：肌萎缩侧索硬化症相关微生物组，主要由E. coli驱动，显著上调了L-抗坏血酸降解通路，这表明失调的肠道微生物组可能通过消耗维生素C这一关键抗氧化剂，加剧肌萎缩侧索硬化症病理核心的氧化应激。代谢组学结果与宏基因组学发现相互印证，揭示了能量和脂质代谢的广泛紊乱，包括促炎脂质LysoPC升高以及多种神经保护性和抗氧化代谢物减少，并突出了卟啉代谢、氧化磷酸化等通路的失调。

研究结论翻译

综上所述，本研究描绘了中国肌萎缩侧索硬化症患者肠道微生物组和代谢组的特征，揭示了一种以Akkermansia减少、Escherichia富集和口腔类群入侵为标志的独特失调状态。重要的是，研究人员通过微生物对抗氧化剂（维生素C）的降解以及脂质和能量代谢的失调，确定了微生物组与疾病病理之间的功能联系。这些发现强调了肠-脑轴作为一个潜在的治疗靶点，表明旨在恢复Akkermansia水平或抑制微生物维生素C降解的干预措施，可能为肌萎缩侧索硬化症的管理提供新途径。