肠道菌群紊乱在颅内动脉瘤发生发展中的作用

非破裂颅内动脉瘤（UnrupturedIntracranialAneurysm，UIA）多为发生在颅内动脉管壁上的异常膨出，是造成蛛网膜下腔出血的首位病因，在脑血管意外中，仅次于脑血栓和高血压脑出血，位居第三。然而，导致UIA发病机理的确切机制仍有待阐明。肠道菌群是影响宿主代谢和免疫稳态的关键环境因素。最近一项研究报道发现，抗生素耗竭肠道菌群会降低小鼠颅内动脉瘤的发生率。但仍然缺乏UIA患者肠道微生物组成改变和确切的潜在机制的直接证据。

今年6月，NatureCommunications杂志在线发表了中医院陈敬洲教授团队题为Alterationsofgutmicrobiotacontributetotheprogressionofunrupturedintracranialaneurysms的最新研究论文。该研究首次揭示了人颅内动脉瘤与肠道菌群的关系，解析了肠道菌群在颅内动脉瘤发生中的机制并提供了新的干预手段。

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UIA患者肠道菌群改变

作者首先对UIA患者与健康对照者之间的肠道菌群进行了宏基因组测序分析，结果显示两组肠道菌群存在显著差异。

Fig.1a随机抽样次后，对照组（n=）和UIA患者（n=）的基因数目的Rarefaction曲线。b，c根据两组的属谱比较微生物种属数和α多样性。d对来自UIA和对照的样本进行主坐标分析。e基于两组的属谱（n=）的β-多样性（通过Bray-Curtis距离评估）。f最丰富的属的相对丰度。

为了进一步确定与UIA相关的微生物物种，运行了MetaPhlAn2（基因组系统发育分析）以在物种水平上确定生物分类丰度。发现47个物种的丰度在两组间存在显著差异，这其中有38个物种在颅内动脉瘤组富集。Bacteroides属的物种例如B.thetaiotaomicron,B.massiliensis,B.nordii,B.intestinalis和B.cellulosilyticus以及Clostridium属的物种包括C.bartlettii,C.nexile和C.bolteae在颅内动脉瘤组显著富集。

Fig.2UIA患者肠道微生物种类的变化

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肠道菌群可有效鉴别UIA患者

为了说明肠道微生物群组成与UIA相关的诊断价值，作者根据第一队列的样本构建了随机森林分类器。其能够根据第一队列中差异丰富的47个物种准确检测出UIA患者。使用第一队列人群进行验证，曲线下面积（AUC）为0.86；使用第一队列人群进行验证，曲线下面积（AUC）为0.72。表明肠道菌群的信息可能用于识别UIA患者。

Fig.3肠道菌种将UIA患者与对照区分开。

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UIA微生物组的功能表征

作者接下来使用HUMAnN（HMP统一代谢分析网络）管道来表征两组中差异菌种的功能，确定了UIA患者和对照之间差异丰富的46种代谢途径。不饱和脂肪酸的生物合成、氨基酸的生物合成（如苏氨酸，异亮氨酸，赖氨酸和蛋氨酸）以及糖酵解途径可能与UIA相关。

Fig.4UIA患者和对照之间的生物学差异显着的途径。

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UIA肠道菌群加剧UIA的发展

为了进一步确定肠道菌群的变化是否是体内UIA进展的直接因素，作者进行了小鼠粪便移植。与用对照粪便（Con-FMT）治疗的小鼠相比，用UIA患者粪便（UIA-FMT）治疗显着增加了动脉瘤的总体发生率和破裂率。接着作者对小鼠脑血管进行了全转录组分析，并对其差异表达基因（DEG）做进一步的功能分析。发现这些基因属于与炎症过程，细胞粘附，对氧化应激的反应以及细胞外基质相关的多个类别。UIA肠道菌群显着加剧了脑血管基因转录谱的深刻变化，UIA肠道菌群诱导颅内动脉瘤的机制可能涉及炎症，细胞外基质的调节在脑血管和细胞凋亡。

Fig.5a接受UIA病人和健康对照者粪便微生物群移植（FMT）的小鼠中，颅内动脉瘤和苏木精-伊红染色的代表性图像。b诱导后21天未破裂和破裂的动脉瘤的发生率。c动脉瘤小鼠无症状的累积无症状曲线，显示症状发作的时间进程。dDEG数量的维恩图。青色圈中的数字为动脉瘤诱导组和假组之间的DEG，粉色圆圈中的数字表示对照-FMT后动脉瘤诱导组和假手术组之间的DEG。e聚类分析的热图。在诱导动脉瘤后第5天，Con-FMT和UIA-FMT组脑血管中DEG的转录表达水平。左边的树状图显示了转录本的聚类。f根据个UIA-FMT诱导的DEG的GO富集分析（左）和KEGG途径分析（右）的-log10（q值）。

