文章标题：Multi-omics insights into the microbiota-gut-brain axis and cognitive improvement post-bariatric surgery
发表期刊：Journal of Translational Medicine
影响因子：7.5
合作单位：武汉大学中南医院
百趣提供服务：新一代代谢组学NGM 2
研究背景
肥胖是全球性的健康问题，常伴随着认知功能下降和肠道微生物群失调等多种并发症。减肥手术是治疗肥胖的有效方法之一，且部分患者在手术后认知功能得到改善，但其中的潜在机制尚未完全明确。微生物群-肠道-大脑轴(Microbiota-Gut-Brain Axis, MGBA)在调节宿主生理和心理健康方面起着关键作用，多组学技术的发展为深入研究这一复杂轴提供了有力工具。
技术路线
①临床样本采集：收集了接受减肥手术的肥胖患者在手术前、手术后不同时间点的粪便、血液和组织样本，同时选取了健康对照个体的样本进行对比研究。
②采用主成分分析(Principal Component Analysis, PCA)、正交偏最小二乘法判别分析(Orthogonal Partial Least Squares-Discriminant Analysis, OPLS-DA)和置换试验进行粪便16S(16S ribosomal RNA)微生物群分析、血清代谢组学和神经影像学分析，构建减肥手术特异性静息态磁共振成像(resting-state functional magnetic resonance imaging, rs-fMRI)脑功能连接网络。
③采用斯比尔曼相关性分析和共惯性分析，将认知评估量表和静息状态功能连接差异网络的显著变化与不同的血清代谢物和16S微生物群数据相关联，以确定关键的肠道微生物群和血清代谢因子。
研究结果
1.减肥手术能降低体重并改善认知功能
入组患者平均年龄、学历等基本特征见表1，这些参与者在腹腔镜袖式胃切除术(Laparoscopic Sleeve Gastrectomy, LSG)前后6个月临床指标数据见表2。LSG在6个月时显著降低体重。此外，使用认知量表评估减肥手术前后的认知功能，主要评估患者的记忆和执行功能。与术前相比，LSG能显著提高多项认知功能指标（表3），表明减肥手术能增强患者的认知功能。
表1. 入组患者基本特征
表2. 术前与术后患者身体指标的比较
表3. 患者问卷调查结果
2.肠道菌群概况
对36例术前和30例术后肥胖患者的肠道粪便样本进行16S rRNA测序，得到了13751个可用OTU。基于这些OTU数据对肠道微生物组进行了结构分析。两组的稀释曲线趋于稳定，表明测序深度可以满足样品中的大多数细菌特征（图1A-E）。菌群相对丰度分布曲线显示，与术前相比，术后组菌群丰度和生态失调现象明显减少（图1F）。
图1. 菌群相对丰度和均匀度分析
Alpha多样性分析表明，术前和术后6个月患者肠道菌群分布具有显著差异。与术前相比，术后肠道微生物群的丰度和多样性明显提高（图2A）。Beta多样性反映了物种的群体间差异。主坐标分析(Principal Co-ordinates Analysis, PCoA)显示，两组间肠道微生物组成和分布存在显著差异（图2B）。相似性分析发现组间差异明显大于组内差异（图2C）。
图2. 肠道菌群的多样性和结构分析
3.减肥手术改变肠道菌群组成
根据OTU注释和丰度表，生成不同分类水平的物种丰度表，分析比较两类群的物种组成。LSG显著影响了从门水平到属水平多个层级的菌群丰度。减肥手术后，患者肠道微生物群的组成和多样性发生显著改变，厚壁菌门和拟杆菌门的相对丰度发生变化（图3A, B），一些有益菌如双歧杆菌属、阿克曼氏菌属等的丰度增加，而某些与炎症相关的细菌丰度减少。
图3. (A)术前组(PRE)和术后组(POST)在门水平上的相对丰度差异；(B)两组在门水平上的关键肠道微生物群差异
在属水平上进行线性判别分析效应大小(Linear discriminant analysis Effect Size, LEfSE)分析发现两组间物种组成存在差异，确定了与术后组相关的特定微生物群落（图4A），表明术后肠道菌群变化与认知功能呈正相关，两组肠道菌群丰度存在明显差异（图4B）。
使用KEGG Pathway数据库对手术前后的肠道微生物组进行功能分析（图4C）。结果显示，72%(36/50)的通路在术后上调。这些通路涉及缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸的生物合成，类固醇和类胡萝卜素的生物合成，以及与核糖体相关的途径，说明LSG可能通过诱导肠道微生物群落的功能变化来调节关键的神经活性代谢物。
图4. 线性判别分析(LDA)、LDA效应大小和KEGG功能分析
4.血清非靶代谢组学分析
代谢物通过血液运输，促进大脑和肠道微生物群之间的交流。因此减肥手术引起的肠道菌群变化可能会影响血清代谢通路的改变，这些通路通过调节大脑功能活动从而潜在影响认知功能。基于此，作者进一步通过LC-MS/MS非靶标代谢组学对血清样本中代谢物进行鉴定。
非靶标代谢组学分析发现，减肥手术后患者血液中的多种代谢物水平发生变化，包括短链脂肪酸、胆汁酸、色氨酸代谢产物等。这些代谢物与肠道微生物群的代谢活动密切相关，且在调节肠道屏障功能、免疫反应和神经信号传导等方面发挥重要作用（图5，图6）。
图5. 术前PRE组与术后POST组的代谢物差异
图6. 术前术后两组差异表达代谢物和代谢通路分析
5.肠道菌群、血清代谢物与认知功能三者的关联分析
利用101个关键肠道微生物属和229个血清代谢物验证减肥手术后肠道微生物与血清代谢物的相关性。结果显示，肠道微生物群与血清代谢物显著相关（图7A），血清代谢物与认知功能显著相关（图7B），关键肠道菌群与认知功能显著相关（图7C）。
图7. 术前术后差异菌群与差异代谢物(A)、代谢物与问卷(B)、差异菌群与问卷(C)的相关性分析
6.LSG影响静息状态的神经活动和与认知功能影像学分析
使用11例患者的rs-fMRI数据评估LSG对脑活动的影响。与术前相比，减肥手术后患者双侧额中回、左侧颞中回、左侧颞下回和左侧枕中回静息状态活动增加，而左侧豆状核和双侧下丘脑静息状态活动减少，参与认知功能调节网络的关键组分明显增强（图8）。
图8. 术后肥胖患者脑功能连通性的特征分析
7.认知相关的血清代谢物和肠道微生物群与脑功能连通性密切相关
作者通过对术前术后血清代谢组和肠道微生物群与功能连接矩阵的共变分析发现减肥手术可能通过改变肠道微生物群和神经活性代谢物来影响大脑认知功能（图9）。
图9. 血清代谢组和肠道微生物群与功能连接矩阵的共变分析
以上结果表明，减肥手术不仅有助于减肥，还可以明显改善患者的认知功能。这种影响可能是由认知相关肠道菌群和神经活性代谢物的改变介导的。
研究结论
减肥手术可引起肠道微生物群落的显著变化，这些变化通过调节微生物代谢产物的产生，对认知功能产生有益影响。微生物群-肠道-大脑轴在减肥手术后的认知改善中起着重要的介导作用，为进一步理解肥胖相关认知功能障碍的发病机制和治疗提供了新的靶点和思路。未来的研究需要进一步验证这些发现，并探索基于微生物群调节的干预策略在改善肥胖患者认知功能中的应用潜力。
