原文题目：Functional and metabolic alterations of gut microbiota in children with new-onset type 1 diabetes
通讯作者：Feihong Luo
隶属单位：复旦大学附属儿科附属儿科内分泌与遗传代谢疾病科
DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-022-33656-4
1型糖尿病（T1D）的特征是与遗传易感性相关的自身免疫攻击引起的β细胞破坏和胰岛素缺乏。然而，在过去 30 年中，T1D 的发病率在全球范围内每年稳步上升，在中国快速发展的地区甚至高出两倍，强调了环境变化在T1D发病机制中的重要性。T1D 的病因是多因素的，包括遗传易感性和环境因素，包括病毒感染、饮食成分和肠道微生物群改变。
临床上，T1D 患者被广泛报道为“肠漏”，被描述为肠道通透性增加。据报道，T1D 中肠道微生物群的结构失调，如多样性降低所示和厚壁菌/拟杆菌的比例，以及缺乏短链脂肪酸 （SCFA） 产生 。值得注意的是，一项关于年轻队列（TEDDY）糖尿病环境决定因素的研究揭示了地理上不同的中心的分类学弥漫但连贯的功能微生物特征，其特征是与发酵和SCFA生物合成相关的微生物基因丰度降低。综合宏基因组学和宏蛋白质组学分析揭示了T1D谱系中结构和功能微生物特征与宿主蛋白质组学性状的关联和新发队列。最近的一项研究表明，长期T1D患者的肠道微生物组组成改变及其与血糖控制和并发症的关联。
图1：T1D患儿肠道微生物群的结构变化。
动物模型的研究还表明，肠道微生物群可能在T1D的发生和进展中起因果作用。同源小鼠暴露于正常肠道微生物群会减弱患有 T1D 的无菌 MyD88 缺陷小鼠的 T1D 过程。此外，母体盲肠微生物群可以挽救抗生素诱导的非肥胖糖尿病（NOD）小鼠T1D增强。此外，肠道屏障完整性的损害会触发胰岛特异性T细胞和自身免疫性糖尿病的活化，这取决于肠道微生物群的存在。
然而，缺乏对T1D肠道微生物群功能和代谢失调的全面分析，并且与T1D发病机制相关的微生物特征需要进一步鉴定。在这里，为了破译肠道生态失调的T1D相关功能特征，研究人员在新发T1D儿科患者的独立发现和验证队列中进行了综合宏基因组和代谢组学分析，并确定了可能与T1D风险相关的T1D相关微生物种类，功能途径和粪便代谢物。研究人员还进行了粪便微生物群移植（FMT）并建立了T1D小鼠模型，以阐明肠道微生物群及其代谢物在T1D进展中与宿主相互作用的机制。
图2：通过宏基因组分析揭示的T1D相关微生物物种。
研究人员的多组学分析和动物实验破译了肠道生态失调的功能和代谢特征，并探讨了肠道微生物群与T1D葡萄糖代谢障碍之间的因果关系和潜在机制。主要发现是：（1）T1D相关性肠道生态失调的特征是LPS生物合成增加，丁酸盐生成和胆汁酸代谢减少;（2）9种细菌和9种粪便代谢物的组合对新发T1D具有出色的判别力;（3）人类T1D相关肠道菌群可诱导抗生素治疗小鼠空腹血糖水平升高和胰岛素敏感性降低;4）丁酸盐和LPS分别对T1D小鼠的葡萄糖代谢和胰岛结构和功能产生保护和破坏作用。
