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肠道菌群与人体骨矿物质丢失有关



    华中科技大学同济医学院公共卫生学院近期在《Osteoporosis International》上发表了肠道菌群组成与骨矿丢失相关研究的文章。在这项研究中天昊生物有幸承担了样品的扩增子测序和生物信息学分析工作。在恭喜客户发表文章同时,我们想跟大家分享一下文章的研究思路。

英文题目: Gut microbiota composition and bone mineral loss—epidemiologic evidence from individuals in Wuhan, China
中文题目:肠道菌群组成与骨矿物质丢失—武汉人群流行病学证据
期刊名:Osteoporosis International    
5年影响因子: 4.609
研究概要:
    肠道微生物群在人体健康中起着重要作用,并与多种疾病有关。然而,很少有研究探讨其与人体骨矿物质丢失之间的关系。本研究对低骨密度者和对照组的粪便样本,进行16S 扩增子测序,研究了中国老年人肠道微生物群组成与骨矿物质丢失的关系。结果发现,与对照组相比,低骨密度个体的OTU数量较少,数个微生物类群的丰度和功能途径也有所改变。本研究结果为阐明骨矿物质丢失和骨质疏松的相关微生物机制提供了新的流行病学证据。
研究背景:
    较低的骨密度(BMD)是骨质疏松症(OP)的主要特征,导致骨脆性增加,甚至骨折。骨质疏松症是导致老年人死亡率增加和生活质量下降的原因。在美国,年龄大于等于65岁的女性中有26%的人患骨质疏松症,年龄大于等于85岁的女性中有50%的人患骨质疏松症。在中国,由于人口老龄化,门诊患病率急剧上升。骨量和骨质量取决于骨形成(由成骨细胞调节)和骨吸收(由破骨细胞调节)之间的平衡。当骨吸收超过骨形成时,骨质量降低。骨代谢受可改变因素(如吸烟、缺乏体力活动和低钙摄入)和遗传特征(如Wnt信号通路中的基因)的影响。
肠道微生物群是高度异质的,由1014个细菌组成,由500万个基因编码。人类肠道微生物群包括1000多种不同的微生物物种,其中许多还没有很好的特征。构成肠道微生物群的微生物种类约有三分之二是每个个体独有的。肠道微生物群导致许多人类慢性疾病,如肥胖、代谢病、营养不良、神经系统疾病、心血管疾病和癌症。
    微生物群的改变也与骨量和骨质量的维持有关。一项动物研究表明,调控微生物群或其代谢产物可为优化骨骼生长和健康提供机会。另一项研究也观察到肠道微生物群通过改变骨骼中的免疫状态和影响破骨细胞介导的骨吸收来调节小鼠的骨量。研究微生物群对骨骼影响的三个主要领域是营养获取(钙和磷酸盐)、免疫调节以及通过产生小分子(如血清素或雌激素样分子)的直接影响。迄今为止,关于肠道微生物群在骨矿丢失中作用的流行病学证据还不充分。只有一项研究使用16S扩增子测序来研究人类肠道微生物群和骨质疏松症之间的联系,然而,此研究明显受到小样本量的限制(每组n=6)。因此,肠道微生物群与人体低骨密度的关系值得进一步研究,为此,采用16S扩增子测序法采集102例符合严格纳入标准的老年人粪便样本进行分析,比较了对照组(51例)和低骨密度组(51例)的细菌群落组成和多样性。
MiSeq测序:细菌测序区段(V3-V4);
研究结果:
本研究参与者的特征
    与对照组相比,低骨密度组具有较低的BMD(骨密度),FN(股骨颈)、 LS(腰椎)和全髋关节的T评分和Z评分均较低(表1)。低骨密度组的女性和吸烟者比例高于对照组(均P<0.05)。其它变量,如年龄、体重指数、饮酒和常见慢性疾病(如骨折、肾脏疾病和骨关节炎)在两组之间没有达到显著性。
 

 
 
