【科研】肠道微生物群的代谢特征与失眠

失眠是一种常见的睡眠障碍，严重影响个体的睡眠质量和日常生活。最近的研究表明，肠道微生物群可能通过各种代谢途径影响睡眠。本研究使用了来自OpenGWAS和FinnGen数据库的两个样本的数据，这两个数据库分别包含遗传和失眠相关数据。遗传数据包括205种肠道细菌途径丰度。在确认其有效性后，研究人员使用多种MR方法分析了SNPs的因果作用。MR分析揭示了特定碳水化合物、氨基酸和核苷酸代谢途径对失眠的显著正向因果效应。关键途径，如糖异生途径（GLUCONEO.PWY）和TCA循环VII乙酸产生者（PWY.7254），与失眠呈正相关（B > 0, p < 0.05）。相反，如己糖发酵至乳酸、甲酸、乙醇和乙酸途径（P461.PWY）则显示出负向因果效应（B < 0, p < 0.05）。多变量MR分析证实了这些途径的独立因果效应（p < 0.05）。敏感性分析表明没有显著的多效性或异质性，确保了结果的稳健性。本研究确定了特定的肠道微生物群代谢途径在失眠发展中发挥关键作用。这些发现为失眠背后的生物学机制提供了新的见解，并提示了潜在的治疗干预目标。未来的研究应进一步验证这些因果关系，并探索如何调节肠道微生物群或其代谢产物可以有效改善失眠症状，从而实现更个性化和精确的治疗策略。

本文译自：Fuquan Xie , Zhijun Feng , Beibei Xu. Metabolic Characteristics of Gut Microbiota and Insomnia: Evidence from a Mendelian Randomization Analysis. Nutrients . 2024 Sep 2;16(17):2943. doi: 10.3390/nu16172943.

杂志名称：Nutrients

影响因子：5.8

通信作者：Beibei Xu

作者单位：中国科学院深圳先进技术研究院

失眠，一种普遍的睡眠障碍，影响着全球数百万人的睡眠质量和日常生活。根据世界卫生组织的数据，大约有10%到30%的成年人遭受失眠的困扰，老年人和有健康问题的人中失眠的发病率更高。失眠不仅仅是夜间的问题；它与各种身体和心理健康问题有关，包括心血管疾病、糖尿病、抑郁和焦虑。此外，失眠还对社会经济产生重大影响，如工作效率降低、事故风险增加和医疗成本上升。

肠道微生物群，通常称为肠道微生物组，包含数千种栖息在人类胃肠道中的微生物物种。这些微生物不仅有助于消化，还影响宿主的免疫系统、代谢和神经功能。近期研究表明，肠道微生物群通过“肠脑轴”影响人类的行为和情绪，尤其是在调节压力反应、情绪和睡眠周期方面。例如，某些肠道细菌会产生与大脑功能相关的神经递质，如血清素和γ-氨基丁酸（GABA），这些物质可以直接或间接影响睡眠和情绪状态。虽然现有研究探讨了肠道微生物群的多样性与各种健康状况之间的关联，但主要集中在微生物物种的类型和数量上。例如，研究表明，失眠患者的肠道微生物群多样性较低，这可能与情绪调节和压力反应机制有关。此外，特定的肠道细菌，如粪肠球菌和双歧杆菌，与更好的睡眠质量相关。然而，关于肠道细菌途径的研究相对较少。肠道细菌途径丰度的研究主要集中在理解微生物群的代谢特征，包括合成各种生物活性分子，如脂质、碳水化合物和氨基酸。这些代谢物在调节体内一系列生理功能中至关重要，包括免疫反应、炎症控制和能量代谢。通过阐明这些相互作用，研究人员可以探讨肠道微生物组的变化如何影响整体健康和疾病状态，为针对微生物群改善健康结果的潜在治疗策略提供见解。例如，由肠道细菌发酵食物残渣产生的短链脂肪酸（SCFAs）具有抗炎和保护特性，并已被证明可以通过血脑屏障直接影响大脑功能和行为。通过研究肠道细菌途径的丰度，我们可以更准确地理解一种或多种肠道微生物群的共同生理作用，从而加深对这些功能性微生物群体的理解。此外，这项研究帮助我们更深入地理解微生物如何通过特定化学信号影响宿主。这种方法为未来基于肠道微生物群相关代谢特征的靶点识别提供了潜在的理论支持。换句话说，肠道微生物途径的研究不仅限于分析微生物物种本身，而是主要关注微生物如何通过其代谢物影响宿主的生命活动。这种方法为微生物如何调节宿主的生理和病理过程提供了新的视角，有助于揭示通过调节肠道微生物群及其相关代谢途径改善健康的机制。

