西藏林芝市被譽為“雪域江南”，是生物多樣性熱點和生態研究寶庫，擁有全球罕見的高原峽谷、原始森林及垂直氣候帶，為冰川、動植物適應性研究提供天然實驗室。其獨特的門巴、珞巴民族文化與雅魯藏布大峽谷等世界級景觀深度融合，科學考察與生態旅游協同發展潛力巨大，是科研與旅行者探秘的終極目的地。
近年來，廣東省醫療援藏專家、廣東省人民醫院急診科李欣教授團隊攜手上海百趣代謝組學技術研究中心等多家單位，圍繞中等海拔暴露對人體代謝的影響展開了持續深入的系列探索。
首先揭示，中等海拔暴露(以西藏林芝2900米為例)可通過調控腸道菌群與血清代謝組影響人體空腹血糖等指標，為胰島素抵抗相關代謝綜合征的防治提供了新方向，相關成果發表于Science of The Total Environment(深度合作文章|去“西藏江南”旅游可以“減重降糖”?多方合作報道帶你深度解析)。
在此基礎上，進一步在國際著名期刊Redox Biology發現，中等海拔暴露會引起血清尿酸及代謝組的動態變化，其中β-丙氨酸與尿酸水平呈顯著負相關，干預實驗證實其可改善高尿酸血癥;同時，基于血清代謝物和臨床指標構建的預測模型，能輔助識別暴露期間無癥狀高尿酸血癥風險(合作發文|廣東省醫療援藏首席專家李欣攜手上海百趣探究如何用“氨基酸魔法”擊敗“高尿酸魔法”?)。
最新研究中，在Virulence發表的成果將探索推向更深層，首次系統解析了腸道多界微生態(包括細菌、真菌、古菌、噬菌體)在中等海拔暴露中的變化規律，發現其與血糖、短鏈脂肪酸代謝密切關聯，為通過調控腸道微生態改善代謝疾病提供了更全面的科學支撐。從腸道菌群與血糖調控的初探，到尿酸代謝及干預策略的揭示，再到腸道多界微生態的深度解析，這一系列研究層層遞進，逐步揭開了中等海拔環境與人體代謝健康的復雜關聯，為相關疾病的預防和治療開辟了獨特路徑。
廣東省醫療援藏專家、廣東省人民醫院李欣教授和上海百趣代謝組學技術研究中心劉志鵬研究員為共同通訊作者;廣東省人民醫院黃筱然博士、高小燕博士以及上海百趣代謝組學技術研究中心范艷群助理研究員為論文共同第一作者。
背景介紹
高原環境以低壓、低氧、低溫和強紫外線為特征，機體為適應高原環境會引發心率加快、紅細胞增多等適應性生理反應。但有研究表明，間歇性低氧暴露或短期高原暴露(3~21天)能改善空腹血糖(Fasting Blood Glucose,FBG)水平、體重和心肺功能。因此，研究高海拔暴露對人體健康影響的確切作用和潛在機制顯得尤為重要。
近年來，腸道微生態(包括細菌、真菌、古菌和病毒等)在人類健康中的研究備受關注，如腸道菌群失調被報道與心血管疾病、肥胖癥和二型糖尿病等疾病的發生發展密切相關。先前大部分腸道微生態的研究主要集中在細菌組，最近真菌組、古菌組和病毒組在人體健康方面的作用逐漸被認知，它們可以通過與宿主機體互作從而發揮對健康的影響，如腸道酵母菌的富集可能促進產短鏈脂肪酸菌的增加從而提高短鏈脂肪酸(Short-Chain Fatty Acids,SCFAs)含量;古菌產甲烷菌能與細菌協同作用，增強SCFAs的產生從而抑制癌癥的發展;腸道噬菌體的失調與代謝綜合征、胰島抵抗和肥胖的發生發展等相關;此外，對心臟代謝性疾病患者進行腸道病毒移植(Fecal Virome Transplantation,FVT)能改善患者的健康狀態。
