肠易激综合征（IBS）全球高发，以反复发作的腹痛或不适为特征，分便秘型、腹泻型等亚型，其发病机制与胃肠动力、肠分泌、内脏高敏感性和肠通透性等改变相关，肠道微生物群、饮食、遗传等因素可对其产生影响。虽然移植实验证实了肠道微生物群在 IBS 中的作用，但因缺乏理想动物模型模拟IBS病理生理学完整特征，需开展人类研究。现有人类研究受横断面采样和亚型分层不足等条件限制，造成微生物组研究结果不一致，且 IBS 症状具周期性，横断面样本无法体现疾病时间变异性，加之人类与动物宿主生理学差异，阻碍了对肠道微生物群在 IBS 中机制的理解。因此，这篇刊登在Cell上的研究《Longitudinal Multi-omics Reveals Subset-Specific Mechanisms Underlying Irritable Bowel Syndrome》对 IBS 患者亚群进行纵向多组学研究，以探究由微生物代谢改变引起的IBS亚型特异性机制。
研究对象：肠易激综合征患者及健康人群的粪便、肠道活检样本，无菌小鼠，培养菌株
技术方法：
宏基因组，代谢组，转录组，Ussing chamber实验，小鼠菌株移植
技术路线：
1.纵向采样克服了横断面微生物组研究中的异质性
通过对比健康对照（HC）与 IBS 患者的纵向微生物组数据，发现单个时间点的菌群丰度差异不一致，与平均数据中的变化不重合，且数据显示个体间变异大于个体内变异。而平均数据能可靠揭示亚型特异性变化：便秘型肠易激综合征（IBS-C） 和腹泻型肠易激综合征患者（IBS-D）患者的链球菌属丰度均显著高于健康人群，IBS-D 患者的 Synergistetes 门丰度则显著低于HC。PCoA 分析显示，IBS 患者粪便菌群组成按亚型聚类，IBS-C 、 IBS-D 的菌群分散度与健康组减互相都存在显著差异（图 1D和1E）。进一步分析发现，IBS-C 患者的菌群不规则性（BCDI 评分）显著高于 IBS-D 和健康组，约 31.7% 的 IBS-C 样本数据位于健康组菌群分布的第 90 百分位数，高于IBS-D（14.1%）（图 1F），提示其菌群结构异常更为突出。这些结果表明，纵向采样结合数据平均化处理能更精准地捕捉 IBS 相关的菌群动态变化，避免横断面采样遗漏造成的误差，为揭示疾病亚型机制提供了可靠方法学支持。
图 1. 便秘型肠易激综合征（IBS-C）患者的肠道菌群组成更具特异性且变异性更高
2.纵向采样揭示 IBS-C 微生物群随时间的变异性更高
通过分析纵向采样数据发现，IBS-C患者的粪便微生物群组成随时间变异性显著高于健康对照和IBS-D，平均香农 α多样性较 IBS-D 高（p=0.016）（图1G）。进一步分析显示，黏膜与管腔的微生物组成存在显著差异：IBS 患者的黏膜相关微生物群中变形菌门水平升高，而 IBS-C 患者的黏膜菌群与管腔菌群的相似度在三组样本中最低，这可能与其肠道转运时间延长导致菌群分化有关（图1H和1I）。此外，IBS-C患者的黏膜微生物群在不同时间表现出的个体内变异性也高于其他组（图1J）。这些发现表明，IBS-C 的肠道微生物群在组成多样性、空间分布及时间动态上均存在独特异常。
3.肠易激综合征症状严重程度与肠道微生物群功能变化相关
综合腹痛强度、频率、腹胀、对排便习惯的不满以及 IBS 对生活的总体影响等因素，对IBS症状在各特定采样点的严重程度进行评分，研究人员发现重度IBS-D患者样本中有20多种乳杆菌属的相对丰度高于轻中度患者，且与受试摄入益生菌或乳制品无关。粪便宏基因组数据进行KEGG Orthology数据库功能分析，结果显示重度便秘型IBS（IBS-C）和 IBS-D 分别有74个和44个KO项异常，其中2种亚型的重度患者样本中均存在酒精脱氢酶（ADH）相关KO项（区别于轻中度IBS）。尽管ADH酶遗传多样性较高，丰度难以与特定的代谢产物直接关联，但根据两类IBS亚型的共同主要症状都是腹痛，研究者推测其活性很可能与这一症状有关。布里斯托尔粪便量表记录也显示的粪便形态及排便前腹痛与特定细菌和代谢物相关。
4.代谢组学与生理测量相结合为肠道微生物群代谢对胃肠功能的影响提供了机制性见解
研究者对反映管腔和黏膜相关样本生化特征的微生物组代谢进行了量化分析。¹H - 核磁共振（NMR）光谱显示，IBS-C 患者粪便中的丙酸、丁酸和乙酸等短链脂肪酸（SCFAs）水平较健康对照组显著降低，结肠黏膜样本中的乙酸也显著减少，且该变化与膳食纤维摄入量无关（图 2A、2B）。尤斯灌流室实验显示，IBS-C 患者结肠上皮对血清素（5-HT）的分短路电流（isc）泌反应较健康样本减弱（图 2C），印证了SCFAs 缺乏导致肠道分泌减少、粪便含水量降低的病理机制。