孟德尔随机化（MR）利用遗传变异作为一种工具变量，提供了一种强有力的策略来评估因果关系，并有效地克服了传统观察研究的局限性。本研究假设特定的肠道微生物组途径可能与失眠存在潜在的因果关系。具体来说，我们预期，首先，与肠道微生物组途径丰度密切相关的单核苷酸多态性（SNPs）可能影响失眠的风险。其次，某些微生物途径（如与神经递质产生或代谢相关的途径）可能比其他途径与失眠风险有更强的关联。第三，这些关联可能通过改变肠脑轴的功能或影响与睡眠调节相关的代谢过程（如糖异生）来实现。为了测试这些假设，本研究利用与肠道微生物群途径丰度密切相关的全基因组关联研究（GWAS）数据，采用MR方法探索与微生物途径相关的遗传变异与失眠之间的潜在因果关系。这种方法的创新之处在于其能够直接揭示肠道微生物群的代谢特征与人类睡眠行为之间的因果联系。通过分析特定肠道细菌相关生物途径对睡眠调节的因果效应，本研究不仅为开发新的失眠治疗策略提供了生物标志物和潜在靶点，而且加深了我们对肠脑轴在维持健康和疾病状态中作用的理解。我们希望这项研究能为临床治疗提供新的视角，并指导未来的健康干预措施，最终提高人们的生活质量。

图1. 研究设计流程图及数据分析步骤。N代表全基因组关联研究（GWAS）数据集的数量；Ncase代表患有失眠的样本量；MR代表孟德尔随机化；IVW代表逆方差加权；MVMR代表多变量MR。

1.      不同类型肠道细菌途径丰度对失眠的因果效应

根据MR指南，本分析中包含的GWAS数据集（来自OpenGWAS数据库的205种肠道细菌途径丰度和来自FinnGen数据库的与失眠患者相关的一个GWAS数据集）见表S1。我们首先筛选与暴露变量（205种肠道细菌途径丰度）密切相关的SNPs。在排除潜在的混杂因素后，我们选择了F值大于10的SNPs作为本次分析的工具变量（IVs），以确保它们在MR分析中的合理性和有效性。

使用逆方差加权（IVW）作为主要分析方法的MR结果显示，有九种肠道细菌途径的丰度与失眠存在显著的因果关系（图2，p < 0.05）。其中，与碳水化合物代谢相关的途径，如糖异生途径（GLUCONEO.PWY, ebi-a-GCST90027473）和淀粉降解途径（PWY.6731, ebi-a-GCST90027597），氨基酸代谢途径，如L-异亮氨酸生物合成途径的超级途径（PWY.3001, ebi-a-GCST90027531）和8-氨基-7-氧壬酸生物合成途径（PWY.6519, ebi-a-GCST90027582），核苷酸代谢途径，如腺嘌呤和腺苷补救途径（PWY.6609, ebi-a-GCST90027587），以及其他与代谢相关的途径，如三羧酸（TCA）循环VII乙酸产生者途径（PWY.7254, ebi-a-GCST90027619），对失眠显示出正向的因果效应（B > 0, Pivw < 0.05, 图2）。相反，与碳水化合物代谢相关的途径，如己糖发酵至乳酸、甲酸、乙醇和乙酸途径（P461.PWY, ebi-a-GCST90027503），以及其他与代谢相关的途径，如tRNA处理途径（PWY0.1479, ebi-a-GCST90027522），以及细胞壁生物合成途径，如含间二氨基庚二酸的肽聚糖成熟途径（PWY0.1586, ebi-a-GCST90027524），对失眠显示出负向的因果效应（B < 0, Pivw < 0.05, 图2）。MR分析结果的详细信息见补充表S2。