最近人體腸道多界微生態的研究報道拓寬了人類對腸道微生態的認知，如腸道細菌組、真菌組、古菌組和噬菌體組與地理位置、城市化、民族和飲食的研究，發現地理位置對腸道古菌組和噬菌體組的影響最大，城市化對腸道細菌組和真菌組的影響最大;而結直腸癌、肝硬化門診患者失代償和COVID-19結局的腸道多界微生態的研究報道增強了我們對這些疾病的病理生理機制和微生物相互作用的理解;此外，基于腸道多界微生態的疾病診斷模型可以完善或者增強疾病診斷預測能力，并為預防疾病進展提供新的治療靶點。目前已有研究發現中短期(1天~12個月)的高海拔或中等海拔暴露可通過影響腸道細菌組來調控人或動物宿主表型，但目前國際上缺少長期≥12個月的中等海拔暴露如何影響腸道多界微生態及其功能進而影響宿主健康的相關研究。
為了填補這個知識空白，我們探究了長期的中等海拔暴露對人體腸道多界微生態、血清代謝組和表型間的關系。通過募集來自廣州(平均海拔≤50m)的47個健康漢族人，并在他們作為志愿者進入西藏林芝市(平均海拔=2.900m)居住后隨訪跟蹤了12個月;此外，也募集了47名在林芝市居住五年以上的健康志愿者(漢族:藏族=36:11)嘗試探索民族因素與中等海拔暴露時間長短對人體腸道多界微生態、血清代謝組和臨床表型的影響。本研究通過聯合糞便宏基因組技術和血清靶標代謝組學技術(如氨基酸、中長鏈脂肪酸和膽汁酸)探索了中等海拔暴露對腸道多界微生態的組成和功能、噬菌體-細菌宿主互作、以及界內和界間微生態的相互作用網絡的影響，此外通過結合多種統計分析方法探究了腸道多界微生態與血清代謝物及臨床表型間的相互作用，為通過調節腸道多界微生態進而改善人體代謝提供科學依據。
研究結果
中等海拔暴露對健康漢族志愿者的表型組的影響
對中等海拔暴露前后健康漢族志愿者的19項臨床指標進行單變量統計分析發現，2個臨床指標(舒張壓和心率)在中等海拔暴露12個月后顯著升高，9個臨床指標(如BMI、體重、FBG、胰島素等)顯著降低。對臨床指標進行線性混合效應模型分析發現，兩項增加的臨床指標(舒張壓、心率)和六項減少的臨床指標(如FBG、胰島素等)發生了顯著性變化。重要的是，盡管上述臨床指標在中等海拔暴露人群中出現顯著性變化，但這些變化都在正常健康范圍內。此外，飲食問卷調查結果表明中等海拔暴露人群的飲食營養攝入在暴露前后無顯著變化，而體力活動問卷結果表明中等海拔暴露后人群的運動強度和頻率都有所下降。眾所周知，高強度的體育活動可能有助于改善代謝健康和降低血糖。這些結果綜合表明，體重、BMI和FBG的變化更可能由中等海拔暴露引起，飲食或體力活動的改變對上述臨床指標的影響有限。
中等海拔暴露對健康人體腸道細菌組成的影響
首先，通過宏基因組測序分析了中等海拔暴露前后人體腸道細菌組成的變化(圖1A)。結果顯示，與中等海拔暴露前相比，中等海拔暴露12個月后(12M組)的人體的腸道細菌的α多樣性無顯著變化，門和種水平的β多樣性無顯著變化，但屬水平上β多樣性顯著降低(圖1B-C)。主坐標分析(Principal Coordinates Analysis, PCoA)表明，中等海拔暴露前后，人體的腸道細菌在門、屬和種水平的組成上均發生顯著變化(圖1D)。對不同水平的腸道細菌進行差異分析，與中等海拔暴露前相比，12M組的2個門(Candidatus Saccharibacteria和Proteobacteria)的相對豐度下降，而1個門(Bacteroidetes)的相對豐度上升;5個屬(如Agathobaculum、Romboutsia)的相對豐度下降，3個屬(如Prevotella、Phascolarctobacterium)的相對豐度上升;4個物種(如Agathobaculum butyriciproducens、Romboutsia timonensis)的相對豐度下降(圖2A)。此外，長期居住在林芝(>5年)的漢族(Local_H組)和藏族(Local_Z組)人群的細菌α多樣性無顯著差異，但Local_Z組在門、屬和種水平上的β多樣性均低于漢組且與中等海拔暴露時間無關(圖1B-C)。PCoA進一步顯示，中等海拔暴露后人體的腸道細菌組成逐漸趨近于長期林芝居民(圖1D)。