以前的家谱和纵向研究的T1D队列揭示了分类学上弥漫但部分一致的功能性微生物特征。将研究人员研究中的微生物结构与以前的研究进行比较，尚未就属或物种水平上的T1D相关微生物特征达成共识。虽然大多数研究报告了产生丁酸盐的细菌丰度的减少和来自不同分类群的机会性病原体的丰度增加，这可能可以用“功能冗余”来解释，也就是说，具有相似功能的物种在给定的微生物群中是可以互换的。研究人员分析了与T1D相关的功能性微生物特征，包括LPS生物合成增加，丁酸盐产量减少以及物种，基因和代谢物水平的胆汁酸代谢。将 9 种粪便代谢物和 9 种细菌物种的组合鉴定为 T1D 生物标志物，与单独使用细菌属作为生物标志物相比，有效提高了 T1D 的鉴别性能（发现集和验证集中分别为 AUC = 0。976 和 0。809）（发现和验证集中的 AUC = 0。815 和 0。649， 分别）。在9种代谢物中，许多是细菌来源或细菌代谢的，如糖去氧胆酸、DL-苄基琥珀酸和蝶啉，它们与FBG和HbA1c水平显着相关。甘去氧胆酸是一种胆汁酸，可能在调节葡萄糖和脂质代谢中起重要作用。琥珀酸通过肠道糖异生改善葡萄糖稳态，而蝶啉与炎症性肠病呈正相关。这些T1D生物标志物可能反映功能性肠道生态失调，并作为T1D管理的潜在靶标。研究人员的研究强调了在功能和代谢水平上探索疾病相关微生物特征的重要性。
图3：T1D患儿微生物功能的改变。
T1D 中胰岛特异性过度免疫应答的起源尚不清楚;然而，肠道微生物群被认为是罪魁祸首之一。LPS是革兰氏阴性菌的重要组成部分，是诱导全身性和组织特异性炎症反应的直接致病因素。早期暴露于来自不同微生物群的LPS有助于分化的免疫调节，从而影响人类对T1D的易感性。研究人员的综合分析显示，T1D患儿粪便中产生LPS的细菌的相对丰度增加，与LPS生物合成相关的基因表达升高，与包括LBP和IL-1β在内的炎症指标的血清水平升高一致。移植来自T1D儿童的肠道微生物群上调了LPS受体TLR4和下游衔接子MyD88的表达，并增加了抗生素治疗小鼠的血清IL-1β水平。先前的研究表明，一次性将LPS注射到NOD小鼠中可以诱导胰岛的快速炎症反应。研究人员的动物实验进一步表明，每天低剂量注射LPS持续6周，可诱导胰腺转录组水平的全面炎症反应，加重胰岛病变，降低LPS处理的T1D小鼠胰岛素阳性胰岛数量和血清C肽水平，这可能解释了葡萄糖代谢的破坏。研究人员的结果表明，LPS介导的胰岛免疫反应可能在T1D进展中起至关重要的作用;因此，阻断LPS产生和进入血液可能是T1D的有效治疗方法。
图5：T1D相关肠道微生物群移植诱导的葡萄糖稳态紊乱。
丁酸盐被广泛报道在保护肠道屏障方面具有有益的作用、全身炎症和葡萄糖稳态。肠道衍生激素GLP-1的分泌由丁酸盐促进，诱导葡萄糖依赖性胰岛素分泌，并降低餐后胰高血糖素水平。研究人员发现，与对照组相比，T1D组的粪便丁酸盐和GLP-1水平下降。在所有丁酸盐生产者中，粪杆菌占丁酸盐代谢相关基因总丰度的。T1D组其水平显著降低，与葡萄糖和脂质指数呈负相关。粪杆菌调节T1D中的葡萄糖代谢和 T2D。以前的动物研究表明，丁酸盐通过降低血清内毒素水平来减轻坏死性胰腺炎的发展并防止 T1D。研究人员的动物实验进一步表明，丁酸盐激活胰腺中Ins1和Ins2基因的表达，增加胰岛素阳性胰岛和血清C肽水平，从而改善丁酸盐处理的T1D小鼠的葡萄糖代谢，相对于未治疗的小鼠。研究人员的FMT实验还表明，补充丁酸盐可提高具有T1D相关肠道微生物群的FMT小鼠的胰岛素敏感性。因此，T1D的特征是重要丁酸盐生产者（例如粪杆菌）的丰度及其产物丁酸盐水平显着降低，这可能会影响胰岛功能和组织病理学完整性。
图6：丁酸盐和LPS在STZ诱导的T1D小鼠中的作用。
总之，研究人员的多组学研究和动物实验扩展了研究人员对T1D中微生物功能和代谢失调的见解，表明特定的肠道细菌和代谢物可以作为T1D的新型辅助诊断，预防和治疗靶点。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-33656-4
转自：“生物医学科研之家”微信公众号
如有侵权，请联系本站删除！
