本研究对106名受试者进行了长达4年的随访（图1a），健康状态每3个月采集一次样本，在环境改变或医学应激状况下，如呼吸病毒感染（RVI），免疫接种的早期、后期和恢复期等，额外增加访问次数（图1b）。每次访问时，收集血液样本进行宿主的组学分析，收集粪便和鼻拭子进行微生物分析。并记录受试者一系列的分子和临床检测数据，包括药物使用、身体活动、饮食偏好等（图1c）。共获得13379个转录本（RNA-seq，来源于外周血单核细胞 PBMC），722种代谢物（LC-MS/MS）、302种蛋白质（SWATH-MS，来自血浆），以及62种细胞因子和生长因子、成千上万来自肠道和鼻腔的微生物（16S测序）。
图1 实验设计、样本队列和数据分析的概述
糖化血红蛋白 A1C 浓度：计算三个月内平均浓度，糖尿病≥6.5％>前驱糖尿病≥5.7％
空腹血糖浓度：糖尿病 ≥ 126 mg dl–1 > 前驱糖尿病 ≥ 100 mg dl–1）
口服葡萄糖耐量实验 OGTT：糖尿病葡萄糖≥200 mgdl-1>糖尿病前期≥140 mgdl-1，2小时测定
个体可以产生胰岛素但仍血糖高，便是因为细胞对胰岛素产生抵抗 。前驱糖尿病和 T2D 通常与胰岛素抵抗相关。胰岛素敏感/抵抗可通过稳态血浆葡萄糖浓度（SSPG）评估：胰岛素敏感（SSPG <150 mg dl-1），胰岛素抵抗（SSPG≥150 mg dl-1）
研究者评估了个体在不同时间点、个体与个体间，以及不同类型的分子和微生物间的差异。共描绘了624个健康基线样本，从图 2a 可以看出，临床试验结果和细胞因子个体间差异最大，而转录组具有相似的个体内和个体间差异。肠道微生物显示更高的人群间的差异。图 2a 的下图显示受试者之间基于 Top30 分析物的不同分离模式，不同颜色表示不同的受试者。
图2a 观察到的健康基线样本差异
SSPG 值的高低可以表征胰岛素敏感（IS）还是抵抗（IR）。基于 SSPG 值的回归分析和其他临床数据的关联分析，发现85种测量物与 SSPG 水平显著相关（图2b）。其中 SSPG 与炎症和免疫反应增加呈正相关，IR 炎症水平更高。IR 也与脂质生物学改变有关，几种长链脂肪酸和多不饱和脂肪酸的水平也与 SSPG 呈正相关。总之，胰岛素抵抗与较高的炎症和脂质代谢改变相关。
图2b 健康基线样本与 SSPG 显著相关的物质的表达情况
3.呼吸道病毒感染（RVI）时，宿主分子通路和肠道及鼻腔菌群发生广泛变化
为了更好地了解 RVI 期间发生的变化，研究分5个时间点取样：RVI 感染前健康期（-H）、RVI 感染早期（EE，感染后1-6天）、RVI 感染晚期（EL，感染后7-14天）、RVI 感染恢复期（RE，感染后15-40天）、RVI 感染后健康期（+H）。使用曲线下面积（AUC）来统计随时间的差异表达，共鉴定了2026种转录物，11种细胞因子，145种代谢物，29种蛋白，11种肠道微生物类群，30种鼻腔微生物类群和25种临床检测数据。
基于转录组、蛋白质组、细胞因子和代谢组的整合数据分析，鉴定到与防御反应相关的一些通路变化，如白细胞介素信号通路、mTOR 信息通路，以及 B 细胞和 T 细胞受体信号通路等（图3a）。图 3b 左显示与 RVI 相关的重要信号通路（黑色）、肠道菌群（绿色）、鼻腔微生物菌群（蓝色）和临床检测结果（红色）。图 3b 右侧图显示 RVI 感染后，肠道和鼻腔的微生物组发生了显著变化。
图3ab RVI 感染期间响应差异的动态变化
4.胰岛素抵抗者（IR）和敏感者（IS）对 RVI 反应不同，RVI 可能增加 IR 患糖尿病风险
