慢性肾病（CKD）是一种具有隐藏流行病的进行性疾病。它对ESRD、心血管合并症、恶病质和贫血有很大影响，每年导致近1万例患者死亡。已有研究表明其与肠道微生物组紊乱有关。然而，微生物群的功能改变及其与基于疾病严重程度的代谢途径的串扰仍不清楚。

2023年1月，浙江大学的研究团队在Microbiome（IF=16.837）发表了题为 “Perturbed gut microbiome and fecal and serum metabolomes are associated with chronic kidney disease severity“的文章。本研究选用68名不同严重程度的CKD患者和20名健康对照作为研究队列，后通过宏基因组学和非靶向代谢组学检测，表征肠道微生物组与粪便和血清代谢物在CKD进展过程中的复杂相互作用。

研究思路

研究结果

1. CKD发展过程中微生物的变化

本研究选用CKD组（68名）和HC组（20名）纳入分析（图1A）。首先进行宏基因组分析，hao1和Shannon指数检测发现CKD组中α多样性相对降低（图1B-C）。基于Bray-Curtis距离的PCoA显示，四组间的肠道微生物结构存在显著差异（图1D）。

作者观察到CKD组和HC组从门到属水平的肠道微生物谱有相当大的差异。在门水平上Proteobacteria 在ESRD组中富集，而Euryarchaeota在HC组中更为丰富（图1E）。在科水平上中度CKD组Rikenellaceae, Lactobacillaceae和 Clostridiaceae下降，轻度CKD组Selenomonadaceae增加（图1F）。在属水平上，中度CKD和ESRD组中的Roseburia, Faecalibacterium, Eubacterium rectale, Eubacterium和 Ruminococcus显著下降，而Flavonifractor 和Citrobacter显著增加（图1G）。

图1 CKD中肠道微生物结构的改变

2. 微生物组成和功能与CKD疾病严重程度的相关

微生物物种的变化分析发现存在两种改变模式；第一种即在轻度CKD组到ESRD组不同，第二种即仅在特定的CKD组中变化（2A）。且在所有临床因素中，CKD组中的高血压、糖尿病、血清白蛋白和血清Hb存在显著差异；将其作为混杂因素纳入多变量分析，CCA分析发现CKD严重程度相关的肠道微生物组与高血压、糖尿病或白蛋白和Hb水平之间没有关联。此外，CKD的病因在CKD组之间没有差异。这些结果表明，疾病状态是与肠道微生物群相关的一个主要因素。

对严重CKD组中发现69个改变功能途径相关的KO基因LEfSe分析发现，在轻度CKD组中表现为精氨酸和脯氨酸相关的微生物基因表达，ESRD组中10中KEGG途径，其中一半参与炎症反应和氧化应激（图2B）。 随着CKD的发展，11个物种与其变化显著相关，其中9个物种的水平下降，2个物种的数量增加（图3 A）。作者进一步研究了微生物及其携带的基因在CKD组中必需的四种代谢途径，发现CKD组和HC组之间KO基因存在显著差异（3B）。值得注意的是，R. hominis 对 K01941 改变的贡献最大，Ruminococcus spp, F. prausnitzii, B. adolescentis和E. rectale 对 ydhR 改变的贡献较大（图4）。这些结果表明，基本微生物代谢过程的失调有助于CKD的发展。

图2 CKD中微生物种类组成和功能的改变分析 图3 与CKD严重程度相关的微生物种类与功能之间的相关性分析 图4 KO基因和KEGG通路中肠道微生物组CKD严重程度相关的变化

3. 基于CKD严重程度的粪便和血清代谢组学研究

为了进一步确定CKD严重程度相关的肠道微生物功能改变与其宿主的关系，作者对粪便和血清样本进行了非靶向代谢组学检测。OPLS-DA明确区分了HC组和CKD组（5A-B），且随着CKD的发展，分离更为明显。在HC组和CKD组中，粪便中103种（975种被注释）以及血清中243种（642种被注释）物质存在显著差异。粪便代谢物中，N2-琥珀酰基-L-鸟氨酸、鸟氨酸、精氨酸琥珀酸、L-苹果酸等随着CKD严重程度的增加而逐渐降低，但12-酮-四氢-白三烯B4（12-酮四氢-LTB4）、对苯二酚、L-胱氨酸等则相反（图5C）。血清代谢物中，中度CKD和ESRD组中的肌酸、肌酐、精氨酸琥珀酸等表达水平显著高于轻度CKD和HC组，1，2-苯醌、乙酰半胱氨酸、α-生育酚等表达水平相反（图5D）。将上述粪便和血清中显著变化的物质与临床数据关联发现同样显著相关。

图5 不同ckd严重程度下粪便和血清代谢组的改变

4. 肠道微生物群紊乱与粪便和血清代谢的相互作用与CKD严重程度相关

作者将宏基因组数据与代谢数据进行综合网络分析，结果发现CKD严重程度相关的细菌均来自四种基本代谢途径的特征代谢物，且溴米罗米氏菌、粪便对苯二酚和血清肌酐被确定为该综合网络的主要贡献者。菌群变化与代谢途径之间的相关性证实，肠道微生物群失调，特别是富含的 F. plautii，伴有耗尽的 R. bromii、R. callidus、F. prausnitzii 和 R. hominis 水平可能通过调节参与肠道和宿主之间四种基本代谢途径的特征代谢物来促进 CKD 进展（图6）。

图6 粪便和血液中肠道微生物群组成与功能代谢物的相互作用

5. 可识别CKD严重程度模型构建

作者依据微生物种类、粪便代谢物及其组合构建了三种模型（7A-C）。结果发现有或者没有微生物群的粪便代谢物构建的模型比单独基于肠道微生物构建的模型分类结果更佳。也进一步说明微生物组的整体功能超过单个微生物组成的贡献。使用RF鉴定的4种通用标志物组合（对苯二酚，L-胱氨酸，12-酮四氢-LTB4和R. bromii）构建区分三个CKD组和HC组的通用模型，ROC分析的AUC值分别为 972.0、924.0 和 928.100（图7D）。且该模型在识别轻度CKD方面优于血清肌酸(图7E-F)。表明了CKD患者的肠道微环境可能比血清肌酐水平更早改变。

图7 多步骤CKD进展过程中肠道微生物群和粪便代谢产物的诊断潜力

研究总结

本研究作者通过CKD进展过程中不同组别的肠道微生物组的明显变化，伴随CKD进展过程的菌及代谢途径的功能改变，后对粪便代谢组和血清代谢组分析锁定与其菌群变化和功能改变相关的代谢物。基于多组学的综合分析确定了CKD进展中微生物群-肠-肾轴的潜在机制。也为早期CKD的诊断及干预提供了希望。

图8 肠道微生物群与粪便和血清代谢物在CKD发病进展中的机制

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代谢组学：是通过考察生物体系（细胞、组织或生物体）受到刺激或扰动后，其代谢产物的变化或代谢产物随时间的变化。主要分为非靶向代谢组学和靶向代谢组学。而非靶向代谢组学即无偏向性地检测生物样本中的所有代谢物，本文采用的液相质谱连用的非靶向代谢组学（LC-MS）方法无偏向性地检测了人的粪便与血清样本中的所有代谢物，通过筛选比较组中的差异代谢物，并与宏基因组数据整合分析，进而研究CKD进展中微生物群-肠-肾轴的潜在机制。

参考文献

Wang H, Ainiwaer A, Song Y, et al. Perturbed gut microbiome and fecal and serum metabolomes are associated with chronic kidney disease severity. Microbiome. 2023;11(1):3.