图2. 森林图显示了肠道细菌途径丰度与失眠之间孟德尔随机化（MR）分析的显著结果。点代表不同MR方法分析方向上的总体因果估计；水平线代表效应估计的上限（右）和下限（左）。ID.Exposure，OpenGWAS数据库中数据集的识别号码；NSNP，单核苷酸多态性的数量；IVW，逆方差加权。

2、多变量MR分析

我们使用了多变量MR分析（MVMR）来评估在单变量MR分析中显示出与失眠显著关联的肠道细菌途径丰度的独立因果效应。结果显示（图3），糖异生途径（GLUCONEO.PWY）和三羧酸（TCA）循环（PWY.7254）与失眠有正向因果关系（B > 0, Pivw < 0.05, 图3），这表明这些途径的活性可能反映了能量代谢中的某些异常，可能促成或加剧失眠症状。此外，多元醇发酵途径（P461.PWY）与失眠显示出负向因果关系（B < 0, Pivw < 0.05, 图3），表明这一途径可能通过减少代谢负担或调节能量产生，在维持正常睡眠模式中发挥保护作用。MVMR分析的详细结果见补充表S3。这些发现证实了三个关键代谢途径在失眠发展中的独立作用，并为通过调节特定肠道细菌代谢途径来改善或预防失眠提供了新的研究方向。

图3. 森林图展示了肠道细菌途径丰度与失眠之间多变量孟德尔随机化（MVMR）分析的结果。点代表使用“mvmr” R软件包在分析方向上的总体因果估计；水平线代表效应估计的上限（右）和下限（左）。ID.Exposure，OpenGWAS数据库中数据集的识别号码；B，因果估计的值；p，P值。

3、敏感性分析

在前向分析中，那些在MR分析中具有显著性的方向发展中，没有观察到显著的多效性或异质性（表S4）。在单变量MR分析中显示出显著关联的九种肠道细菌途径类型中，各个SNP（单核苷酸多态性）在它们对失眠的因果效应估计上显示出显著差异（图S1A-I）。随后，我们进行了逐一排除分析，依次移除每个方向上的每个SNP并重新计算MR结果。结果（图4A-I）表明，移除单个SNP只影响了最大和最小因果效应估计的范围，但对整体因果效应估计的方向影响很小。这表明尽管各个SNP在不同方向上存在显著差异，这些差异可能增加了参与失眠进展的肠道微生物群相关代谢途径的复杂性。然而，从总体上看，这些SNP对失眠的因果效应估计保持一致，强化了肠道微生物群相关代谢途径在失眠进展中的重要作用。

图4. 逐一排除分析，用以评估每个SNP在推动因果关系中的作用。(A–I)代表不同的分析方向，具体的方向在每个图的标题下方有直接说明。黑色点代表在当前分析方向中移除当前SNP后剩余SNP的因果估计效应大小，带有黑色点的黑色线代表该效应的最大值（右端）和最小值（左端）之间的变化范围。红色点代表所有SNP的因果估计效应，穿过该点的红色线代表整体因果效应的最大值（右端）和最小值（左端）的变化范围。

单变量MR分析的散点图（图5A-I）显示了SNP对暴露和结果变量的效应大小，拟合了潜在的线性趋势。这种具有斜率的线性趋势的存在与我们的MR分析结果一致，表明在每个方向上暴露和结果之间存在显著的因果关系。漏斗图（图S2A-I）也展示了在每个方向上不同MR分析方法中SNP分布的变异性，但在使用IVW方法作为主要方法时，没有观察到显著的分布异常。这一证据进一步证实了分析的稳健性。总体而言，敏感性分析结果表明，我们的研究结果非常可靠和稳健，支持肠道细菌途径丰度在失眠发展中的重要因果作用。

