【原】科研 | Nature Communication：肠道微生物组组成及其与关节疼痛和炎症的关系

微生态 2021-04-13

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编译：胜寒，编辑：小菌菌、江舜尧。

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导读

巨噬细胞介导的炎症被认为是由胃肠道微生物产生的内毒素引发的，其和骨关节炎相关的疼痛和严重程度具有因果关系。在本文中，作者研究了关节疼痛与胃肠道微生物组组成以及骨关节炎相关的膝关节疼痛之间的关系。研究通过链球菌种类的绝对定量发现丰富的链球菌种类与膝盖疼痛的增加有关。此外，作者在867名白种成年人中重复了这些结果。最后证明这种联系由膝关节的局部炎症引起。研究结果表明，该菌群可能是骨关节炎相关膝关节疼痛的治疗靶点。

论文ID

原名：Intestinal microbiomecomposition and its relation to joint pain and inflammation

译名：肠道微生物组组成及其与关节疼痛和炎症的关系

期刊：Nature communications

IF：11.878

发表时间：2019.10

通讯作者：Joyce B.J. van Meurs

通讯作者单位：荷兰鹿特丹大学医学中心

实验设计

在该研究中，作者在以人群为基础的队列中，将粪便微生物组作为肠道微生物组组成与膝关节骨关节炎（OA）严重程度、OA相关的膝关节疼痛(以WOMAC-pain评分衡量)和肥胖相关的指标。作者研究了在粪便微生物样本中链球菌种类(spp.)的丰度、膝关节骨关节炎疼痛、膝关节炎症之间的重要联系。研究结果表明，胃肠微生物群、膝盖的低度炎症和膝盖OA疼痛之间具有真实的相关性。

结果

1 鹿特丹研究微生物组队列资料

对于来自鹿特丹研究(RSIII)的1427名参与者，作者以粪便微生物组作为肠道微生物组的替代物，测定了胃肠道微生物组的组成。在鹿特丹微生物组队列研究中，作者对细菌16S rRNA基因的两个高可变区，即V3和V4进行了测序。质量控制后，使用RDP分类器将16S reads直接与到Silva 16S序列数据库(v128)进行比对进行分类。在域、门、纲、目、科、属等多个分类学层次上进行了分类预测。鹿特丹研究中1427名参与者的胃肠道微生物组组成如图1所示。在队列中，总共有596个单一分类，由于这些细菌不能被临床治疗相关性识别，因此被作为未知和未分类的细菌排除在外。在门的水平上，优势门为Firmucutes(77.8%)和bacterioites(12.5%)，其次是Proteobacteria(4.9%)和Actinobacteria(4.1%，图1)，这与白种人一致。鹿特丹研究微生物组群的一般特征见表1。研究人群(n = 1427)包括57.5%的女性(n= 821)，轻度肥胖，平均体重指数(BMI)为27.5。共有124人患有膝关节骨性关节炎，285人患有膝关节骨性关节炎疼痛(WOMAC疼痛评分>0)，膝关节疼痛的主要为女性(n = 206)。女性平均WOMAC疼痛评分也明显高于男性(表1)。

图1 鹿特丹研究队列中肠道微生物组分类学丰度的示意图。

表1 鹿特丹研究微生物组群的一般特征

2 链球菌过多与OA膝关节疼痛相关

首先，作者研究了不同膝关节WOMAC疼痛评分和OA严重程度的整体微生物组组成是否不同。作者发现在属的水平上膝盖WOMAC疼痛明显和肠道微生物组的β-多样性相关。当BMI被加入模型时，这种联系减弱。个体胃肠道微生物多样性与膝关节WOMAC疼痛无关。作者没有发现胃肠道微生物与α-多样性和β-多样性的联系。

为了更深入地了解肠道微生物分类与膝关节WOMAC疼痛的关系，作者对附加QC后剩下的256个分类进行了多变量关联分析。在对年龄、性别和技术协变量进行调整后，作者发现四个微生物组与膝关节WOMAC严重程度显著相关(FDR < 0.05)(表2)。在对可能的混杂因素(吸烟和饮酒)进行额外校正后，链球菌数量与膝关节WOMAC疼痛显著相关。总之，作者发现肠道微生物群，特别是链球菌的相对丰富度，与较高的膝关节WOMAC疼痛显著相关（除了吸烟、饮酒和BMI等因素）。