表1研究对象的特征

两组肠道微生物多样性比较
    粪便细菌共有247个种,182个属,75个科,37个目,24个纲,15个门。与对照组相比,低骨密度组的细菌类群数量较少。与对照组相比,低BMD组在各个水平(种、属、科、目、纲和门)的细菌类群数量较少(表2)。
 

 
 
表2 各组不同水平的细菌组成

    本研究共得到969个OUT,维恩图显示,低骨密度组(783)的OTU数量小于对照组(872)(图1)。两组共有70.8%的OTU,10.0%的OTU仅在低BMD个体中被检测到,19.2%的OTU仅在对照组中被检测到。两组的α多样性指数(ace、chao1、shannon和simpson)没有显著性差异。PCA和PERMANOVA分析未能完全区分两组。
 

 
 
图1两组肠道微生物群在OTU水平上的维恩图比较

    LEfSe分析显示,低骨密度个体中的类杆菌丰度在门、科和属水平上都相对较高,厚壁菌门、毛螺菌科和罗斯氏菌属在对照组中的丰度较高(图2)。
 

 
 
图2不同水平上细菌分类群的Lefse分析(p,门;c,纲;o,目;f,科;g,属;s,种)

肠道菌群组成
    在门水平上,所有样品的肠道微生物群均以类杆菌、厚壁菌、变形杆菌、梭杆菌和放线菌为主。相对于对照组,低骨密度组的拟杆菌比例明显较高,厚壁杆菌/拟杆菌比例明显较低(表3)。在科水平上,相对于对照组,低骨密度组的拟杆菌科比例明显较多,毛螺菌科比例明显较少。在属水平上,相对于对照组,低骨密度组的拟杆菌属比例最高,罗斯氏菌属比例明显较少。
 

3两组肠道微生物群丰度比较


肠道微生物群丰度与骨密度测量的相关性

●   在门水平上,厚壁菌和放线菌与BMD和T评分呈正相关,类杆菌与全髋骨、FN(股骨颈)、 LS(腰椎)的BMD以及LS(腰椎)的T评分呈负相关(表4)。
​●   在科水平上,Lachnospirae(毛螺菌科)、Lactobacillae(乳酸杆菌科)和Bifidobacteriaceae(双歧杆菌科)与BMD和T评分呈正相关,Bacteroidaceae与FN(股骨颈)的BMD呈负相关。
​●   在属水平上,Roseburia(罗斯氏菌), Bifidobacterium(双歧杆菌), Anaerobacterium(厌氧菌), Lactobacillus(乳酸杆菌)与BMD和T评分呈正相关,Bacteroides(类杆菌), Anaerostipes(厌氧杆菌), Clostridium_XlVb(梭菌)与BMD和T评分呈负相关。
 

 

4 门、科和属水平下肠道微生物群丰度和骨密度测量的斯皮尔曼相关性分析


肠道微生物群相对丰度与骨密度测量的相关性
    岭回归分析表明,在调整年龄、性别、吸烟和体重指数后,FN(股骨颈)的BMD随着放线菌数量的增加而增加(表5)。在科水平上,FN(股骨颈)和 LS(腰椎)的BMD随双歧杆菌科丰度的增加而增加。属水平上,在调整混杂因素后,全髋关节的T评分和Z评分以及FN的Z评分均随着Clostridium_XlVb(梭形芽胞杆菌)丰度的增加而降低。校正年龄、性别、吸烟和体重指数后,FN(股骨颈)的BMD随着双歧杆菌丰度的增加而增加。
 

 

5肠道微生物相对丰度对BMD测量影响的岭回归分析


功能预测代谢途径
    共鉴定出93条KEGG代谢途径,显示这两组间微生物群丰度显著不同(图3)。约72.0%的途径,特别是与脂多糖生物合成和聚糖降解有关的途径,在低骨密度组比对照组更丰富。与低骨密度组相比,糖代谢和生物合成、脂代谢、转运体、信号转导和分泌系统等26条途径在对照组更丰富。
 


 

 

图3(部分展示)两组间的功能预测代谢途径分析
 

 

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