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客观的减少FODMAPs(可发酵的低聚糖,双糖,单糖和多元醇)可以在肠易激综合症临床有益,但机制不完全清楚。我们旨在检测微生物签名可能应对低FODMAP饮食和评估预测微生物群组成和功能变化可以提供洞察其行动的模式。
设计我们使用宏基因组确定高分辨率的分类和肠易激综合症病例粪便微生物群的功能配置和家庭控制(n = 56双)在他们平时的饮食。临床反应和微生物群的变化进行了研究在4周后41对低FODMAP饮食。
结果无监督pre-diet识别两个截然不同的微生物群的基线IBS案例分析资料,我们称为肠易激综合症P(pathogenic-like)和肠易激综合症H(健康)亚型。肠易激综合症P微生物在厚壁菌门和基因丰富氨基酸和碳水化合物代谢,但在拟杆菌物种枯竭。肠易激综合症H微生物是类似于控制。低FODMAP饮食,肠易激综合症H和控制微生物群未受影响,但肠易激综合症P签名转向health-associated微生物与拟杆菌的增加(p = 0.009),减少壁厚菌门物种(p = 0.004)和初级代谢正常化的基因。临床应对低FODMAP饮食在IBS大P主题与肠易激综合症H(p = 0.02)。
结论肠易激综合症病例的50%体现“致病”的肠道微生物的签名。这个转向低FODMAP饮食健康档案;和肠易激综合症P情况下显示一个增强临床反应的饮食疗法。减少FODMAP IBS的有效性P可能会改变肠道微生物群和代谢物的生产。微生物群签名可能是有用的生物标志物指导IBS的治疗;和调查肠易激综合症P物种和代谢途径可能产生的见解关于肠易激综合症的致病机制。
- 肠道微生物
- 饮食
- 肠易激综合症
数据可用性声明
数据在公共、开放访问存储库。原始测序数据可在ENA研究加入号码:ERP021923Processed数据提交的补充材料。源代码和脚本复制所需提交的分析http://github.com/kevinVervier/IBS。
这是一个开放的分布式依照创作共用署名4.0条Unported (4.0) CC许可,允许他人复制、分配、混音、转换和发展这项工作为任何目的,提供了最初的工作是正确地引用,执照的链接,并表明是否变化。看到的:https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/。
来自Altmetric.com的统计
本研究的意义
已知在这个问题上是什么?
肠易激综合症患者经常回复低FODMAP(可发酵的低聚糖,双糖,单糖和多元醇)的饮食。
肠道微生物群与肠易激综合症。
微生物群在IBS患者可能会改变饮食。
有什么新发现吗?
我们能够分层IBS患者根据他们的肠道微生物群的物种和代谢基因签名。
我们发现了一个不同的肠道微生物群与一个增强的临床亚型响应低FODMAP饮食与其他科目相比,肠易激综合症。
它会如何影响临床实践在可预见的未来吗?
微生物群签名作为生物标志物的潜在开发管理IBS患者低FODMAP饮食建议。
如果细菌在肠易激综合症P子类型显示在IBS发挥致病作用,也许通过他们的代谢活动,这为新疗法提供了一个目标,一个中间表型的评估。
介绍
IBS影响全球10% - -15%的人口。1它影响生活质量2和明显增加卫生经济成本。3肠易激综合症的病理生理学包括内脏神经敏感度的变化,4肠道通透性5和心理因素。6一些证据显示肠道微生物组作为一个关键IBS的病因相关因素。例如,有一个6倍的风险增加发展中IBS感染性肠胃炎的一集后,7益生菌和饮食干预可以减少症状8 9和粪便移植已报告在治疗IBS疗效。10最近的研究使用16 s rrna概要提出一个改变肠道微生物群在IBS科目与控制。尽管早期研究的结果变化很大,最近的研究更加一致表明拟杆菌的减少在IBS的情况下与控制。11 - 13然而,肠道微生物群的方式和IBS症状有关的机械化仍知之甚少。
IBS症状可以用低纤维的饮食减少结肠微生物发酵生产氢气和甲烷,导致腹胀。9最近,饮食避免可发酵的低聚糖,双糖,单糖和多元醇(FODMAPs)已经证明效力。14日至17日机制的讨论,18但可能涉及调制微生物群的组成和代谢物生产。19许多患者的低FODMAP饮食是具有挑战性的,往往需要增加时间准备饭菜,配方适应和方便食品的选择更少。它们对健康的长期后果是未知的。因此,有一个公认的需要更好地理解低FODMAP饮食是如何工作的,20.和理想的识别预测反应的生物标记物。