表2 肠道微生物相对繁殖量和膝关节疼痛评分的多元线性回归分析

3 链球菌感染不是由口服药物引起的

质子泵抑制剂(PPI)是世界上使用最广泛的非处方药之一。它们被用来治疗胃食管反流和预防胃溃疡。最近的研究表明，使用PPI的人和不使用PPI的人的胃肠道微生物组成有很大的不同，这主要是由于链球菌引起的乳酸杆菌丰度的大量增加导致的。另一种常见的非处方药物是非甾体抗炎药(NSAIDs)，它也会影响胃肠道微生物群。为了探究链球菌数量和膝关节WOMAC疼痛之间的关系是否通过这些药物来调节，作者将PPI和NSAID作为研究模型的协变量(除了年龄、性别、技术协变量、吸烟、饮酒和BMI)。在对这些协变量进行调整后，系数变小了，但相关性仍然显著。因此，链球菌和膝关节WOMAC疼痛之间的联系不是由于使用PPI的混淆效应。由于膝关节WOMAC-pain评分并不是正态分布，作者也使用了可以解释非正态分布的Poisson-regression模型来评估其相关性，结果也是与链球菌有显著的相关性。进一步的敏感性分析排除了没有报告疼痛的个体(n = 1142)或膝关节WOMAC-pain评分被视为异常值的个体(WOMAC-pain评分>10，>4 SD, n = 56)，结果相关系数略有变化。然而，这种联系仍然很显著。总之，这些分析表明，链球菌的相对丰度与膝关节WOMAC疼痛之间的相关性是很强的。

4 链球菌属的定量测定

由于16S rRNA测序获得的相对微生物组数据不能提供有关微生物组分类群丰度变化程度的信息，作者确定了研究人群中链球菌的数量。对于研究队列中的每个样本(n = 1427)，作者使用了属特异性qPCR来量化链球菌的数量，并使用16S rRNA qPCR来量化微生物的总负载。作者计算了链球菌的绝对数量，并通过16SrRNA qPCR对每个样本的微生物的总负载量进行校准化。16S rRNA测序结果与qPCR得到链球菌数量结果相似。在qPCR测量的链球菌绝对丰度中，研究者再次发现在调整了吸烟、饮酒和BMI之后，膝关节WOMAC疼痛程度与链球菌绝对丰度之间存在显著相关性。

为了调整微生物丰度之间可能存在的假共线性关系，作者使用了等度量对数比变换(ILR)。结果表明，链球菌的数量与膝关节WOMAC疼痛相关。

5 链球菌与膝关节炎症相关

链球菌丰度与膝关节WOMAC疼痛相关，可能的机制是滑膜内巨噬细胞的局部启动导致的炎症。在鹿特丹研究微生物组群的随机子集中，有32例在微生物组测量时得到了膝关节核磁共振图像(MRI) (n= 373，均为女性)。通过对双膝胫股关节及髌股关节积液量进行评分，评估膝关节炎症。作者发现WOMAC疼痛评分越高，膝关节积液越多。此外，作者观察到较多的链球菌丰度与较多的关节积液显著相关（表3）。当WOMAC疼痛添加到模型中时，膝关节积液与链球菌的相关性消失，提示链球菌感染与膝关节疼痛严重程度的相关性是由膝关节炎症严重程度导致的。

表3 链球菌与膝关节积液的相关性分析

结论

通过一个大型的、基于表型的人群队列，作者确定了相对和绝对链球菌丰度与较高的OA相关的膝关节疼痛之间的显著相关性。最后，作者提出证据表明这种联系是由关节局部炎症引起的。作者假设丰富的链球菌可能导致血液循环中细菌产物的增加，一方面可能是由于增加通过肠道血屏障的代谢物，也可能是通过激活局部或全身巨噬细胞的免疫原性产物。作者在图2中总结了这个假设模型。

总的来说，作者证明了链球菌数量的增加与骨关节炎相关的膝关节疼痛的增加之间存在联系，但是这种联系的因果关系还有待证实。这种关联的一种可能解释是链球菌诱发或加重了关节局部炎症。链球菌诱发关节炎症的确切机制尚不清楚。作者推测它可能与胃肠道中链球菌产生的代谢物或MVs有关。

关节疼痛是影响临床OA症状的最主要因素之一，OA患者的疼痛具有较高的社会经济负担，因此，寻找能够减轻临床症状，减轻社会经济负担的新治疗方法至关重要。胃肠道微生物组是一个很有前景的治疗靶点，因为它对(饮食)干预改变很敏感。这可能为OA相关的关节疼痛提供一个容易获得和安全的治疗方案。因此，关键在于继续探讨因果机制，努力将目前的研究结果转化为临床实践。