大样本人群揭示肠道菌群与血压之间的关系

大样本人群揭示肠道菌群与血压之间的关系

谷禾健康

最近,欧洲心脏病学杂志《European Heart Journal》发表了荷兰由阿姆斯特丹大学研究的最新成果:“Associations between gutmicrobiota,faecal short-chain fatty acids, and blood pressure across ethnic groups: the HELIUS study(不同民族群体间肠道菌群、粪便短链脂肪酸和血压之间的关系)”,这是首个评估不同种族肠道菌群组成与血压关系的研究。研究人员发现肠道菌群组成和血压之间存在一致的联系,而年龄和种族之间的解释差异很大。

摘要

文章主要调查了不同种族人群肠道菌群、粪便SCFA水平和血压之间的关系。研究人员纳入了来自6个不同种族的4672名受试者(平均年龄49.8±11.7岁,女性占52%)。使用16S rRNA基因扩增子测序对肠道菌群进行分析。利用机器学习预测模型评估菌群组成和室血压之间的关系。在相关性最大的亚组中,比较了200名收缩压较低或较高的受试者的粪便SCFA水平。结果表示,粪便微生物群组成可解释总收缩压方差的4.4%。对收缩压最好的预测因子有Roseburia spp.、梭状芽孢杆菌属、Romboutsia spp.和瘤胃球菌科。微生物群落组成的解释方差在荷兰人中最高(4.8%),但在南亚苏里南人、非洲苏里南人、加纳人、摩洛哥人和土耳其人后裔中很低(解释方差<0.8%)。在低收缩压的年轻的荷兰受试者中,粪便SCFA水平,包括醋酸(P<0.05)和丙酸(P<0.01)水平较低。

背景

高血压是心血管疾病发病率和死亡率的主要可改变危险因素,因此是全世界可预防死亡的最重要危险因素。原发性高血压的发病机制尚不完全清楚,目前被认为是遗传和心血管危险因素复杂的相互作用造成的。来自动物和人类研究的初步证据表明,肠道菌群组成和菌群衍生代谢物的水平,包括短链脂肪酸(SCFAs),都与血压(BP)有关。肠道菌群产生的主要代谢物是短链脂肪酸(SCFAs),这是膳食纤维在肠道发酵的最终产物。动物研究指出,通过肾脏和血管中的SCFAs受体介导,粪便中的SCFAs与血压之间存在直接联系。在人类研究中,证明粪便中SCFA水平与血压之间的关系的证据很少且粪便SCFAs的高低都与较高的血压有关。假设肠道菌群和SCFAs确实与高血压有关,这将为高血压的发病机制和治疗提供新的视角。

实验设计

受试者研究:

随机抽样年龄在18岁到70岁之间的人,按种族分层(荷兰人、南亚苏里南人、非洲苏里南人、加纳人、土耳其人或摩洛哥人)。只选择有可用的血压测量、体重指数(BMI)和粪便样本的参与者。所有参与者都被要求戒烟。体重指数根据身高和体重计算。在仰卧位休息至少5分钟后测量血压,使用经过验证的半自动振动装置连续测量的两次平均值。在静脉血标本中测定空腹血糖和肌酐水平,并使用CKD-EPI公式计算肾小球滤过率(eGFR)。从清晨尿样中测定尿白蛋白/肌酐比值,蛋白尿的定义为大于等于30 mg/mmol。糖尿病的定义是空腹血糖水平升高(≥7 mmol/L)或服用降糖药物。高血压定义为收缩压SBP >140 mmHg或舒张压(DBP)>90 mmHg或使用了降血压药物。

样本采集及16S rRNA扩增子测序

粪便样本采集后需在6小时内处理,如若不能,-20℃最多存放一天,在这期间必须转移至-80℃存放。在采集前一周内出现腹泻或在采集前3周内使用抗生素的参与者的样本不予使用。使用Illumina MiSeq测序16S rRNA基因的V4区来确定粪便微生物群的组成。

