糞便代謝組作為習(xí)慣性飲食的讀數(shù)揭示飲食與腸道微生物組的相互作用

《Nature Communications》：Faecal metabolites as a readout of habitual diet capture dietary interactions with the gut microbiome

【字體： 大 中 小 】 時(shí)間：2025年12月05日 來源：Nature Communications 15.7

　　

飲食與腸道微生物組的相互作用一直是營養(yǎng)學(xué)和微生物學(xué)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。盡管已知飲食模式對腸道菌群組成有重要影響，但具體飲食成分與微生物種類之間的特異性相互作用仍難以捉摸。傳統(tǒng)的飲食評估方法如食物頻率問卷（FFQ）存在回憶偏差，而血液代謝物雖能反映飲食暴露，但與腸道微生物組的直接關(guān)聯(lián)較弱。糞便代謝組作為飲食和微生物代謝的最終產(chǎn)物，可能更直接地反映這一相互作用界面。

在這項(xiàng)發(fā)表于《Nature Communications》的研究中，研究人員整合了來自TwinsUK隊(duì)列的1810名參與者和ZOE PRICT1隊(duì)列的837名參與者的多組學(xué)數(shù)據(jù)，包括糞便代謝組學(xué)、宏基因組學(xué)和習(xí)慣性飲食數(shù)據(jù)。通過機(jī)器學(xué)習(xí)模型和多元統(tǒng)計(jì)分析，他們系統(tǒng)評估了糞便代謝物在預(yù)測飲食模式、揭示飲食-微生物組相互作用方面的價(jià)值。

研究采用的主要技術(shù)方法包括：超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜（UHPLC-MS/MS）進(jìn)行非靶向代謝組學(xué)分析；宏基因組測序和MetaPhlAn4進(jìn)行物種水平微生物組成分析；隨機(jī)森林（RF）機(jī)器學(xué)習(xí)模型進(jìn)行飲食模式和疾病風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測；線性混合效應(yīng)回歸（LMER）進(jìn)行代謝物-飲食-微生物關(guān)聯(lián)分析；固定效應(yīng)薈萃分析驗(yàn)證跨隊(duì)列一致性；介導(dǎo)分析探索飲食-代謝物-微生物三者間的潛在因果關(guān)系。

糞便代謝物穩(wěn)健預(yù)測飲食質(zhì)量和組成

研究人員首先使用隨機(jī)森林模型評估糞便代謝物對七種先驗(yàn)飲食指數(shù)依從性的預(yù)測能力。結(jié)果顯示，糞便代謝物模型能穩(wěn)健預(yù)測飲食指數(shù)，所有指數(shù)的AUC評分均>0.70。其中DASH飲食評分（AUC=0.83）、總?cè)忸惏俜直龋ˋUC=0.81）和健康植物性飲食指數(shù)（hPDI）（AUC=0.80）預(yù)測能力最強(qiáng)。值得注意的是，糞便代謝物模型對10年動脈粥樣硬化性心血管疾病（ASCVD）風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)測能力（AUC=0.86）顯著優(yōu)于DASH飲食評分（AUC=0.66）。

54種糞便代謝物的靶向組合反映飲食模式

通過遞歸特征消除（RFE）分析，研究人員確定了一個(gè)由54種獨(dú)特代謝物組成的靶向組合，這些代謝物能夠維持對飲食模式和食物組攝入量的準(zhǔn)確預(yù)測。該組合包括外源性物質(zhì)（25.9%）、脂質(zhì)（24.1%）、未表征代謝物（20.4%）、輔因子和維生素（14.8%）、氨基酸（7.4%）、能量代謝物（5.6%）和部分表征代謝物（1.9%）。

糞便代謝組與習(xí)慣性飲食高度相關(guān)

通過線性混合效應(yīng)回歸模型和固定效應(yīng)薈萃分析，研究人員確定了414個(gè)顯著關(guān)聯(lián)，涉及19種食物組和211種表征糞便代謝物。這些關(guān)聯(lián)中，222個(gè)呈正相關(guān)，涉及18種食物組和143種代謝物。代謝通路富集分析顯示，與食物組相關(guān)的代謝物集合富集的代謝通路與其營養(yǎng)特征一致。

飲食模式影響微生物物種多樣性

研究發(fā)現(xiàn)55種飲食相關(guān)糞便代謝物與腸道微生物組α-多樣性相關(guān)。富含纖維食物組相關(guān)的代謝物（如十八烷二酸、3-羥基油酸*和微生物來源的腸內(nèi)酯）與更高的α-多樣性相關(guān)，而與肉類消費(fèi)增加相關(guān)的次級膽汁酸和膽固醇代謝物則與α-多樣性降低相關(guān)。PERMANOVA分析顯示，87種常見代謝物解釋了個(gè)體間24.9%的β-多樣性差異。

介導(dǎo)分析優(yōu)先考慮腸道環(huán)境的潛在飲食介導(dǎo)物

研究人員觀察到飲食相關(guān)糞便代謝物與微生物物種之間的關(guān)聯(lián)顯著強(qiáng)于飲食與微生物物種之間的直接關(guān)聯(lián)。通過介導(dǎo)分析，他們發(fā)現(xiàn)Dorea菌種在肉類消費(fèi)對次級膽汁酸（石膽酸和異羥去氧膽酸）水平的影晌中起介導(dǎo)作用，而膽固醇硫酸酯在肉類攝入對Ruminococcus torques豐度的影響中起介導(dǎo)作用。此外，堅(jiān)果和種子消費(fèi)相關(guān)的myo-肌醇可能影響Faecalibacterium SGB15346的豐度。

糞便代謝組學(xué)彌合飲食與腸道微生物組之間的差距

與血清代謝物相比，飲食相關(guān)糞便代謝物與腸道微生物物種的關(guān)聯(lián)顯著更強(qiáng)。例如，咖啡消費(fèi)相關(guān)的糞便代謝物（咖啡因代謝物和奎尼酸）與Lawsonibacter asaccharolyticus和Massilioclostridium coli的豐度相關(guān)，而全谷物消費(fèi)相關(guān)的代謝物（2,6-二羥基苯甲酸和2-氨基苯酚）與Faecalibacterium prausnitzii的豐度相關(guān)。這些關(guān)聯(lián)在僅使用飲食回憶數(shù)據(jù)時(shí)無法檢測到，突出了糞便代謝物分析在揭示飲食-微生物組相互作用方面的敏感性。

這項(xiàng)研究通過大規(guī)模多組學(xué)數(shù)據(jù)整合，證實(shí)糞便代謝物是研究飲食與腸道微生物組復(fù)雜關(guān)系的強(qiáng)大工具。研究不僅揭示了糞便代謝物對飲食模式和疾病風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)測價(jià)值，還鑒定出特定的代謝物-微生物關(guān)聯(lián)，為理解飲食通過腸道微生物影響健康的機(jī)制提供了新見解。研究成果為開發(fā)基于代謝物的個(gè)性化營養(yǎng)干預(yù)策略奠定了理論基礎(chǔ)，對預(yù)防和管理飲食相關(guān)慢性疾病具有重要意義。研究人員建立的在線數(shù)據(jù)庫將為后續(xù)研究提供寶貴資源，促進(jìn)對飲食-微生物組-健康關(guān)系的深入探索。