先天性巨结肠相关的肠道微生物改变与代谢异常的关联分析

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目的:本研究通过对前期实验检测的先天性巨结肠患儿肠道菌群变化结果和肠道代谢物水平变化结果进行联合分析,利用生物信息学手段,探究与菌群变化相关的肠道内代谢物水平的改变以及肠道菌群改变在先天性巨结肠发病过程中的作用机制。方法:实验样本收集了2018年4月到2018年12月就诊于天津市儿童医院的先天性巨结肠患儿粪便13例,及社区正常新生儿粪便4例作为对照,采用细菌16S r RNA高通量测序方法,通过群落结构、Alpha多样性、Beta多样性和LEf SE及PICRUSt功能预测等分析来研究不同分组样本肠道菌群的差异和功能。利用液相色谱仪-质谱仪(LC-MS)对两组的粪便样本进行代谢组分析。本研究在前期实验的基础上整合了微生物多样性测序数据和代谢组学检测数据,根据正常组和先天性巨结肠组差异物种的相对丰度(top20,p<0.05)与差异代谢物的相对含量(top20,p<0.05),采用pearson相关性算法,结合物种相对丰度和代谢物的响应强度数据,计算物种和代谢物之间的相关性。p<0.05认为是有意义的。结果:在属(genus)水平上,20个属的差异微生物群与差异丰度为top20的粪便代谢物进行相关性计算,总体来讲,大部分菌与大部分代谢产物呈负相关关系,其中,脱氧胆酸(Deoxycholic acid)、鹅去氧胆酸硫酸盐(Chenodeoxycholic acid sulfate)、3-Oxooctadecanoic acid、DG(15:0/18:3(6Z,9Z,12Z)/0:0、Epoxymurin A和溶血磷脂酰丝氨酸(Lyso PE(15:0/0:0))与大部分菌群呈显著正相关或正相关趋势;志贺氏菌属(EscherichiaShigella)与大多数代谢产物显示出正相关趋势;萨特氏菌属(Sutterella)、肠球菌(Enterococcus)、Faecalibacterium与所有代谢产物都未发现显著的相关性关系。瘤胃球菌属-2(Ruminococcus2)、Blautia、Fusicatenibacter、毛螺菌属(Lachnospira)与10种以上代谢产物呈负相关,而仅与3种代谢物3-Oxooctadecanoic acid、DG(15:0/18:3(6Z,9Z,12Z)/0:0、溶血磷脂酰丝氨酸(Lyso PE(15:0/0:0))呈正相关关系。志贺氏菌属(EscherichiaShigella)与13种代谢产物呈正相关趋势,其中,与8,11-eicosadiynoic acid、二十二碳六烯酸(DHA)、溶血磷脂酰胆(lyso PC(6:0))、Olopatadine和Ptelatoside B呈显著正相关关系。二十二碳六烯酸(DHA)可由α-亚麻酸生成,是神经细胞膜的重要组成成分,对神经元轴突的延长和新突触的形成具有重要作用。结论:本研究通过对以往先天性巨结肠的微生物组学结果和代谢组学结果进行联合分析,阐述了先天性巨结肠相关的菌群变化与代谢异常以之间的关系,探究志贺菌在先天性巨结肠的发病机制中的作用。现得出结论如下:1.志贺菌属在先天性巨结肠患儿粪便中丰度升高,且与二十二碳六烯酸(DHA)、溶血磷脂酰胆碱(lyso PC(6:0))、8,11-eicosadiynoic acid、Olopatadine和Ptelatoside B均呈显著正相关关系;2.二十二碳六烯酸(DHA)是与神经元细胞膜生长相关的重要物质,赋予磷脂及其产生的任何信号分子独特的物理和化学性质,具有高度不饱和的特性;它采用与其他常见膜脂肪酸不同的三维形态,影响膜蛋白的功能和脂筏的组装,对细胞的行为和信号有重要影响,志贺菌属可能通过降低已受损的肠神经节细胞对DHA的利用率进而加重巨结肠疾病的进展;3.溶血磷脂酰胆碱(Lyso PC)对神经细胞的生长发育和生理功能具有极大的影响,尤其是脱髓鞘作用,严重影响神经细胞的发育,志贺菌可能通过产生或促进肠道细胞产生Lyso PC增加参与先天性巨结肠的发病;4.Eicosadiynoic acid是二十碳二烯酸(Eicosadienoic acid,EDA)的非天然类似物,EDA由肠道细胞产生,是亚油酸的一种代谢产物,具有减少机体炎症反应的作用,志贺菌属通常影响肠道细胞亚油酸的代谢途径,从而可能降低与微生物有关的炎症的风险,在先天性巨结肠中起到炎症保护作用;5.志贺菌属在先天性巨结肠患儿粪便中丰度升高,在先天性巨结肠疾病的发生发展过程中,志贺菌属通过降低已受损的神经节细胞对二十二碳六烯酸(DHA)的利用率、调节溶血磷脂酰胆碱的合成过程,和影响亚油酸的代谢途径等方式影响神经细胞和胶质细胞的发育和代谢,这可能是先天性巨结肠的发病机制之一。
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