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牛磺酸可降低颅内动脉瘤的发生率

为了验证UIA患者中循环代谢物的改变，并进一步评估肠道菌群与循环代谢物之间的关系，作者对采集的人类样本以及粪便移植后小鼠的脂肪酸和氨基酸进行了靶向代谢组学分析。发现UIA组牛磺酸，L-组氨酸和亚油酸水平与对照组相比较低。

Fig.6Spearman等级相关系数在19种氨基酸和脂肪酸与47种与UIA相关的人肠道微生物之间的秩相关热图。

Fig.7Spearman等级相关系数在10种代谢物和14种差异丰富的小鼠肠道微生物之间的热图。

在此基础上，作者接下来确定补充牛磺酸，L-组氨酸或亚油酸对减少小鼠颅内动脉瘤的形成和破裂是否具有潜在的治疗价值。与UIA-FMT治疗相比，牛磺酸补充使牛磺酸的血清水平正常化，并显着降低了总动脉瘤的发生率和破裂率。机制研究发现牛磺酸在减轻炎症，减少细胞外基质重塑以及维持脑动脉结构完整性方面有重要作用。而补充L-组氨酸和亚油酸并未发现保护作用。

Fig.8aCon-FMT小鼠、UIA-FMT小鼠以及UIA-FMT移植并补充牛磺酸的小鼠，颅内动脉瘤和苏木精-伊红染色的代表性图像。b诱导动脉瘤后21天未破裂和破裂的动脉瘤的发生率。c患有动脉瘤的小鼠的无症状累积曲线以显示症状发作的时间过程。d上图，代表性图像和CD31+脑血管周围F4/80+巨噬细胞免疫染色的定量分析。下图，α-SMA+脑血管周围的Ly6G+嗜中性粒细胞免疫染色的代表性图像和定量分析。e通过ELISA测量血清中IL-6和TNF-α的水平。f代表性明胶酶谱分析和每组脑血管中MMP-9活性的定量分析。g定量PCR显示了动脉结构的关键成分的表达。h每组的代表性图像和α-SMA+血管平滑肌细胞凋亡的定量。

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H.hathewayi可预防颅内动脉瘤

进一步研究UIA中微生物组变化与宿主体内牛磺酸水平变化相关的程度，作者发现H.hathewayi是唯一同时在人类UIA患者以及粪便移植小鼠中与牛磺酸水平呈正相关的重叠物种。UIA患者粪便移植小鼠管饲H.hathewayi，可恢复血浆中牛磺酸水平，并保护小鼠免于颅内动脉瘤的形成和破裂。

Fig.9两组UIA患者（n=；n=40），人类供体（n=2）和接受UIA患者或对照组粪便微生物群移植（FMT）的小鼠的H.hathewayi的相对丰度（n=10）。

Fig.10a每组粪便DNA中的H.hathewayi定量PCR检测。b通过UHPLC-MS/MS分析测量的每组牛磺酸的血清浓度。cCon-FMT小鼠、UIA-FMT小鼠以及UIA-FMT移植并进行H.waywayi灌胃小鼠的颅内动脉瘤的代表性图像。d诱导动脉瘤后21天未破裂和破裂的动脉瘤的发生率。e带有动脉瘤的小鼠的无症状累积曲线，显示症状发作的时间过程。fCD31+脑血管周围的F4/80+巨噬细胞免疫染色的代表性图像和定量分析。g通过ELISA测量的血清中IL-6的浓度。h定量PCR，显示动脉结构的关键成分的表达。i代表性的明胶酶谱分析和每组脑血管中MMP-9活性的定量分析。j每组的代表性图像和定量的α-SMA+血管平滑肌细胞凋亡。

意义

作者对UIA患者肠道菌群的无序分布进行了描述，发现异常肠道菌群在UIA发病机理中的潜在作用，并为H.hathewayi相关牛磺酸耗竭作为UIA发病机理中的关键因素的作用提供了重要证据。研究结果提出了通过补充H.hathewayi和牛磺酸来预防UIA发生的新策略。

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