中等海拔暴露對健康人體腸道真菌組成的影響
然后，我們對中等海拔暴露對人體腸道真菌組成的影響進行了評估，發現12M組中真菌α多樣性略有增加，屬水平上的β多樣性顯著降低，但門和種水平上的β多樣性無顯著差異(圖1B-C)。PCoA顯示，中等海拔暴露前后人體腸道真菌組成在屬和種水平上發生顯著變化，而在門水平上無顯著差異(圖1D)。對不同水平的腸道真菌進行差異分析，與中等海拔暴露前相比，12M組中1個門(Chytridiomycota)的相對豐度增加，4個屬(如Cercospora、Kluyveromyces)和5個物種(如Cercospora beticola、Ogataea parapolymorpha)的相對豐度顯著上升(圖2B)。此外，Local_H組中真菌α多樣性顯著高于0M組，且在門、屬和種水平上的β多樣性均低于12M組(圖1B-C)。PCoA進一步表明，中等海拔暴露人體的腸道真菌組成逐漸趨近于長期林芝居民(圖1D)。
中等海拔暴露對健康人體腸道古菌組成的影響
接著，我們還探討了中等海拔暴露對人體腸道古菌組成的影響。12M組中古菌α多樣性無顯著變化，但門水平上的β多樣性顯著升高，而屬和種水平上的β多樣性降低(圖1B-C)。PCoA顯示，暴露前后人體腸道古菌組成在門水平上的發生顯著變化，而在屬和種水平上無顯著差異(圖1D)。對不同水平的腸道古菌進行差異分析，與中等海拔暴露前相比，12M組中2個門(Thaumarchaeota和Candidatus Thermoplasmatota)的相對豐度下降，而2個門(Crenarchaeota和Candidatus Lokiarchaeota)的相對豐度上升;3個屬(如Cuniculiplasma、Candidatus Nitrosopelagicus)的相對豐度下降，1個屬(Caldivirga)的相對豐度上升;4個物種(如Cuniculiplasma divulgatum和Candidatus Nitrosopelagicus brevis等)的相對豐度下降，1個物種(Caldivirga maquilingensis)的相對豐度上升(圖2C)。此外，Local_H組和Local_Z組人體的腸道古菌α多樣性呈現非顯著升高趨勢，但β多樣性顯著低于12M組，且Local_Z組的β多樣性最低(圖1B-C)。PCoA表明，中等海拔暴露人體的腸道古菌組成逐漸趨近于長期林芝居民(圖1D)。
中等海拔暴露對健康人體腸道噬菌體組成的影響
最后，我們評估了中等海拔暴露對腸道噬菌體組成的影響。與基線數據相比，12M組中噬菌體α多樣性無顯著變化，但門和種水平上的β多樣性顯著降低，屬水平上無差異(圖1B-C)。PCoA顯示暴露前后個體在門、屬和種水平上的噬菌體組成均發生顯著變化(圖1D)。對不同水平的腸道噬菌體進行差異分析，與中等海拔暴露前相比，12M組中1個門(Uroviricota)的相對豐度下降，而2個門(Nucleocytoviricota和Kitrinoviricota)的相對豐度上升;1個屬(Beejeyvirus)的相對豐度下降，10個屬(如Pandoravirus和Shirahamavirus等)的相對豐度上升;10個物種(如Lactococcus phage bIL309和Beejeyvirus BJ1等)的相對豐度下降，8個物種(如Cebadecemvirus phi10una和Shirahamavirus PTm1等)的相對豐度上升(圖2D)。此外，Local_H組和Local_Z組人群的噬菌體α多樣性無顯著差異，但Local_H組在門和屬水平上的β多樣性顯著高于12M組，而Local_Z組在屬和種水平上的β多樣性顯著低于12M組，且Local_Z組的β多樣性在門、屬、種水平上都低于Local_H組(圖1B-C)。PCoA表明，中等海拔暴露人體的腸道噬菌體組成逐漸趨近于長期林芝居民(圖1D)。
