炎症性肠病家族队列中微生物动态变化的首次洞察：基尔KINDRED队列的多组学研究成果

本研究基于前瞻性基尔炎症性肠病（IBD）家族队列（KINDRED队列），通过整合微生物组、遗传学与临床数据，首次系统揭示了IBD患者及其高危亲属的肠道菌群失调（dysbiosis）特征。研究发现口腔来源菌属（如Veillonella、Fusobacterium nucleatum）和肠杆菌科（Enterobacteriaceae）的异常定植与IBD病理状态显著相关，且菌群多样性丧失、炎症标志物（如ASCA IgG/IgA、钙卫蛋白）升高与遗传风险评分（PRS）存在关联。研究进一步证实粪便转运时间（Bristol stool score）是影响菌群结构的关键因素，并为IBD早期预警提供了微生物生态学视角。

　　

引言

炎症性肠病（IBD）是一种慢性复发性肠道炎症性疾病，主要包括克罗恩病（CD）和溃疡性结肠炎（UC），其发病与遗传、环境及生活方式因素密切相关。家族聚集性是IBD的显著特征，一级亲属的患病风险显著升高。既往研究多采用横断面设计，而前瞻性家族队列研究能够捕捉疾病发生前的早期微生物和分子变化。基于此，基尔炎症性肠病家族队列（KINDRED队列）于2013年启动，系统收集了IBD患者及其亲属的纵向临床、遗传、生活方式和微生物组数据。

当前KINDRED队列状态

截至2021年4月，队列共纳入1497名IBD患者和1813名初期未患病的家庭成员，涵盖1372个家庭。基线数据集包括1321名IBD患者和1072名健康亲属的完整问卷和生物样本数据。样本采集时间点间隔平均为2.652年（基线与首次随访）和1.563年（首次与二次随访）。研究整合了基因组-wide基因分型、粪便16S rRNA测序、血液生物标志物（如CRP、血红蛋白）和炎症指标（如钙卫蛋白、ASCA抗体）等多维度数据。

炎症生理生物标志物的分布

研究分析了IBD相关生物标志物的分布规律。抗酿酒酵母抗体（ASCA）IgG水平随BMI升高而增加，而IgA随年龄增长下降。CD患者的ASCA IgA和IgG水平显著高于健康对照和UC患者。抗糖蛋白2（GP2）抗体（与原发性硬化性胆管炎和CD相关）在IBD患者中升高，且与年龄、性别相关。粪便钙卫蛋白浓度在CD患者中最高，并随年龄增长而下降。粪便Bristol评分（BSS）显示老年个体（尤其是CD患者）粪便更稀软，提示肠道转运时间缩短。

遗传风险与炎症标志物的关联

通过多基因风险评分（PRS）量化个体对CD、UC和IBD的遗传易感性。结果显示，IBD患者的PRS显著高于健康个体，且CD-PRS和UC-PRS具有疾病特异性。未来发病的健康个体（发病前）也显示较高的UC-PRS和IBD-PRS。CD-PRS和IBD-PRS与ASCA IgA/IgG水平呈正相关，表明遗传风险与免疫应答密切相关。其他炎症标志物（如钙卫蛋白、BSS）与PRS的关联较弱。

微生物类群在IBD病理和时间中的差异丰度

粪便菌群主要由拟杆菌门（Bacteroidetes）和厚壁菌门（Firmicutes）主导，其次是变形菌门（Proteobacteria）和梭杆菌门（Fusobacteria）。在ASV水平上，超过750个类群在IBD病理状态下呈现差异丰度。肠杆菌科（如Haemophilus、Klebsiella）在IBD患者（尤其是CD）中富集，而健康个体中瘤胃球菌科（Ruminococcaceae）和Faecalibacterium等丰度较高。口腔来源菌属（如Veillonella、Fusobacterium nucleatum）和候选Saccharibacteria在CD患者中显著增加，提示肠道菌群"口腔化"现象。这些模式在外部队列（马耳他、瑞典队列）中得到验证。

差异丰度类群与炎症指标和遗传风险评分相关。口腔化指标菌与BSS下降、钙卫蛋白升高相关；肠杆菌科与ASCA抗体水平和软化粪便正相关。多项类群（如Alistipes）与CD遗传风险负相关，而肠杆菌科和梭菌XIVa类群与IBD-PRS正相关。这些关联多具有疾病特异性，在健康对照中不显著。