粪便短链脂肪酸测定方法

采用高效液相色谱(HPLC)紫外检测粪便中SCFA的含量。对于所有样品,在均质粪便冷冻干燥24小时后测定干重。由HPLC测量得到的所有浓度都根据每个样品的湿重和干重的差异进行了校正。

统计分析

使用机器学习模型来评估肠道菌群组成和血压之间的关系。对全部研究人群和按年龄(<50岁,>50岁)、性别和种族的亚组进行了分析。模型是使用迭代流构建的。在每次迭代中,数据集被随机分成包含20%的参与者的测试集和包含剩余80%的训练集。之后,严格在训练集内进行五次交叉验证,以拟合和优化模型超参数。最后在测试集上对得到的模型进行了评估。在每次迭代期间,两个随机变量被添加到预测器数据中作为基准。Mann-Whitney U检验比较高血压组和低血压组之间粪便SCFAs浓度和丰度。

主要结果

1.肠道菌群的组成与血压有关,而血压在不同种族之间存在很大差异。

a.解释了不同亚组中的肠道微生物组成百分比的变化对血压的影响。在整个队列中,基于肠道菌群组成的机器学习模型可以解释SBP和DBP的4.4%和4.3%的方差,而在年轻人、女性和荷兰人亚组中解释的差异最高。颜色表示解释方差的水平。Afr Surinamese:非洲苏里南人;DBP:舒张压;n.a.:解释这些模型的方差为负;Res:根据年龄,性别,BMI调整的残差;SA Surinamese:南亚苏里南人;SBP:收缩压。

b.不同亚群中微生物群落的香农指数与血压的相关性。(p):相关系数;p:相关性的显著性。在年轻人、女性和荷兰人亚组中显示出与血压的相关性更强。

c.预测到的前10个物种与收缩压的关联图(P<0.0 5,Spearman),除链球菌和克雷伯菌外,其余物种均与SBP和DBP均呈负相关。格子中的数值表示每个物种的相对丰度与收缩压(SBP)和舒张压(DBP)之间的相关系数。红色为负相关,蓝色为正相关,颜色越深,相关性越强。

d.在回归分析中,这些物种的影响效应介于SBP降低6.0 mmHg和升高3.0 mmHg之间,大多数物种的效应大小随着丰度的增加而增加。Roseburia spp对血压的绝对影响最大:中/最高值与收缩压分别为2.3 mmHg (95%CI 1.2-3.5)和6.0 mmHg (95%CI 4.9-7.1)。

Crude model:粗略模型(根据年龄和性别进行校正);Full model:对体重指数、吸烟、使用降压药和糖尿病病史进行额外校正,校正BMI和其他协变量后,效应影响减弱到2-4 mmHg,这表明BMI只是造成这种影响的部分原因。

2.虽然产生SCFA的微生物与较低的血压相关,但粪便中SCFA水平的增加与较高的血压相关。产生SCFA的微生物与粪便SCFA水平呈负相关。因此推测,较高的SCFA上调了肠道对SCFA的吸收,从而导致粪便中SCFAs排泄水平相对较低。

将荷兰参与者的年龄、性别和BMI进行配对,结果有100名参与者的收缩压较低,100名参与者的收缩压较高,对这200名受试者进行高、低血压(BP)与短链脂肪酸(SCFA)水平的比较(盒形图),Mann-WhitneyU统计差异(P<0.0 5)。低收缩压受试者粪便中醋酸(P=0.022)和丙酸(P=0.006)水平显著降低,丁酸水平也有降低趋势(P=0.072)。此外,粪便SCFA水平与前10位物种呈负相关,与SBP、DBP呈正相关(关联图)。

结论

这是首个评估不同种族肠道菌群组成与血压关系的研究。研究人员发现肠道菌群组成和血压之间存在一致的联系,而年龄和种族之间的解释差异很大。观察到的产生SCFA的微生物与血压之间的关联,为SCFAs在血压调节中发挥作用的假设提供了进一步的证据。研究人员认为未来在研究肠道微生物区系与血压的关系时应该考虑到种族差异。用SCFAs进行干预研究,可以更深入地了解这些代谢物对血压的潜在机制。

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