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Gut:肠-肾轴对肾结石形成具有重要作用



英文题目: Understanding the gut–kidney axis in nephrolithiasis:an analysis of the gut microbiota composition and functionality of stone formers
期刊名:Gut            发表时间: 2018.4.28        影响因子:  16.658 
研究背景:钙肾结石(CN)是一种慢性疾病,在高加索和阿拉伯族群中具有高患病率,以反复发作的肾绞痛和草酸钙结石为特征。肠道中的产甲酸草酸杆菌可能对特发性钙肾结石(ICN)具有抗结石作用,因此自从发现产甲酸草酸杆菌降解草酸盐活性以来,肠道菌群在钙肾结石发病机制中的作用就被假设,但是目前从未用宏基因组学进行全面研究。另外除了产甲酸草酸杆菌,人们推测草酸降解中可能存在其它细菌类群,然而,它们在ICN病理生理学中的作用尚不清楚。因此本研究目的是比较复发性特发性钙结石患者(SFs)和对照组粪便微生物组成和功能的差异。
研究设计:
        16S扩增子测序(V3区):55名SFs患者(33个男性,22个女性,平均年龄48±11)和53名对照者(32个男性,21 个女性,平均年龄47±13)的粪便样本,用于了解肠道菌群结构组成;
        宏基因组测序:5名SFs患者和5名对照者的粪便样本,用于了解草酸盐降解微生物代谢途径;
        通过食物频率问卷比较组间饮食习惯;
        比较组间24小时尿液排泄的原发性和抗结石性因素(钙和草酸盐),将其作为微生物区系比较的协变量;
 
研究结果:
        SFs和对照的常规特征
         参与研究的55名SFs和53名对照者提供了用于宏基因组学分析的粪便样本。然而,8名参与者(3名SFs,5名对照)由于由于粪便标本的稀少与保存方式改变被排除在外。最后对52例SFs患者(男31例,女21例)和48例对照(男28例,女20例)进行分析。在线性或多项逻辑回归模型中,SFs患者与对照组在年龄、人体测量和肠道运动方面没有差异,但有较高的24小时钙和草酸盐排泄(表1)。SFs患者与对照组在总能量、营养素和盐摄入量没有差异,但是SFs患者的钙摄入量较低。


 
表1 复发性钙肾结石患者与对照组的常规参数和尿参数比较
 

 
表2  复发性钙肾结石患者与对照组每日能量和营养摄入的比较
 
粪便菌群的多样性
       针对100个样本的稀释性曲线如图1所示,在最高测序深度时,SFs的Chao1多样性指数显著低于对照组(OTU 1460±363 vs 1658±297)(图1)。


 
图1. 复发性特发性钙结石患者(SFS)(橙色)和对照(HS)(蓝色)的平均粪便α-多样性的比较。
 
        基于加权UniFrac矩阵和Bray Curtis的PCOA分析显示SFs患者与对照组在属水平上菌群组成有明显差异(图2)。


 
图2.复发性特发性钙结石患者(SFS)(橙色)和对照(HS)(蓝色)的粪便β-多样性的比较。基于加权UniFrac矩阵(A)和Bray Curtis(B)进行分析。
 
粪便微生物组成的分类学分析
        使用ANOVA发现SFs患者与对照组在拟杆菌门和厚壁菌门上有明显差异(表3):SFs组具有较高丰度的拟杆菌门和较低丰度的厚壁菌门和柔膜菌门。


 
表3  SFs患者与对照组在门、科、属、种水平上的差异菌群列表
 
        使用多元回归分析(模型1, 2和3)和逐步回归法(模型4)考虑所有变量比较了SFs患者与对照组之间菌群的平均丰度差异,如表4所示:三个类群独立于协变量在SFs患者中丰度显著降低,分别是Dorea, Enterobacter和Faecalibacterium。


 
表4  使用多元回归分析(模型1, 2和3)和逐步回归法(模型4)找到的SFs患者与对照组差异菌群列表
 
鉴定草酸盐降解菌
        所有粪便样本均检出产甲酸草酸杆菌,其具有非常低的丰度(在所有样品中均<0.001%),其平均相对丰度在SFs和对照组之间没有显著差异,其它已知的具有降解草酸盐活性的已知细菌类群在SFs和对照组之间没有显著差异。然而使用多元回归分析(模型1, 2和3)和逐步回归法(模型4)发现,在SFs和对照中,五个细菌类群的相对丰度与UOE(24小时尿草酸排泄)显著相关(表5)。


 
表5  多元回归分析(模型1, 2和3)和逐步回归法(模型4)发现的与24小时尿草酸盐排泄量显著相关的粪便微生物群。
 
宏基因组测序分析粪便菌群功能
        对5名SFs患者和5名对照者的粪便样本进行宏基因组测序,结果发现相对于对照组,SFs粪便样品中参与草酸盐降解的细菌基因丰度显著降低,例如甲酰基CoA转移酶和乙二酰-CoA脱羧酶(0.0021% vs 0.0041%)(图3)。


 
图3  5名复发性特发性钙结石患者(SF)和5名健康对照(HS)患者粪便中参与草酸盐降解相关基因(甲酰基CoA转移酶和乙二酰-CoA脱羧酶)丰度差异分析
 
        皮尔森相关分析也证明了肠道菌群草酸盐降解基因表达与UOE(24小时尿草酸排泄)呈负相关性(图4A)。利用宏基因组学分析平台METAnnotatorX,鉴定到基因组中包含草酸降解基因的微生物类群,例如已知的草酸杆菌或者是以前未知的具有草酸盐降解特性的Escherichia coli, Eggerthella spp, Roseburia hominis, Bacteroides massiliensis, Clostridium citroniae。结果显示这些具有草酸降解特性的细菌类群的平均相对丰度在48个对照者中均显著高于所有52个SFs个体。10个样本的宏基因组测序鉴定到的降解草酸盐细菌数量与UOE(24小时尿草酸排泄)呈显著负相关性(图4B)。


 
图4 肠道菌群参与草酸盐降解基因丰度与UOE(24小时尿草酸排泄)皮尔森相关分析(图4A);包含草酸盐降解基因的肠道菌群丰度与UOE(24小时尿草酸排泄)皮尔森相关分析(图4B)
 
结果总结:
        相对于对照组,SFs具有较低的粪便微生物多样性。
        在多变量分析中,三个类群(粪杆菌属、肠杆菌属、布莱克氏菌属)在SFs粪便样品中明显较少,而草酸菌丰富度在组间则没有差异。
        SFs粪便样品参与草酸盐降解的细菌基因丰度显著降低,与24小时草酸盐排泄呈负相关。
        草酸降解基因在5种以前未知的细菌中表达,其累积丰度与草酸尿呈负相关。
研究结论:
        特发性钙SFs患者的肠道微生物群组成和功能发生改变,这有助于了解肾结石的病理生理学。
        本研究会对临床实践产生怎样的影响?
        本研究首次从宏基因组方向对特发性钙SFs患者的肠道菌群进行了评价,暗示肠-肾轴在肾结石病理学中的存在。
        鉴定了一组未知的草酸降解肠道微生物类群,从而可用于影响ICN和高草酸尿过程的新型益生菌或功能食品的开发。
 
 



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