为了准确链接改变肠道微生物群结构的饮食,包括低FODMAP饮食,详细分类分析和量化的微生物丰度是必需的。健康成年人的肠道微生物群是多样化,由数以百计的细菌物种拟杆菌门和厚壁菌门的门,用更少的物种从放线菌和变形菌门。21这是由饮食和免疫力,影响新陈代谢和认知。22日23日而16 s rRNA的研究提供了宝贵的见解肠道微生物群和肠易激综合症,他们无法实现分类解决物种水平。微生物文化和宏基因组测序技术现在启用详细的分类和功能描述。24
本研究的目的是确定生物标志物的应对低FODMAP饮食和获得洞察微生物变化潜在治疗成功使用高分辨率的宏基因组和功能分析的主题与肠易激综合症和家庭控制之前和在低FODMAP饮食。
材料和方法
主题
病例对照研究的前瞻性单中心招募参与者从2016年到2019年。我们包括成年人(18 - 68岁)会议罗马IV标准25diarrhoea-predominant或混合型IBS(分别IBS-D和IBS-M)和各自的家庭控制。受试者招募了来自英国剑桥大学医院的门诊和通过社会媒体活动。
我们排除了案件与其它胃肠道疾病,怀孕,那些已经在限制饮食(包括那些已经在一个低摄入FODMAPs),和那些已经服用益生菌或药物可能会修改1月内肠道微生物群,如抗生素、质子泵抑制剂、结肠镜检查肠道准备或二甲双胍。26
研究过程中总结图1。参与者评估适用性的顾问和一个营养师。三个后续研究访问由两种胃肠病学高级营养师培训和监管低FODMAP饮食的管理经验。七天的食物日记(记录的前一周的饮食摄入量)收集来自所有参与者和症状严重程度得分捕获使用肠易激综合症的严重程度评分系统(IBS-SSS)。27饮食FODMAP分数评估使用以前公布的定性方法28描述的补充材料(FODMAP分数部分)。
流程图对IBS微生物研究:对IBS的题目数和每个家庭的控制提供粪便样本访问1 - 3。FODMAPs,可发酵的低聚糖,双糖,单糖和多元醇;* IBS-SSS, IBS严重性评分系统。
粪便样本
参与者和他们的家庭控制被要求提供一个粪便样本访问1在正常饮食,4周后低FODMAP饮食(2)在访问和12周后与IBS受试者的FODMAP重新改进饮食(识别个人FODMAP触发),或与IBS恢复平时的饮食对象不是在所有家庭改善饮食和控制(3)访问。样本密封并立即放置在参与者的家在干冰冰箱然后快递转移到存储在48小时内Wellcome桑格研究所的−80°C之前处理。使用MP DNA提取生物医学FastDNA旋转设备的土壤。
宏基因组测序
分析的粪便样本情况下的分类组成和控制,我们使用Illumina公司Hi-Seq猎枪执行宏基因组测序4000平台(读取长度150个基点,450个基点片段大小、平均1200万paired-end读取);总细菌负荷没有评估。原始测序数据被沉积在ENA研究加入号码:ERP021923。Paired-end读文件分类使用Kraken2定制数据库的2754高质量的人类基因组GI (在线补充表1)从784个物种与人类肠道微生物从人类胃肠道细菌培养收集、下载24可耕种的基因组参考29日和国家生物技术信息中心(NCBI)。使用CheckM参考基因组的质量评估,30.我们保持组件> 90%的完整性和< 5%的污染。欧洲蕨31日应用于获得精制了解宏基因组的概要文件。平均1020万测序读在物种分类等级通过我们的平台,对应于一个阅读分类率为86% (在线补充图1)。之间没有区别在指定读计数观察病例和控制(成对Wilcoxon p = 0.7)。使用R语言执行统计分析。32分类资料正常使用中心日志比率(CLR)变换33后估计使用零值cmultRepl函数zCompositionsR包。34
肠易激综合症的无监督分析识别亚种群情况下,我们应用k - means聚类算法CLR-transformed分类概要文件从基线IBS案例样本。最优k获得的价值最大化平均轮廓分数使用fviz_nbclust函数的factoextraR包35负责评估值的聚类质量之间k= 1 - 10。额外的聚类分析只使用家庭控制样品和组合,病例组和对照组的样本。
比较α多样性团体之间进行使用成对Wilcoxon符号秩检验。我们使用特徵的距离33的欧几里得距离CLR转换概要文件来估计β多样性之间的样本。β多样性差异的意义估计使用Wilcoxon rank-sum测试应用于成对Aitchison距离。
集群作业和临床元数据之间的关联寻求使用列联表上的确切概率法或Wilcoxon rank-sum测试在适当的时候(表1)。我们测试了相关性分类/功能丰富和IBS集群通过应用广义线性混合模型使用MaAsLin2软件。36占诱致性样品,随机效应模型通过匹配主题与肠易激综合症和家庭控制,以及纵向样本来自同一个人。原始数据和分析的源代码http://github.com/kevinVervier/IBS。