中等海拔暴露對健康人體腸道微生態功能的影響
為了探討中等海拔暴露對健康人體腸道微生態功能的影響，我們通過使用HUMAnN 3工具對腸道微生物組數據進行功能分析。結果顯示，與中等海拔暴露前相比，12M組中有15條MetaCyc代謝通路顯著上調，其中排名前5的MetaCyc代謝通路(如dTDP-&beta、L-rhamnose biosynthesis、xyloglucan degradation II(exoglucanase)等)主要由擬桿菌門物種(如Bacteroides vulgatus)和短鏈脂肪酸產生菌(如Faecalibacterium prausnitzii)驅動;此外，還發現有13條MetaCyc代謝通路在12M組中顯著下調，排名前5的MetaCyc代謝通路(如ppGpp metabolism、superpathway of tetrahydrofolate biosynthesis等)主要由變形菌門物種(如Escherichia coli和Klebsiella pneumoniae)驅動。PCoA表明，中等海拔暴露人體的腸道微生態功能逐漸趨近于長期林芝居民(>5年)。
中等海拔暴露對健康漢族人體腸道多界微生態相關性網絡互作的影響
為了探討中等海拔暴露對健康漢族人體中腸道多界微生態(如細菌、真菌、古菌和噬菌體)的界內和界間相關性網絡作用的影響，我們對在50%以上樣本中出現的微生物進行斯皮爾曼相關性分析。結果表明，中等海拔暴露前人體的腸道微生態的界內相關性網絡(由340個物種組成649個關聯)比中等海拔暴露12個月(由229個物種組成402個關聯)或5年以上(由212個物種組成303個關聯)人體中的更為復雜(圖3A);其中古菌組和噬菌體組內的相關性網絡獨立于中等海拔暴露因素，呈現出比細菌組和真菌組內的相關性網絡更密集。此外，中等海拔暴露前人體的腸道微生態的界間相關性網絡(由286個物種組成449個關聯)也比中等海拔暴露12個月(由239個物種組成219個關聯)或5年以上(由207個物種組成218個關聯)人體中的更為復雜(圖3B);其中細菌組與噬菌體組之間的顯著性相互作用最多且最顯著。此外，我們還發現腸道多界微生態的界內和界間微生物的顯著相互作用中正相關性數量遠多于負相關性。
基于CRISPR spacer序列和MVP數據庫的噬菌體-細菌宿主分析
為闡明腸道噬菌體與細菌宿主的相互作用，我們分析了來自所有樣本的細菌contigs的CRISPR位點，并結合了MVP數據庫比對的結果。結果顯示，在腸道噬菌體的科、屬和種水平上分別鑒定出129、448和579個獨特的噬菌體-細菌宿主相互作用(圖4A)，且這些互作主要分為三類：噬菌體-擬桿菌門物種(如Bacteroides ovatus和Bacteroides uniformis等)、噬菌體-變形菌門物種(如Escherichia coli)以及噬菌體-短鏈脂肪酸產生菌(如Butyricicoccus和Ruminococcus等)。這些結果表明，中等海拔暴露可能會導致人體內的SCFAs水平變化。隨后，我們對血清樣本進行SCFAs檢測，結果顯示12M組中有5種SCFAs(如乙酸、丙酸和丁酸等)水平下降，異丁酸水平上升，己酸無變化(圖4B);隨著中等海拔暴露時間的延長，丁酸和戊酸水平出現了上升，而異丁酸水平出現了下降。這些結果表明，腸道多界微生態的組成、功能及相互作用的變化與中等海拔暴露人體內血清SCFAs水平的改變密切相關。