图5. 散点图分别展示了肠道细菌途径丰度和结果（失眠）的因果效应。(A) ebi-a-GCST90027473，GLUCONEO.PWY（糖异生I）；(B) ebi-a-GCST90027503，P461.PWY（己糖发酵为乳酸、甲酸、乙醇和乙酸）；(C) ebi-a-GCST90027522，PWY0.1479（tRNA处理）；(D) ebi-a-GCST90027524，PWY0.1586（含有间二氨基庚二酸的肽聚糖成熟）；(E) ebi-a-GCST90027531，PWY.3001（L-异亮氨酸生物合成超途径I）；(F) ebi-a-GCST90027582，PWY.6519（8-氨基-7-氧壬酸生物合成I）；(G) ebi-a-GCST90027587，PWY.6609（腺嘌呤和腺苷补救III）；(H) ebi-a-GCST90027597，PWY.673（淀粉降解III）；(I) ebi-a-GCST90027619，PWY.7254（TCA循环VII乙酸生产者）。点代表分析方向中用于因果估计的SNP；不同颜色的线代表不同的MR分析方法。IVW，逆方差加权。

本研究利用MR（孟德尔随机化）方法揭示了肠道微生物途径丰度与失眠之间的因果关系。单变量两样本MR分析的结果表明，与碳水化合物代谢相关的途径，如糖异生途径（GLUCONEO.PWY）和淀粉降解途径（PWY.6731），氨基酸代谢途径如L-异亮氨酸生物合成超途径（PWY.3001）和8-氨基-7-氧壬酸生物合成途径（PWY.6519），核苷酸代谢途径如腺嘌呤和腺苷补救途径（PWY.6609），以及其他与代谢相关的途径如TCA循环VII乙酸生产者途径（PWY.7254）对失眠有正面的因果效应。相反，与碳水化合物代谢相关的途径，如己糖发酵至乳酸、甲酸、乙醇和乙酸途径（P461.PWY），以及其他与代谢相关的途径，如tRNA处理途径（PWY0.1479），以及细胞壁生物合成途径，如含有间二氨基庚二酸的肽聚糖成熟途径（PWY0.1586）对失眠有负面的因果效应。多变量MR分析的结果证实了与碳水化合物代谢相关的途径（GLUCONEO.PWY，糖异生I）和其他与代谢相关的途径（PWY.7254，TCA循环VII乙酸生产者）对失眠的独立正面因果效应，以及与碳水化合物代谢途径（P461.PWY，己糖发酵至乳酸、甲酸、乙醇和乙酸）对失眠的独立负面因果效应。研究中的证据支持了特定代谢途径，如糖异生（GLUCONEO.PWY）和TCA循环途径（PWY.7254），可能在失眠发展中发挥积极作用的假设。这些代谢途径可能通过影响能量平衡和代谢产物的积累来影响睡眠质量，为能量代谢在睡眠调节中的作用提供了新的见解。敏感性分析结果显示MR分析的任何方向都没有显著的多效性或异质性。逐一排除分析表明，移除单个SNP对整体因果效应估计的影响很小，进一步确保了分析结果的稳健性。总之，本研究揭示了肠道微生物特定代谢途径与失眠之间的复杂关系，为探索失眠的新疗法开辟了新的途径。这些发现为肠道微生物在调节生理功能中的作用提供了新的见解，并为针对特定代谢途径的干预措施提供了理论基础。通过调节这些关键代谢途径，我们希望能提高失眠患者的睡眠质量，从而提高他们的生活质量，为广泛的失眠患者带来希望。

从临床角度来看，这项研究具有实际意义。首先，它揭示了特定代谢途径与失眠之间的因果关系，为诊断和治疗失眠提供了针对性的预防策略。如糖异生和三羧酸循环途径的正面因果效应，以及多元醇发酵途径对失眠的反向因果作用，为开发新的治疗途径提供了科学证据。例如，调节糖异生和三羧酸循环途径的活性可以通过调节能量代谢来降低失眠的风险。同时，增强多元醇发酵途径的活性可能有助于维持能量平衡和保护正常的睡眠模式。这些证据还表明，为了减少和预防失眠的发生，建议在睡前或睡前期间减少高糖和高脂食物的摄入，并适当增加富含蛋白质和纤维的食物摄入，以确保能量代谢保持相对稳定，从而保障睡眠质量，降低失眠的风险。其次，这项研究为失眠的药物开发提供了新的靶点。研究中识别的特定代谢途径，如糖异生和TCA循环VII乙酸生产者，可以作为开发新的失眠治疗方法的潜在靶点。针对这些途径的药物可能调节能量平衡和代谢过程，为治疗失眠提供新的方法。最后，这项研究为实施精准医疗提供了实践基础。支持肠道微生物介导的代谢途径影响失眠的理论，允许临床医生分析患者的肠道微生物，以识别代谢途径异常，并相应地制定个性化的治疗方案。例如，调整饮食或使用特定的益生菌补充剂来影响某些代谢途径，可以调节患者的睡眠质量。这些临床意义不仅加深了我们对失眠机制的理解，还提供了更具针对性和预测性的治疗方案，这些方案可以显著改善患者的生活质量和治疗结果。