最大似然树生成使用FastTree V.2.1.1037使用默认参数,和蛋白质排列方式由GTDB-Tk V.1.3.038与classify_wf功能和默认参数。树木与互动呈现带注释的生命之树(iTOL) 5节。39
函数式宏基因组和基因组分析
每个metagenome是使用HUMAnN3进行功能分析40使用默认参数量化MetaCyc通路。41使用MaAsLin2通路进行浓缩36(阈值q值< 0.1)。丰富通路在使用MetaCyc大类分类数据库。
识别基因出现在参考基因组的丰富MetaCyc通路,我们首先收集了蛋白质序列对应于每个基因在每个从MetaCyc数据库和UniProt通路。42BlastP43然后执行每一个蛋白质序列在蛋白质数据库基于544基因组(2754参考基因组的一个子集)的截止E值1平台以及。这组基因的544个基因组包括420 IBS-associated细菌的基因组(56种)代表集群肠易激综合症P和124年health-associated细菌的基因组物种(34)代表集群肠易激综合症H肠易激综合症(见下文P/肠易激综合症H描述)。基因富集用片面的确切概率法计算p值调整业务方法。
结果
组总结
队列是总结图1。病例中,女性居多(73%)和IBS-M是最常见的亚型(59%)。报道14例(25%)症状出现后的一集肠胃炎。在基线中位数IBS-SSS 56例是272,45例(88.2%)得分中等(IBS-SSS > 175 - n = 25)或严重(IBS-SSS > 300 - n = 20),符合典型的人口呈现胃肠病学诊所。28在控制,IBS-SSS得分中值为7.5(范围0 - 196)。受试者的平均年龄为38.7岁(范围18 - 68)和控制44.6 (18 - 74)。
比较肠道微生物群的肠易激综合症病例和家庭控制
宏基因组进行测序234份粪便样本参考基因组序列的映射读取紧随其后。24我们的家庭控制减少了环境因素的混淆(宠物、流行的饮食,卫生体制)和重要的肠道微生物可以经常在同居人之间传播。44事实上,我们观察到样本来自同一个家庭更为保守的微生物群组成与整体可变性之间所有病例和所有控件(图2 c在线补充e-05 Wilcoxon p = 6.02)。占这种潜在的“在随后的分析中,我们应用两两比较。
我们首先关注理解成分变化在识别潜在的致病细菌物种失衡IBS肠道微生物组。我们比较基准样本使用Chao1指数的物种数量(丰富)和香农指数不同物种的相对多度(α多样性)。丰富并没有降低在IBS的情况下(成对Wilcoxon p = 0.12) (在线补充图2),但我们确实观察α多样性较低在IBS情况下与控制(配对Wilcoxon p = 0.0092;在线补充图2 b)。我们也测量β多样性使用特徵在基线微生物群样本之间距离和观测到更多分类变化在病例对照组相比患肠易激综合症(图2 c在线补充成对Wilcoxon p = 1.3 e - 79)。
分层的肠易激综合症病例根据肠道微生物群组成子类型
多样性的高可变性观察基线微生物内肠易激综合症病例的探索可能的分层的微生物组剖面,确定没有发现明显的信号,我们的初步分析。因此我们进行无监督数据clustering-a hypothesis-free方法设计识别微生物群subtypes-in基线56 IBS对样本。这个分析显示最优数据分离实现分裂成两个截然不同的微生物群分类集群,与28例分配到每个(图2一个,在线补充图3 a, B)。
分析微生物群的多样性配置文件。(一)肠易激综合症病例和健康对照组β多样性分析:主坐标分析一分之二组件标识中两个截然不同的集群情况下,描述为集群1 (cl1、红)和集群2(这有点难度,蓝色)。总体分散的家庭控制是用灰色表示。PC2方差解释PC1: 10%: 8%。2754 (B)系统发育树生成人类肠道细菌隔离使用120核心基因。外圆区分细菌丰富cl1(红色;n = 420)和细菌基因组cl2丰富(蓝色;基因组n = 124)。五大流行的家庭在每个集群命名。分支颜色区分细菌类群属于放线菌(黄色; n=363 genomes), Bacteroidetes (green; n=675 genomes), Firmicutes (dark blue; n=1562 genomes) and Proteobacteria (purple; n=154 genomes).
