近日，来自西湖大学的郑钜圣研究员团队联合中山大学的陈裕明教授团队及南方医科大学珠江医院的周宏伟教授团队相继发表两篇高水平文章，一篇利用机器学习方法揭示2型糖尿病的肠道菌群特征，另一篇研究了水果摄入-肠道菌群-2型糖尿病之间的关联。很荣幸在这两篇文章中，麦特绘谱的 “明星技术”Q300全定量代谢芯片也参与其中。

一、可解释的机器学习框架揭示2型糖尿病肠道菌群特征

2型糖尿病（T2D）是一种复杂疾病，受宿主遗传和环境因素的影响，而肠道菌群被认为是一种可改变的环境因素，在T2D发展中发挥重要作用。近年来，机器学习在生物医学领域得到了广泛应用，经过多年发展和完善，可解释的算法可以解锁传统机器学习结果的“黑匣子”。本研究旨在利用一种可解释的机器学习分析框架确定与T2D相关的肠道菌群特征，并评估微生物与宿主血液代谢物之间的相关性，以深入了解T2D相关肠道菌群在宿主代谢中的作用，进一步粪菌移植实验证实所确定的特征菌群对T2D发展的影响。

图1 研究概况

特征菌群可有效预测2型糖尿病风险

纳入297个宿主特征，包括肠道微生物组成和其他表型特征，基于机器学习模型LightGBM构建预测模型，利用SHAP（SHapley Additive exPlanations）评估预测结果。研究发现21个可有效预测T2D风险的变量，其中15个与微生物相（13个是菌种）（如图2）。与宿主遗传及其他环境因素（弗明汉后代风险因子FORS+生活方式+饮食）相比，特征菌群能更好地预测T2D的发病风险（图3A），并在内部独立测试集及外部独立队列上都得到有效验证。

图2 选定的影响2型糖尿病的宿主特征

基于上述菌群特征，构建了微生物风险评分（MRS，0-14分），经校正混杂因子（年龄、性别、BMI、腰围、总能量摄入、运动、饮酒和吸烟等）的泊松回归模型检验，发现MRS与T2D的发病风险呈显著正相关，该结果在另外两个独立验证队列得到有效重复，基于宏基因组的MRS与16S rRNA结果一致（图3B），说明MRS与T2D风险之间具有稳健的相关性。进一步对249名基线空腹血糖正常（空腹血糖<7 mmol/L）的参与者进行前瞻性调查，发现MRS与未来血糖增量呈显著正相关。

图3 特征菌群对2型糖尿病发展和宿主血清代谢物的影响

菌群特征与宿主血清代谢组的关联

对发现队列（n=903）和外部验证队列1（n=113）血清样本进行靶向代谢组学分析，199个血清代谢物与T2D相关菌群特征（即MRS）的关系进行分析，结果显示，队列中6个代谢物与MRS相关（图3D）。其中，MRS与2-苯丙酸、肉桂酸和吲哚-3-丙酸呈负相关，而这些代谢物均与肠道菌群代谢相关。脱氧胆酸（DCA）和甘氨酸结合的脱氧胆酸（TDCA）是结肠微生物酶作用产生的次级胆汁酸。

鉴定的菌群特征影响无菌小鼠2型糖尿病进展

为进一步验证特征菌群与宿主血糖之间潜在的因果关系，研究人员对无菌小鼠进行菌群移植实验，三组供体分别为高MRS+T2D、高MRS+非T2D、低MRS，另一组无菌小鼠作为对照，监测四组小鼠未来两周空腹血糖变化。结果显示，四组间小鼠基线空腹血糖无显著差异。后续2周监测期间，移植了高MRS宿主肠道菌群的小鼠空腹血糖水平显著高于低MRS组与无菌组。无菌对照组与低MRS组空腹血糖无显著差异。

