克罗恩病（CD）的负担随着全球化进程而增加，环境和饮食变化导致人类肠道微生物群以及肠道免疫和上皮黏膜的改变，进而引发CD的慢性肠道炎症。尽管医疗技术取得显著进步，但大多数CD患者仍无法完全控制疾病活动和症状，很大一部分原因在于业界对该复杂疾病病因的认识不足，从而影响了靶向治疗技术的发展。

2024年5月，中山大学附属第一医院陈旻湖主任、冯瑞副主任团队与以色列舍巴医学中心Yael Haberman 教授、Shomron Ben-Horin 教授团队合作在Nature Communications（IF=14.7）上在线发表了题为Diet-omics in the Study of Urban and Rural Crohn disease Evolution (SOURCE) cohort的文章，通过人口统计学、CD表型、生物标志物、食物频率调查问卷（FFQ）、国际IBD组织（IOIBD）制定的环境调查问卷、16S、宏基因组学、转录组学、代谢组学等方法研究城乡差异与CD发病的关系，揭示了饮食-菌群-宿主复杂的相互作用，确定与城乡转变和CD相关的潜在有益和致病因素。（麦特绘谱提供Q300全定量检测服务）

研究思路

图1. 技术路线

1. 农村和城市人口队列研究

构建SOURCE队列，共380名参与者，中国CD患者40名，健康对照283名（城市n=121，农村n=162）；以色列CD患者25名，健康对照32名。此外，基于环境问卷，对农村子队列（n=162）进行分层，暴露≥50%时间在城市环境中的为城乡个体（n=74），暴露＜50%时间在城市的为农村个体（n=88）。

图2. 农村和城市人口的暴露程度差异

2. 在城市环境中暴露的时间会影响微生物群和代谢物

粪便样本16S数据分析显示在城市中生活的时间是影响微生物组差异的主要因素，城乡个体中微生物多样性明显低于农村个体，健康指数下降。基于湖南省数据集进一步验证微生物群落的城乡差异，生成了关于细菌扩增子序列变异 (ASV) 的“农村指数”，发现城乡个体的该指数较低。粪便的代谢组学数据表明22种代谢物在城乡个体和农村个体之间存在差异。此外，HAllA分析（（Hierarchical All-against-All association，一种在高维、异构数据集中寻找多分辨率关联的计算方法，适用于多组学关联分析）发现饮食与肠道微生物存在显著相关性，如R. gnavus与脂肪呈正相关，微生物组与粪便代谢物之间存在显著关联。

图3. 中国农村居民在城市环境中生活的时间对肠道微生物和代谢物的影响

3. 饮食暴露与微生物变异有关

使用主成分分析（PCA）和置换多元方差分析（PERMANOVA）对以色列和中国人群的饮食暴露进行研究，以揭示样本间的差异并解释两国总体队列中饮食暴露的变异。在中国队列中，饮食模式与蛋白质、脂肪、碳水化合物和添加糖的摄入量显著相关，而在以色列队列中，则主要区分了CD患者与对照者，对照者的纤维摄入较多，而CD患者的蛋白质、加工肉类和添加糖摄入较多。PERMANOVA分析量化了影响肠道微生物组成的多种因素，特别是在控制年龄和性别后，对中国（农村、农村-城市、城市和CD组）和以色列（对照组和CD组）的不同亚组内分别进行评估。进一步通过MaAsLin2分析发现，铁和脂肪的摄入量与特定肠道微生物的丰度变化相关，这些微生物的丰度变化在CD患者中也有观察到类似趋势，提示饮食可能与肠道微生物变化及CD风险相关。

图4. 暴露和饮食与微生物变异有关

4. CD中增加的微生物群在黏膜活检中富集

基于16S微生物数据的未加权UniFrac PCoA分析表明，CD是显著影响微生物群落结构的因素，CD患者的肠道微生物alpha多样性和健康指数显著低于健康对照。通过MaAsLin2分析，识别出与CD显著相关的微生物扩增子序列变体（ASVs），活检样本中CD相关菌群增加更为显著，包括肠杆菌科、放线菌属和梭杆菌科。此外，同一患者的粪便和活检样本在菌群组成上相似性更高，且相距较远的回肠和直肠活检样本间的相似性也高于与粪便样本的相似性。

图5. 特定的饮食因素和代谢物显示与克罗恩病(CD)回肠粘膜转录组学信号相关

5. 粘膜转录组学、饮食和代谢物之间的相关性

使用WGCNA分析识别出9个与CD诊断相关的基因模块，其中脂代谢、线粒体功能、细胞呼吸和DNA损伤与修复模块在CD表达中减少，免疫反应、髓系信号、簇状细胞和嗜酸性粒细胞功能、先天上皮免疫以及细胞周期和有丝分裂过程相关的5个模块在CD表达中增加。

以色列队列中发现特定的饮食成分，例如淀粉、碘和硒与CD的表现呈现相似方向的关联，并与特定的转录组模块相关联。在SOURCE队列中，有39种共有的代谢物显示出与转录组模块的相关性，其中32种代谢物展现出一致的关联方向。应用HAllA分析捕捉回肠转录组学模块中代谢物与饮食和微生物数据的关联性，结果表明，与饮食相关的粪便代谢物与宿主上皮代谢功能相关，而微生物相关的代谢物与宿主免疫反应相关。进一步分析转录组学相关模块与宏基因组学分配的途径和酶类，使用稀疏偏最小二乘回归检验，发现大多数组学之间存在显著的高度共享差异。

图6. 宿主上皮相关代谢物与饮食相关，而宿主免疫相关代谢物与微生物组相关

小结

本项研究对比了中国城乡与以色列人群，发现农村居民迁移到城市后，肠道微生物和代谢物受环境和饮食影响，逐渐呈现类似城市居民及克罗恩病患者的特征。城市环境对肠道微生物和代谢有显著影响，且与克罗恩病特征相似。此外，饮食相关代谢物影响回肠上皮功能，而微生物代谢物与回肠免疫基因表达相关，本研究为理解肠道健康与疾病提供了新的视角。

参考文献

Diet-omics in the Study of Urban and Rural Crohn disease Evolution (SOURCE) cohort. Nature Communications. 2024

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本研究通过麦特绘谱Q300全定量检测技术发现在城市个体和农村个体之间代谢物存在显著差异，揭示城市生活影响人体代谢，为进一步研究饮食、肠道微生物和宿主之间的关系奠定基础。

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