肠道微生物组与颈动脉粥样硬化的多组学分析：针对男性HIV感染者与非感染者的研究

《eBioMedicine》：Multi-omics analysis of the gut microbiome and carotid artery atherosclerosis in men with and without HIV

　　

摘要 背景：肠道微生物组如何通过影响宿主炎症和代谢谱促进动脉粥样硬化，尤其是在HIV感染的背景下，尚未完全阐明。 方法：研究人员在359名来自MACS/WIHS联合队列研究（MWCCS）的男性中，探究了肠道微生物特征（通过鸟枪法宏基因组学测量）与亚临床颈动脉粥样硬化（通过高分辨率B型超声评估）之间的关联。他们使用液相色谱-串联质谱法（LC-MS/MS）测量了822种血浆代谢物，并使用Olink Explore 3072/384平台测量了多达2866种循环蛋白质（主要关注617种与炎症和免疫功能相关的蛋白质）。 结果：在359名男性中，115名（32%）检测到颈动脉斑块。Adlercreutzia equolifaciens和 Eubacteriumsp3131与较低的斑块发生几率相关（比值比OR [95%置信区间CI] 分别为 0.57 [0.43, 0.77]， 0.84 [0.76, 0.93]），而 Coprococcussp13142与较高的斑块发生几率相关（OR [95% CI] = 1.14 [1.06, 1.23]）。结果在HIV感染与非感染男性中一致。A. equolifaciens 与高密度脂蛋白（HDL）胆固醇呈正相关，与收缩压（SBP）呈负相关。这些与斑块相关的微生物物种还与一系列循环代谢物和炎症蛋白相关。例如，A. equolifaciens与代谢物棕榈酰乙醇酰胺（palmitoyl-EA）和中胆色素原（mesobilirubinogen）呈正相关，与促炎趋化因子CXCL9、免疫调节因子CD160以及白介素-24（IL-24）呈负相关。 结论：研究人员识别了与颈动脉粥样硬化相关的肠道微生物特征，这些关联在HIV感染状态下保持一致；这些关联部分可由特定的微生物相关代谢物和炎症标志物解释。如果得到验证，这些发现为心血管疾病（CVD）预防提供了与肠道微生物组相关的潜在靶点。

研究背景、问题与目的

心血管疾病（CVD）已成为HIV感染者（PLWH）发病和死亡的主要原因之一。HIV感染者CVD风险升高归因于慢性免疫激活、持续炎症和传统心脏代谢风险因素的组合。研究表明，HIV感染与颈动脉斑块（亚临床动脉粥样硬化的既定标志物）的发展相关。越来越多的证据表明，肠道微生物组可能在宿主血管生理和动脉粥样硬化的发病机制中起关键作用。HIV感染者表现出独特的肠道微生物组成改变，凸显了理解肠道微生物如何影响HIV感染者动脉粥样硬化和CVD的重要性。肠道微生物失调与循环代谢物和宿主炎症反应的变化有关，这两者都可能促进动脉粥样硬化，但其潜在机制尚不完全清楚。既往在女性中的研究发现特定肠道细菌类群与颈动脉粥样硬化相关，但男性中的研究，尤其是在HIV感染背景下的多组学研究仍然匮乏。鉴于动脉粥样硬化患病率的性别差异，有必要在男性中开展研究。本研究旨在通过整合多组学数据，探究男性HIV感染者与非感染者肠道微生物特征与亚临床颈动脉粥样硬化的关系，并揭示通过宿主炎症和代谢的潜在机制联系。本研究发表在《eBioMedicine》杂志。

关键技术方法概述

本研究纳入了来自MACS/WIHS联合队列研究（MWCCS）的359名男性（217名HIV感染者，142名非感染者），他们均接受了颈动脉B型超声斑块评估，并提供了粪便样本用于肠道微生物组分析。研究采用了以下关键技术：

1. 1.
   微生物组分析：通过基于Illumina NovaSeq 6000平台的鸟枪法宏基因组测序对粪便样本进行测序，使用标准流程进行数据处理和物种水平分类学分析。
2. 2.
   代谢组学分析：使用液相色谱-串联质谱法（LC-MS/MS）测量血浆样本中的822种循环代谢物。
3. 3.
   蛋白质组学分析：使用Olink Explore 3072/384平台测量血浆样本中的2866种循环蛋白质，其中重点分析了617种炎症相关蛋白。
4. 4.
   动脉粥样硬化评估：通过高分辨率B型颈动脉超声评估颈动脉斑块，定义为右颈动脉八个节段中任一节段局部内膜-中膜厚度 >1.5 mm的区域。
5. 5.
   统计分析：采用逻辑回归、偏最小二乘判别分析、多组学因子分析等多种统计方法，探究微生物、代谢物、蛋白质与颈动脉斑块之间的关联，并进行HIV感染状态分层和敏感性分析。

研究结果

1. 肠道微生物组与颈动脉斑块

研究发现，整体微生物α多样性和β多样性与颈动脉斑块状态无显著关联。然而，在个体分类学分析中，Eubacteriumsp3131和 A. equolifaciens的丰度与较低的斑块发生几率相关，而 Coprococcussp13142的丰度与较高的斑块发生几率相关。这些关联在敏感性分析中保持一致。分层分析显示，这些关联在HIV感染者与非感染者中均一致，且未观察到HIV感染状态的显著效应修饰。此外，A. equolifaciens与高密度脂蛋白胆固醇呈正相关，与收缩压呈负相关。

