Clin Mol Hepatol (IF>14)：肝硬化患者的肠道菌群与代谢组学研究

一、背景介绍

         肝硬化可由病毒性肝炎、非酒精性脂肪肝和酒精性肝病等引起，是一种进展性肝病，随着疾病进展，患者可能出现腹水、静脉曲张破裂、肝性脑病、肝肾综合征等症状，最终会发展成肝功能衰竭。近年来，“肠-肝轴”在肝病中的作用逐渐受到关注，肠道微生物与宿主之间存在复杂相互作用，可以通过代谢产物等方式影响肝脏，已有研究表明，肠道菌群失调与肝硬化的发生发展密切相关，比如有害菌群增加可能导致内毒素血症加重肝损伤，肠道微生物代谢产物的变化影响肝脏代谢等，因此探索肝硬化患者的肠道菌群和代谢特征，识别与疾病进展相关的特定微生物和代谢标志物，在肝硬化临床研究中具有现实意义。

 

二、材料方法

 

         研究选取了194份粪便样本，其中52份来自于健康对照患者，142份来自于肝硬化患者，同时进一步根据是否出现静脉曲张、腹水、肝性脑病等并发症进行分组，细分为仅肝硬化组（n=10）、肝硬化合并1种并发症组（n=26）、合并2种并发症组（n=44）、合并3种及以上并发症组（n=29）。研究从粪便样本中提取总DNA，通过对16S rRNA基因的V3-V4区域进行扩增测序，以QIIME2、Picrust2等生物信息学工具分析微生物群落的α多样性、β多样性、组成变化以及与临床的相关性。

 

         代谢物检测采用了气相色谱-质谱（GC-MS）和液相色谱-飞行时间质谱（LC-TOF-MS）技术，以检测粪便样本中的小分子代谢物，如氨基酸、有机酸、脂类、胆汁酸等，代谢物丰度变化通过主成分分析（PCA）进行可视化，以评估组间差异，以计算代谢物的受试者工作特征曲线下面积（AUROC）来评估其作为疾病标志物的潜力，相关性分析以Spearman相关系数评估肠道菌群、代谢物与临床指标（如CTP评分、肝功能指标等）之间的相关性。

 

三、结果讨论

         研究发现肝硬化患者肠道微生物多样性显著降低，OTUs数及Shannon指数低于对照，其菌群组成发生改变，拟杆菌门丰度下降，厚壁菌门增加，结果显示肝硬化患者韦永菌、瘤胃球菌、肺炎链球菌等增加，同时罹患并发症的组别中显示卵形拟杆菌、共生梭菌、蒂莫尼森埃默根西亚菌等增加，通过受试者工作特征曲线下面积（AUROC）评估，显示出这些细菌具有作为标志物的潜力。代谢组分析鉴定出104种粪便代谢物，主成分分析显示肝硬化与对照组间存在差异，比如肝硬化患者中吲哚-3-乳酸、棕榈酰肉碱等显著增加，而吲哚丙酸、丁酸盐等显著减少。

         AUROC评估显示，5种降低的代谢物组合具有相当高的诊断能力，AUROC可达到0.894。关联分析发现，健康患者中有益微生物与短链脂肪酸呈正相关，肝硬化患者中优势菌群与棕榈酰肉碱正相关，瘤胃球菌下降与MELD评分和胆红素水平呈负相关，而吲哚-3-乳酸上升与MELD评分和AST水平呈正相关。进一步揭示了肝硬化进展过程中肠道微生物与代谢的相互作用，比如短链脂肪酸的减少与肝损伤加重有关，某些代谢物可能通过调节免疫反应加剧疾病进展，为开发新的诊疗策略奠定了基础。

 

四、研究结论

         本研究揭示了肝硬化进展中肠道微生物和代谢物的独特化，并验证了这些变化与临床指标的显著相关性，表明肠道微生物和代谢变化可以作为标志物用于肝硬化诊疗评估。研究识别了多种相关微生物和代谢标志物，通过开发基于粪便样本的检测，有望减少对传统肝活检的依赖，为临床医生提供实时、动态的病情评估工具，为预防肝硬化及其并发症的发生提供了重要线索，比如说通过调节生活饮食，可能有助于降低肝硬化发病风险。总之这些发现具有重要科学意义和临床价值，可以为肝硬化患者的临床管理提供贡献价值。

 

五、结果展开

图1. 显示肝硬化患者粪便样本所鉴定出的肠道微生物变化。

a. 显示课题研究流程示意图。
b. 显示对照组、肝硬化组以及各并发症组之间肠道微生物鉴定结果在门水平上对比。
c. 显示对照组、肝硬化组以及各并发症组之间肠道微生物鉴定结果OUT数对比。
d. 显示肝硬化患者中减少和增加的细菌之间Spearman相关性分析。
e. 显示对照组、肝硬化组以及各并发症组之间肠道微生物多样性对比。

 

图2. 显示肝硬化及并发症相关的肠道微生物谱。

a. 显示基于LDA（线性判别分析）评分所筛选的肝硬化并发症组降低或增加菌群。
b. 显示肝硬化并发症组降低菌类的AUROC（受试者工作特征曲线下面积）。
c. 显示肝硬化并发症组增加菌类的AUROC（受试者工作特征曲线下面积）。

 

图3. 显示肝硬化及并发症相关的肠道微生物差异分析。

a. 显示基于LDA（线性判别分析）评分所鉴定的肝硬化并发症降低及增加标志菌落。
b. 显示与并发症组对比肝硬化组所增加细菌种类的AUROC（受试者工作特征曲线下面积）。
c. 显示与肝硬化组对比并发症组所增加细菌种类的AUROC（受试者工作特征曲线下面积）。

 

图4. 显示肝硬化患者粪便代谢物谱。

a. 显示对照组（HC）与肝硬化组之间的粪便代谢物主成分分析（PCA）。
b. 显示对照组（HC）、肝硬化组及肝硬化相关并发症组之间的粪便代谢物主成分分析（PCA）。
c. 显示对照组（HC）与肝硬化组中富集代谢物的对数变化倍数。
d. 显示显示对照组（HC）、肝硬化组及肝硬化相关并发症组之间25个代谢物。

 

图5.显示肝硬化相关的代谢标志物鉴定。

a. 显示与健康对照组（HC）相比肝硬化各组中变化最显著的5种代谢物。
b. 显示肝硬化组中降低代谢物的AUROC（上）与增加代谢物的AUROC（下）。
c. 显示肝硬化各组中5个变化最大的代谢通路。
d. 显示肝硬化组降低代谢物与增加代谢物之间的相关性分析。

 

图6. 显示肝硬化患者肠道菌群标志物、代谢标志物与临床指标之间的相关性。

 

图7.显示肝硬化组与对照组样本中上升的肠道菌群标志物与代谢物标志物之间的相关性。

 

参考文献：

Sharma SP, Gupta H, Kwon GH, Lee SY, Song SH, Kim JS, Park JH, Kim MJ, Yang DH, Park H, Won SM, Jeong JJ, Oh KK, Eom JA, Lee KJ, Yoon SJ, Ham YL, Baik GH, Kim DJ, Suk KT. Gut microbiome and metabolome signatures in liver cirrhosis-related complications. Clin Mol Hepatol. 2024 Oct;30(4):845-862.