自身免疫性疾病患者肠道菌群分型特征及其对免疫系统和预后的影响

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目的:1.比较自身免疫性疾病(AID)患者和健康对照组(HC)肠道菌群的多样性、丰度、代谢通路的差异和肠型特征。2.比较AID和HC外周血淋巴细胞亚群和细胞因子的差异。3.分析AID肠道菌群和淋巴细胞亚群及细胞因子的相关性,探究肠道菌群与AID疾病活动情况的关系,构建AID肠型及其特征评分E-score,并分析其对于指导AID治疗预后的价值。4.探究不同肠型及其特征评分E-score对小鼠关节炎症的影响,挖掘不同肠型及其特征评分对菌群代谢产物、细胞因子等水平的影响。方法:1.采用高通量二代测序检测1102例AID和475例HC受试者的16s r RNA肠道菌群扩增子。用Microbiota Process和Bray-curtis距离比较两组间Alpha多样性和Beta多样性的差异。用PICRUSt2软件基于16s r RNA序列预测功能丰度。采用STEMP软件比较各组之间的差异物种和代谢通路的差异。采用Dirichlet多项式混合无监督聚类描述微生物组数据的变异性,对受试者肠道菌群分型,挖掘受试者肠道菌群的特征。2.收集13937例AID和267例HC受试者的外周血,用流式细胞技术(FCM)检测其外周血总T(CD45+CD3+)、B(CD45+CD3-CD19+)、CD4+T(CD45+CD3+CD4+)、CD8+T(CD45+CD3+CD8+)、NK(CD45+CD3-CD16+CD56+)、Th1(CD4+INFγ+)、Th2(CD4+IL-4+)、Th17(CD4+IL-17+)、Treg(CD4+CD25+Foxp3+)的绝对计数;同时用CBA法检测受试者外周血IL-2、IL-4、IL-6、IL-10、INF-γ和TNF-α等细胞因子水平,AID和HC的总体差异采用独立样本T检验,各种AID与HC之间采用ANOVA方差分析。3.采用Pearson相关检验分析差异的菌与淋巴细胞亚群和细胞因子的相关性。采用Dirichlet多项式混合无监督聚类描述微生物组数据的变异性,进而挖掘AID肠型特征,据不同肠型的优势菌构建肠型E-score评分,评价肠型及E-score评分对甲氨蝶呤治疗响应情况的评估能力。4.给予CIA小鼠高膳食纤维饮食重塑肠型,观察普通饮食和高膳食纤维饮食下CIA小鼠的肠型及E-score变化,比较并分析不同肠型及E-score评分下CIA小鼠关节炎分数、组织病理特征、骨量变化及血清短链脂肪酸及细胞因子的水平。结果:1.AID菌群的Alpha多样性不足其Observed指数、Chao1指数、ACE指数、Shannon指数、Simpson指数和Puelou’s evenness J指数均明显低于HC(P<0.001)。与HC相比类风湿关节炎(Rheumatoid arthritis,RA)、系统性红斑狼疮(systemic lupus erythematosus,SLE)、原发干燥综合征(primary Sjogren’s syndrome,p SS)、未分化脊柱关节病(undifferentiated spondyloarthropathy,USPA)、强直性脊柱炎(ankylosing spondylitis,AS)、白塞氏综合征(Behcet’s syndrome,BD)菌群的丰富度和均匀度均明显减少(P<0.05);多肌炎/皮肌炎(Polymyositis/dermatomyositis,DM/PM)、混合性结缔组织病(mixed connective tissue disease,MCTD)、血管炎(Vasculitis)的均匀度明显减少(P<0.05)但丰富度的下降无统计学差异(P>0.05);银屑病关节炎(Psoriatic arthritis,Ps A)的Alpha多样性有下降趋势但无统计学差异(P>0.05)。2.RA、SLE、p SS、USPA、AS、BD、DM/PM、MCTD、Vasculitis菌群Beta多样性均异于HC(P<0.05),Ps A的Beta多样性虽不同于HC,但此差异无统计学意义(P>0.05)。因AID不同疾病类型的菌群Beta多样性存在较大差异,故掩盖了AID总体与HC的Beta多样性差异(P>0.05)。