与胰岛素敏感者（IS）相比，胰岛素抵抗者（IR）的 RVI 感染后变化较少，且受影响的通路也不相同（图3c）。值得注意的是，大多数免疫相关途径在 IS 者的 EE（感染早期）阶段被上调，而在 IR 者的 EL（感染晚期）阶段之前几乎没有明显的免疫应答。总体而言，RVIs 感染会使 IR 者发生代谢紊乱（如 T2D）的风险增加，同时也会让其 RVI 感染期间免疫应答受损。
图3c 胰岛素抵抗者（IR）和敏感者（IS）对 RVI 反应不同
5.胰岛素抵抗者（IR）宿主-菌群关联异于非IR者
研究者同时测量了宿主和微生物中的数千种分子，并比较胰岛素敏感（IS）和抵抗个体（IR）之间这种宿主-菌群关联的差异。发现 IS 者与 IR 者相比，具有不同的宿主-菌群关联，且肠道微生物之间的内部关联也存在不同。图5a显示每种肠道微生物在 IR 和 IS 者中独特且具有显著统计学意义的关联。图5b显示5种 IS 者显著特异，但 IR 者没有的肠道微生物与宿主代谢物之间的相关性。总之，这些观察表明菌群-宿主的关联在胰岛素敏感者和胰岛素抵抗者中存在不同。
图5 相互关系网络研究胰岛素抵抗者和胰岛素敏感者之间不同的多组学关联结构
6.单人多组学数据纵向追踪，发现 T2D 发病前的早期分子特征
对多组学图谱的分析揭示每个个体都有一组独特的分子，有别于群体平均值（图6a）。一名编号 ZNED4XZ 的受试者在受访时表现为“健康”，但是其代谢物和细胞因子与群体相比，表现为异常。这名受试者在最后一次首访的10个月后，被医院临床诊断为 T2D。
对这名患者纵向多组学数据的追踪，表明了她 T2D 发病的分子机制：白细胞介素-1受体拮抗剂（IL-1RA）和高敏感 C 反应蛋白（HSCRP）在患者被确诊为 T2D 的最后三次健康访问时显著升高（图6b）。值得注意的是，沿着受试者的 T2D 发展路径，262个额外的分子遵循与 IL-1RA 相同的趋势。在与 IL-1RA 高度相关的分子中，研究者发现了一些外源性物质，如甲基尿酸和甲基黄嘌呤，它们是与葡萄糖耐量受损有关的肠道微生物的代谢物。
因此，通过对 T2D 进展期间的多组学检测，研究者鉴定了数百种分子，它们在 T2D 确诊前变化显著，且可能与该个体中 T2D 发展的潜在机制相关。
图6 通过纵向追踪揭示 T2D 发病前的个人特征
本研究对106名受试者进行了长达4年的随访，包括在身体健康状态和应激状态下（如 RVI、接受免疫或使用抗生素等），并对采集的样本进行转录组，代谢组，细胞因子、蛋白质组以及微生物组的分析。多组学数据揭示：1）健康个体也是各不相同的，因此不能使用群体测量来诊断个体；2）呼吸道病毒感染（RVI）和免疫反应期间，宿主和微生物发生广泛变化；3）关联分析揭示胰岛素抵抗个体和胰岛素敏感个体具有不同的宿主-微生物相互作用；4）从一位受试者的纵向多组学数据，本研究确定了 T2D 发病前的早期分子特征，不过需要进一步的工作来评估该机制在多大程度上适用于其他 T2D 病例。
总体而言， 本研究揭示了葡萄糖失调和健康个体在健康和患病状态下具有不同的通路和反应，并为进一步研究健康、前驱糖尿病和 T2D 状态提供了开放的数据支持。
参考文献：
Zhou W, Sailani MR, Contrepois K, Zhou Y, et al. Ahadi S1Longitudinal multi-omics of host-microbe dynamics in prediabetes. Nature. 2019 May;569(7758):663-671.