对于 IBS-D 患者，研究发现其粪便中色氨酸及代谢产物色胺水平显著升高（图2D），而小鼠实验显示细菌衍生的单胺色胺可通过激活 5-HT₄R 受体促进肠道分泌。通过尤斯灌流室实验发现，IBS患者和健康对照组样本中缺乏色胺诱导isc变化的显著差异。进一步结合人体中初级胆汁酸（BAs）和鹅去氧胆酸（CDCA）等物质相关的增加肠道液体分泌通路， LC-MS/MS 检测发现IBS-D患者中的未结合初级BAs含量显著低于HC组，IBS-C患者样本则相反（图 2E）。尤斯灌流实验证实了CDCA 诱导的Isc显著增加，提高IBS-D患者粪便含水量的作用。结肠活检样本isc差异显示，IBS-D患者的基线isc显著高于其他组别（图 2F）。证实了初级BA水平差异和色胺综合影响了肠道分泌，通过调控肠道上皮分泌参与疾病表型形成。
图 2. 代谢组学与生理功能检测的整合为肠道微生物群代谢对胃肠功能的影响提供机制性见解
5.整合微生物组 - 代谢组分析鉴定出 IBS 中一条新的微生物代谢途径
非靶向代谢组学和潜在结构投影判别分析（PLS-DA）显示，IBS-C 患者粪便中的赖氨酸、尿嘧啶和次黄嘌呤水平较HC组均显著降低（图 3A-3C），IBS-D 患者的次黄嘌呤也较低，但显著水平低于IBS-C患者。次黄嘌呤作为肠上皮细胞的能量来源，其水平降低可能影响肠道屏障发育和修复，其在IBS患者粪便中水平的降低可能反应了肠道微生物组的影响。
宏基因组功能分析表明，IBS-C 患者粪便中黄嘌呤磷酸核糖基转移酶（XPRT）和黄嘌呤脱氢酶 / 氧化酶（XO）模块丰度较HC组显著升高（图 3D），提示肠道微生物群的嘌呤分解代谢增强。进一步分析发现，IBS-C 患者粪便中与能量代谢相关的 TCA 循环模块（如 L - 乳酸脱氢酶、丙酮酸脱氢酶）及替代呼吸途径相关模块（亚硫酸盐还原酶 / 铁氧还蛋白、亚硫酸盐、亚硝酸盐还原酶和细胞色素 C 氧化酶）丰度也显著增加（q<0.1，图 3D），同时超氧化物还原酶模块升高。这些结果表明IBS患者的微生物组的次黄嘌呤李永和分解能力增强，从而影响了患者的肠道屏障功能，为 IBS 的病理机制提供了新的代谢视角。
图 3. 微生物组 - 代谢组整合分析鉴定出肠易激综合征（IBS）中一条新的微生物代谢通路
6.微生物基因区域分析证实与胆汁酸、丁酸和次黄嘌呤代谢的关联
基于线性模型的直接多变量相关分析（Maaslin）发现，健康对照、IBS-C 和IBS-D 分别存在60、28 和46 个显著的代谢物-物种相关性，其中HC分别与IBS-C或IBS-D有12个共同存在的相关性关系，两种IBS亚型间存在2个，没有同时存在于3组的相关性关系。
进一步通过结构可变基因组区域与代谢物丰度相关联（SV关联）分析可能导致组间代谢物输出差异的特定细菌基因组区域，从微生物组中鉴定出了16个完全缺失区域（DRs）和20个可变丰度区域（VRs），分别与9种和8种代谢物相关，其中包括CDCA、丁酸和次黄嘌呤等代谢物（图 4A–4B）。
图 4. 基于微生物基因区域关联分析提示特定肠道微生物成员对次黄嘌呤的消耗作用
7.微生物代谢对管腔次黄嘌呤水平的贡献
基于基因区域分析结果，研究者选取了2株与此前鉴定出Lachnospiraceae sp. 3_1_46FAA 基因组相似的毛螺菌科菌株，联合阳性对照菌 Hungatella hathewayi（含 XO 基因）和阴性对照菌长双歧杆菌（不编码XO基因）进行体外培养，LC-MS 检测显示前两者的培养基中次黄嘌呤水平显著降低（图4C）。无菌小鼠体内实验进一步发现，定植毛螺菌科 sp. 2_1_58FAA 的无菌小鼠在使用饮用水补充次黄嘌呤的条件下，盲肠内容物中次黄嘌呤水平仍较定植长双歧杆菌的小鼠显著下降（图4D-E）。该结果印证了微生物可通过 XO 等相关酶促反应消耗次黄嘌呤，且体内次黄嘌呤水平由微生物的生产与消耗代谢平衡共同决定。
8.肠易激综合征患者症状发作的肠道微生物群和微生物代谢物改变
IBS的症状严重程度随时间变化。为证实IBS症状加重的肠道微生物基础，研究人员对自我报告发生症状恶化的样本进行了检查。
