客戶文章 | JNAT COMMUN發表北京阜外醫院關于顱內動脈瘤的新危險因素
期刊：Nature Communications
IF：11.801
發表時間：2020.6
顱內動脈瘤嚴重危害國人健康，非破裂顱內動脈瘤的全球患病率為3.2%，但對于非破裂顱內動脈瘤的治療目前存在爭議，即便對具有破裂風險的顱內動脈瘤進行了血管內治療或外科手術治療，仍存在較大的出血風險及并發癥。因此，加強對非破裂顱內動脈瘤的臨床與基礎研究，識別顱內動脈瘤危險因素，解析發病機制并尋找新的干預措施十分重要。
該研究團隊首先在兩個病例對照研究中對非破裂顱內動脈瘤與對照之間的腸道菌群進行了宏基因組測序分析，發現顱內動脈瘤患者腸道菌群結構異質性顯著降低。物種水平分析發現47個物種的豐度在兩組間存在顯著差異，這其中有38個物種在顱內動脈瘤組富集。該研究團隊發現一群Clostridium屬的物種包括C. bartlettii,C. nexile和C. bolteae在顱內動脈瘤組顯著富集。然而，C. hathewayi（在2014年被正式更名為Hungatella hathewayi）卻是唯一一個在顱內動脈瘤腸道中豐度降低的Clostridium屬成員。在47個差異物種中，有8個物種（17.0%）在第二人群中依然存在顯著差異。
對兩組間的差異菌種進行功能注釋及通路分析發現，不飽和脂肪酸生物合成、氨基酸（蛋氨酸、色氨酸、丙酮酸和異亮氨酸）代謝及糖酵解代謝通路可能與顱內動脈瘤相關。其中，異亮氨酸生物合成及蛋氨酸生物合成在正常對照組顯著富集，提示兩組樣本在腸道菌群合成支鏈氨基酸和芳香族氨基酸的能力存在顯著差異。這一發現與肥胖患者及肥胖小鼠腸道宏基因組的研究結果類似。這些結果提示顱內動脈瘤腸道菌群的紊亂很可能通過氨基酸和脂肪酸代謝的改變發揮作用。
因此，該團隊進一步通過靶向代謝組學對兩組樣本血漿中的氨基酸及脂肪酸水平進行了定量檢測，發現7種脂肪酸和12種氨基酸在兩組血漿中存在顯著差異。進一步分析這19種代謝物與47種差異腸道菌種的相關性發現苯丙胺酸在顱內動脈瘤患者血漿中豐度升高，牛磺酸、亞牛磺酸、L-組氨酸及瓜氨酸水平在顱內動脈瘤患者中顯著降低，且與腸道中顯著改變的菌種具有較強相關性。提示腸道菌群可能通過調節血漿氨基酸和脂肪酸水平，促進顱內動脈瘤疾病的發生發展。
為了進一步探究是否腸道菌群的變化直接導致了顱內動脈瘤的進展，該團隊進行了小鼠糞便移植實驗。與移植正常對照糞便的小鼠相比，移植顱內動脈瘤患者糞便的小鼠顱內動脈瘤的總體發生率顯著增加。此外，Kaplan-Meier分析提示兩組之間無癥狀生存曲線亦存在顯著差異，這表明腸道菌群紊亂能夠直接影響宿主顱內動脈瘤的形成和破裂。對受體小鼠的腦血管進行轉錄組測序發現850個基因在動脈瘤受體小鼠中顯著上調，362個基因在正常對照受體小鼠中顯著上調。此外，生物信息學分析發現這些差異基因能夠富集到與顱內動脈瘤密切相關的信號通路，比如凋亡和炎癥相關通路等，提示腸道菌群可能通過這些通路影響顱內動脈瘤血管病變。