这个群体分层在两组复制时考虑情况下搭配家庭控制(在线补充图3 c, D),但我们不能只观察一个强大的分离,当集群家庭控制(在线补充图3 e, F),这表明大部分的信号捕获这些集群来自可变性在IBS的情况下。主坐标分析肠易激综合症病例仅捕获一个更大的可变性以及前两个组件(在线补充图4PC2, PC1: 14%: 9%)相比,病例加控制。微生物组成的集群2例明显更类似于家庭控制与集群1例使用成对的不同(Wilcoxon p = 0.0037,在线补充图5)。与整体可变性相比以前观察到的所有肠易激综合症的情况下,在每个集群是守恒的微生物群的多样性(在线补充图6e-08 Wilcoxon p = 2.2)。我们没有发现显著差异在年龄、性别、身体质量指数(BMI)、肠易激综合症的亚型,感染后肠易激综合症或伴随药物之间的两个集群(表1)。基线症状严重程度得分出现在集群1适度高于集群2(中位IBS-SSS = 302和249),但这不是统计学意义(Wilcoxon p = 0.17)。
细菌物种的数量(丰富)出现相应降低集群1例与集群2中微生物(Wilcoxon p = 0.033),但没有这样的观察差异各自的控制(Wilcoxon p = 0.57) (在线补充图7)。例和相同的集群控制显示比较丰富(成对Wilcoxon集群1 p = 0.073,集群2 p = 0.69)。香农多样性(α多样性)显然是低IBS集群1相对于集群2例(p = 0.0002),但这种差异并不是之间各自的控制(p = 0.078) (在线补充图7 b)。从集群1例有较低的α多样性相比,他们的家庭控制(成对Wilcoxon p = 0.0029),而这并不是观察到集群2(成对Wilcoxon p = 0.41)。总体而言,我们的研究表明,细菌物种越来越少在集群1例微生物和丰富档案是偏向一组小的细菌与集群相比,2。
阅读丰富分析确定不同的细菌种类之间的差异在两个IBS亚型在基线(MaAsLin2 q值< 0.1;在线补充表2)。共有87个物种被确定为两者之间的显著差异丰富IBS亚型(56在集群1日和31日在集群2),但没有这样的显著差异之间观察到相应的家庭控制。在IBS集群1中,我们观察到显著增加壁厚菌门的细菌门包括已知的人类病原体(艰难梭状芽胞杆菌,Paeniclostridium sordellii,perfringens梭状芽胞杆菌,链球菌anginosus)(在线补充图7 c)和一个相当消耗的多拟杆菌和Parabacteroides物种(在线补充图7 d)。系统发育分析显示明确区分厚壁菌门的优势种门在集群1和优势种Bacteriodetes集群2门(图2 b)。然而,我们并没有观察到丰富的显著差异这两个团体之间的门(MaAsLin2核反应能量:厚壁菌门:0.2,拟杆菌门:0.78),表明不同的物种,而不是一个整体的一个子集厚壁菌门和拟杆菌门不平衡。
因此,我们发现IBS亚型与独特的微生物群签名在基线:集群1包含细菌多样性较低,在同桌的物种枯竭的拟杆菌门从硬壁菌门菌门和丰富的物种,包括人类病原体;和集群2区别健康家居控制。我们将集群1称为肠易激综合症P其致病性微生物类型属性和集群2磅H微生物由于其类型相似,健康的家庭控制。
浓缩的肠易激综合症的主要在肠道微生物代谢基因P病人
细菌物种拟杆菌门和厚壁菌门的类群进化和生理上是截然不同的,和不同的核心功能有助于肠道微生物组。因此,我们推断,肠易激综合症的功能能力P微生物可能导致肠易激综合症的症状。识别功能的微生物之间的差异两个IBS亚型,我们执行一个分析功能基因组的编码能力基线IBS的样本P和肠易激综合症H病人。这个分析是独立于以前的分类分析。我们发现一个重要的109年浓缩功能通路和肠易激综合症的重要消耗13功能通路P微生物与肠易激综合症H微生物(在线补充表3)。进一步功能分类表明,绝大多数的丰富通路在肠易激综合症P微生物组(78.7%)可划分为五个主要功能类别相关的主要代谢(图3)。这个信号是复制的分析包括控制样本,在51的53重大的发现已经发表在112年的途径。它表明功能性肠易激综合症之间的区别P和肠易激综合症H病人不是归因于环境/生活方式因素。