3.AID和HC肠道菌群的组成在门水平上主要包括厚壁菌门、拟杆菌门、变形菌门、放线菌门、疣微菌门、梭杆菌门、脱硫杆菌门、蓝菌门、协同菌门、广古菌门、弯曲杆菌门;在属的水平上主要有拟杆菌属、柔嫩梭菌属、大肠-志贺氏杆菌、普氏菌、罗氏菌属、醋菌属、布劳特氏菌属、小杆菌属、罕见小球菌属、副拟杆菌属、双歧杆菌属,其门和属水平上的相对丰度不同(P<0.05)。4.AID与HC肠道菌群的代谢存在巨大差异,其中硫辛酸的新陈代谢、Propanoate代谢、牛磺酸和低牛磺酸代谢、脂多糖生物合成、谷胱甘肽代谢等功能较HC升高(P<0.01);而组氨酸代谢、RNA聚合酶等代谢较HC明显降低(P<0.001)。5.根据AID和HC肠道菌群特征,AID和HC均可分为两个肠型E1和E2。在门水平上,E1和E2的优势菌分别为厚壁菌门和变形菌门。在属水平上,E1和E2的优势菌分别为普氏菌属和拟杆菌属。不同肠型间在AID和HC中Alpha多样性(P<0.001)、Beta多样性(P<0.001)、菌群构成、相对丰度及代谢均存在明显差异(P<0.05)。6.与HC相比,AID的T、NK、Treg细胞水平降低(P<0.001),Th1和Th17水平偏高(P<0.001)。7.各AID患者的Treg细胞水平普遍降低,其中RA、SLE、p SS、USPA、AS、BD、DM/PM、MCTD、Vasculitis均明显低于正常人(P<0.05),尤其以SLE降低最为明显。8.各效应T细胞(Teff)与Treg细胞的比值在AID中呈增高趋势,与HC相比,AID的所有Teff/Treg(T/Treg、B/Treg、NK/Treg、CD4+T/Treg、CD8+T/Treg、Th1/Treg、Th2/Treg、Th17/Treg)均明显升高(P<0.001)。各AID患者的Teff/Treg均不同程度地较正常人升高(P<0.05)。9.不同AID的免疫细胞存在差异,其中SLE和Myositis表现为普遍性地淋巴细胞亚群减少,AS、Ps A等主要表现为Teff增多和Treg减少的特征。10.AID患者的IL-2、IL-4、IL-6、IL-10、IL-17、INF-γ和TNF-α等细胞因子水平均高于HC(P<0.001),其中以RA的IL-2、IL-6、IL-17、TNF-α的升高最为显著(P<0.001),USPA、AS、Ps A、Gout均呈现出诸多细胞因子极度增高特征(P<0.001)。11.无论是门水平还是属水平,AID患者肠道中诸多菌及其预测的代谢功能与T、B、NK、CD4+T、CD8+T、Th1、Th2、Th17、Treg细胞数和IL-2、IL-4、IL-6、IL-10、INF-γ、TNF-α等细胞因子的水平相关(P<0.05)。12.通过肠型优势菌群构建了肠型评分E-score,可以很好地区分E1、E2两种肠型,ROC曲线下面积ACU为93.3%(95%CI:90.2%-96.3%)。E1的E-score明显低于E2(P<0.001)。13.E-score可有效评价MTX的响应率:高E-score的RA患者MTX的治疗响应率为21.4%,低E-score的RA患者MTX的治疗响应率为69.2%。不响应组(NR)的E-score明显高于响应组(R)(P<0.05)。14.高膳食纤维饮食的CIA鼠E-score较普通饮食更低(P<0.01),肠型向E1型转化。15.与E2型相比,E1型CIA小鼠的足爪关节炎分数更低,膝关节组织病理骨破坏程度更轻,骨矿物质含量水平更高,骨表面积和骨体积的比值(BS/BV)明显偏低,相对骨体积或骨体积分数(BV/TV)明显升高,且差异程度与E-score呈现高度相关性(P<0.05)。16.E1型CIA小鼠血清总SCFA、丙酸、异丁酸明显高于E2型小鼠,且高低水平与E-score呈现高度相关性(P<0.05)。17.E1型CIA小鼠血清IL-10水平高于E2型(P<0.01),且IL-10水平与E-score呈负相关(R=-0.680,P=0.014)。结论:AID的菌群紊乱,淋巴细胞及其细胞因子异常。紊乱的菌群和免疫细胞及其分泌的细胞因子密切相关。AID患者的肠道菌群按其优势菌可以分为E1和E2两种肠型,根据其肠型特征构建的E-score评分可用于评价对甲氨蝶呤治疗的响应程度。高膳食纤维饮食可降低E-score评分,诱导肠型向E1型转化,改善CIA小鼠关节炎的症状,其机制可能是低E-score或E1型的肠道菌群产生更多的短链脂肪酸,刺激抗炎性IL-10细胞因子的分泌,诱导了小鼠的自身免疫耐受。
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