細菌-真菌-古菌-噬菌體-代謝物-臨床表型之間的關聯分析
為進一步闡述健康人群的腸道多界微生態、血清代謝物與臨床表型間的潛在關系，我們使用上述篩選出來的差異指標進行rdcv-PLS模型分析，結果發現暴露前后的血清代謝物、臨床指標和微生物數據在第一主成分上能明顯區分，且AAs與其他數據集間有較強的相關性;但真菌組與血清代謝物和臨床表型弱相關，與其他微生物組數據中等相關。此外，rdcv-PLS模型篩選出63個關鍵變量，以|r|>0.6進一步卡值后篩選出42個關鍵變量，其中FBG是唯一被rdcv-PLS模型選中的臨床指標。而與FBG顯著相關的變量中，4種古菌、4種氨基酸、2種脂肪酸和2種膽汁酸與FBG正相關;2種細菌、2種真菌、1種古菌和8種噬菌體與FBG負相關(圖5A-C)。PERMANOVA分析顯示，FBG水平對中鏈脂肪酸、氨基酸、噬菌體組和細菌組的影響顯著，且9個關鍵變量(如s_Shirahamavirus_PTm1、p_Crenarchaeota、p_Bacteroidetes等)對FBG水平的影響尤為突出(圖5D-E)。多變量邏輯回歸分析對這9個關鍵變量進一步評估表明，s_Shirahamavirus_PTm1、p_Crenarchaeota和p_Bacteroidetes與FBG降低顯著正相關，而s_Candidatus_Nitrosopelagicus_brevis和丁酸與FBG降低顯著負相關(圖5F)。這些發現揭示了腸道細菌、真菌、古菌、噬菌體與血清代謝物之間的相互作用可能影響中等海拔暴露人體的FBG水平，為糖尿病預防提供了潛在干預靶點。
中等海拔暴露下健康人群的腸道細菌-真菌-古菌-噬菌體-代謝組-臨床表型間的互作
研究結論
本文揭示了中等海拔暴露與腸道多界微生態、血清代謝組和宿主表型之間的復雜相互作用，發現了中等海拔暴露導致腸道多界微生態及其功能的顯著變化，且這些變化與血清代謝組變化及FBG降低顯著相關。這些發現提示我們，使用來自中等海拔暴露過的健康人群的糞便，對血糖異常的人群施行FMT(糞菌移植)或FVT(糞病毒移植)，或可能改善血糖穩態，且為預防和治療血糖異常及相關代謝疾病提供了新的研究方向。
李欣，廣東省人民醫院，二級教授/主任醫師，博士，博士生導師。現任廣東省人民醫院(廣東省醫學科學院)副院長、黨委常委，急診科學術帶頭人、首席專家，中國-阿爾及利亞急診醫學聯合實驗室主任;華南理工大學醫學院學術委員會成員。兼任中國醫師協會急診分會常委;中國醫師協會急診分會質控學組副主委;中國急診醫聯體副主席;廣東省醫學會理事會常務理事;廣東省醫師協會急診分會主委;廣東省醫學會急診分會常委，廣東省健康管理學會急診與災難醫學分會副主委。2016年作為廣東省醫療人才組團式援藏隊隊長，兼林芝市人民醫院院長，帶領西藏林芝市人民醫院以優異的成績通過了三級甲等醫院的評審。2017年獲評國家衛生計生突出貢獻中青年專家，2018年獲評廣東省醫學領軍人才暨杰出青年人才，2019年獲西藏自治區五一勞動獎章、優秀援藏干部稱號，是廣東省暨西藏自治區援藏首席專家。《中華急診醫學雜志》編委、Resuscitation、American journal of emergency medicine審稿人。至今主持國家重點研發計劃項目和課題共3項、國家自然科學基金8項、省市級等課題10余項。主編學術專著8部。已發表第一作者或通訊作者SCI收錄論著100余篇，包括European heart journal、Allergy、Aging Cell、Journal of Nanobiotechnology、Critical Care Medicine、Stem Cells、Resuscitation等國際期刊。