為了明確腸道菌群對小鼠血漿代謝產物的影響，該團隊對兩組糞便移植后小鼠進行了血漿代謝組學檢測。結果發現2個脂肪酸及8個氨基酸在兩組小鼠血漿中存在顯著差異。其中，牛磺酸、L-組氨酸和亞油酸與人顱內動脈瘤及對照變化一致。基于此，該團隊進一步探究了給予小鼠分別外源性補充上述三種代謝物能否降低顱內動脈瘤的形成及破裂。結果顯示，與移植動脈瘤患者糞便的小鼠相比，在移植后外源性補充牛磺酸能夠顯著降低顱內動脈瘤總體發生率。Kaplan-Meier分析進一步證實了補充牛磺酸確實降低了顱內動脈瘤的破裂風險。值得注意的是，補充牛磺酸并沒有顯著降低小鼠血壓，提示牛磺酸的保護作用并非依靠調節血壓來實現。補充L-組氨酸和亞油酸卻并沒有觀察到任何保護效果。機制研究發現補充牛磺酸通過減輕炎癥反應、減少細胞外基質重塑、維持腦血管結構完整性降低了顱內動脈瘤的形成率和破裂率。
為了進一步明確哪些腸道菌群與血漿牛磺酸水平相關，通過Spearman’s相關性分析對糞便移植后兩組小鼠差異腸道菌種和差異血漿代謝物進行了關聯性研究。結果發現5個菌種的豐度與牛磺酸含量存在正相關關系，1個菌種的豐度與牛磺酸含量存在負相關關系。在這6個與牛磺酸密切相關的菌種中，H. hathewayi是唯一一個在顱內動脈瘤人群研究中也與牛磺酸存在相關性的菌種，并且H. hathewayi在兩個人群、糞便移植人類供體、移植受體小鼠中的改變趨勢相同—即在顱內動脈瘤疾病狀態下豐度顯著降低。據此，為了最終闡明H. hathewayi是否與血漿牛磺酸水平的變化及顱內動脈瘤疾病發生存在因果關系，該團隊在小鼠糞便移植后給予H. hathewayi灌胃處理，發現H. hathewayi喂養能夠恢復H. hathewayi水平。至關重要的是，H. hathewayi的補充同樣能夠顯著恢復血漿牛磺酸水平。此外，與單純移植動脈瘤患者糞便的小鼠相比，補充H. hathewayi能夠顯著降低顱內動脈瘤總體發生率。Kaplan-Meier分析進一步證實了補充H. hathewayi降低了顱內動脈瘤的破裂風險。此外，補充H. hathewayi還能夠抑制腦血管炎癥反應、細胞外基質重塑及MMP-9活性及腦血管平滑肌細胞凋亡。以上結果充分說明，H.hathewayi參與了牛磺酸的合成，增加了血漿牛磺酸水平，最終降低了顱內動脈瘤發生率及破裂率。
本研究結果首次明確了人顱內動脈瘤與腸道菌群的關系，解析了腸道菌群在顱內動脈瘤發生中的機制并提供了新的干預手段（補充牛磺酸或H. hathewayi），有助于進一步理解顱內動脈瘤的發生機制并可能提升防治效果，尤其是對于不適于手術（包括介入及外科治療）的或手術并發癥風險高的非破裂顱內動脈瘤患者，該研究團隊的研究結果提供了新的可能有效的干預手段。
該研究由中國醫學科學院阜外醫院、首都醫科大學附屬天壇醫院、滄州市中心醫院、清華大學、北京諾禾致源科技股份有限公司及中國人民解放軍總醫院共同合作完成。中國醫學科學院阜外醫院陳敬洲教授為該論文通訊作者，阜外醫院李昊副研究員、徐昊辰博士后及天壇醫院李佑祥主任醫師、江裕華副主任醫師為本文共同第一作者。
腸道菌群是宿主的“第二大腦”，對宿主的營養健康、疾病發生發展、甚至情緒變化等產生重要的作用。腸道菌群按一定的比例組合，菌間互相制約，互相依存，在質和量上形成一種生態平衡。人在不同時期、不同年齡段的時候，腸道菌群的構成是不一樣的，或者是在同一個階段、年齡段的時候，在不同的外部條件影響下，腸道菌群構成同樣也是可以不一樣的。