肠易激综合症的功能和分类描述P受试者基线微生物。饼图显示分布的路径识别为肠易激综合症的明显富集P受试者在基线和彩色根据他们MetaCyc功能类别。选择的候选路径以行表示在饼图(彩色)。物种丰富IBS之间明显不同P和肠易激综合症H对象表示列和彩色的门在绿色和蓝色的厚壁菌门(拟杆菌)。对于每个通路和物种,在各自的富足是斯皮尔曼相关报道(从正面的红色,负面的蓝色)。
自氨基酸生物合成(25%)和碳水化合物代谢(15.7%)的两个主要的功能类别单独的肠易激综合症P和肠易激综合症H情况下,我们下一个目标进行功能富集分析肠易激综合症P微生物在物种水平。氨基酸生物合成,确定重要的浓缩与色氨酸的生物合成相关基因的,苏氨酸和组氨酸(在线补充图8)。等效分析识别出的碳水化合物代谢乳糖代谢基因的重要浓缩,果糖代谢和海藻糖代谢,和两个短链脂肪酸的生物合成(SCFA):丁酸和丙酸(在线补充图9)。
我们的研究结果表明特定功能参与氨基酸的生物合成和代谢的简单饮食糖类在IBS的细菌是不同的特性P集群在基线,未在IBS的细菌H集群。相关成分(图2 b)和功能(图3)特性确定候选物种与IBS相关的一个子集P集群(图3)和富含重要的途径。强烈正相关观测之间的大量的这些途径和细菌物种丰度与已知的致病能力(c . 固执的,p . sordellii,c . perfringens)和pathobiont与加州大学(Faecalicatena gnavus,以前叫瘤胃球菌属gnavus45)。同桌的物种在IBS耗尽P病人没有编码这些途径。
低FODMAP膳食干预纠正肠易激综合症P微生物组
共41肠易激综合症病例和他们的家庭控制低FODMAP饮食随访4周提供粪便样本中在饮食。没有显著差异FODMAP分数在基线或肠易激综合症之间的饮食P和肠易激综合症H集群,正如预期的那样,每个集群饮食得分显著下降(在线补充材料1-FODMAP分数,Wilcoxon p = < 0.00001)。有显著减少IBS-SSS低FODMAP饮食(意味着IBS-SSS pre-diet = 278,饮食= 128)(图4一)。这是观察到两个窝藏肠易激综合症的病人P和肠易激综合症H类型微生物(图4 b),但反应的程度上的差异在IBS更加明显P在IBS患者(ΔIBS-SSSP= 194和肠易激综合症H= 114;Wilcoxon p = 0.02) (图4 c)。定义的响应率下降IBS-SSS > 50分27访问1和2之间遵循了同样的趋势,但没有达到统计学意义(14/16(87.5%)的肠易激综合症P对IBS的13/20 (65%)H;χ2测试p = 0.12)。
36个受试者进行饮食干预的临床反应和提供IBS-SSS。(一)响应合并肠易激综合症P和肠易激综合症H科目pre-diet和饮食还包括IBS-SSS 15对象访问3。(B)响应pre-diet和集群pre-diet饮食根据微生物群。(C)从pre-diet IBS-SSS值更改为在每个集群为病人饮食价值。Wilcoxon配对的测试是用来评估统计学意义的差别组(p < 0.0001, * * * * * * * p < 0.001, p < 0.05, ns: p > 0.05)。栏高度显示值,误差显示SE。IBS-SSS、肠易激综合征严重程度评分系统。
IBS-SSS仍低于访问1,3个月后完成低FODMAP饮食(平均IBS-SSS post-diet = 117),但获得FODMAP数据的数量在这个时间点不允许分析有足够的力量。
