代谢组学寻找厌食症的潜在生物标志物

神经性厌食（AN）指个体通过节食等手段，有意造成并维持体重明显低于正常标准为特征的一种进食障碍，属于精神科领域中“与心理因素相关的生理障碍”一类。其主要特征是以强烈害怕体重增加和发胖为特点的对体重和体型的极度关注，盲目追求苗条，体重显著减轻，常有营养不良、代谢和内分泌紊乱。严重患者可因极度营养不良而出现病情恶化的状态、机体衰竭从而危及生命，5%～15%的患者最后死于心脏并发症、多器官功能衰竭、继发感染、自杀等。事实上是死亡率最高的精神疾病。尽管其具有毁灭性的后果和高昂的社会和家庭负担，但治疗效果仍不理想。这主要是因为它的发病机理还不清楚，确诊与鉴定仍比较模糊。因此，识别与AN相关的生物标志物有助于提高我们对其病理生理学的理解，以及为开发新的治疗策略和治疗监测确定潜在的靶点。

部分结果展示：

1） AN患者粪便代谢组学分析

如图所示，PLS2-DA评分图可以清楚地区分急性胰腺炎患者、体重恢复患者和健康对照组。通过交叉验证和置换测试评估的PLS2-DA性能显示没有过度拟合(Q² = 0.897，R² = 0.941)。在该模型确定了14种代谢物其VIP评分> 1.5，分别是尸胺、环丝氨酸、N-乙酰乙二胺、硬脂酸、粪甾烷醇或粪甾醇、丙酸、亚油酸、乳酸、3-甲基、2-酮基丁酸、2-酮基、3-甲基戊酸、岩藻糖、木糖、鼠李糖和阿拉伯糖。

图、代谢组学数据分析结果展示

2）差异代谢物分析

火山图分析比较了224种粪便代谢物在患有急性疾病或体重恢复的AN患者和健康对照之间的浓度，结果显示：(1)在急性疾病和体重恢复的AN患者中，戊酸和3-甲基-2-酮丁酸的粪便浓度都增加了；(2)急性胰腺炎时，粪便中丙酸、硬脂酸、亚麻酸、甲基半乳糖苷、粪甾醇(或粪甾烷醇)、环丝氨酸和月桂酸的浓度增加，体重恢复后则恢复正常；(3)粪便中岩藻糖、木糖和鼠李糖的水平在急性胰腺炎时降低，在体重恢复后恢复正常；(4)体重恢复后，粪便中胡椒碱、苯丙氨酸、丁酸和赤藓糖醇的水平降低，而粪便中羟基硬脂酸的水平升高，但体重不足的AN患者的水平正常。所有这些变化表明了急性阶段和短期体重恢复后AN的特殊粪便代谢组学特征，以及一些检测到的代谢物变化的潜在生物标记值。

图、火山图结果展示

另外，使用基于主成分分析显示，与健康对照组相比，在体重不足的AN患者中，粪甾醇、环丝氨酸、戊酸、硬脂酸、甲基-半乳糖苷、3-甲基、2-酮丁酸、丙酸、亚麻酸和月桂酸水平显著升高，而木糖、岩藻糖和鼠李糖水平显著降低。而体重恢复后，粪便中戊酸、羟基硬脂酸和3-甲基-2-酮丁酸的浓度显著升高，而粪便中丁酸、胡椒碱、赤藓糖醇和苯丙氨酸的水平显著降低。

图、差异代谢物的变化趋势表

3）AN患者差异代谢物的代谢通路分析

代谢途径分析发现几个途径之间存在明确的相互作用，包括：缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸降解；糖酵解和糖异生；蛋氨酸和半胱氨酸代谢；尿素循环代谢；果糖和甘露糖代谢；脂肪酸代谢；丁酸代谢；甘氨酸、丝氨酸、丙氨酸和苏氨酸代谢以及亚油酸代谢。几个相互作用点证实了这种疾病中内源性代谢的相关失调。

图、代谢通路富集分析

 

4）显著差异代谢物功能探讨

患有肠易激综合征的饥饿受试者的新陈代谢及能量来源与健康个体不同，因为肠易激综合征患者通常需要避免摄入富含糖分的食物和/或高脂肪的食物。这至少可以解释为什么我们在急性期的病人中检测到糖浓度降低，以及在恢复正常饮食和恢复正常体重后糖浓度恢复正常的现象。此外，急性胰腺炎患者粪便中鼠李糖和木糖浓度与进食障碍患者的体重呈负相关，这也证实了先前研究人员提出的假设。

丙酸是一种短链脂肪酸（SCFA），存在于人类和其他哺乳动物的胃肠道中，是微生物消化碳水化合物的最终产物。肠道微生物群产生丙酸盐的增加也可以解释研究人员在急性胰腺炎患者中发现的粪便中岩藻糖浓度降低，这是糖降解增加合成丙酸盐的结果。丙酸盐和其他肠道代谢物一样，能够进入体循环并穿过血脑屏障，或者通过直接调节肠道神经系统影响中枢神经系统功能。事实上，已经表明丙酸降低肝脏和血浆中的脂肪酸含量，减少食物摄入发挥免疫抑制作用，并可能改善组织胰岛素敏感性。此外，在急性肠易激综合征患者中，粪便丙酸水平与BSI（症状调查表）人际关系敏感评分呈正相关，这是肠易激综合征患者典型的精神病理学特征。因此，在肠易激综合征的急性期增加肠道丙酸盐的产生可能会对一些代谢、精神病理学和行为方面产生影响，从而促进肠易激综合征的病理生理学研究。

 

戊酸和丁酸也属于SCFA家族，与肠道中的细菌发酵有关。在本实验的样本中，急性期患者和体重恢复患者的戊酸水平均有所升高，而体重恢复患者的丁酸浓度则有所降低，这表明这些代谢物的特征标记物发挥了作用。此外，这些代谢物在AN病理生理学中可能发挥一定的作用，因为丁酸已被证明在小鼠中可产生抗抑郁的作用，而戊酸在结构上似乎与4-羟基丁酸相似，4-羟基丁酸是一种天然存在的神经递质和GABA的前体，GABA是大脑中主要的抑制性神经递质，可能参与多种精神疾病的发病机制。

环丝氨酸是D-丙氨酸的类似物和N-甲基-D-天冬氨酸受体激动剂的调节剂，通过增强谷氨酸功能促进学习。已经证明，暴露疗法可以增强行为学习能力，从而有助于消除恐惧，而恐惧正是这种治疗方式追求的最终目标。事实上，一项AN安慰剂对照试验表明，在急性胰腺炎患者中使用环丝氨酸有利于体重指数的增加，从而有利于暴露疗法发挥作用。因此，在本实验的急性肠易激综合征患者中检测到的肠环丝氨酸浓度升高，可能有利于这类疗法。

小结：

本研究通过使用非靶向代谢组学技术，首次确定了在饥饿期间和短期体重恢复后，肠易激综合征患者粪便代谢组学的实质性变化。这些发现解释了急性胰腺炎肠道中的代谢物变化状态，并为粪便代谢组学的深入研究提供了证据，该特征明确区分了急性胰腺炎患者与体重恢复患者和性别匹配的健康对照者。这些代谢组学变化为AN的诊断和/或病理生理状态或潜在的生物标志物提供了研究价值，同时这些化合物为新的治疗策略(即营养药物和/或药物干预)提供了可能性。

参考文献：Metabolomics signatures of acutely ill and short-term weight recovered women with anorexia nervosa. Molecular Psychiatry. 2019. IF=22.7分.