α多样性与IBD病理、临床特征和菌群失调的关联

CD和UC患者均显示物种丰富度和均匀度显著降低，且CD的多样性丧失更严重。未来发病个体的多样性略低于健康对照，但差异不显著。基于差异丰度模式构建的微生物失调指数（MD-index）与α多样性呈负相关（非线性），表明随失调加剧多样性加速丧失。α多样性指标与炎症标志物（如ASCA抗体、钙卫蛋白、BSS）负相关，在CD患者中尤为明显。

微生物群落差异与生理、人体测量特征及遗传风险的关联

IBD病理状态是群落组成的首要影响因素，CD与健康对照的差异最大。群落组成与炎症指标（如ASCA、钙卫蛋白）显著相关，其中BSS是最关键的生理参数。MD-index定义的失调梯度区分了IBD与非IBD个体，并在跨队列验证中保持一致。IBD患者的群落变异性显著高于健康对照（"安娜·卡列尼娜原则"）。未来发病个体在发病前位于失调梯度中心，发病后向低失调方向移动。

药物和饮食因素也影响群落组成。影响粪便转运时间的药物（如止泻药）作用显著，而抗生素影响较小。二十碳四烯酸摄入与失调正相关，维生素和纤维摄入与健康群落相关。

非常规群落簇与失调和炎症的关联

无监督聚类识别出三个群落簇，其中簇3以肠杆菌科为主导，与传统"肠型"不同。该簇与较高失调水平、炎症标志物（ASCA、BSS）升高和CD-PRS增加相关，代表一种与宿主遗传和促炎反应相关的特殊群落状态。

IBD发病驱动可变生理应答和有限微生物变化

对发病个体的分析显示，发病后粪便钙卫蛋白无显著变化，但粪便细胞因子（TNFα、IL1β、IL6）和 zonulin 水平升高。发病后Escherichia/Shigella和Akkermansia丰度下降，Faecalibacterium增加。α多样性（Shannon指数）发病后升高，但物种丰富度无变化。发病前后群落组成无显著聚类，但发病后向低失调方向移动。这些变化个体间差异大，样本量小限制结论的普适性。

网络分析揭示群落扰动和疾病依赖的类群中心性

共丰度网络显示，健康与IBD群落网络结构和拓扑存在差异。IBD网络显示更高的密度、半径和自然连通性，表明群落收缩和抗扰动性增强。关键类群包括IBD相关的Clostridium ramosum、Clostridium XIVa clostridioforme、口腔细菌（Veillonella、Fusobacterium）和肠杆菌科（Klebsiella）。健康网络中Alistipes和产短链脂肪酸菌（如Barnesiella）占据中心位置。网络中心性提示这些类群在群落稳态中可能起关键作用。

微生物类群的遗传性

基于亲缘关系的混合模型分析显示，多数类群的遗传性受宿主亲缘关系和环境因素共同影响。拟杆菌目（如Bacteroides uniformis）遗传性最高，且多为健康相关类群。少数疾病相关类群（如Escherichia/Shigella、Dialister invisus）也显示较高遗传性。群落失调指数（MD-index）的遗传性较低（h²_full=0.08），表明家族内传播有限。健康一级亲属的失调水平与无关个体相似，提示环境因素主导。

讨论

KINDRED队列研究通过多组学整合揭示了IBD中菌群失调的重复性梯度、多样性丧失、口腔和促炎类群过度生长以及个体间变异性增加等特征。口腔化（如Fusobacterium nucleatum）和肠杆菌科过度生长是IBD的核心微生物特征，与炎症标志物和遗传风险相关。粪便转运时间是菌群结构的关键决定因素，其影响超过饮食和疾病信号。遗传风险评分（PRS）与ASCA抗体水平关联，提示遗传背景调控对微生物抗原的免疫应答。菌群遗传性分析表明，健康相关类群遗传性较高，而失调主要受环境驱动。

局限性

研究存在以下局限：健康亲属依赖自我报告；IBD诊断未完全由中心验证；发病样本量小（N=7）；16S rRNA测序分辨率低于宏基因组学。未来多组学分析将深化机制理解。

材料与方法

队列设计为前瞻性家族研究，纳入IBD患者和亲属，每2年随访采集问卷和生物样本。伦理批准由基尔大学医学伦理委员会授予（AZ A117/13）。粪便DNA提取和16S rRNA测序使用DADA2流程处理。统计分析包括线性模型、PERMANOVA、网络构建（SpiecEasi）和遗传性估计（lme4qtl）。外部验证队列包括马耳他治疗 na?ve 和缓解期患者、瑞典SIC-IBD队列。