劉志鵬，現任上海百趣代謝組學技術研究中心高級研究員，兼任國際學術雜志The Innovation、iMeta編委會成員，兼任Food Research International等雜志審稿人。主要從事腸道微生態、代謝組、蛋白質組、轉錄組等組學與復雜疾病的跨組學關聯研究，挖掘“飲食干預或外部環境-腸道微生物-宿主代謝”之間關系在多種復雜疾病發生發展中起的作用，并嘗試疾病“預防、診斷、監控、改善”的個體化醫療探索，致力于人體腸道微生態與臨床代謝組相關的科學研究和應用轉化研究。參與完成多項國家自然基金、國家科技部973、載人航天工程等重大項目;已在Nature Medicine、Nature Communications、Gut、iMeta等雜志發表論文16篇，研究成果被Nature Reviews Endocrinology、Nature Reviews Cardiology等雜志評論。參編完成“十三五”規劃教材1部，參編完成學術專著1部，參與完成的“綠航星際”項目相關成果于2018年入選科普讀物：《飛舟日記-“太空180試驗”》、于2020年入選中國高中生教學教材：《2020-2021學年高一新教材地理必修第一冊》“第一章：宇宙中的地球”、于2023年入選中國國家博物館：逐夢寰宇問蒼穹—中國載人航天工程30年成就展。申請國際PCT專利5項，已獲授權國際PCT專利4項，已獲授權國內專利2項，曾獲2項國際基因工程機械大賽IGEM金獎。
第一作者簡介
黃筱然，廣東省人民醫院急診科醫師，醫學博士，主要從事危重心血管疾病及腸道菌群方向的研究。參與多項國家自然科學基金與省自然科學基金，在Journal of nanobiotechnology，Science of the Total Environment，European Heart Journal等雜志發表論文16篇，其中第一作者/共同一作/共同通訊7篇。
高小燕，廣東省人民醫院急診科醫師，醫學博士。研究方向為主動脈夾層/主動脈瘤、腸道菌群與代謝性疾病及細胞衰老。參與國家自然科學基金、廣東自然基金面上項目各1項，在Aging cell、FASEB journal、Science of the Total Environment、中國病理生理雜志等國內外期刊發表論文12篇，其中第一作者或共同一作5篇。
范艷群，現任上海百趣代謝組學技術研究中心研究員，擁有13年代謝組和多組學項目研究經驗，目前主要從事腸道微生態、代謝組、蛋白質組、轉錄組等多組學與復雜疾病的關聯研究以及算法開發和數據分析。參與完成多項國家自然基金、國家科技部863等重大項目;以共同作者身份在Science、Nature Communications、Food Research International、Science of the Total Environment等期刊發表論文12篇，其中發表在Science的酵母長染色體的精準定制合成相關工作入選2017年度中國科學十大進展，被Science、Nature、Nature Biotechnology、Nature Reviews Genetics和Molecular Cell等多家頂尖期刊評論;已獲授權國際PCT專利1項，已獲授權國內專利6項，參編完成“十三五”規劃教材1部。
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