与非发作期IBS样本相比，发作期粪便样本的 BCDI（基于 Bray-Curtis 相异度的不规则性评分）显著升高（图5A-B），香农α多样性降低（图5C），菌群结构稳定性下降。微生物分类群分析显示，168 种细菌与 IBS 整体发作相关，其中IBS-C和IBS-D分别有40 种和7 种特征菌，且除古菌Halobiforma nitratireducens丰度升高外（图 5D），其余相关菌属普遍减少。代谢物检测发现，IBS-C和IBS-D 发作样本中初级 BA 水平均显著升高（图5E-F），可能参与腹痛症状的产生。功能宏基因组KO模块分析显示，IBS-D 发作期的酒精脱氢酶和黄嘌呤氧化酶（XO）模块丰度增加，与三羧酸循环和呼吸相关通路激活一致。个体水平的时间进程分析进一步表明，IBS-C 患者发作前BCDI评分随时间上升，且 6/11 的患者在发作时胆汁酸、4/11 的患者色胺等分泌性代谢物升高。这些发现证实，不同患者可能存在独特的IBS 症状加重微生物-代谢驱动模式。
图 5. 肠道微生物群及代谢物的改变是肠易激综合征（IBS）患者症状发作的基础
9.微生物组和代谢组数据与转录组和表观遗传差异的整合揭示了 IBS 中新型宿主-微生物相互作用
转录组分析显示，IBS-C和IBS-D分别有82和78 个差异表达基因与HC组有差异，其中17个基因重叠。KEGG通路富集分析显示，IBS 患者中免疫和炎症相关通路富集，包括IBS-C中调节平滑肌收缩相关基因（PTGDS）、B细胞抗原反应基因（CD19 和CD22）抗原呈递基因（HLA-DQA1和HLA-DQB1）基因。
表观基因组分析鉴定出和HC组相比，IBS-C组有54个差异甲基化区域（DMR），IBS-D有75个，IBS亚型间比较有39个。其中KCNE4和AQP1基因甲基化异常，其低表达可能导致肠道分泌功能障碍。进一步对DMR基因进行KEGG通路富集分析，发现抗原加工和呈递通路在两种IBS亚型种均有富集，与人类白细胞抗原（HLA）II 类基因有关。与 HC 活检相比，IBS-C 活检组织中表现出编码HLAII 类分子相关基因表达升高4倍，其中的HLA-DQA1与普通拟杆菌存在相关性，提示了细菌抗原与IBS-C之间的潜在作用。
通过 Lasso 回归模型构建的跨组学网络显示，乙酸盐与 PGLYRP1、KIFC3 基因形成调控枢纽（图 6B）。其中 PGLYRP1 与革兰氏阳性菌 Peptostreptococcaceae 负相关，可能通过抑制肽聚糖合成产生杀菌活性；KIFC3 则与肠道屏障功能相关。这些发现通过多组学整合揭示了 IBS 中 “微生物代谢-宿主基因表达-免疫调控” 的级联效应，为解析 IBS 亚型特异性机制提供了从基因表达到微生物互作的多层次证据（图 6）。
图 6. 基于 Lasso回归的多组学整合分析结果
10.多组学整合鉴定出结肠上皮嘌呤饥饿是肠易激综合征的潜在新机制
IBS-C和IBS-D患者粪便中次黄嘌呤水平显著降低（图 3和7），人黄嘌呤氧化酶表明次黄嘌呤库的消耗可能是微生物和宿主 XO 活性增加的结果。
由于肠上皮主要依赖嘌呤补救途径合成腺苷酸（图 7C），该途径的重要组成部分——嘌呤核苷磷酸化酶（PNP）基因在IBS患者样本中表达量上调 2 倍（图 7A），与次黄嘌呤水平呈负相关（图 7D），且 Illumina 全局筛选阵列显示与宿主遗传学变异无关。
这些发现共同提出模型：微生物和宿主嘌呤核苷酸降解升高诱导结肠组织代谢应激，进而可能通过增加嘌呤补救导致代偿反应。嘌呤核苷酸水平低可能导致上皮能量状态和黏膜修复能力降低，这可能部分构成 IBS 的病理生理学基础。
图 7. IBS 的多组学整合视角揭示嘌呤补救通路中的微生物-宿主互作机制
本研究通过纵向多组学技术（宏基因组、代谢组、转录组及甲基组）分析，揭示肠易激综合征（IBS）的亚型特异性机制。IBS-C 患者肠道菌群多样性高且不稳定，短链脂肪酸（SCFAs）水平降低，导致肠道分泌功能减弱；IBS-D 患者则表现为色胺和初级胆汁酸升高，促进肠道分泌。此外，IBS 患者普遍存在嘌呤代谢异常，次黄嘌呤水平降低，伴随宿主嘌呤补救途径基因（PNP、XDH）表达上调，提示结肠上皮 “嘌呤饥饿” 可能是共同病理基础。研究强调纵向采样和多组学整合的重要性，为 IBS 的机制分型和靶向治疗（如调控嘌呤代谢、SCFAs 补充）提供新思路。
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排版：野凌
审核：三黍生物企宣部