比较基线之间的分类概要(pre-diet)粪便样本和那些在低FODMAP饮食获得4周发现IBS的微生物群组成的重大转变P情况下,但不是肠易激综合症H例和健康对照组(图5一个)。相比之下,肠易激综合症之间的差异P和肠易激综合症H在基线,β多样性分析显示肠易激综合症的微生物组的概要文件P情况下变得更加类似于肠易激综合症H例和健康对照组在低FODMAP饮食。这是明显减少可变性在微生物组合在所有肠易激综合症(IBS病例P+肠易激综合症H饮食与pre-diet(组合)在线补充图10成对Wilcoxon测试p = 1 e-19)。同样明显的是,饮食产生更大的转变在IBS的微生物群组成P相比之下,肠易激综合症H示例配置文件,和一个更大的距离相同的情况下在两个时间点(基线和饮食)(在线补充图10成对Wilcoxon测试p = 0.03)。
微生物组β多样性之前和期间的饮食干预。(一)主坐标分析肠易激综合症病例分为两个集群显示diet-triggered IBS的转变P(红色)只是在肠易激综合症H主题(蓝色)或健康对照组(灰色)。(B, C)饮食干预对分类的影响。线性混合模型识别不同肠易激综合症之间丰富的物种P和肠易激综合症H情况下pre-diet和饮食。中心日志比(CLR)转换是获得代表性物种丰度。(B) Pathobiont物种,如艰难梭状芽胞杆菌在肠易激综合症,变得不那么丰富P在饮食干预。(C)的成员拟杆菌属在IBS变得更加丰富P在饮食干预。(D, E)丰富饮食干预途径的影响。相对丰度代表通路。(D)可发酵二糖的降解海藻糖在IBS变得不那么丰富P在饮食干预。(E)糖酵解在IBS变得不那么丰富P在饮食干预。Wilcoxon测试是用来评估统计学意义的差别组(p < 0.0001, * * * * * * * * * p < 0.001, p < 0.01, p < 0.05, ns: p > 0.05)。盒须显示值和差。
饮食干预转移IBS的分类组成P情况下通过增加拟杆菌水平(B。 皮肤,b . stercorirosoris(包括),减少pathobiont水平c . 固执的,链球菌parasanguinis,Paeniclostridium sordellii对那些在IBS)H(图5 b, C)和家庭控制(在线补充图11)。肠易激综合症的功能概要P微生物也受饮食影响干预,例如,生产减少退化的二糖海藻糖(图5 d)和糖酵解水平下降与肠易激综合症H患者和健康对照组(图5 e)。
低FODMAP饮食结束后,参与者回到一个正常的饮食,虽然情况下限制食品标识为触发他们的症状(在线补充材料1饮食干预部分)。虽然可用的数字3个月随访极限强度的结论在这个计算,似乎没有重大转变的情况下在两个集群的微生物群的多样性相比,在完整的饮食限制(Wilcoxon p = 0.12,在线补充图12)和无显著变化丰富的这些时间点之间的任何细菌类群。因此,肠易激综合症的转变P微生物群石南的姿态出现稳定与持续至少3个月,相关症状幸福(图4一)。
讨论
我们定义两种肠道微生物组亚型在IBS患者不同的签名基于物种和微生物功能,编码和差分低FODMAP饮食的临床反应。虽然微生物早期文学相当不一致有关类群与肠易激综合症和亚型的存在,11可能反映临床异质性,控制和方法的选择等因素,我们的工作与最近的观察研究12日13:杰弗瑞等使用猎枪16 s rRNA微生物基因分析和代谢组学提供的证据IBS微生物亚型,识别Lachnospiraceae物种和浓缩氨基酸生物合成。不仅我们的结果复制这个大IBS组内分层,但基于猎枪宏基因组数据都受益于更大的分类解析,确定选择的增加壁厚菌门物种和拟杆菌物种的消耗在一子组与分析编码的功能微生物的能力。此外,饮食干预允许我们描述每个病人亚型的临床反应;和包容的家庭控制,遵循同样的饮食干预,是一个独特的特点,我们的研究旨在纠正混杂的环境影响。46
我们把IBS微生物亚型肠易激综合症p(致病性)和肠易激综合症H(健康)。总的来说,虽然承认的可能贡献一个安慰剂效应,在我们的研究中改善肠易激综合症病例的75%低FODMAP饮食以减少IBS-SSS超过50分;但更高程度的症状反应被认为与肠易激综合症病例P相比之下,肠易激综合症H微生物组。肠易激综合症P微生物是明显不同于肠易激综合症H例和健康的家庭控制,不同的细菌物种和基因家族的浓缩在肠易激综合症P让我们提出潜在的致病机制。