2. 代谢组学和蛋白质组学谱与颈动脉斑块

对全部822种代谢物的偏最小二乘判别分析显示，有斑块和无斑块参与者的整体代谢组学谱存在潜在区分。对全部2866种蛋白质标记物的偏最小二乘判别分析显示，两组之间存在更清晰的分离。

3. 肠道微生物组相关的循环代谢物和蛋白质组学标志物

研究人员进一步探究了与斑块相关的细菌物种与个体循环代谢物及蛋白质组学标志物之间的关联。斑块相关的微生物物种与多种循环代谢物相关，这些代谢物涵盖多个主要代谢物类别，包括鞘脂、甘油磷脂、脂肪酰基、四吡咯及其衍生物、嘌呤核苷等。有益物种A. equolifaciens和 Eubacteriumsp3131与中胆色素原、鞘脂和磷脂酰胆碱模块呈正相关。A. equolifaciens还与棕榈酰乙醇酰胺和腺苷呈正相关。而不利物种Coprococcussp13142与中胆色素原呈负相关。在逻辑回归模型中，中胆色素原与颈动脉斑块呈显著负相关，显示出保护性关联。

在针对617种炎症相关蛋白的分析中，Coprococcussp13142与炎症标志物AOC1呈正相关。两种保护性物种A. equolifaciens和 Eubacteriumsp3131与血浆炎症标志物CXCL9、CD6、CD160和LY9呈负相关。A. equolifaciens还与IL-24、IGLC2和MZB1呈负相关。CXCL9与颈动脉斑块呈显著正相关。

4. 肠道微生物组、微生物相关组学谱与颈动脉斑块的整合分析

为了探究已识别的微生物相关代谢物和蛋白质组学炎症标志物是否可能解释肠道微生物物种与颈动脉斑块之间的关联，研究人员在逻辑回归模型中分别和联合调整了这些组学特征。研究发现，在调整了相应的微生物相关代谢物后，这三个已识别微生物物种与颈动脉斑块之间的关联减弱。当同时调整代谢物和蛋白质组学标志物时，关联进一步减弱，对于A. equolifaciens和 Eubacteriumsp3131，与斑块的关联不再具有统计学显著性。这些结果表明，微生物相关的代谢物和蛋白质组学炎症标志物（尤其是代谢物）可能部分解释了观察到的肠道微生物组与颈动脉斑块之间的关联。多组学因子分析结果显示，蛋白质组学、肠道微生物组和循环代谢组学这三个组学层均对潜在因子贡献了有意义的方差，其中蛋白质组学贡献最大。

讨论与结论总结

本研究通过整合多组学数据，将先前在女性中的研究扩展至男性。研究识别了与颈动脉斑块显著相关的几种肠道微生物物种及其相关代谢物和炎症标志物，揭示了微生物组、微生物相关组学特征和宿主生物学之间在亚临床心血管疾病中的复杂相互作用，并为HIV背景下微生物组相关机制促进动脉粥样硬化提供了新证据。

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  A. equolifaciens 是一种具有抗炎特性的革兰氏阳性厌氧菌。研究发现其与颈动脉斑块风险降低相关，并与有益代谢物（如中胆色素原、腺苷、棕榈酰乙醇酰胺）呈正相关，与多种促炎标志物（如CXCL9、IGLC2、LY9）呈负相关。此外，它还与传统心血管风险标志物高密度脂蛋白胆固醇呈正相关，与收缩压呈负相关，进一步支持了其保护作用。
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  Eubacterium sp3131 也被发现与较低的颈动脉斑块风险相关，并同样与中胆色素原呈正相关，与CXCL9和LY9等炎症标志物呈负相关，提示其可能通过相似的抗炎代谢途径发挥保护作用。
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  Coprococcus sp13142 则与较高的颈动脉斑块风险相关，并与促炎标志物AOC1呈正相关，与中胆色素原呈负相关，表明其可能具有不利影响。

讨论部分还指出，本研究发现与之前在女性HIV感染者中的研究结果存在一致性，例如CXCL9在两者中均与斑块正相关，这增加了关联的稳健性。研究也承认了其局限性，包括观察性设计无法确定因果关系、样本量限制以及对HIV感染状态效应修饰的评估能力有限，并指出未来需要在独立队列和其他人群中验证。

结论翻译

总而言之，本研究在男性HIV感染者或HIV感染风险者中，识别了与颈动脉粥样硬化相关的肠道微生物物种、循环代谢物和血浆炎症标志物的改变。与几种有益血浆代谢物（如中胆色素原）相关的A. equolifaciens和 Eubacteriumsp3131表现出抗炎特性，并与颈动脉斑块呈保护性关联。值得注意的是，研究人员发现某些微生物相关的代谢物和炎症标志物可以部分解释观察到的微生物与动脉粥样硬化的关联。这些发现为HIV感染者肠道微生物组、宿主炎症、代谢和亚临床心血管疾病之间的相互关系提供了新的证据和见解。如果得到验证，这项工作可能有助于指导未来的研究和干预措施，以肠道微生物组及其功能输出作为HIV感染者或HIV感染风险者心血管疾病预防的潜在治疗途径。