体脂分布与特征菌群交互影响2型糖尿病的风险

为了探究可能调控特征菌群的生活方式，研究人员基于线性模型评估了基线肥胖相关表型及生活方式与MRS之间的前瞻性联系，结果显示，在发现队列的纵向分析中，基线BMI与MRS呈正相关，而臀围与饮茶呈负相关（图4A）。肥胖是T2D最重要的风险因素，而BMI和臀围与MRS显著相关，故推测肠道菌群与T2D的关系受肥胖状态 调节。结果表明，躯干与四肢脂肪比例在发现队列和外部验证队列1中均与MRS呈正相关（图4B）。并且，对潜在混杂因素进行调整后，发现MRS与躯干-四肢脂肪比交互作用影响T2D风险（图4C）。

图4 肥胖与饮食因素调节肠道菌群与2型糖尿病的关系

小结

本研究将可解释的机器学习框架与大规模队列研究结合，确定了与T2D相关的稳健肠道菌群特征，确定了可能调节T2D相关菌群特征的潜在调节因子，提示该特征菌谱可作为T2D的诊断、治疗靶点或饮食和生活方式的干预靶点。

二、两项队列研究揭示多摄入水果可调节菌群并降低2型糖尿病风险

水果和蔬菜都是健康饮食模式的重要组成部分，在预防T2D中发挥重要作用，然而，不同的前瞻性队列研究结果不一致，有关果蔬摄入与T2D联系的证据依然薄弱。基于以往研究结论，果蔬中丰富的纤维、黄酮和抗氧化物质可影响肠道菌群，研究人员提出假设：肠道菌群是果蔬摄入与T2D发展的关键介质。为验证该假设，研究人员在近万名中国中年人的两个队列中发现，水果摄入与肠道菌群的多样性和组成显著相关，而与水果摄入相关的肠道菌群组成及粪便代谢产物与T2D的风险显著相关。

水果和蔬菜摄入与肠道菌群

来自广州营养与健康研究（GNHS）的1879名中国中年人进行水果和蔬菜摄入情况评估，中位随访6.2年。研究发现，习惯性水果摄入与肠道菌群多样性显著相关，而蔬菜摄入未显示出相关性。此外，水果摄入与31个肠道菌群OTUs相关，其中30个与水果摄入正相关，而蔬菜摄入仅与Lachnospira的一个OUT相关。

图1 发现队列中水果摄入与人体肠道菌群的前瞻性关联

水果或蔬菜相关肠道菌群与T2D 

基于与水果、蔬菜或水果+蔬菜摄入相关的OTUs分别计算水果-菌群指数（FMI）、蔬菜-菌群指数（VMI）或水果+蔬菜-菌群指数（TFVMI）。两个队列中所有参与者的水果摄入与FMI呈正相关，这些水果包括芒果、香蕉、苹果、葡萄和榴莲，FMI每增加一个单位，T2D风险分别降低17%和10%（图2C）。FMI与糖化血红蛋白呈负相关，与β细胞功能呈负相关。而VMI或TFVMI均未显示出相关性。

图2 水果摄入、FMI和T2D之间的关联

FMI相关粪便代谢物与T2D 

发现队列中，FMI与76个粪便代谢物显著相关，富集到的通路主要是胆汁酸合成、脂肪酸合成和脂肪酸代谢途径，其中7个代谢物与T2D风险显著相关，与FMI正相关的粪便代谢物（癸二酸）与T2D风险呈负相关，而与FMI负相关的几个粪便代谢物（胆酸、3-脱氢胆酸、油酸肉碱、亚油基肉碱、棕榈酰肉碱和2-羟基戊二酸）与T2D风险呈正相关。

图3 水果摄入相关肠道菌群、粪便代谢物与T2D的关联

小结

本研究揭示了高水果摄入与人体肠道菌群的相关性、水果摄入与T2D风险相关性等，健康的饮食模式塑造的肠道菌群有助于降低T2D和其他代谢性疾病的风险。同时，这些结果为健康饮食模式预防T2D提供了重要的证据。

 

参考文献

1. Interpretable Machine Learning Framework Reveals Robust Gut Microbiome Features Associated With Type 2 Diabetes. Diabetes Care 2020.

2. Dietary fruit and vegetable intake, gut microbiota, and type 2 diabetes: results from two large human cohort studies. BMC Medicine 2020.

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