马雄/唐茹琦教授团队：IgG4相关硬化性胆管炎和原发性硬化性胆管炎肠道菌群和代谢组学研究
*本文为“第五届感染病与肝病卓越研究年度论坛非感染性肝病分论坛”正式发言，由第一作者刘巧燕、李博和通信作者唐茹琦教授共同撰稿。
上海交通大学医学院附属仁济医院
上海交通大学医学院附属仁济医院
IgG4相关性疾病是累及全身多器官的慢性疾病，以血清IgG4水平升高、病变组织IgG4阳性浆细胞增多为特点，IgG4相关硬化性胆管炎，是IgG4相关疾病累及肝胆系统的疾病亚型（以下简称IgG4-SC）。原发性硬化性胆管炎（以下简称PSC），是慢性进展性肝脏疾病，以大胆管多灶性狭窄为主要特点。
以上两种硬化性胆管炎均表现为胆汁淤积症状，且影像学特征相似，IgG4有时在PSC中升高，导致在临床中有时难以鉴别两种疾病。
硬化性胆管炎的发病机制目前不清楚，近年来，人体定植的微生物及其代谢产物受到广泛关注，其可作为特定的环境因素参与肝脏疾病的发生，包括非酒精性脂肪性肝病等。肠道菌群也可通过产生小分子代谢物影响宿主健康状态，这些代谢物可在肠道局部和远端器官发挥作用。
研究发现，微生物相关代谢物与肝脏疾病的发生密切相关，包括短链脂肪酸，次级胆汁酸等。粪便代谢组可以很大程度上解释肠道微生物组，被认为是介导宿主-微生物相互作用的媒介。PSC病人存在肠道菌群的失衡，表现为菌群生物多样性下降及致病菌丰度增加；机制研究发现，PSC患者肠道中升高的肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumonia）可移位进入血液循环并引起Th17介导的肝脏炎症反应。然而，肠道菌群在IgG4-SC中的作用并不清楚。
IgG4-RD免疫损伤为2型免疫应答介导，鉴于此前研究发现肠道菌群失衡可导致异常的2型免疫应答，肠道菌群在IgG4-SC中的作用值得探索。这也引出了我们的两个科学问题：即肠道菌群与IgG4-SC的关系，以及肠道微生态方面IgG4-SC和PSC的异同之处。
我们进行了如下的研究设计：收集了34例IgG4-SC, 37例PSC，以及64例健康对照的粪便样本，进行了16S rRNA扩增子检测以及非靶代谢组检测，同时收集了受检者的临床资料，以期通过多组学的分析探索疾病特异的肠菌及代谢谱改变，并且希望建立疾病预测模型，寻找新的鉴别诊断标志物。
以下是我们的研究发现：
首先是粪便微生物组整体变化：与健康对照相比，IgG4-SC和PSC肠道菌群均存在alpha多样性的下降，且PSC下降程度更大；两组患者菌群组成结构较HC均显著变化，但疾病组相比差异不显著。
因为疾病组人群构成异质性较大，我们进一步评估了这些混杂因素包括age、gender、BMI以及药物使用对菌群整体组成的影响，发现抗生素和UDCA影响显著，因此在后续的分析校正了这两个因素。
差异菌属分析结果表明，IgG4-SC组有3个菌属特异变化，包括丰度升高的链球菌属以及丰度下降的布劳特菌属等；11个菌属在PSC组特异改变，大部分呈下降趋势，包括真细菌属等。15个菌属在疾病组改变一致，4个一致升高菌属，包括梭杆菌属，韦荣氏球菌属等；11个一致下降菌属，包括粪杆菌属等益生菌。
接下来，我们分析了两组病人的粪便代谢组组成。结果发现，IgG4-SC、PSC及健康对照粪便代谢组整体构成各不相同。进一步的差异代谢物分析共发现125种代谢物在疾病组改变，其中27种在IgG4-SC组特异改变，67种在PSC特异改变，31种在疾病组一致改变；多种具有潜在促炎作用的代谢物在疾病组一致升高，包括琥珀酸、左旋-棕榈酰肉碱等，它们均有研究报道可能具有破坏肠道屏障的功能。
IgG4-SC组代谢物变化以多种脂质升高为主，包括花生四烯酸、二十二碳五烯酸等多不饱和脂肪酸和二氢鞘氨醇等鞘脂类。PSC组以多种代谢物下降为主，包括脱氧胆酸等次级胆汁酸以及戊酸等中短链脂肪酸；我们的代谢组分析揭示了疾病特异的粪便代谢谱改变，下一步继续探索微生物组-代谢组的关联状态。
结果表明，微生物组和代谢组整体是显著相关的；差异菌属和代谢物普遍相关，并且多呈现共变化的模式；特定微生物-代谢物的关联分析可以提示疾病发病机制，IgG4-SC升高的布劳特菌属和疾病组升高的琥珀酸呈显著负相关，而疾病组下降的真细菌属与PSC下降的石胆酸显著正相关，下降的另支菌属与戊酸正相关。这些单一的关联分析揭示了肠菌功能状态的改变。接下来我们想继续探索这些差异菌属或者代谢物与宿主表型间的关联。
我们发现了疾病特异的关联模式。在IgG4-SC组，改变的菌属或者代谢物多与肝脏炎症指标相关，比如，特异下降的布劳特菌属与谷丙转氨酶负相关。另外，琥珀酸虽然在PSC组也升高，但仅在IgG4-SC组与谷丙及谷草转氨酶有较强的正相关性，表明它在IgG4-SC发病中的作用。PSC组改变的菌属和代谢物多与胆汁淤积指标碱性磷酸酶和总胆红素相关，尤以次级胆汁酸包括脱氧胆酸和石胆酸的关联程度最强。因此，我们的分析表明了疾病特异的宿主-微生物相互作用。最后，我们想了解是否这些多组学特征具有疾病区分效能。
我们通过交叉验证确定了疾病预测模型表现最优时纳入的差异特征数目，基于确定的参数构建随机森林模型，结果表明，差异均属或者差异代谢物或者两者联合均能区分疾病组与健康对照，区分效率平均约为0.9，并且代谢物的区分效能优于差异均属；差异代谢物能有效实现IgG4-SC/PSC组的区分，但是差异均属不能有效区分两疾病组。这进一步说明了代谢组作为肠菌功能读出的意义。
总结研究，首先，我们发现了IgG4-SC病人存在肠道菌群多样性的下降、整体结构的改变以及多种菌属的特异改变；其次，我们发现IgG4-SC与PSC组具有不同的粪便代谢组组成以及代谢物变化，并且这些代谢物的变化与微生物变化紧密相关；进一步与临床的关联分析表明肠道菌群及其代谢物可能参与IgG4-SC肝内炎症的发生，而参与PSC胆汁淤积的发生；最后，我们发现差异菌属或者差异代谢物具有疾病区分效能，且仅差异代谢物能区分IgG4-SC与PSC。
专家点评
研究员，目前就职于上海交通大学医学院附属仁济医院消化所。致力于自身免疫性肝病发病机制的探索，研究涉及肠道微生态、分子遗传学、免疫学等领域。近年来以（共同）第一/通讯作者在GUT、Hepatology、Nature Communications、Genome Biology 等期刊发表十余篇论文。主持国家自然科学基金优秀青年等项目，入选上海市曙光学者，优秀青年学术带头人计划。获得Gilead亚洲肝病青年学者奖。作为主要完成人获教育部高等学校科技进步一等奖等奖励。