在dysbiotic肠易激综合症P微生物,我们看到广泛的进化的一个重要浓缩不同壁厚菌门的物种,包括已知的人类病原体(c . 固执的,c . sordellii和c . perfringens),pathobiont与加州大学(Faecalicatena gnavus,以前叫r . gnavus45)和已知的物种未确认为人类pathobionts (c . clostridioforme和Fusicatenibacter saccharivorans)。有趣的是,我们也看到IBS的浓缩P乳酸菌的微生物链球菌parasanguinis和链球菌timonensis通常在口腔中找到。
在功能层面上,肠易激综合症P微生物富集在基因和通路参与碳水化合物的新陈代谢。这可能导致无氧糖酵解和相关的二氧化碳、氢气和甲烷产量和这些微生物个体,随之增加肠道扩张导致增加的症状。单糖中公认FODMAPs乳糖和果糖功能微生物分析为进一步的分析提供了一个候选人名单细菌(在线补充图9)。二糖海藻糖不是FODMAP,但如果无法刷状缘海藻糖酶的酶,例如,由于食物残渣的一致性,它可以进入结肠施加FODMAP-like通过发酵特性。虽然没有明确禁止,食物之间有交叉排除低FODMAP饮食和高的食物在这二糖如蘑菇。值得注意的是,特定的血统c . 固执的已经进化到贪婪地代谢海藻糖和这样做增加丰富吗47——路线的具体的致病细菌物种可能引发肠易激综合症的症状。海藻糖会引发IBS症状加剧特定致病的细菌的生长。
来自FODMAP微生物己糖代谢碳水化合物产生丙酮酸,无氧糖酵解在肠道。丙酮酸是一个关键代谢物提要到SCFA生产。48我们的途径分析在线补充图9在IBS)预测,一些细菌物种丰富P微生物组包含的基因将丙酮酸转化为丁酸(经典通路)和/或丙酸(丙烯酸酯途径)。49丁酸和丙酸是结肠癌的主要代谢物结合GPR受体41,43(丙酸)和109年(丁酸):这些SCFAs色氨酸水解酶基因转录调节肠嗜铬细胞的细胞促进生产色氨酸的5 -羟色胺(5 ht);5 ht是假定为一个关键的代理生产IBS症状。50 51此外,在肠易激综合症P微生物,我们观察到一个浓缩的色氨酸生物合成的基因从而促进这种机制。
我们还发现浓缩在肠易激综合症P微生物生物合成的基因编码的氨基酸包括组氨酸、精氨酸、鸟氨酸、色氨酸,丙氨酸和苏氨酸(在线补充图8)。有趣的是,李等52发现高浓度的苏氨酸、色氨酸和苯丙氨酸,氨基酸等代谢物尸胺、腐胺,IBS患者的粪便样本,提供改变氨基酸代谢的直接证据。组氨酸是组胺的前体,涉及代IBS症状后从肥大细胞释放;组胺本身也可以激活这些细胞。53
尽管我们发现更高层次的特定的病原体在肠易激综合症P微生物,我们没有证据表明他们是通过已知毒素毒力因素导致肠易激综合症的症状。相反,数据显示一个浓缩的主要代谢途径在不同壁厚菌门的物种。我们的分析表明氨基酸的增产潜力;并通过新陈代谢SCFA FODMAP碳水化合物。可能这些代谢物及其衍生品可以在结肠内的高水平,有毒或病理如果在错误的肠道利基,一种代谢毒性,导致肠易激综合症的症状。从我们的工作的一个关键发现是,肠易激综合症P和肠易激综合症H微生物有不同的细菌社区应对低FODMAP膳食干预,定义一个模式的行动提供一个基础。因此,有可能切除引起饮食组件使pathobionts导致减少他们的生长和新陈代谢和症状随之减少,伴随着一个共生体的扩张或导致health-associated微生物共生的物种。证据将饮食、肠道菌群和肠易激综合症的症状P是引人注目的,但研究后,候选生物引入动物模型需要证明因果关系。
尽管案件的数量/控制双(n = 21)在12周后重新提供后续样品FODMAPs相对温和,和一些继续排除特定FODMAP-containing食物,有趣的是,他们的症状(图4一)和微生物(在线补充图12)保持着明显的稳定。这个观点也许有助于解释持久的好处,可以从低FODMAP饮食。