从代谢的角度来看，失眠也被认为是与能量代谢密切相关的疾病，强调代谢失衡是导致失眠的潜在因素。具体来说，能量代谢的异常可以通过多种途径影响睡眠调节机制，导致失眠。首先，能量代谢的波动可以直接影响大脑功能，特别是与睡眠调节密切相关的大脑区域。例如，葡萄糖代谢异常可以影响大脑皮层和下丘脑的能量供应，这两个区域在维持睡眠-觉醒周期中至关重要。研究表明，葡萄糖利用率的降低可以影响这些大脑区域的神经活动，可能导致睡眠结构的变化，如睡眠延迟或睡眠不足。其次，能量代谢的紊乱可以通过影响激素平衡进一步干扰睡眠。胰岛素和皮质醇是调节能量代谢的两个关键激素，它们的异常分泌与睡眠质量密切相关。胰岛素抵抗通常伴随着睡眠质量的下降，而高水平的夜间皮质醇与睡眠中断和早醒有关。因此，与代谢相关的激素的失调影响身体的能量状态，也可能影响大脑的睡眠调节系统。此外，代谢紊乱通常伴随着慢性低度炎症，炎症因子如白细胞介素和肿瘤坏死因子已被证明可以穿透血脑屏障[96]，影响大脑神经活动，包括睡眠调节。炎症因子的高水平可以激活大脑皮层和边缘系统，增加觉醒的频率，减少深度睡眠的比例。总之，从代谢的角度理解失眠有助于揭示疾病的复杂机制，并为治疗提供新的见解。调整代谢状态可能会积极影响改善睡眠质量，包括通过饮食、运动和药物调节能量代谢以优化睡眠状态。

当前分析采用了MR方法，该方法试图通过利用遗传变异作为工具变量来避免混杂因素和环境干扰，提高因果推断的准确性。在实施过程中，我们严格遵循MR分析的核心原则，仔细选择和质量控制工具变量，并结合各种统计方法来分析数据，以确保研究结果的可靠性和稳健性。这些措施为本研究的实用价值提供了坚实的科学基础。然而，这项研究也有局限性。首先，当前分析仅包括了一千多名失眠患者的样本量，样本量的限制可能影响研究结果的广泛适用性和可复制性。其次，尽管有严格的选择标准和质量控制步骤，任何研究方法或工具都可能存在固有的局限性和未识别的潜在混杂因素和偏见，这可能给当前分析结果带来不可预测的影响，并最终影响结果的准确性和可解释性。第三，失眠的病因复杂，涉及遗传、环境、生理和心理因素的相互作用。尽管这项研究从肠道微生物代谢途径的角度提供了新的见解，这只是广泛因素的一部分。因此，这些发现可能无法完全解释失眠的所有生物学机制或病理变化，并可能限制我们对疾病更广泛因果关系的理解。未来的研究需要采取更全面的方法，考虑多个生物标志物和环境因素，深入探索和解释失眠的复杂病因网络，并支持开发更有效的预防和治疗策略。

尽管在当前MR分析中移除单个SNP可能会影响效应估计的范围，但MR分析的整体趋势保持稳定，为我们的发现提供了有力的证据。结果表明，关键途径如碳水化合物代谢、氨基酸代谢和核苷酸代谢与失眠的发展显示出显著的正相关。这些发现为理解失眠的复杂生物学机制提供了新的视角，并为针对特定代谢途径的干预措施提供了理论基础。通过揭示这些关键代谢途径的作用，本研究不仅增强了我们对失眠生物学基础的理解，还为未来的治疗策略提出了潜在的靶点，为失眠患者带来了新的希望。未来的研究需要进一步验证这些因果关系，并探索如何调节肠道微生物群或其代谢产物能够有效改善失眠症状，实现更个性化和精准的治疗方法。