我们观察到一个微分IBS的反应P和肠易激综合症H微生物亚型低FODMAP饮食,这表明一些肠道微生物组更受膳食干预的影响。根据我们的分析,这不是明显的如何或是否肠易激综合症H微生物导致肠易激综合症的症状,因为他们无法区分家庭控制微生物和没有显著改变以应对低FODMAP饮食。在IBS症状H情况下仍略有改善FODMAP减少表明要么指出响应与一个无菌微生物组的组件,如病毒,或者从力学上看是无关的微生物群,而不是反映了直接影响膳食成分及其代谢物在肠道神经功能或渗透负载或事实上只是一个安慰剂效应在这个组。
微生物的存在定义IBS亚型不同反应干预提出了一些先前的研究。在最近的一次粪便微生物群移植研究中,IBS患者对治疗显示浓缩等类群拟杆菌与IBS-SSS减少呈正相关,以及pathobionts下降如链球菌。54在其他的研究中,粪便微生物资料评估商业套件与低FODMAP饮食不同的反应55;和粪便的挥发性有机化合物,假设反映了微生物差异,预测响应低FODMAP饮食或益生菌。56
我们的研究也有局限性。样本量相对温和:严格的入选标准,伴随药物的限制,要求参与的家庭控制需要遵循低FODMAP饮食阻碍招聘。饮食信息仅限于最后一周的介入阶段低FODMAP饮食:参与者可能是试图遵循更严格的饮食本周他们必须报告他们的饮食摄入量。的设计研究中,是不可能排除其他因素,除了饮食,可能会影响观察受益,包括心理影响的评估研究,描述的安慰剂效应,在其他的研究中,和转诊的偏见。我们的发现不同的IBS集群基于微生物组的概要文件,低FODMAP饮食上的变化和临床反应,应该是在其他人群获得验证从不同的地理分布和暴露于不同的饮食习惯。
微生物的鉴定签名“生物标记”,与改善应对FODMAP饮食可能很低,如果验证,允许更好的分层和选择的患者可能受益于饮食。在肠易激综合症P主题,有可能考虑治疗策略操纵微生物群在同一方向,实现相同的症状改善,但不需要进行相同的严格的饮食限制。此外,涉及微生物的进一步研究可能给机会更好地理解之间的交互的饮食,微生物群,代谢物和人类肠脑轴导致肠易激综合症症状的发展超过世界人口的10%。
数据可用性声明
数据在公共、开放访问存储库。原始测序数据可在ENA研究加入号码:ERP021923Processed数据提交的补充材料。源代码和脚本复制所需提交的分析http://github.com/kevinVervier/IBS。
伦理语句
病人同意出版
伦理批准
由剑桥研究伦理委员会批准提供了参考15 / LO / 2128。
确认
我们要感谢病人和家庭控制参与这项研究。还特特蕾西,克里斯·马克斯•Delvincourt Cederwall和你易香港谁导致了病人识别和招聘。这项研究是由阿登布鲁克慈善信托基金(ACT),剑桥和威康基金会桑格研究所的这项研究也支持了NIHR剑桥生物医学研究中心(brc - 1215 - 20014)。作者的观点是,不一定的NIHR或卫生部和社会关怀。
引用
补充材料
脚注
KV和SM是共同第一作者。
TDL和议员联合高级作者。
贡献者TL和MP研究计划。SM、MB、NP、CJK JdlRN患者进行了临床研究和评估。AA, HB,和阿兹女士粪便样本。KV和NK分析了宏基因组数据和报告结果。KV和SM生成的数据和表。正义与发展党和TR导致了科学讨论。KV, SM、TL和议员写了手稿。KV和SM负责整体内容作为担保人。结果和讨论的所有作者批准了手稿。
资金本研究他们得到了艾登布鲁克的慈善信托基金(ACT),剑桥和威康桑格研究所(098051年)和支持的NIHR剑桥生物医学研究中心(brc1215 - 20014)。
相互竞争的利益TR已收到研究/教育拨款和/或扬声器/从AbbVie咨询费用,舞台上,阿斯利康,BMS, Celgene公司,显示出,加拉帕戈斯群岛,基列,葛兰素史克,LabGenius,詹森,Mylan,默沙东公司,诺华,辉瑞,山德士,武田和联合银行。SM已收到研究/教育拨款和/或扬声器/从AbbVie咨询费用。议员已收到研究/教育拨款和/或扬声器/咨询费用从武田,基列和辉瑞。TDL Microbiotica的联合创始人和方案。
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